Введение Рынок энергетических установок относится к ... Большинство потребителей электрической энергии традиционно ...

Введение
Рынок энергетических установок относится к разряду консервативных.
Большинство потребителей электрической энергии традиционно пользуются
услугами оптовых генерирующих компаний (ОГК). Тем не менее, существует и
постоянно увеличивается доля потребителей, для которых продукция крупных
производителей электроэнергии либо недоступна, либо неприемлема по тем
или иным причинам. К ним, прежде всего, относятся поселения и предприятия
расположенные в труднодоступных районах, спецтехника и оборудование
использующие электрическую энергию нестандартных параметров, системы
резервного тепло- и электроснабжения. Для указанных категорий потребителей
электрической энергии, наиболее востребованный диапазон мощностей
энергетического оборудования – от десятков до нескольких сотен киловатт. К
числу основных требований, предъявляемых к подобным установкам
относятся, прежде всего, надежность и простота эксплуатации, малые габариты
и масса, низкая цена и эксплуатационные расходы [1].
Основу рынка энергетического оборудования для распределенного
производства энергии, до недавних пор, составляли газопоршневые установки и
дизель-генераторы (ДВС). К числу основных достоинств данных установок
следует отнести высокий электрический КПД – до 40%, большой ресурс,
высокая ремонтопригодность. Недостатками ДВС являются значительные
размер и масса, большой расход масла, недостаточно высокая надежность из-за
большого числа трущихся деталей, ограничение времени работы на неполной
мощности. Указанных недостатков лишены газотурбинные установки малой
мощности (микроГТУ). Компактность, простота конструкции, возможность
длительной автономной работы, низкий уровень выбросов, вибраций, шума,
легкость и быстрота запуска делают микроГТУ основным конкурентом
газопоршневым установкам и дизель-генераторам на рынке оборудования для
распределенного производства энергии. Кроме того, микроГТУ позволяют
параллельно с электрической производить в большом количестве тепловую
энергию для работы систем горячего водоснабжения, отопления,
осуществления разнообразных технологических процессов.
Основным недостатком ГТУ является низкая топливная экономичность
по сравнению с ДВС. Однако, анализ областей применения микроГТУ [2]
показывает, что высокий КПД не является главным требованием
предъявляемым к этим энергоустановкам. Кроме того, высокая температура
выхлопных газов позволяет параллельно с электрической производить
тепловую энергию в виде горячей воды или пара – осуществлять когенерацию.
Постановка задачи
Базовая конструкция микроГТУ типична– это одноступенчатый
центробежный компрессор 1, кольцевая или индивидуальная камера сгорания 2
и центростремительная турбина 3 [3]. Ротор турбины – одновальный, с
безредукторным приводом высокооборотного электрогенератора 4, выдающего
электрическую энергию в сеть через преобразователь частоты (Рис. 1). Турбина
двигателя, как правило, неохлаждаемая, так как малые размеры проточной
части не позволяют использовать сложные системы охлаждения. Цикл –
простой или регенеративный.
Рис. 1 – Конструктивная схема МикроГТУ:
1 – центробежный компрессор; 2 – кольцевая камера сгорания; 3 –
центростремительная турбина; 4 – высокооборотный электрогенератор
Выбор оптимальных параметров микроГТУ на этапе термодинамического
расчета базируется на анализе цикла Брайтона. Выбор степени повышения
давления в компрессоре и соответствующей ей удельной работы двигателя
определяет во многом эффективность всей энергетической установки, которая,
основываясь на базовой проточной части, может реализовывать как простой так
и регенеративный цикл, цикл с утилизацией тепла выхлопных газов.
Расчетная модель
В основу термодинамического расчета газотурбинного двигателя была
принята математическая модель второго уровня [4] в основе которой лежат
уравнения работы отдельных элементов двигателя, законы определяющие
физическую взаимосвязь между элементами двигателя с учетом изменения
теплоемкости и расхода рабочего тела и заданием коэффициентов
характеризующих потери в элементах двигателя.
Рассматривались схемы ГТУ простого цикла, простого цикла с
регенерацией тепла, регенеративного цикла и регенеративного цикла с
утилизацией тепла (Рис. 2).
Схема 1
Схема 2
Схема 4
Схема 3
Рис. 2 – Термодинамические схемы микроГТУ
Исходные данные для термодинамического расчета – характерные для
современных микроГТУ [3]: политропный КПД компрессора –  кп =0,8;
адиабатный КПД турбины Та =0,89; коэффициенты восстановления полного
давления: во входном устройстве  вх =0,99, в камере сгорания  кс =0,96, в
системе газоудаления турбины  вых =0,99; механический кпд  мех =0,985.
коэффициенты восстановления полного давления по горячей и холодной
стороне  гор   хол  0,97 ; температура газа на выходе из котла-утилизатора
T5 =393 К (120 С); топливо – метан.
Полученные результаты
На Рис. 3 приведены результаты расчета термодинамического цикла ГТУ
простой схемы – зависимость удельных параметров простого цикла микроГТУ
от степени повышения давления. С ростом начальной температуры газов Т 3 ,
растет эффективный КПД цикла и удельная работа, оптимальная степень
повышения давления смещается в сторону более высоких значений  к .
Рис. 3 Зависимость удельных параметров простого цикла микроГТУ от степени
повышения давления
Рис. 4 Зависимость расхода воздуха и высоты лопатки на выходе из рабочего
колеса ЦБК от степени повышения давления в цикле
Выбор максимальной температуры газов перед турбиной Т 3 и  к , в
отличии от ГТУ большой и средней мощности, здесь обусловлен
конструктивными особенностями микроГТУ. Увеличение указанных
параметров ведет к повышению удельной работы и снижению потребного
расхода воздуха для обеспечения заданной мощности. Для микроГТУ это
приводит к крайне малым высотам элементов проточной части двигателя. Так,
на Рис. 4 представлен потребный расход воздуха Gв и расчетная (по методике
[5]) высота лопатки на выходе из рабочего колеса центробежного
компрессора b2 .
Уменьшение минимальной высоты проточной части ниже 4 мм ведет за
собой резкое снижение КПД ключевых элементов двигателя – компрессора и
турбины. Поэтому, целесообразным является уменьшение расчетного степени
повышения давления с 8…9 до 4…5, и получение приемлемых высот
проточной части.
Уменьшение  к относительно оптимального значения по эффективному
КПД термодинамического цикла, может быть также оправдано, если
планируется создание когенерационной энергетической установки. При
фиксированной начальной температуре газа, уменьшение  к приводит к росту
температуры выхлопных газов T4 и, следовательно, позволяет получить больше
тепловой энергии в котле утилизаторе.
Рис. 5 Зависимость отношения мощности тепловой нагрузки к электрической
для МикроГТУ простого цикла
Рис. 5 иллюстрирует зависимость отношения тепловой и энергетической
нагрузок когенерационной микроГТУ от степени повышения давления в цикле.
На Рис.6 представлена зависимость коэффициента использования топлива
от степени повышения давления в цикле.
Рис. 6 Зависимость коэффициента использования тепла топлива от степени
повышения давления
Низкая степень повышения давления микроГТУ позволяет создать более
эффективную регенеративную энергетическую установку на базе проточной
части ГТУ простого цикла, так как оптимальная степень повышения давления в
регенеративном цикле смещается в сторону малых значений  к (Рис. 7).
Рис. 7 Зависимость эффективного КПД простого и регенеративного цикла
микроГТУ от степени повышения давления
Установка регенератора на микроГТУ
простого цикла позволит
увеличить эффективный КПД двигателя при некотором снижении мощности и
коэффициенте использования топлива (Рис. 8).
Рис. 8 Зависимость мощности, эффективного КПД, коэффициента
использования тепла топлива микроГТУ регенеративного цикла от степени
регенерации
Снижение удельной мощности двигателя при увеличении степени
регенерации объясняется влиянием дополнительных гидравлических потерь
вносимых регенератором, а уменьшение коэффициента использования топлива
– уменьшением температуры выхлопных газов.
Для энергетической установки мощностью Ne =72 кВт с начальной
температурой газа T3 =1150 К была выбрана расчетная степень повышения
давления  к =4,5. Расчетный расход воздуха Gв =0,41 кг/с. Эти параметры
позволяют получить приемлемую минимальную высоту проточной части
турбомашины – около 4 мм, что обеспечивает адекватность заданных в расчете
КПД компрессора и турбины.
В таблице 1 приводится сравнение параметров рассчитанной микроГТУ с
газопоршневой установкой Caterpillar G3306 механической мощностью
Ne =72 кВт [6].
Заключения и выводы
При проектировании энергетических установок на базе микроГТУ
расчетную степень повышения давления целесообразно принимать в диапазоне
от 3,5 до 5. Это обеспечит высокое значение КПД элементов проточной части
турбомашины (компрессора, турбины), повысить отпуск тепла при работе
микроГТУ в режиме когенерации. Регенеративная энергетическая установка
созданная на базе данной микроГТУ будет оптимальной с точки зрения
достижения максимального эффективного КПД и сравнимой по эффективности
с газопоршневыми энергетическими установками.
Таблица 1
Сравнение параметров микроГТУ и газопоршневой установки
Параметр
микроГТУ
микроГТУ
газопоршневая
простого
регенеративного
установка
цикла
цикла,  р =0,8
72
72
72
Мощность, Ne ,кВт
Топливо
биогаз
Низшая
удельная
теплота
сгорания
23300
р
3
топлива, Qн , кДж/нм
19,8
30
30
e , %
Расход
продуктов
сгорания на выходе,
0,429
0,421
0,09
GТ , кг/с
Температура газа на
856
587
828
выходе, T4 , К
Тепловая
нагрузка,
231
95
52
Nтепл , кВт (120С)
Nтепл / N эл
3,2
1,3
0,72
Длина х ширина х
3,2х1,3х1,7
0,76х2,0х2,0 1
высота, м
Масса, кг
1000 1
2000
1
– ориентировочно, с учетом [7].
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Список литературы
Martin Pehnt, Martin Cames. Micro Cogeneration. Towards Decentralized Energy
Systems. Springler. 2006.
Claire Soares. Microturbines. Elsevier, 2007
Moore M.J. Micro-turbine Generators. Bury St Edmunds and London, UK. 2002,
107 p.
Теория, расчет и проектирование авиационных двигателей и энергетических
установок: Учебник/В.И. Бакулев, В.А. Голубев и др.; Под редакцией В.А.
Сосунова, В.М. Чепкина – М.:Изд-во МАИ, 2003. – 688 с.
Бекнев В.С., Куфтов А.Ф., Тумашев Р.З. Расчет и проектирование
центробежных компрессоров ГТД. – Москва: Издательство МГТУ, 1996 г.
http://rossiya.cat.com/cda/layout?m=333535&x=97&f=416505
http://www.microturbine.com