CC BY
30
10. Kizuka N., et al., "Test Results of Closed Circuit Cooled Blades for 1700°C Hydrogen -Fueled Combustion Gas Turbines" IGTC 99 Kobe TS-10 pp 343-350.
11. Glezer B. et al., "A Novel Technique for the Internal Blade Cooling" ASME Paper № 96- GT-181.
12. Халатов А.А., Борисов И.И., Шевцов С.В, «Тепломассобмен и теплогидравлическая эффективность вихревых и закрученных потоков».- Киев, - 2005. - 500с.
13. Glezer B. et al., "Heat Transfer in a Rotating Radial Channel with Swirling Internal Flow" ASME Paper № 98- GT-214.
Визначено вплив конструктивного вико-нання газотурбтного двигуна i системи охо-лодження на показники енергозбереження контактно1 газопаротурбiнноï установки в умовах морського базування i експлуатацй
Ключовi слова: показники, енергозбереження, контактна газопаротурбтна установка
Определено влияние конструктивного исполнения газотурбинного двигателя и системы охлаждения на показатели энергосбережения контактной газопаротурбинной установки в условиях морского базирования и эксплуатации
Ключевые слова: показатели, энергосбережение, контактная газопаротурбинная установка
Effect of design of gas-turbine engine and cooling system on energy saving indices of contact gas-steam turbine plant in conditions of marine referencing and maintenance is defined Key words: indices, energy saving, a contact gas-steam turbine plant
■о о
УДК 621.431.74:621.438
КОМПЛЕКСНОЕ ЭНЕРГО-И РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЕ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ КОНТАКТНЫХ ГАЗОПАРОВЫХ ТУРБИННЫХ УСТАНОВОК НА МОРСКИХ ОБЪЕКТАХ
С.А. Кузнецова
Кандидат технических наук, ведущий научный
сотрудник* С.Н. Мовчан Начальник отдела** Контактный тел.: 8 (0512)49-74-36 В.Н . Чобенко Начальник отдела ЦНИОКР** Контактный тел.: 8 (0512)49-74-19 **ГП НПКГ «Зоря»-«Машпроект» Октябрьский проспект, 42а, г. Николаев, Украина, 54018 Е-mail — spe@mashproekt.nikolaev.ua А.П. Шевцов Доктор технических наук, профессор, ведущий научный
сотрудник* *ОАО «НЭТ» а/я 17, г.Николаев, Украина, 54030 Контактный тел.: 8 (0512) 35-32-98 Е-mail — aootnet@ukr.net
Постановка проблемы и ее связь с важными научными и практическими заданиями
Ограниченность ресурсов жидких и газообразных топлив на материковой части Украины вызывает необ-
ходимость увеличения объемов добычи, переработки и транспортирования этих энергоносителей на континентальном шельфе Черного и Азовского морей. Проблемы энергосбережения и экологии при добыче и транспортировке газа и нефти в морских условиях требуют
создания морских объектов с высокоэффективными, компактными, маневренными и безопасными энергетическими установками высокой агрегатной мощности.
Наиболее полно этим требованиям могут удовлетворить контактные газопаровые турбинные установка (КГПТУ) с подачей пара непосредственно в камеру сгорания газотурбинного двигателя (ГТД). Такие установки объединяют положительные свойства паротурбинной установки (ПТУ) (низкие энергетические затраты на сжатие и высокая энергоемкость рабочего тела) и газотурбинной установки (ГТУ) (высокая температура рабочего тела на входе в турбину и компактность).
В настоящее время КГПТУ находят применение в промышленности и энергетике. Опыт эксплуатации КГПТУ в составе газоперекачивающей установки ГПУ-16К на ГКС «Ставищенская» и КГПТУ-25, как энергетической установки мощностью 25 МВт, позволяет рассматривать их как перспективные для применения в составе энергетических установок на морских платформах и плавучих электростанциях.
Поэтому создание КГПТУ для эксплуатации на морских объектах и судах является актуальной и важной научно-технической проблемой.
Анализ последних исследований и публикаций, в которых начато решение данной проблемы
К настоящему времени опубликованные работы [1, 2, 3, 4, 5] освещают результаты эксплуатации и дальнейшего совершенствования КГПТУ наземного базирования. Исследования КГПТУ, для морских объектов и судов, малочисленны [6, 7, 8, 9] и их результаты относятся к исследованию обобщенных тепловых схем судовых энергетических установок.
Результаты [8] характеризуют общие подходы и рекомендации по созданию КГПТУ на базе ГТД различных кинематических схем, характеристики КГПТУ в широком диапазоне изменения рабочих режимов и внешних условий с учетом совместной работы ГТД и котла-утилизатора (КУ) при подаче пара в камеру сгорания газотурбинного двигателя.
Выделение нерешенных ранее частей общей проблемы, которым посвящена данная статья
В проведенных исследованиях отсутствует решение проблемы комплексного энерго- и ресурсосбережения при использовании контактных газопаровых турбинных установок в составе энергетических установок на морских транспортирующих основаниях, плавучих электростанциях и судах.
Цель и задачи исследования
Целью исследования является обоснование целесообразности применения КГПТУ в составе энергетических установок морских транспортирующих оснований, плавучих электростанций и судов при комплексном обеспечении механической работой, электрической энергией и теплотой в виде насыщенного пара и горячей воды технологических и судовых нужд.
Достижение указанной цели сводиться к решению следующих задач:
- определению влияния конструктивного исполнения КГПТУ в условиях морского базирования на их технико-экономические показатели;
- определению влияния конструктивного исполнения элементов охлаждающе-дегазирующей системы КГПТУ в условиях морского базирования на показатели энергосбережения при эксплуатации;
- определению показателей энергосбережения при использовании дополнительно сгенерированной воды для хозяйственно-бытовых нужд;
- определению массогабаритных показателей КГПТУ и их компоновок в составе энергетических установок морских объектов.
Изложение основного материала исследований с полным обоснованием полученных научных результатов
Определение влияния конструктивного исполнения КГПТУ в условиях морского базирования на их технико-экономические показатели.
Главная энергетическая установка морского транспортирующего основания обеспечивает транспортировку жидкого или газообразного энергоносителя с моря на континент.
Нагнетатели газа и нефти могут иметь механический или электрический привод в зависимости от конструкции и технических параметров. Поэтому возможны следующие варианты конструктивного исполнения КГПТУ как привода:
- ГТД одновальной кинематической схемы с блокированной силовой турбиной;
- ГТД двухвальной кинематической схемы со свободной силовой турбиной;
- ГТД трехвальной кинематической схемы со свободной силовой турбиной.
Сравнение показателей КГПТУ, созданных на базе ГТД различных кинематических схем, свидетельствует о том, что при одинаковой мощности базовых ГТД, они отличаются.
КГПТУ на базе одновального блокированного ГТД имеет наибольшую мощность, а КГПТУ на базе трех-вального ГТД со свободной турбиной - наивысший КПД.
Различие в показателях КГПТУ вызвано отличием аналогичных показателей базовых ГТД и различием их кинематических схем. Для определения влияния кинематической схемы ГТД на параметры КГПТУ сравнение характеристик КГПТУ выполнено в относительных параметрах.
На рис.1 представлена зависимость относительного КПД КГПТУ от относительной мощности. Относительные значения КПД и мощности определены по следующим зависимостям:
П =
П КГПТУ . N = ^ КГПТУ
п
БАЗ ГТД
N
БАЗ ГТД
где п КгпТУ, ^ГПТУ - соответственно КПД и мощность КГПТУ; п БАЗ, ^аз - соответственно КПД и мощность базового ГТД.
КГПТУ на базе одновального блокированного ГТД имеет большую мощность как при работе с подачей пара, так и без подачи пара в КС. Это объясняется применением в рассматриваемом случае турбины базового ГТД без изменения ее пропускной способности. С другой стороны применение турбины базового ГТД приводит к некоторому снижению ее КПД при работе с большими количествами пара и смещению точки на характеристике компрессора в зону меньших значений КПД, что ведет к уменьшению КПД КГПТУ.
Вследствие этого в диапазоне режимов относительной мощности 1,15 < N < 1,48 КПД КГПТУ остается практи-
чески постоянным и не увеличивается с увеличением режима работы.
КГПТУ на базе двухвального и трехвального ГТД со свободными турбинами близки по мощности и экономичности. При работе без подачи пара в КС мощность КГПТУ на базе двухвального ГТД со свободной турбиной несколько выше, чем у КГПТУ на базе трехвального ГТД со свободной турбиной. Это объясняется увеличением пропускной способности турбины высокого давления трехвального ГТД со свободной турбиной для работы с подачей пара в КС и, как следствие, более низкой температурой газа на входе в турбину высокого давления.
Рис. 1. Зависимость относительного КПД (П ) КГПТУ от относительной мощности ( N ) при работе с
подачей и без подачи пара в КС:----с подачей пара в КС;---- без подачи пара в КС;
1 — одновальный блокированный ГТД; 2 — двухвальный ГТД со свободной турбиной; 3 — трехвальный ГТД
со свободной турбиной
Сравнение экономичности КГПТУ, созданных на базе ГТД различных схем, показывает, что на промежуточных режимах работы КГПТУ на базе ГТД со свободной турбиной, как и ГТД простого цикла, имеют более высокую экономичность по сравнению с КГПТУ на базе блокированного ГТД.
Сравнение экономичности КГПТУ и ГТД простого цикла одинаковой кинематической схемы по-
казывает, что относительная экономичность КГПТУ при работе с подачей пара в КС на промежуточных режимах работы несколько выше, чем у ГТД простого цикла (рис.2).
Сравнительная оценка экономичности КГПТУ и ГТД простого цикла равной мощности показывает, что КПД КГПТУ выше КПД ГТД простого цикла во всем диапазоне рабочих режимов от холостого хода до
0 0.2 0.4 0.6 0.8 N1
Рис. 2. Зависимость относительного _КПД (П) КГПТУ при работе с подачей пара в КС и ГТД простого цикла от относительной мощности (N):----КГПТУ с подачей пара в КС;---- ГТД простого цикла
номинального, как при работе КГПТУ с подачей пара, так и без подачи пара в КС. На рис. 3 представлена зависимость относительного КПД КГПТУ и ГТД простого цикла от относительной мощности.
Как видно из рисунка, КПД КГПТУ превышает КПД ГТД ПЦ более, чем на 20% относительных на режимах работы КГПТУ с подачей пара в КС и до 10% относительных на режимах работы КГПТУ без подачи пара в КС.
0 0.2 0.4 0.6 0.8 N1
Рис. 3.
Зависимость относительного КПД (П ) КГПТУ и ГТД простого цикла от относительной мощности (N ): 1 — КГПТУ; 2 — ГТД простого цикла;----КГПТУ с подачей пара в КС;---- без подачи пара в КС
ДА[л,кВт-ч 28
26
24
22
20
5
Определение влияния конструктивного исполнения элементов охлаждающе-дега-зирующей системы КГПТУ в условиях морского базирования на энергосбережение при эксплуатации.
Дополнительное повышение эффективности энергосбережения в КГПТУ возможно за счет снижения потребления электрической энергии элементами охлаждающе-дегазирующей системы контактного конденсатора: циркуляционными насосами и насосами водо-водяных охладителей. Снижение потребляемой электрической энергии осуществляется, во-первых, за счет снижения расхода воды на контактный конденсатор и более низких температур циркуляционной воды, и, во-вторых, более высокой эффективности теплопередачи в водо-водяных охладителях.
Снижение потребления электрической энергии А циркуляционными насосами охлаждающе-дегазирующей системы контактного конденсатора от температуры наружного воздуха приведено на рис.4. Температуры воды Черного моря соответствующие температурам наружного воздуха определялись как среднемесячные значения в течении года. Определение снижения потребления энергии производилось с учетом компенсации потерь при продувках утилизационного котла и производства необходимого количества опресненной воды для бытовых нужд. Снижение потребления электрической энергии определялось, как разность мощностей циркуляционных насосов КГПТУ при работе в континентальных и морских условиях.
Представленные результаты показывают, что применение КГПТУ в морских условиях позволит за 6000
/и
4.В. 5 С
10
15
20
25
30
Рис.4. Зависимость снижения потребления электроэнергии циркуляционными насосами от температуры наружного воздуха для водо-водяных охладителей: 1 — с гладкотрубной поверхностью, 2 — с профилированной поверхностью
часов работы сократить расход электроэнергии на 120000 ...170000 кВт-ч.
Снижение энергопотребления в водо-водяных охладителях возможно за счет интенсификации процессов теплопередачи при применении профилированных поверхностей.
Для оценки экономии потребления электрической энергии при применении профилированных поверхностей проведено моделирование течения в водо-водяном охладителе судовом кожухотрубчатом с прямыми трубами типа ОКН 220-1050-2 с количеством ходов охлаждающей воды 2 и охлаждаемой воды 8 [10].
Исходя из результатов моделирования следует, что снижение потребления электрической энергии насосами водо-водяных охладителей составляет 60000...90000 кВт-ч в год.
Тогда, суммарное снижение потребления электрической энергии циркуляционными насосами и насосами водо-водяных охладителей достигает 180000.260000 кВт-ч в год.
Определение показателей энергосбережения при использовании дополнительно сгенерированной воды для хозяйственно-бытовых нужд.
КГПТУ генерируют воду, которая может быть использована для хозяйственно-бытовых нужд на морском объекте. Это позволяет дополнительно сократить затраты электрической энергии на работу опреснительных установок.
Исходя из времени работы установки в течение года (6000 часов), состава команды морского объекта (60 или 80 человек) и норм потребления опресненной воды (4.8 кг/ч на одного человека) ее количество составляет соответственно 1440.2880 и 1920.3840 т в год. Для получения такого количества опресненной воды в утилизационных опреснительных установок типа Д-4У затрачивается 1800.5600 кВт-ч в год. По этому, отбор указанного выше объема опресненной воды из охлаждающе-дегазирующей системы контактного конденсатора КГПТУ дополнительно к 180000. 260000 кВт-ч в год экономит 1800.5600 кВт-ч в год, т.е. всего 181800.265600 кВт-ч в год.
Определение массогабаритных показателей КГПТУ и их компоновок в составе энергетических установок морских объектов.
Рис. 5. Общее расположение оборудования на морском объекте:
1-КГПТУ, 2 —электротехнический отсек, 3 —якорные лебедки, 4- буровые насосы, 5-котельное оборудование
Выводы по данному исследованию и перспективы дальнейшего развития данного направления
1. Результаты исследования основных характеристик КГПТУ при использовании ее в качестве энергетической установки морского объекта подтверждают, что мощность КГПТУ при работе с подачей пара в КС на 40^50% больше мощности базового ГТД, а КПД КГПТУ превышает КПД базового ГТД на 17^23%. При работе без подачи пара в камеру сгорания КГПТУ с измененными турбинами имеет мощность на 25^30% меньше мощности базового ГТД.
2. КПД КГПТУ превышает КПД ГТД простого цикла равной мощности во всем диапазоне рабочих режимов от холостого хода до номинального. При работе с подачей пара в камеру сгорания превышение составляет более 20% (отн.), при работе без подачи пара в КС - до 10% (отн.).
3. Суммарная экономия потребления электрической энергии при эксплуатации КГПТУ в морских условиях достигает 181800.265600 кВт-ч в год при этом циркуляционными насосами и насосами водо-во-дяных охладителей-180000.260000 кВт-ч в год и при обеспечения опресненной водой бытовых нужд команды - 1800.5600 кВт-ч в год.
Литература
1. Коломеев B.M., Ксендзюк M.B., Романов B.B., Мовчан С.М.,
Шевцов А.П., Кузнецова С.А., Дикий М.О. ГПУ-16К : До-слщно-промислова експлуатащя, мiжвiдомчi приймальш випробування, перспективи використання // Нафтова i газова промисловють, Науково-виробничий журнал. -КиТв. - 2006, - №4, С. 38-40.
2. Избаш B.^, Кучерук H.B., Мовчан С.Н., Филоненко A.A.,
Шевцов A.^, Кузнецова СА. Опыт эксплуатации и пути совершенствования газоперекачивающей установки ГПУ-16К и ее составных частей // Промышленная теплотехника, ИГГФ HAH Украины. - 2007. - T. 29, № 7. - С. 120-124.
3. Кучеренко О.С., Мовчан С.Н., Романов B.B., Чобенко B.H.,
Кузнецова CA., Шевцов A.^ Контактные газопаротурбинные установки "Bодолей" - состояние и перспективы.- Сучасш технологи в машинобудуванш: зб. наук. праць.-Bип.2.-Харкiв: HTy "ХП1". - 2008. - С. 197-209.
4. Чобенко B.H. Расчетно-экспериментальное исследование
характеристик контактных газопаротурбинных установок «водолей» // Сборник научных трудов Николаевского университета кораблестроения. -2004 г. -№5, - С. 69-78.
5. S.N. Movchan, V.V. Rovanov, V.N. Chobenko, A.P. Shevtsov.
Contact steam-and-gas turbine units of the «AQUARIUS» type. The present status & future prospects Proceedings of ASME Turbo Expo 2009: GT 2009-60339. Ю. Бондин, С. Мовчан, С. Чернов, A. Шевцов Совершенствование корабельных энергетических установок // Bо-енный парад. - Москва. - 2005. - №2 (68). - С.54-56.
7. Кузнецова СА., Кузнецов B.B. Енергозбереження при ек-
сплуатаци' TOA на морських об'ектах видобутку та транс-портування природного газу // Енергетика: економжа, технологи', еколопя, Науковий журнал. HTУУ „Кшвський полггехтчний шститут". - Кшв. - 2008.- №2. - С. 39-43.
8. Чобенко B^. Особенности создания КГПTУ на безе
серийного ГГД // Tехногенна безпека. Hауковi пращ ЧДУ iм. Петра Могили - Миколшв. - 2005. -№61.- С. 193-197.
9. Исаков БЛ., Чобенко B.^, Палиенко RB. Состояние и перспективы развития корабельной газотурбинной энергетики // Механика, энергетика, экология. Bестник СевЭТУ. Bbm. 87 - Севастополь. - 2008. - С. 56-61.
10. ОCT 5.4254-86. Охладители масла и воды судовые кожу-хотрубчатые с прямыми трубами.-71 с.
