EFFICIENCY INCREASE OF GAS-TURBINE INSTALLATION BY INJECTION OF WATER VAPOR IN THE NK-37 ENGINE COMBUSTION CHAMBER

Full Text

В настоящее время прогресс в теплоэнергетике и, в частности, в источниках теплоснабжения связы- вают с достаточно широким внедрением в практи- ку энергетических газотурбинных установок (ГТУ). В стационарной энергетике на тепловых электри- ческих станциях широкое применение получили ГТУ открытого типа с подводом теплоты к рабочему телу при постоянном давлении. Мощность, разви- ваемая газовой турбиной, затрачивается на привод компрессора и других вспомогательных механизмов (60-70 %), а оставшаяся (избыточная) часть мощности (30-40 %) преобразуется, например, в электрическую энергию в генераторе, т.е. передается потребителю. Выработка электрической энергии в энергетической ГТУ осуществляется в одной компактной установке в отличие от более сложных и громоздких паро- силовых установок, состоящих из парового котла, турбины, электрогенератора и вспомогательного тепломеханического оборудования. Однако КПД по выработке электроэнергии современной ГТУ суще- ственно ниже, чем КПД паротурбинной установки на паровом цикле, что обусловлено наличием воз- душного турбокомпрессора, потребляемая мощ- ность которого составляет 40-50 % мощности газовой турбины. Поэтому в современной энергетике ГТУ в основном используют совместно с паротурбинными установками, т.е. в парогазовом цикле [1, 2]. Сооружение парогазовых установок (ПГУ) яв- ляется основной тенденцией развития мировой те- плоэнергетики в последнее время. Комбинация ци- клов Брайтона и Ренкина обеспечивает повышение тепловой экономичности комбинированной уста- новки. На практике получила распространение ПГУ с котлом-утилизатором. При этом большая часть мощности комбинированной установки приходится на ГТУ. В газовой части ПГУ с котлом-утилизатором атмосферный воздух, сжатый турбокомпрессором, поступает в камеру сгорания (КС), где к нему при сжигании топлива подводится теплота. Образующи- еся продукты сгорания смешиваются с избыточным воздухом, и далее газы (рабочее тело) адиабатно рас- ширяются в газовой турбине (ГТ), производя работу, которая затрачивается на вращение турбокомпрессо- ра и электрогенератора. Уходящие из турбины газы направляются в топку котла-утилизатора (КУ) [2]. В целях увеличения тепловой экономичности параметры рабочего тела ГТУ постоянно повышают- ся. Одновременно используются другие возможно- сти увеличения экономичности и удельной мощно- сти установок (промежуточное охлаждение воздуха в компрессоре, повторный подогрев рабочего тела ГТУ перед силовой турбиной, впрыск водяного пара и воды в газовый тракт установки и др.). В последние годы ГТУ с впрыском пара полу- чают все более широкое распространение во многих странах мира. Хорошие результаты в этом направ- лении могут быть достигнуты в результате исполь- зования ГТУ с впрыском пара в составе комбиниро- ванных установок, что позволяет увеличить удельную мощность и КПД установки, уменьшить вредные вы- бросы, а также увеличить общий коэффициент ис- пользования теплоты топлива. Уже сейчас КПД ГТУ с впрыском пара достигает 50-52 %, а коэффициент использования теплоты топлива находится в преде- лах 90 % [1, 3]. В рамках данной работы был проведен термо- динамический расчет ГТУ-25 на базе авиационного двигателя НК-37 с использованием конкретных ха- рактеристик всех его узлов. Схема ГТУ приведена на рис. 1. Ведущие фирмы-производители энергетиче- ских ГТУ используют впрыск воды или водяного пара в установки преимущественно для поддержа- ния концентрации оксидов азота в выходных газах в пределах нормы. Такой впрыск оказывает влияние и на энергетические показатели установки [4]. Для установления параметров работы ГТУ вы- полнены вариантные расчеты. За основу была при- нята ГТУ-25 на базе авиационного двигателя НК-37, установленная на Безымянской ТЭЦ. Исходные дан- ные для расчета представлены в табл. 1. Для определения параметров ГТУ при ее работе как с применением впрыска пара в камеру сгорания, так и без него произведен расчет с использованием численного эксперимента. Методика, на основании которой выполнялись исследования, представлена в [5, 6]. В ходе работы эта методика была переработа- на и преобразована под исследуемый тип ГТУ, раз- работана компьютерная программа для упрощения процесса расчета. Ниже приведена методика расчета камеры сго- рания ГТУ. 1. После компрессора высокого давления (КВД) воздух с расходом ΔGохл.турбин, кг/с: ΔGохл.турбин = ΔGохл. - ΔGнар.охл. - ΔGохл.агр, Основные результаты расчетов приведены в табл. 2. Впрыск водяного пара можно производить в камеру сгорания или в турбокомпрессор ГТУ. Тех- ническая трудность организации конденсации пара из парогазовой смеси в ПГУ и связанная с этим необ- ходимость постоянной работы достаточно мощной водоподготовительной установки является главным недостатком ГГУ со впрыском водяного пара (ПГУ монарного типа). В работе [7] для повышения мощности и эко- номичности парогазовой установки предлагается забор воздуха в турбокомпрессор ГТУ производить из вытяжной башни градирни. При этом подача выходящего из градирни насыщенного водяными парами и содержащего капельную влагу воздуха в турбокомпрессор позволяет улучшить теплофизиче- ские свойства рабочего тела в турбокомпрессоре и в газовой турбине и повысить экономичность и мощ- ность парогазовой установки электростанции за счет уменьшения работы сжатия в турбокомпрессоре и повышения располагаемого теплоперепада в газовой турбине. Уменьшение работы сжатия в турбоком- прессоре происходит потому, что часть воздуха, иду- щего из турбокомпрессора и служащая для умень- шения температуры рабочих газов до допустимой по условиям прочности деталей газовой турбины, за- мещается паром, на повышение давления которого затрачивается меньше энергии (в данном случае не затрачивается энергия), чем на повышение давления воздуха в турбокомпрессоре. Если газопаровая смесь покидает котел-утилизатор при температуре, превы- шающей точку росы, то в этом случае теплота кон- денсации водяного пара, полученная им в градирне и составляющая значительную величину, не исполь- зуется в установке, а отводится в атмосферу. Кроме того, подача в камеру сгорания газотур- бинной установки увлажненного воздуха уменьшает концентрацию оксдов азота в продуктах сгорания и количество выбросов в атмосферу и увеличивает срок службы высоко напряженных элементов газо- турбинной установки за счет снижения температуры газов в камере сгорания. На рис. 2-8 показано влияние впрыска пара на характеристики ГТУ-25. Впрыск пара обычно не превышает 5 % общего объема воздуха, сжимаемого компрессором. На рис. 2-7 приведены графические зависимости КПД турбин среднего давления (ТСД), низкого давления (ТНД), свободной силовой тур- бины (СТ), эффективного КПД ГТУ, коэффициента полезной работы ГТУ, электрической мощности и мощности СТ от расхода впрыскиваемого в КС во- дяного пара. Рис. 8 отображает зависимость удельного рас- хода топлива от количества впрыскиваемого пара. Расход водяного пара, подаваемого в КС, представ- лен в процентном отношении от расхода воздуха, поступающего в КС. Анализируя рис. 2-8, следует отметить следую- щее: - с увеличением расхода впрыскиваемого в КС ГТУ водяного пара КПД ТСД возрастает; - КПД ТНД в малой степени зависит от Gпара ; - КПД СТ при увеличении расхода пара умень- шается; - эффективный КПД ГТУ возрастает значитель- но при некотором его уменьшении при относитель- ном расходе водяного пара Gпара = 1 %; - коэффициент полезной работы установки при Gпара>1 % увеличивается значительно; - применение впрыска пара в КС обусловлива- ет понижение удельных расходов топлива на выра- ботку электрической энергии. Одно из существенных отличий энергетиче- ских ГТУ с впрыском водяного пара в камеру сгора- ния от ГТУ, которые работают без впрыска воды или водяного пара, состоит в существенном изменении соотношения рабочих тел, проходящих через турбо- компрессор и газовую турбину, что приводит к необ- ходимости соответствующего увеличения площадей проходных сечений проточной части ГТ. Возможное решение - это увеличение скорости рабочего тела в проточной части установки, что приводит к сниже- нию КПД ГТУ [1]. Газотурбинные установки, в которые впрыски- вается вода или водяной пар, должны быть рассчита- ны на некоторое увеличение эффективного сечения проточной части ГТ. Кроме того, превышение до- пустимого уровня впрыска может уменьшить запас устойчивости турбокомпрессора по помпажу. Отработавшие в газовой турбине и охлажден- ные в котле-утилизаторе газы отводятся в окружаю- щую среду посредством газоотводящей (дымовой) трубы. Газоотводящая труба - это достаточно доро- гое сооружение, требующее постоянного обслужи- вания. Для снижения эксплуатационных затрат и капитальных вложений в строительство тепловых электростанций, снабженных парогазовыми уста- новками, в работе [8] предложена тепловая схема ПГУ, в которой отвод газов в окружающую среду осуществляется через градирню. В этом случае на электростанции не нужно сооружать и эксплуати- ровать газоотводящую дымовую трубу. Для этого в вытяжной башне градирни устанавливается распре- делительное устройство, состоящее из двух соеди- ненных между собой патрубком кольцевых перфо- рированных коллекторов переменного поперечного сечения. Отводящие газы по газоходу направляются в распределительное устройство, посредством кото- рого равномерно перемешиваются с движущимся в вытяжной башне градирни подогретым атмосфер- ным воздухом и вместе с ним отводятся в атмосферу и рассеиваются в ней. Выводы. 1. Выполнен анализ работы энергети- ческих ГТУ. Ведущие фирмы-производители энерге- тических ГТУ используют впрыск воды или водяного пара в установки преимущественно для поддержа- ния концентрации оксидов азота в выходных газах в пределах нормы. Одновременно впрыск воды или во- дяного пара оказывает влияние и на энергетические показатели установки: приводит к росту мощности газотурбинной установки, что позволяет снизить удельный расход топлива на выработку электриче- ской энергии. 2. Выполнен термодинамический расчет ГТУ- 25 на базе авиационного двигателя НК-37 с исполь- зованием конкретных характеристик всех его узлов. Установлено, что при применении впрыска водяного пара в камеру сгорания ГТУ эффективность работы установки повышается. При впрыске водяного пара в камеру сгорания НК-37 в количестве 4 % от объема воздуха, подаваемого в камеру сгорания, электриче- ская мощность ГТУ возрастает с 30,2 до 35,2 МВт (на 5 МВт), а эффективный КПД повышается с 0,343 до 0,363 (на 2 %). При этом удельный расход газообраз- ного топлива снижается с 222,8 до 191,2 г/(кВт·ч) (на 31,6 г/(кВт·ч). БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. Цанев, С.В., Буров В.Д., Ремезов А.Н. Газотурбин- ные и парогазовые установки тепловых электростан- ций. М.: Издательский дом МЭИ, 2009. 584 с. 2. Кудинов А.А. Тепловые электрические станции. Схемы и оборудование. М.: ИНФРА-М, 2012. 325 с. 3. Морозенко М.И. Исследование эффективности ГТУ с впрыском пара и водогрейным котлом: дис. ... к.т.н. М., 2002. 161 с. 4. Хоменок Л.А. Создание горелочных устройств камер дожигания котлов - утилизаторов ПГУ-ТЭЦ // Те- плоэнергетика. 2007. № 9. С. 10-11. 5. Дорофеев В.М., Маслов В.Г., Первышин Н.В. и др. Термогазодинамический расчет газотурбинных сило- вых установок. М.: Машиностроение, 1973. 144 с. 6. Кудинов А.А. Парогазовые установки тепловых электрических станций. Самара: СамГТУ, 2009. 116 с. 7. Патент № 2373403 (RU). МПК7 С 01 F01К 23/10 Парогазовая установка электростанции / Кудинов А.А., Зиганшина С.К., Егоров М.А. // Б.И. № 32, 2009. 8. Патент № 2453712 (RU). МПК7 С2 F01К 23/10 Парогазовая установка электростанции / Кудинов А.А., Зиганшина С.К., Горланов С.П. // Б.И. № 17, 2012.

About the authors

Anatoliy Aleksandrovich KUDINOV

Самарский государственный технический университет

Author for correspondence.
Email: vestniksgasu@yandex.ru

доктор технических наук, профессор кафедры тепловых электрических станций

Sergey Petrovich GORLANOV

Самарский государственный технический университет

Email: vestniksgasu@yandex.ru

аспирант кафедры тепловых электрических станций

References

Supplementary files