Экономия топлива и улучшение экологических показателей при выработке

Экономия топлива и улучшение экологических показателей при выработке
электроэнергии и теплоты связаны с поиском перспективных направлений
развития энергетических установок.
ГТУ небольшой мощности стационарного исполнения в последнее время,
становятся все более востребованы, например как «мини ТЭЦ». В качестве
энергетических установок целесообразно использовать газотурбинные
двигатели, имеющие по сравнению с паротурбинными лучшие технико –
экономические показатели. Поэтому повышение экономичности ГТУ примерно
около 40% и является актуальной задачей.
Эффективность работы ГТУ на номинальном и переменном режимах
определяется как тепловым воздействием на процессы протекающие в
компрессоре и турбине и регенерацией теплоты уходящих газов, так и их
схемно – компоновочным решением. Удельная мощность и удельный расход
топлива на номинальном режиме работы ГТУ, характеризующие степень
совершенствования установки, являются функцией значительного числа
переменных: политропических КПД газодинамических процессов в различных
элементах установки, степеней повышения и понижения давления рабочего
тела в компрессоре и турбине, коэффициентов полноты сгорания топлива в
камере сгорания, теплоемкостей рабочего тела, степеней регенерации теплоты
выходящих из установки продуктов сгорания, относительного расхода топлива,
а также схемно – компоновочного выполнения ГТУ.
Задачей проведенных исследований влияния удельных параметров при
различных схемах исполнения установок, обеспечивающий высокий
эффективный КПД и соотношение электрической мощности установки с
тепловой мощностью котла утилизатора.
В расчетных исследованиях эффективности и параметров ГТУ параметры
давления и температуры принимались равными соответственно 101300 Па и
288 К. Политропический КПД газодинамических процессов в компрессоре был
принят 0.85 и 0.87 турбине соответственно, что соответствует оптимальным
адиабатным значениям КПД в турбине 0.86 – 0.9 и компрессоре 0.8 – 0.83.
Данные значения уточняются в зависимости от выбранной схемы установки
ГТД, степеней повышения давления в компрессоре и температур газа на выходе
из камеры сгорания, которые были приняты в диапазоне 1250 – 1450 К.
Степень регенерации в регенераторе была выбраны из области
максимального и минимального оптимального значения, то есть 0.6 и 0.8.
В данной работе были рассмотрены следующие схемы:
1. Простой цикл с одновальной конструкцией и с котлом утилизатором на
выходе из турбины (Рис. 1, а).
2. Цикл с регенерацией и котлом утилизатором (Рис. 1, б)
3. Двухвальная схема с регенератором, котлом утилизатором и камерой
дожигания (Рис. 1, в)
а
б
в
Рис.1 Схемы циклов ГТУ
а – простой цикл; б – цикл с регенерацией; в – цикл с регенерацией и камерой
дожигания;
Характерной особенностью третьего варианта является то что регенератор
располагается после турбины компрессора, то есть до второй камеры
дожигания. Температура во второй камере дожигания принималась с учетом
температуры газа в первой только на 150 К меньше. Многовальность установок
практически не оказывает влияния на полученные результаты удельных
параметров поэтому полученные результаты справедливы для различных схем
исполнения.
Расчетный анализ показал, что с увеличение температуры газа на выходе
из камеры сгорания эффективный КПД увеличивается во всех схемах, но
существует ограничение на выбор оптимальных параметров связанных с типом
конструкции компрессора, материалов лопаток турбин, центростремительных
рабочих колес, а также материалами регенератора и котла утилизатора.
Результаты расчета цикла с регенерацией показал снижение удельной
мощности и увеличение эффективного КПД установки по сравнению с простой
схемой, а так же смещение области оптимального повышения степени давления
в компрессоре в сторону малых значений. Оптимальная степень повышения
давления смещается в сторону малых значений с увеличением степени
регенерации, но при значениях превышающих 0.8 объем регенератора
существенно возрастет, что приводит к снижению технико – экономических
показателей установки.
Для повышения КПД в простом цикле необходимо существенно
увеличивать температуры газа за камерой сгорания свыше 1500 – 1600 К.
Однако при этом возникают проблемы с охлаждением прочной части турбины,
ресурсом и стоимостью.
Двухвальная схема показала значительное увеличение удельной мощности
за счет введения камеры дожигания и как следствие увеличение температуры
на выходе из силовой турбины, но эффективный КПД данной схемы находится
на уровне простого цикла. Расход воздуха в такой схеме уменьшается.
Термодинамически более совершенными являются схемы с регенерацией и
промежуточным подогревом (камера дожигания), которые обеспечиваю более
эффективные параметры цикла при умеренных температурах рабочего тела
равные примерно 1250 К, что позволяет избежать охлаждения турбины и как
следствие снизить удельную стоимость за счет применения дешевых
конструкционных материалов, повысить ресурс и надежность.
Схема выполняемая по третьему варианту имеет несколько исполнений,
связанных с размещением камеры дожигания. Выбор варианта конструкции
зависит от требования к тепловой мощности котла и требованиями к материалу
турбинных лопаток, то есть в случае необходимости камеру дожигания можно
поставить на входе в котел утилизатор.
Список литературы
1. Манушин Э.А, Михальцев В.Е, Чернобровкин А.П. Теория и
проектирование газотурбинных и комбинированных установок. – М:
Машиностроение, 1977. – 447 с.
2. Лапин Ю.Д, Карышев А.К. Расчет тепловой схемы газотурбинной
установки для привода нагнетателя. – М: МВТУ, 1983. – 23 с.
3. Арсеньев Л.В, Бедчер Ф.С, Богов И.А, Левин Е.Е, Тырышкин В.Г, Ходок
Е.А. Газотурбинные установки. Конструкция и расчет: Справочное
пособие. – Л: Машиностроение, 1978. – 232 с.