Способы повышения эффективности энергоустановок на базе ГТД

В настоящее время все большее количество энергетических установок наземных электростанций и надводных кораблей флотов развитых стран оснащены газотурбинными двигателями (ГТД) в качестве основного привода. Газотурбинные двигатели входят в состав как единых газотурбинных энергетических установок (ГТЭУ), так и комбинированных дизель-газотурбинных энергетических установок (ДГТЭУ).

Основными преимуществами ГТД являются: высокая экономичность, большие агрегатные мощности при малых массе и габаритах, приспособленность к автоматизации, высокая надежность, простота конструкции и обслуживания, высокая технологичность, возможность агрегатного ремонта.

Первой серьезной попыткой создания корабельного газотурбинного двигателя была работа инженер-механика Российского флота П.Д. Кузьминского, который еще в 1892г. предложил и изготовил оригинальный двигатель с камерой сгорания, охлаждаемой водой, и турбиной радиального типа. Эта конструкция, называемая ныне в литературе турбиной Юнгстрема, была предложена на 14 лет раньше, чем это сделали братья Юнгстрем (Швеция, 1906г.). Двигатель П.Д. Кузьминского был двигателем с горением при постоянном давлении.

Авиационный двигатель - комплексная система, в которой реализуются наиболее прогрессивные научные и конструктивно-технологические решения, используемые в дальнейшем и в других изделиях энергетического машиностроения. По уровню напряжений и тепловому состоянию деталей, авиационным двигателям практически нет аналогов среди изделий машиностроения.

При реконструкции ТЭС и котельных, для покрытия увеличивающегося дефицита электрической и тепловой энергии внедряются ГТУ на базе конвертированных авиационных ГТД. Необходимо совершенствовать старые и создавать новые перспективные методы конвертирования в основном для уменьшения потерь тепла с уходящими газами, а также повышать эффективный КПД установок .

Авиационные ГТД могут быть конвертированы в ЭУ в связи с наличием ряда преимуществ:

• малая остаточная стоимость после эксплуатации в составе летательного аппарата;

• небольшие габариты и масса, способствуют размещению ГТД в имеющихся помещениях ТЭС и котельных, позволяют осуществлять ремонт за меньшее время;

• высокая приемистость, т.е. выход на режим в течение 2..3 мин, что позволяет быстро “подхватывать” пиковые режимы;

• возможность дистанционного управления режимами.

Приводной двигатель должен работать на природном газе или дешевом жидком топливе, при этом иметь ресурс в несколько десятков раз превышающий ресурс авиационного ГТД (100000 против 2500…10000). Конструкция конвертированного ГТД должна обеспечивать круглосуточную безостановочную работу без постоянного присутствия обслуживающего персонала при межрегламентных наработках 1000…1500 часов.

На базе авиационных ГТД созданы газотурбинные приводы, которые успешно эксплуатируются на газоперекачивающих станциях для привода нагнетателя природного газа, в энергетике - для привода электрогенератора. В таблице 1 приведены параметры некоторых характерных ГТУ, созданных на базе конвертированных авиационных ГТД.

Таблица 1

Проектные показатели некоторых отечественных энергетических ГТУ мощностью до 40 МВт по данным [1]:

Как видно из приведенных данных, при высоких параметрах рабочего процесса мощность ГТУ достигает 30 МВт, а эффективный КПД 38%. При умеренных значениях и эффективный КПД ниже современных требований [2].

Конвертируемые ГТД чаще всего создаются на базе авиационных двигателей, принадлежащих к предыдущим поколениям, следовательно, обладающих умеренными параметры рабочего процесса (см. таблицу 1), высокой температурой уходящих газов и достаточно низким эффективным КПД порядка 25..30% [2]. Остро встает проблема утилизации теплоты, теряемой с уходящими газами в атмосферу.

Известны следующие способы повышения эффективности ГТУ: [2]

- форсирование параметров цикла;

- усложнение термодинамического цикла;

- впрыск воды, водяного пара в проточную часть ГТУ.

Основными способами форсирования параметров цикла является повышение значений степени сжатия компрессора и степени подогрева. Рост температуры газа при фиксированном значении сопровождается небольшим увеличением мощности и КПД, значительное повышение температуры газа перед турбиной должно сопровождаться увеличением степени сжатия. Однако реализация данного метода лимитируется свойствами материала рабочих лопаток турбины, которому необходимо выдержать большой температурный напор в течение большого ресурса.

Усложнение термодинамического цикла осуществимо с уменьшением температуры газов, покидающих ГТУ (при существовании ограничивающей температуре в ОКС, лимитируемой прочностью материалов двигателя). Один из способов – повышение степени сжатия в компрессоре и степени расширения в турбине, с введением изменений конструкции базового ГТД, что требует дополнительных материальных затрат. Рассмотрим наиболее эффективные способы:

Подогрев воздуха перед камерой сгорания за счет утилизации тепла выхлопных газов реализуется в теплообменнике воздуха после компрессора за счет теплоты уходящих газов. Определенная часть теплоты, ранее выбрасываемая с отработанными продуктами сгорания в атмосферу, полезно используется на подогрев воздуха перед ОКС, что позволяет экономить топливо на подогрев топливо-воздушной смеси. Данный способ реализуем в случае, когда температура отработавших в турбине продуктов сгорания больше температуры воздуха после компрессора. Введение регенерации не изменяет внутренний относительный КПД цикла, а внутренний КПД установки возрастает.

Промежуточное охлаждение при сжатии реализуется в ГТУ с регенератором и охлаждением при сжатии. В реальной регенеративной ГТУ охлаждение в процессе сжатия в компрессоре повышает КПД установки. Введение регенерации в ГТУ снижает отрицательный эффект охлаждения воздуха в процессе сжатия, и поскольку с увеличением отрицательный эффект растет медленнее положительного, то промежуточная граничная степень регенерации, необходимая для уничтожения отрицательного эффекта, уменьшается [3].

Для простейшей ГТУ получено, что, несмотря на неэкономичность охлаждения при сжатии для идеального цикла, для действительного цикла - охлаждение экономически целесообразно при низких КПД узлов [4].

Промежуточный подогрев рабочего тела при расширении реализуется в ГТУ с регенератором и подогревом при расширении. Подвод теплоты в процессе расширения повышает среднюю температуру рабочего тела, увеличивает работу процесса расширения и цикла в целом. Совмещение процессов подвода теплоты и расширения позволяет получить единый политропный процесс, при котором происходит наибольшее увеличение работы. Такой процесс можно осуществить при сжигании топлива в проточной части турбины. Топливо в этом случае поступает, например, через форсунки, размещенные в сопловом аппарате, или непосредственно через выходные кромки сопловых лопаток. Попадание топлива на рабочие лопатки вызывает их охлаждение, что может обеспечить неизменную или даже пониженную температуру лопаток, несмотря на повышение температуры газа в турбине.

Повышение КПД одноконтурных ГТУ, созданных на базе авиационных ГТД возможно за счет: уменьшения радиальных зазоров; предварительного подогрева топлива, поступающего в основную камеру сгорания, выхлопными газами; уменьшения расхода охлаждающего воздуха в газогенераторе за счет применения топливо - воздушных теплообменников.

Впрыск воды, водяного пара в проточную часть ГТУ. При впрыске воды на вход в компрессор, температура воздуха на выходе из компрессора снижается, тем самым уменьшается потребная мощность компрессора, возрастают мощность и эффективный КПД ГТУ. Впрыск пара на входе в камеру сгорания в небольших количествах (порядка 2–4% от расхода воздуха) способствует значительному уменьшению эмиссии окислов азота в продуктах сгорания (экологический впрыск) [4].

При впрыске 2% (с температурой +250⁰ С) воды, на вход в ГТУ ALSTOM GT9D, температура воздуха на выходе из компрессора снижается на 52^оС, мощность ГТУ увеличивается на 14%, КПД возрастает на 1% [2].

По данным А.В. Челомбитько и Л. И. Швеца [2] ввод пара в камеру сгорания ГТУ 55СТ-20 приводят к увеличению мощности ГТУ с 20,4 до 24 МВт, росту эффективного КПД с 28 до 36%, связанного с уменьшением расхода топлива.

Результаты исследований влияния ввода водяного пара в газовоздушный тракт ГТУ ГТЭ-10/95 (ОАО “НПП”Мотор”), выполненные Горюновым И.М., показывают, что впрыск 6,6 кг пара в ОКС приводит к увеличению мощности с 8 до 12 МВт при увеличении КПД до 30,7 %. Достигнутая в существующей компоновке ГТЭ-10/95 мощность 8 МВт может быть получена при впрыске пара в количестве примерно 5 кг/с при КПД 26,6 %.

Недостатком такого способа является высокие требования к качеству впрыскиваемых в проточную часть ГТУ воды и водяного пара.

Дальнейшее повышение эффективности использования теплоты топлива направлено на утилизацию выхлопных газов, передающих теплоту теплоносителю, не участвующему в цикле и не требующему затрат мощности для повышения давления. Объектами утилизации зачастую служат паровые или водогрейные котлы, котлы–утилизаторы (КУ), устанавливаемые для обогрева и теплоснабжения объектов (ГТУ-ТЭЦ), генерации пара для паровых турбин (ПГУ). Некоторое снижение электрической нагрузки связано с повышением сопротивления выходного тракта при утилизации теплоты уходящих газов ГТУ в КУ. Преимуществом таких схем являются малые безвозвратные потери цикловой подготовленной воды, а недостатком - наличие металлоемких крупногабаритных конструкций, требующих существенных промышленных площадей для размещения.

Промышленные ГТУ-ТЭЦ используются также для производства технологического пара (с давлением до 6 МПа и температурой до 600⁰ С), практически не зависящего от температуры наружного воздуха.

Исследования специалистов ИВТ РАН и МЭИ показали - несмотря на то, что ПГУ потребляют вдвое меньше исходной воды (при открытой схеме) по сравнению с обычными ТЭС, затраты на подготовку воды в ПГУ выше и это примерно на 2% увеличивает себестоимость производимой электроэнергии.

Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ.

Литература:

1. Ольховский Г.Г. Газовые турбины для энергетики // Теплоэнергетика, 2004. № 1. С. 38 – 43.

2. Гриценко Е.А., Данильченко В.П., Лукачев С.В., Резник В.Е., Цыбизов Ю.И. Конвертирование авиационных ГТД в газотурбинные установки наземного применения. – Самара: СНЦ РАН, 2004. – 266 с.

3. Арсеньев Л.В., Тырышкин В.Г., Богов И.А. Стационарные газотурбинные установки – Л.: Машиностроение. Ленинградское отделение, 1989. – 543 с.

4. Теория и проектирование газотурбинных двигателей и комбинированных установок: Учебник для вузов / Ю.С. Елисеев, Э.А. Манушин, В.Е. Михальцев и др. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2000. – 640 с.