CC BY
94
При этом предусматривается доработка лопаточных аппаратов в плане повышения их нагруженности и КПД компрессора на уровне 89%.
Указанные выше мероприятия по модернизации ГТД семейства М8 позволит уменьшить себестоимость новых изделий на 30...50%.
Рис. 6. Общий вид проточной части модернизированного ГТД ДР59Л и нагнетателя
Литература
1. В. Щуровский. Новое поколение ГТУ для магистральных газопроводов// Газотурбинные технологии. июль-август. - С.8-13.
Рыбинск. - 1999,
Рассмотрены особенности схемы и конструкции, а также назначение малоразмерного двигателя мощностью 1000 кВт, предназначенного для работы в составе блочной газотурбинной электростанции и в качестве силовой установки маневренного тепловоза. Приведены эксплуатационные характеристики машины в широком диапазоне температур окружающей среды.
Ключевые слова: двигатель, электростанция, мощность, эффективность
Features of the scheme and design, and also assignment the little- size engine by capacity of 1000 kw, intended for work in structure of block gas-turbine power stations and as a powerplant of a maneuverable locomotive are considered. Operational characteristics of the machine in a wide range of ambient temperatures are brought.
Keyword: engine, power plant, capacity, efficiency
УДК 621.438.004.15
ВЫСОКОЭФФЕКТИВНЫЙ ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ МОЩНОСТЬЮ 1 МВТ
В.Е. Беляев
Доктор технических наук, главный конструктор*
С.О. Беляева
Кандидат технических наук, начальник отдела*
*«ММПП «Салют» г. Москва, Россия
В. А. Ко вал ь
Доктор технических наук, координатор НТЦ прогрессивных технологий НАН Украины
г.Харьков, Украина
Е . А . К о в а л е в а
Аспирант
Институт проблем машиностроения им.А.Н. Подгорного
г. Харьков, Украина
На сегодня является очевидным факт перспективности разработки и внедрения проектов, так называемой, локальной энергетики, в виде ТЭС средней и малой мощности.
Это связано, в первую очередь, со следующими обстоятельствами:
• потери электроэнергии, транспортируемой по ЛЭП среднего и низкого напряжения на расстояние
до нескольких десятков километров, при ее передаче, составляет 30...40%;
• потери тепла в теплотрассах с течением времени многократно превысили нормативные пределы и в десятки раз больше, чем нормы, принятые в развитых странах и, в среднем, по разным оценкам, больше 20%. Это означает, что часть топлива, формально отнесенная на выработку тепла, фактически отапливает окружающую среду. Произведя перерасчет удельного расхода топлива на электроэнергию с учетом снижения годового отпуска тепла на 20 %, получим КИТ =0,527;
В складывающейся ситуации особую актуальность, приобретает проблема создания и широкомасштабной реализации эффективных децентрализованных источников энергоснабжения в первую очередь на базе газовых турбин средней и малой мощности по следующим причинам:
• при их использовании для модернизации действующих объектов создаются наиболее эффективные, конкурентоспособные технологии;
• кроткие сроки создания таких установок позволяют значительно смягчить надвигающийся энергетический кризис. Малые сроки строительства мини-ТЭС/ТЭЦ с блочно-модульными конструкциями энергоагрегатов и их размещение в легкосборных облегченных зданиях способствуют снижение сроки окупаемости капиталовложений и себестоимости производимой электрической энергии.
• мощность заводов СНГ по производству авиационных двигателей, существенно недогруженных в настоящее время, позволяет поставлять на энергетический рынок нужное оборудование в достаточном количестве.
ГТД в диапазоне мощности от -30...100 кВт до 1000 кВт станут все более доступными для малых и средних предприятий, т.е. для групп, которые не могут рассчитывать на государственную электроэнергетическую систему. Наблюдается также растущий интерес к гибридным электростанциям на основе одновременно топливных элементов и газовых турбин.
В ряде развитых странах мира правительственные органы поддерживают распределенных систем генерации и снабжения электричеством/теплом в дополнение к существующим централизованным системам крупных энергокомпаний, что закреплено даже на государственном уровне. В США приняты нормы, освобождающие владельцев автономных источников энергии от налогов, а также обязывающие энергетические компании покупать излишки электроэнергии по выгодным ценам. Правительство Великобритании приняло решение возвращать часть налогов владельцам малых электростанций. Бундестаг Германии принял закон, в котором определены компенсации и льготы владельцам малых энергетических установок. Централизиро-ванные сети также обязаны покупать излишки электроэнергии по тарифам, почти не отличающимся от их собственных тарифов при реализации. В Индонезии и Сингапуре также приняты программы поддержки независимых энергопроизводителей. Уже несколько лет в Украине действует «Закон об электроэнергетике», в котором определен статус «независимого» производителя электроэнергии. При этом владельца электромощностей до 5 МВт должны беспрепятственно допустить к сети и покупать у него излишки электроэнергии.
По основным техническим показателям отечественные ГТД не уступают импортным, а по удельной стоимости на 1 кВт генерируемой мощности отечественные разработки ГТУ, приведенные к стандартному комплекту оборудования, в 2...3 раза ниже импортных разработок [1].
К числу таких проектов следует отнести разработку ГТД регенеративного цикла мощностью 1000 кВт, выполненную в ФГУП «ММПП «Салют» совместно с ВНИИЖТ МПС РФ и другими организациями. Регенеративный цикл имеет ряд преимуществ, которые становятся решающими для ГТД относительно небольших мощностей.
Для успешной конкуренции энергетических установок в этом классе мощностей необходимо обеспечить выполнение следующих требований:
• цена комплексной поставки должна быть меньшей 950 USD/кВт;
• себестоимость, позволяющая назначить цену на ГТД на уровне 250. 300 USD за 1 кВт установленной мощности;
• эффективный КПД выработки электроэнергии должен быть не менее 40% в диапазоне нагрузок от 0,3 до 1,0 номинальной мощности;
• возможность выработки электрической и тепловой энергии;
• экологические показатели должны быть на порядок лучше существующих прототипов - NOx < 3 ppm, CO < 5 ppm, UHC < 5 ppm;
• возможность работы как на традиционных, так и многих нетрадиционных видах топлива;
• минимальное время от первого платежа до первого проданного кВт-ч выработанной энергии;
• высокая надежность и минимальные эксплуатационные расходы.
Для обеспечения этих требований были выбраны параметры термодинамического цикла, значения которых приведены на рис.1
Рис. 1. Тепловая схема установки ГТД-1000
Задача по обеспечению обеспечение высокого КПД в широком диапазоне частичных нагрузок решается следующим образом:
1. Выбором тепловой рекуперативной схемы с высокой степенью регенерации (0,9) , которая позволяет поддерживать близкими к оптимальными степень повышения давления и температуру газа перед турбиной на частичных нагрузках;
2. Выбором закона регулирования, позволяющего поддерживать номинальную температуру газа перед турбиной на частичных нагрузках. Поддержание высокого уровня Тг* и пКопт обеспечивает высокий КПД в очень широком диапазоне частичных нагрузок от 20 до 100% номинальной мощности при КПД более 40%. Управление термодинамическими параметрами на частичных режимах создает и благоприятные условия для работы камеры сгорания в плане минимальных значений концентрации вредных выбросов;
3. Проектированием узлов таким образом, чтобы их максимальная эффективность достигалась на частичных нагрузках.
Биротативная турбина с противоположным вращением двух РК (без СА между ними) обеспечивает минимальные гидравлические потери, осевой габарит, число лопаточных аппаратов и массу машины.
Компрессор низкого давления расположен на валу консольно, компрессор высокого давления имеет пред-включенное трансзвуковое осевое колесо, а его ротор как единый безредукторный валопровод с электрогенератором.
Между компрессором низкого давления и электрогенератором расположен электромагнитный подшипник. Вал электрогенератора подвешен на газовых опорах. Частота вращения ротора турбогенератора 24000 об/мин, а частота электрического тока - 50 Гц.
Электрический КПД ГТУ на номинальном режиме составляет 42%, а характер его изменения в зависимости от режима работы двигателя и температуры окружающей среды показан на рис. 3.
Рис. 3. Дроссельно-климатическая характеристика ГТ-1000
Работа станции по когенерационному циклу обеспечивает получение тепла 0,882 Гкал/час.
Вертикальное расположение двигателя связано с условием его размещения в локомотиве. Преимуществом газотурбинного локомотива по сравнению с другими автономными локомотивами других видов являются высокая удельная мощность, более низкие стоимость и издержки на ремонт.
Кроме того, газотурбовозы просты в эксплуатации, имеют хорошие тяговые характеристики, связанные с передачей крутящего момента на колеса от свободной турбины при помощи гидромеханической передачи.
Рис. 2. Общий вид установки ГТД-1000
Рис. 4. Компоновка ГТД-1000 на маневренном локомотиве
Масса установки ГТД-1000 составляет 5т при габаритных размерах (длина, ширина, высота) 6,0 х 2,4 х 3,5м. Следует отметить, что, например, газопоршневая установка фирмы GE «Jenbacher» мощностью 300 кВт имеет худшие внешние показатели - КПД 38,7% и массу 5,7т.
Для сокращения сроков создания ГТД-1000 ФГУП «ММПП «Салют» использует самые современные технологии.
Процесс создания автоматизирован от конструкторской идеи до натурных деталей и узлов. Чертежи, электронные модели деталей, газодинамические и прочностные расчеты в трехмерной постановке, программы для станков ЧПУ или другого производственного оборудования, изготовление деталей, автоматизированный технический контроль качества изготовления, сборка узлов и изделия.
На рис. 5 показан один из примеров такой технологии: ротор турбины рис. 5,а; осевое предвключен-ное колесо компрессора высокого давления рис. 5,б; колесо центробежного компрессора высокого давления рис. 5,в; узел электромагнитного подшипника рис. 5,г.
Электростанция БГТЭС-1С может работать как в автономном режиме, так и совместно с распределительной сетью соответствующего напряжения 380/220 в.
Выпускается как а контейнерном исполнении, так и транспортируется любыми видами транспорта. Электростанция может размещаться в помещении и на подготовленных открытых площадках. Управление БГТЭС-1С осуществляется как в автоматическом режиме, так и дистанционно с диспетчерского пункта.
В заключение следует отметить, что система менеджмента качества при проектировании, разработке, производстве, ремонте, обслуживании и утилизации БГТЭС-1С соответствует российским и международным стандартам ГОСТ Р ИСО 9001-2001/Ис0 90012000 и подтверждена соответствующими сертификатами.
Рис. 5. Основные узлы установки ГТД-1000
Литература
1. Путь к реальной конкуренции в электроэнергетике/ Ю.А.Еремин, В.А.Никишин, Л.И. Пешков, Л.П. Шелудь-ко//Газотурбинная энергетика под маркой «НК».Тема-тический сборник статей. - Самара. РИК «Демидовские капиталы», 2005. - С. 4 - 11.
