УДК 621.515.003

И.И. ПЕТУХОВ1, А.В. МИНЯЧИХИН1, Р.Л. ЗЕЛЕНСКИЙ1,  Ф.Г.СОРОГИН2, А.И.ТАРАН2

1Национальный аэрокосмический университет им. Н.Е. Жуковского «ХАИ», Украина

2ОАО «Мотор Сич», Украина

ЭФФЕКТИВНОСТЬ ГАЗОТУРБИННОГО ПРИВОДА С ВВОДОМ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ПАРА

Приводятся расчётные данные о влиянии ввода энергетического пара на климатическую характеристику газотурбинного привода семейства Д-336 с номинальной мощностью 6,3 МВт. Проточная часть и характеристики элементов привода остались без изменений. Теплофизические свойства определены с учётом доли пара в парогазовой смеси. Для генерации пара используется котёл-утилизатор, использующий теплоту продуктов сгорания после свободной турбины. Рассмотрены различные способы ввода пара в проточную часть. Проанализирована их эффективность при различных законах регулирования установки. Определены расчётные значения параметров энергетической эффективности, возможные ограничения по техническим параметрам двигателя.

газотурбинный привод, парогазотурбинная установка, когенерация, ПГТУ, STIG, ввод пара

Введение

Одним из способов повышения эффективности работы газотурбинной установки является ввод пара в проточную часть двигателя. Пар получают за счёт утилизации теплоты выхлопных газов в парогенераторе. За рубежом такая схема работы ГТУ получила название STIG (Steam Injected Gas Turbine). Существует ряд успешных решений введения пара в проточную часть ГТУ с целью увеличения выходной мощности привода. Примером могут служить газотурбинные установки компании General Electric LM1600, LM2000, LM2500, с выходной мощностью 16, 23,2, 27,4 МВт и эффективным КПД 37…39%.

Традиционный подход к термогазодинамическому анализу заключается в сохранении значений параметров исходного газотурбинного привода (ГТП) на номинальном режиме работы. Однако для реального привода сохранение суммарной степени повышения давления, температуры газов перед турбиной и расхода циклового воздуха не всегда может быть выдержано при конвертировании. Внешние воздействия в виде добавки массы пара или жидкости, а также дополнительные гидравлические сопротивления смещают рабочую точку на характеристике элемента от её номинального положения. В ряде случаев указанные воздействия могут даже ухудшить режим работы ГТП.

1. Цель работы

В данной работе рассмотрено влияние ввода энергетического пара на характеристики газотурбинного привода Д-336 мощностью 6,3 МВт при работе его на влажном воздухе. Определены границы устойчивой работы исходного (без изменения элементов) привода, эффективный КПД, мощность и удельный расход топлива в области устойчивой работы ГТП.

2. Исходные положения

Газотурбинный привод Д-336 представляет собой двухвальный газогенератор со свободной турбиной. Кроме него в состав установки входит котёл-утилизатор (КУ), предназначенный для получения пара за счёт теплоты выхлопных газов. В нашем случае пар может подаваться перед турбиной высокого давления (ТВД) и силовой турбиной (СТ).

Полученный парогаз (смесь пара и продуктов сгорания) расширяется в турбинах, совершая полезную работу. Далее, проходя через КУ, генерирует пар и выбрасывается в атмосферу. Последнее обстоятельство является причиной безвозвратных потерь воды с выхлопным парогазом, которые являются одним из недостатков STIG-схем.

КУ имеет следующие параметры: давление пара 20 бар, недогрев получаемого пара по отношению к температуре газов за свободной турбиной (СТ) составляет 50К, разница температур в пинч-точке 10К, коэффициент восстановления полного давления 0,951, температура питательной воды равна температуре окружающей среды. Относительная влажность воздуха в расчётах принималась 70%, давление 0,1013 МПа.

Расчёты проводились для двух программ регулирования двигателя: с постоянной температурой газа перед рабочим колесом (РК) ТВД (ТРК ТВД=const), и с постоянной мощностью СТ (NCT=const). Для обеих программ регулирования сохранялись постоянными обороты СТ (nCT=const). В тех случаях, когда в результатах расчёта не указана частота вращения СТ, обороты равнялись 7160 об/мин. Температура газа перед РК ТВД составляла 1280К при работе привода по программе регулирования ТРК ТВД=const. Затраты мощности на повышение давления воды и преодоление гидравлических потерь по “мокрой” части КУ не учитывались ввиду их малости.

Климатическая характеристика исходного привода при работе на влажном воздухе (с естественной влажностью) по первой программе регулирования ТРК ТВД=1280К представлена в таблице 1. Резкий “провал” мощности при входных температурах 313К…318К вызван срабатыванием клапанов перепуска воздуха в КНД.

Климатическая характеристика ГТП Д-336-6,3                           Таблица 1

Т, К

274,15

278,15

283,15

288,15

293,15

298,15

303,15

308,15

313,15

318,15

323,15

N, МВт

7,35

7,09

6,76

6,29

5,87

5,50

5,16

4,85

4,59

4,09

3,97

?е , %

31,42

31,22

30,88

30,08

29,29

28,54

27,81

27,10

26,42

24,92

24,51

??

17,57

17,13

16,59

15,89

15,25

14,68

14,14

13,64

13,18

12,34

12,11

сУД,
кг т./кВтч

0,2290

0,2305

0,2330

0,2392

0,2457

0,2521

0,2588

0,2655

0,2724

0,2888

0,2935

GВ, кг/с

35,65

34,75

33,65

32,23

30,93

29,78

28,68

27,66

26,73

27,54

27,01

3. Результаты

Результаты расчётов климатической характеристики при вводе энергетического пара представлены на рисунках 1…12. На рисунках 9…12 показано влияние числа оборотов СТ, количества и места ввода энергетического пара на параметры ГТП при работе с постоянной выходной мощностью 6,3 МВт.

Приняты следующие обозначения:

  • число в процентах указывает долю подаваемого пара от общего количества пара, вырабатываемого в КУ;
  • пар вводится перед узлом, аббревиатура которого указана на рисунке;
  • по умолчанию принята программа регулирования ТРК ТВД=const;
  • программа регулирования NCT=const и другая частота вращения СТ указывались явно.

На рисунке 1 изображена зависимость мощности установки от температуры входного воздуха при различных способах впрыска пара в тракт ГТП. Линии, убывающие с ростом температуры, соответствуют режимам с ТРК ТВД=const. Видно, что введение всего количества пара перед СТ негативно сказывается на мощности установки. Это вызвано срабатыванием клапанов перепуска воздуха КНД, значительным понижением температуры перед СТ и дополнительным гидравлическим сопротивлением КУ.

Влияние открытия клапанов перепуска воздуха хорошо иллюстрируется на графике удельной мощности. Момент их открытия соответствует резкому её падению. Открытие клапанов вызвано увеличением расхода газа через СТ за счёт добавки пара, выработанного в КУ (см. рис.7).

Мощность ПГТУ
Рис. 1. Мощность ПГТУ
Удельная мощность ПГТУ
Рис. 2. Удельная мощность ПГТУ
Эффективный КПД ПГТУ
Рис. 3. Эффективный КПД ПГТУ
Удельный расход топлива ПГТУ
Рис. 4. Удельный расход топлива ПГТУ
Температура газа за камерой сгорания
Рис. 5. Температура газа за камерой сгорания
Температура газа перед РК ТВД
Рис. 6. Температура газа перед РК ТВД
Расход получаемого пара в КУ
Рис. 7. Расход получаемого пара в КУ
Температура получаемого пара в КУ
Рис. 8. Температура получаемого пара в КУ
Эффективный КПД ПГТУ
Рис. 9. Эффективный КПД ПГТУ
Удельная мощность ПГТУ
Рис 10. Удельная мощность ПГТУ
Удельный расход топлива ПГТУ
Рис. 11. Удельный расход топлива ПГТУ
Расход получаемого пара в КУ
Рис. 12. Расход получаемого пара в КУ

Эффективный КПД установки растёт за счёт утилизации теплоты выхлопных газов. Меньший удельный расход топлива обусловлен той же причиной. В целом же эта схема переделки исходного привода без изменения характеристик силовой турбины нецелесообразна.

Частичное введение пара перед ТВД при работе по программе регулирования ТРК ТВД=const благоприятно сказывается на характеристиках привода, но сдвигает климатическую характеристику в область повышенных температур. Причём введение части пара перед СТ расширяет температурный диапазон работы привода на 8…10К в область пониженных температур, несколько увеличивает выходную мощность установки и существенно улучшает удельные показатели — эффективный КПД, удельную мощность и удельный расход топлива по сравнению с вводом пара только перед ТВД. Хотя введение пара перед ТВД оказывает большее влияние на характеристики исходного привода по сравнению с влиянием ввода пара перед СТ. Из рисунка 5 видно, что для обеспечения постоянной температуры газа перед РК ТВД при введении пара необходимо поднимать температуру в камере сгорания.

Эффективность приводов при работе по программе регулирования NCT=const оказывается значительно выше эффективности исходного привода. Расчёты проводились для трёх постоянных выходных мощностей 6,3 МВт, 7,0 МВт и 8,0 МВт. При работе ГТУ с вводом всего пара перед ТВД по программе регулирования NCT=const в области высоких температур улучшение характеристик привода оказывается больше, чем при работе по программе ТРК ТВД=const, несмотря на то, что в последнем случае вырабатывается большее количество пара (см. рис. 7). Это объясняется тем, что при работе по программе регулирования NCT=const перед ТВД подаётся весь пар, а при работе по программе ТРК ТВД=const лишь часть. В результате фактический расход пара перед ТВД оказывается меньше.

Повышение мощности ГТП с 6,3МВт до 7 МВТ и 8 МВт реализуется за счёт увеличения температуры перед РК ТВД на 20К и 50К, соответственно. Необходимо отметить, что при работе ГТУ по программе регулирования с NCT=const в рассмотренном интервале температур входного воздуха температура перед РК ТВД не достигла своего максимально допустимого значения 1280К (см. рис. 5). Причиной этого служит большее количество вводимого пара по сравнению с режимами ТРК ТВД=const.

Наличие экстремумов на графиках эффективного КПД и удельного расхода топлива (см. рис. 3…4 и 9…10) для режимов с NCT=const объясняется совокупным влиянием характеристик всех узлов привода и котла-утилизатора. Точки экстремума можно считать точками “новых” оптимальных режимов работы ГТУ.

На рисунках 9…12 показано влияние числа оборотов СТ, количества и места ввода энергетического пара на параметры ГТП при работе с постоянной выходной мощностью 6,3 МВт. Расширение температурного диапазона работы газотурбинного привода может быть обеспечено либо увеличением частоты вращения ротора СТ (если это допускается потребителем), либо перераспределением количества подаваемого пара. При этом следует учитывать, что введение пара перед ТВД ведёт к увеличению частоты вращения роторов высокого и низкого давлений для которых существуют ограничения по значениям абсолютных и приведенных частот вращения.

Выводы

При конвертировании привода с сохранением исходных характеристик элементов и программе регулирования NCT=const следует вводить максимальное количество пара перед ТВД. Для получения максимальной мощности следует применять программу регулирования ТРК ТВД=const с частичным вводом пара перед ТВД и СТ. При этом требуют детального рассмотрения вопросы о максимальных частотах вращения роторов и максимальной температуре в камере сгорания.

Предпочтительным для данного двигателя при вводе энергетического пара является режим с постоянной выходной мощностью, равной 7 МВт. В этом случае обеспечивается устойчивая работа привода до температуры входного воздуха +60°С, а эффективный КПД установки составляет 34,5…35,2%.

Необходимы дальнейшие исследования по определению совместного влияния охлаждения циклового воздуха [1], ввода энергетического пара и регенерации воды [2] на характеристики привода. В отдельном исследовании нуждается вопрос о вариантах изменения исходных характеристик элементов и узлов привода с целью обеспечения наиболее экономичного режима работы полученной установки.

Литература

1. Эффективность газотурбинного привода с охлаждением циклового воздуха /И.И. Петухов, А.В. Минячихин, Р.Л. Зеленский, П.Д. Жеманюк, Ф.Г. Сорогин, А.И. Таран // Авиационно-космичес­кая техника и технология – 2004. – N8/16.-С. 13-15.

2. Анализ рабочего процесса и разработка отдельных элементов демонстрационной  и промышленной и  промышленной ПГТУ-СВРВ на основе авиационных ГТД: (Отчёт о НИР)/Харьк.  авиац.  ин-т (ХАИ); Руководитель темы С.Д. Фролов.– NГР0197U004728; Инв.N0298U00625.– Харьков, 1997.– 115 с.

Поступила в редакцию 04.06.2005г

Рецензент: д-р техн. наук, профессор, Горбенко Г.А., Национальный аэрокосмический университет “ХАИ” им. Н.Е. Жуковского, г. Харьков