Способы повышения эффективности энергоустановок на базе ГТД
Рубрика: Технические науки
Статья просмотрена: 4961 раз
Библиографическое описание:
Сенюшкин, Н. С. Способы повышения эффективности энергоустановок на базе ГТД / Н. С. Сенюшкин, А. А. Лоскутников. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2011. — № 7 (30). — Т. 1. — С. 53-55. — URL: https://moluch.ru/archive/30/3496/ (дата обращения: 18.11.2021).
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.
Проектные показатели некоторых отечественных энергетических ГТУ мощностью до 40 МВт по данным [1]:
Марка ГТД
Базовый АД
Номинальная мощность, МВт
Расход газов, кг/с
Степень сжатия
Возможная выработка тепла, МВт
Д-30 Ш серии
ГТУ-55СТ-20
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 +250 0 С) воды, на вход в ГТУ ALSTOM GT 9 D , температура воздуха на выходе из компрессора снижается на 52 о С, 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 600 0 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:
Ольховский Г.Г. Газовые турбины для энергетики // Теплоэнергетика, 2004. № 1. С. 38 – 43.
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.
Арсеньев Л.В., Тырышкин В.Г., Богов И.А. Стационарные газотурбинные установки – Л.: Машиностроение. Ленинградское отделение, 1989. – 543 с.
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.
Источник
Методы повышения тепловой и экологической эффективности энергоустановок с газовыми турбинами
Рубрика: Технические науки
Дата публикации: 18.10.2016 2016-10-18
Статья просмотрена: 647 раз
Библиографическое описание:
Манежнов, В. Г. Методы повышения тепловой и экологической эффективности энергоустановок с газовыми турбинами / В. Г. Манежнов, Г. С. Смородин, Д. А. Копейкин. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2016. — № 20 (124). — С. 174-176. — URL: https://moluch.ru/archive/124/34279/ (дата обращения: 18.11.2021).
Энергетика является одной из основной отрасли, которая влияет на состояние всей экономики. Также она является одной из основных потребителей первичных энергоресурсов и оказывает большое влияние на окружающую среду.
В современных условиях рациональное использование топливно-энергетических ресурсов становится одним из важнейших направлений в развитии промышленности России. Большое количество исследований проводится в области энергосбережения и защиты окружающей среды. В частности, использование низкопотенциальной теплоты продуктов сгорания топлива для выработки электрической энергии и уменьшения вредных выбросов путем вымораживания части диоксида углерода из продуктов сгорания топлива.
Газотурбинные установки. Современными энергоустановками ТЭС являются паротурбинные установки (ПТУ), газотурбинные установки (ГТУ) и парогазотурбинные установки.
Паротурбинные установки на ТЭС являются наиболее распространёнными, ввиду того, что энергетика владеет большим опытом по их созданию и эксплуатации. Преимуществами паровая турбины являются то, что производится она в очень широком диапазоне мощностей, обладает высокой надёжностью и экономичностью. Однако паровая турбина поставляется отдельными элементами поэтому монтаж данных элементов занимает значительное время.
Рассмотрим более подробно газотурбинные установки, так как именно они затронуты в статье. В Установках данного типа увеличение температуры подводимой в цикл Брайтона теплоты с целью повышения экономичности решается легче, так как в качестве рабочего тела применяется продукты сгорания топлива с меньшим давлением, чем у пара. Огромный вклад в исследование эффективности ГТУ, способов её повышения внесли Ложкин А. Н., Зысин В. А., Андрющенко и т. д.
Как и в любой установке у ГТУ есть и преимущества, и недостатки.
Компактность является одним из важнейших преимуществ, так как отсутствует котёл, сжигание топлива происходит при высоком давлении. Ввиду компактность газотурбинную установку возможно доставлять автомобильным транспортом.
В установке отсутствует конденсатор и сложные технологические элементы. Поэтому 1 кВт установленной мощности на газотурбинной электростанции намного меньше, чем у ПТУ.
Высокая манёвренность также является преимуществом.
К недостаткам же можно отнести высокую стоимость используемого топлива.
Установки для комплексного получения теплоты и твердого диоксида. Важным пунктом работы является вымораживание твердого диоксида углерода (СО2, «сухой» возможности получения низких температур, большой объемной и массовой холодопроизводительности, отсутствием влаги при переходе из твердого вещества в газообразное). Он находит широкое применение из-за простоты своего использования, возможности получения низких температур, большой объемной и массовой холодопроизводительности, отсутствием влаги при переходе из твердого вещества в газообразное.
В условиях научного и технического прогресса значительное снижение расхода топливно-энергетических ресурсов и снижение вредных выбросов в окружающую среду стало как никогда актуальной проблемой современности. Остро стоят вопросы энергоэффективного сжигания природного газа, мазута, и других видов органического топлива. Сейчас на теплоэлектростанциях, которые работают на природном газе, мазуте, угле отходы от его сжигания в пять раз превышают массу использованного топлива [1].
В окружающую среду вместе с продуктами сгорания топлива выбрасывается зола, в которой содержится в различных пропорциях огромное количество разнообразных химических веществ, продукты неполного сгорания топлива, диоксид углерода, окислы серы, азота и другие вещества, угрожающие нормальной жизни и здоровью человека. Так же в окружающую среду выбрасывается большое количество теплоты в виде горячих газов и подогретой воды. Все вышеперечисленное является общей проблемой почти всех энергетических установок не только в нашей стране, но и в мире.
Решением выше изложенных проблем может стать внедрение установок для комплексного получения теплоты и твердого диоксида углерода. С помощью таких установок можно не только уменьшить вредные выбросы в атмосферу, но и получать твердый СО2 для промышленных и хозяйственных нужд. При получение «сухого льда» и теплоты в комплексе экономия топлива может составить до 40 % от затрат топлива при раздельном их получение [2].
Задача нашего исследования состоит в нахождении оптимальных режимов работы установки для комплексного получения теплоты и твердого СО2, и минимизации выбросов вредных веществ в окружающую среду.
В последние время ученые по всей планете озадачены проблемой парникового эффекта, причиной которого является чрезвычайно большие выбросы СО2 в атмосферу 80 % которых связанно со сжиганием органических топлив. Разработка новых технологий и способов уменьшения таких выбросов является приоритетной задачей для мирового научного сообщества.
Существует немало методов улавливание СО2 в мировой практике.
- Абсорбционно-десорбционный (при таком способе с использованием алканоламина требуется повышение расхода топлива на единицу отпускаемой энергии в 1,3–1,4 раза больше, что приводит к снижению КПД примерно на 11 %).
- Вымораживание диоксида углерода из дымовых газов (при этом если улавливать 90 % СО2 КПД снижается на 12 %).
- Метод с использованием извести в топках кипящего слоя (при температуре до 800 0С углерод вступает в реакцию с СаО и получается СаСО3, но для этого требуется СаО в 4 раза больше чем угля, и полезная теплота используется только на 15 %) [3].
Все способы, описанные выше приводят к значительному снижению КПД и при практическом использование фактически не обеспечивают потребности по уменьшению выбросов диоксида углерода в окружающую среду.
Существенно иная эффективность будет достигаться при применении в энергетике установок для комплексного получения теплоты, электричества и холода в виде кристаллического СО2 (рис. 1).
Принцип работы такой установки заключается в подготовке продуктов сгорания топлива к их переработке. На первом этапе происходит процесс очистки от золы в скруббере и отделении влаги в первом влагоотделители. Второй этап — это повышение давления в компрессоре, и охлаждение в промежуточном холодильнике, и удаление из ПСТ влаги при помощи второго влагоотделителя. На третьем этапе продукты сгорания топлива проходят через регенеративный теплообменник, в котором их температура уменьшается до температуры перехода диоксида углерода из газообразного состояния в твердое, минуя жидкое, и далее уже поступают в турбодетандер, в котором происходит расширение ПСТ и кристаллизация СО2, а в сепараторе уже происходит его отделение шнековыми или другими устройствами.
Когда произошло охлаждение продуктов сгорания топлива и расширение в турбодетандере уходящие газы уже не являются греющим агентов, а являются рабочем веществом или даже холодильным агентом, за счет того, что их температура после этого значительно снизилась и приблизилась к температуре окружающей среды. Вследствие этого отсутствуют потери тепла в окружающую среду с уходящими газами.
Рис. 1. Установка для производства СО2 с турбодетандером: К — котельная; ДХ — дымоход; СК — скруббер; ВО1, ВО2 — влагоотделитель; Ком — компрессор; ПХ — промежуточный холодильник; Р — регенератор; ТД — турбодетандер; ЭГ — электрогенератор; С — сепаратор
Экологический эффект от применения таких установок очень высок, так как сопряжен с понижением загрязнения окружающей среды, а именно из-за понижения теплопотерь и существенному снижению выбросов в окружающую среду СО2.
У данной установке не только большой экологический эффект, но и практическая польза от выработки диоксида углерода. Он является важным технологическим продуктом, которой находит применение не только в промышленности, но и во многих сферах народного хозяйства. В России 40 % жидкого и 20 % твердого СО2 производятся с помощью специального сжигания топлива. Установки для комплексного получения теплоты и твердого диоксида углерода позволят экономить топливо на выработки твердого СО2. Следовательно, исследование и реализация таких установок по вымораживанию диоксида углерода из продуктов сгорания топлива приведет к улучшению экологических и экономических показателей энергетических установок в нашей стране [4].
Методы повышения эффективности ГТУ. Шапожников В. В. в своей диссертации [1] повышает эффективность путём совершенствования схем и оптимизации параметров.
Существуют следующие методы повышения эффективности энергоустановок с газотурбинными установками:
- Увеличение начальной температуры газов перед турбиной, благодаря чему повышается КПД установки. Это наиболее распространённый и наиболее перспективный метод.
- Использование более совершенных конструкционных решений:
- жаростойких сталей и сплавов;
- термозащитных покрытий лопаток;
- эффективной системы охлаждения лопаток.
- Установка регенераторов, что позволяет снизить расход топлива и тем самым увеличить КПД энергоустановки. Но сами регенераторы довольно громоздки. Данная проблема решается путём использования напорной регенерации, дающая возможность повышения тепловой экономичности и сокращения поверхности теплообмена на 20–30 %.
- Увеличение работы расширения путём усложнения схем.
Вывод. В работе рассмотрены преимущества и недостатки применения газотурбинных установок. Исследованы установок для комплексного получения теплоты и твердого диоксида углерода несет важный характер для защиты окружающий среды от вредных выбросов. Ее применение приводит к повышению энергоэффективности, за счет объединения двух процессов в один, а так к же к уменьшению затрат на производство твердого СО2 для производственных нужд. Рассмотрены основные методы повышения эффективности ГТУ.
- Галдин В. Д. Разработка элементов теории и анализ процессов расширения парогазовой смеси в турбодетандере [Текст]: диссертация докт. техн. наук: 05.04.04: защищена: 1998год. / Галдин Владимир Дмитриевич. — Омск, 1998. — 410 стр.
- Дорохин В. П. Перспективы применения детандер-генераторных агрегатов в топливно-энергетическом комплексе России [Текст] / В. П. Дорохин // Промышленный Сервис. — 2012. — № 4. С. 18–22
- Кондратьев Н. В. Коагуляция частиц твердого диоксида углерода при расширении продуктов сгорания топлива в турбодетандере [Текст]: диссертация канд. техн. наук: 05.04.03: защищена: 2004 год. / Кондратьев Николай Викторович. — Омск, 2014. — 124 стр.
- Андреев А. Р. Использование детандер-генераторных технологий как способ повышения эффективности работы котельных [Текст]: диссертация канд. техн. наук: 05.14.04: защищена: 2007год. / Андреев Александр Рудольфович. — Москва, 2007. — 145 стр.
- Шапошников В. В. Повышение эффективности ГТУ путём совершенствования тепловых схем и оптимизация параметров [Текст]: диссертация канд. техн. наук: 05.04.14: защищена: 2015год. / Шапошников Валентин Васильевич. — Краснодар, 2015. — 178 стр.
Источник
