Новые технологии и научно-технические разработки в энергетике

Новые технологии и научно-технические разработки в энергетике .
Концепция ОИВТ РАН энергетических газотурбинных установок
СГТУ)
Статья является продолжением опубликованной в № 1 за этот год статьи "Парогазовые
установки монарного типа. Проблемы и перспективы создания". В статье рассматривается
концепция ОИВТ РАН газотурбинных энергетических установок монарного типа или, как их часто
называют, газопаровых. Приводятся данные по другим концепциям ГТУ, в том числе зарубежным.
1. Сущность концепции ГТУ Объединенного института высоких температур
Российской академии наук
Как указывалось в нашей первой статье в журнале "Энергетика Татарстана" [1], первоочередное
влияние на технико-экономические показатели газотурбинных энергетических установок
оказывают:
• КПД преобразования тепловой энергии в электрическую;
• удельная работа таких установок.
Эти величины, в свою очередь, определяются значительным числом параметров, важнейшими из
которых являются:
• температура и давление на входе в турбину; при оптимальных с точки зрения КПД
параметрах эти величины взаимосвязаны;
• внутренний относительный КПД компрессора и турбины (т.е. со ответственно отношение
теоретической величины потребной работы компрессора к реальной работе компрессора и
отношение полученной работы турбины на валу турбины к теоретически возможной), эти
величины зависят от совершенства проточной части турбины, от по терь тепла и гидравлических
потерь.
Кроме параметров, на технико-экономические показатели безусловное влияние оказывают
схемные решения. В упомянутой статье были сделаны ссылки на наиболее продвинутые сейчас
зарубежные схемы (Top Hat, STIG). Особое внимание уделяется снижению величины работы
компрессора, с одной стороны, и регенерации и тем самым включению в цикл преобразования
энергии тепла, покидающего турбину, - с другой.
Работа, потребная для сжатия воздуха и природного газа (в случае его дожимания), достаточно велика и
составляет от половины до двух третей суммарной работы, производимой турбиной. При этом процесс
сжатия в компрессоре происходит по политропе, лежащей на диаграмме цикла справа от адиабаты, и
сопровождается переходом части работы, подведенной к компрессору, в менее качественный вид энергии
- тепло. Работа компрессора или его отдельных ступеней пропорциональна входной абсолютной (в
градусах Кельвина) температуре. Естественно стремление к промежуточному охлаждению газов. Это
можно осуществить, по крайней мере, двумя путями:
• "внешним" охлаждением, т.е. через поверхность теплообмена.
Такое охлаждение можно осуществить, объединяя ряд последовательных ступеней компрессора с
установкой в промежутках газового тракта теплообменников. Внешнее охлаждение воздуха
сокращает работу сжатия, но в то же время безвозвратно выводит часть тепла из цикла;
• вводом воды в компрессор - на вход его или поступенчато – и таким образом снижением
температуры за счет испарения воды.
Заметим, что достижение необходимого давления воды не требует сколько-нибудь значительной
работы.
Регенерация тепла может дать еще более существенный эффект. Продукты сгорания после турбины в
простом цикле в большинстве существующих ГТУ имеют температуру между 400 и 500-550°С, и потери
тепла весьма ощутимы. Температура воздуха после компрессора, куда по схеме ГТУ заманчиво сбрасывать
хотя бы часть тепла, более 280-300°С и температурный напор в регенеративном теплообменнике
недостаточен.
Выдвинутая в 2005 г. концепция ОИВТ РАН газотурбинных энергетических установок [2]
направлена, прежде всего, на конверсионные газотурбинные установки "малой" энергетики мощностью
от 1 до 30 МВт, в частности на авиационные конверсионные ГТУ, хотя многие выводы и рекомендации
представляются применимыми и для мощных ГТУ.
Концепция рассматривает одновременное применение двух способов повышения КПД и удельной
мощности. Во-первых, путем снижения работы компрессора вводом воды. Во-вторых, впрыском воды в
после компрессорный воздух, что позволяет снизить его температуру и делает эффективным установку
теплообменника-регенератора для расширения возврата тепла в цикл.
Оба этих способа имеют ограничения по тепловому балансу и оптимальные значения параметров.
При вводе воды в компрессор допускаемое максимальное количество вводимой воды в
термодинамическом плане определяется с учетом температуры после компримирования при "сухом"
сжатии, парциального давления водяного пара в потоке паровоздушной смеси и температуры при
"влажном" сжатии. При учете теплообмена между микрокаплями воды и воздуха это количество воды
должно быть уменьшено. Естественно, выгоднее осуществлять ввод воды поступенчато, по мере повышения
температуры в компрессоре (как это сделано в концепции Top Hat), однако применительно к
конверсионным авиационным двигателям это удается далеко не всегда, так как требуется переделка
компрессора. В рассматриваемых разработках ГТУ с применением конверсионных ГТД
предполагается, что основные параметры и конструкция компрессорной группы исходного
прототипа авиадвигателя сохраняются без существенных изменений, так как стоимость
компрессорной группы составляет значительную долю капитальных затрат.
С точки зрения снижения температуры по тракту компрессора и уменьшения работы на
сжатие воздуха следует упомянуть схемы, разработанные Westinghouse, EPRI и ESPC схемы ГТУ под
названием HAT (Humidified Advanced Turbine) и CHAT (Cascaded Humidified Advanced Turbine) [3]. В
них вместо впрыска воды в компрессор используется традиционное промежуточное охлаждение
воздуха между компрессорами низкого, среднего и высокого давления, а отведенное тепло ис пользуется при испарении части охлаждающей воды в сатураторе. Однако введение
промежуточных охладителей невозможно без существенного изменения конструкции
компрессоров конверсионных ГТД.
Другая, также близкая к рассматриваемой здесь схеме ГТУ с "влажной" регенерацией - схема
Top Hat описана в [4]. Схема Top Hat предусматривает регенерацию тепла в ГТУ подогревом
компримированного воздуха отработанными газами ГТ при одновременном осу ществлении
"влажного" сжатия путем распределенного впрыска воды в компрессор по технологии Swirlflash
(распыл перегретой воды). Проведенный сравнительный анализ эффективности и удельной мощности ГТУ показывает, что Тор Hat-цикл при одинаковых верхних параметрах (температуре и
давлении в КС) имеет существенно более высокие значения КПД и Nуд по сравнению с
простыми циклами.
Рассматриваемая ОИВТ РАН схема, используя все потенциальные возможности схемы Top Hat,
предусматривает дополнительный впрыск воды в сжатый воздух и регенеративный подогрев
двухфазной воздушно-водяной среды, что заметно повышает как КПД ГТУ в целом, так и
достижимую удельную мощность.
Выполненные исследования по "влажному" сжатию [5, 6, 7], на которые даются ссылки в [2], а
также результаты исследований в ОИВТ РАН [8] свидетельствуют о возможности испарения в
компрессоре расхода воды, достаточного для заметного снижения мощности сжатия воздуха,
причем количество испарившейся воды зависит как от параметров впрыскиваемой воды и
конструктивных характеристик компрессора, так и от температуры наружного воздуха. Как
уже указывалось выше, эффективность впрыска воды определяется реальным снижением
температуры сжимаемого воздуха и, следовательно, уменьшением удельной работы сжатия,
что и приводит к снижению мощности компрессора и к росту эффективного КПД установки в
целом. В результате увеличения за счет впрыска расхода рабочего тела имеет место также
заметный рост абсолютной и удельной мощности газовой турбины и энергоустановки в целом.
В [2] указывается, что особенности работы компактных высокооборотных осевых многоступенчатых
компрессоров конверсионных ГТУ малой мощности и связанные с этим специфика поведения и
испарения впрыскиваемой в компрессор воды приводят к интенсивной сепарации практически
всех капель на рабочих лопатках каждой ступени и преобладающее испарение влаги именно с
поверхности пленок на лопатках. При этом вследствие относительно малых размеров компрессоров ГТУ,
условно часто называемых малыми (от 1 до 30 МВт), возникают весьма большие центробежные и
кориолисовые силы, и толщина пленки на поверхности лопаток чрезвычайно мала. Потери энергии
потока складываются из потерь на разгон капель в межлопаточных каналах и их торможение, дробление
капель при соударении с лопаткой, а также на организацию движения жидких пленок на поверхности
лопаток.
В ОИВТ РАН проведен цикл расчетно-теоретических исследований по вводу воды и течению
процессов при ее впрыске на вход в компрессор. Результаты расчетов процессов "влажного" сжатия в
многоступенчатых осевых компрессорах конверсионных ГТУ малой мощности докладывались на
конференции "Результаты фундаментальных исследований в области энергетики и их практическое
значение", состоявшейся в Объединенном институте высоких температур Российской академии наук в
марте 2008 года [9]. Рефераты некоторых докладов на этой конференции публиковались в журнале
"Энергетика Татарстана" в 2008 году.
В настоящее время экспериментальные исследования влияния ввода воды в компрессор проводятся в
ОИВТ РАН на установке "Демо-центр", прототипом которой является установка ГТЭ-1,25 мощностью 1
МВт, завода им. В.Я. Климова (г. Санкт-Петербург). Но она была модернизирована в ОИВТ РАН из
производственной в исследовательскую путем установки дополнительного оборудования и парка
измерений. В номинальном режиме компрессора установки расход воздуха GBOJ = 8 кг/с и степень
сжатия пк = 8 при 12 ступенях сжатия. Целью проводимых ныне экспериментальных исследований
является верификация полученных расчетно-теоретических и экспериментальных данных. Однако не
меньшее значение имеет разработка технологии ввода воды в воздух (в частности, дисперсность капель
воды, температура и давление воды) с целью максимального теплообмена. Расчетно-теоретическими
исследованиями показано следующее. На номинальном и частичном режимах ГТЭ-1,25 при вводе капель
расходом 2-3% от расхода воздуха по тракту компрессора испаряется от 50 до 90% введенной влаги
соответственно. При этом снижение температуры компримированного воздуха составляет
соответственно 25-65°С, а количество испарившейся воды по ступеням сжатия распределяется
возрастающего по тракту в результате повышения температуры и давления воздуха.
Относительно регенеративных циклов с высокой степенью регенерации нужно сказать, что
целесообразно обеспечить значительный возврат в цикл тепла отработанных газов. Такого типа решения
предлагаются по различным схемам [10, 11]. Однако, как указывалось, степень регенерации для
конверсированных двигателей ограничена температурой компримированного воздуха, точнее,
температурным напором между этой температурой и температурой уходящих из турбины продуктов
сгорания.
Главным отличием схемы ОИВТ РАН является ввод воды в компримированный воздух, что позволяет
увеличить степень регенерации тепла.
Значительный рост тепловой экономичности и удельной мощности достигаются
одновременно как утилизацией тепла отработанных га зов (идущего на производство и
перегрев пара), так и введением в контур ГТУ воды с превращением ее в потоке воздуха в
регенераторе в пар. Водяной пар служит дополнительным рабочим телом, имею щим при этом
лучшие теплофизические и газодинамические свойства по сравнению с продуктами сгорания,
причем, и это очень важно, на сжатие воды в жидкой фазе (в отличие от газа) практически не
требуется дополнительной мощности. Схема ГТУ по концепции ОИВТ РАН с "влажным"
сжатием и "влажной" регенерацией показана на рис. 1.
Рис.1. Газопаровая установка с «влажным» сжатием и «влажной» регенирацией.
2. Результаты сравнительного расчетно-теоретического анализа схемы ГТУ с
"влажным" сжатием и "влажной" регенерацией тепла и других перспективных
вариантов схем по газопаровым циклам.
В ОИВТ РАН проведен сравнительный расчетно-теоретический анализ различных схем
конверсионных ГТУ, использующих газопаровые циклы. Основные результаты этого анализа
изложены в [2] и в докладах конференции в ОИВТ РАН [9]. При этом учитывались реальные КПД
основных агрегатов и другие потери. В принятой программе расчетов такие параметры, как
внутренний КПД компрессора (r)J при сжатии сухого воздуха, внутренние КПД компрессорной [т\ )
и свободной (г) ) турбин, коэффициенты потерь тепла и давления в основных элементах двигателя и
другие характеристики были взяты с ГТД ТВЗ-117 и АЛ-31СТЭ как достаточно отработанных
типичных машин мощностью 1-6 МВт (ГТД ТВЗ-117) и 10-20 МВт и более (АЛ-31СТЭ). Проведены
сравнительные расчеты тепловой эффективности и удельной мощности ГТУ, работающих по
схеме с "влажными" сжатием и регенерацией, ГТУ по простой и регенеративной схемам, а
также ГТУ по схеме типа STIG. Ниже приводятся основные выводы из расчетно-теоретических
исследований, которые изложены более полно в [2].
Сочетание регенерации с впрыском воды в компрессор и в компримированный воздух не
только снижает удельную мощность компрессора и повышает мощность ГТУ, но и
обеспечивает существенное увеличение степени регенерации тепла, отходящих от турбины про дуктов сгорания. Это приводит к одновременн ому повышению как эффективности, так и
удельной мощности энергоустановки. Так, например, имеет место ощутимое повышение КПД (от
24-25 до 35-40%) и удельной мощности (от 150 до 200-250 кДж/кг) газотурбинной установки уже при
умеренных параметрах рабочего тела на входе в турбину (Р ~ 0,8-1,0 МПа, Т=827°С). При
применении двигателей с як = 15-20 и температурой в КС на уровне То= 1227°С, КПД таких установок
может достигать ~ 50% и более при N ~ 500-700 кДж/кг, тогда как для простого цикла ГТУ
соответствующие показатели составляют 36% (рис. 2) при Nуд ~ 330-360 кДж/кг (рис. 3).
Основные расчетные возможные характеристики конверсионных ГТУ при работе по
простой схеме и по схеме с "влажной" регенерацией приведены в табл. 1. Следует отметить, что
каждому типу двигателя соответствует своя пара оптимальных значений Пк и Т 0
Рис.2. Зависимость КПД на клеммах генератора от степени сжатия компрессора.
а) температура на выходе в турбину 1300 0С, содержание воды в воздухе Хв=0,25 пк (в %)
б) температура на входе в турбину 827 0С, Хв=0,25 пк (в %)
Приведенные значения предельных (максимальных) КПД и Иуд. получены при максимально возможных
по условию испарения впрысках воды как в компрессор, так и в сжатый закомпрессорный воздух (для
обеспечения эффективности регенерации отработанного тепла). Расход воды на впрыск после компрессора
определен из условия максимально возможного испарения воды в теплообменнике-регенераторе при
нагреве компримированного воздуха с учетом сохранения перепада температур между отработавшими в
ГТ газами и нагреваемой воздушно-паровой смесью (не менее 30°С).
Предельная величина КПД для рассматриваемой схемы выше, чем КПД ПГУ с впрыском пара, и близка к
КПД парогазовых установок бинарного цикла.
Таблица 1. Основные характеристики конверсионных газотурбинных установок для простой схемы и схемы с "влажной" регенерацией.
ГТЭ-1,25*
Наименование
Разработчик, завод
- изготовитель
схема с
простая
регенесхема
рацией
простая
схема
ГТУ-6П
схема с
регенерацией
Завод им.
В.Я.Климова г.
С.-Петербург
ОАО
"Рыбинские
моторы"
ТВЗ-117
Д049
Базовый авиадвигатель
Номинальная мощность
на валу силовой турбины,
МВт
ГТУ-2,5
1,1
2,0
2,85
схема с
регенерацией
простая
схема
ГТУ-16П
простая
схема
ОАО "Авиадвигатель"
ОАО "Пермские
моторы" г. Пермь
Д-30
7,4
схема с
регенерацией
6,49
АЛ-31СТЭ
простая
схема
16,4
простая
схема
ОАО "А. ЛюлькаСатурн" г. Москва
УТМ ПО г. Уфа
ПС-90А
12,7
схема с
регенерацией
НК-37
схема с
регенерацией
20
55,9
простая
схема
схема с
регенерацией
СНТК им. Н.Д.
Кузнецова г. Самара
АЛ-31Ф
45,5
НК-37**
НК-32
25
81,2
53,3
133,7
Степень сжатия в
компрессоре, 7ТК
8,0
12,0
8,9
19,6
18,1
23,4
23,4
Температура газов
перед ротором
турбины, °С
815
950
912
1140
1200
1080
1350
Расход воздуха на входе
в компрессор, кг/с
8,25
14,5
33,9
56,2
Впрыск воды до и
(после) компрессора, %
КПД-брутто на
валу силовой
турбины, г|%
2,5
(7)
2,5
(11,5)
2,5
(9)
24,8
39,5
28
44,7
27,2
42,7
Температура газов за
регенератором, °С
-
133
-
121
-
123
Удельная мощность,
кДж/кг
150
250
196
510
191
374
64,5
2,5
(18,5)
37
105,2
2,5
(18,5)
53
35,5
-
-
-
292
810
310
54,1
107
867
105,2
2,5
(19,1)
2,5
(23,5)
36,4
52,3
42,9
55+59
-
105
-
87
250
772
507
1271
*) Для ГТЭ-1,25 - на клеммах генератора. **) От НК-37 используется компрессор, диски компрессорной турбины и вал компрессорной группы. Камера сгорания, система
охлаждения лопаток, профили лопаток компрессорной турбины - новая разработка
Известно снижение КПД ГТУ при частичных нагрузках. График рис. 4 показывает положительное
влияние схемы ОИВТ РАН на указанный фактор.
КПД на клеммах для простого (1) и регенеративного циклов: с впрыском воды в компрессор (2) и
одновременно после компрессора (3, 4, 5, 6) для параметров ГТЭ-1,25 (номинальный режим рк=8,0;
То=827°С) в номинальном и частичных режимах в зависимости от отношения мощности N к
номинальной мощности No для простого цикла; 1 - простой цикл; 2 - впрыск воды в компрессор
(2,5%); 3 - впрыск воды в компрессор (2,5%) + 4% за компрессором); 4 - впрыск воды в компрессор
(2,5%) + 6% за компрессором); 5 - впрыск воды в компрессор (2,5%) + 8% за компрессором); 6 впрыск воды в компрессор (2,5%) + 10% за компрессором).
Также меньше сказывается температура наружного воздуха, что особенно важно для южных
районов (рис. 5)
Подача в зону горения камеры сгорания воздушно-паровой смеси в большой степени способствует
снижению эмиссии NOx , что характерно для впрыска воды в контур ГТУ.
Влияние внутреннего относительного КПД компрессора (r\J на КПД и удельную мощность
газопарового цикла (т]г, Ыуд г) для ГТУ представлено на рис. 6.
Отметим также, что влияние внутреннего относительного КПД компрессора на тепловую
эффективность и удельную мощность газопарового цикла с "влажным" сжатием и "влажной"
регенерацией существенно меньше, чем для простого цикла, что и обеспечивает повышенную
эффективность работы такого рода установки на частичных режимах.
Выводы
1. Показана перспективность газопаровых циклов ГТУ, в частности ГТУ по концепции ОИВТ
РАН. КПД таких установок близок к КПД парогазовых установок (ПГУ), однако газопаровые
установки позволяют получить высокие значения КПД и удельной мощности при отсутствии второго
(паротурбинного) контура. Удельная мощность газопаровой ГТУ существенно выше таковой у ГТУ
простого цикла, что благоприятно сказывается на удельных капитальных затратах.
2. Представлена концепция ГТУ ОИВТ РАН, с которой этот институт выступил в 2005 г.
3. Показано, что в большом диапазоне параметров эта концепция имеет выигрышные показатели,
в том числе и при неноминальных режимах.
4. После выполнения цикла расчетно-теоретических исследований основное внимание уделяется
экспериментальной проверке и сопоставлению экспериментальных и расчетных данных.