Новые технологии и научно-технические разработки в энергетике. Концепция оивт ран энергетических газотурбинных установок сгту

Вид материала

Статья

Содержание Рис.2. Зависимость КПД на клеммах генератора от степени сжатия компрессора.

Подобный материал:

• Новые технологии и научно-технические разработки в энергетике на пути к водородной, 225.04kb.
• Создание высокоэффективных воздухозаборных трактов для энергетических газотурбинных, 280.08kb.
• «Научно-техническое обеспечение производства и эксплуатации газотурбинных и парогазовых, 39.12kb.
• Опыт разработки, проблемы создания и перспективы развития низкоэмиссионных камер сгорания, 582.6kb.
• 1 Наименование: Автоматизированная стационарная система вибродиагностики и боя вала, 31.69kb.
• Руководства по безопасности стальные отливки для атомных энергетических установок., 734.8kb.
• Программа всероссийской научно-практической конференции «проблемы современной экономики:, 56.36kb.
• «Принципиально новые струйные энергетические технологии», 375.66kb.
• Міністерство освіти І науки україни одеська державна академія холоду програма 7-ої, 204.57kb.
• Международная научно-практическая конференция «новые информационные технологии в образовании, 117.52kb.

Новые технологии и научно-технические разработки в энергетике.


Концепция ОИВТ РАН энергетических газотурбинных установок

СГТУ)


Статья является продолжением опубликованной в № 1 за этот год статьи "Парогазовые установки монарного типа. Проблемы и перс­пективы создания". В статье рассматривается концепция ОИВТ РАН газотурбинных энергетических установок монарного типа или, как их часто называют, газопаровых. Приводятся данные по другим концеп­циям ГТУ, в том числе зарубежным.


1. Сущность концепции ГТУ Объединенного института высоких температур Российской академии наук

Как указывалось в нашей первой статье в журнале "Энергетика Татарстана" [1], первоочередное влияние на технико-экономические показатели газотурбинных энергетических установок оказывают:

• КПД преобразования тепловой энергии в электрическую;
  
• удельная работа таких установок.
  

Эти величины, в свою очередь, определяются значительным числом параметров, важнейшими из которых являются:

• температура и давление на входе в турбину; при оптимальных с точки зрения КПД параметрах эти величины взаимосвязаны;
  
• внутренний относительный КПД компрессора и турбины (т.е. со­ответственно отношение теоретической величины потребной работы компрессора к реальной работе компрессора и отношение получен­ной работы турбины на валу турбины к теоретически возможной), эти
  величины зависят от совершенства проточной части турбины, от по­терь тепла и гидравлических потерь.
  

Кроме параметров, на технико-экономические показатели безус­ловное влияние оказывают схемные решения. В упомянутой статье были сделаны ссылки на наиболее продвинутые сейчас зарубежные схемы (Top Hat, STIG). Особое внимание уделяется снижению величи­ны работы компрессора, с одной стороны, и регенерации и тем са­мым включению в цикл преобразования энергии тепла, покидающего турбину, - с другой.

Работа, потребная для сжатия воздуха и природного газа (в случае его дожимания), достаточно велика и составляет от половины до двух третей суммарной работы, производимой турбиной. При этом про­цесс сжатия в компрессоре происходит по политропе, лежащей на диаграмме цикла справа от адиабаты, и сопровождается переходом части работы, подведенной к компрессору, в менее качественный вид энергии - тепло. Работа компрессора или его отдельных ступеней пропорциональна входной абсолютной (в градусах Кельвина) темпе­ратуре. Естественно стремление к промежуточному охлаждению га­зов. Это можно осуществить, по крайней мере, двумя путями:

• "внешним" охлаждением, т.е. через поверхность теплообмена.
  Такое охлаждение можно осуществить, объединяя ряд последователь­ных ступеней компрессора с установкой в промежутках газового тракта теплообменников. Внешнее охлаждение воздуха сокращает работу сжатия, но в то же время безвозвратно выводит часть тепла из цикла;
  
• вводом воды в компрессор - на вход его или поступенчато – и таким образом снижением температуры за счет испарения воды.
  Заметим, что достижение необходимого давления воды не требует сколько-нибудь значительной работы.
  

Регенерация тепла может дать еще более существенный эффект. Продукты сгорания после турбины в простом цикле в большинстве существующих ГТУ имеют температуру между 400 и 500-550°С, и потери тепла весьма ощутимы. Температура воздуха после компрес­сора, куда по схеме ГТУ заманчиво сбрасывать хотя бы часть тепла, более 280-300°С и температурный напор в регенеративном теплооб­меннике недостаточен.

Выдвинутая в 2005 г. концепция ОИВТ РАН газотурбинных энергети­ческих установок [2] направлена, прежде всего, на конверсионные газо­турбинные установки "малой" энергетики мощностью от 1 до 30 МВт, в частности на авиационные конверсионные ГТУ, хотя многие выводы и рекомендации представляются применимыми и для мощных ГТУ.

Концепция рассматривает одновременное применение двух спосо­бов повышения КПД и удельной мощности. Во-первых, путем сниже­ния работы компрессора вводом воды. Во-вторых, впрыском воды в после компрессорный воздух, что позволяет снизить его температуру и делает эффективным установку теплообменника-регенератора для расширения возврата тепла в цикл.

Оба этих способа имеют ограничения по тепловому балансу и оптимальные значения параметров.

При вводе воды в компрессор допускаемое максимальное количе­ство вводимой воды в термодинамическом плане определяется с уче­том температуры после компримирования при "сухом" сжатии, парци­ального давления водяного пара в потоке паровоздушной смеси и температуры при "влажном" сжатии. При учете теплообмена между микрокаплями воды и воздуха это количество воды должно быть уменьшено. Естественно, выгоднее осуществлять ввод воды поступен­чато, по мере повышения температуры в компрессоре (как это сдела­но в концепции Top Hat), однако применительно к конверсионным авиационным двигателям это удается далеко не всегда, так как требуется переделка компрессора. В рассматриваемых разработках ГТУ с применением конверсионных ГТД предполагается, что основные па­раметры и конструкция компрессорной группы исходного прототипа авиадвигателя сохраняются без существенных изменений, так как стоимость компрессорной группы составляет значительную долю ка­питальных затрат.

С точки зрения снижения температуры по тракту компрессора и уменьшения работы на сжатие воздуха следует упомянуть схемы, раз­работанные Westinghouse, EPRI и ESPC схемы ГТУ под названием HAT (Humidified Advanced Turbine) и CHAT (Cascaded Humidified Advanced Turbine) [3]. В них вместо впрыска воды в компрессор используется традиционное промежуточное охлаждение воздуха между компрессо­рами низкого, среднего и высокого давления, а отведенное тепло ис­пользуется при испарении части охлаждающей воды в сатураторе. Однако введение промежуточных охладителей невозможно без суще­ственного изменения конструкции компрессоров конверсионных ГТД.

Другая, также близкая к рассматриваемой здесь схеме ГТУ с "влаж­ной" регенерацией - схема Top Hat описана в [4]. Схема Top Hat предусматривает регенерацию тепла в ГТУ подогревом компримированного воздуха отработанными газами ГТ при одновременном осу­ществлении "влажного" сжатия путем распределенного впрыска воды в компрессор по технологии Swirlflash (распыл перегретой воды). Проведенный сравнительный анализ эффективности и удельной мощ­ности ГТУ показывает, что Тор Hat-цикл при одинаковых верхних па­раметрах (температуре и давлении в КС) имеет существенно более высокие значения КПД и Nуд по сравнению с простыми циклами.

Рассматриваемая ОИВТ РАН схема, используя все потенциальные возможности схемы Top Hat, предусматривает дополнительный впрыск воды в сжатый воздух и регенеративный подогрев двухфазной воздушно-водяной среды, что заметно повышает как КПД ГТУ в це­лом, так и достижимую удельную мощность.

Выполненные исследования по "влажному" сжатию [5, 6, 7], на которые даются ссылки в [2], а также результаты исследований в ОИВТ РАН [8] свидетельствуют о возможности испарения в компрес­соре расхода воды, достаточного для заметного снижения мощности сжатия воздуха, причем количество испарившейся воды зависит как от параметров впрыскиваемой воды и конструктивных характеристик компрессора, так и от температуры наружного воздуха. Как уже ука­зывалось выше, эффективность впрыска воды определяется реальным снижением температуры сжимаемого воздуха и, следовательно, уменьшением удельной работы сжатия, что и приводит к снижению мощности компрессора и к росту эффективного КПД установки в целом. В результате увеличения за счет впрыска расхода рабочего тела имеет место также заметный рост абсолютной и удельной мощ­ности газовой турбины и энергоустановки в целом.

В [2] указывается, что особенности работы компактных высоко­оборотных осевых многоступенчатых компрессоров конверсионных ГТУ малой мощности и связанные с этим специфика поведения и ис­парения впрыскиваемой в компрессор воды приводят к интенсивной сепарации практически всех капель на рабочих лопатках каждой ступени и преобладающее испарение влаги именно с поверхности пле­нок на лопатках. При этом вследствие относительно малых размеров компрессоров ГТУ, условно часто называемых малыми (от 1 до 30 МВт), возникают весьма большие центробежные и кориолисовые силы, и толщина пленки на поверхности лопаток чрезвычайно мала. Потери энергии потока складываются из потерь на разгон капель в межлопа­точных каналах и их торможение, дробление капель при соударении с лопаткой, а также на организацию движения жидких пленок на поверхности лопаток.

В ОИВТ РАН проведен цикл расчетно-теоретических исследований по вводу воды и течению процессов при ее впрыске на вход в комп­рессор. Результаты расчетов процессов "влажного" сжатия в много­ступенчатых осевых компрессорах конверсионных ГТУ малой мощно­сти докладывались на конференции "Результаты фундаментальных ис­следований в области энергетики и их практическое значение", состо­явшейся в Объединенном институте высоких температур Российской академии наук в марте 2008 года [9]. Рефераты некоторых докладов на этой конференции публиковались в журнале "Энергетика Татар­стана" в 2008 году.

В настоящее время экспериментальные исследования влияния вво­да воды в компрессор проводятся в ОИВТ РАН на установке "Демо-центр", прототипом которой является установка ГТЭ-1,25 мощностью 1 МВт, завода им. В.Я. Климова (г. Санкт-Петербург). Но она была модернизирована в ОИВТ РАН из производственной в исследова­тельскую путем установки дополнительного оборудования и парка измерений. В номинальном режиме компрессора установки расход воздуха G_boj = 8 кг/с и степень сжатия п_к = 8 при 12 ступенях сжатия. Целью проводимых ныне экспериментальных исследований является верификация полученных расчетно-теоретических и эксперименталь­ных данных. Однако не меньшее значение имеет разработка техно­логии ввода воды в воздух (в частности, дисперсность капель воды, температура и давление воды) с целью максимального теплообмена. Расчетно-теоретическими исследованиями показано следующее. На номинальном и частичном режимах ГТЭ-1,25 при вводе капель расхо­дом 2-3% от расхода воздуха по тракту компрессора испаряется от 50 до 90% введенной влаги соответственно. При этом снижение тем­пературы компримированного воздуха составляет соответственно 25-65°С, а количество испарившейся воды по ступеням сжатия рас­пределяется возрастающего по тракту в результате повышения темпе­ратуры и давления воздуха.

Относительно регенеративных циклов с высокой степенью регене­рации нужно сказать, что целесообразно обеспечить значительный возврат в цикл тепла отработанных газов. Такого типа решения пред­лагаются по различным схемам [10, 11]. Однако, как указывалось, степень регенерации для конверсированных двигателей ограничена температурой компримированного воздуха, точнее, температурным напором между этой температурой и температурой уходящих из тур­бины продуктов сгорания.

Главным отличием схемы ОИВТ РАН является ввод воды в компримированный воздух, что позволяет увеличить степень регенерации тепла.

Значительный рост тепловой экономичности и удельной мощности достигаются одновременно как утилизацией тепла отработанных га­зов (идущего на производство и перегрев пара), так и введением в контур ГТУ воды с превращением ее в потоке воздуха в регенераторе в пар. Водяной пар служит дополнительным рабочим телом, имею­щим при этом лучшие теплофизические и газодинамические свойства по сравнению с продуктами сгорания, причем, и это очень важно, на сжатие воды в жидкой фазе (в отличие от газа) практически не требу­ется дополнительной мощности. Схема ГТУ по концепции ОИВТ РАН с "влажным" сжатием и "влажной" регенерацией показана на рис. 1.


Рис.1. Газопаровая установка с «влажным» сжатием и «влажной» регенирацией.




2. Результаты сравнительного расчетно-теоретического анализа схемы ГТУ с "влажным" сжатием и "влажной" регенерацией тепла и других перспективных вариантов схем по газопаровым циклам.

В ОИВТ РАН проведен сравнительный расчетно-теоретический анализ различных схем конверсионных ГТУ, использующих газопаро­вые циклы. Основные результаты этого анализа изложены в [2] и в докладах конференции в ОИВТ РАН [9]. При этом учитывались реаль­ные КПД основных агрегатов и другие потери. В принятой программе расчетов такие параметры, как внутренний КПД компрессора (r)J при сжатии сухого воздуха, внутренние КПД компрессорной [т\ ) и сво­бодной (г) ) турбин, коэффициенты потерь тепла и давления в основ­ных элементах двигателя и другие характеристики были взяты с ГТД ТВЗ-117 и АЛ-31СТЭ как достаточно отработанных типичных машин мощностью 1-6 МВт (ГТД ТВЗ-117) и 10-20 МВт и более (АЛ-31СТЭ). Проведены сравнительные расчеты тепловой эффективности и удель­ной мощности ГТУ, работающих по схеме с "влажными" сжатием и регенерацией, ГТУ по простой и регенеративной схемам, а также ГТУ по схеме типа STIG. Ниже приводятся основные выводы из расчетно-теоретических исследований, которые изложены более полно в [2].

Сочетание регенерации с впрыском воды в компрессор и в компримированный воздух не только снижает удельную мощность комп­рессора и повышает мощность ГТУ, но и обеспечивает существенное увеличение степени регенерации тепла, отходящих от турбины про­дуктов сгорания. Это приводит к одновременному повышению как эффективности, так и удельной мощности энергоустановки. Так, на­пример, имеет место ощутимое повышение КПД (от 24-25 до 35-40%) и удельной мощности (от 150 до 200-250 кДж/кг) газотурбинной ус­тановки уже при умеренных параметрах рабочего тела на входе в турбину (Р ~ 0,8-1,0 МПа, Т=827°С). При применении двигателей с я_к = 15-20 и температурой в КС на уровне Т_о= 1227°С, КПД таких уста­новок может достигать ~ 50% и более при N ~ 500-700 кДж/кг, тог­да как для простого цикла ГТУ соответствующие показатели составля­ют 36% (рис. 2) при N_уд ~ 330-360 кДж/кг (рис. 3).

Основные расчетные возможные характеристики конверсионных ГТУ при работе по простой схеме и по схеме с "влажной" регенера­цией приведены в табл. 1. Следует отметить, что каждому типу двига­теля соответствует своя пара оптимальных значений П_к и Т ₀


Рис.2. Зависимость КПД на клеммах генератора от степени сжатия компрессора.

а) температура на выходе в турбину 1300 ⁰С, содержание воды в воздухе Хв=0,25 п_к (в %)

б) температура на входе в турбину 827 ⁰С, Хв=0,25 п_к (в %)







Приведенные значения предельных (максимальных) КПД и Иуд. получены при максимально возможных по условию испарения впрыс­ках воды как в компрессор, так и в сжатый закомпрессорный воздух (для обеспечения эффективности регенерации отработанного тепла). Расход воды на впрыск после компрессора определен из условия максимально возможного испарения воды в теплообменнике-регене­раторе при нагреве компримированного воздуха с учетом сохране­ния перепада температур между отработавшими в ГТ газами и нагре­ваемой воздушно-паровой смесью (не менее 30°С).

Предельная величина КПД для рассматриваемой схемы выше, чем КПД ПГУ с впрыском пара, и близка к КПД парогазовых установок бинарного цикла.


Таблица 1. Основные характеристики конверсионных газотурбинных установок для простой схемы и схемы с "влажной" регенерацией.

Наименование	ГТЭ-1,25*		ГТУ-2,5		ГТУ-6П		ГТУ-16П		АЛ-31СТЭ		НК-37		НК-37**
	простая схема	схема с регене­рацией	простая схема	схема с регене­рацией	простая схема	схема с регене­рацией	простая схема	схема с регене­рацией	простая схема	схема с регене­рацией	простая схема	схема с регене­рацией	простая схема	схема с регене­рацией
Разработчик, завод - изготовитель	Завод им. В.Я.Климова г. С.-Петербург		ОАО "Рыбинские моторы"		ОАО "Авиадвигатель" ОАО "Пермские моторы" г. Пермь				ОАО "А. Люлька-Сатурн" г. Москва УТМ ПО г. Уфа		СНТК им. Н.Д. Кузнецова г. Самара
Базовый авиадвигатель	ТВЗ-117		Д049		Д-30		ПС-90А		АЛ-31Ф		НК-32
Номинальная мощность на валу силовой турбины, МВт	1,1	2,0	2,85	7,4	6,49	12,7	16,4	45,5	20	55,9	25	81,2	53,3	133,7
Степень сжатия в компрессоре, 7ТК	8,0		12,0		8,9		19,6		18,1		23,4		23,4
Температура газов перед ротором турбины, °С	815		950		912		1140		1200		1080		1350
Расход воздуха на входе в компрессор, кг/с	8,25		14,5		33,9		56,2		64,5		105,2		105,2
Впрыск воды до и (после) компрессора, %		2,5 (7)		2,5 (11,5)		2,5 (9)		2,5 (18,5)		2,5 (18,5)		2,5 (19,1)		2,5 (23,5)
КПД-брутто на валу силовой турбины, г|%	24,8	39,5	28	44,7	27,2	42,7	37	53	35,5	54,1	36,4	52,3	42,9	55+59
Температура газов за регенератором, °С	-	133	-	121	-	123	-	-	-	107	-	105	-	87
Удельная мощность, кДж/кг	150	250	196	510	191	374	292	810	310	867	250	772	507	1271
*) Для ГТЭ-1,25 - на клеммах генератора. **) От НК-37 используется компрессор, диски компрессорной турбины и вал компрессорной группы. Камера сгорания, система охлаждения лопаток, профили лопаток компрессорной турбины - новая разработка

Известно снижение КПД ГТУ при частичных нагрузках. График рис. 4 показывает положительное влияние схемы ОИВТ РАН на указанный фактор.



КПД на клеммах для простого (1) и регенеративного циклов: с впрыском воды в компрессор (2) и одновременно после компрессора (3, 4, 5, 6) для параметров ГТЭ-1,25 (номинальный режим р_к=8,0; Т_о=827°С) в номинальном и частичных ре­жимах в зависимости от отношения мощности N к номинальной мощности N_o для простого цикла; 1 - простой цикл; 2 - впрыск воды в компрессор (2,5%); 3 - впрыск воды в компрессор (2,5%) + 4% за компрессором); 4 - впрыск воды в компрессор (2,5%) + 6% за компрессором); 5 - впрыск воды в компрессор (2,5%) + 8% за компрессором); 6 - впрыск воды в компрессор (2,5%) + 10% за компрессором).

Также меньше сказывается температура наружного воздуха, что особенно важно для южных районов (рис. 5)




Подача в зону горения камеры сгорания воздушно-паровой смеси в большой степени способствует снижению эмиссии NOx , что харак­терно для впрыска воды в контур ГТУ.

Влияние внутреннего относительного КПД компрессора (r\J на КПД и удельную мощность газопарового цикла (т]_г, Ы_{уд г}) для ГТУ пред­ставлено на рис. 6.



Отметим также, что влияние внутреннего относительного КПД ком­прессора на тепловую эффективность и удельную мощность газопа­рового цикла с "влажным" сжатием и "влажной" регенерацией суще­ственно меньше, чем для простого цикла, что и обеспечивает повы­шенную эффективность работы такого рода установки на частичных режимах.

Выводы

1. Показана перспективность газопаровых циклов ГТУ, в частности ГТУ по концепции ОИВТ РАН. КПД таких установок близок к КПД парогазовых установок (ПГУ), однако газопаровые установки позво­ляют получить высокие значения КПД и удельной мощности при отсут­ствии второго (паротурбинного) контура. Удельная мощность газопа­ровой ГТУ существенно выше таковой у ГТУ простого цикла, что бла­гоприятно сказывается на удельных капитальных затратах.
   
2. Представлена концепция ГТУ ОИВТ РАН, с которой этот инсти­тут выступил в 2005 г.
   
3. Показано, что в большом диапазоне параметров эта концепция имеет выигрышные показатели, в том числе и при неноминальных режимах.
   
4. После выполнения цикла расчетно-теоретических исследований основное внимание уделяется экспериментальной проверке и сопос­тавлению экспериментальных и расчетных данных.