Розробка методів підвищення ефективності когенераційних газотурбінних установок за допомогою глибокої утилізації теплоти з використанням турбокомпресорних утилізаторів на базі високотемпературних газотурбінних двигунів для об"єктів енергопостачання.
При низкой оригинальности работы "Когенераційні газотурбінні установки з турбокомпресорним утилізатором для локальних об"єктів енергоспоживання", Вы можете повысить уникальность этой работы до 80-100%
Якщо в 1990 році в Україні вироблялося 298,5 млрд. КВТ·год електроенергії, то в 1995 році обсяг виробництва електроенергії склав 193,6 млрд. КВТ·год. Це свідчить про те, що при централізованому виробництві електроенергії біля 2/3 теплоти, що міститься в паливі, безповоротно втрачається у зовнішнє середовище, що для ТЕС складає біля 200 млн. КВТ·год на рік. Корисно використовувати енергію, що безповоротно втрачається сьогодні дозволяє застосування когенераційних технологій, які є на сьогоднішній день одним з найкращих і результативних шляхів підвищення ефективності використання палива в енергетиці. № 517 про науково-технічні розробки у пріоритетних напрямках розвитку науки і техніки і державні контракти на виконання теми 4.95.166 “Розробити і дослідити високоефективні електротеплогенеруючі комплекси на базі газотурбінних двигунів”. Розроблено методи аналізу теплотехнічних характеристик ГТД із турбокомпресорним утилізатором, що забезпечують визначення зон оптимальних термодинамічних і конструктивних параметрів когенераційних установок різних схем на номінальних і часткових навантаженнях, що необхідно перед виконанням проектних робіт і розробці техніко-економічних обґрунтувань на створення когенераційних ГТУ з турбокомпресорним утилізатором.В основному, це двигуни, що працюють за простим циклом (Брайтона) потужністю від 2,5 до 25 МВТ, удосконалення яких системно здійснюється за допомогою першого напрямку - підвищення початкової температури газу і поліпшення елементів двигуна. Теоретично максимальна працездатність вихлопних газів за турбіною характеризується величиною ексергії Ех, що визначається двома оборотними процесами: адіабатичним розширенням газу (процес 4-5и) і ізотермічним стиском (процес 5ит-5) до початкових параметрів робочого тіла в циклі (див. рис. Слід зазначити, що застосування перерозширення газу в силовій турбіні дозволяє отримати додаткову роботу в циклі, а величина її, в основному, залежить від способу дотискання газу. У загальному вигляді внутрішній ККД циклу ГТД з ТП визначається за формулою hв.тп = (Нт1-Нк2 Нт-Нк1-Ндк)/Q, (2) де, з урахуванням витрати повітря на охолодження турбін Gво, що дорівнює сумі 2Gво/3 на турбіну Т1 і Gво/3 на турбіну Т2, і їхніх відносних значень, Нт1 = (1 - /3)срг3Т3cmht1hm·(1 - pt1-n) - питома робота турбіни Т1, що приводить компресор К2; Нт = СРГТ4.1cmht(1 - pt-n) - питома робота в турбіні, що складається з турбіни Т2 і СТП; Нк1 = ср2Т1·(ркм - 1)/3hk - питома робота в К1; Нк2 = 2ср2Т1·(ркм - 1)/3hk - питома робота в К2; Q = (1 - )(Т3 - Т2 ) - теплота підведена до газу в камері згоряння; Ндк = СРГТ6 (рдкм - 1)/hдк - питома робота у дотискаючому компресорі. Тому що Нк2 = Нт1, внутрішній ККД циклу ГТД з ТП визначається за формулою hв.тп = (Нт - НК1 - Ндк)/Q, (3) де з урахуванням перетворень складової формули (3), Нт = В[Q4.1cmht(1 - pt-n)] - питома робота в турбіні; Нк1 = В[m(pkm - 1)/3hmhk] - питома робота в К1; Ндк = В[мкт(рдкм - 1)/hдк] - питома робота газу в дотискаючому компресорі; Q = В(1 - ){Q3 - m[1 (pkm - 1)/hk]} - теплота підведена до газу в камері згоряння; В = Т1.Результати дослідження характеристик циклів ГТД з турбіною перерозширення показали позитивний ефект застосування нетрадиційного напрямку ускладнення циклу Брайтона шляхом перерозширення газу в силовій турбіні, при цьому ефективний ККД двигуна зростає в 1,1-1,3 рази, а в ГТД з малими ступенями підвищення тиску в компресорі - 1,3...1,6 рази. Дослідження циклів ГТД з турбіною перерозширення показали також високу ефективність застосування регенерації теплоти газів за турбіною перерозширення для підігріву стиснутого повітря перед камерою згоряння. Встановлено, що оптимальні параметри циклів ГТД з турбіною перерозширення мають значення близькі або співпадаючі зі значеннями для циклу Брайтона, або циклу з простою регенерацією теплоти, тому ГТД з турбіною перерозширення можуть бути створені на базі високотемпературних ГТД, що випускаються промисловістю для кораблебудування й авіації. При однаковій емісії шкідливих речовин в однім нм3 газу когенераційна ГТУ виробляє сумарно більше енергії, ніж звичайна енергетична ГТУ, тому при виробітку однієї КВТ·год енергії в когенераційній ГТУ питомі викиди шкідливих речовин у середньому в 2,5 рази нижче, ніж у звичайному ГТД. Практичне значення дисертаційної роботи полягає в доведенні результатів теоретичних і експериментальних досліджень до конкретних методів і методик розрахунків, що дозволили розробити проекти когенераційних ГТУ з ТКУ потужністю 10 і 16 МВТ ЗМКБ “Прогрес” на базі ГТД типу АИ-336-10, для малої енергетики когенераційну ГТУ потужністю 4 МВТ з регенерацією теплоти на базі ГТД GT 3200 НВП “Машпроект”, що підтверджує реальність створення високоефективних електротеплогенеруючих установок промисловістю України.
План
Основний зміст роботи
Вывод
1. Виконаний у дисертації комплекс теоретичних і експериментальних досліджень, а також науково-технічних розробок дозволив запропонувати і науково обґрунтувати новий напрямок створення ефективних когенераційних ГТУ за допомогою глибокої утилізації теплоти з використанням турбокомпресорних утилізаторів.
2. Розроблено метод термодинамічного аналізу ефективності циклів високотемпературних ГТД із застосуванням турбіни перерозширення. Вперше отримані теоретичні дані щодо дослідження характеристик циклів ГТД з турбіною перерозширення з одержанням оптимальних параметрів циклів при карнотизації циклів Брайтона і циклів з регенерацією теплоти.
3. Результати дослідження характеристик циклів ГТД з турбіною перерозширення показали позитивний ефект застосування нетрадиційного напрямку ускладнення циклу Брайтона шляхом перерозширення газу в силовій турбіні, при цьому ефективний ККД двигуна зростає в 1,1-1,3 рази, а в ГТД з малими ступенями підвищення тиску в компресорі - 1,3...1,6 рази.
4. Дослідження циклів ГТД з турбіною перерозширення показали також високу ефективність застосування регенерації теплоти газів за турбіною перерозширення для підігріву стиснутого повітря перед камерою згоряння. Так у ГТД з ТП і регенерацією теплоти збільшення ефективного ККД відносно циклу ГТД з простою регенерацією складає 10-12% відносних, а стосовно циклу Брайтона - 25% відносних.
5. Встановлено, що оптимальні параметри циклів ГТД з турбіною перерозширення мають значення близькі або співпадаючі зі значеннями для циклу Брайтона, або циклу з простою регенерацією теплоти, тому ГТД з турбіною перерозширення можуть бути створені на базі високотемпературних ГТД, що випускаються промисловістю для кораблебудування й авіації.
6. Розроблено метод визначення й аналізу теплотехнічних характеристик ГТД з турбокомпресорним утилізатором при роботі установки в когенераційному режимі. Вперше отримані комплексні дані досліджень теплотехнічних характеристик ГТУ з турбокомпресорним утилізатором з одержанням оптимальних параметрів ускладнених циклів.
7. Результати досліджень теплотехнічних характеристик когенераційних ГТУ з турбокомпресорним утилізатором показали, що при виконанні охолоджувачем газу в ТКУ функції теплогенератора відбувається комплексна утилізація теплоти вихлопних газів, при якій ступінь використання наявної теплоти палива досягає 75-85%.
8. Вперше розроблені методи і математичне забезпечення для розрахунку характеристик ГТД з ТП і когенераційної ГТУ з ТКУ на змінних режимах. Отримано комплексні дані щодо дослідження теплотехнічних характеристик різних теплових схем когенераційних ГТУ і визначені галузі найефективнішого їх застосування виходячи з конкретних вимог локального споживача енергії.
9. Аналіз характеристик енергетичних ГТД з блокованою силовою турбіною і ТКУ, а також ГТД з вільною силовою турбіною і ТКУ показали, що енергетичні ГТД з ТКУ на часткових навантаженнях мають ефективний ККД вищий, ніж ГТД простого циклу. За теплотехнічними характеристиками енергетичні ГТД з ТКУ зберігають високу теплову ефективність на всіх режимах роботи.
10. Приводні ГТД з ТКУ досліджувалися при характерній для суднових пропульсивних і газоперекачувальних агрегатів гвинтовому навантаженню. ГТД з ТКУ на гвинтових навантаженнях працюють ефективніше, ніж прості ГТД.
11. Розроблений і створений дослідний газотурбогенератор на базі двигуна АИ-8 виробництва АТ “Мотор Січ”, м. Запоріжжя і турбокомпресорного утилізатора. Дослідний когенераційний турбогенератор був оснащений системою виміру і реєстрації параметрів у реальному масштабі часу, що дозволила досліджувати процеси в установці, як на статичних, так і на динамічних режимах навантаження. Аналогів створеної дослідної когенераційної ГТУ у світі немає.
12. Експериментальні дослідження на дослідному газотурбогенераторі підтвердили достовірність виконаних теоретичних досліджень циклів ГТД з ТКУ. Іспити дослідної ГТУ показали економічну роботу газотурбогенератора АИ-8 з ТКУ не тільки на номінальному навантаженні, але і частковому навантаженні, що дуже важливо для джерела енергії, який обслуговує локального енергоспоживача, що може значний час або циклічно працювати на малому електричному навантаженні.
13. Динамічні іспити ГТУ з ТКУ встановили факт впливу ТКУ на характер протікання перехідних процесів у ГТД. Процес запуску ГТУ з ТКУ більш тривалий через наявність у ГТУ інерційного елемента - ротора ТКУ, на розкручування якого потрібен певний час. На перехідних режимах ГТУ з ТКУ при типових збуреннях зменшився закид і провал обертів силової турбіни при попередній величині перевищення значення температури газу перед турбіною компресора двигуна.
14. Спільна робота ГТД з ТКУ не впливає на якісні характеристики процесу горіння палива в камері згоряння вихідного двигуна. При однаковій емісії шкідливих речовин в однім нм3 газу когенераційна ГТУ виробляє сумарно більше енергії, ніж звичайна енергетична ГТУ, тому при виробітку однієї КВТ·год енергії в когенераційній ГТУ питомі викиди шкідливих речовин у середньому в 2,5 рази нижче, ніж у звичайному ГТД.
15. Проектні розробки показали, що для створення когенераційних ГТУ потужністю до 4 МВТ у якості базових двигунів застосовні ГТД АИ-24 АТ “Мотор Січ”, GT 2500 АТ “Енергія” і GT 3200 НВП “Машпроект”. Для обєктів, що споживають середні потужності, доцільно застосовувати когенераційні установки потужністю від 6 до 25 МВТ, виконані на базі корабельних і авіаційних ГТД, що у складі когенераційних ГТУ з ТКУ можуть бути використані практично без переробок.
16. Практичне значення дисертаційної роботи полягає в доведенні результатів теоретичних і експериментальних досліджень до конкретних методів і методик розрахунків, що дозволили розробити проекти когенераційних ГТУ з ТКУ потужністю 10 і 16 МВТ ЗМКБ “Прогрес” на базі ГТД типу АИ-336-10, для малої енергетики когенераційну ГТУ потужністю 4 МВТ з регенерацією теплоти на базі ГТД GT 3200 НВП “Машпроект”, що підтверджує реальність створення високоефективних електротеплогенеруючих установок промисловістю України.
17. Когенераційні ГТУ є перспективними для засобів розробки морського шельфу, трубопровідного і морського транспорту. Проекти модернізації енергоустановок морської бурової платформи, ЦКБ “Корал”, м. Севастополь, танкера дедвейтом 40 тис. тонн ЦКБ “Чорноморсуднопроект”, м. Миколаїв, показали наявність економічного ефекту при експлуатації енергоустановок при застосуванні когенераційних ГТУ і можливість відмови від експортних поставок складної і наукомісткої продукції енергетичного машинобудування.
18. По Україні з 50 тис. МВТ установленої потужності на електростанціях приблизно 30 тис. МВТ складають електричні потужності ТЕС. Так при заміні третини потужностей теплових електростанцій на установки когенераційного типу, прибуток виробника енергії на рік складе 1,43 млрд. USD, а бюджет із них одержить 430 тис. USD на рік.
Основні положення дисертаційної роботи опубліковані в наукових спеціалізованих виданнях
2. Матвеенко В.Т. Исследование циклов и схем судовых комбинированных газотурбинных двигателей с вакуум-компрессором // Исследования и испытания судов и энергетических установок: Сб. трудов НТО им. акад. А.Н. Крылова. - Севастополь, 1996. - С. 48-56.
3. Матвеенко В.Т. Термодинамические процессы и характеристики цикла высокотемпературного газотурбинного двигателя с турбиной перерасширения // Энергетика... (Изв. высших учеб. заведений и энерг. объединений СНГ). - № 1-2. - С. 38-41.
4. Матвеенко В.Т. Результаты исследования теплотехнических характеристик ГТД с турбокомпрессорным утилизатором // Энергетика... (Изв. высших учеб. заведений и энерг. объединений СНГ). - 1997. - № 11-12. - С. 48-51.
5. Матвеенко В.Т. Глубокая утилизация теплоты в газотурбинных двигателях с турбиной перерасширения // Пром. теплотехника. - 1997. - Т. 19. - № 4-5. - С. 81-85.
6. Матвеенко В.Т. Определение характеристик циклов судовых газотурбинных двигателей с турбиной перерасширения // Вестник СЕВГТУ: Сб. научн. трудов. - Севастополь, 1997. - Вып. 6. - С. 98-111.
7. Матвеенко В.Т., Киркин И.А. Результаты исследования характеристик циклов судовых газотурбинных двигателей с турбиной перерасширения // Вестник СЕВГТУ: Сб. научн. трудов. - Севастополь, 1997. - Вып. 6. - С. 101-104.
8. Матвеенко В.Т. Энергосбережение при генерировании энергии газотурбинными установками // Вісник ДУ “Львівська політехніка”: Проблеми економії енергії. - Львів, 1998. - С. 13-15.
9. Матвеенко В.Т. Приводные газотурбинные установки с турбокомпрессорным утилизатором // Авиационно-космическая техника и технология: Сб. науч. трудов. - Харьков: Гос. аэрокосмический ун-т “ХАИ”, 1998. - Вып. 5. - С. 42-46.
10. Матвеенко В.Т. Термодинамические процессы и характеристики циклов судовых ГТД с турбиной перерасширения и регенерацией теплоты // Вестник СЕВГТУ: 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 // Вестник СЕВГТУ: Сб. научн. трудов. - Севастополь, 1998. - Вып. 15. - С. 103-105.
12. Матвеенко В.Т. Газотурбинные двигатели с турбокомпрессорным утилизатором для морских добывающих и транспортных средств // Труды ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова. Вторая Международная конференция по судостроению. - ISC’98. - Санкт-Петербург. - Том 1. - 1998. - С. 141-144.
13. Матвеенко В.Т. Корабельные газотурбинные двигатели с турбиной перерасширения // Проблемні питання будівництва ВМС, розвитку озброєння та військової техніки: Збірник наукових праць. - Севастополь, 1998. - Вип. 3. - С. 612-617.
14. Матвеенко В.Т. Результаты экспериментальных исследований характеристик ГТД с турбиной перерасширения // Авиационно-космическая техника и технология: 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 // Вісник ДУ “Львівська політехніка”. Проблеми економії енергії. - Львів, 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 // Збірник наукових праць УД МТУ. - Миколаїв: 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 // Збірник наукових праць УДМТУ. - Миколаїв, 1999. - Вип. 5 (365). - С. 54-59.
21. Матвеенко В.Т., Слободянюк Л.И., Очеретяный В.А. Методика расчета энергетического ГТД с турбиной перерасширения на переменных режимах // Энергетика... (Изв. высших учеб. заведений и энерг. объединений СНГ). - 1999. - № 6. - С. 51-56.
