CC BY
122
УДК 621.438
Р. А. Ильин, А. К. Ильин, В. А. Иванов
ЭКСЕРГЕТИЧЕСКАЯ ЭФФФЕКТИВНОСТЬ ОТЕЧЕСТВЕННЫХ И ЗАРУБЕЖНЫХ ГАЗОТУРБИННЫХ УСТАНОВОК
Развитие газотурбинных технологий значительно и успешно ускорилось в последние 30-40 лет [1-4]. За этот период до определенного предела разработана проблема материалов, применяемых в газотурбинных установках (ГТУ) и проблема повышения начального давления и температуры газа. Существенно усложнились термодинамические циклы и схемы ГТУ за счет включения аппаратов промежуточного охлаждения, дожимных компрессоров, дополнительных камер сгорания, за счет применения систем охлаждения лопаток турбин и др. Раньше эти проблемы практически были менее острыми [5 и др.].
Важной задачей при дальнейшем совершенствовании газотурбинных технологий является развитие методов оценки эффективности усложняющихся циклов ГТУ [1, 6, 7] и установок в целом [3, 8, 9 и др.]. Это особенно важно для транспортных ГТУ (судовых и др.).
Для оценки эффективности теплоэнергетических установок нами принята общая методология оценки [8] на основе эксергетического метода термодинамического анализа по коэффициенту использования располагаемой эксергии - эксергии тепловой энергии, выделяющейся при сжигании топлива в камерах сгорания установок:
&Пвх = ехи/ехт , (1)
где ехп - удельная полезная эксергия, Дж/кг; ехт - удельная располагаемая эксергия, Дж/кг. Коэффициент по формуле (1) показывает долю полезно используемой располагаемой первичной эксер-гии и, таким образом, учитывает все потери в теплоэнергетической установке (термодинамические, механические, тепловые, электрические, гидромеханические и др.) [8]. Коэффициент б^ отличается от обычного эксергетического КПД непосредственно теплоэнергетической установки, учитывающего потери только в установке. Коэффициент использования располагаемой эксергии определяется по эксергии газа для всего располагаемого диапазона температур Т.... То, где Тт - максимальная теоретическая температура горения топлива, К; То - температура окружающей среды.
Некоторые результаты анализа для ГТУ (без утилизационных котлов) представлены на рис. 1, на котором линии соответствуют температуре газа за турбиной; точки - по данным ГТУ-электростанций постройки с 1970-1980 по 2000 г. мощностью 5.180 МВт с умеренными и высокими значениями температуры газа перед турбиной и с различными значениями температуры газа за турбиной (фирмы США, Германии, Японии, России и др.).
Рис. 1. Зависимость коэффициента использования располагаемой эксергии в реальных ГТУ различных мощностей (5...180 МВт) и параметров от температуры газов перед Твх и после Твых газовой турбины
Из рис. 1 видно, что с увеличением температуры газов перед турбиной и при неизменной температуре газов на выходе из нее, т. е. при увеличении срабатываемой в турбине разности температур, величина коэффициента использования располагаемой эксергии увеличивается. Если эти данные перестроить в координатах 5^вх - Твх с параметром (Твх - Твых), то будет видно, что значительное влияние на эффективность ГТУ оказывает также уровень, на котором срабатывается перепад температуры газа на турбине при Твх = const. Увеличение перепада температур газа на турбине обеспечивается путем увеличения степени сжатия в цикле ГТУ.
Коэффициент использования располагаемой эксергии вычислен нами также для конкретных отечественных и зарубежных ГТУ, характеристики которых приведены в табл. 1 и 2 по [1, 3, 4 и др.]. В таблицах обозначены: W- полезная мощность ГТУ, p - общая степень повышения давления. Результаты представлены на рис. 2 в координатах 5hex ~ Р, где p является функцией температуры газа на входе и выходе: p = f (Твх, Твых).
Рис. 2. Коэффициент использования располагаемой эксергии в отечественных ГТУ
Вычислены также коэффициенты общих потерь (механических и электрических) в ГТУ ^мэ (см. выше) на основе характеристик установок в табл. 1 и 2. Результаты представлены на рис. 3.
Рис. 3. Коэффициент общих потерь ^мэ в отечественных (•) и зарубежных (+) ГТУ
Таким образом, как следует из рис. 2 и 3, степень повышения давления может использоваться как обобщенный параметр, определяющий эффективность использования эксергии в автономных (без утилизационного котла) газотурбинных установках.
1G7
Основные характеристики и коэффициент использования эксергии отечественных ПУ
\Производителі Характе- ристики НПП ««Завод им. B. Я. Климова, C.-Петербург Машпроект, г. Николаев ОАО «Авиадвигатель», г. Пермь СКБИ, г. Самара НПП «Мотор», г. Уфа АО «Сатурн- Люлька» ЦИАМ, «Союз» ОАО СНTК «Двигатели НК» г. Самара TM3 АО «Рыбинские моторы», «Машпроект»
ГГЭ-1,5 П 5, гч -Э T Г ГTГ-6 ГХД-15 ГTД16 ГTГ-25 П 5, T Г ГTУ-4П Э П 2 T Г ГTУ-16ПЭ ГTУ-25ПЭ НК-14Э ^У-10/ 95 АЛ-31СT ГTУ-55СT-20 НК-37 НК-37-1 ^Э-25У ггэ-110
W, МВт 1,2 2,85 6,7 15,8 17,5 27,5 2,5 4 12,G 16,G 25,G 8,6 1G,G 2G,G 2G,G 25,G 3G,2 31,2 11G,G
КПД G,25 G,285 G,315 G,31 G,35 G,36 G,218 G,247 G,35 G,375 G,39 G,321 G,31 G,365 G,315 G,364 G,373 G,317 G,354
p 13,6 12,G 16,6 15,8 19,6 21,8 6,G 7,5 16,9 19,6 28,5 11,G 8,41 21,G 1G,2 23,1 25,6 13,6 14,7
T °С 1 вх С 1 112 95G 1 GGG 87G 1 G76 1 227 688 816 1 G49 1 143 1 24G 947 9G6 1 25G 98G 1 147 1 219 1 G6G 1 21G
T °С 1 вых 5 С 524 435 42G 365 432 485 385 448 426 466 451 435 478 52G 45G 428 455 466 524
Sh** G,28 G,33 G,36 G,35 G,4G G,41 G,25 G,28 G,4G G,42 G,44 G,36 G,35 G,41 G,36 G,41 G,42 G,36 G,41
Таблица 2
Основные характеристики и коэффициент использования эксергии зарубежных ГІУ
General Electric Rolls-Royce Turbo Power АВВ Mitsubishi Siemens Vestingauz
\ LM1600 LM2500 LM2500+ LM6000-PA PG6101FA PG923EC PG351FA Trent 8 H F 2 E rn H G 6 2 H G F1 10 MW701G A 3/ 9 V 10 £
w, МПроизводитель 13,8 21,96 28,54 4G,6 7G,1 169,2 255,6 27,2 51,2 25,47 165,1 265,G 27G,3 334,G 255,G 85,9
КПД G,356 G,357 G,373 G,392 G,342 G,349 G,369 G,358 G,416 G,381 G,357 G,385 G,382 G,395 G,385 G,366
характе- 22,3 18,8 23,1 29,6 15,G 14,2 15,4 2G,8 35,G 2G,G 14,6 3G,G 17,G 21,G 17,G 19,G
ристики 1 24G 1 2GG 1 24G 1 24G 1 29G 1 2G4 1 29G 1 22G 1 23 G 1 145 1 18G 1 29G 1 35G 1 41G 1 315 1 28G
T °С 1 вых 5 С 487 542 52G 46G 64G 558 6G9 464 427 455 524 589 586 587 577 573
Sh** G,4G G,41 G,42 G,45 G,39 G,4G G,42 G,41 G,47 G,43 G,41 G,44 G,43 G,45 G,44 G,42
Судовые энергетические установки и машинно-движительные комплексы
Очевидно, что при переходе от средних величин степени повышения давления (14.18) к более высоким - до 30, темп роста б^ существенно снижается, и, возможно, при p > 30.40, рост величины б^ес не оправдывается усложнением схем и оборудования ГТУ. Это, в определенной степени, подтверждается данными по ГТУ фирмы General Electric (наши расчеты по ним представлены на рис. 4).
Рис. 4. Коэффициент использования располагаемой эксергии в ГТУ фирмы General Electric типоразмеров PGT, MS, ГТУ-G, ГТУ-Н, LM и мощностью до 280 МВт
Однако необходимо отметить, что усилия по оптимизации циклов автономных ГТУ, например в [6, 7], приводят к рекомендациям по повышению общей степени повышения давления в ГТУ до 60 и выше.
Данные на рис. 3, в частности, по отечественным ГТУ, показывают, что, очевидно, при современных параметрах установок коэффициент общих потерь достиг определенного предела (0,70.0,75, со средним значением 0,73) и может приниматься постоянным при оценке термодинамической эффективности теплоэнергетических установок, в частности, по методологии в [8]. Для зарубежных ГТУ величина коэффициента ^мэ приближается к указанному пределу при увеличении степени повышения давления до 25.30 и далее.
Таким образом, можно считать, что эффективность ГТУ достаточно высока и обеспечивает возможности их широкого использования как в качестве автономных теплоэнергетических установок, так и, особенно, в составе парогазовых установок, являющихся безальтернативной основой современной энергетики (базовой стационарной, транспортной, автономной, малой и мини-энергетики).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Цанев С. В., Буров В. А., Ремезов А. Н. Газотурбинные и парогазовые установки тепловых электростанций. - М.: Изд-во МЭИ, 2006. - 584 с.
2. Фаворский О. Н., Длугосельский В. И., Земцов А. С., Трушин С. Г. Первый отечественный одноваль-ный парогазовый энергоблок ПГУ-170 // Теплоэнергетика. - 2001. - № 5. - С. 2-7.
3. Ольховский Г. Г. Газотурбинные и парогазовые установки в России // Теплоэнергетика. - 1999. -
№ 1. - С. 2-9.
4. Ольховский Г. Г. Газотурбинные и парогазовые установки за рубежом // Теплоэнергетика. - 1999. -
№ 1. - С. 71-80.
5. Ребров Б. В. Судовые газотурбинные установки. - Л.: Судпромгиз, 1961. - 536 с.
6. Иванов В. А. Оптимизация цикла газотурбинных установок. - Пермь: ПГТУ, 2006. - 112 с.
7. Иванов В. А., Ильин А. К. Результаты оптимизации сложных термодинамических циклов газотурбинных установок // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. Сер. Морская техника и технология. - 2009. -№ 2. - С. 139-145.
8. Ильин Р. А., Ильин А. К. Методология термодинамической оценки эффективности теплоэнергетических установок // Энергетика России в 21-веке: Развитие. Функционирование. Управление: докл. Всерос. конф. - Иркутск: ИСЭ им. Л. А. Мелентьева СО РАН, 2005. - С. 782-790.
9. Ильин Р. А. Эффективность автономной работы ГТУ без утилизационного котла // Материалы национальной конференции по теплоэнергетике. Т. 2. - Казань: КазНЦ РАН, 2006. - С. 81-82.
Статья поступила в редакцию 12.01.2010
EXERGY EFFICIENCY OF DOMESTIC AND FOREIGN GAS-TURBINE INSTALLATIONS
R. A. Ilyin, A. K. Ilyin, V. A. Ivanov
The thermodynamic analysis of the efficiency of domestic and foreign gas-turbine installations has been made on the basis of the operating ratio of available exergy. It has been established that the efficiency of gas-turbine installations is high enough, and provides a possibility of their application both as independent heat power installations, and in the structure of combined cycle gas turbine installations, which are a non-competitive basis of modern electric-power industry.
Key words: gas-turbine installations, thermodynamic analysis, exergy, efficiency, exergy factors.
