Vestnik of Samara State Technical University. Technical Sciences SeriesVestnik of Samara State Technical University. Technical Sciences SeriesВестник Самарского государственного технического университета. Серия «Технические науки»1991-85422712-8938Samara State Technical University586449Information Technology and CommunicationsИнформационные технологии и коммуникацииResearch ArticleOptimization of combined thermal circuits gas turbine expander power plantsОптимизация тепловых схем комбинированных газотурбодетандерных энергетических установокGulinaSvetlana A.ГулинаСветлана Анатольевна
Russian Federation

(Ph.D. (Techn.)), Associate Professor

кандидат технических наук, доцент кафедры «Трубопроводный транспорт»

kr_oeg@mail.ruSheludkoLeonid P.ШелудькоЛеонид Павлович
Russian Federation

(Ph.D. (Techn.)), Associate Professor

кандидат технических наук, доцент кафедры «Управление и системный анализ теплоэнергетических и социотехнических комплексов»

chel_lp@mail.ruSamara State Technical UniversityСамарский государственный технический университет2012202331322422009202312122023Copyright ©; 2023, Gulina S.A., Sheludko L.P.Copyright ©; 2023, Гулина С.А., Шелудько Л.П.2023Gulina S.A., Sheludko L.P.Гулина С.А., Шелудько Л.П.https://creativecommons.org/licenses/by/4.0https://journals.eco-vector.com/1991-8542/article/view/586449

In this paper, thermal schemes are proposed and the principle of operation of combined power plants of a new type for a thermal power plant is given. Thermodynamic analysis of parameters of thermal circuits of combined power gas turbine expander plants was carried out depending on the outside air temperature, electric and thermal loads of the thermal power plant, as well as the flow rate of natural gas through the gas distribution point consumed by the thermal power plant. Based on the results of the calculation, optimization of the power plant cycle parameters was carried out, providing the specified electric power and efficiency of the gas power turbine. It has been found that its electric power and efficiency depend on the flow rate of natural gas supplied to the thermal power plant in different months of the year and the corresponding air temperatures. The most efficient combined plant is a system in which turbo expanders are connected to the turbocharger shaft of a typical GTU or complementary to a typical GTU by a turbo expander compressor unit. The use of a new type of combined gas turbine expander power plants seems to be the most effective solution for increasing the generation of electric energy and increasing the thermal efficiency of thermal power plants.

Предложен новый тип комбинированных газотурбодетандерных энергетических установок как эффективное системное решение для увеличения выработки электрической энергии и повышения тепловой экономичности ТЭЦ. Разработаны тепловые схемы и приведен принцип работы комбинированных энергетических установок нового типа для тепловой электростанции. Проведен термодинамический анализ параметров тепловых схем комбинированных энергетических газотурбодетандерных установок в зависимости от температуры наружного воздуха, электрической и тепловой нагрузок ТЭЦ, а также расхода природного газа, потребляемого ТЭЦ, через газораспределительный пункт. По результатам расчета проведена оптимизация параметров цикла энергетических установок, обеспечивающая заданную электрическую мощность и КПД газовой энергетической турбины. Установлено, что ее электрическая мощность и КПД зависят от величины расхода природного газа, подаваемого на ТЭЦ в разные месяцы года, и соответствующих температур воздуха. Наиболее эффективная комбинированная установка представляет собой систему, в которой турбодетандеры связаны с турбокомпрессорным валом типовой ГТУ или дополняющей типовую ГТУ турбодетандерным компрессорным блоком.

thermal power stationcompressor station gas turbine plantturbo expandernatural gasgas distribution pointgas turbine power stationтепловая электростанциякомпрессорная станциягазотурбинная установкатурбодетандерприродный газгазораспределительный пунктгазотурбинная электростанцияStrebkov A.N., Osipov A.V., Zhyvronsky S.K. Termodinamicheskie osnovy ispol'zovaniya detander-kompressornoj GTU [Thermodymnamic Bases for Using the Expander Compressor GTU] // Bulletin of the Moscow State Technical University named after N.E. Bauman. Ser. Mechanical Engineering. 2021. No. 1. Pp. 166–181. (In Russian).Стребков А.Н., Осипов А.В., Жывронский С.К. Термодинамические основы использования детандер-компрессорной ГТУ // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Машиностроение. 2021. № 1. С. 166–181.Kulichikhin V.V., Tyunyaev M.V. Consequences of the introduction of expander-generator units into the thermal scheme of the thermal power plant // Heat Supply News. 2017. No. 5 (201).Куличихин В.В., Тюняев М.В. Детандер-генераторные агрегаты в энергетике России. Мифы и реальность // Надежность и безопасность энергетики. 2016. № 4 (35). С. 62–69.Gulina S.A., Shelud'ko L.P. Modelirovanie termodinamicheskogo cikla GTD, rabo-tayushchego na gazoobraznom toplive proizvol'nogo sostava [Modeling of the thermodynamic cycle of a gas turbine engine operating on gaseous fuel of arbitrary composition] // Sbornik trudov XXIX mezhdunarodnoj nauchnoj konferencii «Matematicheskie metody v tekhnike i tekhnolo-giyah MMTT – 29». T. 12. Saratov, 2016. Pp. 67–73. (In Russian).Гулина С.А., Шелудько Л.П. Моделирование термодинамического цикла ГТД, работающего на газообразном топливе произвольного состава // Сборник трудов XXIX международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях ММТТ – 29». Т. 12. Саратов, 2016. С. 67–73.Gulina S.A. Gazoturbinnye ustanovki [Gas turbine units]. Samara: SamGTU, 2023. 180 p. (In Russian).Гулина С.А. Газотурбинные установки. Самара: СамГТУ, 2023. 180 с.Tkachenko V.V., Girsht S.M. Analiz i obosnovanie effektivnosti primeneniya detander-generatornyh agregatov v energeticheskih sistemah [Analysis and justification of the effectiveness of using expander-generator units in energy systems] // Vestnik Izhevskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta. 2019. № 1. Pp. 82–92. (In Russian).Ткаченко В.В., Гиршт С.М. Анализ и обоснование эффективности применения детандер-генераторных агрегатов в энергетических системах // Вестник Ижевского государственного технического университета. 2019. № 1. С. 82–92.Yudin Yu.V., Khovansky Ya.V., Artemyev S.N. Sovershenstvovanie sistemy teplosnab-zheniya s primeneniem detander-generatornyh agregatov [Improvement of the heat supply system using expander-generator units] // Vestnik Udmurtskogo universiteta. Seriya: Tekhnika i tekhnologii. 2017. № 2. Pр. 5–10. (In Russian).Юдин Ю.В., Хованский Я.В., Артемьев С.Н. Совершенствование системы теплоснабжения с применением детандер-генераторных агрегатов // Вестник Удмуртского университета. Серия: Техника и технологии. 2017. № 2. С. 5–10.Khudoley V.I., Kokotkin A.M. Modelirovanie i analiz ekspluatacionnyh harakteristik detander-generatornyh agregatov [Modeling and analysis of operating characteristics of expander-generator units] // Scientific Bulletin Chernіvetskogo unіversitetu. Mekhanіka, materіaloznavstvo, іnzhenerne possession. 2016. No. 795. Pр. 33–39. (In Russian).Худолей В.И., Кокоткина А.М. Моделирование и анализ эксплуатационных характеристик детандер-генераторных агрегатов // Научный вестник Чернівецького університету. Механіка, матеріалознавство, інженерне обладнання. 2016. № 795.Potekhina N.V., Sorokina O.P., Pashenkin V.I. Optimizaciya parametrov raboty detander-generatornyh agregatov dlya povysheniya energoeffektivnosti gazotransportnoj sistemy [Optimization of the parameters of operation of the expander-generator units to increase the energy efficiency of the gas transmission system] // Industrial Energy. 2018. No. 6. Pр. 24–28. (In Russian).С. 33–39.Baranov G.G., Shabalina G.M. Vliyanie granic temperatur na parametry raboty detander-generatornyh agregatov [Influence of temperature limits on operating parameters of expander-generator units] // Thermal Power Engineering. 2015. No. 12. Pр. 40–43. (In Russian).Потехина Н.В., Сорокина О.П., Пашенькин В.И. Оптимизация параметров работы детандер-генераторных агрегатов для повышения энергоэффективности газотранспортной системы // Промышленная энергетика. 2018. № 6. С. 24–28.Kiselev S.V., Ryzhenkov D.V. Analysis of Combined Cycle Power Plant Integration with Expander-Generators for Electric Power Generation // International Journal of Environmental and Science Education. 2021. № 16 (12). Рр. 8576–8588.Баранов Г.Г., Шабалина Г.М. Влияние границ температур на параметры работы детандер-генераторных агрегатов // Теплоэнергетика. 2015. № 12. С. 40–43.Chen H.Yu.C., Zhang C. Thermodynamic analysis of combined cycle power plant integrated with expander-generator and cooling heat pipe // Applied Thermal Engineering. 2019. № 161. Рр. 114165.Kiselev S.V., Ryzhenkov D.V. Analysis of Combined Cycle Power Plant Integration with Expander-Generators for Electric Power Generation // International Journal of Environmental and Science Education. 2021. № 16 (12). Рр. 8576–8588.Sangeetha G., Srinivas T. Thermodynamic analysis of combined gas turbine and organic Rankine cycle using expander-generator // Materials Today: Proceedings. 2017. № 4 (2). Рр. 1080–1090.Chen H.Yu.C., Zhang C. Thermodynamic analysis of combined cycle power plant integrated with expander-generator and cooling heat pipe // Applied Thermal Engineering. 2019. № 161. Р. 114165.Hui S., Min J., Jiandong G., Chao H. Thermoeconomic optimization and performance analysis of a combined cycle power plant based on an expander-generator // Energy Conversion and Management. 2016. № 108. Рр. 343–355.Sangeetha G., Srinivas T. Thermodynamic analysis of combined gas turbine and organic Rankine cycle using expander-generator // Materials Today: Proceedings. 2017. № 4(2). Рр. 1080–1090.Li J., Shu G., Yan J., Li G., Zhou B. Performance analysis of gas turbine power plants with expander-generator unit // Energy Procedia. 2016. № 8. Рр. 487–492.Hui S., Min J., Jiandong G., Chao H. Thermoeconomic optimization and performance analysis of a combined cycle power plant based on an expander-generator // Energy Conversion and Management. 2016. № 108. Рр. 343–355.Yuan Z., Degelaen P., Lecompte S. Analysis on the application of a sliding pressure cycle in a combined cycle power plant with an expander–generator // Applied Sciences. 2018. № 8 (6). Р. 878.Li J., Shu G., Yan J., Li G., Zhou B. Performance analysis of gas turbine power plants with expander-generator unit // Energy Procedia. 2016. № 8. Рр. 487–492.Bai Z., Lei W., Xie H., Xu Y. Comparative assessment of working fluids for Organic Rankine Cycles based on combined expander-generator. Energy Sources, Part A: Recovery, Utilization, and Environmental Effects. 2021. № 1.Yuan Z., Degelaen P., Lecompte S. Analysis on the application of a sliding pressure cycle in a combined cycle power plant with an expander–generator // Applied Sciences. 2018. № 8 (6). Р. 878.Villanueva F., Ahmadi P., Patterson R., Inger G. Feasibility analysis of combining a Brayton and organic Rankine cycle with an expander-generator in a combined heat and power plant // Applied Thermal Engineering. 2019. № 146. Рр. 538–548.Bai Z., Lei W., Xie H., Xu Y. Comparative assessment of working fluids for Organic Rankine Cycles based on combined expander-generator. Energy Sources, Part A: Recovery, Utilization, and Environmental Effects. 2021. № 1.Hongqiang Y., Xinqiang Y. Thermodynamic performance analysis of combined cycle power plant with steam extraction from bottoming cycle // Energy Conversion and Management. 2015. № 94. Рр. 1–12.Villanueva F., Ahmadi P., Patterson R., Inger G. Feasibility analysis of combining a Brayton and organic Rankine cycle with an expander-generator in a combined heat and power plant // Applied Thermal Engineering. 2019. № 146. Рр. 538–548.Hongqiang Y., Xinqiang Y. Thermodynamic performance analysis of combined cycle power plant with steam extraction from bottoming cycle // Energy Conversion and Management. 2015. № 94. Рр. 1–12.