Некоторые особенности разработки современных газотурбинных энергетических установок наземного применения

Размещено на http://www.allbest.ru/

64

Размещено на http://www.allbest.ru/

Некоторые особенности разработки современных газотурбинных энергетических установок наземного применения

В условиях перехода к социально-ориентированным рыночным отношениям, высокого уровня инфляции, невозможности использования централизованных средств для восполнения отработавших свой ресурс и требующих замены генерирующих мощностей, ориентация на традиционное централизованное теплоэнергоснабжение от крупных источников становится проблематичной. В настоящее время наметилась тенденция на строительство децентрализованных комбинированных источников электро- и теплоснабжения, устанавливаемых как в существующих отопительных котельных, так и на вновь строящихся источниках энергии [Семенов 2004: 6]. Создание таких энергоустановок имеет ряд преимуществ. Среди них основными являются короткие сроки строительства, повышение надежности тепло- и электроснабжения потребителей, снижение инерционности теплового регулирования и потерь в тепловых сетях, относительно сетей подключенных к крупным РТС и ТЭЦ. Газотурбинные установки получили в настоящее время признание в энергетике, как полностью освоенное, надежное оборудование.

Используемые в настоящее время ГТУ разделяются на 3 основных типа [Семенов 2004: 7]:

- созданные на базе авиационных реактивных газотурбинных двигателей;

- созданные на базе газотурбинных двигателей для морского использования;

- созданные специально для энергетического использования (так называемые heavy-duty ГТУ).

ГТУ, относящиеся к первой и второй категории (которые можно объединить под одним условным названием aeroderivative ГТУ) - более форсированные и легкие установки, отличающиеся простотой обслуживания, меньшими требованиями к инфраструктуре, но также и меньшим ресурсом. Такие установки имеют достоинства авиационных двигателей (небольшие вес и габариты, легкость замены двигателя целиком или его отдельного модуля для выполнения высококачественного ремонта в условиях специализированного производства, высокая приемистость, что позволяет использовать их в пиковом режиме). Кроме того, технологии, материалы и покрытия, используемые при создании этих двигателей, позволяют применять их в условиях морского климата: на судах, морских платформах, береговых и прибрежных объектах и т.д.

ГТУ, относящиеся к третьей категории, - это значительно более тяжелые, как правило, одновальные установки, имеющие постоянную частоту вращения, равную частоте вращения генератора. Для обеспечения надежности, тепловой экономичности, снижения стоимости и эксплуатационных затрат, данные энергетические ГТУ проектируются по простейшему циклу. Технические решения таких установок соответствуют принципам, исторически сложившимся в энергетическом машиностроении: тяжелый жесткий вал, подшипники скольжения, лопатки постоянного профиля на основном протяжении проточной части (кроме первых ступеней компрессора и последних ступеней турбины) и т.п. Основным охладителем для рабочих лопаток и лопаток соплового аппарата является воздух. Heavy-duty ГТУ предъявляют значительно более высокие требования к строительным работам и инфраструктуре. Срок службы таких установок значительно выше и соответствует значениям, сложившимся в паротурбинных установках.

В последнее время очень много говорят о выгодности использования авиационных ГТД, отработавших свой ресурс (так называемое «конверсионное проектирование»), в качестве промышленных ГТУ. При более внимательном изучении вопроса выясняется, что никакого чуда или прорыва в этом секторе рынка на данном этапе не ожидается [Автушенко 2003: 1].

Причин для столь нерадостного взгляда несколько. Кроме ГТД необходима силовая турбина, соответствующая обвязка, вспомогательное оборудование и многое другое. Причем зачастую это «остальное» стоит гораздо больше, чем сам газогенератор. Наработка на отказ, коэффициент использования и другие характеристики современных промышленных ГТУ, построенных на базе авиационных ГТД, существенно ниже, чем хотелось бы.

За пятьдесят лет использования авиационные ГТД достигли высокой степени совершенства [Елисеев 2000: 597]. Необходимо использовать весь накопленный опыт проектирования. При этом нельзя забывать что авиационные двигатели - это тонкие ажурные конструкции с нежными графитовыми уплотнениями, они капризны и не лишены врожденных пороков. Поэтому конструктивные решения современной ГТУ - компромисс между авиационными двигателями с их высоким газодинамическим и технологическим совершенством и heavy-duty ГТУ с их высокой надежностью и большим ресурсом.

Все современные «конверсионные» ГТУ работают по простому термодинамическому циклу (циклу Брайтона), как правило, это сложные машины с высоконагруженным компрессором, охлаждаемой турбиной, камерой сгорания, не обеспечивающей современных экологических требований. Создание на базе авиационных ГТД современных экономичных установок, работающих по сложному регенеративному и (или) карнотизированному циклу сильно затруднено конструктивно и требует большого количества времени и средств.

Промышленная энергетика не предъявляет жестких требований к массе и габаритам установки. Здесь гораздо важнее ее экономичность, надежность, эксплуатационная пригодность. Усложнение термодинамического цикла (введение в схему регенератора и промежуточного охлаждения воздуха в компрессоре), хоть и влечет к увеличению массы и габаритов, позволяет получить высокий термодинамический КПД цикла применяя неохлаждаемую турбину (Т_Г^* =1100…1200К) при умеренных p_к^*_S--=8…12.

В качестве примера, поясняющего целесообразность принятия предлагаемой стратегии разработки современной наземной ГТУ, приводим сравнение результатов термодинамических расчетов схемы двухвальной ГТУ с регенеративным теплообменником и промежуточным охлаждением воздуха в компрессоре и двухвальной ГТУ на базе авиационного ГТД. Обе схемы рассчитаны на равную мощность, отбираемую с вала силовой турбины, и p_к^*_S. КПД соответствующих узлов в обеих схемах одинаковы. В качестве основного инструмента исследования принята расчетная подсистема DVIGwT 6.10c разработки УГАТУ, позволяющая производить расчет по выбору параметров двигателей различных схем.

При одинаковых p_к^*_S, Т_Г^* и N_прив конвертированная ГТУ потребляет на 34% больше топлива, т.е. «конверсионный» вариант будет иметь заведомо худшие по сравнению с ГТУ, спроектированной по современной стратегии, экономические характеристики. Для достижения более-менее приемлемых КПД конверсионной ГТУ просто необходимо повышать температуру газов перед турбиной и степень повышения давления в компрессоре, что существенно снижает ресурс и ухудшает экологические характеристики установки.

Создание промышленных ГТУ на базе авиационных ГТД нецелесообразно по целому ряду причин: в них заложены принципы и конструктивные решения, специфичные для авиации и зачастую неприемлемые в наземной энергетики. Для создания современной ГТУ, обладающей таким сочетанием технических, экономических и экологических характеристик, которые обеспечат ей массовый спрос в условиях перехода энергетики Российской Федерации на децентрализованную систему производства энергии, необходимо разрабатывать установку, применяя изложенную стратегию к проектированию наземных установок «с нуля», однако с использованием достижений авиационной технологии.

Список использованной литературы

энергоустановка отопительный котельный децентрализованный

1. Автушенко Наталья. Жизнь после списания. - http://www.aviaport.ru/digest/2003/05/30/52839.html.

2. Теория и проектирование газотурбинных и комбинированных установок: Учебник для вузов / Елисеев Ю.С., Манушин Э.А., Михальцев Н.Э. и др. - М.: Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2000. - 2-е изд., перераб. и доп. - 640 с.

3. Энергетические газотурбинные установки и энергетические установки на базе газопоршневых и дизельных двухтопливных двигателей: Отчет некоммерческого партнерства «Российское теплоснабжение» / Семенов В.Г., Дубенец В.С., Ольховский Г.Г. и др. - 2004. - Ч. 1. - 127 с.

Размещено на Allbest.ru