4

Министерство высшего и среднего специального образования

Республики Узбекистан

Ташкентский Государственный Технический Университет им. Абу Райхана Беруни

Специальность: 5А520104

«Тепловые электрические станции»

Диссертация

на соискание степени магистра теплоэнергетики

ЭНЕРГОЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ АВИАЦИОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ НА ТЭС

На правах рукописи

Умиров Умид Рустамович

Ташкент - 2003

СОДЕРЖАНИЕ

• Общая характеристика работы 3
• Введение 5
• Глава 1. Литературный обзор 9
• 1.1 Конвертация авиационных газотурбинных двигателей для энергетических целей 9
• 1.2 Электростанции на базе АГТД в странах СНГ 12
• 1.3 Зарубежные электростанции с авиационными АГТД 18
• Глава 2. Тепловой расчет газотурбинной теплоэлектроцентрали на базе АГТД 27
• 2.1 Описание газотурбинной ТЭЦ на базе АГТД и ее принципиальная тепловая схема 27
• 2.2 Тепловой расчет ГТУ на базе двигателя АИ-20 30
• 2.3 Расчет газо-водяного подогревателя сетевой воды 41
• 2.4 Тепловой расчет вакуумного деаэратора подпиточной воды тепловой сети 48
• 2.5 Технико-экономические показатели ГТТЭЦ 49
• Глава 3. Станция полного энергоснабжения (теплота, электроэнергия и холод) на базе конвертированного АГТД 52
• 3.1 Особенности создания источника полного энергоснабжения -- теплоэлектрохладоцентрали 52
• 3.2 Расчет тепловых потоков абсорбционной бромисто-литиевой холодильной машины 54
• Глава 4. Экономическая часть 60
• Выводы 78
• Литература 80

Общая характеристика работы

Актуальность работы. В настоящее время Узбекистан находится на пути построения правового, демократического государства с рыночной экономикой. В период перехода к рыночным отношениям, усугубившимся разрывом связей с другими республиками бывшего СССР, необходимостью выхода из экономического кризиса, в котором оказался Узбекистан после развала СССР, положение в теплоэнергетике и в энергетической отрасли экономики в целом, характеризуется значительным физическим и моральным износом основного оборудования крупных тепловых электростанций (ТЭС) Узбекистана. Это Ташкентская, Навоийская, Ново-Ангренская, Ангренская и другие ТЭС. Все они были построены еще в советское время и уже отработали от 25 до 40 лет.

В связи с указанными выше причинами качество энергоснабжения отдельных групп потребителей, особенно промышленных с непрерывным процессом производства, ухудшилось, т.к. участились случаи аварийных остановов блоков действующих ТЭС. Это приводит к логичному решению, которое сводится к децентрализации производства энергоресурсов (электроэнергии, теплоты, а в дальнейшем и холода), т.е. расположению небольшого источника энергоснабжения в непосредственной близости от потребителя.

Децентрализация энергоснабжения оказывается выгодной для конечного потребителя, который может быть владельцем независимого источника энергоснабжения.

Одним из способов создания небольшого источника энергоснабжения является конвертация авиационных двигателей и создание на их базе блочных станций заводской готовности. Эффективным оказывается комбинированное производство электроэнергии с выработкой на ее базе тепловой энергии для нужд теплоснабжения.

Тема диссертации является актуальной в силу того, что в ней рассматриваются вопросы создания теплоэлектроцентрали для небольшого населенного пункта на базе турбовинтового двигателя АИ-20, и рассмотрен вариант создания газотурбинной теплоэлектрохладоцентрали для производства всех видов энергии (тепло, холод и электроэнергии) на базе авиационных двигателей. Создание таких установок не требует больших капиталовложений и характеризуется небольшими сроками окупаемости.

Цель работы. Целью работы является обоснование возможности создания теплоэлектроцентрали на базе авиационного газотурбинного двигателя, оценка экономического эффекта от внедрения авиационных двигателей в энергетику, анализ возможных путей дальнейшего развития источников энергоснабжения на базе авиадвигателей в энергетике Узбекистана с учетом социально-экономических факторов нашей республики.

Новизна работы состоит в том, что предлагается новый путь развития генерирующих мощностей в Узбекистане, характеризующийся децентрализацией энергопроизводства путем внедрения локальных источников снабжения потребителй энергоресурсами на базе комбинированной выработки теплоты и электроэнергии с дальнейшим развитием их в источники полного энергоснабжения (теплота, электроэнергия и холод) -- теплоэлектрохладоцентрали (ТЭХЦ).

Одним из способов создания децентрализованных источников снабжения энергоресурсами является внедрение в энергетику Узбекистана газотурбинной технологии производства энергии на базе конвертированных авиационных газотурбинных двигателей (АГТД). В работе рассмотрены вопросы создания источника по производству теплоты и электроэнергии на базе АГТД -- теплоэлектроцентрали (ТЭЦ), а также рассмотрен вариант по созданию на базе АГТД газотурбинной ТЭХЦ. Проведены сравнительные экономические расчеты двух вариантов, выявившие преимущества создания ТЭХЦ, по сравнению с другими вариантами.

Публикации. По теме настоящей магистерской диссертации было опубликовано 2 статьи.

Введение

В Узбекистане отрасль энергетики развивается преимущественно по пути увеличения единичной мощности и параметров энергоблоков конденсационных электростанций (КЭС) (Ангренская, Ташкентская, Навоийская, Тахиаташская, Сырдарьинская, Ново-Ангренская и Талимарджанская ТЭС). Ряд крупных промышленных регионов снабжается электрической и тепловой энергией от теплоэлектроцентралей (Ферганская и Мубарекская ТЭЦ, Навоийская ТЭС). Однако самые крупные потребители (коммунально-бытовые) снабжаются тепловой энергией преимущественно от районных котельных, а большинство индивидуальных потребителей даже в настоящее время довольствуются печным отоплением. Тем не менее, уровень энергопотребления в республике на душу населения в 3...10 раз ниже, чем в развитых странах.

Об иррациональности сложившейся структуры энергоснабжения свидетельствуют следующие факты:

— выработка электроэнергии на КЭС сопровождается технологическими потерями низкопотенциальной теплоты (t ? 30 °С) в окружающую среду, составляющими более 65 % энергии сжигаемого топлива;

— на нагрев воды до 70...120 °С в котлоагрегатах для отопления и горячего водоснабжения расходуется дефицитный природный газ, сжигаемый с температурой горения ? 2000 °С.

Кроме того, электроэнергия, вырабатываемая на КЭС с коэффициентом первичной энергии (КПЭ) 30...35 %, летом в значительных количествах расходуется на бытовые и промышленные кондиционеры, что существенно снижает конечный КПЭ топливоиспользования. Такая система энергоснабжения сложилась вследствие ведомственной разобщенности топливно-энергетического комплекса, низких цен на топливо, отсутствия заинтересованности промышленных предприятий и ведомств во внедрении комбинированных производств электрической и тепловой энергии с высоким КПЭ (до 80...90 %).

Повышение эффективности энергетического производства в республике возможно путем реализации следующих направлений: перевод определенной части конденсационных энергоблоков в теплофикационный режим; использование газовых турбин в составе парогазовых установок, а также в качестве надстройки районных котельных; создание и внедрение автономных (локальных) установок комбинированного производства электрической, тепловой энергии и холода -- ТЭХЦ (микро и макро); внедрение энергоустановок, использующих нетрадиционные источники энергии и др.

Переход на рыночные отношения и резкое увеличение цен на энергетическое топливо позволяет считать комбинированное производство тепловой и электрической энергии, а в дальнейшем и холода, в Узбекистане как одно из перспективных направлений.

В широком плане необходима государственная система мер, стимулирующих ведомства и предприятия проводить энергосберегающую политику. При проектировании и строительстве новых предприятий следует предусматривать одновременно и строительство при них автономных энергоустановок для комплексного самообеспечения электрической, тепловой энергией и холодом. Излишки электроэнергии можно было бы направить в объединенную энергосистему по выгодным предприятию ценам. Увеличение потребления энергии можно допускать только при создании энергосберегающих предприятий, т.е. без увеличения потребления топлива. Для такого суждения есть объективные предпосылки.

Повышение эффективности использования энергетического топлива в Узбекистане должно идти за счет повсеместного внедрения комбинированного производства тепловой, электрической энергии и холода путем строительства малых и средних ТЭЦ и ТЭХЦ. Целесообразно максимальное использование газовых турбин промышленного типа, а также конвертированных газотурбинных авиационных двигателей, отработавшие газы которых с температурой 400...550 °С можно утилизировать для получения тепловой энергии и холода. В целях предотвращения коррозии металла и накипеобразования в теплопроводах и на поверхностях нагрева оборудования следует внедрять безотходные технологии водоподготовки, например, с использованием высокоэффективных поверхностно-активных веществ.

Уровень теплового потребления в республике Узбекистан соизмерим с потерями энергии в термодинамическом цикле действующих КЭС, что свидетельствует о наличии объективных предпосылок к резкому увеличению комбинированного производства тепловой и электрической энергии в энергоустановках различной единичной мощности от десятков киловатт до сотен мегаватт. Однако организация комбинированного производства на крупных ТЭС, как правило, проблематична в связи с их удаленностью от больших городов и промышленных объектов с высоким уровнем теплопотребления. небольшие энергоустановки для комбинированного производства тепловой, электрической энергии, а в ряде случаев и холода, могут создаваться в небольших поселках, на промышленных предприятиях, в агропромышленных комплексах и даже в отдельно стоящих жилых и общественных зданиях. Поэтому энергоустановки средней и малой мощности весьма перспективны для комбинированного производства энергии.

Использование новой для Узбекистана технологии производства электрической и тепловой энергии на базе конвертированных авиационных двигателей является особенно актуальным для небольших населенных пунктов сельского типа. Ведь, как отметил И.А. Каримов в своей работе "Прогресс дехканского хозяйства -- путь к изобилию", "есть у нас отдаленные кишлаки, которые не обеспечены питьевой водой, теплом, электричеством… Чтобы сделать их благоустроенными, государство должно выделить средства из централизованных фондов. Эта работа и стала бы нашей первой целью". Каримов И.А. Прогресс дехканского хозяйства -- путь к изобилию. - Т.: Узбекистан, 1994, с. 6. Благодаря созданию подобного независимого источника снабжения электроэнергией и теплотой появятся возможности по созданию, во-первых, новых рабочих мест, во-вторых, будут осваиваться новые подходы в области генерирующих источников энергии, в-третьих, качественно повысится уровень жизни населения, из-за появления собственного источника снабжения электричеством и теплом, в-четвертых, будут созданы условия для увеличения производительности труда в сельском хозяйстве. Кроме того, Президент И.А. Каримов в своей работе "Прогресс дехканского хозяйства -- путь к изобилию" отметил, что "в сельском хозяйстве кроются безграничные возможности для увеличения производства продукции, повышения его эффективности" Каримов И.А. Прогресс дехканского хозяйства -- путь к изобилию. - Т.: Узбекистан, 1994, с. 7..

Таким образом, из вышесказанного можно сделать вывод, что для Узбекистана, с его большим количеством удаленных от центров производства энергоресурсов населенных пунктов, особенно в сельской местности, где проживает около 60 % населения [Л. 3], эффективным оказывается локальное производство всех видов энергетических ресурсов (электрической и тепловой энергии, а также холода), а осуществляться оно может на базе конвертированных авиационных двигателей, что позволяет снизить удельные капиталовложения в подобные установки и тем самым значительно снизить срок окупаемости денежных средств (от 1 года до 3 -- 5 лет).

Глава 1. Литературный обзор

1.1 Конвертация авиационных газотурбинных двигателей для энергетических целей

Наиболее распространенные типы авиационных газотурбинных двигателей (АГТД) по ряду основных показателей вполне удовлетворяют требованиям, предъявляемым к приводным двигателям электростанций. В частности, АГТД сравнительно просты, так как выполняются по открытому циклу. Они не нуждаются в охлаждающей воде и не имеют вспомогательных систем с автономными приводами. АГТД отличаются быстрым запуском из любого состояния, высокой степенью автоматизации и надежности. По сравнению с энергетическими ГТД они обладают еще меньшими удельными массами и габаритами, компактны и могут работать в любых климатических условиях.

Благодаря крупносерийному выпуску АГТД имеют сравнительно низкую удельную стоимость.

Однако по ряду показателей, как, например, числу оборотов выходного вала, экономичности, моторесурсу, тепловыделениям, они не в полной мере отвечают требованиям, предъявляемым к ГТД электрических станций.

В то же время авиационные ГТД обладают рядом специфических качеств, которые вовсе не обязательны для ГТД энергетического назначения. Поэтому в случае использования того или иного авиационного двигателя в энергетических целях, необходимо его конвертировать, т. е. приспособить для нового назначения. Естественно, что, конвертируя АГТД для энергетики, можно создать установки лишь с такими характеристиками, какие способен обеспечить конкретно выбранный АГТД. Например, для создания газотурбогенератора (ГТГ) можно использовать как ТРД, так и ТВД. В то же время ТВД может быть одновальным или двухвальным. Конструкция и характеристики любого из выбранных двигателей определяются типом самолета или вертолета, для которого он предназначен. Естественно, что все это скажется на характеристиках ГТГ.

В самом деле, используя одновальный или двухзальный ГТД для привода электрического генератора определенной мощности, мы получим ГТГ, существенно отличающиеся по пусковым характеристикам, качеству генерируемого тока и ряду других показателей. Следовательно, выбор типа ГТД для того или иного ГТГ должен определяться технико-экономическими показателями, предъявляемыми к последнему.

В некоторых случаях от использования выбранного двигателя приходится отказываться по той причине, что данный двигатель выпускается малой серией или имеет высокую стоимость. Это заставляет использовать более доступный и дешевый двигатель, что в свою очередь сказывается на технико-экономических показателях ГТГ, созданного на его основе.

Короче говоря, выбор конкретного АГТД для газотурбогенератора необходимо производить, исходя из предъявляемых к данному ГТГ требований и в первую очередь -- мощности и назначения станции.

Например, нужно выбрать двигатели для ГТГ аварийной электростанции и электростанции временного обеспечения. Естественно, что в первом случае большее внимание уделяется пусковым характеристикам ГТГ, а во втором -- его транспортабельности.

После выбора необходимого ГТД следует определить объем работы, требуемой для его конвертации, возможности ее выполнения и ориентировочные затраты. Только произведя такой всесторонний анализ выбранного ГТД и получив оптимальные данные, можно приступить к разработке проекта и его практической реализации.

В случае использования для ГТГ ТРД необходимо серьезное внимание уделить выбору или созданию силовой газовой турбины нужной мощности. Впрочем, во всех случаях необходимо уделять большое внимание выяснению возможностей комплектации создаваемого ГТГ и всей электростанции необходимым оборудованием.

Как уже было сказано выше, мощность современных АГТД колеблется в широких пределах: от нескольких десятков до нескольких тысяч и даже десятков тысяч киловатт. Поэтому при выборе ГТД для определенного генератора необходимо особое внимание обратить на мощность двигателя. В то время как мощность ГТГ определяется выбранным электрическим генератором (из серийного выпуска промышленности), мощность АГТД определена его целевым назначением. В одних случаях имеющийся в распоряжении конструктора ГТГ приводной двигатель может обладать избыточной, в других -- недостаточной мощностью. Выбрать оптимальный по мощности и характеристикам ГТД далеко не всегда возможно.

Возможные варианты применения АГТД для привода электрических генераторов показаны ниже. На рис. 1 представлены два варианта использования ТВД для привода электрических генераторов.

В первом варианте -- выходной вал двигателя соединяется непосредственно с ротором электрического генератора. Это возможно в случае выбора ТВД, равного по мощности электрическому генератору Второй вариант предполагает необходимость использования нескольких ТВД для привода одного электрического генератора. В обоих случаях, за редким исключением, возникает необходимость в дополнительном редукторе.

Рис. 1. Варианты использования ТВД для привода электрического генератора: а) использование одного ТВД; б) использование нескольких ТВД

1 -- турбина; 2 --камера сгорания; 3 -- компрессор; 4 -- редуктор;

5--электрогенератор

Возможные варианты компоновки ГТГ с несколькими ТРД показаны на рис. 2. Варианты а и б осуществимы при работе одного или нескольких ТРД на одну силовую турбину. Вариант в выбирается в том случае, если имеется несколько силовых турбин определенной мощности.

Рис. 2. Варианты использования ТРД для привода электрического генератора: а) использование одного ТРД; б) использование нескольких ТРД и одной силовой турбины; в) использование нескольких ТРД со своими силовыми турбинами

1-компрессор; 2 - камера сгорания; 3-турбина компрессора; 4 -силовая турбина; 5 -- электрогенератор

Положительным качеством ГТГ, выполненного по схемам рис. 1, б и рис. 2, б и в, является возможность поддержания сравнительно высокой тепловой экономичности ГТГ при частичных нагрузках за счет работы части ГТД с полной нагрузкой.

1.2 Электростанции на базе АГТД в странах СНГ

Идея использования отечественных ГТД в энергетике впервые была высказана профессорами А. Н. Ложкиным и Р. М. Петриченко [Л. 11].

Первый опытный образец газотурбогенератора на основе отечественного авиационного газотурбинного двигателя был спроектирован под руководством С. Н. Уварова в 1962-63 гг. После всестороннего анализа отечественных ГТД были выполнены технический и рабочий проекты газотурбогенератора на основе турбовинтового двигателя (ТВД) АИ-20.

ГТГ был спроектирован на основе ГТД АИ-20 первой серии и синхронного, трехфазного электрического генератора марки ГС-1612-6, мощностью 1600 кВА и напряжением 400/380 В с пристроенным возбудителем типа ВС-24,5/18 (16,5 кВт, 50 В).

ГТГ предназначен в качестве основного агрегата стационарной электростанции, работающей на электрическую сеть напряжением 380 В и частотой 50 Гц в диапазоне нагрузок от 0 до 1600 кВА. При разработке проекта были по возможности сохранены без изменения системы, штатные приборы и аппараты ГТД. Почти все дополнительные агрегаты и механизмы были выбраны из числа серийно выпускаемых отечественной промышленностью.

Забор воздуха компрессором двигателя производится непосредственно из помещения или по воздухопроводу из атмосферы, а отработавшие газы отводятся за пределы помещения при помощи специального газохода [Л. 11].

По проекту система автоматики и контрольно-измерительных приборов обеспечивала: автоматический запуск и выход на обороты холостого хода; вывод на номинальные обороты и поддержание их в заданных пределах с корректировкой расхода топлива в зависимости от температуры наружного воздуха; автоматическое ограничение максимально допустимой мощности и предельно-допустимого числа оборотов; автоматическую остановку ГТГ в аварийных условиях.

Позже, на базе ТВД АИ-20 были созданы передвижные автономные электростанции ПАЭС-1250, ПАЭС-1600 мощностью 1250 и 1600 кВт соответственно. Оборудование этих электростанций располагалось первоначально в двух прицепах, транспортируемых автоседельными тягачами КрАЗ. В дальнейшем оборудование было размещено в одном прицепе, а для более полного использования мощности ТВД АИ-20 была создана ПАЭС-2500 мощностью 2500 кВт, транспортируемая тягачом КамАЗ и расположенная в одном прицепе. Эта электростанция выпускается и в настоящее время на Украине на ОАО Моторостроительный завод "Сич".

Ее основные технические характеристики:

Номинальная мощность	2500 кВт
Род тока	Переменный, трехфазный
Частота тока	50 Гц
Номинальное напряжение	6300 В
Коэффициент мощности	0,8
Двигатель	газотурбинный, на базе ТВД АИ-20
Генератор типа СГС-14-100-6УЗ	синхронный, трехфазный, переменного тока
Топливо для двигателя:
Жидкое	керосин ТС-1; Т-2 по ГОСТ-10227 и их смеси; дизельное топливо по ГОСТ-4749
Газообразное (при соответствующей замене на двигателе агрегатов топливной системы и автоматики)	попутный или природный газ давлением 10-12 кг/см2
Часовой расход жидкого топлива наноминальном режиме	не более 1100 кг/ч
Часовой расход масла наноминальном режиме	не более 1,0 литр/час
Часовой расход газообразного топлива на номинальном режиме	не более 1000 м3/ч
Габаритные размеры:
Длина	Не более 11500 мм
Ширина	Не более 2500 мм
Высота	Не более 3700 мм
Вес электростанции	Не более 30000 кг

Установки на базе ТВД характеризуются низкими удельными капиталовложениями, на уровне 40 -- 250 долл./кВт установленной мощности, при этом они характеризуются компактностью, блочным исполнением, коротким сроком монтажа.

К настоящему времени в России и на Украине накоплен большой опыт создания энергетических установок на базе конвертированных турбореактивных двигателей (ТРД). Работают несколько заводов по проектированию и производству таких газотурбинных установок на базе конвертированных ТРД. Крупнейшие из них это -- НПП "Машпроект" (Украина), ОАО “Авиадвигатель” (Россия), СНТК им. Кузнецова (Россия).

Одним из удачных примеров применения АГТД в энергетике является теплофикационная ГТУ 25/39, установленная и находящаяся в промышленной эксплуатации на Безымянской ТЭЦ, расположенной в Самарской области в России, описание которой приведено ниже.

Газотурбинная установка предназначена для выработки электрической и тепловой энергии для нужд промышленных предприятий и бытовых потребителей. Тепловая схема установки приведена на рис. 3.

Электрическая мощность установки - 25МВт, тепловая - 39 МВт. Суммарная мощность установки - 64 МВт. Годовая производительность электроэнергии - 161,574 ГВт•ч/год, тепловой энергии - 244120 Гкал/год.

Установка отличается применением уникального авиационного двигателя НК-37, обеспечивающего КПД в 36,4%. Такой КПД обеспечивает высокую эффективность установки, недостижимую на обычных тепловых электростанциях, а также ряд других преимуществ.

Установка работает на природном газе с давлением 4,6 МПа с расходом 1,45 кг/с.

Кроме электроэнергии установка производит 40 т/ч пара давлением 14 кгс/см² и нагревает 100 тонн сетевой воды от 70 до 120°С, что позволяет обеспечить светом и теплом небольшой город.

При размещении установки на территории тепловых станций не требуется дополнительных специальных блоков химводоочистки, сброса воды и т.д.



4

Рис. 3. Тепловая схема ГТУ 25/39

1 - газотурбинный двигатель, 2 - электрогенератор,3 - котел-утилизатор,4 - насос.

Подобные газотурбинные энергетические установки незаменимы для применения в тех случаях, когда

- необходимо комплексное решение проблемы обеспечения электрической и тепловой энергией небольшого города, промышленного или жилого района - модульность установок позволяет легко скомпоновать любой вариант в зависимости от нужд потребителя;

- осуществляется индустриальное освоение новых районов жизни людей, в том числе, с экстремальными условиями жизни, когда особо важна компактность и технологичность установки. Нормальная работоспособность установки обеспечивается в диапазоне температур от -50 до +45°С при действии и всех других неблагоприятных факторов: влажности до 100%, осадках в виде дождя, снега и т.д.;

- важна экономичность установки: высокий КПД обеспечивает возможность производства более дешевой электрической и тепловой энергии и короткий срок окупаемости (около 3,5 лет) при капиталовложениях в строительство установки 10 млн. 650 тыс. долларов США (по данным производителя). График окупаемости приведен на рис. 4.

Рис. 4. График окупаемости ГТУ 25/39

Кроме того, установка отличается экологической чистотой, наличием многоступенчатого шумоподавления, полной автоматизацией процессов управления.

ГТУ 25/39 представляет собой стационарную установку блочно-контейнерного типа размером 21 на 27 м. Для ее функционирования в варианте автономном от существующих станций в комплекте с установкой должны находиться устройства химводоподготовки, открытое распределительное устройство для понижения выходного напряжения до 220 В или 380 В, градирня для охлаждения воды и отдельно стоящий дожимной газовый компрессор. При отсутствии необходимости в воде и паре конструкция установки сильно упрощается и удешевляется.

Сама установка включает в себя авиационный двигатель НК-37 производства СНТК им. Н.Д. Кузнецова, котел-утилизатор типа ТКУ-6 производства АО "Красный котельщик" и турбогенератор.

Полное время монтажа установки - 14 месяцев.

В России выпускается большое количество установок на базе конвертированных АГТД мощностью от 1000 кВт до нескольких десятков МВт, они пользуются спросом. Это подтверждает экономическую эффективность их использования и необходимость дальнейших разработок в этой области промышленности.

Установки, выпускаемые на заводах России и Украины отличаются:

- низкими удельными капиталовложениями:

- блочным исполнением;

- сокращенным сроком монтажа;

- малым сроком окупаемости;

- возможностью полной автоматизации и др.

1.3 Зарубежные электростанции с авиационными АГТД

Ряд иностранных фирм в течение продолжительного времени работают над созданием электростанций на основе конвертированных АГТД. К настоящему времени довольно значительное количество стационарных и передвижных электростанций различной мощности находится в длительной эксплуатации.

Одной из первых была спроектирована и построена стационарная электростанция промышленного типа мощностью 3 МВт. Английская фирма "Бристоль" использовала для создания электростанции выпускаемый ею авиационный двигатель. Электростанция предназначена для снятия пиковых нагрузок в зимнее время. Она способна также обеспечивать местное электроснабжение в случае выхода из строя линии электропередачи.

Основными достоинствами ГТГ с авиационными ГТД являются: высокая степень надежности и автоматизации; малые веса и габариты; способность быстро принимать нагрузку; легкость замены приводного двигателя; точная балансировка и отсутствие вибрации.

Электростанция была создана на основе ТВД "Протей". Воздух из атмосферы поступает в компрессор и после сжатия направляется в камеру сгорания. Газы, отработавшие в турбине, выбрасываются наружу. Турбина двигателя двухвальная четырехступенчатая: первые две ступени (т. в. д.) приводят во вращение компрессор, а последние две (т. н. д.) образуют силовую турбину. Вал силовой турбины вращается со скоростью 194 об/сек. Специальный редуктор понижает скорость вращения до рабочих оборотов электрогенератора (16,6 об/сек).

ГТД имеет мощность 3125 кВт и работает на дизельном топливе. Степень повышения давления в компрессоре -- 2,3. Температура газов перед т. в. д. равна 850° С. Эффективный к. п. д. двигателя -- 23%. Габариты двигателя: длина -- 2690 мм, диаметр -- 990 мм. Масса двигателя -- 1530 кг.

Вспомогательное оборудование двигателя то же, что и в случае использования его на самолете. Его запуск осуществляется стартер-генератором мощностью 15 кВт, получающим питание от аккумуляторной батареи напряжением 110 В.

Электрический генератор переменного тока, трехфазный, с воздушным охлаждением, мощностью 3200 кВА при Cosj = 0,9. Напряжение генерируемого тока 11 кВ, частота 50 Гц. Воздух для охлаждения генератора поступает в помещение электростанции через специальную шахту. С вращающимся возбудителем генератор связан жестко. Возбудитель регулируется как вручную, так и автоматически. Масса электрогенератора 11,75 т, а масса ротора генератора -- 5 т. Смазка подшипников генератора осуществляется от специального электронасоса.

Использование двигателя с двумя независимыми турбинами оказалось выгодным, так как в этом случае мала потребная для запуска двигателя мощность и облегчается автоматическая синхронизация при включении агрегата в параллельную работу.

ГТГ имеет длину 7,4 м и размещен в кирпичном здании (10,65?7,00?6,70 м) с бетонным полом и сборной фундаментной плитой. Размещение ГТГ в здании показано на рис. 5.

В основном помещении расположен электрогенератор с распределительным устройством, контрольным щитом и кабиной управления. ГТД установлен в отдельном отсеке. Конец его вала проходит в отсек генератора через звукоизолирующую перегородку, собранную из съемных панелей, что обеспечивает легкий демонтаж двигателя в случае необходимости его замены.

Рис. 5. Размещение оборудования в здании

электростанции фирмы "Бристоль"

1 -- воздухозаборник; 2 -- воздушный фильтр; 3 -- глушитель выхлопа;

4 --ТВД; 5 -- электрогенератор; 6 -- возбудитель

Воздух в отсек двигателя забирается сверху из воздушного короба, расположенного вдоль всего здания над аппаратурой распределительного устройства. Воздушный короб снабжен звукопоглощающими пакетами и фильтрами-пылепоглотителями. Отработавшие газы поступают из двигателя в глушитель через расширяющийся патрубок. Из глушителя газы удаляются через вертикальную трубу наружу.

Помещение станции, за исключением кабины управления, не отапливается. Нормальная температура поддерживается за счет тепла, выделяемого обмотками генератора при работе.

Специальное масло не требует подогрева и позволяет запускать двигатель при температуре наружного воздуха до --40° С.

Управление станцией осуществляется по телефону с помощью специальной системы. Пуск, контроль за работой и останов ГТГ производится на расстоянии 160 км.

Весь процесс запуска ГТГ до принятия нагрузки занимает около двух минут. ГТГ-- автономен, в процессе запуска все потребители получают питание от аккумуляторной батареи.

Практика показала, что автоматический пуск происходит более последовательно и надежно, чем ручной.

Система автоматического регулирования спроектирована таким образом, что при работе ГТГ на воздухе с отрицательной температурой (до --1,0° С) его мощность не превышает номинальную. При работе ГТГ на наружном воздухе с плюсовой температурой мощность соответственно ограничивается.

Эксплуатация электростанции характеризуется надежной и безотказной работой ГТГ. Постройка и эксплуатация станции показали также, что, несмотря на сравнительно низкий к. п. д. ГТД, стоимость отпущенного 1кВт•ч электроэнергии меньше, чем на базисных электростанциях. Это объясняется небольшими первоначальными затратами на сооружение электростанции и ее полной автоматизацией.

В Англии по заказу Центрального электрического общества были изготовлены несколько ГТГ мощностью по 17,5 МВт. Каждый ГТГ состоит из двух конвертированных ТРД "Эйвон", используемых в качестве генераторов газа, силовой турбины промышленного типа и электрического генератора. ГТГ включаются в работу автоматически при помощи реле понижения частоты или нажатием кнопки "пуск". Они способны принимать полную нагрузку через две минуты. ТРД могут работать на дизельном топливе или природном газе. Проектный к. п. д. ГТГ 28%. Компоновка ГТГ показана на рис. 6.

Интересно отметить, что весь процесс разработки проекта ГТГ до его создания в металле занял 18 месяцев.

Конвертированный ТРД "Эйвон" в составе ГТГ используется со значительно меньшей, чем в условиях эксплуатации на самолетах, мощностью, в результате чего возрастает его моторесурс.

4

Рис. 6. Компоновка ГТГ мощностью 17,5 МВт

1 -- выхлопная труба; 2 -- ТРД "Эйвон"; 3 -- электрогенератор; 4 -- возбудитель

Силовая двухступенчатая турбина предназначена для работы на газе с низкой температурой и давлением. Она сконструирована как обычная газовая турбина промышленного типа.

Данный конвертированный ТРД выпускается для использования как на пиковых и аварийных электростанциях, так и на электростанциях, работающих 8000 ч в год. В зависимости от назначения, эти ТРД могут иметь агрегатную мощность от 6000 до 40 000 кВт и работать на керосине, дизельном топливе или природном газе.

Наряду с рассмотренными типами электростанций в настоящее время на основе конвертированных АГТД эксплуатируются и создаются более мощные электростанции. Так например, только в энергосистемах Англии и США эксплуатируются около полутора десятков электростанций с ГТГ мощностью 60--140 МВт.

Основным назначением таких электростанций является выработка электроэнергии для снятия пиков электрической нагрузки, а вспомогательным -- создание в энергосистемах резервной мощности.

Обычно одна такая электростанция придается крупному паротурбинному блоку. Считают, что главным достоинством пиковых электростанций такой мощности является низкая, по сравнению с паротурбинными электростанциями, стоимость их строительства.

Компоновочные решения газотурбогенераторов этих электростанций выполнены по вариантам б и в (рис. 2). Некоторой разновидностью компоновочного варианта в является ГТГ электростанции мощностью 56--60 МВт фирмы "Инглиш электрик" (Англия). Электрогенератор данного ГТГ приводится во вращение двумя силовыми турбинами, каждая из которых соединена с одним из концов его ротора. Работу каждой силовой турбины обеспечивают два ТРД.

В настоящее время за рубежом находится в эксплуатации тысячи ГТУ мощностью до 35 МВт, созданных на базе авиационных турбореактивных или турбовентиляторных двигателей. Они состоят из одного или двух компрессоров, приводимых во вращение связанными с ними турбинами, которые вместе с камерой сгорания, расположенной между компрессором и турбиной высокого давления, являются генератором горячих газов. Газы расширяются в турбине полезной мощности (силовой турбине). Показатели наиболее мощных и совершенных зарубежных ГТУ такого типа приведены в таблице 1 [Л. 5].

Наиболее широко (до 1000 однотипных агрегатов) распространены за рубежом установки, созданные на базе ГТД Avon, Olympus, FT4, которые выпускаются уже в течение 25-30 лет. Использование ГТД позволило перенести в промышленность передовой научно-технический опыт, накопленный в авиации, использовать подготовленную технологическую базу и преимущества крупносерийного производства, а также опыт эксплуатации авиационной техники [Л. 5].

Таблица 1

Параметры и показатели энергетических ГТУ с промышленными вариантами авиационных ГТД

Параметры и показатели	Фирма-изготовитель и тип ГТД
	Olympus B	Olympus C	RB211-24	Avon 1535	LM2500	LM5000	FT4C-3F
Мощность ГТУ в базовом режиме, МВт	17,5	28,1	23,5	14,7-16,0	19-22,0	32,5-35,4	30,6
КПД ГТУ в базовом режиме, %	26,9	30,7	33,5	28,2-28,9	34,2-36,0	35,5-37,7	31,3
Мощность ГТУ в пиковом режиме, МВт	20,0	29,6	24,5	16,3-18,2	23,9	35-38	33,0
КПД ГТУ в пиковом режиме, %	27,8	31,0	33,9	28,8-29,6	36,6	35,9-38,2	32,2
Степень сжатия	10,3	11,0	19,2	10,1	18	29-31	14,5
Расход воздуха, кг/с	108,5	109,0	94,0	79,5-82,2	64-67	123-127	142,5
Температура газов за турбиной, °С	490	530	490	475-500	490	435	490
Число ступеней
компрессора	5+7	5+7	7+6	17	16	5+14	8+8
турбины ГТД	1+1	1+1	1+1	3	2	2+1	1+2
силовой турбины	2	2-3	3	2	2-6	2-3	3
Число пламенных труб	8	8	Кольцевая	8	Кольцевая	Кольцевая	8
Масса ГТД, т	2,2	2,2	2,6	1,6	--	3,9	--
Масса ГТУ, т	23	25,5	23,0	20,5	21,5-35,5	28,5-43	19,5
Длина ГТУ, м	9,2	9,2	6,5	7,3	5,5-6,4	8,8-9,8	8,8
Ширина ГТУ, м	3,1	3,4	4,0	3,4	2,1-3,4	3,4	3,05
Высота ГТУ, м	4,0	3,4	3,9	3,1	2,1-3,4	3,1-3,4	2,8

Специфическими качествами ГТУ, созданных на базе авиационных двигателей, являются очень малые масса и габариты, быстрота запуска (до 1,5 мин до полной нагрузки в установках мощностью 20-25 МВт) при небольшой пусковой мощности и полной автономности, возможность быстрого восстановления при неполадках путем простой замены ГТД-генератора газа или даже всего агрегата. Недостатки таких ГТУ -- более жесткие требования к топливу и эксплуатационному обслуживанию, сложная технология капитальных ремонтов, возможных только в заводских условиях. Используемые в энергетических ГТУ двигатели выпускаются специально для промышленного применения. Для обеспечения эффективной работы в наземных условиях часть их деталей либо переконструирована по сравнению с авиационными прототипами, либо изготовлена по измененной технологии или из других материалов. Параллельно осуществлялись мероприятия по повышению мощности и КПД путем совершенствования турбомашин, увеличения расхода воздуха, степени сжатия и начальной температуры газов и улучшению эксплуатационных качеств: увеличению ресурса деталей, длительности непрерывной работы, ремонтопригодности.

В промышленных ГТУ на базе ГТД третьего поколения "Спей", RB211, TF39 и CF6, выполненных с более высокими степенями сжатия и экономичными системами охлаждения, достигнута существенно более высокая экономичность (см. таблицу 1). Наиболее мощной из этих ГТУ является установка с генератором газа типа LM5000, созданным фирмой General Electric c использованием до 70% деталей турбовентиляторного ГТД CF6. На его конструкции остановимся подробнее.

Вентиляторная ступень ГТД снята и заменена двумя первыми ступенями пятиступенчатого КНД со степенью сжатия 2,5. Далее идет одновальный КВД (14 ступеней), который сжимает воздух до давления 3 МПа.

Камера сгорания -- кольцевая с 30 устанавливаемыми извне регистровыми горелками. Зона горения спроектирована с повышенными избытками воздуха, для того чтобы снизить дымление, сократить длину факела и уменьшить количество воздуха, необходимого для охлаждения пламенной трубы. Начальная температура газов составляет 1150-1180 °С.

КВД приводится во вращение двухступенчатой ТВД, все лопатки которой охлаждаются отборным воздухом из КВД. Ротор КВД -- ТВД выполнен трехопорным; как обычно, в ГТД используются подшипники качения.

Блок КВД -- камера сгорания -- ТВД использован в таком же виде в ГТУ LM2500, несколько сотен которых уже выпущено для морского флота и промышленности, некоторые из которых проработали свыше 40 -- 50 тыс. ч.

Одноступенчатая ТНД, вращающая вал КНД через соединительный вал, проходящий внутри вала КВД -- ТВД, специально спроектирована для ГТУ LM5000. общая длина генератора газа (без силовой турбины) 4,47 м, масса 3,9 т.

Энергетические ГТУ с агрегатом LM5000 спроектированы и выпускаются несколькими фирмами. Они оснащаются трехступенчатой силовой турбиной, ротор и статор которой выполняются охлаждаемыми. Продолжительность нормального пуска до включения электрогенератора в сеть составляет 7, ускоренного -- 3 мин.

Глава 2. Тепловой расчет газотурбинной теплоэлектроцентрали на базе АГТД

2.1 Описание газотурбинной ТЭЦ на базе АГТД и ее принципиальная тепловая схема

Газотурбинная теплоэлектроцентраль ГТТЭЦ-7500Т/6,3 с установленной электрической мощностью 7500 кВт состоит из трех газотурбогенераторов с турбовинтовыми двигателями АИ-20 номинальной электрической мощностью 2500 кВт каждый. Принципиальная тепловая схема ГТТЭЦ-7500Т/6,3 показана на рис. 7.

Тепловая мощность ГТТЭЦ 15,7 МВт (13,53 Гкал/ч). За каждым газотурбогенератором установлен газовый подогреватель сетевой воды (ГПСВ) с оребренными трубами для подогрева воды отработавшими газами на нужды отопления, вентиляции и горячего водоснабжения поселка. Через каждый экономайзер проходят отработавшие в авиационном двигателе газы в количестве 18,16 кг/с с температурой 388,7 °С на входе в экономайзер. В ГПСВ газы охлаждаются до температуры 116,6 °С и подаются в дымовую трубу. Для режимов с пониженными тепловыми нагрузками введено байпасирование потока выхлопных газов с выводом в дымовую трубу.

Расход воды через один экономайзер составляет 75 т/ч.

Сетевая вода нагревается от температуры 60 °С до 120 °С и подается потребителям для нужд отопления, вентиляции и горячего водоснабжения под давлением 2,5 МПа.

Часть воды, нагреваемой в ГПСВ из коллектора прямой сетевой воды поступает в горизонтальный вакуумный деаэратор, который работает при абсолютном давлении 0,01 МПа и деаэрирует химически очищенную воду, поступающую с химводоочистки для нужд горячего водоснабжения и для восполнения потерь сетевой воды от утечек к потребителей в количестве 30 т/ч.

Оборудование станции размещено в здании из сборных железобетонных панелей. Размеры здания 30?18 м. Машинный зал разделен звукоизолирующими перегородками на два отсека. Один из них размером 12?18 м -- отсек для ГТД и ГПСВ, второй -- генераторное помещение площадью 6?18 м.

К машинному залу примыкают вспомогательные помещения. В одном площадью 5?6 м размещается щит управления, в двух других площадью по 3?6 м душевая с раздевалкой и мастерская, в четвертом -- площадью 10?12 м -- оборудование химводоочистки, а также подпиточные насосы, насосы прямой и обратной сетевой воды, вакуумный деаэратор, шкаф аккумуляторной батареи.

В помещении двигателей установлены масляные блоки, включающие в себя расходные баки масла с соответствующим оборудованием и насосами, а также масляные радиаторы с вентиляторами, всасывающими наружный воздух и выбрасывающими его после прохождения через радиатор за пределы помещения.

Забор воздуха и выброс отработавших газов осуществляется по специальным воздухо- и газопроводам, выведенным выше кровли здания электростанции. На воздухозаборе предусматривается установка глушителей из асбосиликатных плит, снижающих уровень шума до нормы. На всасывающем патрубке предусматривается также установка противопыльных фильтров.

За авиационными двигателями размещены тормозящие решетки, которые снижают скорость газов и создают равномерный поток газов на входе в котел-утилизатор.

Турбовинтовой двигатель АИ-20 закреплен на специальной фундаментной раме, расположенной на жестком основании (платформе).

Крепление двигателя к подмоторной раме при помощи четырех стоек с шарнирами обеспечивает центровку валов и компенсирует температурные напряжения. Подмоторная рама двигателя и генератор жестко крепятся к платформе. Соединение двигателя с электрогенератором СГС-14-100-6УЗ осуществлено при помощи специального вала и соединительной муфты. Длина соединительного вала позволяет установить перегородку между двигателем и электрогенератором, для снижения шума в генераторном отсеке. Конструкция муфты позволяет производить монтаж и демонтаж каждого из агрегатов в отдельности.

На двигателе расположены агрегаты, которые обеспечивают автоматизацию его запуска, подачу и масла, а также защиту двигателя в аварийных режимах.

Масса газотурбогенератора со всеми системами и устройствами в сухом состоянии около 10 т. Общая длина газотурбогенератора составляет 6,4 м, ширина платформы 1,7 м, высота 2,6 м.

На станции установлены синхронные электрические генераторы СГС-14-100-6УЗ переменного тока, трехфазные, с воздушным охлаждением, мощностью 2500 кВт. Напряжение генерируемого тока 6,3 кВ, частота 50 гц. Воздух для охлаждения генератора поступает в помещение электростанции через специальную шахту. С вращающимся возбудителем генератор связан жестко.

Распределительное устройство на 6 кВ комплектуется из девяти шкафов типа КРУН6 наружной установки.

В шкафах размещаются: ввод генератора, трансформатор собственных нужд, разрядники, два отходящих фидера с масляными выключателями, трансформатор напряжения.

Комплектное распределительное устройство оборудовано также блоком автоматической синхронизации с энергосистемой, энергоустановками.

2.2 Тепловой расчет гту на базе двигателя аи-20

Основные показатели

мощность, МВт 2,5

Рис. 7. Принципиальная тепловая схема ГТТЭЦ-7500Т/6,3. КС -- камера сгорания; ГТ -- газовая турбина; ГПСВ -- газовый подогреватель сетевой воды; ВД - вакуумный деаэратор

55

степень повышения давления 7,2

температура газов в турбине,С

на входе 750

на выходе 388,69

расход газов, кг/с 18,21

количество валов, шт 1

температура воздуха перед компрессором, С 15

Расчет компрессора

Найдем теоретическое значение энтропии воздуха на выходе из компрессора. При заданных значениях температуры воздуха на входе в компрессор t₁=15 °C и степени повышения давления воздуха в компрессоре p_k = 7,2 оно составит:

0,0536 + 0,287 ln7,2 = 0,6201 ,

здесь R = 0,287 - газовая постоянная воздуха.

Тогда теоретическая температура воздуха на выходе из компрессора составит

C

КПД компрессора принят равным . Тогда действительная работа сжатия в компрессоре составит:

H_k = (i_2t - i₁)/h_k = (234,06 - 15,04)/0,87 = 251,75 ,

где

i_2t = 234,06 - энтальпия воздуха при температуре t_2t = 231 °C;

i₁ = 15,04 - энтальпия воздуха при температуре t₁ = 15 °С.

Тогда действительная энтальпия воздуха на выходе из компрессора будет иметь значение:

i₂ = i₁ + H_k = 15,04 + 251,75 = 266,79 .

По найденному значению энтальпии на выходе из компрессора найдем действительную температуру воздуха на выходе из компрессора:

t₂ = f(i₂) = 262,88 С.

Расчет камеры сгорания

Топливо -- природный газ Шуртанского месторождения.

Объемный состав газа:

СН₄ - 90,6 %,

С₂Н₆ - 3,45 %,

С₃Н₈ - 0,9 %,

С₄Н₁₀ - 0,38 %,

С₅Н₁₂ - 0,3 %,

Н₂S - 0,08 %,

СО₂ - 2,69 %,

О₂ - 1,6 %.

Низшая теплота сгорания Q = 48340 кДж/кг.

Физической теплотой вносимой в камеру сгорания пренебрегаем. Примем КПД камеры сгорания h_кс = 0,98. Тогда относительное количество воздуха, содержащееся в продуктах сгорания при температуре t₃ = 750 °C за камерой сгорания составит:

g_в = [Q•h_кс + L₀•i₂ - (L₀ + 1)•i_3(a=1)]/(i_3в - i₂) =

= [48340•0,98 + 16,43•266,79 - (16,43 + 1)•905,916]/(799,10 - 266,79) =

= 67,63 кг/кг.

Здесь L₀ = 16,43 кг/кг -- теоретическая масса воздуха, необходимая для сгорания 1 кг топлива; i_3(a=1) = f(t₃) -- энтальпия продуктов сгорания при коэффициенте избытка воздуха a = 1; i_3в = f(t₃) -- энтальпия воздуха при температуре на выходе из камеры сгорания.

Коэффициент избытка воздуха на выходе из камеры сгорания составит:

a = (L₀ + g_в)/L₀ = (16,43 + 67,63)/16,43 = 5,116.

Удельный расход рабочего тела в камере сгорания увеличился на величину

g_в = 1/(a•L₀) = 1/(5,116•16,43) = 0,0119 кг/кг.

Расчет газовой турбины

Адиабатный КПД турбины принят равным h_т = 0,88; коэффициент потерь давления в турбине x = 0,03.

Тогда степень понижения давления в турбине составит

p_т = (1 - x)•p_к = (1 - 0,03)•7,2 = 6,984.

Теоретическая температура продуктов сгорания на выходе из турбины t_4t определяется с помощью уравнения

S(T_4t) = S(T₃) - R•lnp_т = 1,4221 - 0,2896•ln6,984 = 0,8592 .

Тогда

t_4t = f [S(T_4t), a] = 348,9 °C.

Затем найдем работу расширения газов в турбине из следующего выражения

Н_а = (i₃ - i_4t)•h_т = (820,91 -365,75)•0,88 = 400,54 кДж/кг.

Следовательно, действительная энтальпия газов на выходе из турбины может быть найдена из выражения

i_4а = i₃ - Н_а = 820,91 - 400,54 = 420,37 кДж/кг.

Тогда действительная температура газов на выходе из турбины составит

t_4а = f(i_4а, a) = 398,98 °С.

Примем среднюю температуру стенки лопаток t_ст = 600 °С; число охлаждаемых венцов z = 1. Так как , то

a = (z + 1)/(2•z) = (1 + 1)/(2•1) = 1;

b = (z - 1)/(3•z) = (1 - 1)/(3•1) = 0.

Найдем среднюю температуру рабочего тела, при которой отводится теплота охлаждения из выражения

T_q = T₃•[1 - b•(T₃ - T_ст)/T₃] = 1023•[1 - 0•(1023 - 873)/1023] =

= 1023 К = 750 °С.

Принимая коэффициент эффективности охладителя a^* = 0,02, находим количество теплоты, отводимой от охлаждаемых элементов проточной части из следующего выражения

0,02•1,1817•1•1•(1023 - 873) =

= 3,55 кДж/кг,

где -- теплоемкость продуктов сгорания.

Коэффициент потери работы при закрытом охлаждении

Удельная работа расширения газа в турбине с учетом потерь от охлаждения