|
Существующая тенденция экономии топлива и улучшения экологии приводит к необходимости поиска перспективных направлений развития газотурбинных энергоустановок. Чтобы электростанции с газотурбинными установками имели реальные преимущества перед дизелями, необходимо обратить внимание на коэффициент полезного действия ГТУ. То есть следует обеспечить уровень максимального КПД, равный 42% и выше, с незначительным снижением этого уровня экономичности в широком диапазоне изменения мощности по сравнению с номинальным (максимальным) режимом работы.
Ориентировка – на современные технологии
МГТУ им. Н. Э. Баумана провел совершенствование исходных циклов и схем ГТУ для высокоэффективной работы на номинальных и переменных режимах. Специалисты института также исследовали вариант принципиальной схемы газотурбинной энергетической установки в условиях ее работы в диапазоне 10‑100% мощности с сохранением высокого уровня КПД.
В качестве топлива ГТУ был рассмотрен природный газ, баллонный природный газ, жидкое топливо, а также топливный газ, полученный в результате газификации твердого топлива или бытовых и промышленных отходов с содержанием в них горючих не менее 5% по массе.
При выборе термодинамической схемы энергетической ГТУ и ее конструктивного воплощения учитывается необходимость использования на ближайшую перспективу низких или умеренных температур газа (800‑1000 °С), а также ориентировка на современную технологию производства авиационных ГТД.
Этим требованиям удовлетворяет регенеративный цикл с двумя или тремя ступенями сжатия, промохлаждением, двумя ступенями подогрева газа и расширения по двухвальной схеме.
Улучшение топливной экономичности на переменных режимах
Особенностью схем газотурбинных установок, предлагаемых МГТУ им. Н. Э. Баумана, является подсоединение электрогенератора переменного тока с постоянной частотой вращения ротора к валу высокого давления ГТУ, что позволяет улучшить топливную экономичность на переменных режимах.
Объем лопаточных машин значительно меньше объема теплообменных аппаратов и электрогенератора. Поэтому в компоновочном варианте при размещении установки в ограниченном объеме наибольшие трудности вызывает уменьшение их габаритов (размеры электрогенератора во многом зависят от частоты вращения).
В ряде случаев целесообразно осуществить привод электрогенератора от высокооборотной турбоустановки без редуктора, муфт и концевых уплотнений, совмещая опоры электрогенератора и лопаточных машин. Целесообразно применение в контуре установки газовых и магнитных опор без масляной смазки.
В перспективе – ГТУ с неохлаждаемыми турбинами
Для отечественного газотурбостроения ближайшая перспектива – использование существующей технологии и производства авиационного и транспортного газотурбостроения в более совершенных термодинамических схемах ГТУ при низких и умеренных температурах газа 800‑1000 °С.
Опыт, накопленный МГТУ им. Н. Э. Баумана в области газотурбостроения, позволяет рекомендовать схемы ГТУ, обеспечивающие указанные выше показатели. Такой подход дает возможность создать перспективную газотурбоустановку с неохлаждаемыми турбинами и тем самым достаточно быстро освоить промышленный выпуск ГТД с КПД порядка 42% и выше. Причем этот уровень коэффициента полезного действия сохраняется и при изменении мощности до 10‑30% от номинального значения.
Исходя из требований к экономичности установки на переменном режиме, скорости набора или снижения мощности, целесообразна ГТУ, выполненная по двухзальной блокированной схеме.
Облик газотурбинной установки будущего
Основываясь на результатах исследований МГТУ им. Н. Э. Баумана, можно сформулировать основной облик высокоэкономичной газотурбинной установки для малой энергетики.
Для температуры газа не более 950 °С получение высокого КПД (более 42%) возможно в ГТУ, выполненной по многоагрегатной схеме с регенерацией теплоты, промежуточным охлаждением рабочего тела в процессе сжатия между компрессорами и промежуточным подогревом рабочего тела в процессе расширения.
Камера сгорания промежуточного подогрева может быть двух видов: расположенная перед турбиной низкого давления или перед турбиной среднего давления на роторе с нагрузкой. Введение в схему ГТУ промежуточного подогрева газа позволяет получить большую удельную мощность и, следовательно, меньший расход воздуха. А регулирование процесса по программе, соответствующей постоянной частоте вращения ротора высокого давления (к которому присоединена нагрузка), приводит к улучшению показателей переменного режима.
Областью применения предлагаемых схем являются транспортные ГТД и энергетические ГТУ для автономных электростанций. Такие схемы одинаково успешно могут использоваться в газотурбинных установках как открытого, так и замкнутого циклов. Выполнение ГТУ по замкнутым схемам позволяет использовать их в составе небольших атомных электростанций или для транспортных установок на ядерном топливе.
В перспективе – освоение «керамических» и других более совершенных высокотемпературных материалов. Благодаря этому (при более высоких температурах газа) сложные безрегенеративные и регенеративные схемы позволят достичь уровня КПД порядка 50‑60% соответственно.
|
|
