Технические науки/ 5.Энергетика.

Осипов Б.М., к.т.н., профессор КГЭУ,

Румянцев В.М., аспирант КНИТУ-КАИ

Казанский научно исследовательский технический университет-КАИ им. А.Н. Туполева

Исследование цикла Брайтона - Ренкина с целью увеличения термодинамических параметров.

Термодинамический цикл, эффективность, турбодетандер, установка, низкокипящее рабочее тело.

Одним из направлений повышения эффективности ГТУ считается усложнение рабочего цикла двигателя за счет введения в тепловую схему промежуточного охлаждения (ПО) воздуха между каскадами компрессоров, промежуточного подогрева (ПП) газа между турбинами по отдельности или ПО и ПП вместе, а также нетрадиционного способа – применения турбины перерасширения (обращенный газогенератор) и использование низкопотенциальной энергии промышленных предприятий[1].

Для энергетических установок, утилизирующих низкопотенциальную энергию, применяют низкокипящие рабочие тела (НРТ), которые имеют достаточно высокие давления насыщенных паров при низких температурах и поэтому давно привлекают внимание разработчиков в различных областях энергетики и, в частности, в геотермальной энергетике[1]. В качестве НРТ применяют фреоны, водный раствор аммиака, пентан, изопентан, бутан, изобутан и др. [1].

В качестве расширительных машин и приводов электрогенераторов в цикле Ренкина могут быть использованы радиально-осевые центростремительные турбины, которые нашли широкое применение, например, в областях криогенной техники (турбодетандеры в ожижителях природного газа, в воздухо-разделительных установках). Данный тип турбин обеспечивает достаточно высокую эффективность преобразования энергии при не больших расходах и при относительно больших степенях расширения рабочего тела.

Применение органического цикла Ренкина позволяет получить более низкие рабочие температуры, относительно высокие рабочие давления в цикле и, соответственно, меньшую частоту вращения турбины. При этом получаются приемлемые, с технологической точки зрения, размеры рабочих колёс, относительно высокие значения термического КПД цикла и изоэнтропийного КПД турбины [2].

В данной работе предлагается схема усложненного цикла Брайтона – Ренкина с контуром низкокипящей жидкости и со ступенчатым подводом и отводом тепла позволяющий значительно повысить эффективный КПД установки. Рабочее тело второго контура используется как газ для получения полезной работы, и как жидкость для ступенчатого отвода тепла в ГТУ. Такое решение дает возможность существенно повысить эффективный КПД при данных атмосферных условиях. При этом увеличение удельной мощности основного газогенератора за счет входа холодного воздуха в компрессор газогенератора позволяет не только покрыть большую часть потребляемой энергии теплового насоса, но и получить избыток мощности для привода электрогенератора, что является еще одним преимуществом предлагаемой схемы.

Математическая модель энергоустановки на базе ГТУ НК-16СТ была создана с помощью программного комплекса ГРЭТ (Газодинамические Расчеты Энергетических Турбомашин). С использованием данного программного комплекса было проведено численное исследование установки при изменяющейся внешней температуре от 0°С +50°С, получены зависимости параметров ГТУ по тракту в том числе суммарный КПД установки.

Основные характеристики двигателя типа НК-16СТ при стандартных атмосферных условиях (САУ) (температуре 288 К и давлении 0,101325 МПа) представлены в табл. 1

Таблица 1

Температура газа перед свободной турбиной:	Тг = 1067К
Суммарная степень повышения давления в компрессорах:	pк = 9.68
Расход воздуха через газогенератор:	Gв = 96 кг/с
Расход топлива:	Gт = 4052 кг/ч
Мощность:	Nе = 16МВт
Эффективный КПД ГТУ при САУ:	ηэф = 29%

Для повышения тепловой экономичности и для создания энергетической установки, состоящей из газотурбинной установки и контура с НРТ, предлагается схема, представленная на рис. 1.

Рис. 1 Схема газотурбинной установки с контуром низкокипящей жидкости.

Приведены графики зависимостей эффективного КПД и мощности от атмосферных условий рис. 2, 3.

Рис.2 Зависимость эффективного КПД от атмосферных условий.

Рис.3 Зависимость мощности от атмосферных условий.

Расчетным путем показано, что использование газотурбинной установки НК-16СТ совместно с контуром низкокипящей жидкости позволяет увеличить выработку электроэнергии на 12,08 МВт – суммарно доуровня 28,08 МВт с общей эффективностью 50%. При этом, в области положительных температур внешней среды, эти параметры практически остаются постоянными.

Литература:

1. Перспективы применения энергетических установок с низкокипящими рабочими телами. Гринман М.И. к.т.н., Фомин В.А. к.т.н. ООО «Комтек-Энергосервис», С-Петербург - 2008.- с. 58-62.

2. Румянцев М.Ю., Захарова Н.Е., Поликарпов А.В. Высокоскоростные турбогенераторы для автономных энергетических установок малой мощности с использованием низкопотенциального тепла. Труды всероссийской научно-практической конференции «Повышение надежности и эффективности эксплуатации электрических станций и энергетических систем», ЭНЕРГО-2010. В двух томах. Том 1. Издательский дом МЭИ. - 2010.-с. 240-243.