Введение к работе
Актуальность проблемы. Энергетические установки, базирующиеся на газотурбинных технологиях, газотурбинные установки (ГТУ) и парогазовые установки (ИГУ) различных типов, находят широкое применение в электроэнергетике многих стран, в том числе и стран с жарким климатом.
Доля газотурбинных станций в энергетике Ирака составляет 77%, остальные мощности приходятся на паротурбинные и гидравлические электростанции.
В настоящее время в Ираке существует нехватка генерирующих мощностей, особенно в летний период, когда растет потребление и снижается максимальная мощность ГТУ.
Существенную роль газотурбинные электростанции играют также в энергетике Ирана, Саудовской Аравии и ряда других стран с жарким климатом
Энергетическая эффективность ГТУ достаточно сильно зависит от температуры воздуха, поступающего на вход компрессора этой установки. С ростом данной температуры происходит снижение КПД и максимальной мощности ГТУ. Указанные обстоятельства значительно уменьшают энергетическую и экономическую эффективность ГТУ, работающих в странах с жарким климатом.
Очевидно, что повышение эффективности ГТУ и ПГУ при работе в условиях высоких температур наружного воздуха имеет важное хозяйственное значение для целого ряда стран.
В связи со сказанным, актуальной является разработка таких технических решений, которые бы сократили отрицательное воздействие высоких температур наружного воздуха на энергетическую и экономическую эффективность энергетических установок, основанных на газотурбинных технологиях.
К таким решениям относятся, в первую очередь, различные способы снижения температуры воздуха на входе в компрессор, а также переход к комбинированным циклам производства электроэнергии (ПГУ различных типов и др.), у которых температура входного воздуха оказывает меньшее влияние на энергетическую эффективность, чем у ГТУ простого цикла.
Вопросам повышения эффективности ГТУ и ПГУ, работающих в условиях высоких температур наружного воздуха, посвящено достаточно много работ, выполненных в разных странах.
Влияние температуры наружного воздуха на максимальную мощность и энергетическую эффективность ГТУ и ПГУ рассмотрено в работах Arrieta R.P., Lora E.S., Nasser A.M., El-Kalay M.A. Авторы проводили поверочные расчеты ГТУ и ПГУ с заранее известными конструктивными характеристиками при различных температурах наружного воздуха. Показано, что при снижении температуры окружающей среды увеличивается как максимальная электрическая мощность, так и энергетическая эффективность выработки электроэнергии. В работах Boonnasa S. , Ameri M., Habbo А. рассматривались вопросы охлаждения наружного воздуха на входе в компрессор ГТУ и ПГУ. Изучались системы охлаждения на основе поверхностных охладителей холодной водой, впрыска воды в воздух, абсорбционных и парокомпрессионных холодильных машин. Thamir K. I., сравнивает испарительное охлаждение, охлаждение с использованием парокомпрессионной и абсорбционной холодильных машин. Автор описывает влияние относительной влажности на эффективность испарительного охлаждения. Изменение мощности газотурбинных электростанций в зависимости от температуры воздуха на входе в компрессор представлено в работах Ondryas I.S., Wilson D.A., Kawamoto M., и Chiesa P.
Следует отметить, что приведенные работы базируются на вариантных поверочных расчётах технологических схем рассматриваемых теплоэнергетических установок, при их заранее заданных конструктивных характеристиках. Вопросы оптимизации параметров установок, работающих при различных, в том числе высоких, температурах наружного воздуха не рассматриваются. Также не рассматриваются вопросы оптимизации параметров собственно систем охлаждения наружного воздуха.
Исходя из сказанного, целями данной работы являются:
-
Разработка подхода к оптимизации параметров ПГУ (на примере ПГУ-STIG), работающей при переменных, в том числе высоких, температурах наружного воздуха.
-
Исследование эффективности охлаждения входного воздуха ПГУ и ГТУ:
а) речной водой в поверхностном теплообменниках;
б) за счёт впрыска в цикловой воздух воды с её полным испарением.
-
Оптимизация конструктивных и режимных характеристик системы охлаждения, основанной на использовании поверхностных теплообменников, в которых цикловой воздух охлаждается речной водой.
-
Сопоставление энергетической и экономической эффективности ПГУ и ГТУ в вариантах:
а) без охлаждения наружного воздуха;
б) с охлаждением воздуха за счёт передачи тепла речной воде в поверхностных
теплообменниках;
в) с охлаждением воздуха за счёт впрыска и испарения воды. Научная новизна:
Впервые дана постановка и предложен метод решения задачи оптимизации параметров ПГУ (на примере ПГУ-STIG) с учётом работы в условиях изменяющихся температур наружного воздуха. Метод основан на последовательном использовании математических моделей, ориентированных на проведение конструкторских и поверочных расчетов.
Предложен оригинальный метод оптимизации параметров системы охлаждения наружного воздуха водой в поверхностном теплообменнике, учитывающий влияние этих параметров как на затраты в саму систему охлаждения, так и в энергетическую установку.
Для условий г. Мосул (Ирак) с использованием разработанных методов проведены сопоставления энергетической и экономической эффективности ПГУ-STIG и ГТУ простого цикла при использовании систем охлаждения наружного воздуха в поверхностных теплообменниках и систем охлаждения воздуха за счет впрыска воды.
Практическая ценность работы: заключается в возможности использовании разработанной методики на стадии проектирования новых парогазовых электростанций или реконструкции существующих газотурбинных электростанций в условиях жаркого климата. Причём разработанная методика позволяет учесть климатические характеристики конкретной местности.
Апробация работы: Результаты диссертационных исследований обсуждались на:
-
Всероссийских научно-практических конференциях «Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири» (Иркутск: ИрГТУ, 2010, 2011,2012 г.г.)
-
конференциях-конкурсах научной молодежи ИСЭМ СО РАН (Иркутск, 2010,2011,2012г.г.)
Публикации Основные результаты работы опубликованы в 9 печатных изданиях, из которых одна публикация в издании, входящем в перечень рекомендуемых изданий ВАК.
Структура и объем работы
