ОПТИМИЗАЦИЯ СТЕПЕНИ ПОВЫШЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ ВОЗДУХА В ГАЗОТУРБИННОЙ И ПАРОГАЗОВОЙ УСТАНОВКАХ

1

• Авторы
• Файлы

Мордасова М.В. Седельников Г.Д. Статья в формате PDF 483 KB

В России около 70 % оборудования тепловых электрических станций (ТЭС) выработало срок эксплуатации и устарело. Необходима массовая его замена с внедрением новых технологий производства электроэнергии и теплоты. Из числа освоенных энергетических технологий наиболее высоким экономическим потенциалом обладают парогазовые установки (ПГУ). В них реализуется комбинированный цикл производства электроэнергии в газотурбинной установке (ГТУ), работающей на природном газе или жидком топливе, и паровой турбине, водяной пар для которой выpaбатывается в утилизационном котле (УК) за счет теплоты отходящих из ГТУ газов. Кроме термодинамического совершенства ПГУ обладают рядом других преимуществ, наиболее важными из них по сравнению с ТЭС являются: в 2-3 раза меньшие удельные капитальные затраты, в 1,3-1,5 раза меньшая себестоимость производимой электроэнергии, в 3-4 раза меньшие сроки строительства, в 1,5-2,0 раза меньший экологический ущерб. Поэтому в настоящее время парогазовые установки активно развиваются и распространяются, в том числе и в энергетике России.

При проектировании и создании ПГУ возможны два подхода:

1) при заданных ГТУ, т.е. выпускаемых отечественными и зарубежными фирмами;

2) при незаданных ГТУ, т.е. специально проектируемых для работы в составе ПГУ.

Эти вопросы, касающиеся такого важного параметра цикла, как степень повышения давления воздуха ε, были рассмотрены применительно к энергетической газотурбинной установке ГТЭ-45У производства ТМЗ (г. Екатеринбург), работающей на природном газе. Эта ГТУ имеет номинальную электрическую мощность 42 МВт, температуру газов на входе в газовую турбину 1227 °С, степень повышения давления воздуха в компрессоре 13,5 и КПД на муфте 35 %.

Были разработаны математические модели и программы для расчета хаpaктеристик продуктов сгорания топлива, тепловой схемы ГТУ, производительности УК, мощности паровой турбины и выходных хаpaктеристик ПГУ. Степень повышения давления воздуха в компрессоре изменялась в диапазоне от 5 до 50. Результаты расчета приведены в таблице и на рисунке, где использованы следующие обозначения: ,  - КПД по выработке электроэнергии в ГТУ и ПГУ, G_Г - расход газов ГТУ, T₄ - температура отработавших в ГТУ газов, T₅ - температура газов на выходе из УК, G_ук - паропроизводительность УК,  - электрическая мощность паровой турбины, g - удельный расход воздуха в ГТУ.

Хаpaктеристики ГТУ и ПГУ
при различных значениях

ε			GГ, кг/с	T4, °C	T5, °C	Gук, кг/с	МВт
5	22,8	44,7	142,1	822	183	28,5	40,1
10	29,9	46,7	119,0	675	195	18,9	23,0
15	33,0	47,3	115,1	599	202	16,2	18,0
20	34,8	47,5	115,5	549	207	14,4	15,3
25	36,0	47,4	117,8	508	211	13,1	13,3
30	36,6	47,1	120,5	483	214	12,3	12,1
35	37,0	46,8	124,0	459	217	11,6	11,1
40	37,2	46,4	127,9	439	220	11,0	10,3
45	37,32	45,9	132,2	422	222	10,5	9,7
50	37,29	45,4	136,8	407	224	10,0	9,1

Анализ полученных результатов показывает, что для ГТУ простого цикла оптимальное по КПД значение ε составило около 45 (рисунок), что значительно превосходит ε = 13,5 в построенной ГТЭ-45У. Следует отметить, что в пpaктике проектирования газотурбинных двигателей при выборе степени повышения давления в качестве критерия используются: КПД (удельный расход топлива), удельная эффективная работа (удельный расход воздуха), технико-экономические показатели и пр. Возможны также компромиссные решения. При оптимизации по минимальному удельному расходу воздуха существенно упрощается компрессорная часть и в целом улучшаются массогабаритные хаpaктеристики всей ГТУ. Поэтому этот критерий часто используется для трaнcпортных ГТУ. Оптимизация по минимальному удельному расходу воздуха g (см. рисунок), показала, что ε_опт значительно снижаются и лежат в районе 15-17. С учетом пологости кривой g в районе минимума (см. рисунок) этот результат можно считать достаточно близким тому, что есть в реальном двигателе.

Для ГТУ в составе комбинированной парогазовой установки оптимальная степень повышения давления составила около 19 (см. рисунок), что значительно ниже, чем для ГТУ простого цикла. Это вполне закономерно, т.к. при меньших ε уменьшается степень понижения давления в газовой турбине и, следовательно, при неизменной начальной температуре газа увеличивается температура газов на выходе из ГТУ (T4 в таблице). В результате возрастаетколичество пара, генерируемого в утилизационном котле, и мощность паровой турбины (таблица), что компенсирует снижение эффективности газотурбинной части комбинированной установки.

Результаты оптимизации степени повышения давления воздуха в компрессоре для ГТУ и ПГУ

Сопоставляя эффективность ПГУ при εопт = 19 и при ε_опт = 13,5 (как в ГТЭ - 45У) можно отметить, что электрические КПД соответственно составляют 47,60 и 47,25 %. Проигрыш по КПД в ПГУ на базе существующей ГТЭ - 45У по сравнению с оптимальным вариантом не превышает 0,75 % относительных.

На основании изложенного можно сделать вывод, что рассматриваемая газотурбинная установка
ГТЭ-45У по степени повышения давления воздуха вполне подходит для создания на ее основе эффективной комбинированной ПГУ.

---