Электростанция комбинированного цикла представляет собой совокупность тепловых двигателей , которые работают в тандеме от одного источника тепла, преобразуя его в механическую энергию . На суше, при использовании для производства электроэнергии, наиболее распространенным типом является установка с комбинированным циклом газовой турбины ( CCGT ), которая является разновидностью газовой электростанции . Тот же принцип используется и для морских двигателей, где он называется комбинированной газопаровой (COGAS) установкой. Объединение двух или более термодинамических циклов повышает общую эффективность, что снижает затраты на топливо.
Принцип заключается в том, что после завершения своего цикла в первом двигателе рабочая жидкость (выхлоп) все еще достаточно горяча, чтобы второй последующий тепловой двигатель мог извлекать энергию из тепла в выхлопе. Обычно тепло проходит через теплообменник, так что два двигателя могут использовать разные рабочие жидкости.
Генерируя энергию из нескольких потоков работы, общая эффективность может быть увеличена на 50–60%. То есть, от общей эффективности системы, скажем, 34% для простого цикла, до целых 64% чистой для одной турбины в определенных условиях для комбинированного цикла. [1]
Исторически успешные комбинированные циклы использовали турбины на ртутных парах , магнитогидродинамические генераторы и топливные элементы на расплавленном карбонате с паровыми установками для низкотемпературного «нижнего» цикла. Очень низкотемпературные нижние циклы были слишком дорогими из-за очень больших размеров оборудования, необходимого для обработки больших массовых потоков и небольших разниц температур. Однако в холодном климате принято продавать горячую воду электростанций для горячего водоснабжения и отопления помещений. Вакуумно-изолированные трубопроводы могут позволить этой утилите достигать расстояния до 90 км. Такой подход называется « комбинированное производство тепла и электроэнергии » (ТЭЦ).
На стационарных и морских электростанциях широко используется комбинированный цикл с большой газовой турбиной (работающей по циклу Брайтона ). Горячие выхлопные газы турбины питают паровую электростанцию (работающую по циклу Ренкина ). Это газотурбинная установка с комбинированным циклом (ПГУ). Они достигают лучшего в своем классе реального (см. ниже) теплового КПД около 64% в режиме базовой нагрузки. Напротив, паротурбинная установка с одним циклом ограничена КПД от 35 до 42%. Многие новые электростанции используют ПГУ. Стационарные ПГУ сжигают природный газ или синтез-газ из угля . Суда сжигают мазут .
Также могут использоваться многоступенчатые турбины или паровые циклы, но установки CCGT имеют преимущества как для производства электроэнергии, так и для морской энергетики. Газотурбинный цикл часто может запускаться очень быстро, что дает немедленную мощность. Это позволяет избежать необходимости в отдельных дорогих пиковых установках или позволяет кораблю маневрировать. Со временем вторичный паровой цикл нагревается, улучшая топливную эффективность и обеспечивая дополнительную мощность.
В ноябре 2013 года Институт Фраунгофера по системам солнечной энергетики (ISE) оценил приведенную стоимость энергии для новых электростанций в немецком секторе электроэнергетики . Они дали стоимость от 78 до 100 евро/МВт·ч для установок CCGT, работающих на природном газе. [2] Кроме того, капитальные затраты на электростанции комбинированного цикла относительно низкие, около 1000 долларов/кВт, что делает их одним из самых дешевых типов генерации для установки. [3] [4]
Термодинамический цикл базового комбинированного цикла состоит из двух циклов электростанции. Один из них — цикл Джоуля или Брайтона , который является циклом газовой турбины , а другой — цикл Ренкина , который является циклом паровой турбины . [5] Цикл 1-2-3-4-1, который является циклом газотурбинной электростанции, является циклом долива. Он отображает процесс передачи тепла и работы, происходящий в области высоких температур.
Цикл abcdefa, который является паровым циклом Ренкина, происходит при более низкой температуре и известен как цикл донного нагрева. Передача тепловой энергии от высокотемпературного отходящего газа к воде и пару происходит в котле- утилизаторе в цикле донного нагрева. Во время процесса постоянного давления 4-1 отходящие газы газовой турбины отдают тепло. Питательная вода, влажный и перегретый пар поглощают часть этого тепла в процессах ab, bc и cd.
Паровая электростанция получает входное тепло от высокотемпературных выхлопных газов газотурбинной электростанции . [5] Полученный таким образом пар может использоваться для привода паровой турбины . Котел-утилизатор отходов (WHRB) состоит из 3 секций: экономайзера, испарителя и пароперегревателя.
Цикл Ченга — это упрощенная форма комбинированного цикла, в котором паровая турбина исключается путем впрыскивания пара непосредственно в турбину сгорания. Это используется с середины 1970-х годов и позволяет рекуперировать отработанное тепло с меньшей общей сложностью, но при потере дополнительной мощности и избыточности настоящей системы комбинированного цикла. Он не имеет дополнительной паровой турбины или генератора, и поэтому его нельзя использовать в качестве резервной или дополнительной мощности. Он назван в честь американского профессора DY Cheng, который запатентовал конструкцию в 1976 году. [6]
Эффективность теплового двигателя, то есть доля входной тепловой энергии, которая может быть преобразована в полезную работу, ограничивается разницей температур между теплом, поступающим в двигатель, и теплом отработавших газов, покидающих двигатель.
На тепловой электростанции рабочим телом является вода. Для пара высокого давления требуются прочные, громоздкие компоненты. Высокие температуры требуют дорогих сплавов из никеля или кобальта , а не недорогой стали . Эти сплавы ограничивают практическую температуру пара до 655 °C, в то время как нижняя температура паровой установки фиксируется температурой охлаждающей воды. С этими ограничениями паровая установка имеет фиксированный верхний КПД 35–42%.
Газотурбинный цикл открытого цикла имеет компрессор , камеру сгорания и турбину . Для газовых турбин количество металла, которое должно выдерживать высокие температуры и давления, невелико, и можно использовать меньшее количество дорогих материалов. В этом типе цикла температура на входе в турбину (температура горения) относительно высока (от 900 до 1400 °C). Температура на выходе дымовых газов также высока (от 450 до 650 °C). Поэтому этого достаточно, чтобы обеспечить тепло для второго цикла, который использует пар в качестве рабочего тела ( цикл Ренкина ).
На электростанции комбинированного цикла тепло выхлопных газов газовой турбины используется для получения пара путем пропускания его через парогенератор-утилизатор (HRSG) с температурой острого пара от 420 до 580 °C. Конденсатор цикла Ренкина обычно охлаждается водой из озера, реки, моря или градирен . Эта температура может быть всего 15 °C.
Размер завода важен для стоимости завода. Более крупные размеры завода выигрывают от экономии масштаба (более низкая начальная стоимость за киловатт) и повышенной эффективности.
Для крупномасштабной генерации электроэнергии типичным набором будет первичная газовая турбина мощностью 270 МВт, соединенная с вторичной паровой турбиной мощностью 130 МВт, что даст общую мощность 400 МВт. Типичная электростанция может состоять из 1–6 таких наборов.
Газовые турбины для крупномасштабной генерации электроэнергии производятся по крайней мере четырьмя отдельными группами – General Electric, Siemens, Mitsubishi-Hitachi и Ansaldo Energia. Эти группы также разрабатывают, испытывают и/или продают газовые турбины мощностью свыше 300 МВт (для 60 Гц приложений) и 400 МВт (для 50 Гц приложений). Блоки комбинированного цикла состоят из одной или нескольких таких газовых турбин, каждая из которых оснащена парогенератором, работающим на отходящем тепле, для подачи пара на одну или несколько паровых турбин, таким образом образуя блок или блок комбинированного цикла. Размеры блоков комбинированного цикла, предлагаемые тремя основными производителями (Alstom, General Electric и Siemens), могут варьироваться от 50 МВт до более чем 1300 МВт со стоимостью, приближающейся к 670 долл. США/кВт. [7]
Котел-утилизатор — это элемент 5 на рисунке COGAS, показанном выше. Горячие выхлопные газы газовой турбины поступают в пароперегреватель , затем проходят через испаритель и, наконец, через секцию экономайзера, когда они вытекают из котла . Питательная вода поступает через экономайзер и затем выходит после достижения температуры насыщения в водяном или паровом контуре. Наконец, она протекает через испаритель и пароперегреватель. Если температура газов, поступающих в котел-утилизатор, выше, то температура выходящих газов также высока. [5]
Для того чтобы отвести максимальное количество тепла от газов , выходящих из высокотемпературного цикла, часто используют котел двойного давления. [5] Он имеет два водопаровых барабана. Барабан низкого давления соединен с экономайзером низкого давления или испарителем . Пар низкого давления образуется в низкотемпературной зоне выхлопных газов турбины. Пар низкого давления подается в низкотемпературную турбину. В контуре низкого давления может быть предусмотрен пароперегреватель.
Часть питательной воды из зоны низкого давления перекачивается подкачивающим насосом в экономайзер высокого давления . Этот экономайзер нагревает воду до температуры насыщения . Эта насыщенная вода проходит через высокотемпературную зону котла и подается в турбину высокого давления .
HRSG может быть спроектирован для сжигания дополнительного топлива после газовой турбины. Дополнительные горелки также называются горелками в канале . Сжигание в канале возможно, поскольку отработавший газ турбины (дымовой газ) все еще содержит некоторое количество кислорода . Температурные ограничения на входе в газовую турбину заставляют турбину использовать избыточный воздух, превышающий оптимальное стехиометрическое соотношение для сжигания топлива. Часто в конструкциях газовых турбин часть потока сжатого воздуха обходит горелку, чтобы охладить лопатки турбины. Выхлоп турбины уже горячий, поэтому регенеративный подогреватель воздуха не требуется, как в обычной паровой установке. Однако вентилятор свежего воздуха, дующий непосредственно в канал, позволяет паровой установке с сжиганием в канале работать даже тогда, когда газовая турбина не может.
Без дополнительного сжигания тепловой КПД электростанции с комбинированным циклом выше. Но более гибкие операции станции делают морскую CCGT более безопасной, позволяя судну работать при отказах оборудования. Гибкая стационарная установка может заработать больше денег. Сжигание в канале повышает температуру дымохода, что увеличивает количество или температуру пара (например, до 84 бар, 525 градусов Цельсия). Это повышает эффективность парового цикла. Дополнительное сжигание позволяет станции реагировать на колебания электрической нагрузки, поскольку горелки в канале могут иметь очень хорошую эффективность при частичных нагрузках. Это может обеспечить более высокую выработку пара для компенсации отказа другого блока. Кроме того, в парогенераторе можно сжигать уголь в качестве экономичного дополнительного топлива.
Дополнительное сжигание может повысить температуру выхлопных газов с 600 °C (выхлопные газы ГТ) до 800 или даже 1000 °C. Дополнительное сжигание не повышает эффективность большинства комбинированных циклов. Для отдельных котлов оно может повысить эффективность, если сжигать до 700–750 °C; однако для нескольких котлов гибкость установки должна быть основным преимуществом.
«Максимальное дополнительное сжигание» — это состояние, при котором максимальное количество топлива сжигается с использованием кислорода, имеющегося в выхлопных газах газовой турбины.
Комбинированные электростанции обычно работают на природном газе , хотя могут использоваться мазут , синтез-газ или другие виды топлива. В качестве дополнительного топлива может использоваться природный газ, мазут или уголь. Также может использоваться биотопливо . Интегрированные солнечные электростанции комбинированного цикла объединяют энергию, полученную от солнечного излучения, с другим видом топлива, чтобы сократить расходы на топливо и воздействие на окружающую среду (см. раздел ISCC ). Многие атомные электростанции следующего поколения могут использовать более высокий температурный диапазон верхнего цикла Брайтона, а также повышение тепловой эффективности, обеспечиваемое нижним циклом Ренкина.
Там, где расширение газопровода нецелесообразно или экономически не оправдано, потребности в электроэнергии в отдаленных районах могут быть удовлетворены с помощью небольших установок комбинированного цикла, использующих возобновляемые виды топлива. Вместо природного газа они газифицируют и сжигают отходы сельского и лесного хозяйства, которые часто легко доступны в сельской местности.
Газовые турбины сжигают в основном природный газ и легкую нефть. Сырая нефть, остатки и некоторые дистилляты содержат едкие компоненты и, как таковые, требуют оборудования для обработки топлива. Кроме того, отложения золы от этих видов топлива приводят к снижению номинальных характеристик газовых турбин до 15%. Однако они все еще могут быть экономически привлекательными видами топлива, особенно в установках с комбинированным циклом.
Натрий и калий удаляются из остатков, сырой нефти и тяжелых дистиллятов с помощью процедуры промывки водой. Более простая и менее дорогая система очистки выполнит ту же работу для легкой сырой нефти и легких дистиллятов. Система присадок магния также может потребоваться для снижения коррозионного воздействия, если присутствует ванадий. Топлива, требующие такой обработки, должны иметь отдельную установку для обработки топлива и систему точного мониторинга топлива для обеспечения надежной работы газовых турбин с низкими затратами на техническое обслуживание.
Xcel Energy собирается построить две электростанции на природном газе на Среднем Западе США , которые смогут смешивать 30% водорода с природным газом. [8] Электростанция Intermountain Power Plant переоборудуется в электростанцию на природном газе/водороде, которая также может работать на 30% водорода, и, как планируется, будет работать на чистом водороде к 2045 году. [9] Однако другие считают, что низкоуглеродный водород следует использовать для вещей, которые сложнее декарбонизировать , например, для производства удобрений , поэтому его может быть недостаточно для выработки электроэнергии. [10]
Системы комбинированного цикла могут иметь одновальную или многовальную конфигурацию. Также существует несколько конфигураций паровых систем.
Наиболее экономичные циклы выработки электроэнергии используют парогенератор с рекуперацией тепла без сжигания топлива (HRSG) с модульными предварительно спроектированными компонентами. Эти паровые циклы без сжигания топлива также имеют самую низкую начальную стоимость, и они часто являются частью системы с одним валом, которая устанавливается как единое целое.
Системы комбинированного цикла с дополнительным сжиганием и многовальные обычно выбираются для определенных видов топлива, приложений или ситуаций. Например, системы комбинированного цикла когенерации иногда требуют больше тепла или более высоких температур, а электричество имеет меньший приоритет. Многовальные системы с дополнительным сжиганием могут обеспечивать более широкий диапазон температур или тепла в электроэнергию. Системы, сжигающие низкокачественное топливо, такое как бурый уголь или торф, могут использовать относительно дорогие гелиевые турбины замкнутого цикла в качестве верхнего цикла, чтобы избежать еще более дорогой переработки топлива и газификации, которые потребовались бы для обычной газовой турбины.
Типичная одновальная система имеет одну газовую турбину, одну паровую турбину, один генератор и один парогенератор-утилизатор (HRSG). Газовая турбина и паровая турбина соединены в тандеме с одним электрогенератором на одном валу. Такая компоновка проще в эксплуатации, меньше по размеру и имеет меньшие затраты на запуск.
Одновальные компоновки могут иметь меньшую гибкость и надежность, чем многовальные системы. С некоторыми затратами существуют способы добавить эксплуатационную гибкость: Чаще всего оператор хочет эксплуатировать газовую турбину как пиковую установку. На этих установках вал паровой турбины может быть отключен с помощью синхронно-самопереключающейся муфты (SSS) [11] для запуска или для простого цикла работы газовой турбины. Другой менее распространенный набор опций обеспечивает большую теплоотдачу или автономную работу паровой турбины для повышения надежности: сжигание в канале, возможно, с нагнетателем свежего воздуха в канале и муфтой на стороне вала газовой турбины.
Многовальная система обычно имеет только одну паровую систему для трех газовых турбин. Наличие только одной большой паровой турбины и радиатора дает экономию масштаба и может иметь более низкие эксплуатационные расходы и обслуживание. Более крупная паровая турбина также может использовать более высокие давления для более эффективного парового цикла. Однако многовальная система примерно на 5% выше по первоначальной стоимости.
Общий размер завода и соответствующее количество требуемых газовых турбин также могут определять, какой тип завода более экономичен. Набор одновальных электростанций комбинированного цикла может быть более дорогим в эксплуатации и обслуживании, поскольку в них больше единиц оборудования. Однако это может сэкономить процентные расходы, позволяя бизнесу наращивать мощность завода по мере необходимости.
Паровые циклы с промежуточным перегревом с несколькими давлениями применяются в системах комбинированного цикла с газовыми турбинами с температурой выхлопных газов около 600 °C. Паровые циклы с одним и несколькими давлениями без промежуточного перегрева применяются в системах комбинированного цикла с газовыми турбинами с температурой выхлопных газов 540 °C или ниже. Выбор парового цикла для конкретного применения определяется экономической оценкой, которая учитывает установленную стоимость установки, стоимость и качество топлива, рабочий цикл и затраты на интерес, деловые риски, а также эксплуатацию и техническое обслуживание.
Объединяя газовый и паровой циклы, можно достичь высоких входных температур и низких выходных температур. Эффективность циклов складывается, поскольку они питаются одним и тем же источником топлива. Таким образом, установка с комбинированным циклом имеет термодинамический цикл, который работает между высокой температурой сгорания газовой турбины и температурой отходящего тепла из конденсаторов парового цикла. Этот большой диапазон означает, что эффективность Карно цикла высока. Фактическая эффективность, хотя и ниже эффективности Карно, все равно выше, чем у любой установки по отдельности. [12] [13]
Электрический КПД электростанции комбинированного цикла, если рассчитывать его как процент от произведенной электроэнергии к низшей теплотворной способности потребленного топлива, может превышать 60% при эксплуатации новой, т.е. нестареющей, и при постоянной производительности, что является идеальными условиями.
Как и в случае с одноцикловыми тепловыми установками, комбинированные установки также могут вырабатывать низкотемпературную тепловую энергию для промышленных процессов, централизованного теплоснабжения и других целей. Это называется когенерацией , и такие электростанции часто называют теплоэлектростанциями (ТЭЦ).
В целом эффективность комбинированного цикла в эксплуатации составляет более 50% на основе низшей теплотворной способности и валовой мощности. Большинство установок комбинированного цикла, особенно более крупных, имеют пиковую, устойчивую эффективность на основе LHV от 55 до 59%.
Ограничением комбинированных циклов является то, что эффективность снижается, когда они не работают на постоянной мощности. Во время запуска второй цикл может занять некоторое время. Таким образом, эффективность изначально намного ниже, пока не запустится второй цикл, что может занять час или больше.
Эффективность теплового двигателя может быть основана на высшей теплоте сгорания топлива (HHV), включая скрытую теплоту испарения , которая будет рекуперирована в конденсационных котлах , или на низшей теплоте сгорания (LHV), исключая ее. HHV метана составляет 55,50 МДж/кг (23 860 БТЕ/фунт) по сравнению с 50,00 МДж/кг (21 500 БТЕ/фунт) LHV: увеличение на 11%.
Эффективность турбины увеличивается, когда сгорание может происходить при более высокой температуре, поэтому рабочая жидкость расширяется больше. Таким образом, эффективность ограничена тем, может ли первая ступень лопаток турбины выдерживать более высокие температуры. Исследования в области охлаждения и материалов продолжаются. Распространенная технология, заимствованная из авиации, заключается в том, чтобы нагнетать давление на лопатки турбины горячей ступени с помощью охлаждающей жидкости. Она также отводится запатентованными способами для улучшения аэродинамической эффективности лопаток турбины. Различные поставщики экспериментировали с различными охлаждающими жидкостями. Воздух является обычным явлением, но все чаще используется пар. Некоторые поставщики теперь могут использовать монокристаллические лопатки турбины в горячей секции, технология, уже распространенная в двигателях военных самолетов.
Эффективность CCGT и GT также может быть повышена путем предварительного охлаждения воздуха горения. Это увеличивает его плотность, а также увеличивает коэффициент расширения турбины. Это практикуется в жарком климате и также имеет эффект увеличения выходной мощности. Это достигается путем испарительного охлаждения воды с использованием влажной матрицы, помещенной на вход турбины, или с помощью кондиционирования воздуха с хранением льда . Последнее имеет преимущество больших улучшений из-за доступных более низких температур. Кроме того, хранение льда может использоваться как средство управления нагрузкой или переключения нагрузки, поскольку лед может быть изготовлен в периоды низкого спроса на электроэнергию и, потенциально, в будущем ожидаемой высокой доступности других ресурсов, таких как возобновляемые источники энергии в определенные периоды.
Технология сгорания — это запатентованная, но очень активная область исследований, поскольку топливо, газификация и карбюрация влияют на топливную эффективность. Типичное внимание уделяется объединению аэродинамического и химического компьютерного моделирования для поиска конструкций камер сгорания, которые обеспечивают полное сгорание топлива, но при этом минимизируют как загрязнение, так и разбавление горячих выхлопных газов. Некоторые камеры сгорания впрыскивают другие материалы, такие как воздух или пар, для снижения загрязнения за счет снижения образования нитратов и озона.
Еще одной активной областью исследований является парогенератор для цикла Ренкина. Типичные установки уже используют двухступенчатую паровую турбину, подогревающую пар между двумя ступенями. Когда теплопроводность теплообменников может быть улучшена, эффективность повышается. Как и в ядерных реакторах, трубки могут быть сделаны тоньше (например, из более прочной или более коррозионно-стойкой стали). Другой подход может использовать сэндвичи из карбида кремния, которые не подвержены коррозии. [14]
Также есть некоторые разработки модифицированных циклов Ренкина. Две перспективные области — это смеси аммиака и воды, [15] и турбины, использующие сверхкритический диоксид углерода. [16]
Современные установки CCGT также нуждаются в программном обеспечении, которое точно настроено на каждый выбор топлива, оборудования, температуры, влажности и давления. Когда установка улучшается, программное обеспечение становится движущейся целью. Программное обеспечение CCGT также дорого тестировать, поскольку фактическое время ограничено на многомиллионных прототипах новых установок CCGT. Тестирование обычно имитирует необычные виды топлива и условия, но подтверждает моделирование с помощью выбранных точек данных, измеренных на реальном оборудовании.
Существует активная конкуренция для достижения более высокой эффективности. Исследования, направленные на температуру на входе в турбину 1370 °C (2500 °F), привели к еще более эффективным комбинированным циклам. [ необходима цитата ]
На электростанции в заливе Баглан был достигнут КПД почти 60% по низшей теплоте сгорания (КПД 54% по высшей теплоте сгорания) с использованием газовой турбины GE H-technology с котлом-утилизатором NEM 3, использующим пар из парогенератора-утилизатора (HRSG) для охлаждения лопаток турбины. [ необходима ссылка ]
В мае 2011 года компания Siemens AG объявила о достижении эффективности в 60,75% с помощью газовой турбины SGT5-8000H мощностью 578 мегаватт на электростанции Иршинг . [17]
Ожидается, что электростанция Chubu Electric Nishi-ku, Нагоя, мощностью 405 МВт и мощностью 7 га будет иметь валовую эффективность комбинированного цикла 62 % . [ 18 ]
28 апреля 2016 года завод, управляемый Électricité de France в Бушене, был сертифицирован Книгой рекордов Гиннесса как самая эффективная в мире электростанция комбинированного цикла с КПД 62,22%. Он использует General Electric 9HA, который заявил КПД 41,5% в простом цикле и 61,4% в комбинированном режиме, с выходной мощностью газовой турбины от 397 МВт до 470 МВт и комбинированной мощностью от 592 МВт до 701 МВт. Его температура горения составляет от 2600 до 2900 °F (от 1430 до 1590 °C), его общее отношение давлений составляет 21,8 к 1. [19]
В декабре 2016 года компания Mitsubishi заявила, что эффективность LHV для некоторых турбин серии J превышает 63%. [20]
В декабре 2017 года GE заявила о 64% в своей последней установке HA мощностью 826 МВт, что выше 63,7%. Они заявили, что это произошло благодаря достижениям в области аддитивного производства и сжигания. В их пресс-релизе говорилось, что они планируют достичь 65% к началу 2020-х годов. [1]
Интегрированный комбинированный цикл газификации (IGCC) — это электростанция, использующая синтез-газ ( синтез-газ ). Синтез-газ может быть получен из ряда источников, включая уголь и биомассу. Система использует газовые и паровые турбины, паровая турбина работает на тепле, оставшемся от газовой турбины. Этот процесс может повысить эффективность выработки электроэнергии примерно до 50%.
Интегрированный солнечный комбинированный цикл ( ISCC ) — это гибридная технология, в которой солнечное тепловое поле интегрировано в установку комбинированного цикла. В установках ISCC солнечная энергия используется в качестве вспомогательного источника тепла, поддерживающего паровой цикл, что приводит к увеличению генерирующей мощности или сокращению использования ископаемого топлива. [21]
Термодинамические преимущества заключаются в том, что ежедневные потери при запуске паровой турбины исключаются. [22]
Основными факторами, ограничивающими выходную нагрузку электростанции комбинированного цикла, являются допустимые переходные процессы давления и температуры паровой турбины и парогенератора-утилизатора, время ожидания для установления требуемых условий химии пара и время прогрева для баланса установки и основной системы трубопроводов. Эти ограничения также влияют на возможность быстрого запуска газовой турбины, требуя времени ожидания. А ожидающие газовые турбины потребляют газ. Солнечный компонент, если установка запускается после солнечного света или до него, если есть теплоаккумулятор, позволяет предварительно нагреть пар до требуемых условий. То есть установка запускается быстрее и с меньшим потреблением газа до достижения рабочих условий. [23] Экономические выгоды заключаются в том, что стоимость солнечных компонентов составляет от 25% до 75% от стоимости установки Solar Energy Generating Systems с той же поверхностью коллектора. [24]
Первой такой системой, которая была введена в эксплуатацию, была электростанция комбинированного цикла Archimede в Италии в 2010 году, [25] за которой последовал Martin Next Generation Solar Energy Center во Флориде , а в 2011 году — электростанция Kuraymat ISCC в Египте , электростанция Yazd в Иране , [26] [27] Hassi R'mel в Алжире , Ain Beni Mathar в Марокко . В Австралии CS Energy's Kogan Creek и Macquarie Generation's Liddell Power Station начали строительство солнечной френелевской наддувочной секции (44 МВт и 9 МВт), но проекты так и не были реализованы.
В большинстве успешных комбинированных циклов в качестве основного цикла для выработки электроэнергии используется обычный паровой цикл Ренкина .
В холодном климате (например, в Финляндии ) уже стало обычным делом управлять системами общественного отопления с помощью конденсационного тепла паровой электростанции. Такие системы когенерации могут давать теоретический КПД выше 95%.
Циклы с падением температуры, производящие электроэнергию из теплового выброса конденсатора пара, теоретически возможны, но обычные турбины неэкономичны. Небольшие разницы температур между конденсирующимся паром и наружным воздухом или водой требуют очень больших перемещений массы для приведения в действие турбин.
Хотя это и не реализовано на практике, вихрь воздуха может концентрировать массовые потоки для цикла донного цикла. Теоретические исследования двигателя Vortex показывают, что если построить его в масштабе, то это экономичный цикл донного цикла для большой электростанции с паровым циклом Ренкина.
Электростанция с комбинированным циклом водорода — это электростанция , которая использует водород в электростанции с комбинированным циклом. Экологичная водородная электростанция с комбинированным циклом имеет эффективность всего около 40% после электролиза и повторного сжигания для получения электроэнергии и является жизнеспособным вариантом для хранения энергии на более длительный срок по сравнению с хранением в аккумуляторах . Электростанции на природном газе могут быть преобразованы в водородные электростанции с минимальной реконструкцией или использовать комбинированную смесь природного газа и водорода . [29] [30]
Электростанции, работающие на природном газе, можно проектировать с учетом перехода на водород, установив более широкие впускные трубы к горелке для увеличения скорости потока, поскольку водород менее плотный, чем природный газ, и используя правильный материал, поскольку водород может вызывать водородную хрупкость .
Текущие электролизные установки не способны обеспечить масштаб водорода, необходимый для обеспечения крупномасштабной электростанции. Может потребоваться электролиз на месте, тогда хранение больших объемов водорода может занять много места, если это только сжатый водород , а не жидкий водород . Водородная хрупкость может произойти в трубопроводах, но трубопроводы из нержавеющей стали 316L могут выдерживать сжатый водород выше 50 бар (единица) , что является тем, при котором сжатый природный газ транспортируется по трубам, или для водорода могут быть построены более широкие трубопроводы. Полиэтиленовые или армированные волокном полимерные трубопроводы также могут использоваться.
При сжигании водорода в качестве топлива не образуется углекислый газ , но образуется больше закиси азота из-за более высокой температуры пламени водорода, можно реализовать процесс селективного каталитического восстановления , чтобы разложить NO₂ только на азот и воду . Выхлоп от реакции горения водорода представляет собой водяной пар и может использоваться в качестве разбавителя для снижения высокой температуры горения, которая создает закись азота.
Коррозия турбины из-за водяного пара из водородного пламени может сократить срок службы установки или может привести к необходимости более частой замены деталей.
Водород — самый маленький и легкий элемент, и может легко просачиваться в точках соединения и стыках. Водород быстро рассеивается , что смягчает взрывы. Водородное пламя также не так заметно, как стандартное пламя.
Ветровая и солнечная энергия — это переменные возобновляемые источники энергии, которые не так постоянны, как энергия базовой нагрузки . Водород может помочь возобновляемым источникам энергии, захватывая избыточную энергию с помощью электролиза , когда они производят слишком много, и заполняя пробелы этой энергией, когда они не производят так много.
