Optimization of loop variables of driving gas-turbine engines

Full Text

Среди всех областей наземного применения газотурбинных двигателей (ГТД), как отмечено в работе [2], наиболее широко ГТД в качестве приводов используются на газоперекачивающих компрессорных станциях магистральных газопроводов. Главная особенность приводных ГТД заключается в том, что основная часть располагаемой полезной работы газа используется в турбине для получения механической работы привода. Традиционно параметры газотурбинного двигателя определяли, используя энергетические модели теплового расчета. В классической термодинамике существует понятие эксергии. Эксергия - мера энергетических ресурсов термодинамической системы ГТД, определяющая работоспособность тепловой энергии цикла при совершении ею процессов от заданного состояния до полного термодинамического равновесия системы и окружающей среды. Так как показатели эффективности ГТД непосредственно связаны с технико-экономическими характеристиками газоперекачивающих агрегатов (ГПА), определение эксергетических параметров цикла ГТД позволит оценить уровень потерь работоспособности в термодинамических процессах, зависящих от климатических условий эксплуатации ГПА, и определить экономически наиболее выгодные параметры термодинамического цикла ГТД. Не всякая энергия и не при всех условиях может быть пригодна для практического использования. В данной работе предлагается совместить энергетический и эксергетический методы определения параметров эффективности энергетической системы ГТД. Энергетический метод позволяет определить суммарную потерю работы вследствие необратимости реального теплового процесса в ГТД, эксергетический метод - определить потерю работоспособности в системе ГТД от заданного состояния рабочего тела до полного термодинамического равновесия его с окружающей средой. Цель применения эксергетического метода заключается в сопоставлении количества эксергии с вносимым в двигатель топливом с количеством эксергии, преобразованной из тепловой энергии рабочего тела в механическую энергию привода. Данное сравнение двух эксергий дает дополнительную оценку эффективности использования газотурбинных установок (ГТУ) в качестве привода при заданных климатических условиях. Энергетический метод определения параметров эффективности (удельной мощности привода Le, эффективного КПД ηe) в зависимости от параметров цикла (оптимальной степени повышения давления в цикле πК и температуры газа перед турбиной ТГ) хорошо изложен в работе [5]. Остановимся более подробно на оценке эксергетических параметров цикла. Разность общей величины эксергии, вводимой в термодинамический цикл ГТД ЭВх, и величины эксергии, выводимой из системы ЭВых, определяет величину потерь от необратимости в системе: . (1) В таком случае потери эксергии аналогичны энтропии S, возрастание которой в замкнутой системе также отражает потери от необратимости цикла. Эксергетическая эффективность термодинамического цикла ГТД есть отношение эксергии, отводимой от системы к подведенной эксергии: . Потери в ГТД связаны с потерями в процессах сжатия и расширения рабочего тела, с наличием механических потерь в узлах ГТД, с гидравлическими сопротивлениями в проточной части ГТД (внутренние потери ПГТД). Также учитываются потери тепла в окружающую среду (внешние потери Пхол). При учете этих двух видов потерь уравнение (1) преобразуется: . Эксергия - это работоспособность энергии, то есть величина работы, которая может быть получена с помощью данного количества энергии в результате обратимого взаимодействия с окружающей средой. Для тепловой энергии цикла ГТД величина эксергии определяется долей тепловой энергии, которая может быть преобразована в механическую работу привода. Составлен алгоритм эксергетической оценки эффективности ГТД простого цикла, где Вх-К - процесс сжатия воздуха в компрессоре; К-Г - процесс подвода теплоты; Г-Т - процесс расширения газа на турбине; Т-Вх - охлаждение газа до параметров окружающей среды. Для ГТД, работающих по циклу Брайтона, давление рабочего тела на выходе из ГТД равно атмосферному, температура потока составляет порядка Т*СТ = 450…650 °С. Удельная эксергия теплового цикла ГТД - величина работы, которую можно получить с помощью одного килограмма рабочего тела с параметрами TГ, PГ, hГ, и sГ при обратимом взаимодействии с окружающей средой, параметры которой TH, PH, hH, и sH (параметры среды назначаются в зависимости от климатических условий района эксплуатации ГПА). Для определения эксергетических показателей ГТД составляется эксергетический баланс рабочего тела при совершении им необратимого термодинамического цикла, на основе которого определяется эксергия подводимой и отводимой теплоты и совершаемая системой располагаемая работа. Принято допущение, что рассматриваемая термодинамическая система является энергоизолированной, то есть через корпус ГТД тепло не отдается в окружающую среду. Потери тепла происходят только с выхлопными газами. Эксергетический баланс в процессе сжатия рабочего тела в компрессоре , где ЭВх - эксергия на входе в двигатель для принятых условий; ЭlК - эксергия, подводимая к рабочему телу в процессе сжатия; ЭК - эксергия на выходе из компрессора; ПК - потери эксергии в процессе сжатия в компрессоре. Тогда эксергия рабочего тела на входе и выходе из компрессора , . В политропическом процессе сжатия вследствие подвода работы к компрессору lK изменение эксергии рабочего тела будет складываться из располагаемой работы lKs и эксергии теплоты ЭqВх-K: , потери эксергии в компрессоре . При подводе теплоты qТ в камеру сгорания энергия вносимого в двигатель топлива идет на увеличение энтальпии системы. Баланс эксергии для этого процесса . Потери эксергии в этом процессе безвозвратны и равны . Эксергия рабочего тела возрастает на величину эксергии подводимого тепла: . В процессе политропического расширения в турбине от сечения Г-Т для совершения полезной работы эксергия системы должна уменьшиться на величину механической работы, совершаемой турбиной lT, равной эксергии, отводимой от рабочего тела: . Эксергетический баланс для политропического процесса расширения в турбине , где ПТ - потери эксергии в процессе расширения:; ЭТ - удельная эксергия на выходе из турбины. Суммарное изменение эксергии в процессе политропического расширения где ЭqГ-Т - удельная эксергия тепла, затраченная на политропическое расширение в турбине. Отводимая эксергия системы Эlе пропорциональна полезной работе цикла lе и определяется: . Эксергетический КПД ГТД определяется как отношение отводимой эксергии, соответствующей полезной работе цикла, к эксергии тепла, подведенной в процессе сжатия и процессе подвода тепла в камере сгорания: . Для энергетического баланса ГТД оценка работоспособности энергии не зависит от температурного потенциала потока рабочего тела, для эксергетического баланса ценность тепловой энергии цикла ГТД с точки зрения ее преобразования в механическую энергию определяется не только количеством, но и тем, в какой степени она может быть использована в данных климатических условиях. В свете изложенного эксергия выступает как мера для энергетических ресурсов термодинамических циклов ГТД, способная при взаимодействии с окружающей средой с постоянными параметрами к максимальному преобразованию в механическую работу. На основе паспортных данных (табл. 1) приводных газотурбинных двигателей НК-12СТ, НК-14СТ, АЛ-31СТ, НК-16СТ, МS-5002 и НК-38СТ были проведены расчеты эксергетических и энергетических параметров. Таблица 1 Паспортные данные ГТД, используемых для привода ГПА Установка , К° , кг/с , МВт МS-5002 1200 8,6 28,0 126 24,6 НК-12СТ 998 8,8 26,1 56 6,3 НК-14СТ 1240 10,0 32,0 37 8,0 НК-16СТ 1067 9,7 29,0 102 16,0 НК-38СТ 1476 25,9 38,0 54,6 16,0 АЛ-31СТ 1440 23,0 37,3 58,0 16,0 На рис. 1 в Т-S-координатах построены идеальные и реальные циклы двигателей НК-16СТ и НК-38СТ. В идеальных циклах (площадь ~ Вх, Кs, Г, Т) при обратимом протекании процессов внутри ГТД (изоэнтропическое сжатие в осевом компрессоре, изобарный подвод тепла в камере сгорания, изоэнтропическое расширение в турбине) и при взаимодействии с окружающей средой эксергия ГТД остается неизменной. Действительные процессы, протекающие в ГТД, необратимы, и, следовательно, эксергия термодинамической системы реальной газотурбинной установки будет уменьшаться. Наличие трения приводит к возрастанию энтропии рабочего тела и к уменьшению фактической работы в процессе. Работа, совершаемая рабочим телом в ГТД, меньше максимальной полезной работы на величину потери эксергии рабочего тела, покидающего систему. В соответствии с законом Гюи - Стодолы необратимость процессов преобразования энергии приводит к уменьшению максимальной полезной работы , отдаваемой потребителю, на величину эксергетических потерь: . Величина внешних и внутренних потерь эксергии для каждого типа ГТД определяется индивидуально. С учетом этих потерь фактическая работоспособность термодинамической системы ГТД будет равна . а б Рис. 1. Идеальные и действительные циклы ГТД в Т-S-координатах: а - НК-16СТ; б - НК-38СТ Для газотурбинных установок с регенерацией теплоты уходящих газов часть тепла от выхлопных газов QR возвращается в цикл и участвует в создании механической работы. В рассматриваемых ГТД нет регенератора тепла, и эксергия рабочего тела на выходе из турбины приравнивается к потерям в цикле. В расчетах принята температура окружающей среды, равная 15 °С. При этом значении температуры считаем, что вещества имеют нулевую термическую эксергию. В реальных циклах ГТД наличие внешних и внутренних потерь - объективная реальность, поэтому удельный расход эксергии, затраченный на преобразование тепла в механическую работу в цикле, выше, чем для идеального цикла. На рис. 1 показаны площади, соответствующие потерям эксергии в цикле, которые складываются из потерь в турбине ПТ (площадь ~ cbgdc,), потерь эксергии в компрессоре ПК (площадь ~ еВх0fe), потерь эксергии в окружающую среду с отходящими газами Пхол (площадь ~ ВхТgВх). Указанные потери эксергии зависят от параметров цикла (степени повышения давления и температуры газа перед турбиной), типа оборудования и климатических условий эксплуатации. Практическое преимущество эксергии заключается в том, что ее уменьшение сразу дает величину потери преобразованной тепловой энергии термодинамического цикла ГТД и позволяет сопоставить величину потери с имеющимся количеством полезной работы цикла. Оценку влияния необратимости процессов преобразования энергии в термодинамической системе ГТД на потери полезной работы цикла хорошо иллюстрируют рассчитанные эксергетические потоки рабочих тел. На рис. 2 по полученным данным эксергетических параметров для приводного ГТД НК-38 СТ построена эксергетическая диаграмма. Из диаграммы видно, что в термодинамическом цикле ГТД эксергия подводится в виде изобарного подвода теплоты, эксергии работы сжатия и отводится в виде механической работы турбины и потерь эксергии в процесах сжатия и расширения, потерь эксергии тепла в окружающую среду. Рис. 2. Эксергетическая диаграмма НК-38СТ Эффективность работы ГТД определяется термодинамическим совершенством теплового цикла и оценивается энергетическим КПД ηЭ. Эксергетический КПД ηЭ позволяет дополнительно оценить работоспособность тепловой энергии рабочего тела и величину потерь работоспособности в зависимости от температуры окружающей среды ТН. Подобная оценка актуальна в связи с необходимостью учета различных среднегодовых температур местностей, где эксплуатируются ГТД. Зависимость эксергетического КПД ηЭ от и температуры газа перед турбиной качественно такая же, как и эффективного КПД ηе от этих параметров. Степень повышения давления, при которой достигается максимум эксергетического КПД, выше, чем , соответствующая максимальной удельной мощности ГТД le, и меньше, при котором достигается максимум эффективного КПД ηе, то есть . В табл. 2 приведены для сравнения оптимальные значения степени повышения давления в компрессоре для эффективного и эксергетического КПД. Таблица 2 Значения для исследуемых ГТД Установка , К° паспорт НК-12СТ 998 8,8 14,2 9,0 НК-16СТ 1067 9,7 18,4 10,5 МS-5002 1200 8,6 24,5 15,5 НК-14СТ 1240 10,0 26,1 16,0 АЛ-31СТ 1440 23,0 39,3 20,5 НК-38СТ 1476 25,9 41,5 21,5 Уменьшение оптимальных значений объясняется тем, что полезная эксергия, которая трансформируется в механическую работу турбины, складывается не только из эксергии вносимого в двигатель топлива, - учитывается и эксергия работы сжатия. Полезная работа ГТД сопоставляется с максимальным количеством работы, которую мог бы получить потребитель за счет эксергии термодинамической системы. На этапе проектирования приводного ГТД и выбора начальных параметров цикла (степени повышения давления и температуры газа перед турбиной ) или при подборе ГТД из базы уже существующих для конкретных климатических условий предлагается совместить методы эксергетического и энергетического анализа оценки параметров эффективности приводного ГТД. Тогда совершенство термодинамического цикла ГТД оценивается следующими параметрами: 1) эксергетическим КПД ηЭ; 2) эффективным КПД ηе; 3) удельной мощностью привода le. На рис. 3 показаны зависимости от степени повышения температуры, когда достигаются максимумы эксергетического КПД, удельной мощности привода и эффективного КПД. Рис. 3. Зависимость На зависимости величина отводимой эксергии в цикле максимальна, а потери эксергии наименьшие. Для приводной установки наиболее важно преобразование тепловой энергии потока в механическую энергию, необходимую для привода агрегата. Наиболее эффективно преобразование тепловой энергии в механическую работу, когда мы имеем максимальную работоспособность рабочего тела и наименьшие потери эксергии. Нанося на графическую зависимость точки, соответствующие паспортным данным (см. табл. 1) приводных ГТД, мы видим, что для установок НК-12, НК-16 параметры цикла (степень повышения давления и температура газа перед турбиной ) находятся на зависимости, соответствующей максимальному значению эксергетического КПД, для двигателей НК-14СТ, MS-5002 точки смещены к линии максимальной удельной мощности, а для двигателей АЛ-31СТ, НК-38СТ - к линии максимального эффективного КПД. Характеристики агрегатов НК-12СТ, НК-16СТ, расположенные на зависимости , предпочтительны перед характеристиками других агрегатов, расположенными выше или ниже этой кривой (для заданных климатических условий с температурой окружающей среды ТН = 15 °С). Все точки, расположенные выше зависимости , соответствуют ГТУ, у которых удельная эксергия процесса сжатия слишком велика по сравнению с общей эксергией ГТУ. Это установки с высокими параметрами цикла (НК-38СТ, АЛ-31СТ). Для этих установок происходит перераспределение эксергии, получаемой в процессе расширения в турбине: одна часть эксергии идет на сжатие рабочего тела в компрессоре, вторая часть - на полезную работу. С увеличением удельная эксергия ЭlK, затраченная на работу сжатия в компрессоре, и удельная эксергия Эle, преобразованная в механическую работу двигателя, возрастают, причем эксергия ЭlK растет в большей степени. Таким образом, перераспределяется эксергетический потенциал рабочего тела и компрессор оказывается «переразмерен» для приводного ГТД. Как показывают результаты исследований, стремление повыситьитребует гораздо большего повышения мощности осевого компрессора по сравнению с результирующим ростом эффективной мощности и эффективного КПД ГТД в целом. Задаваясь при проектировании высокими значениями и, получаем значительное увеличение энергетической эффективности ГТУ, но при этом увеличивается и разница , и, соответственно, диапазон выбора параметров цикла ( и). В связи с этим предлагается проводить оптимизацию цикла по максимуму эксергетического КПД, при котором полезная эксергия цикла максимально преобразуется в механическую работу на валу, а потери эксергии минимальны. Задаваясь среднегодовой температурой окружающей среды, соответствующей данным климатическим условиям региона эксплуатации, строим зависимость и подбираем тот приводной ГТД, паспортные данные которого (степень повышения давления и температура газа перед турбиной ) будут определять положение рабочей точки, приближенное к линии максимального эксергетического КПД. Так, эксергетический КПД можно использовать как оценочный параметр при проектировании новых приводов или выбирать из базы существующих двигателей для конкретных климатических условий. На основе энергетического и эксергетического методов исследования с помощью разработанного алгоритма рассчитаны эффективный и эксергетический КПД реально существующих газотурбинных установок, определена область оптимальных параметров газотурбинного двигателя, использующегося в качестве привода для конкретных условий эксплуатации. Дополнение энергетического метода эксергетическим позволит оценить энергетические ресурсы ГТУ с учетом параметров окружающей среды. Подобная оценка актуальна в связи с необходимостью учета различных среднегодовых температур местностей, где эксплуатируются ГТД, и критериев ресурсо- и энергосберегающей технологий.

About the authors

Svetlana A Gulina

Samara State Technical University

Email: kr_oeg@mail.ru
(Ph.D. (Techn.)), Associate Professor. 244, Molodogvardeyskaya st., Samara, 443100, Russian Federation

Irina Y Goryunova

Ural Federal State Technical University

Email: igy2@planet-a.ru
(Ph.D. (Techn.)), Associate Professor. 19, Mira st., Yekaterinburg, 620000, Russian Federation

References

Supplementary files