Исследование газопаротурбинной энергетической установки с двукратным подводом тепла в камерах сгорания и регенерацией тепла в газожидкостном теплообменнике

Народному хозяйству требуются высокоэкономичные, экологически чистые энергетические и двигательные установки высокой и средней мощности для тепловых электростанций, нефтеи газоперекачивающих станций, судовые и локомотивные двигатели.

Основой для разработки и создания таких энергетических и двигательных установок может являться конверсия высокоэффективных современных авиационных газотурбинных двигателей. Одним из вариантов создания такой установки является газопаротурбинная энергетическая установка (ГЭУ), предложенная Бакулевым В. И. и Козляковым В. В. (авторское свидетельство № 5 048 457/06 от 01.22.1992). Полученный в теплообменнике пар может использоваться, как второе рабочее тело в термодинамическом цикле энергетической установки, с помощью которого можно понизить уровень температуры рабочего тела перед турбиной и увеличить эффективную работу системы. Использование бинарного газопарового термодинамического цикла позволяет также существенно улучшить экологическую чистоту энергетических и двигательных установок. Данная установка имеет значительную мощность и эффективность на уровне современных ГТД. Также возможно использование горячей воды, полученной из сконденсированного пара, для отопления жилых и производственных помещений, что значительно повысит КПД двигателя. В этом случае ГЭУ превращается в автономную теплоэлектростанцию, позволяющую обеспечить потребителя электрической энергией и горячей водой. Таким образом применение ГЭУ может стать эффективным путем решения проблемы обеспечения теплом и электроэнергией небольших населенных пунктов, отдаленных от единой энергосистемы городских поселков, а также энергоснабжения дальних гарнизонов и мест добычи полезных ископаемых.

Анализ опубликованных работ и постановка задачи исследования.

Возможности использования авиационных двигателей на земле рассматривались еще на заре газотурбостроения. В 1935 г. В. В. Уваровым были рассмотрены возможные области применения газовых турбин.

Несмотря на то, что возможности использования авиационных двигателей на земле рассматривались еще на заре газотурбостроения применение газотурбинных двигателей и установок в других областях техники до последнего времени явно отставало от возможностей, которыми располагают эти машины. За последние годы это положение несколько изменилось, главным образом за счет использования газотурбинных установок, в том числе и имеющих авиационную родословную, в качестве энергетических установок на станциях газоперекачки магистральных газопроводов, где основным требованием к ним стало стремление иметь агрегаты, допускающие автономную работу в сложных условиях, когда соображения топливной экономичности не являлись определяющими.

В качестве энергопривода авиационные ГТД используются для электрогенераторов, нефтеперекачивающих и газоперекачивающих агрегатов, буровых установок и т. д.

Авиационные газотурбинные двигатели получили широкое применение в качестве энергоприводов в газоперекачивающих агрегатах. Использование ГТД в газоперекачивающих установках осуществлялось путем перевода двигателей на газообразное горючее, что потребовало замены жидкостной системы питания на газовую, изменения системы смазки и охлаждения, создания системы автоматического управления работой газоперекачивающего агрегата, конструктивного изменения в двигателях, изменения системы регулирования и пусковых устройств.

В качестве источников сжатого воздуха достаточно широкое использование ГТД получили в газоструйных машинах для очистки от льда, снега, мусора взлетно-посадочных полос аэродромов, железнодорожных путей, автомобильных дорог и т. п. В аэропортах гражданской авиации для удаления льда и гололедных образований используется газоструйная машина ТМ-59 на базе ГТД ВК-1. В 1975 г. на базе этого же двигателя была создана более совершенная газоструйная льдоуборочная машина ТМ-255.

С использованием газоструйного двигателя ВК-1 в качестве генератора газа создана землеройная метательная машина. Установка смонтирована на колесном прицепе, на котором установлен двигатель ВК-1, бак для горючего, плужное устройство, эжектор и разгонная труба. При движении машины плугом-ножом подрезается грунт, который поступает в эжектор и воздушным потоком с большой скоростью в раздробленном состоянии удаляется в отвал.

Таковы некоторые примеры использования ГТД в наземных установках народного хозяйства. Рассмотренными примерами далеко не исчерпывается перечень возможного применения наземных установок с ГТД. Так, например, на железнодорожном транспорте применяются установки с ГТД для очистки вагонов от остатков грузав сельском хозяйстве — поливочные, вентиляционные машиныв горнорудной промышленности — карьерные вентиляционно-оросительные установки, пожарные установкив холодильной технике — теплохладэнергетические агрегаты низкотемпературных воздушных турбохолодильных машин и т. д.

Газотурбинные установки заказывают в основном для длительной работы (78% от общей мощности). Для покрытия пиковой нагрузки (7%) используются ГТУ всех классов мощности. Большое число ПТУ заказано для резервирования. К ним относятся агрегаты небольшой (менее 5 МВт) единичной мощности. Основным видом топлива для ГТУ является газ, резервным — дизельное топливо.

В последнее десятилетие наиболее остро встал вопрос об обеспечении теплом и электроэнергией всех сфер народного хозяйства России. По прогнозам РАО «ЕЭС России» к 2010 г. примерно половина мощностей по законам надежной эксплуатации должна быть остановлена, списана или заменена. И при этом к 2005;2006 гг. страна лишается всякого резерва мощности.

Несмотря на это, в настоящее время в России не производят энергетических ГТУ, современных по параметрам и показателям. Недооценка роли ГТУ для энергосистем, а также пассивное отношение заводов к газовым турбинам, требующим высокого уровня и культуры производства, привели к отставанию в области энергетического газотурбостроения.

Вместе с тем огромный практический опыт накопленный в авиационном газотурбостроении, высокая культура производства, высокий научный потенциал, широкие производственные, конструкторские и технологические возможности позволили традиционным оборонным предприятиям предложить потенциальным заказчикам энергетические ГТУ имеющие современные параметры.

Авиадвигателестроительные конструкторские бюро страны за последние годы проработали большое количество установок (от 1 до 100 МВт). Проведены проектные работы, созданы опытные экземпляры, начато серийное производство. В таблице 1* даны проектные показатели отечественных энергетических ГТУ мощностью до 40 МВт.

Эти машины могут эффективно применяться в качестве двигателей передвижных энергоустановок (0,6−2,5 МВт) и приводов электрогенераторов автономных энергоустановок (0,6−10 МВт). Установки электрической мощностью 2,5−25 МВт, использующие тепло отработанных газов в водогрейных или паровых котлах-утилизаторах, могут явиться основой ГТУ-ТЭЦ, снабжающих теплом и электроэнергией поселки и города населением до нескольких сотен тысяч человек, а также промышленные предприятия. Эти же газотурбинные энергоустановки могут применяться для надстройки существующих тепловых электростанций (ТЭС). Заметим, что уже сегодня газотурбинные приводы, созданные на основе авиационных и судовых машин [изделия НПО «Машпроект», ККБМ, ОАО НПО «Сатурн» и некоторые другие] успешно работают в составе газоперекачивающих агрегатов на газопроводах страны, а турбины НПО «Машпроект» и в энергетике.

Из публикаций о зарубежном газотурбостроении следует, что газотурбинные и парогазовые установки за рубежом получают все большее распространение. Ежегодно появляются новые более экономичные ГТУ. В итоге, в мире устойчиво сохраняется высокий спрос на ГТУ. [4] Производством наземных газотурбинных установок занимаются, такие известные фирмы, как Siemens, Mitsubishi, GM, Snecma, MTU, Lukas и др. Эти фирмы предлагают целую гамму наземных ГТУ в диапазоне мощностей от 1 МВт до 100 МВт и эффективностью от 30% до 38%. Данные двигательные установки отличаются также высокими экологическими характеристиками, некоторые имеют специальные камеры сгорания, с пониженным выходом NOx. Схемы некоторых наземных ГТУ иностранного производства приведены в приложении, (рис. П. 7.1−7.4).

Исходя из вышесказанного можно сформулировать следующие задачи исследования: а) Создать и проверить достоверность математических моделей термогазодинамического расчета наземной газотурбинной установки с впрыском пара (Ср = const, Ср = var), б) Провести параметрический и сравнительный анализ ГЭУ, в) Исследовать законы регулирования ГЭУ (rjT=constf яэж=Нп и т]г =f (ai), ?b)K=f (m)) и выбрать наиболее оптимальный закон регулирования, г) Провести поузловое исследование ГЭУ, д) Реализовать комплекс программ на ЭВМ для расчета ГЭУ.

Разработчик, тип ПГУ. гот выпска головного обоазиа.

ГТЭ-15 гтэ- 2500 ГТУ-2.5П ГТУ-4Г1 ГТГ-6 НК-14Э ПЭ-10/95 ГТУ-12 ГГ.) ГШ 5 гтд 16 ГТУ 16МЭ АЛ-31СТ 1ТУ-55 СТ20 ГТУ 89 С’Г-20 ГТУ-25Г1Э 11Т-25 НК-37 ИК-37−1 ГТЭ-25У.

Показатель.

МГ1П имени Климова. СП-б Млш проект г. Николаев Авиадвигатель, г. Пермь Маш проект, г Николаев СКБМ, г Самара Мотпр г Уфа Авиадвигатель, г Пермь Машпроект. г. Николаев Авиадвигатель,: г. Пермь Сатурн-Люлька, г Москва ЦИАМ Союз, г. Москва Гранит г. Москва Авналвига-тель. г. Пермь Машпроект. г. Николаев СНТК Двигатели ПК', г. Самара тмз. г. Екатерин* бург.

1995 1993 1994 1996 1993 1999 1995 1995 1992 1993 1996 1996 1995 1997 1999 1995 1995 н.-с. ппоект.

Количество валов 2 1 2 2 3 1 3 2 3 3 2 3 2 2 3 3 4 4 1.

Число ступеней: компрессоров 5+1 цб 9+1 цб 10 10 8+9 15 3+5 13 7+9 9+10 14 4+9 11 14 3+12 9+9 3+5+7 16 турбин ГГ 2 3 2 2 1 + 1 4 1 + 1 2 2+2 1+1 2 1+1 2 3 2+1 1+1 1 + 1 + 1 4 силовой турбины 2 — 2 2 4 — 3 3 3 4 3 н.с. 4 3 3 4 3 4 —.

Мощность. МВт 1.2 2.85 2.5 4.0 6.7 8.6 10.0 12 15.8 17.5 16.0 20,0 20.0 20,65 25.0 27.5 25.0 30.2 31.2.

КПД, % 25,0 28,5 21,8 24,7 31,5 32,1 30,1 35,0 31,0 35,0 37,5 36,5 31,5 32.6 39,0 36,0 36,4 37,3 31,7.

Степень сжатия 13,6 12,0 6,0 7,1 16,6 11,0 8,41 16,9 15,8 19.6 19,6 21,0 10,2 — 28,5 21,8 23,1 25,6 —.

Температура газов в турбине, °С на входе 1112 950 688 816 1000 947 906 1049 870 1076 1143 1250 980 1239 1227 1147 1219 1060 на выходе 524 435 385 448 420 435 478 426 365 432 466 520 450 — 448 485 428 455 466.

Расход газов, кг/с 7,67 15,0 26.2 30,4 31,0 40,0 62,4 51,0 98,0 72,0 57,0 61,0 96,5 100 82,0 87,5 102,0 110,0 125.

Возможная 3,4 50 7,8 11,1 9,8 14,1 24,7 17,5 27,3 26,5 21,9 26,9 35,5 30 38,8 35,4 35,1 41,0 480 выработка тепла.

Масса, т.

ГТУ — 1,5 3,5 3,5 — 3,1 — 2,5 12,8 4,0 5,1 6,7 3,2 5,25 16,0 9,15 9,15 50 блочной 30 25 — — 91.7 — 68 — 30 — — — — .— — — — — — электростанции.

Габаонты.м длина 120 84(3) 4,7 68 18,0 4,9 3,5 7,0 15,9 20,8 7,0 4,7 13,0 6.4 6,13 6,13 8.4 ширина 2,4 3(1,2) 2,0 2,0 5,5 1,35 16.0 3,2 2,0 2,0 3,2 2,3 4.0 — — 2,0 2,2 2,2 5,2 высота 2,6 7,95(2) 1,6 2,2 17,7 1,35 6,0 3,8 3.4 3,6 3,8 2,1 3,5 — — 2,4 2,2 2,2 3,5.

Примечания цб — центробежный, не — нет сведений, в скобках — размеры собственно ГТУ.

Табл. 1*.

Заключение

.

В настоящей диссертационной работе, посвященной исследованию газопаротурбинной энергетической установки работающей на основе бинарного цикла с двукратным подводом тепла и регенерацией тепла в газожидкостном теплообменнике с впрыском пара в тракт установки, были получены следующие основные результаты и сделаны следующие выводы:

1. Разработаны и реализованы математические модели термогазодинамического расчета ГЭУ (Ср = const, Ср = var) с учетом парциальности пара. Проведена проверка достоверности математической модели ГЭУ, сопоставлением с экспериментальными данными по серийно выпускаемой стационарной газопаротурбинной установке, производства (GE & MTU) — LM 2500+. Погрешность математической модели находится около 5%- (рис. 1.7 и рис. 1.8).

2. Разработан и создан комплекс программ термогазодинамического расчета узлов ГЭУ и ГЭУ в целом, реализованный на ЭВМ, позволяющий в автоматизированной режиме рассчитывать установки подобных схем- (рис. В. З).

3. Проведен параметрический анализ ГЭУ и представлено сравнение мощностно — экономических характеристик ГЭУ с обычным ГТД, ГГД с газовоздушной регенерацией тепла и ГЭУ с однократным подводом тепла. Показано, что введение регенерации тепла и дополнительной камеры сгорания, позволяет существенно повысить мощность установки (в 4 раза), (рис. В1 и рис. В2), а также получить широкий диапазон работы (от 2 до 9 МВт) — (рис. 4.3).

4. Проведен анализ возможных вариантов регулирования ГЭУ и выбран наиболее оптимальный закон регулирования, при Цт = const, Лэж= Ип И 7]т = f (ai), 71эж= f (m) (рис. 4.1).

5. Проведен анализ и выбор наиболее оптимального газопарового эжектора, построена характеристика газопарового эжектора, (рис. 3.10) построена зависимость КПД регулируемой свободной турбины от расхода воды, (рис. 3.19) проведен приближенный расчет газожидкостного теплообменника- (рис. 3.20).

Зависимости эффективных КПД РЭУ и газотурбинных двигателей от степени повышения давления компрессора Зыпри температуре газа перед турбиной компрессора.

ТСЯРОК е.

0.5.

ОА аз.

1 10 20 30 40 Лк.

Рис. В1 тЯ.

Зависимости удельной мощности ГЭУ и газотурбинных двигателей от степени повышения дазления компрессора при температуре газа перед турбиной компрессора.

7з*= 1500К.

Им, кЬт-с/кг то.

200 ц.

Комплекс программ для расчета газопаротурбинной энергетической установки (ГЭУ) программа термогазодинами ческого расчета.

GAU передаваемые данные передаваемые данные передаваемые данные.

INJECTOR программа расчета эжектора г.

TURBINE программа расчета свободной турбины' exchanger.dat.

EXCHANGER программа расчета теплообменника.

Рис. В. 3.