CC BY
194
УДК 629.7.036
ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ГТЭ-10/95 ПРИ СОВМЕСТНОЙ РАБОТЕ С ТОТЭ В СОСТАВЕ КЭУ
А.А. Лоскутников, И.М. Горюнов, Ф.Г. Бакиров
Рассмотрены пути повышения эффективности ГТЭ-10/95 при совместной работе с ТОТЭ в составе КЭУ. Проведён анализ результатов расчетных исследований двух схем КЭУ с ТОТЭ на номинальном режиме и дроссельных характеристик. Комбинированные энергоустановки; твердооксидные топливные элементы; пароводяная конверсия
Ключевые слова: топливный элемент, комбинированная энергоустановка, газотурбинный двигатель
В настоящее время общепризнанными являются математические модели как средство исследования, используемое в компьютерных экспериментах. Особенно актуальны такие работы при исследовании технически сложных объектов, состоящих из дорогостоящего оборудования. Основываясь на результатах таких расчетных исследований различных комбинированных энергоустановок (КЭУ), возможно сформировать предложения по их доработке и совершенствованию.
Выполнены структурно-параметрический синтез и анализ рабочих процессов ЭУ на базе ГТЭ-10/95 ”Шакша” (ОАО ”НПП”Мотор”) и твердооксидных топливных элементов (ТОТЭ) по оценке эффективности двух базовых схем КЭУ.
МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ГАЗОТУРБИННОЙ ЭНЕРГОУСТАНОВКИ ГТЭ-10/95
В ОАО "НПП "Мотор" разработана блочно - модульная энергетическая установка ГТЭ-10/95БМ номинальной электрической мощностью 8-10 МВт и тепловой производительностью 17-19 Гкал/час с суммарным коэффициентом использования топлива более 80 % [6]. В ее состав входит газотурбинный привод ГТП-10/95, который создан на основе конвертирования авиационного двигателя Р13-300.
В соответствии с методикой [1] и работами Горюнова И. М. (УГАТУ), создана математическая модель ГТЭ-10/95 в среде DVIGwT (см. рис. 1).
Идентификация данной модели ГТЭ выполнена в работе [1], по данным, предоставленным ОАО ”НПП”Мотор”, на установив-
Лоскутников Александр Александрович - УГАТУ, аспирант, ассистент, e-mail: alex_loskutnikov@mail.ru Горюнов Иван Михайлович - УГАТУ, д-р техн. наук, профессор, e-mail: gorjunov@mail.ru Бакиров Федор Гайфуллович - УГАТУ, д-р техн. наук, профессор, e-mail: fgbakirov@rambler.ru
шихся режимах нагрузочной характеристики, соответствующих электрической мощности N э = 8, 6, 4 и 2 МВт [2,3].
Расчетные параметры полностью соответствуют экспериментальным данным.
1 - ВУ; 2 - КНД; 3 - КВД; 4 - камера сгорания; 5 - ТВД; 6 - ТНД; 7 - смеситель воздуха; 8 - переходный канал; 9 - СТ; 10 - электрогенератор; 11 - охлаждение ТВД; 12 -охлаждение ТНД; 13 - охлаждение СТ; 14 -подача топлива; 15 - насос котловой воды; 16
- КУ; 17 - преобразователь информационного потока вода-пар; 18 - потребитель тепла; 19 -вход сетевой воды; 20 - выход газов из КУ; 21
- выход сетевой воды
Рис. 1. Структурная схема модели ГТЭ-10/95
Принципиальная схема газотурбинной установки ГТЭ-10/95 приведена на рис. 2.
1- комплексное воздухоочистительное устройство (КВОУ); 2 - КНД; 3 - КВД; 4 - камера сгорания; 5 - ТВД; 6 - ТНД; 7 - СТ; 8 -электрогенератор; 9 - КУ; 10 - насос питательной воды; 11 - бойлер; 12 - насос сетевой воды; 13 - потребитель тепловой энергии; 14
- выхлопное устройство
Рис. 2. Принципиальная схема ГТЭ-10/95
МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ АВТОНОМНОЙ ЭУ НА БАЗЕ ЭХГ ИЗ ТОТЭ
Рассмотрим ЭУ на безе ЭХГ с ТОТЭ, в состав которого помимо батареи ТОТЭ включены вспомогательные системы: газовый теплообменник для подогрева входящего воздуха, подогреватель воды для получения необходимых параметров пара, газовый подогреватель топлива, КУ.
Принципиальная схема ЭУ на базе ЭХГ из ТОТЭ приведена на рис. 3.
1- батарея ТОТЭ; 2 - газовый подогреватель воздуха; 3 - парогенератор; 4 - газовый подогреватель топлива; 5 - КУ; 6 - насос питательной воды; 7 - бойлер; 8 - потребитель тепловой энергии; 9 - насос сетевой воды; 10 -выхлопное устройство
Рис. 3. Принципиальная схема ЭУ на базе ЭХГ
Расход пара и топлива в рассматриваемом ЭХГ на номинальном режиме (52,0811 кг/с, равный расходу в ЭХГ схемы № 1
рассматриваемой ниже) подобраны из отношения к расходу воздуха на ЭХГ (0,01867 кг топлива (пара)/кг воздуха), опираясь на работу [4]. Для обеспечения автономности ЭХГ и отсутствия дополнительных расходов мощности ЭУ на различные вспомогательные устройства, опираясь на работы [4,5,6], а также предоставленные результаты
экспериментальных испытаний атмосферного ЭХГ в РФЯЦ-ВНИИТФ (г. Снежинск), принимаем давление подвода воздуха 121,325 кПа, пара и топлива - 106,325 кПа. Воздух на газовоздушный теплообменник, вода в газовый подогреватель воды и топливо в газовый подогреватель топлива подаются с температурой 150 С.
Количество параллельно (12 шт.) и последовательно (11520 шт.) соединенных ячеек ТОТЭ для ЭХГ подобрано, исходя из [4] по расходу воздуха на вход в ЭХГ.
Продукты реакции ТОТЭ, после отвода тепла на подогрев входящих в ЭХГ веществ,
направляются в КУ для производства тепла на нужды потребителя, что увеличивает эффективность использования топлива данной ЭУ.
В модернизированном программном комплексе DVIGwT разработана математическая модель ЭУ на базе ЭХГ, структурная схема, которая приведена на рис. 4. Пунктирными линиями показаны рекурсивные связи между элементами.
/ 2 3 4 5 6 7
1 - подвод на подогрев воздуха для ТОТЭ; 2 - газовоздушный теплообменник (Теплообменник газ-газ); 3 - подача воды для ТОТЭ (Вход воды); 4 - газовый подогреватель воды; 5,14 - преобразователи информационного потока вода- пар; 6 - ТОТЭ (Топливный элемент 80БС); 7 - продукты реакции ТОТЭ (Выход газа из ТЭ); 8 - вход сетевой воды; 9 -насос котловой воды; 10 - КУ; 11 - выход газов из КУ; 12 - выход сетевой воды; 13 - потребитель тепла (ПОТ); 15 - смеситель 2; 16 -смеситель; 17 - газовый подогреватель топлива; 18 - подача топлива; 19 - отбор газа 2; 20 -отбор газа; 21 - подача продуктов реакции ТОТЭ на подогрев воздуха на входе в ЭХГ
Рис. 4. Структурная схема модели ЭУ на базе ЭХГ
Необходимый для ПВК пар генерируется из воды в газовом подогревателе. Температуры продуктов реакции ТОТЭ на выходе из газовоздушного, газового подогревателя воды и газового подогревателя топлива равны между собой (5110 С).
Значения температур ПВК и основной реакции в ЭХГ удовлетворяют требованиям
[6,7] и укладываются в рекомендованные: для ПВК не менее 925 К, для основной электрохимической реакции 1197- 1293 К.
Температура уходящих газов после КУ принята равной 100° С.
Особенностью данной ЭУ является необходимость нагрева входящих веществ (воздуха, пара, топлива) до рабочей температуры при пуске ЭХГ.
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ГТЭ-10/95 ВКЛЮЧЕНИЕМ В СХЕМУ КЭУ
ЭХГ НА ТОТЭ, РАБОТАЮЩЕГО НА ОТБОРЕ ВОЗДУХА ЗА КНД
В работах [4,5] показано, что оптимальная степень повышения давления окислителя на входе в ТОТЭ составляет примерно 3 атм. Для ГТЭ-10/95 на расчетном режиме, соответствующем номинальной мощности 8 МВт, давление воздуха за компрессом низкого давления составляет 3 атм. Давление газа перед СТ составляет 2 атм.
Рассмотрим способ повышения эффективности ГТЭ-10/95 введением ЭХГ, состоящего из ТОТЭ, питающегося окислителем, отобранным за КНД. Продукты химической реакции сбрасываются в газоход перед силовой турбиной. Принципиальная схема такой модернизированной КЭУ приведена на рис. 5.
1
-□
уходящие / газы і / _2_
к4 топлибо
Ч
"--А. и А.;
босполнение
потерь
питательной
боды
топлиЬо но подогрей
нор і
1- комплексное воздухоочистительное устройство (КВОУ); 2 - КНД; 3 - КВД; 4 - камера сгорания; 5 - ТВД; 6 - ТНД; 7 - СТ; 8 -электрогенератор; 9 - КУ; 10 - насос питательной воды; 11 - бойлер; 12 - насос сетевой воды; 13 - потребитель тепловой энергии; 14
- выхлопное устройство; 15 - ЭХГ; э - экономайзер; и - испаритель; пп - пароперегреватель
Рис. 5. Принципиальная схема КЭУ на базе ГТЭ-10/95, с ЭХГ на отборе воздуха за КНД (схема № 1)
На основании принципиальной схемы, разработана математическая модель, структурная схема которой приведена на рис. 6.
Непосредственно в ЭХГ помимо ТОТЭ включены вспомогательные системы: газовый теплообменник для подогрева входящего воздуха, пароперегреватель для получения необходимых параметров пара, а также газовый подогреватель топлива.
ЭХГ состоит из газовоздушного подогревателя воздуха, парогенератора, газового подогревателя топлива и батареи ТОТЭ. Топливо, направляемое в ЭХГ, предварительно подогревается водой, нагретой в КУ. В ЭХГ
смешиваются сжатый воздух с топливом, прошедшим предварительную ПВК.
Пар, необходимый для ПВК, генерируется из части питательной воды в КУ, состоящей из пароперегревателя, испарителя и экономайзера.
Рис. 6. Структурная схема КЭУ с ЭХГ, работающим на отборе воздуха за КНД
В выхлопном тракте ГТУ устанавливается КУ, в котором за счёт тепла выхлопных газов генерируется водяной пар, а также вода для горячего водоснабжения. Генерируемый пар частично расходуется на нужды ЭХГ.
Допустимый расход отбираемого воздуха за КНД для ЭХГ, обеспечивающий стабильную работу ГТЭ, составляет по данным, предоставленным Каримовым Т. Р. (ОАО “НПП “Мотор”), не более 4 % от расхода воздуха на входе в КНД.
Выбран режим ПВК, при котором принятые значения параметров укладываются в рекомендованные: для ПВК температура не менее 925 К [6,7], а для основной электрохимической реакции 1197- 1293 К
[6,7].
Результаты расчета параметров номинального режима КЭУ сведены в табл. 1.
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ГТЭ-10/95 ЗАМЕНОЙ КАМЕРЫ СГОРАНИЯ НА ЭХГ, СОСТОЯЩИЙ ИЗ ТОТЭ
Ввиду то, что в ТОТЭ происходит электрохимическая реакция и температура продуктов реакции достаточно высока, рассмотрим способ повышения эффективности ГТЭ- 10/95 заменой камеры сгорания на ЭХГ, состоящий из ТОТЭ. Принципиальная схема такой модернизированной КЭУ приведена на рис. 7 (схема № 2).
Топливо подается только в ЭХГ. Температуру продуктов реакции ЭХГ, которая частично понижена за счет подогрева
входящих в ЭХГ воздуха и топлива, необходимо повысить до температуры газов на выходе из камеры сгорания в ГТЭ на расчетном режиме. Суммарные затраты топлива в ЭХГ и камере дожигания позволяют существенно повысить мощность всей КЭУ.
уходящие газы 1
босполнение потерь
-©
©
питательной ~ боды
топлибо на подогреб
1- комплексное воздухоочистительное устройство (КВОУ); 2 - КНД; 3 - КВД; 4 -ЭХГ; 5 - ТВД; 6 - ТНД; 7 - СТ; 8 - электрогенератор; 9 - КУ; 10 - насос питательной воды;
11 - бойлер; 12 - насос сетевой воды; 13 - потребитель тепловой энергии; 14 - выхлопное устройство; 15 - камера дожигания; э - экономайзер; и - испаритель; пп - пароперегреватель
Рис. 7. Принципиальная схема КЭУ на базе ГТЭ-10/95, с замененной камерой сгорания на на ЭХГ (схема № 2)
На основании принципиальной схемы разработана математическая модель,
структурная схема которой приведена на рис.
ЭХГ
Рис. 8. Структурная схема модели КЭУ с ГТЭ-10/95 с замененной камерой сгорания на ЭХГ на базе ТОТЭ
Структурная схема модели состоит из газотурбинного привода, модернизированного ЭХГ на базе ТОТЭ, элементов системы генерации водяного пара: котла- утилизатора, состоящего из экономайзера, испарителя, пароперегревателя, и др. Устанавливаются рекурсивные связи, обеспечивающие передачу параметров от последующих к предыдущим элементам структурной схемы, показанные пунктирными линиями.
Расходы воздуха, топлива и пара, направляемые в ЭХГ, были смоделированы по расходу воздуха в ГТЭ-10/95 на базе работ [4,5]. Таким же образом путем аналогии по расходу воздуха в ГТУ подобрано количество параллельно и последовательно соединенных ячеек ТОТЭ.
Температура ПВК и температура основной реакции в ЭХГ равны [6,7] и поддерживаются за счет камеры дожигания. Значения данных параметров взяты с учетом соответствующих значений из работы [5], а также рекомендаций [6,7] по ТОТЭ. Поддерживаемые в процессе расчета схемы температурных напоров на холодных концах различных теплообменных аппаратов выбраны по рекомендациям [8].
КЭУ НА БАЗЕ КАСКАДА НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ ГТЭ-10/95 И ЭХГ
Рассмотрим схему КЭУ на базе каскада НД ГТЭ-10/95 и ЭХГ на базе ТОТЭ, питающегося 3 атм. воздухом. Выбор давления воздуха для ЭХГ обоснован в п. 4.3 данной работы. КС отсутствует, поэтому продукты химической реакции сбрасываются в ТНД. Принципиальная схема такой модернизированной КЭУ приведена на рис. 9.
Необходимый для ПВК пар генерируется из воды в газовом подогревателе. Значения температур ПВК и основной реакции в ЭХГ удовлетворяют требованиям [6,7].
41]
боздух
ьсю
уходящие
газы
-©
- €>
і
восполнение потерь питате/ъной — боды
11 12
топлибо на подогреб
1- комплексное воздухоочистительное устройство (КВОУ); 2 - КНД; 6 - ТНД; 7 - СТ;
8 - электрогенератор; 9 - КУ; 10 - насос питательной воды; 11 - бойлер; 12 - насос сетевой воды; 13 - потребитель тепловой энергии; 14
- выхлопное устройство; 15 - ЭХГ; э - экономайзер; и - испаритель; пп - пароперегреватель Рис. 9. Принципиальная схема КЭУ на базе каскада НД ГТЭ-10/95 и ЭХГ на базе ТОТЭ, питающегося 3 атм. воздухом (схема № 3)
Температура уходящих после КУ газов равна 1000 С. На основании принципиальной
схемы, создана математическая модель (см. рис. 10).
Рис. 10. КЭУ на базе каскада НД ГТЭ-10/95 и ЭХГ на базе ТОТЭ, питающегося 3
атм. воздухом
Расход пара и топлива в ЭХГ на номинальном режиме подобраны из отношения (0,01867 кг топлива (пара)/кг воздуха) [4] к расходу воздуха на ЭХГ, равному 54,916 кг/с. Количество параллельно (13 шт.) и последовательно (11520 шт.) соединенных ячеек ТОТЭ для ЭХГ подобрано по расходу воздуха в ЭХГ [4].
РАСЧЕТНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
СХЕМ КЭУ НА НОМИНАЛЬНОМ РЕЖИМЕ
Для удобства анализа результаты расчетов исследуемых схем КЭУ на номинальном режиме объединены в табл. 1.
Автономная ЭУ с ЭХГ на базе ТОТЭ при электрической мощности в 11906,3 кВт имеет КПД по выработке электричества 24,88 %, при этом передается 7987,78 кВт теплоты потребителю.
Схема КЭУ на базе ГТЭ-10/95 и ЭХГ, работающего на отборе воздуха за КНД, характеризуется минимальной модернизацией исходной ГТЭ. Вырабатываемая электроэнергия и электрический КПД по выработке достаточно низкие (22,75 % при электрической мощности 8543 кВт).
Схема с замененной камерой сгорания на ЭХГ в ГТЭ-10/95 требует значительных переделок, однако экономический эффект от такого вложения компенсируется повышением электрической суммарной мощности КЭУ до 20630,4 кВт (в 2,56 раза больше мощности базовой ГТЭ) и повышением КПД по выработке электроэнергии до 30,82 % (на 8,19 % абсолютных по отношению к базовой ГТЭ).
Схема КЭУ на базе каскада НД ГТЭ-10/95 и ЭХГ на базе ТОТЭ, питающегося 3 атм. воздухом, требует также значительных переделок,
при этом суммарная электрическая мощность достигает 14004,3 кВт (в 1,75 раза больше мощности базовой ГТЭ) и КПД по выработке электроэнергии достигает 27,75% (больше на 5,12 % абсолютных по отношению к базовой ГТЭ).
Результаты расчета в системе DVIGwT базовой ГТЭ-10/95, автономной ЭУ с ЭХГ,
_______- параметры даны для камеры дожигания,
так как камера сгорания в схеме отсутствует.
** - параметр рассчитан по отношению электрической мощности к теплоте сжигания топлива.
трех схем КЭУ с включением ЭХГ
Параметр ГТЭ- 1095 ЭХГ Схема №1 Схема №2 Схема №3
N э,кВт 8000 - 8000 8000 1212,7
икнд, об/мин 9636,25 - 9627,6 9621,64 9680,3
иквд, об/мин 10385,7 - 10422,3 10350,7 -
Gв, кг/с 55,27 - 56,20 54,98 55,24
Род, кПа 280,7 - 271,0 280,8 285,8
Т*нд,К 403,35 - 400,15 403,37 405,61
р*с, кПа 660,3 - 648,9 659,8 -
Т я * о К 1116,45 - 1130,63 1060.62 -
от, кг/с 0,718 - 0,722 0,390 -
^кс 4,361 - 4,236 2,289 -
Сд, к 969,20 - 981,69 924,56 -
^тид» кг/с 55,07 - 53,77 56,40 56,97
Т*нд»К 866,18 - 877,73 827,98 561,63
р*т , кПа 105,3 - 105,3 105,3 105,0
т о, к 733,05 - 738,78 702,37 541,64
N ЭХГ, кВт - 11906, 3 543,0 12630,4 12791,6
Вт пэхг» 2 м - 820,26 850,06 870,15 427,07
. А гэхг, 2 м - 2027,7 1 2085,34 2088,46 1059,62
Тосн р, К - 1223,3 8 1264,82 1293,02 1295,27
ТПВК»К - 1073,2 1020,00 1293,15 1295,27
I, А - 2554,9 858,18 2631,46 2755,02
и, В - 0,405 0,408 0,417 0,403
ЭХГ , кг/с - 0,973 0,0417 0,971 1,026
Q, кВт 21433,2 7987,8 21946,8 17522,0 7264,5
N2 кэу » кВт 8000 11906 8543,0 20630,4 14004,3
Пэ , %оо 22,63 24,88 22,75 30,82 27,75
АНАЛИЗ ДРОССЕЛЬНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ИССЛЕДУЕМЫХ СХЕМ КЭУ
ТОТЭ и ЭХГ на их основе сложно поддаются регулировке, так как работают в основном на изобарно - изотермическом режиме. Изменяемые параметры ГТУ при дросселировании КЭУ с ЭХГ непосредственно влияют на протекание основной химической реакции внутри ТОТЭ [7]. В ТЭ параметры воздуха для окисления и пара для ПВК, изменяются на переменных режимах работы ГТУ в составе КЭУ.
По результатам расчетов построены дроссельные характеристики исходной ГТЭ, автономного ЭХГ и трех схем КЭУ (при условии обеспечения регулирования ЭХГ в составе ГТУ).
Проанализированы зависимости расхода топлива, электрической мощности, пэ, расхода воздуха на входе в КНД, приведенной частоты вращения КВД, вырабатываемой теплоты потребителю, п*кНд, л*КВд, температуры и давления воздуха на выходе из КВД, температуры газов на выходе из основной камеры или камеры дожигания, температуры и давления газов на выходе из СТ, плотности тока ЭХГ, плотности мощности, температуры газов на выходе из ЭХГ от приведенной частота вращения ротора КНД (Ппр кнд).
Для базовой ГТЭ-10/95 и двух исследуемых схем параметры получены в диапазоне приведенных частот вращения ротора КНД, соответствующих мощности от 8 до 2 МВт, для третьей схемы от 1,2МВт до 0,050 МВт.
В схеме КЭУ, в которой ЭХГ работает на отборе воздуха за КНД (схема № 1) четырех процентный отбор воздуха влияет на работу КНД, ТВД, ТНД, СТ, следовательно, расход продуктов сгорания в СТ также увеличивается на 4%. Это приводит к необходимости в раскрытии сопловых аппаратов СТ для обеспечения режима работы узлов ГТЭ как у базовой ГТЭ-10/95 на 4 %.
Суммарная электрическая мощность базовой ГТУ и схем № 1,2,3 КЭУ с падением ппр КНд уменьшается (рис. 11).
При Пдр КНд = 9627 об/мин мощность базовой ГТЭ равна 8000 кВт, схеме № 1 - мощность КЭУ увеличена на 6,79%, в схеме № 2 электрическая мощность возросла в 2,58 раза по сравнению с мощностью базовой ГТЭ, в схеме № 3 достигает значения 14 МВт. Такое резкое увеличение электрической мощности в схеме № 2 объясняется более высокими термодинамическими параметрами входных по-
токов веществ в ЭХГ, что повлекло за собой резкое увеличение мощности ЭХГ и, следовательно, КЭУ в целом.
N3, кВт
ппр КНД
ГТЭ 10/95 КЭУ с ЭХГ вместо ОКС
КЭУ с отбором после КНД КЭУ с НД и ЭХГ
Рис. 11. Зависимость общей электрической мощности ЭУ от Ппр КНД
С уменьшением ппр кнд суммарные расходы топлива для камеры сгорания в базовой ГТЭ, для камеры сгорания и ЭХГ - в схеме №
1, для камеры дожигания - в схеме № 2 и расход на ЭХГ в схеме № 3, уменьшаются. При Ппр кНд = 9627 об/мин, соответствующем номинальному режиму работы базовой ГТЭ, расход топлива в базовой схеме равен 0,718 кг/с, в схеме № 1 составляет 0,763 кг/с, в схеме № 2 на 52,8% больше расхода базовой схемы и составляет 1,36 кг/с, в схеме № 3 достигает 1,026 кг/с.
Анализ изменения электрического КПД рассматриваемых схем (рис. 12) показывает, что при снижении ппр КНД в схемах № 1,3 и базовой ГТЭ - Пэ уменьшается, а в схеме № 2 - пэ возрастает и при ппр кНд ~ 7100 об/мин достигает 35 %, в то время как у базовой ГТЭ - п = 12%, а в схеме № 1 - п = 14 %. В схеме № 3 при минимальном значении ппр кНд = 8900 об/мин Пэ = 17%.
Объясняется это тем, что в схеме № 2 электрическая мощность снижается не так интенсивно, как уменьшается суммарный расход топлива на КЭУ при дроссельных режимах. Повышение электрического КПД с уменьшением ппр кНд есть следствие распределения электрической мощности между ГТЭ и ЭХГ с учетом того, что ЭХГ работает практически на стационарном режиме.
КПДэ
ппр КНД
—♦— ГТЭ 10/95 -»-КЗУ с ЭХГ вместо ОКС
КЭУ с отбором после КНД КЭУ с НД и ЭХГ
Рис. 12. Зависимость КПДэ ЭУ от ппр КНД
Расход воздуха во входное устройство уменьшается со снижением ппр КНД во всех рассматриваемых схемах КЭУ и базовой ГТЭ.
Приведенная частота вращения КВД (ппр кВд) при уменьшении ппр кНд снижается как для базовой ГТЭ, так и для трех схем КЭУ. Особенностью для всех трех схем является наличие максимума при ппр кНд = 8300 об/мин.
Для всех рассматриваемых ЭУ переданная потребителю теплота Опот снижается с уменьшением ппр кНд (рис. 13). При значении ппр кНд = 7100 об/мин в схеме № 1 Опот = 11300 кВт, в базовой ГТЭ 11000 кВт, а в схеме № 1 -9300 кВт. В схеме № 3 при ппр кНд = 8900 об/мин, Опот = 4000 кВт.
Q, кВт
ппр КНД
-♦-ГТЭ 10/95 -»-КЭУ с ЭХГ вместо ОКС
КЭУ с отбором после КНД КЭУ с НД и ЭХГ
Рис. 13. Зависимость производимой теплоты от ппр КНД
Разница между значениями теплоты в исследуемых ЭУ во всем диапазоне ппр кНд сохраняется. Объясняется это тем, что в схемах № 2, 3 большая часть теплоты уходящих газов
расходуется на генерацию пара для ПВК, а в схеме № 1 и базовой ГТЭ - на нужды потребителя.
Уменьшение п*КНд для исследуемых ЭУ происходит с понижением ппр КНд. Например, значения п*КНд для схемы № 2 и базовой совпадают во всем исследуемом диапазоне ппр КНд, а для схемы № 1 уменьшены на 1..2% по сравнению со значениями базовой ГТЭ.
Зависимости изменения п*КВд для трех ЭУ имеют прямопропорциональную зависимость от ппр КНд. Значения п*кВд схемы № 1 отличаются от значения базовой схемы ГТЭ в среднем на 0,5. Кривая зависимости пКВд для схемы № 2 пересекает кривую зависимости п*кВд для базовой ГТЭ при ппр КНд = 9700 об/мин и кривую зависмости л*КВд для схемы № 1 при ппр КНд = 7600 об/мин. Объясняется это тем, что линия рабочих режимов (ЛРР) в схеме № 1 в КНД смещается ниже относительно ЛРР базовой схемы, а в КВД ЛРР смещается выше и при постоянных пропускных способностях ТВД, ТНД и СТ в схеме № 1 расход газа через ТВД и ТНД меньший, чем в базовой схеме, а через СТ примерно равен.
Рассмотрим зависимость температуры продуктов сгорания на выходе из камеры сгорания (для схемы № 1 и базовой схемы ГТЭ) и для камеры дожигания (схема № 2) от ппр КНд. В схеме № 2 исследуемая температура несколько ниже базовой, так как камера дожигания установлена для обеспечения поддержания пропускной способности ТВД. В схеме № 1 температура после камеры сгорания выше базовой, что объясняется необходимостью компенсировать отобранный за КНД воздух, повышенной температурой газов камеры сгорания, для обеспечения пропускной способности ТВД.
Параметры продуктов сгорания за СТ необходимы для подбора режимов работы КУ. Давления за СТ для исследуемых схем равны, что было учтено при проведении расчетов.
Во всех исследуемых ЭУ значения температуры газов за СТ (Т*СТ) уменьшаются с уменьшением ппр КНд. Значения исследуемой температуры для схемы № 1 располагаются выше значений базовой ГТЭ, а значения схемы № 2 - ниже значений базовой ГТЭ и достигают при ппр КНд = 9600 об/мин для схемы № 2 ппр КНд = 700 К, для базовой ГТЭ 733 К, а для схемы № 1 - 738 К соответственно. Т*СТ минимальна для схемы № 3 и уменьшается с 540 до 500 К в диапазоне ппр КНд = 9600.. .8900 об/мин.
При рассмотрении характеристик ЭХГ на дроссельных режимах в составе КЭУ необхо-
димо отметить тенденцию уменьшения плотности тока и плотности мощности (рис. 14, 15) с уменьшением приведенной частоты вращения КНД.
і, А/м2
ппр КНД
КЭУ с ЭХГ вместо ОКС КЭУ с отбором после КНД
КЭУ с НД и ЭХГ Рис. 14. Зависимость плотности тока ЭХГ
от ппр КНД
п, кВт/м2
ппр КНД
КЭУ с ЭХГ вместо ОКС КЭУ с отбором после КНД
КЭУ с НД и ЭХГ
Рис. 15. Зависим ость плотности мощности ЭХГ от ппр КНД
Для схемы № 3 значения плотности тока, плотности мощности в два раза меньше значений схем № 1, 2 (1000 А/м2) при одинаковом ппр КНд во всем диапазоне изменения ппр КНд. Повышенные значения плотности тока и мощности в схеме № 2 по сравнению с исследуемыми схемами объясняется, как отмечено ранее, более высокими термодинамическими параметрами входных потоков веществ в ЭХГ, что увеличивает мощность КЭУ в целом.
Температура на выходе из ЭХГ (рис. 16) в схемах № 1, 2 практически не изменяется (порядка 1500.1520 К) с уменьшением ппр КНд.
ппр КНД
КЭУ с ЭХГ вместо ОКС КЭУ с отбором после КНД
КЭУ с НД и ЭХГ
Рис. 16. Зависимость температуры газов на выходе из ЭХГ от ппр КНд
В схеме № 3 Т*ЭХГ падает (1518. 1270 К) с уменьшением ппр КНд. Последнее объясняется тем, что каскад КНД не позволяет поддерживать постоянную температуру исходных веществ в ЭХГ, ее уменьшение приводит к понижению температуры реакции в ТОТЭ, а следовательно и Т*ЭХГ.
ВЫВОДЫ
1. Для оценки эффективности мероприятий по повышению эффективности ГТЭ-10/95, созданы модели ГТЭ-10/95, автономной ЭУ на базе ЭХГ с ТОТЭ, а также трех исследуемых схем КЭУ с ЭХГ.
2.Автономная ЭУ с ЭХГ на базе ТОТЭ при электрической мощности в 11906,3 кВт имеет КПД по выработке электричества 24,88 %, при этом передается 7987,8 кВт теплоты потребителю.
3. Разработаны схемы модернизации ГТЭ-10/95 включением ЭХГ:
- КЭУ с ЭХГ, работающем на отборе воздуха за КНД ГТЭ-10/95;
- КЭУ с замененной камерой сгорания на ЭХГ в ГТЭ-10/95.
- КЭУ на базе каскада НД ГТУ и ЭХГ.
4. Расчетные исследования КЭУ на номинальном режиме обосновывают возможности повышения эффективности газотурбинной установки ГТЭ-10/95 в составе КЭУ при совместной работе с ЭХГ, состоящем из ТОТЭ.
КЭУ на базе ГТЭ-10/95 и ЭХГ, работающем на отборе воздуха за КНД, характеризуется минимальной модернизацией исходной ГТЭ. Однако вырабатываемая электроэнергия и КПД по выработке сравнительно невысокие
(КПД электрический 22,75 % при электрической мощности 8543,0 кВт).
КЭУ с замененной камерой сгорания на ЭХГ в ГТЭ-10/95 требует значительных переделок базовой ГТЭ, но при этом достигается повышение электрической суммарной мощности КЭУ до 20630,4 кВт при КПД по выработке электроэнергии 30,82 % на номинальном режиме.
КЭУ на базе каскада НД ГТУ и ЭХГ характеризуется значительной доработкой базовой ГТЭ при вырабатываемой номинальной электрической мощности 11906,3 кВт, с КПД по выработке электроэнергии 24,88 %.
5. Анализ дроссельных характеристик показывает, что со снижением приведенной частоты вращения КНД в схемах № 1,3 и базовой ГТЭ - Пэ уменьшается, а в схеме № 2 - пэ возрастает и при ппр кНд ~ 7100 об/мин достигает 35 %.
Электрическая мощность в схеме № 2 падает при снижении приведенной частоты вращения КНД с 9621 до 7146, при этом мощность КЭУ уменьшается с 20630 до 12436 кВт (на 39,72 % от номинала), в то время как в базовой схеме при таком же диапазоне изменения приведенной частоты вращения КНД снижается электрическая мощность с 8000 до 2000 кВт (75% от номинала).
6. Результаты моделирования КЭУ на базе ГТД и ТОТЭ, приведенные на примере ГТЭ-10/95 и ЭХГ при различных схемах совмещения, подтверждают функциональные возможности разработанного авторами программного комплекса. Он может служить основой для создания новых схем КЭУ, выполнять многовариантные предпроектные расчеты, включая
расчеты их характеристик, тем самым сокращая сроки и затраты на их разработку.
Литература
1. Горюнов И. М. Структурно-параметрический синтез и анализ авиационных ГТД и энергетических установок на их основе. Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.07.05 - “Тепловые, электроракетные двигатели и энергоустановки летательных аппаратов ”. - Уфа: изд. УГА-ТУ, 2007. - 330 с.
2. Газотурбинная энергоустановка ГТЭ-10/953-002.
Руководство по эксплуатации и техническому обслуживанию. ГТП 953.00.0.0000РЭ. Уфа: ФГУП
“НПП”Мотор”, 2004. - 458 с.
3. Газотурбинная энергетическая установка ГТЭ-
10/95 БМ. Рекламный проспект. - Уфа:
ОАО”НПП”Мотор”, 2010. - 10 с.
4. High Efficiency PSOFC / ATS - Gas Turbine Power System. Final report. National Energy Technology Laboratory. Siemens Westinghouse Power Corp, 2001. - 180 p.
5. Захаренков Е. А. Исследование и оптимизация схем и параметров гибридных электростанций на основе топливных элементов и газотурбинных установок. Автореферат на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.14.01 - “Энергетические системы и комплексы”. - М.: МЭИ (ТУ), 2009. - 20 с.
6. Введение в термодинамику топливного элемента / В.Н. Борисов, И.Г. Лукашенко, М.А. Ахлюстин / Твердооксидные топливные элементы: Сборник научно - технических статей. - Снежинск: Издательство РФЯЦ -ВНИИТФ, 2003. С. 9 - 15.
7. Коровин Н. В. Топливные элементы и электрохимические энергоустановки. - М.: Издательство МЭИ, 2005. - 280 с.
8. Цанев С.В., Буров В.Д., Ремезов А. Н. Газотурбинные и парогазовые установки тепловых электростанций. Учебное пособие для вузов / Под ред. С.В. Цанева -М.: Изд-во МЭИ, 2002. - 584 с.
Уфимский государственный авиационный технический университет
THE RESEARCH OF RAISING EFFICIENCY OF GTE-10/95 COMBINED SOFCs IN COMBINED POWER INSTALLATIONS A.A. Loskutnikov, I.M. Gorjunov, F.G. Bakirov
The consideration of ways of rising efficiency of GTE, combined SOFC in combined power installations (CPI). There is analyze of calculation research of two schemes CPI with SOFC on the nominal operation condition and throttle characteristics. Combined power installations; solid oxide fuel cell; steam-water conversion
Key words: fuel cell, combined power planet, turbo jet
