CC BY
114
ет большую макроскопическую однородность структуры и подавление дендритообразования.
5. Выводы
Более детальный анализ показал преимущество резонансного режима фонового акустического воз-
действия перед штатным режимом. Исследования структурных и эксплуатационных отливок в резонансном режиме фонового акустического воздействия в настоящее время продолжаются. Сегодня накоплен обширный экспериментальный материал, не вызывающий сомнений в возможности существенного влияния, как на кинетические параметры, так и на свойства продуктов неравновесных физико-химических процессов.
Литература
1. Физико-химическая механика дисперсных структур в магнитных полях [Текст] / Под ред. Н.Н. Круглицкого. - Киев: Наук. Думка, 1976. - 193 с.
2. Фрадков, Л.А. Управление молекулярными и квантовыми системами [Текст] / Л.А. Фрадков; под ред. О.А. Якубовского. -М. - Ижевск: ИКИ, 2003. - 416 с.
3. Фомин, В.П. Влияние механических воздействий на формирование свойств многокомпанентных систем [Текст] / В.П. Фо-
мин; Научный центр нелинейной волновой механики и технологии. - М.: Наука, 2004. - 82 с.
4. Клингер, Л.М. Диффузия и гетерофазные флуктуации [Текст] / Л.Г. Клингер // Металлофизика. - 1984. - Т.6. - №5. - С.
11-18.
5. Сурду, Н.В. Пути повышения эффективности процессов резания труднообрабатываемых материалов/Н.В. Сурду, А.А. Таре-лин, В.В. Романов, А.Г. Фистик//Восточно-Европейский журнал передовых технологий. - 2007. -№2. - С. 9 - 17.
6. Зарембо, В.И. Фоновое резонансно-акустическое управление гетерофазными процессами [Текст] / В.И. Зарембо, А.А. Ко-
лесников // Теоретические основы химической технологии -2006. - Т.40. - №5. - С. 520-532.
7. Поезжалов, В.М. Кинетика электромагнитного излучения, сопровождающее массовую кристаллизацию [Текст] / В.М. По-езжалов // Тезисы доклада IX научной конференции по росту кристаллов. - М. - 2000. - 368 с.
-----------------□ □---------------------
Наведено результати дослідження енергоефективності газотурбінних двигунів (ГТД) з блокованою силовою турбіною, ускладнених застосуванням турбіни пере-розширення (ТП) і регенерацією теплоти (Р). Показана можливість поєднання двох способів підвищення економічності ГТД і застосування ГТД з ТП і Р як в енергетиці, так і в газоперекачувальних агрегатах засобів освоєння шельфу - нафтогазовидобувних платформ
Ключові слова: газотурбінний двигун, блокована силова турбіна, турбіна перерозши-рення, регенерація теплоти, турбокомпресорний утилізатор
□---------------------------------□
Приведены результаты исследования энергоэффективности газотурбинных двигателей (ГТД) с блокированной силовой турбиной, усложненных применением турбины перерасширения (ТП) и регенерацией теплоты (Р) выхлопных газов. Показана возможность сочетания двух способов повышения экономичности ГТД и применения ГТД с ТП и Р, как в энергетике, так и в газоперекачивающих агрегатах средств освоения шельфа -нефтегазодобывающих платформ
Ключевые слова: газотурбинный двигатель, блокированная силовая турбина, турбина перерасширения, регенерация теплоты, турбокомпрессорный утилизатор -----------------□ □---------------------
УДК 621.438
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ
и приводные газотурбинные
ДВИГАТЕЛИ С
блокированной силовой турбиной
В. Т. Матвеен ко
Доктор технических наук, профессор, ведущий
научный сотрудник* E-mail: mvt39@ukr.net В. А. Очеретяный Кандидат технических наук, доцент* E-mail: ocheret-1961@rambler.ru А. Г. Андриец Кандидат технических наук, доцент E-mail:andriets1@mail.ru *Кафедра энергоустановок морских судов и
сооружений
Севастопольского национального технического
университета ул. Университетская,33, г. Севастополь, Украина, 99053
1. Введение
Разработка новых газотурбинных двигателей (ГТД) и их производство требует значительных интеллектуальных, материальных и временных затрат. Поэтому даже в ведущих странах, владеющих достаточным научным потенциалом и технологиями производства ГТД, прослеживается тенденция унификации в создании новых образцов газотурбинной техники в авиации и кораблестроении, а на их базе - производство промышленных газотурбинных установок (ГТУ), в том числе для газотранспортных систем. Такие ГТУ построены в основном по многовальной схеме со свободной силовой турбиной.
Энергетические ГТД предпочтительно создавать по одновальной схеме с блокированной силовой турбиной, которая обеспечивает стабильность и качественную поставку электроэнергии в муниципальной и промышленной энергетике. Такие ГТУ также приспособлены для комбинированного производства энергии с высоким теплотехническим (общим) КПД.
Более простая конструкция одновальной турбокомпрессорной части двигателя, достаточно высокий КПД при умеренных температурах газа и применение регенерации теплоты, делает актуальным вопрос использования указанной схемы двигателя в качестве приводного в определенной области.
2. Направления повышения эффективности ГТД с блокированной силовой турбиной
В соответствии с поставленной проблемой повышения энергоэффективности энергетических и приводных ГТД необходимо повысить КПД и удельную мощность ГТД при умеренных начальных температурах газа в двигателе. Такая задача в основном решается за счет применения сложных термодинамических циклов двигателей.
На первом этапе усложнение простого цикла ГТД предлагается провести путем введения регенерации теплоты выхлопных газов двигателя [1, 2] для подогрева сжатого в компрессоре воздуха перед камерой сгорания.
Усложнение простого цикла ГТД возможно произвести также нетрадиционным способом посредством перерасширения газа на выходе из силовой турбины [3], что позволяет получить за вычетом энергии на дожимание газа в дожимающем компрессоре дополнительную работу, которая повысит КПД и удельную мощность двигателя.
На втором этапе получения сложного термодинамического цикла в тепловую схему ГТД с турбиной перерасширения вводится регенерация теплоты газов за турбиной перерасширения, что позволяет осуществить более глубокую утилизацию теплоты в цикле.
Таким образом, задачей исследований энергоэффективности термодинамических циклов является определение характеристик и параметров циклов энергетических и приводных ГТД с блокированной силовой турбиной, как на номинальных нагрузках, так и на переменных режимах, характерных для работы ГТД в составе газоперекачивающих агрегатов (ГПА) в системе магистральных газопроводов и средств освоения шельфа.
3. Характеристики ГТД сложных циклов с блокированной силовой турбиной на номинальных режимах нагружения
С целью исследования параметров и основных характеристик цикла ГТД с регенерацией теплоты и цикла ГТД с турбиной перерасширения их можно представить в виде цикла Брайтона, последовательно усложненного путем введения регенерации теплоты, и цикла ГТД, где применен турбоком-прессорный утилизатор (ТКУ), который состоит из турбины перерасширения (ТП), дожимающего компрессора (ДК) и охладителей газа между ними ТТ и КУ (рис. 1).
Рис. 1. Схема ГТД с турбокомпрессорным утилизатором:
К — компрессор; КС — камера сгорания; Т — турбина;
ТП — турбина перерасширения; ДК — дожимающий компрессор; ТТ — теплофикационный теплообменник; Н — нагрузка; КУ — котел-утилизатор
Для анализа циклов ГТД применена универсальная термодинамическая модель цикла ГТД [4], которая позволяет определять параметры цикла при изменении величины степени повышения давления в компрессоре двигателя Рк , начальной температуры газа Тз, а также изменения величины степени регенерации о и степени повышения давления в дожимающем компрессоре Рдк и фиксированных значениях других величин, влияющих на параметры цикла двигателя.
На рис. 2 показаны зависимости эффективного КПД (Ле) и удельной мощности (Пуд) циклов ГТД с регенерацией теплоты от изменения Пк при степени регенерации о = 0,85 и начальной температуре газа Тз=1373 К.
Для сравнения приводятся параметры простого цикла ГТД (кривая П), которые определяются при степени регенерации о = 0 и Пдк=1. Обозначение для цикла ГТД с регенерацией теплоты принято Р.
Анализ результатов исследования в диапазоне температур Тз=1273...1573 К с шагом 50 К показал - увеличение КПД Ле для цикла ГТД с регенерацией теплоты составляет (относительно) 10...12,5 % по отношению к циклу Брайтона.
Удельная мощность в цикле ГТД с Р во всем диапазоне изменения Пк несколько меньше, чем в простом цикле, и максимальное значение ее находится не в зоне Пкор1 . Это ведет к увеличению расхода и удельных
объемов рабочего тела и, следовательно, к увеличению массо-габаритных характеристик двигателя.
0,4
0,3
0,2
П+ТП Р+ТП •А-
/
nf \ v" X 1 . - - - J .
V / у *
Пуд,
кВт
кг/с
450
350
250
10
15
20
25
Рис. 2. Зависимости эффективного КПД (ле) (сплошные линии), и удельной мощности Пуд (прерывистые линии) от яК при Т3 = 1373 К, о=0,85 и ядк = 2,0
Рис. 3. Схема ГТД с турбиной перерасширения и регенерацией теплоты
По уровню экономичности ГТД с ТП и P находится в одном ряду с ГТД «Надежда» Невского завода и WR-21 фирмы Rolls-Royce и является к тому же ГТУ когенерационного типа.
Характеристики циклов ГТД с турбиной перерасширения определялись с учетом изменения ядк, температура газа перед дожимающим компрессором принята равной 323 К.
Из представленных зависимостей на рис. 2 видно, что увеличение эффективного КПД ^е и удельной мощности пуд для цикла ГТД с ТП составляет (относительно) в пределах 10...15 % по отношению к циклу Брайтона.
Наибольшее значение удельной мощности в циклах ГТД с ТП смещено в сторону меньших як, а оптимальное пдко^ составляет 2,0.2,5.
Как приводные, ГТД с Р и ГТД с ТП, у которых эффективные КПД практически равны, могут рассматриваться как два способа повышения экономичности ГТД. Сочетание двух способов повышения экономичности ГТД применено в цикле ГТД с турбиной перерасширения и регенерацией теплоты (ГТД с ТП и Р). Конструктивно эта схема реализуется встраиванием регенератора после ТП в ТКУ и представлена на рис. 3.
Исследования параметров циклов ГТД с ТП и Р проводились при изменении степени повышения давления ядк в ДК в диапазоне от 1,75 до 2,5, температура газа перед ДК принята равной 323 К.
На рис. 2 показаны зависимости эффективного КПД ^е и удельной мощности пуд от пк в компрессоре газогенератора двигателя при ядк=2,0 и степени регенерации о = 0,85 для цикла ГТД с ТП и Р (ТП+Р) в сравнении с простым циклом Брайтона (П) и циклом ГТД с Р. Из представленных зависимостей параметров на рис. 2 видно, что увеличение КПД для цикла ГТД с ТП и Р составляет 20.25 % относительных по отношению к простому циклу, значения удельной мощности значительно превышают величины для ГТД с Р. Оптимальная по КПД лко^ в цикле ГТД с ТП и Р составляет 4.6, что обеспечивает более высокий КПД компрессора.
Наибольшие значения удельной мощности в циклах ГТД с ТП и Р максимально приближены к пкор по КПД, а пдко^ составляет 1,8...2,2, что благоприятно сказывается при проектировании на массогабаритные характеристики теплообменного оборудования ТКУ.
4. Характеристики ГТД сложных циклов с блокированной силовой турбиной на переменных режимах
Для когенерационных ГТУ, обеспечивающих энергией коммунальные и промышленные объекты, характерна работа на частичных нагрузках, поэтому выбор оптимальной тепловой и конструктивной схемы установки для работы ее при переменном режиме является важным эксплуатационным фактором.
ГТУ с ТКУ могут быть созданы на базе отечественных и зарубежных ГТД (фирмы Solar, Rolls-Royce и др.) и найдут также применение для обеспечения энергией морских буровых платформ (МБП), как плавучих, так и стационарных, для разведки и добычи нефти и газа, а также обеспечения энергией портово-промышленных зон.
В условиях эксплуатации на объектах освоения шельфа энергоустановка должна обладать хорошей приемистостью для обеспечения стабильности поставляемой электроэнергии, а также эксплуатационной надежностью. Одновальный энергетический ГТД, работающий при постоянных числах оборотов, удовлетворяет указанным требованиям, а применение ТКУ обеспечивает повышение экономичности ГТУ и выработку тепловой энергии для общесудовых потребителей [6].
ГТД в газоперекачивающем агрегате (TOA) в составе компрессорной станции магистрального газопровода (МГ) работает при различных видах нагружения [7]: генераторном нагружении, а также по винтовой характеристике.
Характеристики и свойства ГТД с блокированной силовой турбиной (схема 1Б без регенерации) и с регенерацией (схема ІБ/P) были изучены ранее [8, 9]. Элементы схем 1Б и ІБ/P устойчиво работают при постоянном числе оборотов (генераторной нагрузке), а также по закону винта (винтовой нагрузке) в требуемом диапазоне нагружения Ne = 1,G...G,5.
На рис. 4 и 5 показаны зависимости характеристик ГТД с регенерацией теплоты (схема ІБ/P) и ГТД с ТКУ и P (схема Æ/P+ТП) при генераторном и винто-
I 35
вом (обозначение V) нагружении. Во всех схемах вал турбокомпрессора сблокирован с силовой турбиной. Здесь приняты условные обозначения: ц - КПД; Т -температура; п - степень повышения давления; N -относительная мощность; G - относительный расход. Индексы: к - компрессор; дк - дожимающий компрессор; е - эффективный; тт - теплотехнический.
При всех значениях относительной мощности N эффективный КПД це в схеме ГТД с Р и ТП выше, чем в ГТД с Р при всех видах нагружения (рис. 4). При винтовом нагружении КПД для всех схем выше, чем при генераторном нагружении, так как расход воздуха Gк на переменном режиме через компрессор уменьшается
и, таким образом, реализовывается количественный закон регулирования.
На частичных нагрузках каждая схема ГТД имеет свои закономерности изменения теплотехнических характеристик (рис. 5). Теплотехнический (общий) КПД цтт в ГТД с Р и ТП более высокий и практически стабильный на всех режимах нагружения и, соответственно, более стабильная относительная тепловая мощность Ктт, что полезно при работе ГТУ в когене-рационном режиме.
Заброс начальной температуры газа Т3 во всех рассматриваемых циклах ГТД на частичных нагрузках не наблюдается.
т,.к
1200
1000
0,8
0,7
0,6
N„
1,0
0,9
0,8
0,7
0,6
1Б/РУ+ТП
1Б/Р+ТІ 1 \J> х 1Б/Р
\ ІБ/PV
\ ІБ/PV
1Б/Р
1Б/Р
ІБ/Р +ТП
01 < ТП J
7/ " 1Б /PV
0,2 0,4 0,6 0,8 N„
Рис. 4. Характеристики циклов ГТД на частичных нагрузках при Т3=1373 К, пК = 5-6, ядк = 2,0 и ст=0,85
Рис. 5. Теплотехнические характеристики ГТД на частичных нагрузках при 73=1373 К, яК = 5-6, ядк = 2,0 и ст=0,85
5. Выводы
1. Энергетические ГТД с ТП и регенерацией теплоты на всех режимах имеют эффективный КПД более высокий, чем в ГТД с регенерацией теплоты.
2. ГТД с ТП и регенерацией теплоты в одноваль-ном исполнении турбокомпрессора с силовой турбиной на частичных винтовых нагрузках более экономичны, чем на частичных генераторных, и могут быть рекомендованы в качестве приводных для использования в газоперекачивающих агрегатах.
3. ГТД с ТКУ и регенерацией теплоты обладают высокими теплотехническими характеристиками и целесообразны для комбинированного производства энергии.
Литература
1. Тарелин, А.А. Оценка эффективных путей развития отечественных приводных двигателей для газотранспортной системы [Текст]/ А.А. Тарелин, В.А. Коваль, Е.А. Ковалева// Восточно-Европейский журнал передовых технологий. - 2009. -№ 4/4 (40). - С. 4 - 8.
2. Романов, В. Газотурбинный двигатель для газовой промышленности [Текст]/ В. Романов, О. Кучеренко//Нефть и газ. -Киев, 2008. - № 6. - С. 22-26.
3. Матвеенко, В.Т. Энергетическая и экологическая эффективность когенерационных энергоустановок для коммунальных объектов энергопотребления [Текст]/В.Т. Матвеенко// Коммунальное хозяйство городов: научн.-техн. сб. -К.: Техника, 2003. Вып. 49. - С. 119-123.
4. Матвеенко, В.Т. Теплотехнические характеристики когенерационных газотурбогенераторов с регенерацией теплоты при переменном режиме работы [Текст]/В.Т. Матвеенко// Авіаційно-космічна техніка і технологія; Зб. наук.праць -Харків: НАУ «ХАІ», 2001. Вип. 23. - С. 95-98.
36
5. Matviienko, V. Cogenerative GTE with turbocompressor utilize [Текст]/ V. Matviienko//Korea Institute of Machinery Materials. - Daejeon, 2006. -P.92-93.
6. Матвієнко, В.Т. Теплові схеми енергетичних газотурбінних комплексів для забезпечення енергією технологічного обладнання морських бурових платформ [Текст]/ В.Т. Матвієнко// Нафтова і газова промисловість. -2000. № 3. -С. 21-23.
7. Ревзин, Б.С. Газотурбинные газоперекачивающие агрегаты [Текст]/ Б.С. Ревзин//М.: Недра, 1986. - 215 с.
8. Котляр, И.В. Частичные и переходные режимы работы судовых газотурбинных установок [Текст]/ И.В. Котляр//Л.: Судостроение, 1966. -290 с.
9. Matviienko, V. Variable regimes operation of cogenerative gas-turbine engines with overexpansion turbine [Текст]/ V.Matviienko, V.Ocheretuanij //Proceedings of ASME Turbo Expo 2010: Power of Land, Sea and Air GT2010, June 14-18, 2010, Glasgow, UK, GT 2010-22029. - 8 рр.
------------------□ □---------------------
Представлено методику узгодженої оптимізації параметрів циклів ГТУ і ПГУ і параметрів охолоджуваної проточної частини газової турбіни. В рамках цієї методики проведені оптимізаційні розрахунки схем ГТУ і ПГУ. Представлено результати розрахунків з висновками про перевагу оптимізації за даною методикою
Ключові слова: оптимізація ПГУ,
оптимізація проточної частини, система охолодження проточної частини, ціна електроенергії
□---------------------------------□
Представлена методика согласованной оптимизации параметров циклов ГТУ и ПГУ и параметров охлаждаемой проточной части газовой турбины. В рамках этой методики проведены оптимизационные расчеты схем ГТУ и ПГУ. Представлены результаты расчетов с выводами о преимуществе оптимизации по данной методике
Ключевые слова: оптимизация ПГУ, оптимизация проточной части, система охлаждения проточной части, цена электроэнергии________ __________________
УДК 621.311.23+621.438
оптимизация
ПАРАМЕТРОВ
пгу и системы
ОХЛАЖДЕНИЯ
газовой турбины
А. М. Клер
Доктор технических наук, профессор, заведующий отделом теплосиловых систем*
e-mail: kler@isem.sei.irk.ru Ю. Б. Захаров Старший инженер* e-mail: contain@mail.ru Ю. М. Потан и на Старший научный сотрудник* e-mail: julia@isem.sei.irk.ru *Институт систем энергетики им. Л.А. Мелентьева СО РАН ул. Лермонтова, 130, Иркутск-33, 664074
1. Введение
Современные мощные газотурбинные установки (ГТУ) создаются, в первую очередь, для работы в составе ПГУ, поэтому выбор параметров их термодинамического цикла должен производиться совместно с параметрами паротурбинной части ПГУ Кроме того, они должны быть согласованы с параметрами охлаждаемой проточной части газовой турбины (ГТ).
Предлагаемые до последнего времени подходы к выбору указанных параметров предусматривали раздельную оптимизацию охлаждаемой проточной части ГТ [1-4], параметров цикла ГТУ и ПГУ [5-13], параметров цикла и системы охлаждения газовой турбины [14, 15]. В работе [16] предложена методика согласованной оптимизации параметров охлаждаемой проточной части ГТ и параметров цикла газотурбинной установки.
Следует отметить, что предлагаемая в работе [16] методика не предполагает отказ от использования существующих детальных комплексов моделирования
и оптимизации проточных частей газовых турбин [17, 18]. Используемые в ней описания процессов являются менее подробными, чем в указанных комплексах, но они гораздо более детальные, чем представления проточных частей ГТ в моделях оптимизации параметров цикла. Это позволяет получать более обоснованные решения по параметрам циклов, а затем уточнить параметры проточной части ГТ с использованием специализированных комплексов.
Суть методики [16] состоит в следующем. Формируются базовые наборы профилей сопловых и рабочих решёток. При этом входящие в эти наборы профили подбираются таким образом, чтобы диапазоны изменения характеристик профилей в наборе (конструктивные углы входа и выхода и коэффициент конфу-зорности) как можно полнее охватывали множество возможных значений этих характеристик. Базовые профили могут выбираться из какого-либо каталога, или определяться в результате решения специальных задач нелинейного математического программирования (НЛП) по подбору коэффициентов кривых, опи-
