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

Cover Page

Abstract


The analysis of work of the gas-turbine GTU-25 installation on the basis of the aviation NK-37 engine is made at injection of water vapor in the combustion chamber, advantages and restrictions of this way are described, graphic dependences of the main indicators of overall performance of gas-turbine installation on a consumption of injectable water vapor are given to the 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

  1. Цанев, С.В., Буров В.Д., Ремезов А.Н. Газотурбинные и парогазовые установки тепловых электростанций. 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.
  3. Хоменок Л.А. Создание горелочных устройств камер дожигания котлов - утилизаторов ПГУ-ТЭЦ // Теплоэнергетика. 2007. № 9. С. 10-11.
  4. Дорофеев В.М., Маслов В.Г., Первышин Н.В. и др. Термогазодинамический расчет газотурбинных силовых установок. М.: Машиностроение, 1973. 144 с.
  5. Кудинов А.А. Парогазовые установки тепловых электрических станций. Самара: СамГТУ, 2009. 116 с.
  6. 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.
  7. Патент № 2453712 (RU). МПК7 С2 F01К 23/10 Парогазовая установка электростанции / Кудинов А.А., Зиганшина С.К., Горланов С.П. // Б.И. № 17, 2012.

Statistics

Views

Abstract - 24

PDF (Russian) - 8

Cited-By


Article Metrics

Metrics Loading ...

PlumX

Dimensions


Copyright (c) 2014 KUDINOV A.A., GORLANOV S.P.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies