автореферат диссертации по энергетике, 05.14.14, диссертация на тему:Когенерационные газотурбинные установки с турбокомпрессорным утилизатором для локальных объектов энергопотребления

1НСТИТУТ ТЕХН1ЧН01 ТЕПЛ0Ф13ИКИ

РГ6 од НАН УКРА1НИ - ^ ОКТ Ьи,

МАТВ1СНКО ВАЛЕР1Й ТИМОФ1ЙОВИЧ

УДК 621. 438

КОГЕНЕРАЦШН1 ГАЗОТУРБШШ УСТАНОВКИ 3 ТУРБОКОМПРЕСОРНИМ УТИЛ13АТОРОМ ДЛЯ ЛОКАЛЬНИХ ОБ'еКТШ ЕНЕРГОСПОЖИВАННЯ

спещалыпсть 05.14.14 - теплогп та ядерш енсргоустановки

Автореферат днеертаци на здобуття наукового ступеня доктора техшчних наук

Кшв - 2000

Дисертац'юю срукопис

Робота виконана в Севастопольському. державному техшчному ушвсрситст1 Mi терства оевгги i науки Украши

Науковин консультант - доктор техшчних наук

Капуст'ш В\ктор Володимирович, Севастопольський державний техшчний ушверситет, професор кафедри сксплуатаци морськнх судсн та спор

Офщшш опоненти:

доктор техшчних наук, Быков Геннад'ш Олександрович, Кшвський ¡шжнародний всрситст цившьноТ aBiauii', професор кафедри ав1ащйних двигушв

доктор техшчних наук, професор Любчик Геннадш Миколайович, Нащональ техшчний yniBcpcirrcT Украши «КП1», професор кафедри теплоснергетичних у< новок, теплових та атомних електростанщй

доктор техшчних наук, Носач ВЫьям Григорович, 1нституг техшчно! тсплоф1з; HAH Украши, провщний науковий ствроб'иник

Провщна установа - 1нститут проблем машинобудування i.m. A.M. Пщгорного Н Укра'ши

Захист вщбудеться « У?» 2000 р. годинi на засщанш спсщал13о

hoi вчено'1 ради Д26.224.01 iHcrmyiy техшчно! теплоф1зики HAH Укра'ши за ад сою: 03057, м. Кшв, вул. Желябова, 2а.

3 дисерташею можна ознайомитись у 6i6nioTeai 1нституту тсхшчноТ тсплоф1з* HAH Укра'ши за адресою: 03057, м. Кшв, вул. Желябова, 2а.

Автореферат розюланий « ¿V » _2000 р.

Вчений секретар спец1ал1зовано! ради, доктор техшчних наук

Кривошей Ф.О.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуалыпсть теми. Украша е незалежною державою, що мае потужний про-ловий потеши ал. У них умовах енсргстика для Украши е базового галуззго еко-¡ки, що визначае виробницгво ВВП, економ!Чну безпеку крапги. Якщо в 1990 [ в Украхш вироблялося 298,5 млрд. кВт-год елекгроенергп, то в 1995 рощ обсяг обниитва електроенерп! склав 193,6 млрд. кВт-год. Виробницгво (споживання) тово! енсргп в цшому по крапп залишаеться стабшьним у межах 400-450 млн. л на рк. Що стосуегься палнвннх ресурав, то власний видобуток природного

на рш складае 18,2 млрд. м3, а вуплля - 71,5 млн. т вщповщно. Це дозволяе пенсувати 21,3 (10%) 1 45 (21%) млн. т.у.п. або 31% вщ потреби кра!ни в палив1. I 144 млн. т.у.п. потр1бно поставит з iIfflшx джерел або ¡мпортувати. Основним ом палива на найближчу перспективу залишаеться природний газ, частка якого в ивному балана складае бьтя 50%.

Хоча сталося р1зке змепшення виробницгва елекгроенергп (головним чином ез структурну змшу економжи 1 зменшення експортних поставок) залежшсть !ни по паливних ресурсах вщ зовшштх поставок залишаеться луже великою 1 адае 70%. У цих умовах проблеми енергозбереження виступають на перший план т стадо генерування 1 транспортування, так 1 споживання енергп.

Пoтpiбнo вщзначити той факт, що у спадщину вщ СРСР в Укра!ш залишилися великих ТЕЦ, з яких т1льки три (наймешш) виробляють те плову й електричну рпш, ¿шш - тшьки електроенерпю. Питома вага комбшованих ТЕС не перевищуе вщ потужносп ТЕС Украши. Це свщчть про те, що при центрахизованому ви-шштв1 електроенерп! бшя 2/3 теплота, що м¿статься в палив!, безповоротно ачаеться у зовшшне середовище, що для ТЕС складае бшя 200 млн. кВттод на . Корисно використовувати енергио, що безповоротно втрачаеться сьогодш до-ляе застосування когенеращйних технологш, яш е на сьогодшшпй день одним з жращих 1 результативних щштв гадвищення ефекшвносп використання палива аергетшц.

Когенерацшш технологи можливо реал1зувати при децентрал!зованому вироб-хга енерги, наближеному до споживач1в. У цьому випадку щщпбш станщ! сере->о! 1 мало! потужносп, що реально можна створити на баз1 газотурб1нних двигу-. Визначальним чтшиком та кож е надзвичайно високий моральний 1 ф1зичний ю електрогенеруючого устаткування, потребуючий протягом найближчого деся-иччя практично повно! замши або модершзаци устаткування ТЕС. Тому створен-техшчннх засоб!в реагазащ! когенеращйних технолопй е актуальним завданням I енергетики краши.

Зв'язок роботи з иауковими програмами, планами, темами. Дисертащйна 5сгга узагальнюе результата дослщжень I дослщно-конструкгорських робп-, вико-шх автором в межах науково-техшчних програм 1 координащйних плашв, Постав КМ Украши:

Науково-техшчно! программ державного комхтету Украши з питань науки 1 тех-

нолопй на 1993-1996 р. за програмою 04.12 "Стратегш розвитку енергетики". Науково-техшчна розробка (наказ ДКНТ № 15. вщ 17.11.95) "Розробка когене{ щйних газотурбшних установок для локальних енергоспожива1пв".

2. Нацюнальжн енергетично! програми "Основш напрямки розвитку енергети Украши на период до 2010 року".

3. Постанови КМ Украши вщ 04.07.95 р. № 490 1 вщ 13.05.96 р. № 517 про наук во-техшчш розробки у пршритетних напрямках розвитку науки 1 техшки \ де жавш контракти на виконання теми 4.95.166 "Розробиги 1 дослщити високоефе тивш елекгротеплогенеруюча комплекси на баз! газотурбшних двшушв". Тср\ ни виконання 1995-2000 рр.

4. Плашв науково-дослщних роби1 у Севастопольському державному техшчнол ушвсрситет1. Тема "Економайзер".

Мета 1 заедания дослщжешш. Метою диссртащйно! роботи е шдвщцеш ефективносп когенеращйних газотурбшних установок за допомогою глибоко! утил зацп теплоти з використанням турбокомпресорних угшпзатор^в на баз! високотел пературних ГТД для локальних об'екпв енергопостачання.

Розв'язання поставлено! науково-техшчно! проблеми дозволить захцяти велики промисловий поте нщ ал Украши в галуз1 газотурбобудування 1 сприяти реашац нащонально!' програми щодо створсння енергозберкаючих технолопй.

Вадювщю до поставлено1 мети необхцщо вир!шити наступш завдання:

• вибрати напрямок гашпшення питом их показниюв з еконоличност11 потужност ГТД' за допомогою карнотизаци циклу Брайтона за рахунок утшпзацй" теплот вихлопних газ1в;

• розробити термодинам1чт модел1 для дослщжекня теплових процеав у цикла високотемпературних ГТД з урахуванням застосування турбокомпресорних ути Мзак^в;

• провести доовдження характеристик цшипв ГТД з турбокомпресорним упшза тором ¿з визначенням оптимальних значень параметр1в цикшв;

• розробиги метода 1 дослщити властивосп теплових схем енергетичних 1 приво дних ГТД з турбокомпресорним упшзатором при змшному режим!;

• дослщити роботу ГТД з турбокомпресорним упшзатором у когенерацшном] режгои 1 визначити загальну те плову ефекшвшетъ схем установок при забезпе ченш вимог локальних енергоспожшитв;

• створити достдний когенеращйний газотурбогенератор { провести експеримен-тальну перев1рку щодо шдтвердження теоретичних розробок, визначити основи експлуатацшш характеристики й умови роботи елеменпв турбокомпресорного утил ¡затора й установки в цшому;

• ощнити ефекгившеть запропоиованих ршень при розробщ проекпв (техпропозицш) на створення енергетичних г приводних когенеращйних ГТУ з турбокомпресорними утилизаторами разом з головними КБ шдприемств газо-турбобудува1ШЯ Украши.

Наукопа новизна отримаиих результате.

¡апрононований 1 науково обгрунтований новий напрямок створсння когенера-цйних ГТУ з глибокою упгазащею теплота з вгосористанням турбокомпресор-гах упшзатор1в.

'озроблена термодинагшчна модель для анализу ефективносп цикшв високотем-

кратурннх ГТД з застосуванням турбши перерозширезшя.

Зперше отримаш теоретики даш щодо дослщження характеристик цшипв ГТД з

гурбшою перерозширення з одержанням оптималыгих шрамстр1в цшшв при

ускладнешп цикл ¡в Брайтона \ циклов з регепсращсю теплоти.

Розроблено метод анализу теплотехшчних характеристик ГТД з турбокомпресор-

гаш упшзатором при робот! установки в когенеращйному режимл. Вперше

отримаш дат дослщжень теплотехшчних характеристик когенеращйних ГТУ з

турбокомпресорним утатоатором.

Розроблено метода 1 математичне забезпечення для розрахунку характеристик ГТД з турбшого перерозширення I когенеращйно1 ГТУ на змшних режимах при забезпеченш ло1салыюго енергоспоживача.

Вперше отримаш комплекеш даш щодо доашдження теплотехшчних характеристик р1зних теплових схем когенерашйних ГТУ 1 визначеш галуз! найефективш-шого IX застосування виходячи з конкретних вимог споживача енерги. Розроблешш i створсшш дослщшш когенеращйний газотурбогенератор з турбокомпресорним утшизатором на баз! двигуна АИ-8 виробнищва АТ "Мотор Слч". Аналопв створено! дослещки когшерациикн ГТУ - у евт немае. Експерименгальш дослщження подтвердили даш теоретичних дocлiджeнь. Вперше отримаш дштичш характеристики пускових 1 перех1дних режишв когенера-щйжн установки 1 турбокомпресорного упшзатора, вшеонаного за вьтьною схемою, на вс1х режимах. Достсшршсть результа-пв теоретачних доелвджень була забезпечена адекватю-ю розроблених термодиналпчних моделей, пор1вняншстю пор1вняльних розрахун-в з характеристиками ГТД заводав-виготовлювач^в 1 достдног когенерацшно1 ергстично'1 ГТУ.

Практичне значения отрнманих результатов. Розроблено метода анашу плотехшчних характеристик ГТД п турбокомпресорним утшизатором, що забез-:чують визначення зон оптимальних тсрмодинам1чних 1 конструктипних парамет-в когенерашйних установок р1зних схем на номшальних 1 часткових навантажен-¡х, що необхадю перед виконанням проектних робгг 1 розробщ техшко-економ1чних Згрунтувань на створення когенфашйних ГТУ з турбоко\шресорним утшпзагором.

Практична цшшеть робота полягас в розробщ комплексу методов досшдження, эзрахунюв i рекомендацш, що створюють базу для проектування 1 створення ГТУ эгенеращйного типу на баз1 ГТД, що випускаються промислов1стю Украши, 1 ма-?ть бiльш висом техшко-економ1чш характеристики в пор]внянн! з традищйними (семами побудовн установок.

Результати дисертащшки робота були використаш ЗМКБ "Прогрес", м. Запо-

рЬкжя в розробщ Проекту (техпропозицп) "Енергетична газотурбшна установка 6&3i двнгуна АИ-336-10 13 турбокомпресоршш утшйзатором" потужшстю 10 МВт промпшгр1ванням перед силовою турбшою попгужтстю 16 МВт.

OaxiBui НВП "Машпроект", м. Микола1в, внкористовуючи матср1али, подаш дисертаци, розробили проект: "Техшчна пропозшця на створення когенеращйно газотурбшного двшуна потужшстю 4000 кВт для приводу електричннх генеращнв

ВАТ ЦКБ "ЧорноморсуднопрОект", м. Микола1в виконало Проект 17012.ГТ/ 001 на модсршзацио танкера дедвейтом 40 тис. т проекту 17012. що будуеться i Чорноморському суднобудхвному завод!, "Суднова енергетична установка танкера i 6a3i ГТД з турбокомпресоршш упшзатором", МиколаУв, 1999 р. Застосування ГТ з турбокомпресоршш утшйзатором на танкер! забезнечить скономио швсстицйши витрат у 1334 тис. USD, а за ciM роив експлуатацп - 1417 тис. USD.

ВАТ ЦКБ "Корал", м. Севастополь виконало Проект ПНБ 6500/500.000.001ПЗ на модершзащю ПНБУ 6500/500 "Плавуча нагивзануреиа бурс ва установка для Чорного Й Азовського MOpiB ПНБУ 6500/500. Енергетична устанет ка", де застосоваш газотурбогенератори з турбокомпрссорним утшйзатором поту» iiicno 3700 кВт, розроблсш на 6a3i ГТД GT 3200. За дссятирйний термш експлуата цп економ1я В1д застосування ГТУ з турбокомпрссорним утшнзатором на ПНБ'! 6500/500 складе 1994 тис. USD.

Основш рез} льтати дисертац1ШЮ1 роботи викорисгап при виконанш в Севас топольському державному техшчному ушверситеп НДР за темою "Економайзер' "Дослщження щишв i розробка схем енергстичних газотурйнних установок на баз енергозбер^аючих технологий" 1995 р., а також Державного контракту шиф{ 4.95.166 "Розробнти i досладити високоефективш елсктротеплогенсруюч1 комплека на 6a3i газотурбиших двигушв" № ДР 0196U006639, 1995-2000 pp.. в межах якогс розроблений i створений дослщний когенерацшний газотурбогенератор (АИ-8) : турбокомпресоршш упшзатором.

Особистин впесок диссртанта. Bei положения i висновки, термодинам1чш модель метода i методики розрахунюв, анал!тичю й емшричш залежносп, результата розрахунмв, що виносяться на захист, розроблеш i належать особисго автору. 3 poöiT, опублжованих у сшвавторств1, на захист виносяться тшьки Ti частини, що розроблеш автором. У двох сгальних публкащях з Юрмним I.A. автору належать термодштпчш модели анал1з отриманих результатов. Автору належать також нау-ковс обгрунтування i cxeMiii pimeHH» ГТД у сшльних публштщях i3 Слободянюком JI.I. i Очеретяним В.А.

Апробащя результат1в дисертащйноУ роботи. Основш результата дисерта-щйноУ роботи були апробоваш на XXXVIII Всесоюзшй науково-техшчнш cecii" з проблем газових турбш АН СРСР, Харыв, 3-5 вересня 1991 р.; Першш мЬкнародтй науково-техшчнш конференцй "Проблсми енергозбереження й екологи в суднобудуван-нГ, Миколаш, 24-27 вересня 1996 р.; М1жнародшй конференцй, присвяченш 50-piirao 1ТТФ HAH Украани "Тепломасолеренос i енергозбереження в теплотехнологтях i енергстищ", Кшв, 26-31 травня 1997 р.; Науково-практичши конференцй краш

ГД "£i¡cpr0'!6cpiraiO4Í теплотехнолопчш гфоцеси й установки", Севастополь, 16-вересня 1997 р.; 1-iií м!жнароднш науково-пракгичшй конференци "Проблеми )homü енерпГ, JIbeíb. 16-19 червня 1998 р.; 2-iií .шжнародшй науково-практнчнш (феретш "Керування використанням енерпГ, Льв1в, 1997 р.; З-iií мЬкнароднш .•ково-техшчшй конференци "Керування використанням енерпГ, Севастополь, 7-вересня 1998 р.; 3-ím icoiirpeci двигунооуд1вншав У кражи з ¡поземного участю рюритети i можливостг, Рибальське, Крим, 18-22 вересня 1998 р.: Другш дпжна-íhíü конференци з суднобудування ISC'98, С.-Петербург, Роая. 24-26 листопада 98 р.; 2-iií м1жнародшй науково-гтрактичтпй конференци "Проблеми економи ене-Г, Льв1в. 2-4 червня 1999 р.; 4-му Konrpeci двигунобуд1внимв Укра1ни з шозем-ю участю "Наука i практика", Рибальське, Крим, 17-21 вересня 1999 р.; шжнлро-¡й науково-практичшй конференци "Репональш проблеми енергозбсрежешш у робництв! i споживанш енерпГ, Ки1в, 25-29 жовтня 1999 р.

Публжацн. По тем! дисертацй ото л ¡ковано 29 друкованих наукових праць. :hobhí результат« досл1джень викладеш в 21 статп в наукових спсщальних видан-х (у тому числ!; 1 - у Pocií; 3 - у Emopyci; 18 - без сшвавтор1в). 4 патента i свщоц-а. Ochobhí п}блшщн, в яких додатково викладасться 3.míct дисертацй, включають тублкацц в матер1алах м1жиародиих конференций (одна пи епдою Tacis).

Структура й обсяг роботп. Диссртащйна робота складаеться з вступу, uiicrbox здснв, bhciíobkíb i додатмв. Обсяг дисертацй' - 345 сторшок машинописного текс-, з яких основний текст складаеться з 309 сто pirro к, 126 малюнюв, 29 таблиць, 4 датюв. Список викорисганих джерел складаеться з 162 найменувань.

ОСНОВНИЙ 3MICT РОБОТИ

Вступ включае характеристик)' стану й анал1з ситуацн, що склалася в енерге-ui Укра'ши. Наводиться напрямок модершзацп i замодення вцщрацьованих елект-•генеруючих потужностей з урахуванням тенденщй, що ¡снують у cbítobüí енерге-mi, а також шдвищення ефективносп використання палива пщ час виробництва leprii, за допомогою широкого впровадження когснераци, тобто комбшованого гробницгва теплово! та електричноГ енерги. Досшдження, розробка i створення хшчних 3aco6ÍB рсал1заци когенсращйних технологий е актуальном завданням для [ергетики кра'ши.

Вимоги до створення когенеращйних енсргетичних установок потребуготь роз-)бки нових, часом нетрадшдйних, теплових схем для здшснення не -Ильки глибоко! тшзацй' теплота, але й одночасного ускладнення тсрмодшшнчного циклу базового i30iyp6iнного двигуна для шдвшцення ефективного ККД двигуна. Вщповщно, у rryni наведен i основна мета i завдання досладження. Описуегься наукова новизна риманих результаив, що вгаюсяться на захпет i íxhc практичне значения. Вказуе->ся особистий внесок диссртанта. Наведено даш щодо апробацп результат) в дпсср-1ШЙН01 роботи, про публкаци автора за поданою темою, а також за структурою й сягом роботи.

У нершому роздш диссргацй виконаний анал1з методов шдвищення скономЬ носи i загальноГ тсплово1 ефекгнвносп газотурбшних установок i запропоновани наирямок створення когенерацшних ГТУ з глибокою утнлпашею тсплоти з викори станням турбокомпрссорних утшизатор1в (ТКУ).

ГТД мають низку тсхшчних персваг, алс для бьтьш широкого застосупання енергетиш нсобхщно тдвшцити економ1чшсть його роботи. Kpiw того, необхцшо н плъки шдвищити ефективний ККД, але й виконати роботу' на piBHi сучасних техно логш енергозбереження, максимально корисно внкориставши теплоту палива в уста новщ. Шдвшцсння eKOHOMiHHocri ГТД здайснюсться в основному за рахунок: пщви щення початково! температури газу й удосконалення елеметтв двшутв; застосу вання бшарних i монарних цишв; ускладнсння термодштпчпих цикл}в.

Bei три викладених методи шдвшцсння екош»нчносм ГТД спрямоваш насам перед на максимальне одержання мехашчжн (слектричжн) енергп. Однак виршюши завдання шдвищення р1вня використання снергй палива можливс лише за умов! комплексного внроблення мехашчно! (електрично!) i теплово! снсрга. тобто за рахунок когенерацшних технолопй. Така концепщя п^дтверджуеться евгговою практикою i розробками Клименко В.М., Мазура O.I., Ф!алко Н.М., Носача В.Г., Шурчковн A.B. та in. в 1нституп техшчно'1 теплофизики, Кулика М.М. в IucnnyTi загалыю'1 енергетики HAH Украши, Романова B.L., Жирицького О.Г., Трошина В.П. та in. у НВП "Машироект", Мартинснко Л.1., Муравченко О.Ф., Рябова А.О. та iH. у ЗМКБ "Прогрес", Дикий М.О. у НТУУ "Кшвський полтехшчний шетитут" та iH. вчених ВЗО Украши. тому що пщвищення загально! eфeктивнocтi роботи енергоустановок зажадало нових тдходов до виршення поставленого завдання.

Поставлене завдання бажано виршувати на 6a3i ГТД i IxHix eлeмeнтiв, освое-них промислов1стю Украши. В основному, це двигуни, що працюють за простим циклом (Брайтона) потужшетю в!д 2,5 до 25 МВт, удосконалення яких системно здшснюеться за допомогою першого напрямку - шдвищення початковоГ температури газу i полшшення елементсв двигуна. За таких умов поставлене завдання реально можна вирпнити за рахунок енергп, що М1ститься у вихлопних газах двигуна, що складае вщ 60 до 70% введено! в двигун i3 паливом.

Одержання додатково! роботи в щшп в зош вщводу тсплоти в загалыюму ви-падку здшснюеться за допомогою ного карнотизаци. Теоретично максимальна пра-цездатнклъ вихлопних пшв за турбиною характеризуеться величиною ексергп Ех, що визначаеться двома оборотними процесами: адаабатичним розширенням газу (процес 4-5и) i потер м¡чним стиском (процес 5ит-5) до початкових параметр!в робо-чого тша в циюп (див. рис. 1).

Реально маемо справу з необоротними процесами, тому максимальну додаткову роботу можна отримати в процесах: нсрсрозширення газу (процес 4-5и); вщводу теплота (процес 5и-6и); ¡зотерлпчного стиску (процес 6и-7и) i позначимо ii Ехг.

У poöoTi виконаний ексергстичний анал1з рпннх комбшацш термодинам1чних npoueeiß i nopitsiramw отриманоУ додатково1 роботи в npoucci карнотизаци з реальною ексерпао (г][,;хг = Я/Exr), тому шо ексерпя Ех, як теоретична база, визначаеться

1 ступсш розширення в турбин 71г, = 34. Звичайно, це конструктивно для реальних Д кеярикнятко.

Рис. 1. Термодишппчш процеси в Рнс. 2. Эксергетичний ККД 11Ехг для

циклах ГТД рпних процсав у ДК

На рис. 2 подан1 залежносп реального сксергстичного ККД вЦ ступеня пере-зппфення 71т у снловш турбин при рпних способах карнотизацп. Крива 1 показуе сктившсгь отримання додатково! робота (див. мал. 1) у турбин перерозширення П) (процес 4-5), охолодженш газу (процес 5-6) 1 стиску в дотискаючому компресо-(ДК) (процес 6-7). Крива 3 показуе вар1ант: перерозширення газу в ТП (процес 4:); охолодження газу (процес 5и-6и) та [зотермЬишй сшск (процес 6и-7и). Крива 2 ймае промЪкне положения м!ж 1 1 3 кривою, тому що застосований двохстушнча-й стиск у ДК.

Слщ зазначити, що застосування перерозширення газу в силовш турбш дозво-:е отримати додаткову роботу в цикли а величина и, в основному, залежить шд гособу дотискання газу. Однак при робоп установки в когснерашйному рсжтй •на повишт мата достатню теплову потужшсть, щоб у щлому досягги високо! теп-то! сфективность

У цьому випадку найбшлп рацюналышм виявився метод техшш-еконолйчного |алпу способ1В глибоко! утштацп теплота в цикл! ГТД ¡з турб1ното персрозши-:ння. Оцшка ефективносп утатоаци теплово! енергп за кшцевим продуктом здше-:на за допомогою приведеного коефвдента утилзацн

к)П1 - (А-сЯл + 0т)/(;,-;,Х (1)

; Яд - додаткова шггома робота; От - корисио використана теплова енерпя; - /) - енерпя, выведена до холодного принмача теплота; кс - варпений коефдаент герги.

Через те, що електрична енерпя дорожче теплово! приблизно у 2...3 рази, то ри кс = 2 були отримаш дат з ефективносп способ1в утил1заци, що наведен! в

бл. 1.

Таблица

Ефектившсть способ! з упгазаци спсргй' вкхлопких газ!в у ГТД Ь ТП

С'пос1б утил!зац11 шеля ТП Яд. кДж/кг бг, кДж/кг ЛЕхг куп

Охолодження, стиску ДК 31.7 261,7 0.47 0.71

Охолодження, даохступшчатий стиск у ДК 41.5 214,8 0,62 0,65

Охолодження, Ьотерм1чнийстиску ДК 66,9 131.7 1,0 0,58

Розрахунки виконувалися при температур! газу на вихлош ГТД Та = 723 К, перед ДК Тс = 323 К, коефвденп втрат тнеку в охолоджувач1 газу -оог =0,94 1 вщповц] них ККД у турбомашинах. Анал1з ефсктивносп способов ути.шзацп показав, щ( нaйeфeIcшвнiшe використовуеться снсрпя вихлопних га.пв у ГТД ¡з турб1ною пере розппфення. корнсним выбором тсплоти 1 наступним ащабатсгчним дотисканнял газу до атмосферного тиску.

Зазначешш напрямок створення ГТУ за допо.могою нстрадицишого способ; ускладнешш циклу 1 загально!' глибоко!' упинзаци теплоти дозволяе створиги елект рогенеруюч1 установки когенерацшного типу на бшьш високому техшчному й еко НОМ1ЧНОМу р1ВШ.

У другому роздип здшснсне модетовання, дослщжешм й визначення опта мальних характеристик термодтшичних цщинв ГТД Ь турбшою перерозиифення Через те. що перспективш розробки повинш базуватися на сучасних високотсмпсра-турних ГТД у робот! розроблена термодинаднчна модель для визначення параметра цнкл1в з урахувашим не тшьки аеродшшичних втрат у трактах \ турбомашинах двигуна, але 1 втрат, пов'язаних з охолодженням соплових апарапв 1 робочих лопаток внеокотемпературних ступешв турбш. а також змшою теплоемносп робочогс тша. Для забезпечення пор1вняносп отриманих результапв виконане пор1вняння термодшшпчних процеав у базових I запропонованих цшелах ГТД п визначенням ККД двнгушв, шггомих роб!т робочого тша й оптимальних значень вказаних характеристик, впливу вихщних характеристик Г'ТД на ва зазначеш параметри.

На рис. 3 зображена схема ГТД ¡з турбшою перерозширення (ТП). Силова турбина (СТ) зблокована з1 ступенями ТП, у яый газ, розшкряючись до тиску нижче атмосферного, здшенюе додаткову роботу, попм охолоджуеться в охолоджуваш газу (ОГ) 1 дотискаючим компресором викидаеться в атмосферу. Показаний на рис. 3 ГТД з ТП мае двокаскадний компрссор. У корабелъних 1 ав1ащйних ГТД вщношен-ня потужностей турбш по ходу газу, що прнводять каскади комлрссор1в, сгаввщно-сяться приблизно як 2:1. Звичайно частика повггря вщбирасться за компресором 1 направляеться на охолодження деталей, що працюють при високих температурах, при цьому, попадаючи в проточну частицу турбши. повертаеться частина снергп, витраченох на його сгиск. Реальний процес розширення газу в охолоджувашй турбш вщ 3 до 4.1 (рис. 4) можна замшити екв1валенгним Зсм - 4.1. Екш валентна температура газу на вход в турбшу 7'3с.д визначаеться змш/уванням газу шел я камери зго-

с. 3. Принципова схема ГТД з турбшою Рис. 4. Цикл високотемпсратурного рерозширсння ГТД з турбшою перерозширсння

У загальному вигляд1 внугрйинш ККД циклу ГТД з ТП визначаегься па формулою

Пп-т == №Г//к2+//т-//к1-//,к)/0, (2)

, з урахуванням витрати пов^тря на охолодження турбш що доршшос суш ¡„,/3 на турб1ну Т1 1 СЕ0/3 на турбшу Т2,1 Ухшх вщносних значень, 11,\ = (1 -гво/3)сгг37зсмг|Т1Г1м-(1 - щ{п) - питома робота турбши Т1, шо приводить компресор !; //х = срг?4 |смЛ-(1 * ^ ") - питома робота в турб™, що складасться з турбши Т2 i ГП; #к 1 = ср;Г)-(7ск'и- 1)/Зг), - питома робота в К1; Нк2 = 2Ср2Т] •(тг/'- 1)/Зг|х - питома бота в К2; О = (1 - С/по ХГэс 3 - Т2 ср2 ) - теплота шдведена до газу в камер! зго-

ння; Н,№ = сргГб (Хте" - 1)/г1дк- - питома робота у дотнскаючому компресорь

Тут 1 да:п введен! позначення: п - ступшь шдвищення тиску в компресорах або зширення газу в турбшах; т| - ККД турбомашин; а - стушнь рсгенсрацп теплоти; - теплоемносп при поспи ному тиску; Т - тсмператури; 5 - ентрошя. 1ндскси: г -з; к - компресор; т - турбша: тк - турбш гампрссора; да - дртскаючий компрссор; м -хатчнин; см - сумшг.

Приймаегься '¡\!Т\ = ©3, Г3см/7'1 = 03см, Т4 ] С„/Т\ = в4.]см 1 7>/7', = к,. При анал1з1 ив високотемпературних ГТД варто враховувати реалии значения теплоемнос-й. Позначаеться ср2 /срг3 = Ц, а с,„з/срг3 = Иг.

Значения ц ~ (ср1 /срт3) « (7УГЭ)0'15 за даними Локая В.И.

Можна припустити, що ср2 ~ ср2 « ср7, срг3« срг.

Дал!, п = цш, тому що п = Лг/срг, гп = /?Р/срР, 11, « ЙЕ1 ц = срЕ/срг.

Тому що Ят] = II,:2, подЬивши складов! р!вност! на с Л 7\. отрнмасмо:

(1 - с;ю /3) ^©зсмтьта! - к,-!"") = 2р(лки - 1)/Зт]Е, звикитсг, = [1 - 2ц(71уГ - 1)/3(1 - Сво/3) Цтвзсм'ПиЛмЛк]"1"- Вданачимо. що нт = = с„лкяД1</згГ1, еп - коефвдент втрат тиску в тракта двигуна.

На основ1 в1домих у термодштпш (¡юр мул зм1шання газ ¡в екв1валентна темп! рагура газу перед Т1 будс дор1внювати

(1-Сво) + (2 0во /3)(7'2/1з),Л5 7 Зсм - т3 ,

(1-СВ0) + (2СВ0 /3)(Г2/7з)ОЛ5 тут у турбЫ Т1, що приводить компресор К1, шдоишуеться 1 боре участь у робо приблизно 2/3 пештря, що йде на охолодження турбш. Значения температур робоче го т^ла в цнкш, нсобхщних для розрахуныв, принмають таю значения: Г2 = Т\ [1 + + (яЕ,п - I )/г|„| - стислого пов!тря за К2;

Та 1 = 7'зсм|Д - ЛпС! - ^т!-")] - газу гасля Т1;

(1- а„о/3) + (СК0/3)(Т;/Г41)и5

'1\ 1см = А1 • -------------------------- газу перед турбшою Т2.

(1- С7во/3) + (Г7во/3)(Г2/Г41)0'15

Том}' що //к2 = //,] , вп\тр1шн11[ ККД циклу ГТД з ТП вшначаегься за формулою

Т1,„ = (ЯТ-//К1 -НМ (3)

де з урахуванням перетворень складово! формули (3),

7/т = В[®4- - питома робота в турбшц Нк\ = - 1)/Зг|мг|к] - питом;

робота в К1; Н!№ = /¿(^(Пд^' - 1)/тц5] - питома робота газу в дотнекаючому компрссо р1: С> ' В(1 -Ово)!(-); - р|1 + (пкт - 1)/г|к]} - теплота пщвсдсна до газу в камср1 зго-ряння; В = ср1,3 71 •

Вираз для вн}тр1шнього ККД циклу ГТД з ТП у розгорнугому вигляда буде таким:

©4.1смЛт(1 ' 1)/Зт1тг1к - \1к,{пл,т - 1)/ть

Лв.™^----------------------------• (4)

(1 -аво){©3 - ц[1 + (я~-1)/ ту}

Питома повна робота 1-го кг робочого тша в цикл! складе

Яплп = срг3 Г1[©4.,СМТ1Т(1 - *■/") - - 1)/ЗЛм11к - цА-т (Птт - 1)/Ллк]. (5)

Для простого циклу ГТД може бути застосована модель термодинам1чних ироцеав, розроблена для ГТД з ТП, що буде справедлива при значениях ядк = 1

* еог= 1.

Термодштпчна модель 1 програмне забезпечення для визначення характеристик ГТД з ТП дозволили огримати багатошаровс поле значень шраметр1в цикив ГТД з

1 вгоначиги оптимальга значения характеристик ГТД Анашз параметр1в цшотв 13 тп виконувався при 7'3 = 1273-1 573 К з кроком 50 К, 7>, = 323 К и тгдк = 1,5-4,0.

На рис. 5 наведеш результата дослщжень цшшв ГТД з ТП у вигляд! залежнос-внутртшього ККД г]в 1 питомо! потужносп луд щдапв В1д змши ступени гадви-шя тиску в компресор1 основного двип-на або газогенератора при р1зних 7'3 г = 2,25. На тих же малюнках для пор1вняння наведет залежносп для простого :лу Брайтона (П) 1 циклу з регенеращею теплота при а = 0,8 (крива - Р). Цикл Ц з ТП позначешш - П + ТП.

__ -j___ «г га so як

о ю го so я» б

Рис. 5. Залежносп внутрпннього ККД (сущльш лш!) i питомо! потужнос-Ti (псреривчасп лшп) вЦ лк в основному ГТД з ТП: а - початкова температура газу Т3 = 1273 К; б - Г3 = 1573 К

Внутр1шнгй ККД ГТД з ТП при вс!х значениях температуря газу i пе вище, ник шгауга простого циклу. Оптимальна за ККД слупшь пщвшцення тиску в компре-Pi к*opt у цикл! ГТД з ТП при серсдшх температурах газу (7'3 = 1273-1323 К) мен-

шж у простому цикш, але приблизно дор1вшое я* у реально виконаних двшунах. )и високих температурах газу (Г3 = 1573 К) у цикт ГТД з ТП Ppt дещо нижче, « у простому цикт.

Найбшыш значения питомо! потужносп в циклах ГТД з ТП змвдеш у 6iK мен-jx 7гк. Прибавка /?уд у ГТД з ТП визначае зростання г|вта у nopiBiminri з т]в простого гклу, тому що у формул1 (4) шдведена теплота у циклах мае однакову величину i не лежить В1д 7гда.

Законом1рносп змши т|в = Г(Г3,7гда) показують, що оптимальш значения кор1 складають величину 2,25...2,75. Конструктивно там, де габаритш розм1ри охо-»джувача газу грають ¡стотну роль, можна виб!фага в межах 1,8...2,2, втратив-и дещо в CKOHOMinHocri двщуна.

Вщносний ККД т)в = г)ЕТПЛъ ГТД з ТП у даапазош застосовувагага ступешв двищення тиску в двигунах складае 1,1... 1,2, але для малорозм1рних ГТД, де дви-тш мають малий стушнь стиску, т[внабирае значения 1,3... 1,6, а турбша перероз-1фення i дотискаючий компресор, працюючи в зон! шдвищених питомих об'ем1в,

мають випц ККД

На рис. 5 подаш для пор1вняння також параметри циклу з регенеращею тегш ти. Пор1вняння показу с, що еконо\пчшсть циклу ГТД з ТП пор1вшшна з циклом регенеращею, а гаггома робота (потучнеть) у цикл ГТД з ТП у пор1внянш з цикло ГТД з Р при ор( приблизно в 1,35 рази б1лыпе. Таким чином, ГТД з ТП мают реальну перевагу перед ГТД з Р.

Не злннкяочи конструкцию газогенератора ГТД з регенеращею, застосувавш перерозшнрення газу в енловш турбш, можна тшпншти техшчш ¡1 еконоличш хг рактерисгаки двигуна. Досягаегься це тим, що в основному ГТД з регснерашеЕ (див. рис. 6), що ластить стандартшш газогенератор, застосована силова прош персрозширешш (СТП) у блощ з ДК. Частина теплотн вщ газу теля ТП псредаегьс в регенератор! (Р) стиснутому в компрссор1 повпрю перед камерою згоряння (КЗ)

Рис. 6. Принципова схема ГТД з ТП 1 Рис. 7. Цикл ГТД з ТП \ регенера-регенеращею теплота шею теплота

На д)агра\п (рис. 7) зображений цикл високотемпературного ГТД з ТП 1 регенеращею теплоти. На вигляд вш нагадуе цикл ГТД з промохолодженням 1 регенеращею, але фактично вш зеунутий униз щодо ¡зобари атмосферного тиску 1 вщб!р теплоти в теплообм1ннику здшснюегься не в процеа 1-7 а в процеа 6-5.

Внутршкш ККД циклу ГТД з ТП 1 регенеращею теплоти визначаеться за формулою

Ц,ти р = (Я„ + Я™ - нк - Н^Жв' 6р), (6)

де нова складова формули (6) (2Р = ос1П(Т5 - 7'2) - теплота пшгр^вання пов1тря перед КЗ за рахунок регенераци (процее 2-8).

Принципи 1 математичне моделговання термодинам!чних ироцеав у ГТД з ТП 1 регенеращею прийшги такими ж, як 1 для ГТД з ТП. Тому в розгорнутому виглад з урахуванням вираз1в для гагтомих теплоперепадо у компресорах, турбшах, гвдведе-н01 теплоти внутрипшй ККД циклу ГТД з ТП 1Р представиться у такому вигляда:

©см 1^1(1 - Лт"4) - цА'т (щ " - 1)/г1;;к ^

(I - Ово) < 0-ц| 1 !)/мк]3 -а {©с.-,;! ! -г.,(! -тОИх[ 1 1 )/т!к|}

пома корисна робота 1 -го юлограма робочого тша в цикл! ГТД з ТП! Р складе

Яп.ш Р = срг3 11 [©с„11,(1 - п-Г) - (птт - 1)/Г1к. (8)

Використовуючк (7). можна також отримати при а - 0 значения вкутршшьога ЕСД для ГТД з ТП, що мае газогенератор з однокаскадним компресором, який часто стосовуеться в енсргсгнчннх ГТД.

Економ!чн!сть ГТД з ТП ! Р залежить в!д сумарного ефекту, що включае пере->зширення газу в силовш турбин ! регенерацпо теплоти, тому доелгдження прово-1лнся при пж = 1,75...3,5 ! рпних значениях ст.

Результати анал!зу пара метр! в ГТД з ТП! Р (позначення Р + ТП) подага на рис. 8.

Рис. 8. Залсжноси внутргшнього ККД (сущльш л1н!1)! питомо!' поту-жност! (переривчаст1 лшн) в!д пк в основному ГТД з ТП ! Р: а - початкова температура газу Г3 = 1273 К; б - 73 = 1473 К

[а том}' ж малюнку для пор!вняння наведен! залежносп параметр!в для простого иклу (П)! циклу з! звичайною регенеращею (Р). 3 приведених на рис. 8 залежнос-;й видно, що внутршнш ККД ГТД з ТП ! Р при вс^х значениях початково!' темпе-атурн газу! г^ вище, гаж у ГТД з Р, що збшыпешш г|в для циклу ГТД з ТП ! Р скла-ае ~ 25% (вщн.) в]'дносно простого циклу ! 10... 15% (вщн.) вщносно циклу з реге-ерашао теплоти. Оптимальна за ККД стушнь пщвищення тиску в компресор1 тсдк ОР1 цикл! ГТД з ТП! Р складае 4...6, а у зветайному з регенеращею - 6...8.

Необхщно особливо вщзначити, що питома потужшеть луд у цикл! ГТД з ТП ! Р усьому д!апазош зм!ни лк б!льше, н1ж у цикл! ГТД з Р на 25...30% ! нав!ть на 10% ище, гаж у ГТД простого циклу, що виправдовус деякою лирою ускладнення кон-трукци! збшьшешгя маси двигуна. Ступить регенерацп в ГТД з ТП { Р впливае на СКД такою ж м!рого, як ! в ГТД з простою регенеращею теплоти. У таклй споаб астосування псрерозширеиня газу в силовш турбин ГТД з Р е досить ефективним асобом пщвищеиня еконоличност! 1 питомо! потужкосп двигуна.

Достовфшсть результат дослшжсиь циюпв ГТД з ТП тдтвсрджуеться пор!вняни сто виконаких розрахушав 1 характеристик ГТД розробки 1 виробиицтва НВ "Маишроект", ЗМКБ "Прогрес", ВАТ "Псрмсысий моторний завод", ф!рг. "Дженерал Електрик" 1 "Ролл Ройс", а також проект!в ГТУ з турбокомпресорним утшизаторами (див. рис. 5 1 8).

У третьему роздин наведеш способи глибоко! тошзацп теплоти в ГТУ, мат! матичне забезпечення визначення теплотехшчних характеристик когекерацшш; ГТУ й анализ отриманих результатов дослшксння ГТУ, що працюють у когенеращ! НОМу рС5КИЛП.

Теплота упшзацп, отримана в охолоджувач! газу (ОГ), використовуеться тс плофшии иному теплообмшнику (ТТ), далк в охолоджувач! теплоноая (ОТ) аб гп;игр1вннку мережно! води в систем! гарячого водопостачання (див. рис. 3). Агре гат, що складаеться з турбши перерозширення, догискаючого компресора й охолс джувача газу м:ж ними, утворюе ТКУ. ГТД. що працюе разом з ТКУ, перстворкк ться в когенеращйну ГТУ.

У ГТД з ТКУ здшснюеться глибока утшпзащя теплоти вихлопннх га'31в. Так ГТД з ТКУ \ Р застосоваш три способп упшзацп теплоти. Перший 1 друшй способ] утилпаци теплоти гпдвнщують сфсктпинии ККД двнгуна. Третш - тдпишуе загальн теплову ефсктившеть установки.

Загальна теплова ефектившеть 1ТД з ТКУ 1 Р ощшоеться за допомогою пито мого покпзника: теплотехшчного ККД. що визначаегъся за формулою

Лп - (Д, + СЛ)Щ ■ Ш • (9)

Складов! формул» (9) . визначаються з використанням термодштпчно! модсл

(роздш 2) 1 набувають настушшх значень:

На = «[©„.,, г]/1 - - (1Лт(лдкт - 1 }/г|к - корисна робота в цикл к

От= 1 - 1Ъ(1 -пГ)\ - цА-т - а{0см1[1 - Пт(1 - 01 - + (тс™ - !)/лЛ!5 - пито-

ма теплота теплофжаци;

О) = В{ 1 - С}[ю){(-) - ц[1 + Ыу"' - 1)/г|к]} - теплота шд1гр1вання повпря в КЗ без ураху-вання регенерацп теплоти;

Ор = 5сг{©сМ1 [ 1 - Пт(1 - - и[1 + (71кт - 1)/г|к]} - теплота пццгр!вання повпря перед КЗ за рахунок регенерацп теплоти. С2Л чисельно дор1внюе питомш потужноеп тсплофп<аци /гудт, але з рочморшепо - [кВт/(кг/с)]. При с = 0 складов! формули (9) справедлив! для ГТД з ТКУ.

На рис. 9 наведеш залежносп теплотехшчного г^ ! внутр!шнього т]3 ККД а також шгтомо! тсплоф!кац!шю1 потужност! /?удт ! гагтсшо!' потужносп ггуя циклу ГТД з ТКУ вщ зшни 71% при лда = 2,25 ! р!зних Т3. 3 поданих на рис. 9 залежностей видно, що в зош оптимальних т^ ^ для т]в, теплотехшчшш ККД ГТД з ТКУ знаходеться в межах 0,75...0,85 ! досягас бшьших значень при менших значениях пк. У такий споаб когенера-цшна ГТУ з ТКУ мае висом теплотсхшчм характеристики ! дозволяе засгосовувати у своему' склада ГТД з менинши ттк, що консгрзтсгивно проепше! дешевше у витого вленш.

Рис. 9. Тсплотехшчш характеристики ГТД з ТКУ: а - початкова температура газу ?'з = 1273 К; б -1\ ;= 1573 К

Дос.итжсння теплотехшчних характеристик ГТД з ТКУ 1 регенерашею теплоти оказали деяку вимшшеть !х вгд ГТД з ТКУ без регенерадн. На рис. 10 наведен! 1лсжпосп тсплотехшчного г^ 1 внутршшього г|в ККД. а гакож питомо! тсплофша-¡йно! потужносп /;удт 1 питомо!" потужносп лул циклу ГТД з ТКУ I регенерашею :плоти вид змши пк при лт=2,25, а = 0,8 1 рпних Т3.

ч>

о.я

0,7

- (р *■ ТП / \

—*_V-

—А—х-А.

/ "С ** -—

и

С,!

О.Ч ■

кВт кгТс Пгт 0.9

— 400 ав

1 — хгв

б

Рис. 10. Тсплотехшчш характеристики ГТД з ТКУ 1 регенерашею теплоти: а - початкова температура газу Тъ = 1273 К; б - Г3 = 1573 К

1з залежностей, поданих на рис. 10, видно, що високнй теплотехшчнш! ККД у ТД з ТКУ 1 Р спостертаегься в широкому дапазош змши лк у гaзoгeнepaтopi дви-уна, це дозволяг. здшенювати модершзацно ГТД з Р в когенеращйну устновку з Ж У без переробки газогенератора основного двигуна й отримати максимальну пи-ому потужшеть в установи!.

На рис. 11 зображеш залежносп теплстехшчного г|1Т 1 внутршшього г)„ ККД а акож питомо! теплоф1кацшно! потужносп луд т у ГТД з ТКУ \ ГТД з ТКУ 1 Р (с = 0.8) в!д змши 7гдк при 7'з = 1573 К.

о, а

Irr ts fj / 0,S —

-- 0.1 —

N

0.3 —

/ r'itT

«fr

ft«

Ц7

7» "j 4

0,5 —

____ -

— ■

0,1/ —

tylr

« *««

а <

Рис. 11. Залежносп теплотехшчних характеристик ГТД вщ змши ступсия

пщвищення тиску лдк у ДК: а - ГТД з ТКУ при пк = 24; б - ГТД з ТКУ i регенеращею теплоти при пк = 5

В цшому можна вщзначиги, що при комплексна! утишацп теплоти вихлопни газ!в в когенеращйнш ГТУ з ТКУ з'являсться можлив1сть за рахунок комплексно! в1фоблення енергп з високою повнотою використовувати наявну теплоту палива, m вщповщае прогресивним технолопям енергозбереження.

У четвертому роздйп подан! дослщження з визначення властивостей теплови схем енергетичних i приводних ГТУ з ТКУ при змшному режимi робота при забс: печенш р1зними видами енерг!! локального енергоспоживача. Можлива велика иль шеть теплових схем ГТД, гцо тдлягають дослщженню,-була обмежена схемам ГТД, яи освоеш промисловгспо i показали над!йну роботу при змшному режим! модифп<ацш цих схем з урахуванням застосування ТП i ТКУ. Серед енергетични: ГТД, що працюють на генераторне навантаження, розглядалися схеми з вшьною блокованою силовою турб!нога. Приводи! ГТД розглядалися з вшьною силовою тур бшою. Bei схеми анал!зувалися для випадку застосування регенерацп теплоти, а та кож використання ТКУ у вшьному i блокованому випвдн з силовою турбшою.

Загальш принципи дослщження i розрахунку ГТД при змшному режим! буш розроблеш Котляром I.B., однак у зв'язку з введениям у схеми ГТД нових елемен-TiB - ТП i ДК, ¡стотно ускладнюсться розрахунок ГТД при зм1нному режим!, том; що з'являсться ще один незалежний параметр - стугань шдвшцення тиску в ДК ядк KpiM того, треба буде розглядати схеми ГТД з ТКУ, як когенерацшш установки тому вперше були розроблеш термодинам1чш модел! i математичне забезпеченш для визначення параметр1в, що лягли в основу методов i методик розрахунку харак теристик когенеращйних ГТУ на часткових навангаженнях.

Через те, що до ступешв Typ6iH основного ГТД додаегься ТП, тому при розрахунку характеристик турбш використовувалося р!вняння Стодола-Флюгеля для ви-трати через багатоступ!нчасту Typöiity, але в Mipy шдм1шування повгтря, що охоло-джуе соплов! й робоч! лопатки, початкова витрата газу перед турбшами збшыиуеть-ся. Температури газу перед турбшами визначалися як етваленпп температури утвореш вщ зм!шування з газом охолодного повггря (див. роздш 2). |

Для ДК характеристика нашрно! мереж! така, що на нагштанш (за ДК) тиск

1 Х„

3

г

в жди постш ний або змшюсться нсзначно. Затс на вход! в ДК на часткових наван-жепнях ¡стотко змшюсться тиск. а також шгграта, обумовлена основнкм двигуном. >му прш5сдена В1днссна вшрата через ДК визначалася за формулою

спр.лк = ^.-^'дДРиб / Рб)(7б I тиб)°'5. (1°)

Ст0лк - виносна витрата через ДК, д1брана для номшального режиму на ушвер-

лыий характеристищ ДК. Тут 1 дал! шдексом "'О" позначаються параметри на ио-нальному режим!.

3 урахуванням того, що температура газу на вход! в ДК при змшних режимах дтримуегься практично постшною формула (10) буде мати такий вигляд

Спр ДС = Ск С;0дк Лда/ТСОдк.

У схемах приводних ГТД з силовою турб!ною, блокованою з ТКУ, з'являсться палежний параметр, що враховуе залежн!сть мЬк потужшетю ! режимом роботи К вщ частота обертаиня енлово! турбши. У цьому випадку характеристика ДК зарься в аналтгчшй форм1, яг< функщя

лж = Г( , /7,к), : йда - втдносна частота обертання ротора ДК.

Так для розрахуныв ГТД !з ТКУ на часткових гвинтових навантажеинях достало точшеть забезпечуе апроксимащя ¡зодром для визначено! величини п на хара-геристищ ДК рйвиялням

я« = С{ 1 - [(Схк -А)!В}2} + 1,0, (11)

г Л == Ог (Г03 / Тъ )0,5 - умовний параметр витрати, що задасться як незалежний па-аметр при розрахунку ГТД на часткових навантажеинях.

Коефоденти А, В и С у формул! (11) постшш величини для кожно! ¿зодроми, к! беруться за характеристикою ДК. М]ж двома крайн!ми значениями пх \ п2 для удь-якого« , коефвдентиЛ, В и С визначаються за типовою формулою

А = А, + 1(/7-Я, )ЦГи-Гц ))и2'(А2 -А}). (12)

[ри розгляд! схсми ГТД з ТКУ блокованим з вшьною силовою турб!ною, що пра-юе на гвинт або вцщентровий нагштач газу, п змшюсться в широких межах. У ьому випадку, якщо п <1Т1, формули (12) застосовуються в такому витляд!

А =АХ - [(я,-Я )/(/Т2 -/Т] ))1Х\Л2 -А,).

' ГТД з ТКУ також може змшюватися в широких межах 6да., тому при Слк < А для

тримання реалъних величин при розрахунку характеристик ГТД з ТКУ на ЕОМ юрмула (11) повинна застосовуватася в такому вар!ант!

лдк = С {1 + [(/1 -Олк )/В]2} + 1,0.

Для ГТД з ТКУ необхишо ще р!вняння балансу потужностей миж ТП ! ДК у хем! з глльним ТКУ, а в схем! з блоковашш ТКУ на силовш турбш! з'являеться одатхеовий споживач потужносп.

Виходячи з (¡пзичнси модсл1 конкретно! схеми ГТУ, використовуються елемеш запропонованого математичного забезпечеиия, 1 розробляегься методика розрахуш парамстр1в установки при робот1 на номшалыюму 1 частковнх навантажсннях. робоп наводяться 10 методик для розрахунку основних схем ГТУ \ результата д слщження теплових схем когенерацшних ГТУ з ТКУ.

У малш енергетищ найширше застосовуються енергоустановки потужшстю в] 1 до 4 МВт. Промислов1сть у дьому д1апазон! потужностей в основному пропонз газотурбогенератори одновалово! конструкцп з блокованою силовою турбшо] (схема 1Б). Разом з ТКУ мояслши вар1анти з вшьним ТКУ (схема 1Б + ВТКУ) 1 бл< кованим ТКУ (схема 1Б + БТКУ). На рис. 12 зображена схема одновалового ГТД ВТКУ (1Б + ВТКУ). При з'еднанш основнох турбши з турбшою перерозпифени (ТП), газотурбогенератор ирацюс за схемою 1Б + БТКУ.

У схем1 1Б + ВТКУ ТКУ з основним ГТД мае зв'язок газодиналпчний, при час ткових навангаженнях теплоперепад у ТП зменшуеться швидше, шж в основтй тур б!н1. том}' л1Н1я робочих режтнв на характеристик ДК (рис. 13) спрямована у 61 змсншсння 7гдк 1 Сдк. У схсм1 1Б + БТКУ лппя робочих режим! в знаходиться на ¡зс

дроки з /7 =1, при зменшенш навантаження робоча точка спускаегься вниз по ¡зол ро.\п. Наявшсть вхщного направляючою апарата (ВНА) у ДК дозволяе для схеми 1Б + БТКУ, через невелику зм1ну 0¥, забезпечити режим з постшною ядк у ДК, внyтpiшнiй ККД ДК буде знаходитися в зон! оптимальних значень (див. рис. 13)..

Рис. 12. Схема ГТД з ТКУ Рис. 13. Лнш робочих режилпв

(1Б + ВТКУ) для схем ГТД з ВТКУ 1 БТКУ

3 урахуванням (¡'¡зичних процеав у ТКУ, метод1В тсрмодинам!чного моделюванш теплових процейв у ГТД з ТКУ при змшному режим! отримаш характеристики ене-ргетичних ГТД з блокованою сгаовою турбшою 1 ТКУ (див. рис. 14). Вихщш пара-метри ГТД (схема 1Б) д!браш, ор1ентуючись на характеристики ГТД 3200 (К41) ви-робництва НВП "Машпроекг", для приводу електрогенератор1в, що е перспективним

ш забезпечення локалышх споживач[в енергп.

Встаковлсно, що сфективний ККД rje з ГТД з ТКУ на scix режимах вкщс, шж у ГД простого циклу (вищий г|е мае схема 1Б + БТКУ). Для ана.тоу робота ГГД на 1СТКОЕИХ навантаженнях щкава залежшеть витрати палива або екв1валснтно!' теп-эти палива От за одиницю часу при однаковш потужносп двигушв. На рис. 14 на-:деш залежносп Q1 [кДж/с] вщ bUhochoï потужносп Ne для р1зних схем ГТД з ТКУ.

>ис. 14. Характеристики ГТД з ТКУ на Рис. 15. Теплотехшчш характеристики

[асткових навантаженнях (наванта- когенеращйно! ГТУ з ТКУ на част-

кення генераторне Г3=1273 К, 7гк=12 \ кових навантаженнях (навантаження

сот=2,2) генераторне Тъ = 1273 К, л* = 12 [

Для ГТД з БТКУ навггь на холостому ходу еконо\пя палива складае не менше 10%. Це важливо для енергетичних ГТУ, що обслуговують технолопчш об'екти, що тожуть значний час працювати при малих навантаженнях 1 навиъ певний час на солостому ходу, тому економш палива на малих навантаженнях мае практичне значения.

Для когенерацшно! ГТУ з ТКУ результата розрахунмв тсплотехшчних характеристик подаш на рис. 15. У схелп 1Б + ВТКУ на режимах Л'с = 1,0...0,3 теплотех-нчний ККД т^ зал1''паггься майже постшним, що забезпечуе високий р1веггь вI"сонета ння енергп па;» ва на вах режимах роботи установки.

Це пояснюеться там, що температура газу за ТП 1\ змпноеться мало, тому та кож зхдносна тепдофшацшна потужшеть Л'„ змешнуетьск в меншому темш. южу звичайкш схем: 1Б.

ГТД з ТКУ 1 регенеращею теплота (рис. 16) мае вищий ефективний ККД н; номшалыгому навантаженш, шж звичайний ГТД з регенеращею. ГТД з ТКУ 1 1 може бути з блокованим ТКУ (схема 1Б + БТКУ/Р) 1 з вгльним ТКУ (схема 1Б + + ВТКУ/Р). Резоч! лши на характеристик ДК ноказаш ка рис. 17.

Рис. 16. Схема ГТД з ТКУ i регенерац-iao теплоти (1Б + ВТКУ/Р)

Рис. 17. Робоч! лйш ГТД (схеми 1Б + + ВТКУ/Р и 1Б + БТКУ) на частко-вих генераторних навантаженнях

На рис. 18 показаш залсжност! характеристш< ГТД з ТКУ i регенеращею теплоти (схеми 1Б + ВТКУ/Р и 1Б + БТКУ/Р при 73 = 1273 К, пк = 5,0 i лда = 2,2) вщ вщносно! ефективн01 потужносл Nz. На рис. 18 також показаш для пор1вняння характеристики на часткових навантаженнях ГТД з Р (схема 1Б/Р). Застосування пере-розширення газу в ГТД з Р дозволяе отримати вищий ефективний ККД на Bcix режимах робота двигуна. Бшьш високий ККД мае схема з ВТКУ/Р. Потр1бно вщзна-чити. що ГТД за схемою 1Б + ВТКУ/Р в д1апазош потужностей Ne = 1,0,..0,4 мае постшну абсолютну величину економп палива ДОт, тому на режти Аге = 0,4 вщно-сна сконолпя палива в 1,5 рази бпыле, шж на номшальному режима

На рис. 19 показан! тсплотехшчш характеристики когенеращйно!" ГТУ з ТКУ i регенеращею теплоти. Схема 1Б + ВТКУ/Р мае високий i стабшьшш на Bcix режимах теплотехшчний ККД tv Це пояснюеться вшщши температурами Г3 i 1\ на часткових навантаженнях i вщповщю в!дносною потужшетю N^ . Для схеми 1Б + + БТКУ/Р шшпшити характеристики можливо i завдання це вщншуеться за рахунок змши характеристики ДК, що працюе при «да = const, за такою аналтгачною залежшстю

ТСда = (ГСОдк - 1)/1'V + 1.

дс А - параметр витрати, що визначаегься за формулою Л = Gx (Ti)?/T3)0,5-, s - показник етепеию.

При 5 = 0 на вах режимах лт = 7г0лк, тобто ГТУ працюе за вихщною схемою 1Б БТКУ/Р. Дослщження характеристик ГТУ з ТКУ/Р при р1зних значениях 5 показа-I, що при 5 = 7, теплотехшчш характеристики ГТУ за схемою з БТКУ/Р зр1внялися ■ такими ж стабьтьннми 1 високими, як у схем! з ВТКУ/Р (рис. 19).

0,8 f,Or7s

Рис. 18. Характеристики ГТД з ТКУ i Р Рис. 19. Теплотехшчш характеристи-при злпнному режшш (навантал<ення те- ки ГТД з ТКУ i Р при змшному ре-нераторне) жим1 (навантаження генераторне)

У дисертащйшй робот1 розроблеш методики й проведен! дослщження харакге->истик когенерацшних приводних ГТУ з ТКУ i ГТУ з ТКУ i регенеращею теплота m часткових твинтових навантаженнях, характерних для роботи ГТУ в судновому фопульсивному комплекс! або в склад1 газоперекачувальних агрегат1в, на компре-:орних станшях мапстральних газопровод1в. Тут встановлено, що на гвинтових на-шнтаженнях 3i схем 2СН + БТКУ i 2СН + ВТКУ ефектггвшше працюе схема 2СН +

- БТКУ. Серед схем ГТУ з регенеращею теплота - це схеми ICH + БТКУ/Р и ICH +

- ВТКУ/Р, вищий ефективний i теплотехшчний ККД мае схема ICH + ВТКУ/Р.

Експлуатащйна надшшеть в частиш теплового стану вузл1в двнгуна в ГТД з ГКУ забезпечуеться на bcix режимах, тому що початков1 температури газу в двигун! не перевгацують ном1нальних значень. Залежно вщ схеми ГТД з ТКУ дотискаючий компресор у ТКУ працюе в pi3Hiix умовах. У схемах з ВТКУ poöoni л1нй' на харак-теристищ ДК знаходяться в безпечнш облаетт. Для ДК у схемах з БТКУ можлив1

випадки роботи ДК у нсстшкш 3ohî (помпажа), алс за рахунок регулювання ВН, або направляючкх лопаток ступешв можиа заоезпсчнти бсзпсчн; умови роботи ДК.

У н'ятому роздЫ поданi результата проведения експсримснтально! nepcBipK з шдтвердження теорстичних розробок, визначення основних експлуатацпишх xap;i ктеристик слемсттв ТКУ i когенерашино1 установки в цшому ira сташонарних i дн-налпчних режимах роботи.

У poooTi вдалося застосувати метод дослщжсння. заснований на отрнманн прямих BHMipiB на реально дпочш cHcpreTH4Hiii установок На рис. 20 подана схем; скспериментально! установки для дослиження ГТД з ТКУ, що складаеться з део; основних o.tokîb: газотурбогенератора (ГТГ) АИ-8 виробнищва AT "Мотор Ci4", м Запорпюкя, турбокомпрссорного утил1затора.

ГТГАИ-в

Редуктор ТП ТКУ

L* 7-«/ 2-

S-frt

* ) „* I ;

Рис. 20. Схема експсримснтально! установки для дослщження ГТД з ТКУ i характерннх перст-ишв проведения Bmiipie

ТКУ виконаний на баз1 турбонагштача типу РДН-50, застосовуваного для турбонад-дування дизеля, що розрахований на ступшъ шдвшцення тиску лда = 1,6, турбша якого була дороблена для роботи в режим) перерозширення газу. Газ м1ж ТП 1 ДК охолоджувався в двох теплообменниках тину ОВВМ-25-1 ¡ 5 трубчасто-ребристою поверхнею теплообмшу з загальною площею по газу 25 м3, через трубки яко! прока-чусться вода.

Диференщащя одержання експеримеитальних даних на установщ отримана за рахунок препарування проточно! частини як основного ГТД, так ! надбудови - ТКУ. Анат!з отриманих результат виконувався також методом сшвставлення з даними юпитш на вах режимах ГТД простого циклу, що були зроблсш перед гадключенням ТКУ до ГТД.

Для забезисчсння статичних ! дштпчшк режшйв ¡спиту установка оснащена системою плавного навантаження генератора в!д 0 до 30 кВт, що також забезпечуе В1дключення ! вмикання навантаження при ¿спит! ГТД у режим! "скид-накид". Теп-лова потужн!сть ТКУ - 600 кВт.

Експериментальна ГТУ з ТКУ оснащена системою вилпру, що забезпечуе вти-рн параметр!в робочого тша в характерных переткнах проточно! частини ГТД! ТКУ, витрати палива, потужноей генератора ! частота ооертання ротор!в турбш. Реестра-

я параметр1в на стащонарних режимах дозволила провести достижения характе-гстик установит на часткових навантажеипях 1 иомшалыпй потужносп з задоволь-гнням вимог ГОСТ 20440-74 "Установки газотурбинные. Методы испытаний". Па-шельно до приладав для втпру стащонарних процеав шдключеш датчики 1 пере-юрювачх для дослдасення дштнчних процес1в у ГТУ (запуску, псрсхЬтних режи-:в, зупинки двигуна).

За кокструктившш внконанням. отриман!ш техшчним 1 сксплуатащйшш хара-еристшсам. установка може також югасифшуватися, як досладний зразок когенера-йного газотурбогенератора з ТКУ.

Пщ час ¡спили. насамперед, визначалася штсгральна характеристика скономь !0СТ' гтд 3 тку - годннна витрата налива В., [га/год] залежно и/д ефсктивно/ ло-и;1!0а> А'^На рис. 21 подан) ларамсгри I характеристики ГГГ АИ-8 з ТКУ в зале-

НОСТ! вщ Д'с.

не. 21. Залежносп параметр1в \ харак- Рис. 22. Теплотехшчтп характеристики фнстик ГТГ АИ-8 з ТКУ вщ величшш ГТГ АИ-8 з ТКУ в залежносп вщ ви-/„ (П - ГТД простого циклу) трати

одинга витрата патова Вч у ГТУ з ТКУ на ветх режимах при однаковш потужносп енше, шж у ГТД простого циклу, навиъ на холостому ходу. На рис. 22 наводяться арамегри ГГГ АИ-8 з ТКУ в залежносп ви витрата палива В., на установку. Спо-р1гасться стабьтьне значения теплотехшчного ККДна вах режимах установки

за наявносп вшьного ТКУ. При прямоточшй конструкцн ГТУ з ТКУ тдтверджуеп ся висска ефектиишсть застосування ТКУ па малорозлйрних ГТД з исвгликим <пу иенсм шдвищсння тиску ик у компрссор1 двнгука. Даш, отримаш в роздш 2, показ» вали, що потужшсть ГТД з ТП при малих тгк може зростати в 1,3... 1,8 рази.

Динам1чш ¡спити включали процсс запуску установки з ТКУ, що складалися 1 запуск)' основного двшуна 1 розгону * запуск)' ТКУ, якщо вш не пов'язаний инема-тпчио ¿з силовою турбшою. Пошггтя :ипуск ТКУ с правохиршш, тому що ТКУ е до датковим двигуном, що працюе на снерги вихлопних пгпв основного двигуна.

Протшання перехщних процеав при запуску АИ-8 з ТКУ \ змша параметров що характеризують пусков! характеристики двшуна \ ТКУ, зображеш на осцилогра ьп рис. 23.

Рис. 23. Осцилограма перехщних харак- Рис. 24. Осцилофама перехщних характеристик ГТГ АИ-8 з ТКУ при запуску теристик при накщн навантаження вщ О установки до 100%

Насамперед, був установлений факт достатносл потужносп пускового двигуна для запуску газотурбогенератора разом з ТКУ. Наявшсть ТКУ вплинула на характер протпеання перехадних процеав у двигуш АИ-8 з ТКУ. Прочее запуску в ГТД з ТКУ тривалшшй у зв'язку з наявшетю шерщ иного елемента - ротора ТКУ, турбша якого знаходнться наприкшщ процесу розширення газу, де спостер1гаегься найменший иадлишковий момент при запуску ТКУ. Зменшився шк максимально! подач! за ви-

[тою палива. Все це дозволило при запуску зменшити закид оберпв силово! тури, а також стримати зростаиня гакового значения температуря газу перед турбь о компресора. Тут п2 - оберти силово! турбши (генератора), щ - частота обертання х»ра ТКУ.

Визначення характеристик ГТД на перехдагах режимах проводилося за допо-гою визначення pea кг ш установки на типов; збурення. 3 типових збурень був об-гай найбьтыи жорсткий Bapiairr - це скид i накид навантаження вщ 0 до 100%. На nuorpaMi (рис. 24) показан! перехвдш пронеси при накидд навантаження вы 0 до )%, при цьому спостер1гаеться падшня оберпв силово! Typoimi на 800 хв"1 (для [-8 допускаегься 2000 хв"1 при 26000 хв'1 номшальних). Взаемод1я 111 АИ-8 з У i3 30BHiuiHiM споживачем електроенерп! в яшсному вщношенш вщбувасться ;им же способом, як i в ГТУбез ТКУ. Однак пер ¡од вщновлення стало! витратн 1ива на 100%-ому навантаженш бшьше, шж у cxe.Mi без ТКУ, тому що за 8... 10 ;унд в1дбувасться Ha6ip оберпв ДК до номшального значения, температура газу за ювою турбшою гад час розгону ротора ТКУ перевищуе номшальну на 15...20 К, припустимо. Необхщно вщзначити, що максимальна температура газу за сило-о турбшою при розго1п ДК на 100 К нижче. шж при запуску ГТГ АИ-8 без ТКУ.

У шостому роздкп подаш розробки когенеращйних ГТУ з ТКУ, виконаних шд гтесвим кер1вннцгвом автора сшлыю з фах1вцями головних втизняних КБ газо-)бобудування, i застосування ix на ряд1 об'екпв, а також анатз експлуаташйних i попчних хараюгеристик. еконошчш аспекта впровадження ГТУ з ТКУ.

Теоретичш й експериментальш дослщження ГТД з ТКУ дозволили виконати эстсттп робота з розробки техпропозищй щодо створсння когенеращйних енерге-ших ГТУ для мало! енергетики потужшетю до 4 МВт i для електростанщй серед-з! потужносп вщ 6 до 25 МВт, а також виконати проекта з модершзаш! енергети-[IX установок засоб(в розробки морського шельфу i морського транспорту.

Так разом i3 ЗМКБ "Прогрес" розроблена техшчна пропозищя на створсния фгетично! ГТУ з ТКУ на oaii двигуна АИ-336-10 (див. рис. 25).

1 2 3 4 5

Рис. 25. Когснерацшна ГТУ з ТКУ потужшетю 10 МВт:

- повпрозаб]р; 2 - газогенератор ГТД АИ-336-10; 3 - силова турбша перероз-"ирення; 4 - дотискаючий компресор; 5 - газовихлоп; 6 - газоохолоджувач;

- редуктор; 8 - електрогенератор

Виб1р конструктивно! схеми здшснювався з урахуванням утфиеаци елеменл ГТД, використання (без редуктора) у склада газоперекачувального агрегату. Особлт В1стю розробки с те, що для збшыпення потужноси ГТУ до 16 МВт застосовани пром1жний пщф1в (ПП) газу перед силовою турбшою. Якщо у звичайному ГТД пр цьому рпко падае ККД, то в ГТД з ТКУ \ ПП зростае як потужшсть, так 1 ефсктш ний ККД.

Параметри розроблених ГТУ з ТКУ подаш в табл. 2.

Таблиця

Параметри когенерацшних ГТУ з ТКУ, розроблених на баз1 газогенератора двигуна АИ-336-10

Параметри ГТД з ТКУ (без промш-дщвання) при 7^" = 2,10 ГТД з пром- пццгр1ванням 1 ТКУ при Кд' = 3,0 Двигун АИ-336-10

Потужшсть на вихтдному валу газо-турбшно! установки. кВт 10840 16000 9770

ККД ГТУ за ШО. % 37,8 37,7 34

Потужшсть те плова, кВт 12275 18960 -

ККД теплотехшчний (повний), % ' 80,6 82,5 -

Витрата пов!тря через двшун, кг/с 41,5 41,5 41,5

Стушнь шдвшцення тиску 21,0 210 21.0

Температура газу перед турбшою, К 1363 1363 1363

Витрата палива (Яи = 50070 кДж/кг), кг/год 2062,3 3050,8 2062

Частота обертання ротора СТ, об/хв 6500 6500 6500

Температура газу перед СТ, К 918 1181 918

У роздш проашипзоваш основш експлуатацшш характеристики ГТУ з ТКУ. Встановлено, газогенератори базових двигушв працюють при параметрах, яы рег-ламентуються постачальниками, що забезпечуе одержання в процес! експлуатацй показшшв надшносп 1 загального ресурсу робота. Що стосуеться нового агрегату ТКУ, то в раз! застосування вольного ТКУ, ДК працюе сийко (без помпажа) на вах режимах. У схем! з блокованим ТКУ можлиш випадки робота ДК у неспйкш зош, але за рахунок змпш характеристики компресора або видаткових харакгериеппе за-безпечуються безпечга умови робота ДК. У робот! показано, шо за допомогою зм!ни характеристики ДК (завдяки направляючим лопаткам) на часткових електричних навантаженнях можливо одержання стаб!льно! теплово! потужносп, тобто задоволь-нити вимоги споживач1в енергп.

Здшснений також тепловолопешш анал!з умов роботи охолоджувача газу в склада ТКУ, тому що в ньому здшснюеться глибока упшзащя теплоти з охолоджен-

I газу до температур« 323 К. 3 огляду на зменшення парщального тиску пари аг-:нвних складавих теля турбиш перерозшнрення, вдалося уникнута штенсивноТ !ысотемператлрно! корозн на кшцевих поверхнях тсплообмшу.

У робой виконано оцшку еколопчних характеристик когенеращйних ГТУ з У. Анал1зу на еколопчну ефектнвтегь були пщдаш когенеращйш ГТУ з ТКУ, сонаш на ба'Н ГТД ДБ90 (НВП "Машпроекг") 1 ГТД АИ-336-10 (ЗМКБ рогрсс"), що нлведеш в -табл. 3 для номшальних режтпв робота.

Таблиня 3

Еколопчп! характеристики ГТУ з ТКУ

Основш параметри! характеристики ДБ90 ДБ90 з ТКУ АИ-336 АИ-336 з ТКУ АИ-336 зПШ ТКУ

Потужт'сть слектрична, МВт 16,0 18,3 10.0 10.8 16,0

Потужшсть теплова, МВт - 19,4 - 12,3 19.0

Внтрата повпря через ГТД, кг/с 71,5 71.5 41,5 41.5 41.5

Витрата палива (природшш газ), кг/год 3515 3515 2063 2063 3051

Емгая КОх. мг/нм3 -не биыпе 150 150 80 80 150

Ем)с1я СО, мг/нм3 -не бшьше 50 50 80 80 120

Потужшсть викиду за М0Х, г/с 8.31 8,31 2,57 2.57 4.83

Питомий викнд по \'0Х, г/(кВт-год) 1.87 0,79 0,92 0.4 0,5

Потужшсть викиду за СО, г/'с 2,77 2,77 2,57 2,57 3,86

Питомий викид по СО, г/(кВт-год) 0.62 0,26 0,92 0,4 04

При однаков1й ем1сп шюдлнвих речовин (ШР) у 1 нм3 газу когенеращйна ГТУ робляе сумарно бшыне енерги, шж звичайна ГТУ, тому при виробггку одше! ттод енергп в когенерацшно* ГТУ викиди ШР значно ниж™. У звичайному ГТД часпсовнх навантаженнях спостеряаеться зростання питомого викиду за N0, 31 зни-нням навангажешш, також зростае пишмий викид за СО ¡, особливо, теля Л'с = 0,6. ГТУ з ТКУ пгггом) викиди за N0* на вах режимах робота установки практично ллйт й у середиьому в 2.5 рази менше, нта у звичаюкн ГТУ. Причому е(|)ект мало ежтъ В1д схеми ГТУ: з втьним або блокованим ТКУ.

Локальними енергоспоживачами можуть виступати транспорта! засоби. шо

оснащеш потужними енсргоустановками, яы виробляють мехашчну, теплову, а т; кож електричну енергио. Так нафтоналивие судно (танкер) водотоннажшстю 60 тн тонн повинен мати головной! двшун (ГД) потужшетю 10 МВт, а для задовольняни загальносуднових 1 технологочних споживач!в теплота необхщш потужност! у МВт. У даному раз! найбшьш прийнятною виявилася розробка ГТД з ТКУ о регене-ращею теплоти на баз! двигушв V елеметтв ГТД, розроблених НВП "Машпроекг". табл. 4 наведсш дан! характеристик ГТД.

Таблица

Пор!вняльш дан! основних параметр!в ГТД простого циклу, з регенсращею теплоти ! з ТКУ \ регенерац!ею теплоти

Найметвання Значения параметра

параметра ГТД-10 ГТД з Р ГТД з ТКУ i Р

Потужн!сть на фланщ двитуна, МВт 10.0 10,0 10,0

Температура газу перед турбшою, К 1456 1456 1456

Витрата повпря на вход! в ГТД кг/с 36.2 36.2 31,08

Стпнь шдвищення тиску компресора ГТД 19,5 8,0 5,0

Стутнь pereoicpauii - 0.8 0.8

ККД в умовах ISO. % 36,5 40,4 43,2

ККД в умовах об'екта, % 35.1 39.2 42.0

Застосовуючи cryninb регенераци що реально досяжна i дор!внюе 0,85, у ГТУ з ТКУ ! Р досягаеться ККД piBHuii 45%, i тсплотехшчний (затальний) до 80%. Тому такнй тип ГД ЦКБ "Чорноморсуднопроект", м. Миколаш застосувало при модерш-зацп судново! енергоустановки танкера проекту 17012, що будуеться зараз на Чор-номорському суднобудавному завод!.

В1дпов1дно до техш ко-економ1чного обгрунтуванкя при замш ГД потужшетю 10,4 МВт марки 6ДКРН 60/229-12 (виробник - Рос!я) на ГТД з ТКУ i Р потужшетю 10 МВт i тепловою - 9,2 МВт (у змоз! виробити Укра'ша) загальний еконо-ипчний ефект складаеться в!д зменшсиия швестицшних витрат на 1334 тис. USD, а також експлуатацшних витрат, що за 7 роив експлуатацп судна менше на 1417 тис. USD.

Для мало! енергетика когенеращйна ГТУ потужшетю 3,7 МВт, що може бути створена на баз! ГТД GT 3200, мае також теплову потужшеть у 4,5 МВт i, вщпов!д-но до техшко-екожипчного обгрунтування, така установка приносе прибуток у роз-Mipi 717 тис. USD на piic. При цьому питом! кагатальш вкладення в розрахуику на один кВт, встановлений у иерерахувани! на сумарну потужшеть (електричиу i теплову) ГТУ, складуть 204 USD/кВт.

ВИСНОВКИ

1. Виконаний у дисертаци комплекс теоретичних I експериментальних досль :нь, а також науково-техшчних розробок дозволив запропонувати 1 науково об-нтувати новин напрямок створсння ефективних когенеращйних ГТУ за допомо-з глибоко! утилтацн теплота з використанням турбокомпресорних утил)затор1в.

2. Розроблено метод термодинам!чного анал1зу ефективносгп шшпв високотем-»атурних ГТД ¡ч застосуванням турбши перерозгшфсння. Вперше отримаш теоре-пп даш щодо досшдження характеристик циклов ГТД з турбшою перерозпифення держаниям оптималышх параметр1в цикл1в при карнотизацп цикл1в Брайтона 1 шв з регенеращею теплота.

3. Результата дослщження характеристик циклв ГТД з турбшою перерозши-шя показали позитивний ефект застосування нетрадшдйного напрямку усклзд-шя циклу Брайтона шляхом перерозш1фення газу в сшкшй турбши при цьому зкгивний ККД двигуна зростае в 1,1-1.3 рази, а в ГТД з малими ступенями шд-дення тиску в компресор1 - 1.3... 1,6 рази.

4. Дослщження цикл ¡в ГТД з турбшою перерозшнрсння показали також високу :ктившсть застосу вання ретенераци теплота газ1в за турбшою перерозш1фення 1 шд!гр1ву стиснутого пов1тря перед камерою згоряння. Так у ГТД з ТП 1 регене-дюо теплота збьтьшення ефективного ККД вщносно цшслуг ГТД з простою реге-защао складае 10-12% вщносних, а стосовно циклу Брайтона - 25% вщносних.

5. Всгановлено, що оптимальш параметри цикл ¡в ГТД з турбшою перерозши-шя мають значения близьга або сшвпадакта з1 значениями для циклу Бра тона, ) циклу з простою регенеращею теплоти, тому ГТД з турбшою перерозипфення жуть бути створеш на баз1 високотемпературних ГТД, що внпускаються промнс-з1стю для кораблебудування й ав1ацп.

6. Розроблено метод визначсння й анал1зу тсплотсхшчних характеристик ГТД з >бокомпресорним упшзатором при робот! установки в когснеращйному режим!, ерше отримаш комплексн! даш дослщжень теплотехшчиих характеристик ГТУ з збокомпресорним ути.таатором з одержанням оптималышх параметр1в ускладнс-х циктв.

7. Результата дошиджень тенлотехн!чних характеристик когенеращйних ГТУ з эбокомпресорним утилЬатором показали, що при виконанш охолоджувачем газу в ¿У функци теплогенератора вцбуваеться комплексна утшпзащя теплоти вихлоп-х газ1в. при як!й стушнь внкорнсга!шя наявшл теплоти палива досягае 75-85%.

8. Вперше розроблеш методи ! математичне забезпечсння для розрахунку хара-фистик ГТД з ТП ! когенеращйно! ГТУ з ТКУ на змншнх режимах. Отримано мплексш даш щодо дослщження тсшютехн!чних характеристик р1зних теплових гм когенерацшних ГТУ ! визначеш галуз! найефектившшого !'х застосування ви-дячи з конкретних вимог локального сооживача енергп.

9. Анализ характеристик енсргетичних ГТД з блокованою силовою турб!ною ! У, а також ГТД з вйтъною сшювою турбшою! ТКУ показали, що енергетичш

Г'ГД з ТКУ на часткових навантаженнях мають ефестивкий ККД вихций, нЬк ГТ простого циклу. За тсплстсхшчними характеристиками екергепгчш ГТД з ТКУ зб рйаюгь високу тепло су сфекгившсть на вах режимах роботи.

10. Приводи ГТД з ТКУ дослЦркувалися при характершй для суднових прол; льсивних 1 газоперскачувалышх агрегат в гвинтовому кавантаженню. ГТД з ТКУ I гвинтових навантаженнях працюють ефектившше, шж прост! ГТД.

11. Розроблешш ! створсний дослцщии газотурбогенератор на баз1 дзкгуна АГ 8 внробництва АТ "Мотор С1ч", м. ЗапорЬкжя 1 турбокомпресорного утшпзатор. Доелцшнн когенсрацшний турбогенератор був оснащений системою вим^ру 1 реес рацп парамстр1в у реальному масштаб! часу , що дозволила дослщжувати процеси в успшовци як на статичних, так 1 на дштпчних режимах навантаження. Аналоп створено! дослано! когенеращино! ГТУ у евт немае.

12. Експерименгальш дослщження на дос.-пдному газотурбогенератор! шдт вердили достовфшсть виконаних тсоретичних доашджень циклив ГТД з ТК'Ь-1спити дослщно! ГТУ показали економ1чну роботу газотурбогенератора АИ-8 ТКУ не тшьки на номшальному навантаженш, але 1 частковому навантаженш що дуже важливо для джерела снергп, який обслуговус локального енергоспо живача, що можс значний час або циюично працювати на малому електричном; навантаженш.

13. Дина.шчш юпнти ГТУ з ТКУ встановили факт впливу ТКУ на характе] протпеання перехщних процеав у ГТД. Процес запуску ГТУ з ТКУ бшыл тривалш через наявшеть у ГТУ шерцшного елемента - ротора ТКУ, на розкручування якол потр1бен певний час. На персх1дних режимах ГТУ з ТКУ при тшювих збурення: зменшнвея закид 1 провал оберпв силово! турбши при попередшй величин! переви щення значения температури газу перед турбшою компресора двигуна.

14. Сшльна робота ГТД з ТКУ не впливае на ямеш характеристики процес; горшня палпва в камер1 згоряння вихадного двшуна. При однаковш емюи шшдли вих речовин в одшм им3 газу когенеращйна ГТУ виробляе сумарно б1лыне енергп шж звичайна енергетична ГТУ, тому при виробпку одше! кВт-год енерги в когеис-ращйшй ГТУ пятом! викиди шыдливих речовин у ссредньому в 2,5 рази нижче, нгл у звичайному ГТД.

15. Проекгш розробки показали, що для створення когенеращйних ГТУ потуж-нхетю до 4 МВт у якосп базових двигушв застосовш ГТД АИ-24 АТ "Мотор С1ч". ОТ 2500 АТ "Енергхя" i вТ 3200 НВП "Машпроект". Для oб'eкгiв, що споживають середш потужносп. дощльно застосовувати когенерацшш установки потужюстю вца 6 до 25 МВт, виконаш на баз1 корабельних 1 ав1ащйних ГТД що у склада когенеращйних ГТУ з ТКУ можуть бути використага практично без переробок.

16. Практичне значения днеертацишо! роботи полягае в доведенш результаттв тсоретичних 1 експерименталышх доелщжень до конкретних методов 1 методик роз-рахунюв, що дозволили розробити проекти когенеращйних ГТУ з ТКУ потужшсттс 10 1 16 МВт ЗМКБ "Профес" на баз1 ГТД тепу АИ-336-10, для мало! енергстша: когенеращйну ГТУ потужшстю 4 МВт з регеь-еращею теплоти на баз1 ГТД ОТ 3200

П "Машлроект", що тдгверджуе реальшсть створення високоефективних елек-теплогенеруючих установок промислов1сгю Украши.

17. Когенерашшп ГТУ е перспективними для засоб1в розробки морського шельфу, бопровщного 1 морського транспорту. Проекта модершзацн енергоустановок мор-01 сурово! платформи, ЦКБ "Корал", м. Севастополь, танкера дедвейтом 40 тис. :н ЦКБ "Чорноморсуднопроект", м. МиколаУв, показали наявшеть скопом¡чиого :кту при експлуатацп енергоустановок при застосуванш когенерацшних ГТУ I клив1сть вгдмови вщ скспортних поставок складно! 1 наукомютко! продукцп енер-ичного машннобудування.

18. По Укра!ш з 50 тис. МВт установлено! потужноетт на електростаншях при-гзно 30 тис. МВт складаготь електричш потужносл ТЕС. Так при зам™ третини ужностей теплових електростанц1й на установки когенеращйного типу, прибуток юбника енерп! на рж складе 1,43 млрд. иБЦ, а бюджет ¡з них одержить 430 тис. Э на р1к.

Осиовш ноложеннн длсертац1Йно1 роботи опублт-оватп в наукових спещалгзоваиих виданнях

1. Матвеенко В.Т. Сравнение эффетегивности судовых комбинированных газо-бинных установок // Судовые энергетические установки: Сб. научн. трудов НКИ. иколаев, 1990. - С. 48-55.

2. Матвеенко В.Т. Исследование циклов и схем судовых комбинированных га-урбинных двигателей с вакуум-компрессором // Исследования и испытания судов нергетических установок: Сб. трудов НТО им. акад. А.Н. Крылова. - Севастополь, >1,- С. 48-56.

3. Матвеенко В.Т. Термодинамические процессы и характеристики цикла высо-емпературного газотурбинного двигателя с турбиной перерасширения // Энсргс-:а... (Изв. высших учеб. заведений и энерг. объединений СНГ). - № 1-2. - С. 38-41.

4. Матвеенко В.Т. Результаты исследования теплотехнических характеристик Д с турбокомпрсссорным утилизатором // Энергетика... (Изв. высших учеб. заве-1ий и энерг. объединений СНГ). - 1997. - № 11-12. - С. 48-51.

5. Матвеенко В.Т. Глубокая утилизация теплоты в газотурбинных двигателях с биной перерасширения // Пром. теплотехника. - 1997. - Т. 19. - № 4-5. - С. 81-85.

6. Матвеенко В.Т. Определение характеристик циклов судовых газотурбинных ¡гателей с турбиной перерасширения // Вестник СевГТУ: Сб. научн. трудов. - Сс-тополь, 1997. - Вып. 6. - С. 98-111.

7. Матвеенко В.Т., Кнркин И.А. Результаты исследования характеристик цик! судовых газотурбинных двигателей с турбиной перерасширения // Вестник СевУ: Сб. научн. трудов. - Севастополь, 1997. - Вьпт. 6. - С. 101-104.

8. Матвеенко В.Т. Энергосбережение при генерировании энергии газотурбин-ми установками // Вюник ДУ "Льв1вська полгтехшка": Проблеми економи енер-

- Лынв, 1998.-С. 13-15.

9. Матвеенко В.Т. Приводные газотурбинные установки с турбокомпрсссорны утилизатором // Авиационно-космическая техника и технология: Сб. науч. трудов. Харьков: Гос. аэрокосмичсский ун-т "ХАИ", 1998. - Вып. 5. - С. 42-46.

10. Матвеенко В.Т. Термодинамические процессы и характеристики цикле судовых ГТД с турбиной перерасширашя и регенерацией теплоты // Вестник Се! ГТУ: Сб. научн. трудов. - Севастополь, 1998 - Вып. 15. - С. 100-102.

11. Матвеенко В.Т., Киркин И. А. Результаты исследования характеристик циклов судовых ГТД с турбиной перерасширения и регенерацией теплоты // Весгаи СсвГТУ: Сб. научн. трудов. - Севастополь, 1998. - Вып. 15. - С. 103-105.

12. Матвеенко В.Т. Газотурбинные двигатели с турбокомпрессорным утилиза тором для морских добывающих и транспортных средств // Труды ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова. Вторая Международная конференция по судостроению. - 15С'98. Санкт-Петербург. - Том 1. - 1998. - С. 141-144.

13. Матвеенко В.Т. Корабельные газотурбинные двигатели с ту рбиной пе рерасширения // Проблемш питания буд1вництва ВМС. розвитку озброенш та вшськово* техншг. Зб1рник наукових праць. - Севастополь, 1998. - Вип. 3. С. 612-617.

14. Матвеенко В.Т. Результаты экспериментальных исследований характери стик ГТД с турбиной псрерасширения // Авиационно-космическая техника и техно логия: Сб. науч. трудов. - Харьков: Гос. Аэрокосмический ун-т "ХАИ". - 1999. ■ Вып. 9. - С. 481-484.

15. Матвеенко В.Т.' Результаты испытаний опытного когенерационного газотурбогенератора с турбокомпрессорным утилизатором // Вюннк ДУ "Льв1вська пол ¡техника". Проблеми економп снергп. - Льв1в, 1999.- Вип. 2 - С. 22-25.

16. Матвеенко В.Т., Слободянюк Л.И. Характеристики энергетического ГТД с турбокомпрессорным утилизатором на частичных нагрузках // Пром. теплотехника. -1999. - Т. 21. - № 4-5. - С. 102-106.

17. Матвеенко В.Т. Работа ГТД с турбокомпрессорным утилизатором и регенерацией теплоты на частичных нагрузках в судовом пропульсивном комплексе // Зб1р-ник наукових праць УД МТУ. - МиколаГв: 1999. - № 2(362) - С. 60-68.

18. Матвеенко В.Т. Оптимизация схем приводных газотурбинных двигателей с турбиной перерасширения при управлении мощностью //Оптимизация производственных процессов: Сб. науч. трудов. - Севастопольский гос. тех. ун-т. - Севастополь, 1999.-№ 2.-С. 65-67.

19. Матвеенко В.Т. Экспериментальный стенд для исследования характеристик ГТД с турбиной перерасширения // Вестник СевГТУ: Сб. науч. трудов. - Севастополь, 2000. - Вып. 23. - С. 136-139.

20. Матвеенко В.Т. Теплотехнические характеристики ГТД с турбокомпрессорным утилизатором и регенерацией теплоты // Зб1рник наукових праць УДМТУ. -Миколаш, 1999. - Вип. 5 (365). - С. 54-59.

21. Матвеенко В.Т., Слободянюк Л.И., Очеретяный В.А. Методика расчета энергетического ГТД с ту рбиной перерасширения на переменных режимах // Энср-

ика... (Изв. высших учеб. заведений и энерг. объединений СНГ). - 1999. - № 6. -51-56.

22. Свидетельство № 8414. Россия. МПК 6 Г02С 3/073. Газотурбинный двига-ъ / В.Т. Матвеенко (У1фаина). - Опубл. 16.11.98, Бюл. № 11.

23. Пат. № 76 Украина, МПК 6 Б02С 3/073. Газотурбинный двигатель / В.Т. твеенко (Украина). - Опубл. 31.10.1997, Бюл. № 5.

24. Пат. № 398 Украина, МПК 6 Р02С 3/073. Газотурбинный двигатель / В.Т. твеенко (Украина). - Опубл. 11.10.1999, Бюл. № 6.

Осповш иуб.пкаци, в яких додагково викладеиий змкт дисергаци

1. Матвеенко В.Т. Судовые двухконтурные газотурбинные двигатели с турби-

\ перерасш1фения // Материалы XXXVIII Всесоюзной научно-технической сессии проблемам газовых турбин АН СССР. - Харьков, 1991. - С. 36-37.

2. Матвеенко В.Т. Результаты исследования циклов судовых ГТД с турбоком-хсорным утилизатором // Материалы 1-й Международной научно-технической [ференции "Проблемы энергосбережения и экологии в судостроении7'. - Николаев, )б. - С. 174-175.

3. Матвеенко В.Т. Электротеплогснерирующие газотурбинные установки с тур-сомпрессорными утилизаторами // Материалы 2-й Международной научно-1ктичсской конференщш "Управление использованием энерпш". - Львов, 1997. -56-57.

4. Матвеенко В.Т. Энергосбережение при производстве энергии когенерацион-Г1 ГТУ с турбокомпрессорным утилизатором // Материалы Международной науч-■пракгичсской конференщга "Региональные проблемы энергосбережения в произ-тстве и потреблении энергии". - Киев, 1999. - С. 137-138.

5. Заявка № 93056705/20 (056757), Россия, МКИ Б 02С 3/073, 7/10. Газотур-нный двигатель / В.Т. Матвеенко (Украина). - Положительное решение 08.02.95.

АНОТАЦ1Я

Матв1енко В.Т. Когенеращйш газотурбина установки з турбокомпресорним упшза-эом для локальних об'екпв енергоспоживання. - Рукопис.

Дт)серташя на здобутгя наукового ступеня доктора техшчних наук за спещаль-ггю 05.14.14 - теплов1 та ядерш енергоустановки. - 1нститут техтй1Ш01 теплоф1зики Л Украши, Кш'в, 2000.

Дисертащя гфисвячена разв'язашио актуально! науково-техшчно! проблеми рзищення ефективност! когенерашйиих газотурб1нних установок (ГТУ) за допомо-о глибоко! ути.'нзащ! теплоти з використанням турбокомпресорних утил1затор1в СУ) на баз1 високотемпературних газотурб1нних двигу1пв для локальних об'екпв ргоспоживання.

Запропоновано ряд нових метод1в, математшше 1 програмне забезпечення для

дослхцження теплотехшчних характеристик ГТУ з ТКУ, а також проведений ком плеке експеримснтальних дослщжень на дослвдному газотурбогенератор! з ТКУ, щс показали високу тсплову та еколопчну ефектившеть ГТУ з ТКУ на Bcix режимах ро боти. Результата робота знайшли застосування в створенш дослщкм когенерацшно установки з ТКУ i розробщ npoejcriB енергетичних i приводних ГТУ з ТКУ на баз двигушв, що В1шускаються промисловкто Укра'ши.

Ключове слово: когенерацш, газотурбшна установка, турбокомпресорний утилг затор, упшзащя теплота.

SUMMARY

Matveenko V.T. Cogenerative gas turbine plants cogenerative with turbo-compressor utilizer for local objects the energy of consumption. - Manuscript.

Dissertation for obtaining scientific degree of Doctor of Technical Sciences on specialty 05.14.14 - thermal and nuclear power plants. - Institute of Engineering Thermo-phisics NAS of Ukraine, Kiev, 2000.

The dissertation is devoted to solution of an urgent scientific and technical problem which is consistent with efficiency increase of the gas-turbine plants (GTP) cogeneration by means of profound utilization of heat energy. Such an utilization is provided by the turbo-compressor utilizers (TCU) included to the whole high-temperature gas-turbine engines used by local objects of the energy consumption.

Several new methods', mathematical and program software for conducting research with thermal characteristics of GTP and TCU have been profosed. A complex of experiments with the GTP and TCU has been conducted. These experiments have proved high thermal and ecological efficiency of GTP with TCU of all modes of operation. The results of this dissertation have been used for design of new GTP-TCU cogeneration. They have also been used for new projects of GTP with TCU applied for both transportation and energy production purposes, and which is produced by the Ukrainian industry.

Key words: cogeneration, gas turbine plant, turbo-compressor utilizer, utilisation of

heat.

АННОТАЦИЯ

Матвеенко B.T. Когенерационные газотурбинные установки с турбокомлрес-сорным утилизатором для локальных объектов энергопотребления. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.14.14 - тепловые и ядерные энергоустановки. - Институт технической теплофизики НАН У|фаины, Киев, 2000.

Диссертация посвящена решению актуальной научно-технической проблемы повышения эффективности когенерационных газотурбинных установок (ГТУ) посредством глубокой утилизации теплоты с использованием турбокомпрессорных

лизаторов (ТКУ), на базе высокотемпературных газотурбинных двигателей *Д) для локальных объектов энергопотребления.

Предложен метод термодинамического анализа эффективности циклов ГТД с шенением ту рбины псрерасшнрения, а также теплотехнических характеристик Д с ТКУ при работе установки в когенерационном режиме. Результаты исследо-[ия характеристик циклов ГТД с ТКУ показали положительный эффект примсне-I нетрадиционного направления усложнения циклов, при этом эффективный КПД 1гателя растет в 1,1-1,3 раза. При выполнении ТКУ также функции теплогенера-)а происходит комплексная утилизация теплоты выхлопных газов, при которой >вень использования располагаемой теплоты топлива достигает 75-85%.

Разработаны методы и математическое обеспечение для расчета характеристик ¡личных тепловых схем когенерационных ГТУ с ТКУ при переменных режимах и зеделены области наиболее эффективного их применения исходя из конкретных ¡бования локального потребителя энергии. Анализ характеристик энергетических фиводных когенерационных ГТУ с ТКУ показал, что на номинальных и частич-х нагрузках ГТУ с ТКУ работают более эффективно, чем ГТД простого цикла, экологическим характеристикам энергетические ГТУ с ТКУ обеспечивают уро-{ь удельных значений вредных выбросов на всех режимах работы в 2,5 раза ныне, чем в обычном ГТД.

Представлены результаты экспериментальных исследований на опытной ГТУ с :У, которые подтвердили достоверность выполненных теоретических исследова-й циклов ГТУ с ТКУ. На опытном газотурбогенераторе АИ-8 с ТКУ проведены намические испытания ГТУ с ТКУ, которые показали устойчивую работу уставки в гфоцессе ее запуска и на переходных режимах посредством определения пеции установки на типовые возмущения.

Результаты работы нашли применение в создании опытной когенерационной 'У с ТКУ и разработке проектов энергетических и приводных ГТУ с ТКУ на базе игателей, выпускаемых промышленностью Украины.

Ключевые слова: когенерация, газотурбинная установка, турбокомпрессорный илизатор, утилизация теплоты.