Параметрический анализ схем газопаровых установок тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.14.14, кандидат наук Туболев Александр Анатольевич

• Туболев Александр Анатольевич
• кандидат наук
• 2022

Оглавление диссертации кандидат наук Туболев Александр Анатольевич

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСОВ ПО ПОВЫШЕНИЮ ЭФФЕКТИВНОСТИ ГАЗОПАРОВЫХ УСТАНОВОК

1.1 Краткие исторические сведения по развитию парогазовых технологий

1.2 Анализ опубликованных результатов исследований по парогазовым установкам

1.3 Анализ опубликованных результатов исследований по газотурбинным установкам с впрыском пара

1.4 Обзор методик расчета комбинированных установок

Выводы по первой главе

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА ТЕПЛОВОЙ СХЕМЫ ГАЗОПАРОВОЙ УСТАНОВКИ С УТИЛИЗАЦИЕЙ ТЕПЛОТЫ И КОНДЕНСАЦИЕЙ ПАРОВ ВОДЫ ИЗ УХОДЯЩИХ ГАЗОВ

2.1 Тепловая схема и цикл простой газопаровой установки

2.2 Тепловая схема газопаровой установки с конденсационным теплоутилизатором

2.3 Тепловая схема газопаровой установки с конденсационным теплоутилизатором и тепловым насосом

Выводы по второй главе

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ И ПРОГРАММЫ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОГО РАСЧЕТА КОМПОНОВОЧНЫХ РЕШЕНИЙ ТЕПЛОВЫХ СХЕМ ГАЗОПАРОВЫХ УСТАНОВОК

3.1. Программа термодинамического расчета тепловых схем газопаровых установок

3.1.1 Методика и алгоритм расчета газопаровой установки простой схемы

3.1.2 Разработка модулей расчета элементов тепловых схем газопаровых установок

3.2 Верификация разработанной методики и алгоритма

Выводы по третьей главе

ГЛАВА 4. ПАРАМЕТРИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ГАЗОПАРОВОЙ УСТАНОВКИ ПРОСТОЙ СХЕМЫ

4.1. Анализ влияния впрыска пара в камеру сгорания на энергетические показатели газопаровой установки

4.1.1. Изменение оптимального значения степени сжатия в компрессоре при впрыске пара в камеру сгорания

4.1.2. Изменение максимального КПД ГПУ при оптимальных значениях степени сжатия в компрессоре

4.1.3. Изменение удельной мощности ГТУ при впрыске пара в камеру сгорания

4.1.4. Изменение коэффициента избытка воздуха ГТУ при впрыске пара в камеру сгорания

4.1.5. Изменение температуры уходящих газов ГТУ при впрыске пара в камеру сгорания

4.2. Анализ влияния на расчетные характеристики ГПУ учета деаэрации и температуры питательной воды

Выводы по четвертой главе

ГЛАВА 5. ПАРАМЕТРИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ГАЗОПАРОВОЙ УСТАНОВКИ С УТИЛИЗАЦИЕЙ ТЕПЛОТЫ И КОНДЕНСАЦИЕЙ ПАРОВ ВОДЫ ИЗ УХОДЯЩИХ ГАЗОВ

5.1. Постановка задачи и исходные данные

5.1.1. Выбор рабочего вещества ТНУ

5.2. Анализ показателей эффективности утилизационной ГПУ

5.3. Влияние температурного графика тепловой сети на показатели работы установки

5.4. Влияние температуры воды на входе в активную насадку теплоутилизатора на показатели работы установки

5.5. Анализ эффективности работы ГПУ с утилизацией теплоты уходящих газов в условиях существующей системы энергоснабжения

Выводы по пятой главе

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Расчет простой ГТУ без впрыска водяного пара (верификация методики расчета)

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Расчет простой ГПУ с «энергетическим» впрыском пара в камеру сгорания (при температуре парогазовой смеси на входе в газовую турбину 1300оС)

ПРИЛОЖЕНИЕ 3. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ «Расчет цикла простой ГТУ»

ПРИЛОЖЕНИЕ 4. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ «Расчет цикла ГТУ с регенерацией»

ПРИЛОЖЕНИЕ 5. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ «Расчет цикла ГТУ с промежуточным охлаждением»

ПРИЛОЖЕНИЕ 6. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ «Расчет цикла ГТУ с регенерацией и промежуточным охлаждением»

ПРИЛОЖЕНИЕ 7. Справка об использовании результатов диссертационной работы в учебном процессе

ПРИЛОЖЕНИЕ 8. Справка об использовании результатов диссертационной работы в учебном процессе

ПРИЛОЖЕНИЕ 9. Справка об использовании результатов диссертационной работы в учебном процессе

ПРИЛОЖЕНИЕ 10. Справка об использовании результатов диссертационной работы в учебном процессе

ПРИЛОЖЕНИЕ 11. Справка об использовании результатов диссертационной работы в учебном процессе

ПРИЛОЖЕНИЕ 12. Акт об использовании результатов диссертационной работы филиала «Сургутская ГРЭС-2» ПАО «Юнипро»

ПРИЛОЖЕНИЕ 13. Акт об использовании результатов диссертационной работы филиала АО «Енисейская ТГК (ТГК-13)» - «Красноярская ГРЭС-2»

ПРИЛОЖЕНИЕ 14. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ «Расчет схем газопаровых установок с утилизацией теплоты уходящих газов»

ВВЕДЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Параметрический анализ схем газопаровых установок»

Актуальность работы.

Энергетика является основой благосостояния общества и стабильного социально-экономического развития страны. Производство тепловой и электрической энергии представляет собой неотъемлемую часть топливно-энергетического комплекса (ТЭК) России, стабильность которого вносит значительный вклад в национальную безопасность. Развитие и распространение, так называемых прорывных технологий, которые приведут к утрате углеродной энергетики, в настоящее время находится на ранней стадии. Поэтому, согласно Энергетической стратегии России до 2035 года [1], основу энергетики в прогнозном периоде будут составлять системы централизованного энергоснабжения, которые базируются на традиционных электростанциях (ТЭС, ГЭС, АЭС) или ветряных и солнечных электростанциях.

С учетом вектора Стратегии, для возможности решения накопленных проблем, перед отраслью электроэнергетики и теплоснабжения стоит задача вывода из эксплуатации устаревшего оборудования с вводом новых мощностей на базе использования энергосберегающих и высокоэффективных отечественных технологий.

Одним из перспективных технологических направлений развития российской энергетики является создание отечественных газотурбинных установок (ГТУ) большой и средней мощности и высокоэффективных парогазовых установок (ПГУ) на их основе. Важным следствием развития энергоэффективных технологий является снижение роста эмиссии вредных выбросов энергетических предприятий в окружающую среду. В число мер, которые способствуют решению данных задач, входит развитие научных исследований в этой области.

Парогазовые энергетические установки, в основе которых лежат газотурбинные установки с энергетическим впрыском водяного пара в камеру сгорания принято называть газопаровыми установками (ГПУ). Пар впрыскивается

в камеру сгорания, смешивается с продуктами сгорания и уже парогазовая смесь совершает работу. Ввод в цикл дополнительного рабочего тела позволяет снизить затраты мощности на компрессор и повысить значение удельной полезной мощности установки. Исследователями в этой области установлено, что концентрация оксидов азота (NOx) экспоненциально увеличивается с ростом температуры в зоне горения. Впрыск пара позволяет снизить температуру в зоне горения, вследствие чего сокращается содержание NOx в уходящих газах.

Ключевым недостаток ГПУ простой схемы является потеря с уходящими газами воды, как рабочего тела. Внедрение в тепловую схему газопаровой установки теплоутилизатора конденсационного типа позволяет компенсировать воду, затраченную на впрыск, и полезно использовать теплоту уходящих газов за счет их доохлаждения. Потенциал, получаемой тепловой энергии, повышается за счет применения теплонасосной установки.

На основании вышесказанного, исследования в области совершенствования тепловых схем и методик расчета газопаровых установок, оптимизации параметров и автоматизации вариативных расчетов являются актуальными.

Степень проработанности темы исследования.

Уровень проработанности вопросов эффективности парогазовых установок определяется исследованиями ведущих научных организаций страны, таких как Московский энергетический институт, Всероссийский теплотехнический институт, НПЦ газотурбостроения «САЛЮТ», Уфимский государственный авиационный технический университет, Ивановский государственный энергетический университет, Фирма ОРГРЭС и другие. Активная работа по решению задач организации управления работой газотурбинных установок, оценке влияния внешних факторов, различного рода технологических ограничений ведутся также и за рубежом: Alstom, Siemens Aktsiengezel shaft, General Electric, Mitsubishi Heavy Industries.

Исследования в области создания и совершенствования технологий и тепловых схем парогазовых установок рассмотрены в работах ученых: Трухния А.Г., Березинеца П.А., Волкова Э.П., Аракеляна Э.К., Шапошникова В.В., Костюка

А.Г., Фролова В.В., Христиановича С.А., Гафурова А.М., Гринмана М.И., Тумановского Г.Г., Гринь Э.А., Цао Ю., Баратьери М., Мохагхи М., Пихл Эрик Э., Годой Е., Канепа Р., Адамс Т., Мак Доуэлл Н. и др.

Большой вклад в решение задач повышения эффективности и разработки методик расчета ГТУ и ПГУ, в том числе на ЭВМ, внесли Цанев С.В., Буров В.Д., Рыбалко В.В., Зысин В.А., Андрющенко А.И., Ложкин А.Н., Люлько Г.Б., Ольховский Г.Г., и др.

Существует ряд методик определения характеристик газотурбинных и парогазовых установок, а также их отдельных узлов и элементов, в основу которых положены различные подходы к организации расчетов. Наряду с этим, высокого уровня достигли исследования вопросов повышения эффективности работы газопаровых установок

В методике НПО ЦКТИ изложены основные особенности расчета высоконапорных и низконапорных парогенераторов, а также котлов-утилизаторов ПГУ. В основу методики расчета положен нормативный метод.

Методика Московского энергетического института описывает формирование тепловой схемы утилизационной ПТУ. В методике рекомендован принцип выбора опорных параметров котла-утилизатора и ПТУ, тепловой расчет котла-утилизатора. Огромный вклад в разработку методик расчета и расширения теоретической базы МЭИ внесли: Фаворский О.Н., Цанев С.В., Буров В.Д., Аракелян Э. К.

В методике Ивановского энергетического университета рекомендована последовательность модульного расчета парогазовых установок. Методика Кольского научного центра РАН определяет общую последовательность расчета газовой части газопаровой установки. Суть расчета заключается в определении в характерных точках газовоздушного тракта параметров рабочего процесса.

В работах ученых Санкт-Петербургского политехнического университета рассмотрены принципы работы утилизационной ГПУ, подробно рассмотрены вопросы классификации и описания ПГУ. Изложены методики расчета различных

типов тепловых схем газотурбинных установок. Разработка методик расчета комбинированных ПГУ и ГПУ связана с именами сотрудников кафедры «Турбины, турбомашины и авиационные двигатели» СПбГПУ: Кириллова А.И., Кириллова И.И., Рассохина В.А., Арсеньева Л.В., Ходак Е.А., Зысина Л.В.

Работы ученых Саратовского государственного технического университета Ларина Е.А. и Рожнова С.П. связаны с решением задач по повышению эффективности систем теплоснабжения на основе газотурбинных и парогазовых установок.

В XXI веке газотурбинные технологии переживают новый подъем, который связан с выходом на более высокий уровень максимально-допустимой температуры рабочего тела. Данный факт обуславливает необходимость повышения совершенства расчетного алгоритма и зависимостей для определения термодинамических параметров газо- и паровоздушных смесей, а также уточнения положений методики расчета газопаровых установок.

Объект исследования: комбинированные газопаровые установки с глубокой утилизацией теплоты и влаги из уходящих газов на базе газотурбинных установок с экологическим и энергетическим впрыском пара в камеру сгорания.

Предмет исследования: схемы газопаровых установок с глубокой утилизацией теплоты и влаги из уходящих газов и отпуском электроэнергии и теплоты в системы энергоснабжения.

Целью работы является параметрический анализ тепловых схем газопаровых установок с глубокой утилизацией теплоты и влаги из уходящих газов и отпуском электроэнергии и теплоты в системы энергоснабжения.

Задачи исследования:

1. Разработать принципиальную тепловую схему газопаровой установки с глубокой утилизацией теплоты и влаги из уходящих газов.

2. Разработать методику и алгоритм расчета энергетических характеристик газопаровой установки с возможностью изменения состава оборудования тепловой схемы.

3. Провести параметрические исследования ГПУ простой схемы с целью

определения путей оптимизации рабочих параметров.

4. Провести параметрические исследования тепловой схемы газопаровой установки с глубокой утилизацией теплоты и влаги из уходящих газов и отпуском электроэнергии и теплоты в системы энергоснабжения.

Научная новизна:

1. Разработана новая тепловая схема газопаровой установки с впрыском пара в камеру сгорания для снижения образования оксидов азота и увеличения мощности турбин, в которой для снижения потери теплоты с уходящими газами и сокращения выброса влаги в атмосферу, введен конденсационный теплоутилизатор с активной насадкой и тепловой насос.

2. Разработана новая методика и алгоритм расчета тепловых схем ГПУ, отличающаяся возможностью проведения анализа вариантов схем с разным составом оборудования.

3. Проведены параметрические исследования схемы ГПУ с получением пара в котле-утилизаторе и впрыском его в камеру сгорания и газовую турбину. Определен диапазон допустимых режимов работы ГПУ с учетом ограничений получения пара в котле-утилизаторе.

4. Впервые определены режимы работы ГПУ, при которых возможна компенсация затрат воды на впрыск в камеру сгорания за счет конденсата, получаемого в конденсационном теплоутилизаторе. В режимах с температурой газов на входе в газовую турбину от 1200°С до 1700°С избыток конденсата относительно впрыска составляет от 1 до 12%, увеличиваясь с ростом температуры.

5. Проведена оценка эффективности работы ГПУ утилизационного типа в системе энергоснабжения с отпуском электроэнергии и теплоты. С точки зрения максимального полезного отпуска электроэнергии наиболее эффективный график тепловой сети 105/70°С.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту:

1. Разработанная тепловая схема ГПУ с глубокой утилизацией теплоты уходящих газов с применением конденсационного теплоутилизатора с активной насадкой и теплонасосной установки.

2. Методика, алгоритм и программа термодинамического расчета тепловых схем ГПУ с различным составом оборудования, разработанная с использованием систем уравнений материальных и энергетических балансов, и вычисления термодинамических свойств веществ на ЭВМ.

3. Диапазон допустимых режимов работы ГПУ при впрыске пара в камеру сгорания и газовую турбину с учетом ограничений получения его в котле-утилизаторе.

4. Диапазон режимов работы ГПУ, при которых возможна компенсация затрат воды на впрыск в камеру сгорания за счет конденсата, получаемого в конденсационном теплоутилизаторе.

5. Результаты параметрических исследований эффективности работы ГПУ без глубокой утилизации теплоты и с глубокой утилизацией теплоты уходящих газов в условиях системы энергоснабжения с отпуском электроэнергии и теплоты.

Теоретическая и практическая значимость:

Результаты исследований доведены до практического применения в виде зарегистрированных программ для ЭВМ. Результаты параметрических исследований эффективности работы ГПУ с конденсационным теплоутилизатором с активной насадкой и теплонасосной установкой могут быть использованы при проектировании систем автономного и централизованного энергоснабжения. Программные продукты, реализующие методику расчета циклов газотурбинной установки простой схемы, с регенерацией, с промежуточным охлаждением и с регенерацией и промежуточным охлаждением, предназначенные для определения характеристик ГТУ при изменении входных параметров, могут использоваться научными, промышленными и проектными организациями.

Результаты диссертационных исследований используются в Научно-образовательном центре И.Н. Бутакова Инженерной школы энергетики Национального исследовательского Томского политехнического университета при чтении курсов лекций, проведении практических и лабораторных занятий по дисциплинам «Паротурбинные и парогазовые установки», «Газовые турбины и компрессоры электростанций», «Тепловые и атомные электрические станции»,

«Парогазовые и газотурбинные технологии», «Эксергетический анализ и технико-экономическое обоснование технологий преобразования энергии», а также при выполнении научно-исследовательской работы студентами и выпускных квалификационных работ в соответствии с действующими программами по специальностям 13.03.01 «Теплоэнергетика и теплотехника», 14.05.02 «Атомные станции: проектирование, эксплуатация и инжиниринг», 13.04.01 «Теплоэнергетика и теплотехника». Использование результатов работы подтверждается актами внедрения.

Методы исследования.

При выполнении диссертационной работы использовались методы теории термодинамики, тепломассопереноса и энергобалансов. Верификация осуществлялась сопоставлением расчетных результатов с данными, представленными в литературных источниках. Для автоматизации расчетных алгоритмов применялась программа MS Excel. Параметры воздуха, топлива, продуктов сгорания, воды и водяного пара определялись по функциям программы «REFPROP 8».

Личный вклад автора.

Все результаты исследований, выносимые на защиту и изложенные в тексте работы, получены лично автором либо при его непосредственном участии. Автором совместно с научным руководителем проведен анализ и обсуждение полученных результатов.

Достоверность полученных результатов. Расчеты проведены с применением алгоритмов, в основу которых заложены уравнения материальных и тепловых балансов, тепло- и массопередачи в компрессорах, газовых и паровых турбинах и прочих теплообменных аппаратах. Расчеты проведены итерационными методами. Погрешность вычислений по программам и на основе ручного расчета не превышает 2-5 %.

Апробация работы. Результаты, полученные в рамках работы над диссертацией, в период с 2015 по 2022 гг. представлены и обсуждены на следующих научных конференциях, проводимых на базе Томского

политехнического университета: Региональная научно-практическая конференция «Теплофизические основы энергетических технологий», Международный молодежный форум «Интеллектуальные энергосистемы», Международная молодежная научная конференция «Тепломассоперенос в системах обеспечения теплового режима энергонасыщенного технического и технологического оборудования», Всероссийская научно-техническая конференция «Энергетика: эффективность, надежность, безопасность». Также результаты исследований доложены на 8-ой Международной молодежной научной конференции «Поколение будущего - 2019: взгляд молодых ученых», проводимой на базе Юго-Западного государственного университета (г. Курск).

Получены свидетельства Российской Федерации об официальной регистрации программ для ЭВМ: «Расчет цикла простой газотурбинной установки» №2016660768 от 21 сентября 2016 г.; «Расчет цикла газотурбинной установки с регенерацией» №2016660769 от 21 сентября 2016 г.; «Расчет цикла газотурбинной установки с промежуточным охлаждением» №2016660767 от 21 сентября 2016 г.; «Расчет цикла газотурбинной установки с регенерацией и промежуточным охлаждением» №2016660766 от 21 сентября 2016 г. Подана заявка на внесение программы для ЭВМ «Расчет схем газопаровых установок с утилизацией теплоты уходящих газов» в государственный реестр, май 2022 г.

Публикации по теме исследования.

Ключевые результаты и выводы исследований опубликованы в 19 работах: 3 статьи в журналах из списка ВАК: «Известия ТПУ» и «Промышленная энергетика»; 11 публикаций в рецензируемых журналах, индексируемых базами данных «Web of Science» и «Scopus»; получены 5 свидетельств Российской Федерации об официальной регистрации программ для ЭВМ. На Всероссийских и международных научно-технических конференциях сделано 9 докладов.

Структура диссертации.

Диссертация включает в себя введение, 5 глав, заключение и список использованных литературных источников (146 наименования). Объем работы в печатном виде составляет: 196 страниц (57 рисунков, 7 таблиц, 14 приложений).

Во введении отражено: актуальность темы исследований, степень проработанности рассматриваемой темы, цель и задачи, теоретическая и практическая значимость, научная новизна, степень достоверности и апробация результатов работы.

В первой главе проведен анализ состояния вопросов повышения эффективности парогазовых установок, изучены ключевые публикации по теме исследования. Выполнен анализ современной научной литературы по газотурбинным установкам с впрыском водяного пара в газовый тракт. Наиболее энергетически эффективный и экономически обоснованный способ - впрыск пара в камеру сгорания. Проанализированы основные методические подходы к определению технико-экономических показателей парогазовых установок.

Во второй главе представлена принципиальная тепловая схема исходной ГПУ, которая положена в основу разрабатываемой ГПУ утилизационного типа. Изложен принцип ее работы, описаны процессы, протекающие в отдельных элементах установки. Представлен цикл рабочих тел ГПУ простой схемы в ТБ -диаграмме. Показана Т^ диаграмма теплообмена в котле-утилизаторе. Основными недостатками ГПУ простой схемы являются потеря с уходящими газами воды, как рабочего тела, и тепловое загрязнение окружающей среды.

Предложена принципиальная тепловая схема ГПУ с конденсационным теплоутилизатором с активной насадкой и теплонасосной установкой. Разработанная схема утилизационной ГПУ позволяет сохранить достоинства установки простой схемы в виде повышения показателей эффективности ее работы за счет впрыска пара. Применение КТАНа в схеме установки дает возможность компенсировать затраты исходной воды, затрачиваемой на впрыск, за счет получаемого конденсата и сократить тепловые выбросы за счет глубокого охлаждения уходящих газов. Теплонасосная установка позволяет снизить температуру воды на входе в активную насадку КТАНа для поддержания процесса конденсации и повысить потенциал тепловой энергии, отпускаемой потребителю, расширяя область возможного применения установки в целом.

В третьей главе на основе методики расчета ГТУ, описанной в работах МЭИ, разработана методика и алгоритм расчета газопаровой установки, реализованная в виде компьютерной программы. Программа реализован в пакете электронных таблиц Microsoft Excel с использованием языка программирования Visual Basic позволяет проводить параметрический анализ тепловых схем газопаровых установок с различным составом оборудования. Приведены результаты верификации, разработанной методики и программы на ее основе.

В четвертой главе проведен анализ влияния впрыска пара в камеру сгорания на энергетические показатели газопаровой установки. В ходе параметрических исследований были получены основные зависимости характеристик работы простой газопаровой установки с впрыском пара в камеру сгорания и исходной газотурбинной установки (без впрыска пара) от входных параметров.

Выполнен анализ влияния на характеристики ГПУ температуры питательной воды, зависящей от температуры точки росы газов за экономайзером. С учетом, уточненных значений температуры питательной воды, получены показатели эффективности работы ГПУ простой схемы.

В пятой главе с помощью разработанной программы выполнен параметрический анализ работы утилизационной ГПУ.

Проанализирована эффективность работы ТНУ в составе утилизационной ГПУ на различных рабочих веществах. Определено количество конденсата, получаемого в конденсационном теплоутилизаторе с активной насадкой. Рассчитан коэффициент использования теплоты топлива для различных режимов работы ГПУ. Проанализировано влияние температурного графика тепловой сети на показатели работы установки. Рассмотрены проектные графики 105/70оС, 115/70оС и 130/70оС (графики летнего горячего водоснабжения 70/49оС, 70/45оС и 70/42оС, соответственно, при расчетной температуре наружного воздуха для проектирования отопления для г. Томска -39°С). Выполнен анализ влияния температуры воды на входе в активную насадку КТАНа в диапазоне от 5 до 40°С на показатели работы установки. Проведена оценка эффективности работы ГПУ с

утилизацией теплоты уходящих газов в зависимости от температуры наружного воздуха. Принятый расчетный график теплосети 105/70°С.

В заключении представлены основные результаты и выводы, полученные в ходе выполнения диссертационной работы.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСОВ ПО ПОВЫШЕНИЮ ЭФФЕКТИВНОСТИ ГАЗОПАРОВЫХ УСТАНОВОК

1.1 Краткие исторические сведения по развитию парогазовых технологий

Идея создания парогазовой энергетической установки, работу в которой выполняют продукты сгорания и водяной пар, была высказана Сади Карно в 1824 году. Он обосновал основные условия эффективного исполнения схемы такой установки [2]. В области высоких температур работу совершают продукты сгорания в газовом двигателе. Пар генерируется за счет теплоты уходящих газов и затем совершает работу, расширяясь в паровой турбине. Практическое исполнение установки стало возможно намного позднее, после значимых шагов в области развития энергетики.

Ещё на ранних этапах исследований вопросов повышения эффективности газотурбинных двигателей, водяной пар использовался для регулирования температуры газов перед турбиной. Попытка использования смеси продуктов сгорания и водяного пара в качестве единого рабочего тела относится к 90-ым годам XIX века. Предпринял её русский инженер П. Д. Кузьминский. Топливо сжигалось в камере сгорания, охлаждение которой было организовано прокачкой воды по трубкам, частично отводившей тепло. Образовавшийся в результате пар, подмешивался к продуктам сгорания и так же совершал работу в газовой турбине. Всё это позволило в значительной степени повысить полезную работу установки. Низкий уровень допустимых температур, подвод тепла к воде от газов перед турбиной, а не от уходящих газов, низкий внутренний КПД газовых турбомашин, - всё это на тот момент затормозило внедрение таких установок на практике.

По проекту немецких инженеров Х. Хольцварта и В. Шюле в 1908 - 1910 годах был разработан газотурбинный двигатель прерывистого горения. Установка была основана на цикле при постоянном объеме. Охлаждение газовой смеси перед турбиной осуществлялось с помощью газо-водяного теплообменника

установленного в камере сгорания. Водяной пар вырабатывался за счет теплообмена с уходящими газами и направлялся в паровую турбину. Дополнительная выработка мощности в паротурбинной установке позволила повысить КПД установки в целом. Установки такого типа также не получили широкого распространения ввиду конструктивной сложности при низких показателях экономичности.

Создание и организация промышленного производства высоконапорных парогенераторов относится к началу 1930-х годов [3, 4]. В Швейцарии фирмой «Броун-Бовери» был разработан парогенератор с наддувом камеры сгорания. Температура газовой смеси на входе в турбину привода компрессора составляла величину порядка 600°С. Продукты сгорания отдавали теплоту в тракте парогенератора при повышенном давлении. В случае работы парогенератора в режимах на сниженные нагрузки мощности газового двигателя было недостаточно для привода компрессора. На этих режимах в работу включался дополнительный двигатель (электрический или паровой). Интенсификация процессов окисления и теплопередачи в парогенераторах такого типа позволила значительно снизить площадь поверхностей теплообмена и повысить коэффициент полезного действия. Позднее в ЦКТИ имени И. И. Ползунова был разработан цикл парогазовой установки с камерой сгорания постоянного объема. Исследования по разработке и применению схемы и возможных конструктивных решений установок такого типа проводились под руководством А. Н. Ложкина. Наряду с Ложкиным огромный вклад в исследования парогазовых технологий внесли Прутковский Е. Н. и Корнеев М. И. [5, 6, 7, 8].

Вторая половина ХХ-ого века связана со значительным развитием парогазовых технологий. В это время широкое распространение получили установки с утилизацией тепла уходящих газов турбины в паровом котле. Наиболее значимые исследования [9-24] связаны с именами советских ученых: Кирилова И. И., Зысина В. А., Ольховского Г. Г., Андрющенко А. И.

Парогазовые установки объединяет общая идея работы по бинарному циклу - циклу двух рабочих тел. Работу в установках такого типа совершают водяной пар

и продукты сгорания топлива в диапазоне температур 700 - 1300°С. Водяной пар обеспечивает эффективный отвод тепла при нижней температуре цикла. Продукты сгорания - эффективный подвод при верхней. Коэффициент полезного действия цикла Карно при этих температурах составляет 70 - 80 %. Электрический КПД брутто наиболее эффективных реализованных ПГУ составляет 55 - 58 %. Термодинамическое совершенство циклов ГТУ и ПТУ, реализованных в отдельных установках, значительно уступает тепловой эффективности ПГУ.

За рубежом исследования вопросов совершенствования парогазовых технологий были не менее успешны [24]. Аналог схемы ЦКТИ был предложен американскими учеными в 1955 году [9, 23]. Сегодня зарубежные технологии в области парогазовых установок на очень высоком уровне.

Труды многих ученых посвящены решению задач повышения эффективности ПГУ: Яскина Л. А. [25, 26], Арсеньева Л. В., Манушина Э. А. [27], Тырышкина В. Г. [28], Безлепкина В. П. [29], Ольховского Г. Г. [17-22], Фаворского О. Н. [30, 31, 32].

В [27] изложены исследования возможности и перспективы использования паротурбинной установки, основанной на органическом цикле Ренкина. Рассмотрены различные вариации рабочих тел: фреоны, раствор аммиака и воды, некоторые предельные углеводороды. Описаны некоторые разработки в области программного обеспечения, позволяющего проводить сложные инженерные расчеты определения показателей работы различных энергетических установок.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Туболев Александр Анатольевич, 2022 год

использованы в

Исполняющий обязанности начальника цеха наладки и испытаний

В. Г. Паника ров