Влияние основных параметров цикла на показатели эффективности перспективных газотурбинных установок

Из таблицы видно, что результаты аналитического и конечно-элементного расчетов совпадают с достаточной для практики точностью. Касательные напряжения, полученные конечно-элементным расчетом, меньше касательных напряжений, полученных аналитическим расчетом. Это связано с тем, что в конечно-элементных моделях учитываются касательные напряжения в обшивках, которые в аналитическом расчете во внимание не принимались (предполагалось, что вся поперечная сила воспринимается запол-

Заключение

Сравнение результатов аналитического и конечно-элементного расчетов показало их хорошее совпадение при расчете на поперечный изгиб удлиненной панели, один из размеров которой значительно больше другого. Предложенные аналитическую и объемную модели панели можно использовать при выполнении расчетов напряжений и деформаций в панелях звукопоглощающих конструкций двигателей летательных аппаратов.

Статья поступила 06.06.2014 г.

нителем).

Библиографический список

1. Вольмир А.С. Гибкие пластинки и оболочки. М.: Гос. изд-во технико-теоретической лит-ры, 1956. 420 с.

УДК 651

ВЛИЯНИЕ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ЦИКЛА НА ПОКАЗАТЕЛИ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПЕРСПЕКТИВНЫХ ГАЗОТУРБИННЫХ УСТАНОВОК

© Р.Ф. Султанов1, Н.С. Сенюшкин2

Уфимский государственный авиационный технический университет, 450000, Россия, г. Уфа, ул. Карла Маркса, 12.

Рассмотрены варианты повышения эффективности выработки электроэнергии на газотурбинных установках (ГТУ). Произведено расчетно-аналитическое исследование параметров и характеристик ГТУ когенерационного типа для совместной выработки электрической энергии и тепла. Получены результаты, доказывающие ограниченность газотурбинных установок традиционной схемы. Продемонстрировано преимущество варианта ГТУ с рекуперативным воздухоподогревателем. Приводятся полученные параметры такой установки со сложным циклом.

Ил. 4. Табл. 1. Библиогр. 2 назв.

Ключевые слова: ГТУ; конверсия; электрический КПД; рекуператор; когенерация.

CYCLE MAIN PARAMETER EFFECT ON PROMISING GTP PERFORMANCE INDICATORS R.F. Sultanov, N.S. Senyushkin

Ufa State Aviation Technical University, 12 Karl Marx St., Ufa, 450000, Russia.

The paper deals with the options to improve the efficiency of electrical power generation by gas turbine plants (GTP). It performs a computational and analytical study of parameters and characteristics of cogeneration type GTP for combined production of electrical power and heat. The obtained results prove the limitations of GTP of the traditional scheme. Having demonstrated the advantages of the GTP with a recuperative air preheater, the authors provide the obtained parameters of the complex cycle gas turbine. 4 figures. 1 table. 1 source.

Key words: gas turbine plant (GTP); conversion; electrical efficiency; recuperative heat exchanger; cogeneration.

«Энергетическая стратегия России до 2030 г.» [1], разработанная ведущими специалистами Минэнерго и академических профильных институтов, была принята Правительством РФ в 2009 г. Согласно данному документу к указанному сроку произойдет удвоение производства электроэнергии, доля выработки электроэнергии на АЭС и ГЭС значительно возрастет, но основной объем электроэнергии будет по-прежнему вырабатываться на ТЭС.

Данное увеличение производства электроэнергии будет достигнуто за счет строительства новых и мо-

дернизации существующих станций. Важным компонентом реализации этих планов является применение газотурбинных установок. Речь идет о надстройки действующих ТЭЦ современными промышленными ГТУ, а также о строительстве автономных ГТУ-ТЭЦ относительно небольшой мощности. И те и другие используются для выработки как электрической, так и тепловой энергии. Это означает, что они работают по когенерационному циклу, что увеличивает общую эффективность использования тепла топлива. Принципиальная схема ГТУ-ТЭЦ, работающая по когенера-

1Султанов Рузиль Фаилевич, аспирант, младший научный сотрудник, тел. 89373566519, e-mail: sultan_90@mail.ru Sultanov Ruzil, Postgraduate, Junior Researcher, tel.: +79373566519, e-mail: sultan_90@mail.ru

2Сенюшкин Николай Сергеевич, кандидат технических наук, доцент кафедры авиационной теплотехники и теплоэнергетики, тел.: 3472737954, e-mail: aviastar-ufa@mail.ru

Senyushkin Nikolai, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Aviation Combustion and Heat and Power Engineering, tel.: 3472737954, e-mail: aviastar-ufa@mail.ru

ционному циклу, изображена на рис. 1.

Используемые в настоящее время ГТУ делятся на три категории:

- созданные на базе авиационных реактивных газотурбинных двигателей;

- созданные на базе газотурбинных двигателей для морского использования;

- созданные специально для энергетического использования.

Рис. 1. Схема установки когенерационного цикла: 1 - газотурбинный двигатель; 2 - электрогенератор;

3 - котел-утилизатор; 4 - расходный бак питательной воды; 5 - насос; 6 - потребитель тепла

Первый и второй тип ГТУ [2] можно объединить под одним условным названием - конвертированные ГТУ. ГТУ, относящиеся к первой и второй категории -более форсированные и лёгкие установки, отличающиеся простотой обслуживания, меньшими требованиями к инфраструктуре, но и меньшим ресурсом.

ГТУ, относящиеся к третьей категории, созданные специально для энергетического использования, - это тяжелые и громоздкие установки. Для обеспечения надёжности, тепловой экономичности, снижения стоимости и эксплуатационных затрат данные энергетические ГТУ проектируются по простейшему циклу с применением относительно простых технологий.

Для технического перевооружения ТЭЦ предпочтительно применение энергоустановок первого типа, на базе конвертированных авиадвигателей с высокими параметрами термодинамического цикла, так как указанная «Энергетическая стратегия России до 2030 г.» предъявляет основное требование к такому параметру эффективности, как КПД по выработке электроэнергии ле, который должен быть не ниже 40% и определяется по формуле

N

Ле =-5--Ю0%,

,е Ст - Ни

где ^ -мощность ГТУ, кВт; Ни - низшая теплотворная

способность топлива, кДж/кг; Gт - расход топлива, кг/с.

Данный показатель позволяет оценить совершенство ГТУ как с технической, так и с экономической стороны. Так как большинство энергоустановок вырабатывает еще и тепловую энергию, работая по коге-нерационному циклу, необходимо учитывать коэффициент использования тепла топлива ГТУ%. Примерный уровень Ле современных ГТУ равен 75-80%.

Тепловая мощность вычислена при условии охлаждения газа в теплоутилизаторе до 393 К и потере 2% тепла в окружающую среду.

Ле =

N+д т

^  Ни

-100%

V ^ т /

где Qт - тепловая мощность при утилизации тепла, кВт.

При проектировании ГТУ, удовлетворяющей современным требованиям эффективности, необходимо ответственно подойти к выбору ее размерности и основных параметров рабочего цикла.

Для анализа влияния основных параметров термодинамического цикла ГТУ на показатели эффективности проведено расчетное исследование. Для проведения расчетного исследования показателей рабочего процесса ГТУ с помощью программного комплекса GasTurb сформирована математическая модель. Исследования проводились при стандартных атмосферных условиях (Тн=15оС; рн=760 мм рт. ст).

В качестве исходных данных заданы:

- схема двигателя - одновальный со свободной турбиной;

- расход воздуха на входе в двигатель принят 100

кг/с;

- расход охлаждающего воздуха подбирался в соответствии с уровнем температуры газа перед турбиной;

- эффективность узлов турбокомперссора соответствует уровню современных ГТУ;

- степень повышения полного давления в компрессоре % К изменяется в диапазоне от 6 до 32;

- температура на выходе из ОКС Т Г варьируется от 1150 до 1700 К;

- топливом служит природный газ.

Результаты расчётной оценки влияния % К и Т Г на

показатели эффективности ГТУ приведены на рис. 2 и 3, где приняты следующие обозначения:

1_ст - удельная мощность ГТУ в кВт, отнесённая к расходу воздуха в кг/с (кВт-с/кг);

QT/LcT - отношение тепловой мощности при утилизации тепла к электрической мощности ГТЭ, кВт/кВт.

Мощность, представленная через Lст, позволяет обезразмерить ГТУ и подобрать требуемый расход на входе в каждом конкретном случае. Параметр QT/LCT косвенно характеризует, какую долю составляет электрическая энергия в общем объеме выработанной энергии ГТУ.

Исходя из приведенных зависимостей можно оценить потребный расход воздуха, уровень максималь-

ных температур и степень повышения давления в ГТУ для получения необходимой заданной мощности на валу силовой турбины.

Для получения максимальной работы цикла целесообразно рассматривать диапазон степени повышения давления % К от 8 до 12 при низких температурах газа перед турбиной и диапазон %К от 10 до 16 при более высоких температурах. Повышение величины %К выше 18 нецелесообразно, т.к. ведёт к резкому усложнению конструкции и увеличению стоимости жизненного цикла при незначительном росте (рис. 2). Таким образом, в ГТУ когенерационного цикла традиционной схемы реально достижимыми уровнями величин КПД по выработке электроэнергии являются значения от 30 до 37%, а по коэффициенту использования топлива % _ от 85 до 90%. Параметры цикла при этом находятся в следующих диапазонах: % К _ от 8 до 18, а Т*Г _ от 1400 до 1600 К.

Достижение высоких КПД (до 40%) по выработке электрической энергии возможно лишь при сверхвы-

150 200 250 300 350 400 450 500

LCT,кВт/кг

Рис. 2. Влияние я к и Тг на КПД по выработке электроэнергии и удельную мощность ГТУ

Ьст, кВт/кг

Рис. 3. Влияние жк и Т г на коэффициент использования тепла топлива ГТУ

соких для данного типа установок параметрах. Суммарная степень повышения давления в компрессоре _ в диапазоне 26-32, а температура ТГ_ в диапазоне 1550-1700 К. В созданных до настоящего времени установках максимальная степень повышения давления в компрессоре равна 21, а максимальная температура перед турбиной _ 1600 К.

Из этого можно сделать вывод, что создание новой ГТУ со столь высокими показателями эффективности будет сопряжено со значительными проблемами по обеспечению ресурса, надежности и последующей нормальной эксплуатации. Очевидная сложность создания установки традиционной схемы, соответствующей требованиям современных программ развития энергетики, приводит к необходимости создания ГТУ по схеме, позволяющей увеличить удельные параметры, без интенсификации параметров цикла собственно газотурбинного двигателя. В частности речь идет о сложных схемах с рекуператором, о введении воды и пара в рабочий цикл.

Результаты расчётной оценки влияния % К и ТГ на показатели эффективности ГТУ с рекуператором приведены на рис. 4. Расчеты произведены по математической модели с включением рекуперативного воздухоподогревателя (РВП).

Технические характеристики РВП, использованные для расчета:

- степень регенерации 0,8;

- коэффициент восстановления полного давления в выходном устройстве компрессора, входном диффузоре камеры сгорания и в РВП по холодной части 0,97;

- коэффициент восстановления полного давления в РВП по горячей части 0,883.

Полный КПД (ле) незначительно, но все же ниже, чем у ГТУ традиционной схемы ввиду более низкой энергии уходящих газов. Но так как выработка тепла является лишь побочным продуктом работы ГТУ, этим можно пренебречь.

Ле,% 44

42

40 38 36 34

Параметры цикла современной ГТУ с РВП

Т*Г, К * %к

1550 8-14

1600 6-18

1650 6-24

1700 6-27

Расчетно-аналитическое исследование показало, что для достижения высоких параметров эффективности, а именно КПД по выработке электроэнергии более 40%, необходимо введение в конструкцию регенеративного воздухоподогревателя. Уровень параметров должен находиться в диапазоне для степени повышения давления %к* от 8 до 14 и температура газа

32

30

28

26

24

ьс

Рис. 4. Влияние ж к и Т г на КПД по выработке электроэнергии и удельную мощность ГТУ с РВП

450 кВт/кг

В схеме ГТУ с рекуперативным циклом максимальное теоретически возможное значение КПД по выработке электроэнергии достигает 43,5%. Основная причина отсутствия установок с таким уровнем эффективности - высокий уровень температур перед турбиной. Так же как и в установках простого (не регенеративного) цикла, рубеж в 40% КПД достигается при ТГ 1550-1700 К. При этом степень повышения полного давления в двигателе имеет более широкий диапазон (таблица), начинающийся с низких значений.

перед турбиной Т*Г - от 1550 до 1700 К.

Данный уровень параметров характерен для ГТУ, конвертированных из авиационных двигателей. Для технического перевооружения ТЭЦ предпочтительно применение именно этого типа ГТУ.

Применение РВП позволяет использовать авиационные двигатели 4-го и 3-го поколения для конвертации их в ГТУ с высокими показателями эффективности.

Работа выполнена при поддержке гранта Президента РФ МК МК-4746.2014.8.

Статья поступила 06.06.2014 г.

Библиографический список

1. Энергетическая стратегия России на период до 2030 г. / Р.Ф. Методика проектирования ГТД на основе анализа тре-Утверждена Постановлением Правительства Российской бований к условиям работы // Современные проблемы науки Федерации от 13 ноября 2009 года № 1715-р. и образования. 2013. № 5. 111-10092 - № 5 [Электронный

2. Сенюшкин Н.С., Зырянов А.В., Копиртех А.В., Султанов ресурс]. 11^: http://www.science-education.ru/ (16.09.2013).