автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.12, диссертация на тему:Совершенствование энергетических газотурбинных установок, используемых в Ливии, для повышения выработки электрической энергии

003468768

На правах рукописи

Абуд Нуреддин Атьяла Эль-фазаа

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ГАЗОТУРБИННЫХ УСТАНОВОК, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ В ЛИВИИ, ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ВЫРАБОТКИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ

Специальность - 05.04.12 - Турбомашииы и комбинированные турбоустановки

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 4 [/др, 2СС9

Санкт - Петербург - 2009

003468768

Работа выполнена на кафедре « Турбинные двигатели и установки » в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования « Санкт - Петербургский государственный политехнический университет ».

Научный руководитель: доктор техн. наук, профессор

Рассохин Виктор Александрович

Официальные оппоненты: доктор техн. наук кандидат техн. наук, доцент

Лебедев Александр Серафимович Фомин Виктор Александрович

Ведущая организация

ЗАО «Росэлектропром Холдинг»

Защита состоится « 26 » Мая 2009г. в Н>— час. на заседании диссертационного совета Д 212.229.06. ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет» по адресу: 195251, Санкт-Перербург, ул. Политехническая, д. 29, главное здание, ауд.118.

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке ГОУ ВПО « Санкт - Петербургский государственный политехнический университет ».

Автореферат разослан апреля 2009г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.229.06 доктор техн. наук, профессор

Кортиков Н.Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время в Ливии установленная электрическая мощность составляет 4708 МВт. Основными производителями электрической энергии являются тепловые электростанции с паротурбинными и газотурбинными установками. Для производства электроэнергии используются также электрические станции на базе двигателей внутреннего сгорания (ДВС), солнечные и ветровые электростанции.

С развитием экономики резко возрастает необходимость выработки электроэнергии. Причем одним из наиболее крупных потребителей электроэнергии становятся водоопреснительные станции. В настоящее время в Ливии подходит к завершению выполнение проектов по строительству водоопреснительных станций общей производительностью 190000 М3/день.

Для выработки электрической энергии предполагается использование альтернативных источников выработки энергии для покрытия пиковых нагрузок при электрификации отдалённых районов страны.

Для этого будут импортированы 370 солнечных электростанций общей мощностью 310 киловатт (140 из них уже работают в различных районах страны, остальные будут установлены в скором времени).

Для изучения возможностей использования энергии ветра в республике разрабатывается проект 10 экспериментальных ветряных электростанций в различных местностях страны; анализируется информация о целесообразности размещения объектов в данной местности в зависимости от розы ветров.

Общей установленной мощности явно недостаточно для решения поставленных перед энергетикой Ливии задач. Предполагаемое строительство солнечных и ветряных электростанций не обеспечивает необходимых высоких темпов развития энергетики.

Поэтому нужно создавать мощные тепловые электростанции традиционных типов, а также внедрять перспективные комбинированные установки, обладающие высоким коэффициентом полезного действия. Решить задачу повышения выработки электроэнергии можно не только за счет строительства новых электростанций, но и путем модернизации действующих. Поэтому в работе рассмотрены вопросы модернизации газотурбинных установок (ГТУ) на тепловых электростанциях.

Модернизация может быть осуществлена за счет создания комбинированных газопаровых установок на базе существующих в Ливии газотурбинных установок (ГТУ), а также за счет внедрения ряда мероприятий по впрыску воды или пара в компрессор и камеру сгорания ГТУ. Поэтому исследования в этой области являются актуальными для Ливии.

В таблице.1 приведены характеристики энергетических ГТУ, используемых в Ливии.

Таблица. 1

Основные характеристики ГТУ, установленных на газотурбинных станциях

Наименование станции. Модель Мощность, МВт(КО) КПД, % Температура газа при входе в ГТУ,К Температура газа при выходе из турбин °С Степень повышения давления Топливо Газообразное / жидкое.

ЗАУЯ СТ13Е2 165 35,7 1343 524 15 Газ/ж.

южный ТРИПОЛИ 0Т1303А 97 32,5 1263 474.7 12 Ж.

ХОМИС ОТ 13 Е1 150 34.5 1323 487.2 14 Газ /ж.

АЗОЕТИНА СТ8С 52,7 34.1 1373 516,85 17,7 Газ /ж.

Основной целью диссертационной работы является комплексное исследование вопросов повышения выработки электрической энергии на базе существующих в Ливии газотурбинных установок.

Достижение поставленной цели осуществлялось:

• путем изучения существующих в Ливии ГТУ, анализа структуры и объемов выработки электрической энергии на тепловых станциях с газотурбинными установками;

• обоснованием целесообразности реконструкции существующих газотурбинных установок (ГТУ) с целью их использования в составе газопаровых установок (ГПУ);

• расчетно-теоретическими исследованиями параметров ГПУ различной структуры;

• обобщением опытных данных, полученных при исследовании возможности повышения мощности и КПД ГТУ при впрыске воды или пара в газовоздушный тракт компрессора и в камеру сгорания.

Основные методы научных исследований.

• термодинамический анализ газопаровых установок различной структуры;

• разработка математических моделей котла-утилизатора и газопаровых установок в целом;

• анализ и обобщение опубликованных данных по впрыску воды или пара в проточную часть ГТУ.

Научная новизна

• разработка методов термодинамического анализа газопаровых установок

различной структуры;

• результаты исследования структуры тепловых схем ГПУ с одним, двумя и тремя уровнями давления с промежуточным перегревом пара или без него;

• обобщенные характеристики ГТУ при впрыске воды в проточную часть компрессора;

• обобщенные характеристики ГТУ при впрыске воды или пара в камеру сгорания;

• результаты исследования показателей применяемых в Ливии ГТУ при впрыске в их проточную часть воды или пара.

Достоверность исследований научных результатов достигается применением основных законов сохранения энергии и массы, обоснованием и обобщением надежных экспериментальных данных, а также сопоставлением полученных результатов с данными, опубликованными в технической литературе.

Практическая ценность работы. Разработаны рекомендации для модернизации ГТУ, установленных в Ливии, за счет:

• перевода их на работу в составе газопаровых установок;

• впрыска воды или пара в проточную часть ГТУ.

Реализация результатов работы. Разработанные рекомендации будут использованы в Ливии при модернизации электрических станций с газотурбинными установками различных моделей.

Автор защищает результаты исследований газотурбинных и газопаровых установок при их модернизации в условиях климата Ливии.

Личный вклад автора. Все методические разработки, обобщения опубликованных опытных данных и расчётно-теоретические исследования, результаты которых приведены в данной работе, выполнены непосредственно автором.

Публикации. По теме диссертация опубликовано 7 работ.

Структура и объем работы. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы. Основной текст изложен на 172 страницах, диссертация содержит 76 рисунков, 29 таблиц, список использованных источников, включающий 68 наименования.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цели исследования, приведены основные защищаемые положения, научная и практическая ценность работы, дано описание структуры диссертации.

В первой главе представлен обзор и современное состояние развития энергетики в Ливии. Приведена структура выработки энергии; рассмотрены объемы выработки электрической энергии на тепловых станциях в Ливии. С 1995г в энергосистеме Ливии не произошло увеличение установленной мощности при непрерывном росте потребности в электроэнергии. Приведены параметры газотурбинных установок, применяемых в Ливии для выработки электрической энергии.

Рис.1

Установленная электрическая мощность тепловых станций в Ливии.

ГОД*»

Рассмотрены основные пути повышения выработки электроэнергии на существующих газотурбинных установках в Ливии:

• применение бинарных газопаровых установок;

• впрыск воды в компрессор;

• впрыск воды или пара в камеру сгорания.

В последние годы газотурбинные и газопаровые установки заняли важное место в электроэнергетике мира. Уже много стран в мире применяют ГПУ с утилизационными котлами для новых электростанций, работающих на природном газе. Сейчас их КПД уже достиг 52 - 60 %. Поэтому исследования в области использования газопаровых установок для электростанций являются актуальными для Ливии.

Постановка задач исследования

В результате выполненного обзора и изучения состояния вопроса сформулированы цели работы.

Целью работы является повышение выработки электроэнергии за счет модернизации существующих в Ливии ГТУ.

Задачи исследования:

• изучение, выбор и обоснование модернизации существующих ГТУ путем преобразование их в ГПУ;

• На базе анализа, обработки и обобщения опубликованных опытных данных, определение влияния впрыска воды в проточные части компрессора на его мощность и на показатели ГТУ в целом.

• Выполнение сравнительного анализа влияния впрыска воды или пара в камеру сгорания на КПД и мощность ГТУ.

Во второй главе приведена обобщенная схема газопаровой установки, состоящая из газотурбинной части, паротурбинной части, котла-утилизатора и другого оборудования.

Паровой контур установки может быть выполнен по различным тепловым схемам:

• С одним уровнем давления пара (одноконтурная схема);

• С двумя или тремя уровнями давления пара (двух или трех контурные схемы).

Кроме того, каждая из перечисленных выше схем может содержать промежуточный перегрев пара.

Разработана система уравнений тепловых балансов котла-утилизатора, позволяющая выполнять расчеты парового контура любой сложности.

Рассмотрены математические модели и компьютерная программа для расчета показателей схемы ГПУ. Приведены результаты расчетных исследований для газопаровых установок (ГПУ) без промперегрева и с промперегревом.

Проведен обзор и анализ тепловых схем комбинированных газопаровых турбинных установок ГПУ, имеющих большое число вариантов использования, различающихся числом контуров по давлению пара (от одного до трех), наличием или отсутствием промежуточного перегрева пара. На Рис.2 показана обобщенная тепловая схема энергетической ГПУ (трехконтурная с промежуточным перегревом пара). Остальные варианты ГПУ рассмотрены при

описании модели и компьютерной программы.

Рис. 2 Трехконтурная тепловая схема ГПУ с промежуточным перегревом пара

кдатвп - утигиэатср

нагреватель

Где: В01, В02 - воздухоохладитель №1, 2; Д - деаэратор; К - конденсатор; КН -конденсатный насос; КС - камера сгорания; КД - камера дожигания ; ПНВД, ПНСД, ПННД - питательные насосы высокого, среднего, низкого давления; ПНД - подогреватель низкого давления; ЦВД, ЦНД - части высокого, низкого давления паровой турбины; ПТ - паровая турбина; ЭГ - электрогенератор.

Основные уравнения для проведения расчетного исследования комбинированных газопаровых установок:

Уравнения теплового баланса котла — утилизатора

Сг Г.ВХ ~ Г.ВЫХ №ку = (С„, — С0ХЛъГТд Х^ЯЯ ~ ^ВЫХ.ЦВД ) Ся, — ^пввд )

+Сл2(/гл2 —Ьпвсд) + Сяз(/гдз — ЬШщ) + С'ПВ{ЬВЫХПАГ ~^вхшг)

■ й1П + в п2 + С„з О и д ,

(2)

где

б, - расход газа при выходе из ГТД;

б,;,, б,,,, в

л2>«//з- расход пара высокого (ВД), среднего (СД), низкого (НД) давления соответственно;

б,,,, - расход отбора пара на деаэратор;

Сохл.ггд'Спв> " расход пара на охлаждение ГТД, расход питательной воды;

т]Ку - КПД котла - утилизатора;

¿г.вх<-1г.вых ' энтальпия газа при входе и выходе из котла-утилизатора;

- энтальпия пара ВД, СД, НД, и промперегрева; Ьцвнд > Ь/шсл> Ьцвид - энтальпия питательной воды ВД, СД, НД; Ьвых.цвд ' энтальпия пара на выходе из ЦВД; ^вхлиг'^шх.шг " энтальпия воды на входе и выходе из нагревателя. Уравнения теплового баланса контура высокого давления (ВД) Уравнение промперегрева

& Г Аг.ВХ ~ ГНИ ~ 6ОХЛ.1ТД )(*„„ ~~ ^ВЫХ.ЦВД )

Уравнение пароперегревателя контура ВД

г.ни ~^г.и\)Пт ~~^илс.вд)' (4)

Уравнение испарителя контура ВД

GAJr.ni-}г.т)Пи\ = Кц&т(хх.г-Ькшщ), (5)

уравнение экономайзера контура ВД

ОгУг.т -Jr:з^)Лэ^ = -АЛшад), (6)

где

¿г/шА/щАгтА,.;, - энтальпия газа за промперегревателем, пароперегревателем ВД, испарителем ВД, экономайзером ВД;

Чпп^т'От'Ъх'" коэффициент, потерь теплоты в пароперегревателе ВД, испарителе ВД и в экономайзере ВД;

Кщ - кратность циркуляции ВД;

Ьшс.вд'Ь-м - энтальпия насыщенного пара ВД, воды при выходе из экономайзера ВД; г - удельная теплота парообразования;

XI - степень сухости пара при выходе из испарителя ВД; где Х] = ——

Кц\

Д- перепад энтальпии, соответствующий недогреву воды до температуры насыщения в экономайзера ВД.

Уравнения теплового баланса контура среднего давления (СД) Уравнение пароперегревателя контура СД

~Jr.ln)rllll ~ЬцЛС.Сд)> (7)

Уравнение испарителя контура СД

Gr(Jr,n-JrИ2)!^И2 = кц1о„2(х2.г-Мцпт), (8)

Уравнение экономайзера контура СД

бгАг.И! -J 1-31)1 Э2 =^Ц2°П2(/1Э2 ~ М тсд)> (9)

где

Jг.тАгмгАг.э2 " энтальпия газа за пароперегревателем СД, испарителем СД, экономайзером СД;

;/П2,/;„2,7;э2, - коэффициент, потерь теплоты в пароперегревателе СД, испарителе СД и в экономайзере СД;

Кц2 - кратность циркуляции СД;

кшссд,кЭ2 - энтальпия насыщенного пара СД, воды при выходе из экономайзера СД;

х2 - степень сухости пара при выходе из испарителя СД; где; х2 = —--

КЦ2

Д/12т-7 - перепад энтальпии, соответствующий недогреву воды до температуры насыщения в экономайзера СД.

Уравнения теплового баланса контура низкого давления (НД) Уравнение пароперегревателя контура НД

вг (/г з2 - Jг „з )77п2 = (Алз - кнлс т), (10)

Уравнение испарителя контура НД

°Г (Л./73 - ■] Г.11} )>1,П = Кт °ПЗ (хз -г-^нщ)' (11)

Уравнение экономайзера контура НД

@ г С^гя з — ^г.зз )7эз = 0Лз (йэз — £ЛПВНД), (12)

где

•Л-.лз>-Л-.из>Л-.эз - энтальпия газа за пароперегревателем НД, испарителем НД, экономайзером НД;

1т > Пт' 1эг " коэффициент, потерь теплоты в пароперегревателе НД, испарителе НД и в экономайзере НД;

К,п - кратность циркуляции НД;

ЬНАСНД,кэз - энтальпия насыщенного пара НД, воды на выходе из экономайзера НД;

степень сухости пара при выходе из испарителя НД; где; Хъ=—_

КЦ 3

ДАзнед Д Ь 3№/ - перепад энтальпии, соответствующий недогреву воды до температуры насыщения в экономайзера НД. Уравнение мощности и КПД цилиндра высокого давления (ЦВД)

(13)

чт=г,Г-пГ, (И)

где

Нцвд - эффективная мощность ЦВД;

- расход пара в ЦВД; Н"°д - изоэнтропийный перепад энтальпии в ЦВД; пш - эффективный КПД ЦВД;

ч'т > ч'мЛ " внутренний, механический КПД соответственно. Уравнение мощности и КПД цилиндра низкого давления (ЦНД) с отборами пара

Мцнд = [(Сш + 0П2 + СПЗ).НГ - ОалН™ -Олмнд.Н^1пцнл, (15)

чцнд=^4Щ- ' (16)

где

Ытд - эффективная мощность ЦНД; Огп - расход пара на выходе из контура НД; Опд, Оп шц - расход отборов пара на деаэратор и подогреватель НД; Н"а ,Н я'1 - недоиспользованные перепады энтальпии; Н1<!нд - изоэнтропийный перепад энтальпии пара в ЦНД; т]цнл - эффективный КПД ЦНД;

, г)1™ - внутренний, механический КПД ЦНД соответственно. Уравнения подогревателя низкого давления (ПНД)

^п.пнд -О1плх ~~ ^л.шх = &пв-(Ьвяых ~ ^в.вх )> (17)

где

Оппнд, вт - расход отбора пара на ПН Д, питательной воды;

К"вх' КТых - энтальпия пара на входе и выходе из ПНД;

КТых^Твх - энтальпия воды на входе и выходе ПНД;

цпт - коэффициент загрязнения теплообменной поверхности ПНД.

Выбор параметров паровых турбин комбинированных установок

Для выбора паротурбинных установок (ПТУ) комбинированного цикла был проведен анализ КУ.

Как известно, в бинарных ГПУ наибольшее КПД соответствует максимальной мощности паровой турбины. Влияние температуры и давления пара приведены на рис.3. Каждому значению температуры пара перед турбиной будет соответствовать оптимальное давление пара, при котором мощность паровой турбины достигает максимальной величины. ^асп=ОпН0 = вг

рис.3 Влияние температуры и давления пара на располагаемую мощность паровой турбины.

N Росп - располагаемая мощность; Оп- расход пара; Но- перепады энтальпии в турбине; (1 - относительный расход пара; вг-расход газа за ГТУ.

Расчеты выполнены для следующих вариантов: ГТУ (СГ130, ОТ13Е1 и ОТ13Е2) параметры, которых приведены в таблице 1.

Выполнен термодинамический анализ тепловых схем бинарных ГПУ с паровым контуром различных структуры. Были проанализированы конденсационные ГПУ с промперегревом пара и без него, для них рассматривались схемы с различным количеством парогенирующих контуров и при одинаковых давлениях и температурах пара. Кроме того, было рассмотрено влияние на КПД совершенства рабочего процесса в паровой турбине и некоторых связей между паротурбинной частью и ГТУ.

Показатели ГПУ с промперегревом пара и без него в одно-, двух- и трехконтурных схемах при следующих начальных параметрах пара:

для ГТУ вТИБ (5,5 МПа, 459,17 °С) давление в конденсаторе 6 кПа; для ГТУ ОТ13Е1 (7,0 МПа,472,2 °С) давление в конденсаторе 5 кПа; для ГТУ ОТ 13 Е2 (8,5 МПа, 504 °С) давление в конденсаторе 6 кПа при различном давлении пара за вторым контуром и одинаковом давлении промперегрева пара.

На рис 4, 5, 6 приведены результаты расчетного исследования тепловых схем ГПУ с промперегревом и без него при использовании различного числа контуров.

47

>' 46

С |_

д 45 44 43 42

количества контуров

Рис.4 Влияние количества контуров на КПД (КГПТУ без промперегрева и с промперегревом)(СТ 130)

53 52 51

^ 50 >

Е 49 Ч

ё 48

47

46 45

1 БЕЗ ПП

51,74

49,79

50,32

количества контуров

Рис.5 Влияние количества контуров на КПД (КГПТУ без промперегрева, с промперегрсвом)(ОТ 13Е1)

55 ■ 54 53 ■

52 -

>

51 -

Ч

Е 50 ■ 49 -48 -47 4-

1 БЕЗ ПП

т-стп—

-50,34

-52436—

50,06

количества контуров

Рис.6 Влияние количества контуров на КПД (КГПТУ без промперегрева, с промперегревом) (ОТ13Е2)

В результате расчетного исследования установлено:

Переход с одного контура до второго без промперегрева увеличил КПД на 1,5 % и за счет этого - экономию топлива на 3 %. В установках с промежуточным перегревом пара переход с одноконтурной схемы на двухконтурную не приводит к экономии топлива. Промежуточный перегрев пара целесообразен в установках с тремя контурами пара в тоже время. Применение в ГПУ трех контуров пара без его промежуточного перегрева нецелесообразно.

На основе анализа полученных результатов рекомендовано для установок (П131Х ОТ13Е1 применять двухконтурные схемы без промежуточного перегрева пара, так как температура газа за турбиной недостаточна для применения более сложных схем парового контура. В ГПУ выполненной на базе ОТ13Е2 применение трехконтурной схемы с промежуточным перегревом пара повышает КПД на 4,3 % по сравнению с КПД одноконтурной схемы. Однако, целесообразность такого решения требует дополнительного экономического обоснования.

Третья глава посвящена изучению и обобщению опубликованных опытных данных влияния впрыска воды в проточные части компрессора на мощность и КПД ГТУ.

В приведенных исследованиях были получены и обобщены опытные данные о значительном увеличении мощности и экономичности работы газотурбинной установки при впрыске воды в проточные части компрессора (см. рис.7а,76).

Анализ результатов обобщения опытных данных показал, что:

По сравнению с сухим сжатием, составляющим при впрыске воды §вПр-~ 0,5 % на входе в компрессор, по данным российских ученых мощность

установки можно увеличить на 7,5 %, экономичность.....на 3,5 %; при впрыске

воды ^влр*" 0,7 % на входе в компрессор и в пятую ступень по данным расчетного эксперимента на ГТ -009 можно увеличить мощность установки на

10,8 %, экономичность - на 3 %; при впрыске воды gBnp.= 0,8 % на входе в компрессор и в третью ступень по данным расчетного эксперимента па 1ТК-10—4 можно увеличить мощность установки на 12 %, экономичность - на 3,2 %; при впрыске воды gBn,,.:"- 1 % по данным Берковича A. JI. можно увеличить мощность установки на 10,5 %, экономичность - на 3 %. По данным Yufeng Sun можно увеличить мощность установки на 20 %. При впрыске воды gunp.= 2 % в КВД по данным Берковича А. Л. (ГТ - 400 - 750 - 2) можно увеличить мощность установки на 10 % и КПД установки - на 4,6 %, по данным Берковича А. Л. (ГТЭ - 150) можно увеличить мощность установки на 18 % и КПД установки - на 4,1 %, и при впрыске воды gBnp-= 0,25 % по данным трудов ЦНИИМФ (ГТУ - 20) можно увеличить КПД установки на 2,5 %. 4îU Ne

5 ----- 1,3]-----

' '.S Geiip.,% 2

Рис.7а Влияние впрыска воды в компрессоре на КПД ГТУ ® - По данным трудов ЦНИИМФ (ГТУ -20) при впрыске воды в КВД. Ф - По данным российских ученых при впрыске воды на входе в компрессор из

™ По данным Берковича Л. Л. ГТУ (ГТЭ - 150) при впрыске воды в КВД

0,3------

0,8 -----

0,0 0,5 1,0 1,5 Gtttp.,% J O

Рис.76 Влияние впрыска воды в компрессоре на мощность ГТУ

L1 - Для ГТ - 009 при впрыске воды на входе в компрессор и в пятую ступень.

- Для ГТК - 10 - 4 при впрыске воды на входе в компрессор и в третью ступень. Ф - По данным ПРОФ. Yufeng Sun.

-i- - По данным ГТУ Берковича А. Л. (ГТ -400 - 750 2) при впрыске воды в КВД.

В работе было проведено исследование влияния температуры наружного воздуха на КПД и мощность ГТУ:

Были произведены расчеты при 15°С по программе А20ТР. На всех грех установках (0Т130,СТ13Е1,СтТ13Е2) достигается максимальная нагрузка, увеличение температуры наружного воздуха больше нормы влияет на КПД и мощности установок (см. рис.8):

Me,(МВт) 170

160 150 140 130 120 110 1 00 90 80 70

ЗТ13Е2

»Т13Е1

GT 13 С

Рис.8 Влияние температуры наружного воздуха на мощности

ГТУ ,(GT 13 D,GT 13 Е1, GT13E2)

Установлено:

- для ГТУ типа GT13D при увеличении температуры наружного воздуха до 25°С КПД уменьшается на 2,15 %, мощность - на 7,2 %. При увеличении температуры наружного воздуха до 35°С КПД уменьшается на 4,61 %, мощность - на 14,2 %. При увеличении температуры наружного воздуха до 40°С КПД уменьшается на 5,89 %, мощность - на 18,6 %. При увеличении температуры наружного воздуха до 47°С КПД уменьшается на 7,69 % , мощность - на 22,2 %.

- для ГТУ типа GT13E1 при увеличении температуры наружного воздуха до 25°С КПД уменьшается на 2,3 %, мощность - на 7 %. При увеличении температуры наружного воздуха до 35°С КПД уменьшается на 4,4 %, мощность

- на 13,8 %, При увеличении температуры наружного воздуха до 40°С КПД уменьшается на 5,5 %, мощность - на 17,2 %. При увеличение температуры наружного воздуха до 47°С КПД уменьшается на 7,3% , мощность - на 21,8 %.

- для ГТУ типа GT13E2 при увеличении температуры наружного воздуха до 25 °С КПД уменьшается на 2 %, мощность - на 7,2 %. При увеличении температуры наружного воздуха до 35°С КПД уменьшается на 4,2 %, мощность

- на 14 %. При увеличении температуры наружного воздуха до 40°С КПД уменьшается на 5,3%, мощность • на 17,2 %. При увеличении температуры наружного воздуха до 47°С КПД уменьшается на 7 % , мощность на 21,8 %.

Далее для трех установок (GT13D,GT13EI,GT13E2) была произведена оценка впрыска воды в проточные части компрессора, получены следующие результаты:

- для ГТУ типа GT13D при впрыске 0,5% воды, мощность увеличивается с 97 МВт до 104,275 МВт, при впрыске 1 % воды, мощность увеличивается до 107,185 МВт, при впрыске 2 % воды, мощность увеличивается до 114,46 МВт.

При впрыске 0,25 % воды наблюдается повышение КПД с 32,5 % до 33,312 %, при впрыске 1% воды КПД повышается до 33,475%, при впрыске 2% воды КПД повышается до 33,832 %,

- для ГТУ типа GT13E1 при впрыске 0,5 % воды мощность увеличивается с 150 МВт до 161,25 МВт, при впрыске 1 % воды мощность увеличивается до 165,75 МВт, при впрыске 2 % воды мощность увеличивается до 177 МВт.

При впрыске 0,25 % воды наблюдается повышение КПД с 34,5 % до 35,362 %, при впрыске 1 % воды КПД повышается до 35,535 %, при впрыске 2 % воды КПД повышается до 36,087 %,

- для ГТУ типа СПЗЕ2 при впрыске 0,5 % воды мощность увеличивается с 165 МВт до 177,375 МВт, при впрыске 1 % воды мощность увеличивается до 182,325 МВт, при впрыске 2 % воды мощность увеличивается до 194,7 МВт (см. рис.9).

При впрыске 0,25 % воды наблюдается повышение КПД с 35,7 % до 36,592 %, при впрыске 1 % воды КПД повышается до36,771 %, при впрыске 2 % воды КПД повышается до37,342 %.

Ме,(М Вт)

Рис.9 Влияние впрыска воды на мощность ГТУ,(СТ 1 ЗВ,СТ 13 Е1, СПЗЕ2)

Б Впр.%

0,5 1.0 1,5 2,0

Суммарная эффективность применения впрыска воды или пара в проточные части ГТУ

1 + ды

1 + ь<2опг. + де

где

А N - увеличение мощности при впрыске; &д0ПР - количество теплоты затраченной на подготовку воды;

Д£?ли - количество теплоты, выделяемое в камере сгорания.

д ё~ = - " " 7 ' '

е. 7

где

Д(} - экономия топлива; ц - КПД при впрыске; - номинальный КПД.

Для Ливии применение впрыска очень благоприятно, так как преобладает очень высокая средняя температура окружающего воздуха почти весь год, кроме зимы (25 - 37 °С) (см. рис. 11а).

Поскольку средняя годовая температура воздуха в Ливии (около 30°С) выше, чем температура, предусмотренная 1502314, мощность ГТУ снижается на 8 - 9 %, а КПД - на 2 - 2,5 % (см. рис.10). Это обстоятельство делает задачу модернизации газотурбинных установок с целью повышения их мощности и КПД более актуальной.

1.18 1.16 1.14 1.12 1.1 1.С8

0,99 0.99 0,94 0,92

0,84

0,82 о.в 0.78 0,78 0.74 0.72

—

N

^4

N

po^ver онШШ ах венггпип Ч

N

рис.10 Влияние

температуры воздуха на выходную мощность и КПД ГТУ

•15 -10 .5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45*0 .50

Как известно, мощность ГТУ зависит от к.в., средняя годовая температура наружного воздуха в Ливии около 30°С. Как следует из графика относительной мощности и КПД ГТУ (рис.11а,б), мощность ГТУ снижается на 8-9 % а КПД на (2 - 2,5 %) по сравнению с номинальной мощностью и КПД ГТУ при 1н.в=15°С. Снижение мощности можно скомпенсировать за счет впрыска воды в проточные части компрессора. Это позволяет в течение всего года в независимости от 1н.в. поддержать мощность ГТУ, равную ее номинальной величине. Даже при максимальной и.в=А1°С количество впрыска воды не превышает 2 %. Как показано в работе Берковича А. Л. современный ГТУ допускает впрыск в компрессор такого количества впрыска воды. Если впрыск воды в количестве 2 % осуществляется в течение всего года, то такой режим обеспечивает максимальную мощность ГТУ, достигающую величины 1,2 при минимальной 1н.в.=:150С.

1000 3000 ЗООО 4000 «000 7000 --- ----

продолжительность, часы 0 1000 :т 3000 4000 5000 6000

пр|щ>л1И1елыпс1ь,часы

Рис.Па Изменение относительной мощности Рис.116 Изменение относительной КПД ГТУ в течение года, где: №пах - максимальная ГТУ в_течение года относительная мощность_ ГТУ с впрыском Где: г|( Ыпшк) - относительной КПД ГТУ воды в компрессор; N0 .относительная приМтах; г|( N0=1)-относительнойКПД мощность ГТУ без впрыска воды в ГТУ при номинальной мощности с компрессор; Ы.в.- температура наружного впрыском воды_в проточные части воздухад -часы в год. компрессора; аг|( N0) - относительной

КПД ГТУ без впрыска воды.

В четвертой главе проводится численный анализ влияния различных впрысков воды или пара в камеру сгорания газотурбиной установки (ГТУ). Были проанализированы результаты исследования энергетических показателей rTy(GT13D,GT13El,GT13E2), которые позволяют сделать следующие выводы: Впрыск пара в камеру сгорания ГТУ приводит к росту мощности газотурбинной установки (ГТУ) в целом. Так увеличение доли экспериментального впрыска со 3 кг/с до 6 кг/с приводит к росту мощности ГТУ GT13D до 99,91 МВт и 102,82 МВт соответственно. Впрыск пара 9 кг/с приводит к росту мощности ГТУ до 104,76 МВт. А для ГТУ типа GT13E1, прн впрыске пара со 3 кг/с до 6 кг/с приводит к росту мощности ГТУ до 154,5 МВт и 159 МВт соответственно. Впрыск пара 9 кг/с приводит к росту мощности ГТУ до 162 МВт. И для ГТУ типа GT13E2 впрыск пара со 3 кг/с до 6 кг/с приводит к росту мощности ГТУ до 169,95 МВт и 174,9 МВт соответственно. Впрыск пара 9 кг/с приводит к росту мощности ГТУ до 178,2 МВт (см.рис. 13).

Впрыск воды в камеру сгорания ГТУ приводить к росту мощности газотурбинной установки (ГТУ) в целом. Хотя при этом возможно снижение экономичности ГТУ в зависимости от температуры впрыскиваемой воды по данным фирмы ABB (рис. 14,15).

Впрыск в камеру сгорания ГТУ типа GT13D 1% воды приводит к росту мощности газотурбинной установки ГТУ на 3,5 % до 100,39 МВт и к снижению КПД установки со 32,5 % до 32,17 %. Впрыск 2 % воды приводит к росту мощности газотурбинной установки ГТУ на 7 % до 103,79 МВт и к снижению КПД установки до 31,85 %. Впрыск 3 % воды приводит к росту мощности газотурбинной установки ГТУ на 10,5 % до 107,18 МВт и к снижению КПД установки до 31,36 % (см. рис. 13,14).

Впрыск в камеру сгорания ГТУ типа GT13E1 1 % воды приводит к росту мощности газотурбинной установки на 3,5 % со 150 МВт до 155,25 МВт и к снижению КПД установки со 34,5 % до 34,15 %. Впрыск 2 % воды приводит к росту мощности газотурбинной установки на 7 % до 160,5 МВт и к снижению КПД установки до 33,81 %. Впрыск 3 % воды приводит к росту мощности газотурбинной установки на 10,5 % до 165,75 МВт и к снижению КПД установки до 33,29 % (см. рис.14,15).

Впрыск в камеру сгорания ГТУ типа GT13E2 1 % воды приводит к росту мощности газотурбинной установки ГТУ на 3,5 % со 165 МВт до 170,77 МВт и к снижению КПД установки со 35,7 % до 35,34 %. Впрыск воды 2 % приводит к росту мощности газотурбинной установки ГТУ на 7 % до 176,55 МВт и к снижению КПД установки до 34,98 %. Впрыск воды 3 % приводит к росту мощности газотурбинной установки ГТУ на 10,5 % до 182,32 МВт и к снижению КПД установки до 34,45 % (см. рис. 14,15).

Рис.

зв

35 34 33 32 31 30

0,0 0.5 1,0 1.5 2.0 2,5 3,0 Евпр,вод,%

Рис.15 Влияние впрыска воды в КС на КПД ГТУ (СТ13 О,ОТ 1ЗЕ1 .вТ 13 Е2)

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основании выполненных теоретических исследований и анализа результатов расчетов можно сделать следующие выводы:

1. В работе показана возможность повышения выработки электрической энергии на существующих газотурбинных установках (ГТУ), установленных в Ливии за счет надстройки их паротурбинными установками либо за счет впрыска воды или пара в проточные части ГТУ.

2. На основании выполненных расчетов показано, что путем реконструкций и модернизации газотурбинных установок, работающих в Ливии, их КПД и мощность может быть увеличена за счет применения комбинированных циклов на (35 - 52 %) в зависимости от числа контуров пара и наличия промежуточного перегрева:

• Установлено влияние количества контуров пара на КПД ГПУ на базе ОТ 13В без промежуточного перегрева пара. Переход от одного контура к двум повышает КПД на 1,46 %, а к трем - еще на 0,49 %. И аналогично для ОТ13Е1, ОТ13Е2.

13 Влияние впрыска пара в КС на мощность Рис. 14 Влияние впрыска воды в КС на ГТУ(аТ130,СТ13Е1,0Т13Е2) мощность ГТУ(СТ130,0Т13Е1,СТ13Е2)

а-

• Установлено влияние количества контуров пара на КПД ГПУ на базе GT13D с промежуточным перегревом пара. Переход от одного контура к двум повышает КПД па 1,79 %, а к трем - еще на 1,83 %. И аналогично для GT13E1, GT13E2.

• На базе ГТУ типа (GT13D) за счет применения комбинированных газопаротурбинных установок (ГПУ) без промежуточного перегрева пара

и одного контура мощность увеличивалась до 37,67 %, при двух контурах - до 42,16 %, при трех контурах - до 43,66 %, а за счет применения промежуточного перегрева пара и одного контура - до 36,8 %, при двух контурах - до 42,32 %, при трех контурах - до 47,95 %.

• На базе ГТУ типа (GT13E1) за счет применения комбинированных газопаротурбинных установок (ГПУ) без промежуточного перегрева пара

и одного контура мощность увеличивалась до 39,36 %, при двух контурах - до 44,33 %, при трех контурах - до 45,87 %, а за счет применения промежуточного перегрева пара и одного контура -до 38,42 %, при двух контурах - до 44,56 %, при трех контурах - до 49,97 %.

• На базе ГТУ типа (GT13E2) за счет применения комбинированных газопаротурбинных установок (ГПУ) без промежуточного перегрева пара и одного контура мощность увеличивалась до 41 %, при двух контурах - до 45,27 %, при трех контурах - до 47,53 %, а за счет применения промежуточного перегрева пара и одного контура - до 40,24 % ,при двух контурах - до 47,09 %, при трех контурах - до 52,27 %.

3. Определено значительное влияние температуры наружного воздуха на мощность и КПД установок. Так, при температуре наружного воздуха 47°С снижение мощности и КПД может достигать 21 и 7 % соответственно. Уменьшение данных показателей установок можно существенно компенсировать впрыском воды в проточную часть компрессора. Так, впрыск 2% воды даст увеличение мощности и КПД на 18 и 4,1 % соответственно.

4. Анализ результатов экспериментального исследования впрыска пара в камеру сгорания ГТУ приводит к росту мощности газотурбинной установки (ГТУ) до 8 % в целом. А при впрыске воды до 3 % приводит к росту мощности ГТУ до 10,5 % и к снижению КПД до 1,3 % соответственно.

5. Показана целесообразность применения впрыска воды или пара в проточной части ГТУ, что способствует снижению тепловых и химических вредных выбросов в окружающую среду.

6. Результаты анализа были протестированы с помощью компьютерной программы, написанной на языке Visual Basic 5.0. Данную программу рекомендуется использовать при расчете ГПУ.

7. На основе анализа проведенных расчетов рекомендовано для установок GT13D, GT13E1 применять схемы двух контуров без промперегрева, так как температура газа за турбиной недостаточна для применения более сложных схем парового контура. В ГПУ на базе GT13E2 можно применять трехконтурную схему с промежуточным промперегревом пара. Однако

целесообразность такого решения требует дополнительного экономического обоснования.

8. Рекомендуемая реконструкция и модернизация газотурбинных установок, установленных в Ливии, дает возможность увеличить суммарную мощность:

• переход на газопаровые установки позволяет увеличить установленную мощность на -15 %.

• впрыск воды или пара в проточные части ГТУ может увеличить мощность на ~ 4,2 %. Рекомендуется использовать впрыск воды на входе в компрессор ГТУ и впрыск пара в камеру сгорания ГТУ. Не рекомендуется использовать впрыск воды в камеру сгорания ГТУ.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Абуд, Н. А. Основные пути повышения выработки электрической энергии на тепловых станциях Ливни / Н. А Абуд /У Научно - технические ведомости СПБГПУ. — 2007. — Т. 1, № 4. — С. 211 - 216.

2. Абуд, Н. А. Расчетное исследование повышения экономичности ПГУ на базе ГТУ GT13E1 / Н. А. Абуд, В. А. Рассохин // Научно - технические ведомости СПБГПУ. — 2008. — к 3. — С. 241 - 246.

3. Абуд, Н. А. Повышение экономичности газопаровых установок на базе ГТУ / Н. А. Абуд, В. А. Рассохин // Научно - технические ведомости СПБГПУ. — 2008,— №6,— С. 102- 108.

4. Абуд, И. А. Расчетное исследование повышения экономичность ПГУ па базе ГТУ GT13D, (фирма ABB) / II. А. Абуд, В. А. Рассохин // Фундаментальные исследования и инновации в технических университетах : материалы Всероссийской конференции по проблемам науки и вышей школы. 14 мая 2008 года. - СПб.: Изд-во Политехи, ун-та, 2008. —С. 179 - 181.

5. Абуд, Н. А.. Исследование повышения экономичности ПГУ на базе ГТУ GT13E2.[ Электронный ресурс] / Н. А. Абуд, В. А. Рассохин . —Элекрон. Текстовые дан. (1 файл: 2,126МБ). — СПб, СПбГПУ. — http ://www.uni lib.neva.ru/dl/local/1593.pdf

6. Абуд, Н. А. Исследование показателей газотурбинной установки с впрыском воды в проточную часть компрессора / Н. А Абуд., В. А.Рассохин. // XXXVII неделя науки СПбГПУ. Ч. III: материалы межвуз. науч. конф.— СПб.: Изд-во Политехи. Ун-та, 2008. —С. 35 - 36.

7. Абуд, Н. А. Исследование показателей газотурбинной установки с впрыском воды или пара в проточные ГТУ. Том 1 / Н. А Абуд, // Материалы XVI Международной научно — методической конференции. — СПб.: Изд-во Политехи. Ун-та, 2009 — С.405 — 406.

Лицензия ЛР № 020593 от 07.08.97

Подписано в печать 22.04.2009. Формат 60x84/16. Печать цифровая. Усл. печ. л. 1,0. Уч.-изд. л. 1,0. Тираж 100. Заказ 4335Ь.

Отпечатано с готового оригинал-макета, предоставленного автором, в Цифровом типографском центре Издательства Политехнического университета. 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул., 29. Тел.: (812)550-40-14 Тел./факс: (812) 297-57-76

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ СОКРАЩЕННЕЙ

ВВЕДЕНИЕ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

ГЛАВА 1: Состояние и развитие энергетики в Ливии. Обзор и анализ тепловых схем комбинированных газопаровых турбинных установок.

1 Состояние и развитие энергетики в Ливии

1.1 Предстоящие проекты по производителям электроэнергии

1.1.1 Проекты линий электропередач

1.1.2 Использование солнечных электростанций.

1.1.3 Изучение возможностей использования энергии ветра в республике

1.2 Современное состояние и перспективы использования газопаровых установок

1.3 Комбинированные установки на базе ГТУ

1.4 Типовые тепловые схемы энергетических комбинированных установок с промперегревом пара и без него и разным числом контуров

1.5 Основные производители энергетических комбинированных установок

1.6 Постановка и задачи исследований

ГЛАВА 2: Теоретическое исследование возможностей построения газопаровых установок на базе существующих в Ливии ГТУ.53 2.1 Тепловые схемы и основные характеристики ГТУ.

2.1.1 Тепловая схема одновальной ГТУ простого типа.

2.1.2 Тепловая схема ГТУ с охлаждаемой высокотемпературной турбиной

2.1.3 Определение параметров рабочего процесса в характерных сечениях проточной части ГТУ при использовании стандартного углеводородного топлива.

2.2 Уточнение параметров рабочего процесса и характеристик ГТУ при учете зависимости теплоемкости рабочего тепла от температуры

2.3 Влияние характеристик ГТУ на КПД и располагаемую мощность за турбиной

2.4 Выбор параметров паровых турбин комбинированных установок.

2.5 Показатели котла-утилизатора

2.6 Математические модели

2.6.1 Газопровые установки с котлом - утилизатором

2.6.2 Расчёт энтальпии продуктов сгорании

2.6.3 Основные уравнения для теплофизических свойств воды и водяного пара

2.6.4 Дополнительные уравнения для теплофизических свойств воды и водяного пара

2.7 Теплообмен в котле - утилизаторе

2.8 Расчетное исследование возможности повышения экономичности газопаровых установок на базе ГТУ GT13D,GT13E1,GT13E2 .Ill

ГЛАВА 3: Исследование показателей работы компрессора и ГТУ в целом при впрыске воды в компрессор

3.1 Результаты исследований показателей работы компрессора при впрыске воды

3.2 Впрыск воды в воздушный тракт как эффективный способ улучшения параметров работы газотурбинных установок

3.3 Результаты исследований показателей газотурбинной установки с впрыском воды в проточные части компрессора

3.3.1 Обобщение опытных данных

3.3.2 Влияние температуры наружного воздуха на

ГЛАВА 4: Повышение показателей ГТУ за счет впрыска воды или пара в камеру сгорания ГТУ

4.1 Применение впрыска в камеру сгорания воды или пара для повышения показателей ГТУ

4.1.1 Характеристики контактных установок

4.1.2 Влияние впрыска воды в камеру сгорания на основные показатели ГТУ

4.1.3 Результаты расчётных исследований по впрыску воды или пара в камеру сгорания ГТУ

Энергетика является ведущей областью в создании и укреплении материально-технической базы всей экономики. Достижения энергетики проявляются во всех сферах деятельности общества.

На современном этапе жизни общества огромное значение имеет бесперебойное снабжение промышленности топливом, экономия энергии, сбережение энергоресурсов.

Преимущество электрической энергии перед другими видами в простоте и экономности её передачи на большие расстояния, лёгкой делимости между потребителями разной мощности, в высоком уровне гигиенических условий труда.

Большое значение для устойчивой работы промышленности, улучшения жизни населения имеет централизация электроснабжения, т.е. создание единой энергосистемы. Энергосистема обеспечивает распределение между электростанциями, рациональное использование не совпадения во времени нагрузки в различных часовых поясах системы. Она позволяет сохранить резерв мощностей на электрических станциях и полностью запитать электрооборудование.

Как известно, газотурбинной установкой называют силовую установку, состоящую из газотурбинного двигателя, вспомогательного оборудования, воздухозаборного устройства с фильтрами и шумоглушителями, газоотводящего тракта с теплоутилизационным оборудованием и др. За сравнительно короткий срок, отсчитываемый с послевоенного времени, газотурбинная установка прошла сложный путь развития и получила значительное распространение в различных областях промышленности. Современным транспортным ГТД присущи следующие достоинства: небольшие габариты и масса; быстрота запуска, высокая маневренность, агрегатность и компактность; упрощение вспомогательных механизмов и систем, и, как следствие, надёжность; большие потенциальные возможности по дальнейшему улучшению характеристик. Последнее достигается за счёт:

1. Повышения КПД турбин и компрессоров путём разработки и внедрения новых эффективных профилей, снижения общих потерь энергии в турбинных и компрессорных ступенях; совершенствования аэродинамических свойств и уменьшения потерь давления в воздухоприёмных, газовыпускных, переходных патрубках, диффузорах, теплообменных аппаратах и фильтрах;

2. Применения новых жаропрочных материалов, совершенствования и разработки новых систем охлаждения лопаточных аппаратов, дисков и других элементов турбин с целью дальнейшего увеличения начальной температуры газа;

3. Создания эффективных теплообменных аппаратов;

4. Совершенствования и разработки новых камер сгорания для использования тяжёлого топлива;

5. Утилизации теплоты отработавших газов, так как их температура достаточно велика.

Наряду с достоинствами у ГТУ имеется также ряд недостатков:

• сравнительно небольшой ресурс;

• повышенные требования к качеству топлива; выброс больших масс газов высокой температуры до 600-650 °С, что снижает КПД установки.

Паротурбинные установки уступают газотурбинным в отношении массы и габаритов, требуют большего числа вспомогательных механизмов и систем, на запуск установки уходит больше времени, но зато к числу преимуществ паротурбинной установки можно отнести следующие:

• возможность работы на самых дешёвых низкосортных видах топлива; достаточная безопасность.

Стремление сочетать достоинства установок различных типов явилось одной из главных причин создания комбинированных энергетических установок. Это позволяет существенно снизить полную массу энергетической установки, сочетать высокую экономичность установки на режимах полной и частичной нагрузок, а также значительно улучшить другие показатели работы двигателя.

Общей установленной мощности явно недостаточно для решения поставленных перед энергетикой Ливии задач. Предполагаемое строительство солнечных и ветряных электростанций не обеспечивает необходимых высоких темпов развития энергетики.

Поэтому нужно создавать мощные тепловые электростанции традиционных типов, а также внедрять перспективные комбинированные установки, обладающие высоким коэффициентом полезного действия. Решить задачу повышения выработки электроэнергии можно не только за счет строительства новых электростанций, но и путем модернизации действующих. Поэтому в работе рассмотрены вопросы модернизации газотурбинных установок (ГТУ) на тепловых электростанциях.

Модернизация может быть осуществлена за счет создания комбинированных газопаровых установок на базе существующих в Ливии газотурбинных установок (ГТУ), а также внедрения ряда мероприятий по впрыску воды или пара в компрессор и камеру сгорания ГТУ. Поэтому исследования в этой области являются актуальными для Ливии.

Комбинированные газопаровые установки (ГПУ) получили развитие в ряде областей промышленности, особенно в электроэнергетике и в судовой энергетике. В последние годы газотурбинные и газопаровые установки (ГТУ и ГПУ) заняли важное место в электроэнергетике мира. Вследствие того, что доля газа в топливном балансе мира высока (более 60 %), внедрение высокоэффективных газопаровых технологий является общепризнанной стратегией развития тепловой энергетики [51]. Уже много стран в мире применяют ГПУ с утилизационными котлами для новых электростанций, работающих на природном газе. Сейчас их КПД уже достиг 52—54 % и в ближайшей перспективе возрастет до 58—60 %.

В настоящее время разработаны ГТД четвёртого и пятого поколения, на базе которых будут создаваться ГПУ нового поколения. Это требует программных продуктов нового поколения на основе математических моделей оборудования с большим числом уровней котлов-утилизаторов по давлению, с впрыском воды или пара в проточные частые ГТУ, в связи с этим тема является актуальной для Ливии.

Целью работы является повышение выработки электроэнергии за счет модернизации существующих в Ливии ГТУ.

Задачи исследования:

• изучение, выбор и обоснование модернизации существующих ГТУ путем преобразование их в ГПУ;

• На базе анализа, обработки и обобщения опубликованных опытных данных, определение влияния впрыска воды в проточные части компрессора на его мощность и на показатели ГТУ в целом.

• Выполнение сравнительного анализа влияния впрыска воды или пара в камеру сгорания на КПД и мощность ГТУ.

Публикации. По теме диссертация опубликовано 7 печатных работ.

Структура и объем работы. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы.

Основной текст изложена на 172 страницах, диссертация содержит 76 рисунков, 29 таблиц, список использованных источников, включающий 68 наименования.

Основное содержание работы

Во введении

Обоснована актуальность темы диссертации, сформулирована цель исследования, приведены основные защищаемые положения, практическая ценность работа, дано описание структуры диссертации. В первой главе представлен анализ обзор и современное состояние развития энергетики в Ливии. Приведена структура выработки энергии; рассмотрены объемы выработки электрической энергии на тепловых станциях в Ливии, обзор и анализ тепловых схем комбинированных газопаровых турбинных установок ГПУ, имеющих большое число тепловых схем, различающихся числом контуров по давлению пара (от 1ого до Зех) числом цилиндров паровой турбины (от 1ого до Зех), наличием или отсутствием промперегрева пара. На рис.2 показана обобщенная тепловая схема энергетической ГПУ (трехконтурная с промперегревом пара, три паровые турбины). Остальные варианты ГПУ рассмотрены при описании модели и компьютерной программы.

Кроме того, выполнен обзор парогазовых установок, применяемых в составе тепловых электростанций. Во второй главе

Проведены теоретические исследования характеристик газопаровых установок различных структур: с одним, двумя и тремя уровнями давления пара с промежуточным перегревом пара.

Выбор параметров паровых турбин комбинированных установок.

Для выбора паротурбинных установок (ПТУ) комбинированного цикла был проведен анализ КУ.

Рассмотрены теоретические аспекты выбора параметров в характерных сечениях газопаровых установок. Оценка параметров за ГТУ.

Третья глава посвящена изучению и обобщению опубликованных опытных данных влияния впрыска воды в проточные части компрессора на мощность и КПД ГТУ.

В приведенных исследованиях были получены и обобщены опытные данные о значительном увеличении мощности и экономичности работы газотурбинной установки при впрыске воды в проточные части компрессора. В четвертой главе проводится численный анализ влияния различных впрысков воды или пара в камеру сгорания газотурбиной установки (ГТУ). Были проанализированы результаты исследование энергетических показателей ГТУСвТ 1 задп ЗЕ1 ,вТ 1ЗЕ2).

Диссертация выполнена на кафедре турбинных двигателей и установок Санкт-Петербургского государственного политехнического университета под руководством профессора, д.т.н., Рассохина В.А.

Выводы четвертой главы:

Анализ результатов энергетического исследования показал, что впрыск воды / пара в камеру сгорания ГТУ приводит к росту мощности газотурбинной установки (ГТУ) до 10,58 % в целом. Хотя при этом возможно снижение экономичности ГТУ в зависимости от температуры впрыскиваемой воды на 1.2-3.5 %. Рекомендуется использовать впрыск пара в камеру сгорания ГТУ, но нежелательно использовать впрыск воды в камеру сгорания ГТУ.

N е 190180170 -160150140 -13 0120110100м В т) э т 1: тггтт

ЕТ

Ь5 I 1

ЛГ о ,0

0,5

1 ,0

1 ,5

2,0

2,5

163

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основании выполненных теоретических исследований и анализа результатов расчетов можно сделать следующие выводы:

1. В работе показана возможность повышения выработки электрической энергии на существующих газотурбинных установках (ГТУ), установленных в Ливии за счет надстройки их паротурбинными установками либо за счет впрыска воды или пара в проточные части (ГТУ).

2. На основании выполненных расчетов показано, что путем реконструкций и модернизации газотурбинных установок, работающих в Ливии, их КПД и мощность может быть увеличена за счет применения комбинированных циклов до 35 — 52 % в зависимости от числа контуров пара и наличия промежуточного перегрева:

Установлено Влияние количества контуров на КПД ГПУ без промперегрева:

• на базе ОТ13Б без промперегрева. Переход от одного контура к двум повышает КПД на 1,46 %, а к трем - еще на 0,49 %;

• на базе ОТ13Е1 без промперегрева. Переход от одного контура к двум повышает КПД на 1,71 %, а к трем - еще на 0,53 %;

• на базе ОТ13Е2 без промперегрева. Переход от одного контура к двум повышает КПД на 1,52 %, а к трем - еще на 0,8 %.

- Установлено Влияние количества контуров на КПД ГПУ с промперегревом: • на базе ОТ13Б с промперегревом. Переход от одного контура к двум повышает КПД на 1,79 %, а к трем - еще на 1,83 %;

• на базе ОТ13Е1 с промперегревом. Переход от одного контура к двум повышает КПД на 2,12 %, а к трем - еще на 1,87 %;

• на базе ОТ13Е2 с промперегревом. Переход от одного контура к двум повышает КПД на 2,45 %, а к трем - еще на 1,85 %.

3. На основании выполненных расчетов показано, что путем реконструкций и модернизации газотурбинных установок, работающих в Ливии, их мощность может быть увеличена за счет применения комбинированных циклов:

• На базе ГТУ типа (СГИБ) за счет применения комбинированных газопаротурбинных установок (ГПУ) без промперегрева и одного контура мощность увеличивалась до 37,67 %, при двух контурах - до 42,16 %, при трех контурах - до 43,66 %; а за счет применения промперегрева и одного контура - до 36,8 %, при двух контурах - до 42,32%, при трех контурах - до 47,95 %.

• На базе ГТУ типа (ОТ13Е1) за счет применения комбинированных газопаротурбинных установок (ГПУ) без промперегрева и одного контура мощность увеличивалась до 39,36 %, при двух контурах — до 44,33 %, при трех контурах - до 45,87 %, а за счет применения промперегрева и одного контура - до 38,42 %, при двух контурах - до 44,56%, при трех контурах - до 49,97 %.

• На базе ГТУ типа (ОТ13Е2) за счет применения комбинированных газопаротурбинных установок (КГПТУ) без промперегрева и одного контура мощность увеличивалась до 41 %, при двух контурах - до 45,27 %, при трех контурах - до 47,53 %, а за счет применения промперегрева и одного контура - до 40,24 %, при двух контурах - до 47,09 %, при трех контурах - до 52,27 %.

4. О значительном влиянии температуры наружного воздуха на мощность и КПД установок. Так при температуре наружного воздуха 47°С снижение мощности и КПД может достигать 21 и 7 % соответственно. Уменьшение данных показателей установок можно существенно компенсировать впрыском воды в проточные части компрессора. Так впрыск 2 % воды даст увеличение мощности и КПД на 18 и 4,1 % соответственно.

5. Анализ результатов экспериментального исследования впрыска пара в камеру сгорания ГТУ приводит к росту мощности газотурбинной установки (ГТУ) в целом. Так увеличение доли экспериментального впрыска с 3 кг/с до

6 кг/с приводит к росту мощности ГТУ GT13D с 97 МВт до 99,91 МВт и 102,82 МВт соответственно. При впрыске пара 9 кг/с приводит к росту мощности ГТУ до 104,76 МВт. А для ГТУ типа GT13E1 при впрыске пара с 3 кг/с до 6 кг/с приводит к росту мощности ГТУ с 150 МВт до 154,5 МВт и 159 МВт соответственно. При впрыске пара 9 кг/с приводит к росту мощности ГТУ до 162 МВт. И для ГТУ типа GT13E2 при впрыске пара с 3 кг/с до 6 кг/с приводит к росту мощности ГТУ с 165 МВт до 169,95 МВт и 174,9 МВт соответственно. При впрыске пара 9 кг/с приводит к росту мощности ГТУ до 178,2 МВт

Впрыск воды в камеру сгорания ГТУ типа GT13E2 1 % приводит к росту мощности газотурбинной установки ГТУ на 3,5 % с 165 МВт до 170,77 МВт и приводит к снижению КПД установки с 35,7 % до 35,34 %. Впрыск воды 2 % приводит к росту мощности газотурбинной установки ГТУ на 7 % до 176,55 МВт и приводит к снижению КПД установки до 34,98 %. Впрыск воды 3 % приводит к росту мощности газотурбинной установки ГТУ на 10,5 % до 182,32 МВт и приводит к снижению КПД установки до 34,45 %. И аналогично для GT13D, GT13E1.

6. Показана целесообразность применения впрыска воды или пара в проточной части ГТУ, что способствует снижению тепловых и химических вредных выбросов в окружающую среду.

7. Результаты анализа были протестированы с помощью компьютерной программы, написанной на языке Visual Basic 5.0. Данную программу рекомендуется использовать при расчете ГПУ.

8. На основе анализа проведенных расчетов рекомендовано для установок GT13D, GT13E1 применять схемы двух контуров без промперегрева, так как температура газа за турбиной недостаточна для применения более сложных схем парового контура. В ГПУ на базе GT13E2 можно применять трехконтурную схему с промежуточным перегревом пара. Однако целесообразность такого решения требует дополнительного экономического обоснования.

9. Рекомендуемая реконструкция и модернизация газотурбинных установок, установленных в Ливии, дает возможность увеличить суммарную мощность:

• переход на газопаровые установки позволяет увеличить установленную мощность на ~15 %.

• впрыск воды или пара в проточные части ГТУ может увеличить мощность на ~ 4,2 %. Рекомендуется использовать впрыск воды на входе в компрессор ГТУ и впрыск пара в камеру сгорания ГТУ. Не рекомендуется использовать впрыск воды в камеру сгорания ГТУ.

1. Александров, А. А. Система уравнений 1АР\У8 — Ш97 для вычисления термодинамических свойств воды и водяного пара промышленных расчетов.

2. Основные уравнения // Теплоэнергетика. 1998. - №9. - С. 69-77.

3. Александров, А. А. Система уравнений 1АР\¥8 Ш97 для вычисления термодинамических свойств воды и водяного пара промышленных расчетов.

4. Дополнительные уравнения // Теплоэнергетика. — 1998. -№10. С. 64-78.

5. Александров, А. А. Таблицы физических свойств воды и водяного пара /

6. A. А. Александров, Б. А. Григорьев. М. : Изд-во МЭИ, 1999. - 164 с. : ил.

7. Арсеньев, Л. В. Комбинированные установки с газовыми турбинами / Л.

8. B. Арсеньев, В. Г. Тырышкин. Л. : Машиностроение, 1982. — 247 с.

9. Арсеньев, Л. В. Комбинированные установки электростанций. СПб. : СПбГТУ, 1993.-94 с.

10. Арсеньев, Л. В. Стационарные газотурбинные установки / Л. В. Арсеньев, В. Г.Тырышкин. Л. : Машиностроение, 1989. - 543 с.

11. Баранников, Н. М. Расчет установок и теплообменников для утилизации вторичных энергетических ресурсов. / Н. М. Баранников, Е. В. Арнов. -Красноярск : Изд-во Красноярск, ун-та, 2002. 361 с.

12. Белоконь, Н. И. Газотурбинные установки на компрессорных станциях магистральных газопроводов / Н. И. Белоконь, Б. П. Поршаков. — М. : Недра, 1969.- 109 с. : ил.

13. Березинец, П. А. Анализ схем бинарных ПГУ на базе перспективной ГТУ / П. А. Березинец, М. К. Васильев, Ю. А. Костин // Теплоэнергетика. -2001.-№5.-С. 18-30.

14. Беркович, А. Л. Повышение параметров работы компрессоров впрыском воды в проточную часть / А. Л. Беркович, В. Г. Полишук, В. А. Рассохин // Компрессорная техника и пневматика XXI века. Т.1 : XIII МНТК по компрессоростроению. Сумы, 2004. - С. 155-171.

15. Беркович, А. JL Форсировка ГТУ впрыском воды в компрессор : обзор / А. Л. Беркович, Е. Е. Розеноер. М.: ЦНИИТЭИТЯЖМАШ, 1989. - 36 с. -(Энергетическое машиностроение. Сер. 3, вып. 4).

16. Опыт эксплуатации газопаротурбинной установки ГПУ-16К с впрыском пара / Ю. Н. Бондин и др. // Газотурбинные технологии. 2004. - Июль-август.-С. 18-20.

17. Газотурбинные установки : конструкции и расчет / под общ. ред. JI. В. Арсеньева, В. Г. Тырышкина. JI. : Машиностроение, 1978. — 232 с.

18. Гудков, Н. Н. Паровые турбины JIM3 для утилизационных парогазовых установок / Н. Н. Гудков, Ю. Н. Неженцев, В. Д. Гаев // Теплоэнергетика. — 1995. -№1. С. 2-7.

19. Данилевич, Я. Б. Энергетика и ее место в современном мире / Я. Б. Данилевич, А. Н. Коваленко // Энергетика. 2004. - №6. - С. 20-26.

20. Дикий, Н. А. Судовые газотурбинные установки. JI. : Судостроение, 1978.

21. Доброхотов, В. Д. Эффективность водоиспарительного охлаждения в центробежных воздушных компрессорах К-905 / В. Д. Доброхотов, А. К. Клубничкин, В. С. Оксенгорн // Химическое и нефтяное машиностроение. — 1983.-№12.-С. 25-27.

22. Зысин, В. А. Комбинированные парогазовые установки и циклы // М. : Госэнергоиздат, 1962. 186 с. : ил.

23. Каталог газотурбинного оборудования. Гл. 1. — Рыбинск : Моск. типогр., 2000. 32 с. : ил.

24. Каталог газотурбинного оборудования. Гл. 3. Рыбинск : Моск. типогр., 2005. - 208 с. : ил.

25. Конорев, М. М. Исследование рабочих характеристик и рациональных режимов эксплуатации турбовинтовых двигателей (ТВД) карьерных вентиляторов / М. М. Конорев, Г. Ф. Нестеренко // Горный информационно -аналитический бюллетень. 2000. — №6. - С. 209-211.

26. Курзон, А. Н. Судовые газотурбинные установки / А. Н. Курзон, Л. А. Маслов. Л. : Судостроение, 1991. - 191 с.

27. Лейзерович, А. Ш. Некоторые современные аспекты развития теплоэнергетики Японии // Теплоэнергетика. 1999. - №10. — С. 71-76.

28. Лыонг, Л. К. Разработка математической модели и компьютерной программы для определения эффективности судовых и энергетических комбинированных газопаровых установок : дис. . канд. тех. наук : 05.08.05 : 14.06.05. / Лыонг Лук Куйнь. СПб., 2005. - 155 с.

29. Манушин, Э. А. Газовые турбины : проблемы и перспективы. М. : Энергоатомиздат, 1986. - 168 с.

30. Манушин, Э. А. Теория и проектирование газотурбинных и комбинированных установок. / Э. А. Манушин, В. Е. Михальцев, А. П. Чернобровкин. М. : Машиностроение, 1977. - 447 с.

31. Модернизация АЭС с использованием парогазовых технологий / П. А. Березинец и др. // Газотурбинные технологии. 2002. - № 2. - С. 2-6.

32. Ольховский, Г. Г. Газотурбинные и парогазовые установки за рубежом // Теплоэнергетика. 1999. - № 1. - С. 71-80.

33. Ольховский, Г. Г. Разработка перспективных ГТУ в США // Теплоэнергетика. 1994. - № 9. - С. 61-69.

34. Ольховский, Г. Г. Разработка перспективных энергетических ГТУ // Теплоэнергетика. 1996. - № 4. - С. 66-75.

35. Парогазовая установка ПГУ-490 для Щекинской ГРЭС / М. А. Верткин и др. // Теплоэнергетика. 1998. - № 8. - С. 25-28.

36. Полетавкин, П. Г. Парогазотурбинные установки М.: Наука, 1980. -140 с.

37. Радин, Ю. А. Освоение первых отечественных бинарных парогазовых установок // Теплоэнергетика. 2006. - №7. - С. 4-6.

38. Расчет тепловой схемы ГТУ / Л. В. Арсеньев и др.; Ленингр. гос. техн. ун-т. СПб. : СПбГТУ, 1992. - 64 с.

39. Расчетное исследование влияния впрыска воды на характеристики компрессора газотурбиной установки (ГТ-009) / Ю. М. Ануров и др. // Теплоэнергетика. 2006. - №12. - С. 19-24.

40. Результаты испытаний компрессора установки МЭС-60 с впрыском воды в проточную часть / В. Е. Беляев и др. // Газотурбинные технологии. -2005.-№4.-С. 16-20.

41. Ривкин, С. Л. Термодинамические свойства газов. М. : Энергия, 1973. -287 с.

42. Система охлаждения компрессорных установок / Я. А. Берман и др.. -М. : Машиностроение, 1984. 228 с.

43. Совершенствование комбинированных установок с паровым охлаждением газовой турбины / Л. В. Арсеньев и др. // Теплоэнергетика. -1993.-№3.-С. 31-35.

44. Современные мощные парогазовые установки с КПД 58-60 % / О. А. Поваров и др. // Новое в российской электроэнергетике. 2006. - № 9.

45. Стаскевич, Н. А. Справочник по газоснабжению и использованию газа / Н. А. Стаскевич, Г. Н. Северинец, Д. Я. Вигдорчик. Л. : Недра, 1990. - 762 с.

46. Тепловой расчет котельных агрегатов : нормативный метод / Н. В. Кузнецов и др.. М. : Энергия, 1973. - 295 с.

47. Теплофикационная парогазовая установка Северо-Западной ТЭЦ / А. Ф. Дьяков и др. // Электрические станции. 1996. - № 7 - С. 11-16.

48. Труды ЦНИИМФ. Техническая эксплуатация морского флота. Л., 1973. - Вып. 16. - С. 69-74.

49. Трухний, А. Д. Исследование работы ПГУ утилизационного типа при частичных нагрузках. // Теплоэнергетика. 1999. - №1. - С. 27.

50. Фурмкин, Б. С. Диаграмма Т8 для расчета судовых газотурбинных установок. — Л.: Судостроение, 1965.

51. Ходак, Е. А.Термодинамические свойства газа Л.: ЛПИ, 1986 - 324 с.

52. Хоменок, JI. А. Создание горелочных устройств камер дожигания котлов утилизаторов ПГУ-ТЭЦ // Теплоэнергетика. - 2007. - № 9. - С. 1011.

53. Цанев, С. В. Газотурбинные и парогазовые установки тепловых электростанций / С. В. Цанев, В. Д. Буров, А. Н. Ремезов. М. : Изд-во МЭИ, 2002. - 584 с.

54. Экспериментальное исследование влияние впрыска воды на входной канал многоступенчатого осевого компрессора на его характеристики / С. О. Середа и др. // Теплоэнергетика. 2004. - № 5. - С. 66-69.

55. Энергетическая газотурбинная установка мощностью 180 мВт / Н. И. Серебряников и др. // Теплоэнергетика. 2001. - №5. - С. 8-11.

56. Патент США № 4478553 МКИ 01 Д 5/08, МКИ 416/97К.

57. Brandauer, М. GT26 repowers Rheinhafen / М. Brandauer, V. Scheffknech, Н. Braasch // Modern power systems. 1996. - May.

58. Chaker, M. New Protocol Will Enable Comparison Different Fogging System / M. Chaker, P. Kippax // Power Engineering. 2004. - January.

59. Combined cycle // Modern power systems. 2000. - November. - P. .19.

60. Effects of intensive evaporative cooling on performance characteristics of land-based gas turbine: Hitachi Works / Motoaki Utamura etc. // Hitachi Review. 1998.

61. First MHI M701G in Commercial Operation // Diesel fnd Gas Turbine wordwide. 2000. - Juiy-Aug.

62. Kehoe, P.T. Steam Turbines for STAG Combined Cycle Power Systems GER-3582C // 38th GE Turbine State of the Art Technolgy Seminar. 1994. -August.1. J?

63. Meher-Homji, С. В. Gas Turbine Power Augmentation By Foogging of Inlet Air / С. B. Meher-Homji, T. R. Mee // Proceedings of the 28th Turbomachinery Simposium. 1999. - P. 93-113.

64. Nicolson, A. Proper drainage on fogging systems improves relibility, performance // Power Magazine. 2002. - Vol. 146, Is. 4.

65. Report of the General Electric Company of Libya (Gecol). Tripoly, 2003.

66. Supplementary Release on Saturation Properties of Ordinary Water Substance / H. White ed.; International Association for the Properties of water and Steam // Proc. 12th Int. Conf. Prop. Water and Steam. NY : Begell House, 1995. - P. 143149.

67. Tapada do Outeiro brings V94.3A combined cycle efficiency to Portugal // Modern power systems. 1996. - May.

68. The Mee Fog System. Inlet Air Cooling. Advantages of Cooling. Mee Industries Inc. System Installation Options. Режим доступа: http//www.meefog.thomasregister.com.

69. The Top Hat turbine cycle // Gas turbine technologie. Modern Power System. -2001.-April.-P. 35-37.

70. Yufeng Sun. On the research of wet compression gasturbine with ingected into intersage of compressor : research seminar : program / Yufeng Sun. — Режим доступа: http//www.aero.rmit.edu.au/wackett/cenre/seminars/2000.doc 100 yufeng.doc.