автореферат диссертации по авиационной и ракетно-космической технике, 05.07.05, диссертация на тему:Математическое моделирование рабочего процесса энергетической установки на базе авиационного ГТД с системой газоснабжения

ВВЕДЕНИЕ.

1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА, ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ.

1.1 Энергетические установки на базе конвертирования авиационных двигателей.

1.2 Обзор литературы и постановка задачи.

2. ОЦЕНКА ПОКАЗАТЕЛЕЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ С УЧЁТОМ ЗАТРАТ МОЩНОСТИ НА СЖАТИЕ ПРИРОДНОГО ГАЗА.

3. РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА ГТП НА БАЗЕ АВИАЦИОННОГО ДВИГАТЕЛЯ С СИСТЕМОЙ ГАЗОСНАБЖЕНИЯ.

3.1 Системы газоснабжения ГТП.

3.1.1 Дозирование подачи газа в ГТП.

3.1.2 Газодожимной компрессор системы газоснабжения привода и его характеристики.

3.2 Особенности расчёта параметров рабочего процесса в камере сгорания ГТП при сжигании природного газа.

3.3 Основные уравнения рабочего процесса газотурбинного привода энергетической установки с системой газоснабжения.

3.3.1 Система уравнений рабочего процесса газотурбинного привода.

3.3.2 Уравнения системы газоснабжения.

3.4 Математическая модель рабочего процесса ГТП на базе авиационного двигателя с системой газоснабжения на установившихся режимах.

4. ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА ГТП - 10/953, НА БАЗЕ АВИАЦИОННОГО ДВИГАТЕЛЯ Р95Ш, С РАЗЛИЧНЫМИ СИСТЕМАМИ ГАЗОСНАБЖЕНИЯ.

4.1 Объект исследования.

4.2 Работа газотурбинного привода с подачей газа от сети.

4.3 Работа газотурбинного привода с системой газоснабжения, содержащей ГДК.

4.3.1 Турбопривод ГДК.

4.3.2 Механический привод ГДК.

4.3.3 Автономный привод ГДК.

5. АНАЛИЗ УПРАВЛЯЕМОСТИ ГАЗОТУРБИННОГО ПРИВОДА С РАЗЛИЧНЫМИ СИСТЕМАМИ ГАЗОСНАБЖЕНИЯ.

5.1 Работа газотурбинного привода с подачей газа от сети.

5.2 Работа газотурбинного привода с системой газоснабжения, содержащей ГДК.

5.2.1 Схема "ГДК - дозатор - ГТП".

5.2.2 Схема "дозатор - ГДК - ГТП".

5.2.3 Автономный привод ГДК.

5.2.4 Турбопривод ГДК.

Конвертирование авиационных газотурбинных двигателей, отработавших свой ресурс на самолёте, в газотурбинные установки наземного применения впервые предложил академик Н.Д. Кузнецов. С начала 1970-х годов ОАО "Самарский научно-технический комплекс им. Н.Д. Кузнецова" разрабатывает на основе авиационных газотурбинных двигателей силовые приводы для газоперекачивающих агрегатов (ГПА) магистральных газопроводов. Первый газотурбинный привод для газовой отрасли НК - 12 СТ (мощностью 6,3 МВт, КПД 26,5 %) был создан на базе авиационного турбовинтового двигателя НК-12МВ, устанавливаемого на самолётах ТУ-95, ТУ-114, АН-22 "Антей", и начал эксплуатироваться на газоперекачивающих агрегатах ГПА - Ц - 6,3 с конца 1974 года. Опыт создания приводных агрегатов показал, что примерно 70-75 % основных узлов и деталей базового двигателя удаётся сохранить. Изменения проводятся в узлах, связанных с новым назначением изделия, сменой используемого топлива и появлением в составе конвертированного двигателя силовой турбины.

Позднее были начаты и интенсивно продолжаются в настоящее время работы по созданию энергетических установок с газотурбинными приводами (ГТП) на основе конверсии авиационных двигателей. Предпосылкой этому послужила необходимость замещения энергетических мощностей ТЭЦ, которые выводятся из эксплуатации в связи с физическим и моральным износом действующего оборудования.

Энергетические установки с газотурбинными приводами, созданными на основе авиационных газотурбинных двигателей, находят всё более широкое применение для выработки электрической, тепловой энергии и снабжения ими потребителей.

Целесообразность комбинированной выработки электричества и теплоты обусловлена экономией топлива при меньших капитальных затратах и существенно меньших сроках окупаемости оборудования.

При использовании в таких установках в качестве топлива природного газа обеспечиваются высокие экологические показатели, что позволяет размещать их не только в границах промышленной зоны, но и непосредственно в районах жилой застройки, тем самым сокращая потери теплоты при подаче его потребителю. В этом случае ГТП должен работать с использованием природного газа, избыточное давление которого в сетях II категории составляет от 0,3 до 0,6 МПа (3.6 кгс/см2), а в сетях I категории - от 0,6 до 1,2 МПа (6. 12 кгс/см ).

Для энергетических ГТП проблема заключается в обеспечении работоспособности при давлении природного газа в сети газоснабжения более низком, чем давление воздуха и продуктов сгорания в камере сгорания привода.

Целью работы является разработка математической модели рабочего процесса газотурбинного привода энергетической установки с учётом особенностей системы газоснабжения и исследование рабочего процесса авиационного ГТД, конвертированного в газотурбинный привод.

Основные научные результаты, полученные автором:

• разработана комплексная математическая модель и программа расчёта рабочего процесса газотурбинного привода энергетической установки на базе авиационного ГТД с различными вариантами системы газоснабжения, в том числе содержащей газодожимной компрессор;

• предложена форма представления характеристик дозирующих устройств системы газоснабжения на основе обобщения экспериментальных данных;

• выполнен анализ схемных решений системы газоснабжения газотурбинного привода энергетической установки на базе авиационного двигателя;

• исследована управляемость авиационного ГТД, конвертированного в газотурбинный привод, с различными системами газоснабжения и предложены критерии, определяющие условия проявления статической неустойчивости и возможные мероприятия по её устранению; • предложена методика оценки энергетических затрат на систему топливопитания с газодожимным компрессором и их влияния на показатели эффективности энергетической установки.

Практическая ценность работы:

Разработанная математическая модель и реализующая её программная система предназначена для применения на этапах проектирования научного исследования и доводки газотурбинного привода на базе авиационного ГТД с системой газоснабжения. Применение разработанных методов позволяет обосновать выбор схемных решений по критериям функциональных характеристик и управляемости (статической устойчивости) ГТП с системой газоснабжения.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Выполнена систематизация возможных схемных решений систем газоснабжения ГТП на основе авиационных двигателей и разработана комплексная математическая модель, позволяющая выполнять расчёт параметров и характеристик газотурбинного привода для следующих вариантов систем газоснабжения:

• с подачей газа непосредственно от сети;

• с системой, содержащей газодожимной компрессор с автономным приводом;

• с системой, содержащей энергетически связанный с газотурбинным приводом газодожимной компрессор (варианты механического привода ГДК от роторов газогенератора ГТП, силовой турбины ГТП и турбопривода ГДК).

2. Предложен и реализован эффективный метод построения алгоритма и программы расчёта рабочего процесса ГТП с различными системами газоснабжения, который заключается в использовании существующих универсальных программ расчёта рабочего процесса ГТД и ГТУ, автономного программного модуля расчёта параметров системы газоснабжения и управляющей программы, обеспечивающей согласование параметров ГТП и системы газоснабжения.

3. Предложена форма представления характеристик дозирующих устройств системы газоснабжения на основе обобщения экспериментальных данных по лабораторным продувкам на воздухе дозаторов подачи газа и анализа результатов опытно-промышленной эксплуатации ГТП-10/953.

4. Выполнено исследование особенностей работы газотурбинного привода ГТП-10/953, разработанного конвертированием авиационного ГТД типа Р95Ш с различными системами газоснабжения. Проведёнными расчётами установлено:

• работа ГТП-10/953 с полной загрузкой 10 МВт возможна только при подаче газа из сети I категории с абсолютным давлением на входе в систему газоснабжения Рг не менее 1,0 МПа. Сопоставление результатов расчёта показало удовлетворительную сходимость с экспериментальными данными испытаний ГТП-10/953 в составе энергетической установки ГТЭ-10/95 при подаче природного газа непосредственно от сети I категории;

• ГТП-10/953 с системой газоснабжения, содержащей турбоприводной газодожимной компрессор (схемы "ГДК-дозатор-ГТП" и "дозатор-ГДК-ГТП"), может проявлять свойства статической неустойчивости. Предложены критерии, определяющие условия, способствующие проявлению статической неустойчивости, и возможные мероприятия по её устранению;

• для варианта механического привода газодожимного компрессора схема "дозатор-ГДК-ГТП" более предпочтительна, так как может быть реализована с применением 2-3 ступенчатого редуктора. Для схемы "ГДК-дозатор-ГТП" потребное число ступеней редуктора значительно возрастает (более 5);

• при работе ГТП - 10/953 с системой газоснабжения, содержащий ГДК с энергопитанием от внешнего источника, в качестве силового агрегата можно использовать электрический двигатель или двигатель внутреннего сгорания. При избыточном давлении газа на входе в систему газоснабжения привода Рг = 0,3 МПа (3 кгс/см ) потребная степень повышения давления в газодожимном компрессоре тигдк ~ 3, необходимая мощность силового агрегата ~ 200 кВт. Снижение затрат мощности на привод ГДК на дроссельных режимах работы газотурбинного привода можно обеспечить введением программы управления газодожимным компрессором тигдк (О).

5. Произведена оценка энергетических затрат на систему топливопитания с газодожимным компрессором при различных уровнях параметров термодинамического цикла и их влияния на показатели эффективности энергетической установки. Снижение коэффициента полезного действия ГТП-10/953 в относительных величинах составляет: при турбоприводе ГДК - 2 %, при механическом приводе ГДК - 1,44 %, при автономном приводе ГДК - 1,45 %.1,61 %.

6. Применение разработанных методов расчётного исследования рабочего процесса ГТП на базе конвертированных авиационных двигателей с различными вариантами системы газоснабжения способствует принятию обоснованных схемных решений по критериям функциональных характеристик и управляемости (статической устойчивости) газотурбинного привода с системой газоснабжения.

97

1. Абрамович Г.Н. Прикладная газовая динамика. - М.: "Наука", 1969 - 824 с.

2. Алексенцев А. , Полатиди С. Опыт доводки по КПД ГТУ 4П // Газотурбинные технологии. 2002. № 1 (16). С. 30 - 31.

3. Борщанский В.М. Конверсионные работы по повышению эффективности ГТУ // Конверсия в машиностроении. 2000. № 5. С. 118 123.

4. Гиматудинов Ш.К., Ширковский А.И. Физика нефтяного и газового пласта.-М.: Недра, 1982.-326 с.

5. ГОСТ 29328 92. Установки газотурбинные для привода турбогенераторов. Общие технические условия. М.: Госстандарт России. - 18 с.

6. Гриценко Е.А. Горелов Г.М. Резник В.Е. Концепция проектирования перспективных авиационных и промышленных силовых установок // Изв. вузов. Авиационная техника. 1998. № 1. С. 7 19.

7. Гриценко Е.А. Направление конверсионных разработок в АО "СНТК им. Н.Д. Кузнецова // Конверсия в машиностроении. 1997. № 1. С. 36 42.

8. Гриценко Е.А. Направления конверсионных разработок ОАО "СНТК им. Н.Д. Кузнецова" для ТЭК // Конверсия в машиностроении. 1999. № 6. С. 55- 60.

9. Гриценко Е.А., Орлов В.Н., Павлов В.Е. Промышленные газовые турбины ОАО "СНТК им. Н.Д. Кузнецова" // Газотурбинные технологии. 2001. № 5(14). С. 12-14.

10. Гриценко Е.А., Орлов В.H., Павлов В.Е. Разработка малоэмиссионных камер сгорания для ГТУ авиационного типа // Газотурбинные технологии. 2001. № 6(15). С.6-11.

11. ГТУ-ТЭЦ "Шигили" с ГТЭС "Урал 2500 Р". Оценка соответствия основных параметров и характеристик. Технический отчет.- ОАО "Авиадвигатель", 2001. -45 с

12. Гуров В.И., Борщанский В.М. Основные направления конверсионных разработок ЦИАМ // Конверсия в машиностроении. 2000. № 5. С. 115-118.

13. Двигатели внутреннего сгорания. Теория рабочих процессов поршневых и комбинированных двигателей / Орлин A.C., Вырубов Д.Н., Ивин В.И. и др. Под ред. проф. A.C. Орлина. М.: Машиностроение, 1971, 400 с.

14. Дозатор газа стационарный ДГС. Технические условия ТУ 7551 2549 -07539813 - 98. ОАО НПП "ЭГА", 1998. - 12 с.

15. Елисеев Ю.С., Беляев В.Е., Косой A.C. Об использовании в наземных установках газотурбинных двигателей, серийно выпускаемых авиационной промышленностью // Конверсия в машиностроении. 2001. № 2. С. 28 32.

16. Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям / коэффициенты местных сопротивлений и сопротивления трения / М.-Л.: Госэнергоиздат, 1960. 464 с.

17. Ильичев Я.Т. Термодинамический расчет воздушно-реактивных двигателей. Технический отчет № 6186, ЦИАМ, 1969. 126 с.

18. Иноземцев А.А. Газотурбинные установки ОАО "Авиадвигатель" // Газотурбинные технологии. 2000. № 1. С. 24 -27.

19. Калиткин Н.Н. Численные методы. М.: "Наука", 1978. 512 с.

20. Каримов Т.Р. Математическое моделирование рабочего процесса газотурбинного привода ГТП-10/953 энергетической установки совместно ссистемой газоснабжения. Отчёт о научно-исследовательской работе. 953Д-79. ФГУП "НПП "Мотор", Уфа, 2002. 103 с.

21. Каталог газотурбинного оборудования // Приложение к журналу "Газотурбинные технологии". 2001. С. 30 41.

22. Каталог отечественных производителей и разработчиков электроэнергетического оборудования // Оборудование: рынок, предложение, цены. 2001. декабрь. С. 38 53.

23. Крайнов В.К, Салихов A.A. Повышение эффективности энергопроизводства. Анализ и пути реализации // Теплоэнергетика. 1997. № 11. С. 26-30.

24. Манушин Э.А. Комбинированные энергетические установки с паровыми и газовыми турбинами. // Итоги науки и техн. ВИНИТИ. Сер. Турбостроение. -1990.-Том 4.- 184 с.

25. Марчуков Е.Ю. Конверсия авиационного двигателя четвёртого поколения в стационарный привод газоперекачивающего агрегата // Изв. вузов. Авиационная техника. 1998. № 4. С. 80 84.

26. Методика оценки основных параметров газотурбинного привода ГТП -10/953 при работе в составе ГТЭ-10/95 КЦ-5 г. Ишимбая. Техническая справка. ОАО "Башкирэнерго", ФГУП "НПП "Мотор", 2000. 14 с.

27. Нечаев Ю.Н., Федоров P.M. Теория авиационных газотурбинных двигателей. В двух частях. М.: Машиностроение, 1977. 312 е., 336 с.

28. О конверсии мощных авиационных газотурбинных двигателей для стационарной энергетики / Р.З. Аминов, А.Б. Ковальчук, М.С. Доронин и др. // Теплоэнергетика. 1994. № 6. С. 59 62.

29. Ольховский Г.Г. Газотурбинные и парогазовые установки в России // Теплоэнергетика. 1999. № 1. С. 2 9.

30. Орлов В.Н. Газотурбинный двигатель авиационного типа НК-37 для электростанции // Теплоэнергетика. 1992. № 9. С. 27 31.

31. Орлов В.Н., Фишбейн БД. Результаты испытаний газотурбинных конвертированных двигателей авиационного типа НК-36СТ и НК-37 // Теплоэнергетика. 1996. № 4. С. 23 26.

32. Основы конвертирования авиационных ГТД в газотурбинные установки наземного применения: Учеб. пособие / Н.Д. Кузнецов, Е.А. Гриценко, В.П. Данилъченко, В.Е. Резник. Самар. гос. аэрокосм. ун-т. Самара, 1995.- 89 с.

33. Особое И.В., Особое В.И. Инвестиционная привлекательность проектов газотурбинных и парогазовых энергетических установок // Газотурбинные технологии. 2000. № 1. С. 5-10.

34. Отчёт по результатам стендовых испытаний на природном газе опытно -экспериментальной газотурбинной энергоустановки ГТЭ 10/95. ФГУП "НИИ "Мотор", 2001.-89 с.

35. Оценка расхода и параметров природного газа, потребляемого ТЭЦ ОАО "Башкирэнерго", для определения возможностей применения на ГРП турбодетандерной установки ТД 0,5/2. Техническая справка № 211/98 - 01. ОАО "Башкирэнерго", 1998. - 16 с.

36. Параметры и характеристики газотурбинного привода ГТП 10/953 - 001 (429953001) при работе на природном газе. Технический отчет № 953ДО - 007. -ФГУП "НПП "Мотор", 2000. - 54 с.

37. Паскаль для персональных компьютеров: Справ.пособие /Ю.С. Бородин, А.Н. Вальвачев, А.И. Кузьмич.-Мн.: Высш. шк.: БФ ГИТМП "НИКА", 1991.- 365 с.

38. Проблемы повышения эффективности авиационных двигателей, конвертируемых в газотурбинные установки наземного применения / Н.Д. Кузнецов, В.Е Резник В.П. Данильченко, Г.М. Горелов, В.Н. Орлов. II Изв вузов. Авиационная техника. 1993. № 2. С. 36 44.

39. Программный комплекс ГРАД. Версия 15.85. Руководство программиста. КАИ.37 15.33.2. Казань, 1986. - 176 с.

40. Равич М.Б. Топливо и эффективность его использования. М.: Наука, 1971. -232 с.

41. Равич М.Б. Упрощенная методика теплотехнических расчетов. Теплотехнические расчеты по обобщенным константам продуктов горения. М.: Наука, 1964.-366 с.

42. РД 153-34.1-30.106-00. Правила технической эксплуатации газового хозяйства газотурбинных и парогазовых установок тепловых электростанций. М.: РАО "ЕЭС России", 2001. - 87 с.

43. Роль природного газа в развитии малой энергетики / Л. С. Хрипев, И. А. Смирнов, Л.Г. Рафиков, ИМ. Хрилев II Газовая промышленность. 1997. № 4. С. 6770.

44. Рыжов A.A. Газовые турбины в энергетике республики Башкортостан // Энергосбережение в республике Башкортостан. Материалы второй научно-практической республиканской конференции. Часть I. Уфа, 1999.-С. 30-36.

45. Сакун H.A. Винтовые компрессоры. Основы теории, расчёт, конструкция. -М.: Машиностроение, 1970. 400 с.

46. Салихов A.A., Фаткуллин P.M. Экологические аспекты внедрения газотурбинных технологий в Башкирэнерго // Электрические станции. 2002. № 7. С. 15-19.

47. Скибин В.А., Солонин В.К, Борщанский В.М. ГТУ ТЭЦ на базе авиадвигателей - энергетический потенциал России // Конверсия в машиностроении. 1996. № 4. С. 30 - 34.

48. Скибин В.А., Солонин В.И., Цховребов М.М. Перспективы авиационных двигателей в развитии транспорта и энергетики // Конверсия в машиностроении. 1999. №2. С. 28-35.

49. СНиП 2.04.08 87. Газоснабжение. - 9 с.

50. Теория двухконтурных турбореактивных двигателей / Под редакцией С.М. Шляхтенко, В. А. Сосунова. М.: Машиностроение, 1979. 432 с.

51. Тепловой расчет котельных агрегатов. Нормативный метод. Издание 2. М.: Энергия, 1973.-74 с.

52. Тунаков А.П. Методы оптимизации при доводке и проектировании газотурбинных двигателей. М.: Машиностроение, 1979. - 184 с.

53. Фаворский О.Н. Малые ГТУ ТЭЦ реальная основа местного энергообеспечения и эффективной конверсии авиадвигателестроения // Конверсия в машиностроении. 1999. № 6. С. 11-15.

54. Фаворский О.Н. Создание высокотехнологичных малоразмерных газотурбинных установок путь развития энергетики России // Конверсия в машиностроении. 2000. № 5. С. 105 - 109.

55. Френкель М.И. Поршневые компрессоры. Теория, конструкция и основы проектирования. 3-е изд., перераб. и доп.: Л.: Машиностроение, 1969. 742 е.

56. Чепкин В.М., Марчуков Е.Ю., Куприк В.В. Опыт конверсии авиационного ГТД в стационарный // Газотурбинные технологии. 2000. №1. С. 30 32.

57. Черкасов Б.А. Автоматика и регулирование воздушно-реактивных двигателей. Изд. 3-е. Учебник для вузов, М.: Машиностроение, 1988. - 360 с.

58. Шерстюк А.Н. Компрессоры. М.- Л.: Госэнергоиздат, 1959. - 190 с.

59. Шитарев И.Л., Куприянов И.Л., Рижинский И.Н. Основные направления конверсии ОАО "Моторостроитель" в интересах топливно-энергетического комплекса России // Конверсия в машиностроении. 1999. № 6. С. 60-63.

60. Экологические показатели газотурбинной энергетической установки ГТЭ-10/95 на базе конвертированного авиационного двигателя / А.А Салихов, P.M. Фаткуллин, Т.Н. Гребенюк, В.Г. Габбасов II Теплоэнергетика. 1999. № 1. С. 60-63.

61. Энергетическое топливо СССР / ископаемые угли, горючие сланцы, торф, мазут и горючие природные газы /: Справочник / Вдовченко А. М. и др. М.: Энергоатомиздат, 1991. - 184 с.