CC BY-NC
15
Б01: 10.24937/2542-2324-2021-1-8-1-139-141 УДК 621.438
В.А. Жуков, М.С. Капустянский
ГУМРФ им. адмирала С.О. Макарова, Санкт-Петербург
АНАЛИЗ СХЕМ УТИЛИЗАЦИИ ВТОРИЧНЫХ ЭНЕРГОРЕСУРСОВ СУДОВЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК С ГАЗОТУРБИННЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ
В статье рассматриваются наиболее рациональные возможные схемы утилизации тепла отработавших газов судовой энергетической установки с газотурбинными двигателями. Определены направления по усовершенствованию энергоэффективности газотурбинных двигателей путем утилизации вторичных энергетических ресурсов. Ключевые слова: судовые энергетические установки, газотурбинные двигатели, вторичные энергетические ресурсы, регенеративные установки, турбина с перерасширением. Авторы заявляют об отсутствии возможных конфликтов интересов.
DOI: 10.24937/2542-2324-2020-1-S-I-139-141 UDC 621.438
V.A. Zhukov, M.S. Kapustyanskiy
GUMRF them. Admiral S.O. Makarova, St. Petersburg
ANALYSIS OF SCHEMES FOR UTILIZATION OF SECONDARY ENERGY RESOURCES OF MARINE POWER PLANTS WITH GAS TURBINE ENGINES
The article considers the most rational possible schemes of waste gas heat recovery in a marine power plant with gas turbine engines. The directions for improving the energy efficiency of gas turbine engines through the utilization of secondary energy resources are determined.
Key words: ship power plants, gas turbine engines, secondary energy resources, regenerative plants, turbine with overexpansion.
Authors declare lack of the possible conflicts of interests.
На данный момент использование газотурбинных двигателей на транспортных судах очень ограничено. Несмотря на их множественные позитивные качества, они не выдерживают конкуренции с поршневыми дизельными двигателями по экономичности. Однако, технический рывок за последнее время поднял КПД установок до 35-38%, благодаря освоенным температурам перед турбиной в 12001400 °С, улучшенным системам охлаждения лопаток и новым жаропрочным материалам.
Наиболее рациональной областью применения ГТД являются суда с динамическим способом под-
держания (СПК и СВП), газовозы, скоростные паромы, суда с горизонтальной грузообработкой, суда с главной электрической установкой, круизные суда и морские буровые установки. Для увеличения энергоэффективности установки с ГТД применяют усложненные схемы, например, схемы с регенерацией и промежуточным охлаждением. Другим направлением повышения экономичности и эффективности ГТУ - является использование вторичных энергоресурсов (ВЭР). Газотурбинные двигатели, обладают большим запасом вторичных энергоресурсов. Источником тепловой энергии на судне
Для цитирования: Жуков В.А., Капустянский М.С. Анализ схем утилизации вторичных энергоресурсов судовых энергетических установок с газотурбинными двигателями. Труды Крыловского государственного научного центра. 2021; Специальный выпуск 1: 139-141.
For citations: Zhukov V.A., Kapustyanskiy M.S. Analysis of schemes for utilization of secondary energy resources of marine power plants with gas turbine engines. Transactions of the Krylov State Research Centre. 2021; Special Edition 1: 139-141 (in Russian).
В. А. Жуков, М.С. Капустянский
Анализ схем утилизации вторичных энергоресурсов судовых энергетических установок с газотурбинными двигателями
с ГТУ являются отработавшие газы с температурой 500 °С и более, охлаждающая пресная вода с температурой 40-50 °С.
Эффективность использования ВЭР на судах во многом определяется схемой и способом утилизации теплоты. Теплота отработанных газов судовых двигателей может использоваться в системах малой (обычной) утилизации теплоты (СМУТ) и системах глубокой утилизации теплоты.
Рассмотрим ряд наиболее рациональных схем утилизации ВЭР [1]. К системе малой утилизации можно отнести схему с регенератором для совершенствования цикла ГТУ. В такой схеме теплота уходящих дымовых газов используется для подогрева циклового воздуха на выходе из компрессора и топливного газа (в случае использования в качестве топлива газообразного топлива). В качестве регенераторов используются различные виды тепло-обменных аппаратов (пластинчатые и кожухо-трубные аппараты, тепловые трубы). Анализ регенеративных ГТУ показывает, что использование воздухоподогревателей повышает КПД установки на 3-4%. Подогрев газа до высоких температур способствует нагреву и испарению конденсата в подогревателе, тем самым значительно снижает химическую неполноту сгорания топлива, в следствии которой КПД установки снижается на 1,5-3%.
Следующим способом повышения энергоэффективности является применение установки с газопаровым рабочим телом. Такие установки называют контактными газопаровыми турбинными установками [2]. В них пар, генерируемый в котле-утилизаторе или специальной расширительной камере, сбрасывается в проточную часть газовой тур-
Рис. 1. Схема ГТД с турбиной перерасширения:
К - компрессор; КС - камера сгорания;
ТК - турбина компрессора; СТ - силовая турбина;
ТП - турбина перерасширения;
ОГ (КУ) - охладитель газа (котел-утилизатор);
ДК - дожимающий компрессор; Н - нагрузка
бины, как дополнительное высокопотенциальное рабочее тело. Образованная газопаровая смесь проходит через проточную часть, расширяется в ней, совершая дополнительную работу. В последующем происходит его улавливание и отделение из выхлопных газов в контактном конденсаторе, для очистки и возврату в цикл. Пар, в таких установках, подается перед камерой сгорания, в нее либо между степенями турбины. Он должен быть перегретым, чтобы избежать попадания капель воды в камеру сгорания и коррозии, а также иметь более высокое давление по сравнению с давлением воздуха за компрессором. В ТУК с расширительной камерой параметры генерируемого пара ниже, чем в установке с КУ. Это позволяет получить в ТУК при прочих равных условиях большее количество пара. Исследования показывают, что подача 1% пара повышает мощность ГТУ на 5-7%. В общем случае количество подаваемого пара ограничено и определяется характеристикой и состоянием ГТУ, а также температурой внешней среды.
Наиболее распространенным и освоенным способом утилизации тепла отработавших газов является применение энергетических установок комбинированного цикла с газопаротурбинной установкой. В таких установках тепло отработавших газов передается питательной воде утилизационного котла. Пар от котла направляется на утилизационную паровую турбину, механическая энергия, которой, направляется на винт или используется для привода электрогенератора. Также пар может направляться на другие судовые нужды. Применяя теплоутилизационный контур с паровой турбиной значительно повышается эффективность всей энергетической установки. Доля выработки энергии паровой турбины относительно всей газопаротурбинной установки (ГПТУ) может достигать 25%. КПД таких установок может достигать 50% и более, они экономны, надежны и обладают большим потенциалом для автоматизации.
Малоиспользуемым в настоящее время является способ усложнения цикла утилизации тепла с помощью использования турбины перерасширения (ТП) (рис. 1) [3].
Турбина перерасширения, соединенная с дожимающим компрессором и охладителем газа между ними, образует турбокомпрессорный утилизатор. Расчетами установлено, что эффективный КПД ГТД с ТП выше чем в двигателе с простым циклом, на 10-25%, в такой же степени увеличивается удельная мощность в цикле. Достоинством ГТД с ТП также является высокая степень унификации ГТД простого цикла, так как к нему пристыковывается турбоком-
140
Труды Крыловского государственного научного центра. Специальный выпуск 1, 2021
прессорный утилизатор (ТКУ) без изменения конструкции газогенератора, к силовой турбине пристыковывается ТКУ. Охладитель газа в ТКУ выполняет роль теплогенератора (котла-утилизатора), превращая ГТД с ТКУ в установку когенерационного типа. Полезное использование теплоты топлива в таких установках достигает 75-85%.
Выбор схемы утилизации тепла является комплексной задачей, учитывающей множество параметров. Назначение судна, потребность в тепле для собственных нужд, наличие свободного пространства, режимы работы энергоустановки определяет возможности выбора способа утилизации тепла газовых турбин и пределы усложнения рабочего цикла.
Список использованной литературы
1. Худалиев Ю.В. Анализ схем утилизации вторичных энергоресурсов турбокомпрессорных газоперекачивающих станций // Вестник Астраханского гос. тех. ун-та. 2007. № 6(41). С. 105-109.
2. Артемов Г.А., Горбов В.М., Романовский Г.Ф. Судовые энергетические установки с газотурбинными двигателями: учебное пособие. Николаев: УГМТУ, 1997. 233 с.
3. МатвеенкоВ.Т., Очеретяный В.А. Энергоэффективность всережимного газотурбинного двигателя в судовом пропульсивном комплексе // Судостроение. 2016. № 4(827). С. 37-40.
Поступила / Received: 15.11.21 Принята в печать / Accepted: 08.12.21 © Жуков В.А., Капустянский М.С., 2021
