Технические науки/5. Энергетика
Гафуров А.М.
Казанский
государственный энергетический университет, Россия
Повышение экономической
эффективности газотурбинных двигателей типа НК-16СТ на 12% при использовании
обращенного газогенератора, охлаждаемого низкокипящим рабочим контуром
Газотурбинный двигатель является основным
нагнетателем природного газа в газоперекачивающих агрегатах (ГПА) компрессорных
станций в Единой системе газоснабжения (ЕСГ) России и стран СНГ. На долю таких
двигателей приходится более 86% от суммарной установленной мощности всех
эксплуатируемых приводов.
Двигатель НК-16СТ конструкции ОКБ Кузнецова
создан на базе авиационного двухконтурного двигателя НК-8-2У семейства
двигателей НК. Базовый двигатель применяется в качестве силовой установки
самолета Ту-154.
Двигатель НК-16СТ предназначен для работы в
составе газоперекачивающего агрегата ГПА-Ц-16/76 разработки Сумского
машиностроительного научно-производственного объединения (СМНПО) им. Фрунзе по
заказу Министерства газовой промышленности. Двигатель создавался в течении
1979...1982 гг.
Конструктивно двигатель состоит из 2-х модулей –
газогенератора (ГГ) (собственно базового двигателя с доработками) и силовой
турбины (СТ). Каждый модуль имеет свою раму для крепления, что позволяет при
необходимости заменять двигатель целиком или отдельно ГГ и СТ.
Технологическая схема газотурбинной установки
НК-16СТ представлена на рис.1.
Рис.1.
Технологическая схема газотурбинной установки НК-16СТ: КВД, КНД – Компрессор
высокого и низкого давления; КС – Камера сгорания; ТВД, ТНД – Турбина высокого
и низкого давления; СТ – Силовая турбина; ЭГ – Электрогенератор.
Атмосферный воздух через входное очистительное
устройство и камеру всасывания (рис. 1) входит в двигатель. В компрессорах КНД
и КВД сжимается и поступает в камеру сгорания. В камере сгорания в потоке
воздуха сжигается топливо (природный газ), поступающее через форсунки. Из
камеры сгорания горячие газы направляются на лопатки турбин. В турбине ГГ часть
тепловой энергии газового потока превращается в механическую энергию вращения
роторов турбин ТВД и ТНД. Мощность турбины ТВД расходуется на вращение ротора
компрессора КВД, турбина ТНД вращает ротор компрессора КНД. Оставшаяся часть
тепловой энергии газового потока, поступившего в силовую турбину, превращается
в механическую энергию вращения ротора СТ и жестко связанного с ним ротора
электрогенератора.
С помощью автоматизированной системы
газодинамических расчетов энергетических турбомашин (АС ГРЭТ) была составлена
математическая модель (ММ) двигателя типа НК-16СТ и проведены расчеты. АС ГРЭТ
позволяет моделировать и проводить термогазодинамические расчеты связанные с
проточной частью газотурбинных машин, комбинированных двигателей и установок, и
двигателей с изменяемым рабочим процессом [1].
Основные результаты расчета ММ двигателя типа
НК-16СТ представлены в таблице 1, для параметров окружающего воздуха равными
температуре 288 К и давлению 0,1013 МПа.
Таблица 1
|
Показатель параметра, размерность |
Значение параметра |
|
Расход
воздуха в компрессор, кг/с |
99,98 |
|
Расход
топливного газа, кг/с |
1,3441 |
|
Расход
продуктов сгорания на выхлопе, кг/с |
100,67 |
|
Температура
газа на срезе выхлопного патрубка, К |
663,33 |
|
Мощность,
кВт |
16000,458 |
|
Эффективный
КПД, % |
27,723 |
Для повышения тепловой экономичности и для
создания энергетической установки, состоящей из газотурбинного двигателя типа
НК-16СТ и обращенного газогенератора, охлаждаемого низкокипящим рабочим
контуром, предлагается схема, представленная на рис.2 [2].
Рис.2.
Технологическая схема газотурбинной установки типа НК-16СТ с обращенным газогенератором,
охлаждаемого низкокипящим рабочим контуром: ТП – Турбина перерасширения; ДК –
Дожимной компрессор; ТО1, ТО2 – Теплообменник-охладитель первой и второй
ступени; ТД1, ТД2 – Турбодетандер; АВО1, АВО2 – Аппарат воздушного охлаждения;
КН1, КН2 – Конденсатный насос; ЭГ1, ЭГ2, ЭГ3 – Электрогенератор.
Наружный воздух поступает во входное устройство,
компрессор и камеру сгорания, турбину для привода компрессора, силовую турбину
и турбину перерасширения. Давление за турбиной перерасширения ниже атмосферного
и может достигать величин 0,05 МПа. При этих параметрах отработавшие газы
поступают в теплообменник-охладитель первой ступени охлаждения, дожимающий
компрессор и теплообменник-охладитель второй ступени охлаждения. Мощность
силовой турбины передается соединенному на одном валу основному
электрогенератору.
Применение ступенчатого отвода тепла, который
может быть реализован установкой обращенных газогенераторов различных
модификаций, обеспечивающих понижение давления за силовой турбиной практически
любого газотурбинного двигателя. Позволит повысить эффективный КПД двигателя
типа НК-16СТ, без существенного изменения исходных ресурсов и надежности.
Обращенный газогенератор (он же вакуумирующий агрегат (ВА) или турбоутилизатор
выхлопных газов) может устанавливаться в существующем газоходе за силовой
турбиной основного двигателя.
Обращенный газогенератор состоит последовательно
из турбины перерасширения, теплообменника-охладителя и дожимающего компрессора.
При установке вакуумирующего агрегата за силовой турбиной устанавливается
давление ниже окружающей среды, что увеличивает теплоперепад на силовой турбине
газотурбинного двигателя (ГТД). Сам ВА может быть установлен практически за
любым типом ГТД – существующих и перспективных параметров [3].
В качестве теплоносителя и рабочего тела
используется вещество метанол, которое не используется в традиционных паровых
энергоустановках и имеет отличные от воды теплофизические свойства. Таким
образом, для энергетических установок, утилизирующих низкопотенциальную
энергию, применяют низкокипящие рабочие тела (НРТ), которые имеют достаточно
низкую температуру кипения. В качестве НРТ применяют различные углеводороды:
пентан, изопентан, бутан, изобутан и др., получившие название органический цикл
Ренкина.
В качестве расширительных машин и приводов
электрогенераторов в цикле Ренкина малой мощности могут быть использованы
радиально-осевые центростремительные турбины, которые нашли широкое применение,
например, в областях криогенной техники. Данный тип турбин обеспечивает
достаточно высокую эффективность преобразования энергии при небольших расходах
и при относительно больших степенях расширения рабочего тела.
Преобразование низкопотенциальной тепловой
энергии отработавших газов в механическую и далее в электрическую происходит в
первом и втором замкнутых контурах охлаждения с низкокипящим рабочим телом
(метанолом). Весь процесс для первого замкнутого контура охлаждения начинается
с сжатия в конденсатном насосе жидкого метанола, который направляется на
подогрев в теплообменник-охладитель первой ступени, куда поступают отработавшие
газы турбины перерасширения (при температуре около 566,36 К). Температура
кипения метанола сравнительна низка (337,63 К при нормальных условиях), поэтому
в теплообменнике-охладителе он быстро переходит в газообразное состояние, после
чего, имея температуру перегретого газа (543,15 К), направляется в
турбодетандер первого контура с низкокипящим рабочим телом.
Процесс настроен таким образом, что в
турбодетандере не происходит конденсации метанола в ходе срабатывания
теплоперепада. Мощность турбодетандера первого контура передается соединенному
на одном валу электрогенератору. На выходе из турбодетандера метанол имеет
температуру около 338,69 К с влажностью не превышающей 12%, его температура
снижается в конденсаторе воздушного охлаждения первого контура. После конденсатора
в жидком состоянии метанол сжимается в конденсатном насосе и направляется на подогрев
и испарение в теплообменник-охладитель первой ступени. Аналогичный процесс
происходит во втором замкнутом контуре охлаждения с низкокипящим рабочим телом
(метанолом), после дожимающего компрессора.
Аппараты воздушного охлаждения (АВО) наиболее эффективны
в тех случаях, когда они предназначены для снижения температуры до 333 К и
давлении до 6,4 МПа. АВО имеют более длительный срок службы по сравнению с
аппаратами водяного охлаждения из-за меньшего загрязнения и коррозии наружной
поверхности теплообмена.
Результаты расчета технологической схемы
газотурбинной установки типа НК-16СТ с обращенным газогенератором, охлаждаемого
низкокипящим рабочим контуром представлены в таблице 2:
Таблица 2
|
Показатель параметра,
размерность |
Значение параметров |
||
|
Газотурбинный
двигатель |
ГТД |
||
|
Расход
воздуха в компрессор, кг/с |
95,34 |
||
|
Температура
в камере сгорания, К |
1100 |
||
|
Расход
топливного газа, кг/с |
1,0878 |
||
|
Температура
газа за турбиной перерасширения, К |
566,36 |
||
|
Давление
газа за турбиной перерасширения, МПа |
0,053 |
||
|
Температура
газа на входе в дожимающий компрессор, К |
383 |
||
|
Давление
газа на входе в дожимающий компрессор, МПа |
0,0508 |
||
|
Температура
газа на выходе из дожимающего компрессора, К |
475,62 |
||
|
Температура
выхлопных газов, К |
378,15 |
||
|
Расход
продуктов сгорания на выхлопе, кг/с |
91,99 |
||
|
Мощность,
МВт |
15,997 |
||
|
Эффективный
КПД, % |
30 |
||
|
Теплообменник-охладитель
первой и второй ступени |
ТО1 |
ТО2 |
|
|
Температура
метанола, К |
вход |
339,4 |
337,68 |
|
выход |
543,15 |
453,15 |
|
|
Давление
метанола, МПа |
вход |
8,41 |
2,42 |
|
выход |
7,9 |
2,27 |
|
|
Расход
метанола, кг/с |
13,5 |
7,64 |
|
|
Теплопроизводительность,
кВт |
17216 |
9056 |
|
|
Турбодетандер |
ТД1 |
ТД2 |
|
|
Температура
метанола, К |
вход |
543,15 |
453,15 |
|
выход |
338,69 |
338,69 |
|
|
Давление
метанола, МПа |
вход |
7,9 |
2,27 |
|
выход |
0,1056 |
0,1056 |
|
|
Расчетный
изоэнтропийный КПД [4] |
0,87 |
0,87 |
|
|
Вырабатываемая
мощность, МВт |
4,2086 |
1,651 |
|
|
Аппарат воздушного
охлаждения |
АВО1 |
АВО2 |
|
|
Температура
охлаждаемого метанола, К |
вход |
338,69 |
338,69 |
|
выход |
337 |
337 |
|
|
Давление
охлаждаемого метанола, кПа |
вход |
105,6 |
105,6 |
|
выход |
101,37 |
101,37 |
|
|
Температура
охлаждающего воздуха, К |
вход |
298,15 |
298,15 |
|
выход |
318,15 |
318,15 |
|
|
Расчетная
поверхность теплообмена, м2 |
7875 |
4456 |
|
|
Объемный
секундный расход охлаждающего воздуха, м3/с |
551 |
312 |
|
|
Потребляемая
мощность на электродвигатель вентилятора, кВт |
130 |
74 |
|
|
Конденсатный насос |
КН1 |
КН2 |
|
|
Давление
метанола, кПа |
вход |
101,37 |
101,37 |
|
выход |
8410 |
2420 |
|
|
Температура
метанола, К |
вход |
337 |
337 |
|
выход |
339,4 |
337,68 |
|
|
Расход
метанола, кг/с |
13,5 |
7,64 |
|
|
Потребляемая
мощность, кВт |
180 |
29 |
|
|
Основные показатели |
|||
|
Теплота,
подведенная с топливом в камере сгорания ГТД, кВт |
52790,1 |
||
|
Суммарная полезная
электрическая мощность комбинированной установки с учетом затрат на КН и АВО,
кВт |
21109 |
||
|
Эффективный
КПД комбинированной установки, % |
40 |
||
|
Удельный
расход условного топлива на выработку электроэнергии в комбинированной
установке, кг/кВт.ч |
0,307 |
||
Для определения значений энтальпий, плотности,
теплоемкости метанола использовалась электронная база данных NIST Chemistry
WebBook [5]. Одна из крупнейших термодинамических баз данных Национального
института стандартов и технологий США.
Применение низкокипящего рабочего тела
(метанола) в качестве рабочего тела позволяет создать компактную малогабаритную
турбину, так как объемный расход пара через последнюю ступень в случае
применения метанола значительно уменьшается. Так, при температуре конденсации 338
К, удельный объем водяного пара составляет 6,2327 м3/кг при давлении
0,0248 МПа, в то время как у метанола – 0,807 м3/кг при давлении
0,103 МПа. В результате в низкокипящем рабочем контуре отсутствует вакуумная
система удаления воздуха из конденсатора со всеми ее эксплуатационными
проблемами. Это позволяет создавать конструкции минимальных габаритов из
обычных материалов (низкий уровень температур, минимальные окружные скорости и
напряжения). Турбинная часть установок на метаноле представляет собой газовую
турбину, работающую с низкими параметрами газа и поэтому достаточно надёжную.
Внедрение энергосберегающих технологий,
разработка и применение методик, основанных на принципах рационального
использования энергоресурсов – одно из приоритетных задач ООО "Газпром
энергохолдинг" [6], которое может быть реализовано в предложенной схеме комбинированной
установки.
Выводы:
1) Использование газотурбинного двигателя типа
НК-16СТ с обращенным газогенератором, охлаждаемого низкокипящим рабочим
контуром увеличивает выработку электроэнергии на 5,685 МВт – до уровня 21,109
МВт с общей эффективностью 40% без использования дополнительного топлива и без
увеличения эмиссии вредных веществ. Использование более экономичных
газотурбинных двигателей типа АЛ-31СТН (ОАО УМПО) для газоперекачивающих
станций приведет к еще большому увеличению эффективного КПД комбинированной
установки до 50%;
2) За счет дополнительной выработки
электроэнергии на компрессорных станциях с применением предложенной схеме
комбинированной установки возможно увеличение доли использования
электроприводных центробежных нагнетателей на компрессорных станциях, а также
покрытия затрат на систему воздушного охлаждения компримированного природного
газа высокого давления;
3) Эффективность перехода на низкокипящие
рабочие тела обеспечивает целый ряд преимуществ: а) отсутствие вакуума в установке;
б) меньшие габариты и более высокие значения КПД турбомашин; в) возможность
использования прямоточного теплообменника-испарителя, упрощающего
энергетическую установку; г) отсутствие коррозии элементов установки и эрозии
лопаток турбины.
Литература:
1.
Осипов Б.М., Титов А.В. Автоматизированная система газодинамических
расчетов энергетических турбомашин.
Учебное пособие. – Казань. Изд-во Казан. гос. энерг. Ун-т, 2012. – 277
с.
2.
Гафуров А.М., Осипов Б.М. Газотурбинная установка. Патент RU №
132840, МПК F02С3/04, 23.04.2013.
3.
Перельштейн Б.Х. Новые энергетические системы: Монография. Казань: Изд-во
Казан. гос. техн. ун-та, 2008. – 208 с.
4.
Розеноер Т.М. Расчет турбодетандера: Методические указания по курсу
"Турбомашины низкотемпературной техники". – М.: Изд-во УНЦ МГТУ им.
Н.Э. Баумана "Криоконсул", 2002. – 80 с.