CC BY
160
УДК 621.348.082 ББК 31.311
В. А. Иванов
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ СТАЦИОНАРНЫХ И СУДОВЫ1Х ГАЗОТУРБИННЫ1Х УСТАНОВОК
V. A. Ivanov
INCREASE OF EFFICIENCY OF STATIONARY AND SHIP GAS-TURBINE INSTALLATIONS
Рассматривается возможность повышения эффективного КПД сложного цикла газотурбинных установок. Показано, что для увеличения удельной работы и повышения эффективного КПД необходимо использовать промежуточный подогрев, увеличивать степень повышения давления и степень регенерации до 0,7.
Ключевые слова: газотурбинные установки, термодинамические циклы, КПД, степень повышения давления.
The possibility of increase of effective efficiency of the difficult cycle of gas-turbine installations is considered. It is shown that for increase in specific work and increase in effective efficiency it is necessary to use intermediate heating, to increase pressure and extent of regeneration to 0,7.
Key words: gas-turbine installations, thermodynamic cycles, efficiency, the level of pressure increase.
Введение
Судовые газотурбинные установки (ГТУ) имеют преимущество перед дизельными установками по удельной мощности, удельному весу и обеспечивают существенное уменьшение размеров машинных отделений, но уступают дизельным установкам по экономичности. Очевидно, проблемы повышения экономичности судовых ГТУ должны решаться тем же путем, что и проблемы стационарных энергетических ГТУ.
В настоящее время высокие технико-экономические показатели стационарных ГТУ простого цикла (мощность 300 МВт, эффективный КПД 40 %) достигнуты за счет выбора высокой начальной температуры газа (до 1 400... 1 500 °С) и степени повышения давления (СПД), соответствующей наибольшей удельной работе цикла. Однако возможность дальнейшего роста начальной температуры газа, как главного фактора повышения эффективности ГТУ сверх достигнутой, близки к исчерпанию [1].
Повышение эффективного КПД ГТУ без увеличения температуры газа перед турбиной выше достигнутого уровня возможно за счет усложнения тепловой схемы ГТУ, а также за счет увеличения СПД в усложненном цикле выше оптимальной по работе простого цикла.
Повышение эффективного КПД в сложном цикле с промежуточным охлаждением
Сложный цикл с промежуточным охлаждением в настоящее время широко используется в судовых и стационарных ГТУ. Рассмотрим возможность повышения эффективного КПД и увеличения удельной эффективной работы (далее просто работы) цикла с промежуточным охлаждением (цикл 2-1) при условии равенства эффективных КПД простого (цикл 1-1) и сложного циклов he1-1 = he2-1, т. к. при этом допустимом по экономичности условии увеличивается работа сложного цикла и перепад температур газа и воздуха в регенераторе (и, соответственно, повышается эффективность регенерации) по сравнению с обеспечением максимума эффективного КПД сложного цикла ^е2-1макс.
Здесь и далее 0 = TJTa - степень повышения температуры в цикле; е = pk-1)/k; ек1 = лк1(Ы)/к; ет1 = лт1(Ы)/к; p = рк/ра - СПД в цикле; пк1 = рк1/ра - степень сжатия в первой ступени цикла; Рт1 = рк/рт1 — степень расширения в первой ступени цикла; р — полное давление заторможенного потока; к - компрессор; кс - камера сгорания; т - турбина; во - воздухоохладитель; р - регене-
ратор; 1, 2 - первая и вторая ступень сжатия (расширения) цикла; а - окружающая атмосфера; к - показатель адиабаты (принято к = кг = кв = 1,4); г - газ; в - воздух; ^ - КПД цикла и процессов сжатия (расширения) в цикле; е - эффективный.
Эффективный КПД цикла с промежуточным охлаждением и регенерацией 'Ле2-1р, а также параметр лк1опт.^е2-1р (е к1от^е2-1р), при котором обеспечивается максимум этого КПД, найдем по известным формулам [2]:
_ =_Ч 0 - 1/е)-(ек1 - 1)/Пк1 -(ек2 - 1)/Пк2___________________ (1)
е2-1р [0 - (ек2 - 1)/Пк2 - 1] - °р М1 - Пт (1 - 1/е )] - [(ек2 - 1)/Пк2 + 1]} ,
= [і "Ле2-1р і1 -°р )] Лк1ІЛк2 • (2)
ек1опт.'Ле2-1р
Эти же параметры без регенерации найдем, приняв в формулах (1), (2) ср = 0.
Параметр лк1равн^е (ек1равн.-пе), при котором обеспечивается равенство эффективных КПД простого и сложного циклов ^еы = Ле2-ь и оптимальную по эффективному КПД степень регенерации при параметре лк1равн.-пе найдем по формулам, полученным в [3]:
ек1равн'Л<2 _ (^к1/Лк2 ) е (1 - Ле1-1 ) ,
Ор.опт =[е(1 - Пе1-1 )2 ПкАй -(1 - Пе2-1р Же2-1р .
В таблице приведены параметры современных стационарных и судовых ГТУ с промежуточным охлаждением воздуха [4, 5].
Основные характеристики стационарных и судовых ГТУ с промежуточным охлаждением воздуха в компрессоре
Наименование Стационарная ГТУ «Надежда» Судовая ГТУ WR-21
Фирма НМЗ Роллс-Ройс
Мощность, МВт 16,3 21,6
КПД, % 44,1 44,4
Температура газа на входе в турбину, °С 1 070 1 100
Степень повышения давления: общая 9,84 17,11
в компрессоре низкого давления 3,93 -
в компрессоре высокого давления 2,58 -
Степень регенерации, %
Как видно из таблицы, упомянутые ГТУ имеют СПД более низкую по сравнению с оптимальной по работе цикла при температуре газа Тг = 1 070... 1 100 °С.
Последнее объясняется тем, что, как видно из рис. 1, эффективный КПД сложного цикла без регенерации достигает максимума Ле2-1макс при параметре лк1опт.-пе2-1, а при параметре лк1равн/пе существует оптимальная степень регенерации ор.опт = 0,26, которая невелика и при которой эффективный КПД сложного цикла с регенерацией также достигает максимума Ле2-1р.макс. Видно также, что существует возможность увеличения эффективного КПД цикла при низкой СПД % = 20 и высокой степени регенерации ср = 0,85, близкой к максимально достигнутой в настоящее время, за счет увеличения степени расширения воздуха в первой ступени больше Рк1равн.^е до лк1опт.^е2-1р. При этом работа цикла увеличивается и приближается к максимальной, но эффективный КПД сложного цикла без регенерации падает ниже эффективного КПД простого цикла, что приводит к превращению газотурбинного двигателя в газогенератор и усложнению регенератора. Но другим путем в цикле с промежуточным охлаждением при низкой СПД невозможно достичь высоких величин технико-экономических показателей.
Рис. 1. Зависимость параметров ГТУ сложного цикла с промежуточным охлаждением от степени сжатия воздуха в первой ступени (первом компрессоре) = 20; 0 = 6; Лк1 = Лк2 = Лк = 0,85; Лт = 0,94):
1 - без регенерации ар = 0; 2 - степень регенерации ар.опт = 0,26, оптимальная при Я1равн.ле;
3 - степень регенерации ар макс = 0,85; • - максимумы
Как показано в [3] и на рис. 2, в сложном цикле с промежуточным охлаждением при равенстве эффективных КПД Леы = Ле2-1 максимум эффективной работы Ье2.1 и эффективного КПД ле2-1 достигаются при одинаковой общей СПД, оптимальной по эффективному КПД (экономической) для простого цикла Я£опт.Ле1-1 (здесь и далее Ье = Ье /(СрТа) - относительная удельная работа (отнесенная к произведению теплоемкости на температуру атмосферного воздуха).
20 НО 60 80 Лг
Рис. 2. Зависимость параметров простых и сложных циклов ГТУ с промежуточным охлаждением от общей степени повышения давления (0 = 6; Лк1 = Лк2 = Лк = 0,85; Лт = 0,94):
----- - сложный цикл с промежуточным охлаждением при условии ле1-1 = Пе2-ь
-------- простой цикл; 1 - без регенерации ар = 0 при Ркь^.л^ь
3 - степень регенерации ар = 0,85 при як1равн.ле; • - максимумы
На рис. 2 показана возможность повышения эффективного КПД сложного цикла с промежуточным охлаждением без регенерации за счет увеличения СПД при параметре лк1опт.ле2-1 и с регенерацией за счет уменьшения СПД при параметре лк1равн.ле. Как видно из рис. 2, возможность повышения эффективного КПД сложного цикла за счет промежуточного охлаждения без регенерации невелика, но заметно возрастает с повышением СПД больше оптимальной по работе цикла Я£оптхе2-1, когда эта работа уже уменьшается. Возможность повышения эффективного КПД сложного цикла за счет промежуточного охлаждения с регенерацией, наоборот, возрастает с уменьшением СПД, т. к. при этом, так же как в простом цикле, возрастает перепад температур газа и воздуха в регенераторе. В результате в таком цикле при условии равенства эффективных КПД це1-1 = це2-1 высокий эффективный КПД достигается при степени регенерации близкой к максимально достигнутой (ар = 0,85) и общей СПД = 10...20, значительно меньшей оптимальной по работе сложного цикла, которая соответствует оптимальной по эффективному КПД для простого цикла [3]. Таким образом, в цикле с промежуточным охлаждением и степенью регенерации теплоты близкой к максимально достигнутой не имеет смысла стремиться к высокой СПД, т. к. при этом увеличение работы цикла сопровождается значительным снижением эффективного КПД.
Повышение эффективности сложных циклов при введении промежуточного подогрева
Повышение эффективного КПД одновременно за счет увеличения степени регенерации и увеличения СПД в пределе до экономической обеспечивается в сложном цикле с промежуточным охлаждением и подогревом (цикл 2-2), в котором увеличивается перепад температур газа и воздуха в регенераторе по сравнению с циклом с промежуточным охлаждением.
Как показано в [6, 7] и на рис. 3, в сложном цикле с промежуточным охлаждением и подогревом при условии равенства эффективных КПД простого и сложного циклов = Це2-2 обеспечивается возможность увеличения работы при увеличении СПД и одновременно повышения эффективного КПД при оптимальной степени регенерации оропт = /(л^), соответствующей максимуму эффективного КПД сложного цикла.
Рис. 3. Зависимость параметров простых и сложных циклов ГТУ с промежуточным охлаждением и подогревом от общей степени повышения давления:
-----сложный цикл с промежуточным охлаждением и подогревом при равенстве ^е1-1 = Пе2-2;
- простой цикл; 1 - без регенерации ар = 0 при лк1опт.ле2-2; 2 - оптимальная степень регенерации Ор.опт = /%) при Р1равн.Ле; 3 - степень регенерации Ор = 0,85 при Р1равн.Ле;
4 - степень регенерации ор = 0,7 при л1равн.ле; • - максимумы
Как видно также из рис. 3, в таком цикле при повышении СПД до экономической возможно увеличение работы цикла практически без снижения эффективного КПД при степени регенерации ор = 0,7 и с незначительным снижением эффективного КПД при степени регенерации близкой к максимально достигнутой ор = 0,85. Заметим, что степень регенерации ор = 0,7 соответствует границе интенсивного увеличения поверхности теплообмена регенератора и близка к ее оптимальной величине (ор.опт = 0,58) при экономической СПД.
Выводы
Для повышения эффективности стационарных и судовых ГТУ, в которых используется сложный цикл с промежуточным охлаждением, необходимо дополнительно ввести в цикл промежуточный подогрев газа. Это позволит, при условии равенства эффективных КПД простого и сложного циклов, повышать эффективный КПД и увеличивать работу сложного цикла одновременно за счет увеличения степени повышения давления и степени регенерации теплоты отработавших в турбине газов, которая не должна быть больше величины 0,7, соответствующей границе интенсивного увеличения поверхности теплообмена регенератора.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Фаворский О. Н., Полищук В. Л. Выбор тепловой схемы и профиля отечественной мощной энергетической ГТУ нового поколения и ПГУ на ее основе // Теплоэнергетика. - 2010. - № 2. - С. 2-6.
2. Кириллов И. И. Газовые турбины и газотурбинные установки. Т. 2. Газотурбинные установки. -М.: Машгиз, 1956. - 318 с.
3. Иванов В. А. Оптимизация цикла газотурбинных установок. - Пермь: Изд-во ПГТУ, 2006. - 112 с.
4. Теория и проектирование газотурбинных и комбинированных установок / Елисеев Ю. С., Манушин Э. А., Михальцев В. Е. и др. - М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2000. - 635 с.
5. Судаков А. В., Конаков В. Г. Повышение экономичности и экологичности морских газотурбинных установок на основе параллельно включенных керамических модулей // Судовые энергетические установки. - 2011. - № 1. - С. 33-36.
6. Иванов В. А. Оптимизация сложных циклов судовых газотурбинных установок // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. Сер.: Морская техника и технология. - 2011. - № 3. - С. 95-100.
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.
Статья поступила в редакцию 10.07.2012
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРЕ
Иванов Вадим Александрович - Астраханский государственный технический университет; канд. техн. наук; докторант кафедры «Теплоэнергетика»; [email protected].
Ivanov Vadim Aleksandrovich - Astrakhan State Technical University; Candidate of Technical Sciences; Doctoral Candidate of the Department "Heat-and-Power Engineering"; [email protected].
