ПОВЫШЕНИЕ ЭКОНОМИЧНОСТИ ГТУ НА БАЗЕ ГЛУБОКОГО ОХЛАЖДЕНИЯ УХОДЯЩИХ ГАЗОВ

INCREASING THE EFFICIENCY OF GTUS BASED ON EXHAUST GAS DEEP COOLING

Sergey Lazukov

student, Smolensk branch of the National Research University "Moscow Power Engineering Institute",

Russia, Smolensk

Alexey Kulikov

student, Smolensk branch of the National Research University "Moscow Power Engineering Institute",

Russia, Smolensk

Irina Kabanova

Scientific adviser, candidate of technical sciences, associate professor, Smolensk branch of the National Research University "Moscow Power Engineering Institute",

Russia, Smolensk

аННОТАЦИЯ

Быстрый рост потребления топлива энергетикой и транспортом, дефицит ископаемых видов топлива и рост цен на нефть выдвигают вопросы рационального использования энергетических и топливных ресурсов в число первоочередных. В связи с этим одними из наиболее актуальных являются работы, направленные на строительство установок для комплексной выработки тепла и холода в едином термодинамическом цикле.

ABSTRACT

The rapid growth of fuel consumption in energy and transport, the shortage of fossil fuels and rising oil prices put forward the issues of rational use of energy and fuel resources as a priority. In this regard, one of the most relevant is the work aimed at the construction of installations for the integrated generation of heat and cold in a single thermodynamic cycle.

Ключевые слова: газотурбинные установки, доохладитель, интеркулер, охлаждение.

Keywords: gas turbine units, aftercooler, intercooler, cooling.

К установкам для комплексной выработки тепла и холода в едином термодинамическом цикле относятся газотурбинные установки (ГТУ). С тех пор, как первая в мире газовая турбина вступила в строй, не прекращались попытки оптимизировать ее характеристики для повышения эффективности и экономичности. Первые усилия были направлены на карнотизацию термодинамического цикла Брайтона. Для этого осуществляют внешнее охлаждение воздуха в фазе его сжатия в компрессоре, регенерацию тепла отработавших газов и подогрев сжатого воздуха в компрессоре перед камерами сгорания, а также промежуточный перегрев газов при расширениях. были использованы. Все эти мероприятия подлежат всестороннему анализу и развитию.

В связи с тем, что от 50 до 70 % мощности ГТ [1] используется на привод компрессора, очевидна необходимость совершенствования технологического процесса. Например, снижение КПД газовой турбины на 1% приводит к уменьшению полезной мощности на 2-3% [1]. Аналогичный эффект имеют перепады давления на входе в компрессор и на выходе из турбины. Это особенно важно при установке внешнего охладителя наддувочного воздуха или использовании тепла выхлопных газов.

Максимальная эффективность системы с карнотизацией цикла достигается за счет рекуперации тепла (рекуперации) в сочетании с использованием доохладителя в компрессоре, оптимизированном для оптимальной выходной мощности. Для этого интеркулер должен разделить компрессор на две секции, каждая из которых должна обеспечивать примерно одинаковую степень повышения давления. В реальности эффективность рекуперации тепла значительно снижается из-за большого объема охлаждающего воздуха, необходимого для современных газовых турбин, где рабочее тело имеет высокую температуру. Кроме того, стоимость установки регенератора очень высока.

Еще одним способом повышения эффективности и мощности газовых турбин является перегрев газов в процессе последовательного сжигания топлива. Оптимальные условия приближения цикла к циклу Карно достигаются за счет использования рекуперации тепла и охлаждения в нескольких промежуточных воздухоохладителях в компрессоре. Такие сложные газовые турбины строились как в открытом, так и в замкнутом циклах, некоторые из них находятся в эксплуатации или в рабочем состоянии уже несколько десятков лет.

В конечном итоге вместо охлаждения и нагрева воздуха в регенераторе с большим успехом было реализовано использование тепла отходящих газов газовой турбины для выработки пара в котлах-утилизаторах, что позволило вырабатывать дополнительную мощность в паровой турбине станции. Так появились комбинированные ПГУ.

Дальнейшее улучшение работы этих систем возможно за счет более глубокого охлаждения продуктов сгорания питательной водой. Обратите внимание, что в цикле ГТУ температура выхлопных газов составляет 400-500ºС. Суть установки, реализованной на базе газовой турбины, заключается в том, что в результате совмещения газовой турбины с газовой холодильной машиной осуществляется глубокое охлаждение продуктов сгорания топлива в поверхностях нагрева при утилизации тепла с выгодное использование теплоты конденсации водяного пара.

Принципиальная схема и теоретический цикл энергетической установки для совместного производства тепла и холода (ТХЭУ) представлены на рис. 1. [2]

Рисунок 1. Принципиальная схема теплохладоэнергетической установки

 Н – нагреватель; Д – детандер; ПХ – промежуточный холодильник; К – компрессор; КС – камера сгорания; ГТ – газовая турбина; КУ – котел-утилизатор; ВО – влагоотделитель; Р – регенераторы; ХК – холодильная камера.

Установка состоит из газотурбинного генератора I, рекуперационной части II и холодильной части III. Газотурбинный генератор предназначен для получения высокотемпературной газовоздушной смеси с избыточным давлением, теплоутилизаторной части для получения пара и горячей воды за счет тепловой энергии газовоздушной смеси, холодильной части для получения холода за счет расширения газовоздушная смесь с избыточным давлением.

Воздух из атмосферы вытесняется из атмосферы турбокомпрессором Н через промежуточный охладитель РН в компрессоре К (процесс 1-2-3) и сжимается (процесс 3-4). Сжатый воздух подается в камеру сгорания КС и нагревается (процесс 4-5) до температуры 1000-1200 К за счет сжигания жидкого или газообразного топлива.

Образовавшаяся газовоздушная смесь после расширения в ГТУ (процесс 5-6) с температурой 800К поступает в теплоутилизатор, в котором за счет теплообмена с питательной водой (процесс 6-7) пар и горячая вода будет генерировать воду. Из рекуперационной части газовоздушная смесь направляется в холодильную часть, где охлаждается обратным потоком в регенераторе отрицательной температуры Р (процесс 7-8) и расширяется в турбодетандере (процесс 8-9) до порядка -60...80°С. Образовавшийся холод охлаждает продукты в камере охлаждения НК (процесс 9-10) и прямотоком в регенератор (процесс 10-11). Мощность, развиваемая турбодетандером, используется для привода турбокомпрессора, который предварительно сжимает воздух (процесс 1-2) на входе в компрессор газотурбинного генератора.

Рассматриваемая установка имеет следующие энергетические преимущества:

1) использование более высокой теплотворной способности топлива вместо более низкой;

2) отсутствие термического рассеивания с выходящими в окружающую среду газами;

3) снижение потерь энергии при преобразовании энергии за счет прямого превращения продуктов сгорания в рабочее тело и в теплоноситель;

4) увеличение давления продуктов сгорания в поверхностях нагрева и конденсация паров воды, присутствующих в продуктах сгорания топлива, приводят к значительной интенсивности теплообмена, уменьшению поверхностей нагрева и уменьшению металлических покрытий;

5) увеличение давления продуктов сгорания топлива приводит к повышению температуры точки росы, что благоприятствует возможности более эффективного использования некачественного тепла.

В энергетических установках комплексной выработки тепла и холода продукты сгорания топлива при расширении в турбодетандере могут быть охлаждены до температуры десублимации твердого диоксида углерода и обеспечена его непосредственная заморозка вне газового потока. Углекислый газ широко используется в народном хозяйстве. В среднем потребность удовлетворяется на 60-70%. Углекислый газ широко используется в производстве биомассы, например, для выращивания хлореллы, а также для стимулирования добычи нефти.

Электростанции комплексного производства тепла и холода, по сравнению с раздельным способом получения энергии, могут обеспечить экономию топлива на 15-20% и более чем в 1,5 раза, снизить металлоемкость основного оборудования. Еще большей экономии топлива можно добиться, используя такие установки для производства твердой двуокиси углерода.

Мы также отмечаем увеличение воздействия на окружающую среду от внедрения электростанций для комплексного производства тепла и холода, связанное со снижением загрязнения окружающей среды.

Список литературы:

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.: Издательство МЭИ, 2006.
2. Гриценко В.И. Энергетические установки для комплексного производства тепла и холода. Учебное пособие. Омск, ОмПИ, 1980.-с.79 с.
3. Гриценко В.И. Теория и расчет энергетических установок для комплексного производства тепла и холода. Учебное пособие. Новосибирск, НИСИ, 1978.-с.47.