Анализ основных схем газотурбинных установок на базе конверсионных двигателей, применяемых в электроэнергетике

Анализ основных схем газотурбинных установок на базе конверсионных двигателей, применяемых в электроэнергетике Коробицин Н. А., вед. инженер отдела инвестиций ОАО «Татэнерго».

В настоящее время в электроэнергетике эксплуатируется большое количество газотурбинных установок (ГТУ), разработанных и изготовленных на авиационных предприятиях на базе их конверсионных газотурбинных двигателей (ГТД). Поэтому ГТУ в зависимости от ГТД имеют разные конструктивные схемы (одновальные, двухвальные и даже трехвальные, где, соответственно, один, два и три каскада компрессоров), электрические мощности этих ГТУ составляют от 1,1 до 30 МВт. В общем, конструктивные схемы ГТУ представляют собой как бы «аналог» турбовинтовых двигателей (ТВД) или турбовальных ГТД, работающих в наземных условиях, где вместо винта располагается генератор (в энергетике) для выработки электроэнергии, а выхлопные газы из ГТУ утилизируются в котле-утилизаторе.

В связи с этим исследование влияния конструктивных схем ГТУ на эффективность применения их в составе газотурбинных электростанций (ГТЭС) является актуальной задачей. Однако в данной работе рассматриваются лишь три простые схемы ГТУ — это две схемы ГТУ на базе ГТД с однокаскадным компрессором и одна схема ГТУ на базе ГТД с двухкаскадным компрессором.

Все расчеты схем ГТУ производились в условиях ISO 2314 (ГОСТ 20 440) и постоянных КПД турбин (0,92) и однокаскадных компрессоров (0,83).

В схеме ГТУ с двухкаскадным компрессором общий КПД компрессора принят равным 0,8, а отдельных каскадов компрессора — 0,83.

Итак, вначале рассмотрим простую одновальную схему ГТУ с однокаскадным компрессором. Соединение с генератором осуществляется через трансмиссию с редуктором как со стороны компрессора, так и со стороны турбины. Достоинство такой ГТУ — ее хорошая приемистость, но одновальность ГТУ затрудняет согласование работы компрессора и турбины.

Коэффициент полезного действия (КПД) зэ этой ГТУ запишем согласно [1].

з_э=с_рв[(р_к ^{(к-1) /к} -1)(и е з_т з_к / р_к ^{(к-1) /к} -1)/з_к]/с_р усл [и -1- (р_к ^{(к-1) /к} -1)/ з_к], (1).

а для максимальной действительной работы L_гту = f (р_к) значение оптимальной степени повышения давления воздуха в компрессоре р_к опL = (ие з_р з_с) ^{к /2(к -1)}, (2).

где з_т — КПД турбины; з_к — КПД компрессора; р_к — степень повышения давления воздуха в компрессоре; к — показатель адиабаты для воздуха; с_рв и Т_н — средняя удельняя теплоемкость и температура наружного воздуха; е — поправочный коэффициент, учитывающий различие между газовой постоянной R и показателем адиабаты для газа и воздуха.

е = с_рг (1 — (1/ р_т ^{(кг -1) / кг})) / с_рв (1 — (1/ р_т ^{(к-1) /к})), (3).

где р_т — степень понижения давления газа в турбине (р_т? р_к); к_г — показатель адиабаты для газа; с_рг и Т_г — средняя удельняя теплоемкость и температура газа за камерой сгорания; степень повышения температуры и = Т_г / Т_н; с_р усл — условная средняя теплоемкость рабочего тела в процессе подогрева его в камере сгорания.

ГТУ с однокаскадным компрессором и так называемой свободной турбиной (СТ), расположенной на отдельном валу за газогенератором и служащей только для привода генератора, рассмотрена в [2]. Эта ГТУ требует меньшую мощность пусковых устройств, чем одновальная ГТУ, но отличается худшей приемистостью. Для этой ГТУ КПД з_э на расчетном режиме работы на валу СТ.

з_э = с_рв [и е з_ст (р_ст ^{(к-1) /к} -1)/(е₁ р_к ^{(к-1) /к})] / с_р усл [и — 1- (р_к ^{(к-1) /к} — 1)/ з_к], (4).

максимальная степень понижения давления СТ.

р_ст max = [(1 + ие з_тг з_к)² / 4 ие з_тг з_к] ^{к /(к -1)} (5).

и оптимальная степень понижения давления воздуха в компрессоре.

р_к опт = [(1 + ие з_тг з_к)/2] ^{к /(к -1)}, (6).

здесь р_ст — степень понижения давления газа в СТ; р_тг — степень понижения давления газа в турбине газогенератора (р_тг? р_к / р_ст); з_рг — КПД турбины газогенератора; з_ст — КПД СТ; е — поправочный коэффициент аналогично (3), но для СТ; е ₁ = р_тг ^{(кг -1) / кг} / р_тг ^{(к-1) /к} .

На рис. 1,2 представлены графики р_к опL и КПД з_э для одновальной ГТУ в зависимости от и, расчитанные по выражениям (1,2).

На рис. 3, 4 представлены графики р_к опт, р_ст max и з_э для СТ в зависимости от и расчитанные по выражениям (1−3). При этом отметим, что графики КПД з_э ГТУ на рис. 2 и 4 на расчетном режиме работы совпадают при тех же значениях р_к = р_к опт и соответствующих и.

Второй важной характеристикой цикла служит коэффициент полезной работы ц, определяемой как отношение полезной работы ГТУ к работе турбины. В [3] представлена приближенная формула для вычисления ц ц? 1 — р_к ^{(к-1) /к} / (е и з_т з_к). (7).

Если коэффициент ц мал, то это означает, что полезная работа цикла мала в сравнении с работой турбины и что большая часть работы турбины расходуется на привод компрессора. На рис. 5 представлены графики ц в зависимости от р_к при определенных и.

Как видим, небольшие изменения работы турбины или компрессора (нерасчетные режимы работы) приводят к заметному относительному изменению полезной работы ГТУ и, следовательно, к изменению ее КПД.

Далее в качестве ГТУ без СТ рассмотрим двухвальный ГТД, где двухкаскадный компрессор (компрессор низкого давления — КНД плюс компрессор высокого даления — КВД), а генератор и компрессор низкого давления приводятся турбиной низкого давления. По своим свойствам эта ГТУ занимает промежуточное положение между одновальной ГТУ и ГТУ с СТ. Выражение КПД з_э ГТУ, с учетом баланса мощностей свободного вала, запишем з_э = (L_тнд — L_кнд) / С_р усл [и — 1 — (р_к ^{(к-1) /к} — 1)/ з_к], (8).

где L_тнд — работа турбины низкого давления; L_кнд — работа компрессора низкого давления.

L_кнд = р L_к, (9).

где р — коэффициент распределения работ, принят равным 0,4; L_к — работа компрессора ГТД.

На рис. 6 и 7 представлены расчетные графики КПД з_э в зависимости от р_к и и соответственно.

К сведению, на рис. 8 представлен график температуры выхлопных газов Твых. из ГТУ в зависимости от и при различных рк .

Следовательно, ГТУ на базе двухвального ГТД без СТ со степенью повышения давления воздуха в компрессоре р_к более 10 и степенью повышения температуры и более 4,34, т. е. температурой за камерой сгорания Т_г? 1250 К, могут иметь КПД з_э более 0,35 и Т_вых. более 750 К.

При этом если, например, для двухвальной ГТУ иметь параметры одновальной ГТУ: з_к = 0,83, и = 4, р_к = 11,8 и з_э? 0,35 (рис. 3, 4), то КПД компрессора низкого давления должен быть з_кнд? 0,88 или коэффициент распределения работ в компрессоре р = 0,412 при з_кнд = 0,83.

Выводы.

• 1. На примере схемы ГТУ с однокаскадным компрессором показано, что простые схемы ГТУ следует разрабатывать со свободной турбиной, т.к. КПД ГТУ как без свободной турбины, так и с ней примерно равны.
• 2. КПД з_э ГТУ с двухкаскадным компрессором зависит от работы компрессора высокого давления ГТУ, который влияет на распределение давлений по компрессорам. Кроме того, на КПД ГТУ существенно влияют значения КПД компрессоров и турбин. Поэтому с целью повышения КПД двухвальной ГТУ следует вводить промежуточное охлаждение или подвод тепла, т. е. соответствующим образом распределять работу компрессоров и турбин по валам.

компрессор выхлопной газогенератор Литература.

• 1. Цанев С. В., Буров В. Д., Ремезов А. Н. Газотурбинные и парогазовые установки тепловых электростанций. Учебное пособие для вузов. Под ред. С. В. Цанева.- М.: Изд. МЭИ, 2002. — 584 с.
• 2. Галиуллин Р. З., Коробицин Н. А. Термодинамические циклы ГТУ-ТЭЦ на базе конвертированных двигателей // Энергетика Татарстана. — 2005. № 1. С. 52 -58.
• 3. Костюк А. Г., Шерстюк А. Н. Газотурбинные установки. Учебное пособие для вузов. — М.: Высшая школа, 1979. — 254 с.
• 4. Теория воздушно-реактивных двигателей. Под ред. д.т.н. С. М. Шляхтенко. М.: «Машиностроение», 1975. — 568 с.