РАБОТА ЭЛЕКТРОТЕПЛОГЕНЕРИРУЮЩИХ ГАЗОТУРБИННЫХ УСТАНОВОК СЛОЖНЫХ ЦИКЛОВ НА НОМИНАЛЬНЫХ И ПЕРЕМЕННЫХ РЕЖИМАХ

13. Надеин А.Ф. Очистка воды и почвы от нефтезагрязнений//Экология и промышленность России. 2001. № 11. С. 24-26

14. Латыпов Б.М., Ситдиков Р.Н., Прочухан Ю.А. Комплексный метод по рекультивации почв и грунтов, загрязненных нефтью//Материалы 2-ой Всеросс. научно-практической конференции:

Отходы 2000». Уфа, 22-24 ноября. 2000. Ч. III. С. 81-87

15. Массольд А.И., Ефремова Л.Ю., Думболов Д.У. Глауконит в качестве сорбента для защиты почв от загрязнения углеводородами на объектах нефтепродуктообеспечения Минобороны России. Труды 25 ГосНИИ МО РФ.2020. №59. С.468-473

РАБОТА ЭЛЕКТРОТЕПЛОГЕНЕРИРУЮЩИХ ГАЗОТУРБИННЫХ УСТАНОВОК СЛОЖНЫХ ЦИКЛОВ НА НОМИНАЛЬНЫХ И ПЕРЕМЕННЫХ РЕЖИМАХ

Матвеенко Валерий Тимофеевич

доктор технических наук, профессор Институт природно-технических систем,

г. Севастополь Дологлонян Андрей Вартазарович кандидат технических наук, доцент Институт природно-технических систем,

г. Севастополь Клименко Александр Георгиевич ведущий инженер-исследователь Институт природно-технических систем, г. Севастополь Очеретяный Владимир Анатольевич кандидат технических наук, доцент Севастопольский государственный университет,

г. Севастополь

OPERATION OF ELECTRIC HEAT-GENERATION GAS TURBINE PLANTS OF COMPLEX CYCLES ON NOMINAL AND VARIABLE MODES

Matveenko Valeriy

Doctor of Sciences, Professor Institute of Nature and Technical Systems, Sevastopol

Dologlonyan Andrey Candidate of Sciences, assistant professor Institute of Nature and Technical Systems, Sevastopol

Ocheretianyi Vladimir Candidate of Sciences, assistant professor Sevastopol State University, Sevastopol Klimenko Alexandr Institute of Nature and Technical Systems, Sevastopol DOI: 10.31618/nas.2413-5291.2021.2.64.384

АННОТАЦИЯ

Представлены результаты исследований и разработок когенерационных газотурбинных двигателей (ГТД) сложных циклов. Показано, что применение в ГТД турбины перерасширения (ТП) позволяет повысить экономичность двигателя наравне с применением регенерации теплоты (Р). Сочетание приведенных двух способов в ГТД с ТП и Р дает дальнейшее повышение экономичности двигателя. Установлено, что на частичных нагрузках каждая конструктивная схема имеет свои закономерности изменения теплотехнических характеристик, определяющие область применения когенерационных ГТД. Приводятся примеры возможностей изменения рабочего процесса в двигателе позволяющие управлять потоками энергии в когенерационной энергоустановке.

ABSTRACT

The results of research and development of cogeneration gas turbine engines (GTE) of complex cycles are presented. It is shown that the use of an overexpansion turbine (OT) in a gas turbine engine makes it possible to increase the efficiency of the engine on a par with the use of heat regeneration (R). The combination of these two methods in a GTE with OT and R provides a further increase in the engine's efficiency. It has been established that at partial loads, each design scheme has its own patterns of change in engine characteristics, which determine the field of application of cogeneration gas turbine engines. Examples of the possibilities of changing the working process in the engine are given, which allow to control the energy flows in the cogeneration power plant.

Ключевые слова: когенерация, газотурбинный двигатель, турбина перерасширения, дожимающий компрессор.

Keywords: cogeneration; gas turbine engine; overexpansion turbine; booster compressor.

Применение комбинированного производства энергии является одним из результативных путей повышения эффективности использования тепловой энергии топлива на стадии генерирования энергии.

Газотурбинные установки (ГТУ) наиболее приспособлены для комбинированного производства энергии и в перспективе займут существенную нишу в распределенной энергетике [1].

Степень использования энергии топлива в когенерационной ГТУ можно получить не менее 75...85% при приближении электрогенерирующей установки к потребителю энергии. Обычно производство электрической и тепловой энергии принципиально достигается в ГТД простого цикла с утилизацией теплоты выхлопных газов в паровых или водогрейных утилизационных котлах [2]. Такую тепловую схему можно считать базовой (рисунок 1), в которой из 75.85% полезно использованной энергии топлива в электрическую превращается 25.35%.

КС

Рисунок 1. Схема когенерационной ГТУ: К - компрессор; КС - камера сгорания; Т - турбина; Н - нагрузка; КУ - котел-утилизатор

Конструктивно реализуется такой метод посредством присоединения к выхлопу двигателя турбокомпрессорного утилизатора (ТКУ). ТКУ состоит из турбины перерасширения (ТП), дожимающего компрессора (ДК) и охладителя газа между ними. Охладитель газа в ТКУ используется в качестве котла утилизатора.

На втором этапе усложнение когенерационного ГТД простого цикла традиционно проводится путем введения регенерации теплоты выхлопных газов двигателя для подогрева сжатого в компрессоре воздуха перед камерой сгорания (рисунок 3). При применении регенерации теплоты растет КПД

Дальнейшее повышение энергоэффективности когенерационной установки видится в повышении доли выработанной электрической энергии, при сохранении общего высокого уровня общей тепловой эффективности на номинальных, переменных режимах работы и в управлении потоками энергии.

1. Направления повышения

эффективности когенерационных ГТУ

Такая задача решается в основном, при сохранении начальной температуры газа перед турбиной в двигателе, за счет применения сложных термодинамических циклов ГТД.

Усложнение ГТД простого цикла возможно произвести нетрадиционным способом

посредством применения перерасширения газа на выходе из силовой турбины (рисунок 2), что позволит получить за вычетом энергии на дожимание газа дополнительную работу, которая повысит КПД и удельную мощность двигателя [3].

двигателя, в конструкции двигателя появляется дополнительный элемент подогреватель воздуха (регенератор).

Дальнейшее повышение энергоэффективности когенерационного ГТД осуществляется посредством сочетания приведенных выше двух способов повышения экономичности ГТД [4]. Конструктивно эта схема реализуется встраиванием регенератора в ТКУ после турбины перерасширения, так как газ после турбины перерасширения обладает еще достаточным тепловым потенциалом. Такая схема представлена на рисунке 4.

КС Т ТП

Рисунок 2. Схема когенерационной ГТУ с турбокомпрессорным утилизатором: К - компрессор; КС - камера сгорания; Т - турбина; ТП -турбина перерасширения; ДК - дожимающий компрессор; КУ - котел-утилизатор; Н - нагрузка

Рисунок 3. Схема когенерационной ГТУ

с регенерацией теплоты: К - компрессор; КС - камера сгорания; Т - турбина; Н - нагрузка; КУ - котел-утилизатор; Р - регенератор

Рисунок 4. Схема когенерационной ГТУ с турбокомпрессорным утилизатором: Н - нагрузка; К - компрессор; КС - камера сгорания; Т - турбина; ТП - турбина перерасширения; ДК - дожимающий компрессор; КУ - котел-утилизатор; Р -регенератор; КП - клапан перепуска воздуха

2. Характеристики ГТД сложных циклов на номинальных режимах

1. Моделирование термодинамических процессов в циклах ГТД производилось на основе отработанных математических моделей для ГТД простого цикла с турбиной перерасширения и регенерацией теплоты, разработанных по результатам теоретических и экспериментальных исследований [5, 7]. Математические модели циклов ГТД по своей структуре были унифицированы между собой.

2. На рисунке 5 показаны зависимости эффективного КПД (Пе) и удельной мощности (%д) циклов ГТД с регенерацией теплоты (с=0,85), с турбиной перерасширения (лда=2,25) и ГТД с ТП и Р (сложного цикла) от изменения величины степени повышения давления в компрессоре двигателя пК. На рисунке 5 для сравнения приведены параметры ГТД простого цикла (кривая П). Обозначения для ГТД с регенерацией теплоты приято (Р), для ГТД с турбиной перерасширения (ТП).

На представленных зависимостях на рисунке 5 видно, что относительное увеличение КПД (/е) для цикла ГТД с регенерацией теплоты по сравнению с циклом Брайтона составляет 10...12%. Удельная мощность (пуд) во всем диапазоне изменения пк несколько меньше, чем в простом цикле.

Характеристики циклов ГТД с турбиной перерасширения определялись с учетом оптимального значения степени повышения давления в дожимающем компрессоре Пдк. В выполненных исследованиях [7] определены оптимальные значения пдк, которые составляют от 2,0 до 2,5 в зависимости от температуры газа на выхлопе двигателя. Температура газа перед дожимающим компрессором была принята равной 323 К, при этом увеличение эффективного КПД (/е) и удельной мощности (пуд) для цикла ГТД с турбиной перерасширения относительно составило 10.15% по отношению к ГТД простого цикла.

Рисунок 5. Зависимости эффективного КПД (г/е) (сплошные линии), и удельной мощности пуд (прерывистые линии) от пк при Т3 = 1373 К, с = 0,85 и пдк = 2,25

Рисунок 6. Газотурбогенератор с турбокомпрессорным утилизатором максимальной мощностью до 60 кВт

Необходимо отметить, что оптимальные по КПД Пк для цикла ГТД с ТП и простого цикла практически совпадают, что обеспечивает совместную работу ГТД простого цикла и турбокомпрессорного утилизатора.

Сочетание двух способов повышения экономичности ГТД применено в цикле ГТД с турбиной перерасширения и регенерацией теплоты (ГТД с ТП и Р, рисунок 4). Установлено (см. рисунок 5), что относительное увеличение эффективного КПД (^е) для цикла ГТД с ТП и Р составляет 20...25% по сравнению с простым циклом. Оптимальные по КПД пк в цикле ГТД с ТП и Р даже несколько меньше, чем в цикле ГТД и Р и имеют значения от 4 до 6. Наибольшие значения удельной мощности в циклах ГТД с ТП и Р смещены в сторону меньших пк и значительно превышают значения для ГТД и Р.

Таким образом, анализ характеристик ГТД показывает, что ГТД с ТП и Р может быть создан на базе унифицированного газогенератора ГТД с Р.

В Севастополе создан опытный газогенератор АИ-8 с турбокомпрессорным утилизатором (рисунок 6). Испытания газотурбогенератора подтвердили достоверность теоретических разработок по турбокомпрессорной утилизации теплоты, установка обладает хорошими эксплуатационными качествами на всех режимах работы.

3. Работа когенерационных ГТУ на переменных режимах.

Для когенерационных ГТУ, обеспечивающих энергией автономные коммунальные и промышленные объекты, характерна работа на частичных нагрузках, причем не только в пределах сезона, но и в течение суток [9]. Обычно при изменении электрической нагрузки, тепловая мощность часто должна быть более стабильной. Поэтому выбор оптимальной тепловой и конструктивной схемы установки для реализации гибких когенерационных технологий являются важным эксплуатационным фактором.

Расчеты характеристик ГТД сложных циклов на переменных режимах производились по методикам, предложенным в работах [7, 8].

При обеспечении электрической энергией некоторых промышленных объектов требуется более лучшая приемистость ГТД, при этом предпочтительна схема когенерационного ГТД с блокированной силовой турбиной (рисунок 1).

На рисунке 7 показаны зависимости характеристик ГТД с блокированной силовой турбиной (СТ) и ТКУ (схема 1Б+ТП) от относительной эффективной мощности Л?е. На рисунке 8 показаны также для сравнения характеристики на частичных нагрузках ГТД со свободной СТ (схема 1СН).

При всех значениях относительной мощности JVe эффективный КПД Пе в схеме ГТД с ТКУ (схема 1Б+ТП) выше, чем в ГТД простого цикла (1Б).

На практике возможно применение ГТД со свободной силовой турбиной (схема 1СН), к выхлопу которой можно присоединить свободный ТКУ (схема 1СН+ТП). Расчеты показывают, что ГТД со свободной СТ имеют более высокий КПД на частичных нагрузках, чем ГТД с блокированной СТ.

Результаты расчетов теплотехнических характеристик ГТД с ТКУ на частичных генераторных нагрузках показали, что каждая схема имеет свои закономерности изменения теплотехнических характеристик. Если в ГТД с блокированной СТ относительная

теплотехническая мощность NT изменяется пропорционально JVe, то в ГТД со свободной СТ и ТКУ на эксплуатационных режимах при Л?е =0,6...1,0 остается практически стабильной. Указанное свойство предпочтительно для когенерационных ГТУ, обеспечивающих энергией предприятия городского хозяйства, особенно в зимний период.

Ле

0,40 0,35 0,30 0,25

1СН ICH \ +ТП

\

À / I \ Б+ТП_ \ 1Б

h 1

N

0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 Ые

Рисунок 7. Характеристики циклов ГТД с ТКУ

(схемы 1Б+ТП и 1СН+ТП) на частичных генераторных нагрузках при Т3 = 1373 К, пк = 18; пдк = 2,25

TT

0,9

0,8

0,7

0,6

1Б+ТП \

1С Н+ТП > s 7

\ / У/ 7

> г Л 1Б

/ // / 1CH

0,20 0,40 0,60 0,80 N Рисунок 8. Теплотехнические характеристики

ГТД с ТКУ (схема 1Б+ТП и 1СН+ТП) на частичных генераторных нагрузках при Т3 = 1373 К, пк = 18; пдк = 2,25

Для обеспечения энергией локальных объектов (здания, сооружения) применяются микрогазотурбинные установки, которые, как правило, в рабочем цикле содержат регенерацию теплоты.

Анализ характеристик ГТД установил, что КПД (Пе) ГТД с ТП и Р и ГТД с Р выше, чем в ГТД простого цикла как на номинальной нагрузке, так и частичном нагружении при всех значениях относительной мощности Л?е.

Увеличить тепловую мощность

когенерационного ГТД с ТП и Р на частичных нагрузках можно посредством клапана перепуска циклового воздуха (рисунок 4) мимо регенератора. Такой способ позволяет перераспределить тепловой поток за турбиной перерасширения между регенератором и охладителем газа -утилизационным котлом [10].

Чс 0,40

0,35

0,30

0,25

0,20

//

/ 4 у? // /

1Б/ '+ТП \ /у, / / ' / / 1Б

/J // ¿s уУ V Ъ

/// \ Ч1Б/Р

N.г 1.0

0,9

0.7

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0

Рисунок 9. Характеристики циклов ГТД с Р и с ТП и Р на частичных (генераторных) нагрузках при Т3=1373К, лк=5-6, пдк=2,0 и ст = 0,85

Ne

0.6

у X У У . г / / /

1Б/P+TI Vi / / 1 / / // //С 'У/.

\ \ Л МБ

w ' ! / // \ 1Б/Р

0 0,2 0.4 0,6 0.8

.0 Np

Рисунок 10. Теплотехнические характеристики ГТД с Р и с ТП и Р на частичных (генераторных) нагрузках при Т3=1373К, пк=5-6, пдк=2,0 и <г = 0,85

На рисунке 10 пунктирной линией показаны значения относительной тепловой мощности при равномерном увеличении перепуска воздуха мимо регенератора в ГТД с ТП и Р и ГТД с Р. Хотя эффективный КПД при этом несколько падает, но на режиме от Л/е=1 до Л/е =0,6 в ГТД с ТП и Р тепловая мощность практически постоянная. Увеличив долю перепуска воздуха, можно поддерживать постоянство $1Т на режимах меньшей нагрузки.

Заключение

1. Когенерационные ГТД сложного цикла более экономичны по сравнению с когенерационным ГТД простого цикла как на номинальных, так и на частичных нагрузках.

2. Тепловые и конструктивные схемы ГТД с турбиной перерасширения и регенератором приспособлены к изменению рабочего процесса в двигателе и позволяют реализовать гибкие когенерационные технологии, то есть создать когенерационные установки с управляемыми потоками энергии.

3.ГТД с турбокомпрессорным утилизатором могут быть созданы на базе газогенераторов ГТД простого цикла, выпускаемых в настоящее время промышленностью.

Исследования выполнены при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 18-48-920005.

Список литературы:

1. Эффективные технологии производства электрической и тепловой энергии с использованием органического топлива/ О.Н. Фаворский, А.И. Леонтьев, В.А. Федоров, О.О. Мильман. - М.:Издательство МЭИ, 2001. - 16 с.

2. Шелковский Б.И., Пашотченко А.С., Захаров В.П. Утилизация и использование вторичных энергоресурсов компрессорных станций. - М.: Недра, 1991.-160 с.

3. Матвеенко В.Т., Очеретяный В.А., Андриец А.Г. Энергетические и приводные газотурбинные двигатели с блокированной силовой турбиной // Восточно-европейский журнал передовых технологий. - Харьков, 2013.-Вып. 3/12(63). - С. 33-37.

4. Матвеенко В.Т., Очеретяный В.А., Андриец А.Г. Перспективы повышения эффективности ГТД с регенерацией теплоты усложнением цикла//Вестник СевНТУ. Сб. научн. трудов.-Севастополь, 2010.-Вып. 106.-С.120-123.

5. 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.

6. Котляр И.В. Частичные и переходные режимы работы судовых газотурбинных установок/ И.В.Котляр. - Л.Судостроение, 1966. - 290 с.

7. Matviienko V., Ocheretuaniy V. Variable regimes operation of cogenerative gas-turbine engines

with overexpansion turbine //Proceedings of ASME Turbo Expo 2010: Power of Land, Sea and Air GT2010, June 14-18, 2010, Glasgow, UK, GT 201022029.

8. Матвеенко В.Т. Теплотехнические характеристики когенерационных газотурбогенераторов с регенерацией теплоты при переменном режиме работы // Авiацiйно-космiчна техшка i технолопя; Зб. наук.праць -Харкав: НАУ «ХА1», 2001. Вип. 23. - С. 95-98.

9. Матвеенко В.Т. Газотурбинные двигатели сложных циклов для морских нефтегазовых

сооружений/ В.Т.Матвеенко, В.А.Очеретяный// Химическое и нефтегазовое машиностроение. -2017.-№ 9.-С.17-21.

10. Матвеенко В.Т. Гибкие когенерационные технологии в газотурбинной установке сложного цикла с турбиной перерасширения/ В.Т.Матвеенко, В.А.Очеретяный // Промышленная теплотехника. -2007. -Т.29. -№ 7. -С.97 - 101.

11. Matviienko V., Ocheretuaniy V., Andriets O., Riznik S. Working Process Control in a ship gas turbine of complex cycle.//Proceedings of ASME Turbo Expo 2016,June 13-17, Seoul, South Korea, GT 2016-56073.

РЕЗУЛЬТАТЫ СОЦИОЛОГИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ СРЕДИ ЖИЛЬЦОВ ЖИЛЫХ ДОМОВ, ПРИСОЕДИНЕННЫХ К СИСТЕМАМ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ

Короли Мехрия Анваровна

к.т.н., доцент,

Ташкентский Государственный Технический Университет, г. Ташкент Республика Узбекистан

RESULTS OF SOCIOLOGICAL STUDIES AMONG RESIDENTS OF RESIDENTIAL HOUSES

CONNECTED TO HEAT SUPPLY SYSTEMS

Koroli Mehriya Anvarovna

Ph.D., Associate Professor, Tashkent State Technical University, Tashkent, Republic of Uzbekistan

АННОТАЦИЯ

В работе приведены результаты многолетних исследований участия человека в управлении микроклиматом. Автором была сделана попытка раскрыть то взаимовлияние, которое существует между системой теплоснабжения и потребителем, проведя анализ социологического исследования.

ANNOTATION

The paper presents the results of many years of research on human participation in microclimate control. The author tried to reveal the mutual influence that exists between the heat supply system and the consumer by analyzing a sociological study.

Ключевые слова: социальная и коммунальная сфера, потребитель, теплоснабжение, стабильность, человеческий фактор, энергия, экономия, сознание

Key words: social and communal sphere, consumer, heat supply, stability, human factor, energy, economy, consciousness

Введение

Основная категория потребления тепла -создание комфортных условий труда и быта (коммунально-бытовая нагрузка). Сюда относят потребление воды на отопление, вентиляцию, горячее водоснабжение (ГВС).

Важным моментом, на который необходимо обратить особое внимание, является эффективность использования топливно-энергетических ресурсов в экономике республики. Сегодня приоритет отдается стабильности в обеспечении энергией населения и экономики страны. В Узбекистане серьезной проблемой является чрезвычайно высокий уровень энергопотребления. Если не решать проблемы, накопившиеся в энергетическом секторе, они могут привести к снижению эффективности отрасли, нарушению экологического равновесия и поставить под угрозу устойчивость экономического роста. Требуются преобразования в теплоэнергетике в плане технического

перевооружения энергооборудования на её объектах.

Система централизованного теплоснабжения в республике сформировалась в 1950 - 1970 годах по схеме открытого водоразбора и зависимого подключения к тепловым сетям отопительных систем зданий, т.е. отопление зданий присоединено непосредственно к тепловым сетям через гидроэлеваторы (смесительные устройства), а на горячее водоснабжение поступает вода из тепловой сети, т.е. химически очищенная на котельных. Малозатратные при монтаже, но дорогостоящие в эксплуатации подобные системы характеризуются малыми сроками службы внутренней системы отопления и трубопроводов тепловых сетей, высокими эксплуатационными издержками при производстве, транспортировке и потреблении тепла, сверхнормативными расходами сетевой воды и, соответственно, тепловой энергии. Большая часть основного оборудования в сфере производства тепловой энергии физически и