Исследование эффективности применения двухступенчатого сжатия и регенерации в стационарной ГТУ на базе авиационного двигателя при помощи математического моделирования

Гапоненко Александр Макарович; Бирюков Борис Васильевич; Шапошников Валентин Васильевич

ЭНЕРГЕТИКА И ЭЛЕКТРОТЕХНИКА

УДК 697.34(07)

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ДВУХСТУПЕНЧАТОГО СЖАТИЯ И РЕГЕНЕРАЦИИ В СТАЦИОНАРНОЙ ГТУ НА БАЗЕ АВИАЦИОННОГО ДВИГАТЕЛЯ ПРИ ПОМОЩИ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

Гапоненко Александр Макарович - д-р техн. наук, профессор, Кубанский государственный технологический университет. E-mail: amgaponenko@yandex.ru

Бирюков Борис Васильевич - канд. техн. наук, доцент, Кубанский государственный технологический университет. E-mail: biryukov-43@bk.ru

Шапошников Валентин Васильевич - аспирант, Кубанский государственный технологический университет. E-mail: shaposhnikov.valentin @gmail.com

Gaponenko Alexander Makarovich - Doctor of Technical Sciences, professor, Kuban State Technology University. E-mail: amgaponenko@yandex.ru

Biryukov Boris Vasilievich - Candidate of Technical Sciences, assistant professor, Kuban State Technology University. E-mail: biryukov-43@bk.ru

Shaposhnikov Valentine Vasilievich - post-graduate student, Kuban State Technology University. E-mail: shaposhnikov. valentin@gmail. com

Дается описание исследуемой схемы ТЭС - РГТУ с двухступенчатым сжатием воздуха в компрессорах и подогревом сжатого воздуха в регенераторе уходящими газами из турбины низкого давления перед его подачей в камеру сгорания ГТУ, приводятся результаты вариантной оптимизации параметров рабочих тел установки. Для оптимизации параметров рабочих тел установки используется метод математической оптимизации, в результате которого определяется критерий оптимизации - коэффициент полезного действия ГТУ, значение которого совпадает со значением КПД ГТУ, определенного вариантным расчетом.

Ключевые слова: газотурбинная ТЭС; оптимизация параметров; математическое моделирование.

The article describes a study scheme TPS - RGTI with two-stage compression of air compressors and compressed air heated in the regenerator leaving gases of low pressure turbine before it is fed into the combustion gas turbines , the results of variant parameters optimization of working bodies installation. For complex optimization parameters of working bodies installation uses mathematical optimization method, which is determined as a result of the optimization criterion - efficiency gas turbines, whose value matches the value of the efficiency of gas turbines, certain alternative calculations.

Keywords: gas turbine thermal power plants; optimization of parameters; mathematical modeling.

В настоящее время электроэнергию в России в основном получают на тепловых электростанциях с КПД производства электроэнергии порядка 40 %. На тепловых электростанциях, использующих газовое топливо, есть возможность для этих целей использовать газотурбинные технологии [1, 2].

Газотурбинная установка с подводом теплоты при постоянном давлении, как правило, выполняется по простейшему термодинамическому циклу. Такие ГТУ имеют небольшую удельную стоимость, высокую надежность работы, малые весовые и габаритные показатели. Электрический КПД этих установок достигает 35 - 38 % [1].

В работе были исследованы возможность и результаты применения классических методов повышения эффективности для авиационной ГТУ. Усложнение схемы происходит в два этапа: применение двух-

ступенчатого сжатия (рис. 1), совместное применение двухступенчатого сжатия и регенерации (рис. 2).

Рис. 1. Схема ГТУ с двухступенчатым сжатием воздуха: КВ1 и КВ2 - воздушные компрессоры низкого и высокого давлений; ОВ - охладитель воздуха; КС - камера сгорания; ТВД и ТНД - газовые турбины высокого и низкого давлений; ГО - газоохладитель; АВО - аппарат воздушного охлаждения; ЦЭН - циркуляционный насос

пэ, %

39,352

4,9

5,1

5,3

5,5

5,7 Р2, МПа

Рис. 2. Зависимость эффективного КПД ТЭС - ГТУ от давления газов на входе в газовую турбину высокого давления

Для расчета схемы исследуемой ТЭС - ГТУ использовались параметры ГТУ типа АД - 31СТ: массовый расход воздуха 61,0 кг/с; давление сжатого воздуха 2,1 МПа; внутренний КПД компрессора 0,777; полезная мощность ГТУ N = 20,0 МВт, которая была определена при температуре газов на входе в турбину 1523,15 К и внутренним КПД газовой турбины 0,93; КПД ГТУ составлял 36,5 % [1]. Оценка эффективности производилась методом тепловых балансов с применением метода последовательных приближений.

Проведенные исследования показали, что введение в схему ТЭС - ГТУ ступенчатого сжатия и промежуточного охлаждения воздуха в ОВ, который установлен между компрессорами КВ1 и КВ2, позволяет увеличить эффективный КПД с 36,5 до 39,35 % (рис. 2).

Повышения КПД можно достигнуть при полезном использовании теплоты уходящих газов после ТНД для нагрева сжатого в компрессорах воздуха в регенеративном воздухоподогревателе РВП перед его подачей в камеру сгорания (рис. 3).

РГТУ работает следующим образом. Сжимаемый в компрессоре низкого давления воздух поступает в охладитель воздуха, а после этого в компрессор высокого давления. Сжатый воздух поступает в регенеративный воздухоподогреватель, в котором нагревается уходящими газами и подается в камеру сгорания. Из нее раскаленные газы поступают в турбины ТВД и ТНД, последняя соединена с электрогенератором. Для повышения эффективности установки уходящие газы после ТНД направляются в регенеративный воздухоподогреватель и далее в контактный газоохладитель.

Проведенные в работе расчеты по определению максимального значения КПД установки РГТУ при разных значениях давлений газов на входе в газовую турбину высокого давления показали, что максимальное значение эффективного КПД ГТУ, составляющее Пэгту = 40,152 %, может быть получено при давлении перед ТВД Р3 = 3,3 МПа и температуре Т3 = 1523,15 К. Давление за ТНД Р4 = 0,103 МПа (таблица). При этом электрическая мощность газотурбинной установки составила N„5, = 27,67 МВт, а расход топлива - 1,84 кг/с, теплота нагрева воздуха в РВП 0рвп = 2,911 МВт.

Зависимости характеристик ТЭС - РГТУ от давления рабочего тела на входе в газовую турбину

Р2, Р21, Мкнд, ^КВД, Nny, 0рвш пэ,

МПа МПа МВт МВт МВт МВт %

3,0 0,5477 14,183 14,288 27,654 3,4153 40,129

3,1 0,5568 14,356 14,460 27,663 3,2430 40,143

3,2 0,5657 14,523 14,628 27,669 3,0744 40,151

3,3 0,5745 14,686 14,790 27,670 2,9110 40,152

3,4 0,5831 14,844 14,950 27,668 2,7505 40,149

3,5 0,5916 14,999 15,105 27,662 2,5946 40,141

3,6 0,6000 15,150 15,256 27,653 2,4428 40,128

3,7 0,6083 15,297 15,404 27,642 2,2949 40,112

В настоящей работе с целью проверки результатов расчетов выполнены граф (рис. 4) и математическая модель ТЭС - РГТУ, позволяющая оценить взаимовлияние основных энергетических потоков установки [3].

Рис. 3. Схема регенеративной ГТУ (РГТУ): КВ1 и КВ2 -воздушные компрессоры низкого и высокого давлений; ОВ - охладитель воздуха; КС - камера сгорания; ТВД и ТНД - газовые турбины высокого и низкого давлений; РВП - регенеративный воздухоподогреватель; ГО - газоохладитель; АВО - аппарат воздушного охлаждения; ЦЭН - циркуляционный электронасос

Рис. 4. Граф математической модели РГТУ

Стрелками на схеме графа обозначено направление потоков энергии от элемента i к элементу ], мощность которых составляет Щ. В стационарном режиме работы РГТУ сумма входящих в каждый элемент и сумма выходящих потоков энергии равны нулю, по-

этому для каждого элемента схемы можно составить уравнение баланса мощностей:

ЕN]г "ЕN = 0; г,у = 1...11,

что составит систему уравнений относительно неизвестных величин .

и

Математическая модель РГТУ:

- для окружающей среды - 0

N " N оК.1 +пс.4) =

- для компрессора низкого давления КНД - 1

N" ВД1.0 +^1.э) =0;

- для компрессора высокого давления КВД - 3

N " ЗДз.5 +П3.8) =

- для камеры сгорания КС - 4

М4 " ^4п4.5 = 0;

- для турбины высокого давления ТВД - 5

N " + Л5.3 +^5.7) =

- для турбины низкого давления ТНД - 7

N7"N7(^7.8 + Л7.11) = 0;

- для регенеративного воздухоподогревателя РВП - 8

N " +%10) =0;

- для газоохладителя ГО - 10

^0 " N10Л10.0 =0;

- для электрогенератора ЭГ - 11

N11 " ^11.0 = 0.

Здесь Пу - доля входной мощности элемента г, передаваемая элементу у (коэффициент передачи).

Оценка проведенных расчетов для исследуемой РГТУ производится по критерию эффективности ус-

Поступила в редакцию

тановки - коэффициенту полезного действия МД00

КПД = —-- с помощью матрицы.

^0^0.4

Для исследуемой РГТУ максимальный коэффициент полезного действия, рассчитанный с помощью математической модели, составил 40,152 %.

Выводы

1. Применение промежуточного охлаждения воздуха, сжимаемого в компрессоре, позволило увеличить КПД ТЭС - ГТУ с 36,5 до 39,35 %, а установка в схеме воздушного регенератора - до 40,152 %.

2. Разработана математическая модель РГТУ, позволившая провести оптимизацию установки и определить её энергетическую эффективность. Расчеты показали сходимость результатов вариантной термодинамической и математической оптимизации на модели, близкую к 100 %.

Литература

1. Ольховский Г.Г. Газотурбинные и парогазовые установки в России // Теплоэнергетика. № 1. 1999.

2. Цанев С.В., Буров В.Д., Ремезов А.Н. Газотурбинные и парогазовые установки тепловых электростанций: учеб. пособие для вузов / под ред. С.В. Цанева. М., 2002.

3. Бирюков Б.В., Васильев Н.И., Ковалев А.И. Основные энергетические потоки мини - ТЭЦ с парогазовой установкой и дожимным компрессором // Математические методы в технике и технологиях: Труды ХХ Междунар. науч. конф. Т. 6. Ярославль, 2007.

9 января 2014 г.

ON IMPROVING THE EFFICIENCY OF ELECTRICITY PRODUCTION AT GAS TURBINE CHP THE AUTHORS