Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор научно-технической литературы по теме
1.1 Анализ существующего оборудования ГТУ 15
1.2 Современные схемы работы ГТУ 17
1.3 Повышение эффективности работы ГТУ в теплый период года 19
1.4 Системы охлаждения воздуха на входе в газотурбинные установки
1.4.1 Увеличение мощности ГТУ путем охлаждения подводимого воздуха. 23
1.4.2 Преимущества и недостатки использования системы охлаждения 24
1.5 Оптимизация работы современных ГТУ 26
1.5.1 Регенерация 26
1.5.2 Впрыск воды 26
1.6 Постановка задачи данной работы 30
Глава 2. Математическая модель работы ГТУ с впрыском воды и регенерацией 32
2.1 Граничные условия и допущения 32
2.2 Методика термогазодинамического расчета ГТУ 34
2.3 Методика расчета камеры сгорания 37
2.4 Анализ рабочих процессов в камере сгорания в соответствии с задачами диссертационного исследования 41
2.5.1 Эффективность использования регенерации тепла уходящих газов 44
2.6 Расчет впрыска воды через воздухозаборник 48
Выводы по главе 2 52
Глава 3. Экспериментальные исследования на опытной
3.1 Конструктивная схема экспериментального стенда 54
3.2 Оборудование экспериментального стенда 56
3.2.1 Пусковое устройство 56
3.2.2 Газовый генератор
3.2.2.1 Центробежный компрессор 58
3.2.2.2 Камера сгорания 59
3.2.2.3 Турбина компрессора (первая турбина)
3.2.3 Силовая турбина 61
3.2.4 Топливная система 61
3.2.5 Система жидкой смазки 62
3.2.6 Система измерения выходной мощности 62
3.3 Модификация экспериментального стенда 63
3.3.1 Система регенерации 63
3.3.1.1 Выбор теплообменника 63
3.3.1.2 Компоненты системы 64
3.3.1.3 Измерение температур 66
3.3.2 Система впрыска воды 67
3.3.2.1 Физический процесс распыления воздушным потоком 67
3.3.2.2 Оборудование необходимое для водораспыления 67
3.4 Функциональные испытания 70
3.4.1 Испытание в нормальном режиме 70
3.4.2 Испытание с регенерацией 71
3.4.3 Испытание с регенерацией и впрыском воды перед компрессом 71
3.5 Расчеты параметров работы компрессора и установки GТ-85-2-H с
впрыском воды и регенерацией 72
Выводы по главе 3 76
Глава 4. Анализ результатов.разроботка рекомендаций по применению 79
4.1. Влияние впрыска воды на эксплуатационные характеристики двухвальной газовой турбины 79
4.1.1 Впрыск воды перед компрессором 79
4.1.2 Впрыск воды за компрессором (перед регенератором) 85
4.2 Влияние впрыска воды на экологические параметры GТ-85-2-H 86
4.3 Влияние регенерации на эксплуатационные характеристики двухвальной газовой турбины 88
4.4. Влияние впрыска воды и регенерации на эксплуатационные характеристики двухвальной газовой турбины 95
4.5 Ограничение объемов (расходов) впрыскиваемой воды в газовую турбину 103
4.6 Выбор оптимального режима работы установки GТ-85-2-H с впрыском воды 106
4.7 Анализ погрешности отклонения расчетных данных от экспериментальных 108
4.7.1 Верификация экспериментальных результатов регенерации и впрыска воды 109
4.7.1.1 Определение погрешности 110
4.7.2 Верификация экспериментальных результатов работы ГТУ с регенерацией
Выводы по главе 4 115
Заключение 118
Список сокращений и условных обозначений 121
Список использованной литературы 124
Список иллюстративного материала
- Системы охлаждения воздуха на входе в газотурбинные установки
- Анализ рабочих процессов в камере сгорания в соответствии с задачами диссертационного исследования
- Система измерения выходной мощности
- Влияние регенерации на эксплуатационные характеристики двухвальной газовой турбины
Введение к работе
Актуальность избранной темы. На современном этапе развития энергетики все большее внимание уделяется внедрению энергосберегающих технологий, повышению эффективности преобразования содержащейся в топливе энергии в электричество и тепло. В связи с глобальным потеплением, а так же с целью более полного использования топливных ресурсов, требуется дальнейшее повышение эффективности работы электростанций. Совершенствование тепловых двигателей идет по пути увеличения КПД и коэффициента использования тепла топлива. В последние годы во многих странах мирах все более широкое применение получают газотурбинные установки (ГТУ) малой, средней и большой мощности. В странах с горячим и сухим климатом, производство электроэнергии от газотурбинных электростанций снижается из-за повышенной температуры и сухости приточного воздуха из окружающей среды.
Охлаждение поступающего воздуха увеличивает его плотность и, следовательно, повышает мощность и эффективность газотурбинной установки.
В данной работе рассмотрены режимы работы ГТУ при впрыске воды в рабочую среду, что повышает полезную мощность газовой турбины с регенерацией, при этом КПД цикла увеличивается. Таким образом, предложенная тема диссертации является актуальной.
Степень разработанности темы. Создателем отечественной школы газотурбостроения в СССР был Маковский В. М. (1870–1941), работавший на кафедре турбостроения при Харьковском механико-машиностроительном институте с 1930 г.
В настоящее время работы в области ГТУ продолжают научные школы кафедры ТЭС МЭИ (ТУ), представители ВТИ, НПО ЦКТИ и др.
Технология впрыска влаги стала наиболее широко использоваться начиная с 2001 г. К известным зарубежным исследователям технологии охлаждения потоков относятся Чакер М., Мехер-Хомжи С.Б, Меe Т.Р. (начиная с 2001 г.), Санджив П.Е, Бхаргава М., Бианчи М., Мелино Ф. и Перетто (с 2003 г.), Ацуши Н., Гариуки Ю., Рухей Ю. и Койчи И. (с 2005 г.) и др., работы которых анализируются в диссертации.
Настоящая работа также посвящена практическому применению технологии впрыска воды при регенерации в ГТУ в условиях Ирака, определяющие их влияние на эксплуатационные характеристики и оптимальные режимы работы двухвальной газовой турбины.
Цель работы. Целью работы является повышение эффективности и экологичности работы газотурбинной установки в климатических условиях Ирака за счет оптимизации режима и места впрыска воды, а также использования системы регенерации.
Задачи исследования:
анализ информационных данных по вопросам впрыска влаги в газовые турбины и использования регенерации;
разработка технологических схем и режимов работы газовой турбины с регенерацией и впрыском воды, работающей в условиях Ирака;
разработка математической модели для исследования влияния впрыска воды и регенерации на эксплуатационные характеристики и рабочие режимы двухвальной газовой турбины, работающей в условиях Ирака;
анализ эффективности работы двухвальной газовой турбины в различных режимах (нормальный, с регенерацией и с впрыском воды), работающей в климатических условиях Ирака, с помощью математического моделирования и экспериментальных исследований;
разработка рекомендаций по применению впрыска воды перед компрессором газовой турбины, работающей в условиях Ирака;
оптимизационные расчёты по величине впрыска с целью повышения эффективности работы газовой турбины.
Научная новизна работы:
-
Разработан новый метод впрыска воды в ГТУ с регенератором, отличающийся от традиционного впрыска пара, осуществляемого в камеру сгорания тем, что производится в воздухозаборник перед компрессором, что позволяет осущестлять парообразование в процессе сжатия воздуха в компрессоре и за счет этого снижать температуру горения топлива в камере сгорания перед газовой турбиной на 14-33 %.
-
Разработана математическая модель ГТУ, на основе которой создан алгоритм расчета, реализованный в виде компьютерной программы, отличающаяся тем, что позволяет одновременно учитывать процессы регенерации и впрыска воды в тракт энергоустановки, производя расчеты эффективности работы и процесса термогазодинамики газотурбинного агрегата.
-
Аналитический и экспериментальный анализ процессов, происходящих в ГТУ с регенерацией и впрыском воды перед компрессором, показал новые возможности увеличения полезной мощности на 47 % и эффективности газотурбинного агрегата на 25 % в условиях Ирака за счет воздействия на режимы работы ГТУ впрыска воды с регенерацией.
4. Впервые для газотурбинных установок малой мощности (до 5 кВт) с регенерацией определен оптимальный расход впрыскиваемой воды, который позволяет получить максимально возможное приращение мощности (на 47 %) и термического КПД ГТУ (на 56 %); впрыск воды перед лопаточным аппаратом компрессора рекомендуется производить в количестве до 0,812 % от общего массового расхода рабочей среды.
Теоретическая и практическая значимость работы:
-
На базе газотурбинного двигателя GТ-85-2-H был разработан опытный стенд, на котором проведены экспериментальные исследования по оптимизации впрыска воды в тракт ГТУ, подтверждающие расчётный эффект.
-
С использованием математической модели режимов работы ГТУ создан комплекс расчетных программ для автоматизированного анализа схем ГТУ с регенерацией и впрыском воды, имеющих практическое значение для теплоэнергетики Ирака.
-
Разработан метод впрыска воды в ГТУ с регенерацией, который позволяет выгорать топливу при пониженных температурах и, за счет этого, понижать прочностные напряжения металла лопаток турбины, что особенно важно для условий Ирака. Это дает возможность при большой потребности в электроэнергии и наличии топливных ресурсов Ирака, увеличивать расход топлива на электростанциях, и, таким образом, повышать полезную мощность ГТУ, работая с большей нагрузкой, особенно в летний период.
Методология и методы диссертационного исследования.
В работе проведен анализ информации по вопросам исследований; выявлены проблемы; определены задачи исследования; проведены теоретические исследования; создана опытная установка, на которой проведены эксперименты по исследованию систем регенерации и впрыска воды на двухваль-ной газотурбинной установке GТ-85-2-H; даны рекомендации по использованию расчетных и экспериментальных характеристик при регенерации и впрыске воды в двухвальной ГТУ и возможности их использования в условиях Ирака.
В работе над диссертацией использовались как теоретические методы с разработкой математического моделирования по определению влияния впрыска воды перед компрессором и за ним и регенерации на эксплуатационные характеристики ГТУ, так и экспериментальные исследования процессов, происходящих в данной газотурбинной установке.
Положения, выносимые на защиту:
новые технические решения по применению впрыска воды на входе в компрессор ГТУ с регенерацией, работающей в условиях Ирака;
математическая модель и компьютерная программа для расчета термогазодинамических характеристик ГТУ с регенерацией и впрыском воды;
оптимальное количество впрыскиваемой воды в воздухозаборник компрессора ГТУ с регенерацией;
комплекс программ на основе модульной конструкции программирования, которые позволяют добавлять или убирать дополнительные модули для уточнения и расширения расчетов ГТУ.
Степень достоверности исследования. Степень достоверности полученных результатов обеспечивается применением современных компьютерных средств, численного моделирования на базе апробированных математических моделей, широко используемых в вычислительных задачах, и хорошим соответствием полученных результатов с данными экспериментальных исследований.
Достоверность и обоснованность полученных результатов подтверждается корректностью допущений математических моделей, для которых использовались фундаментальные законы теплотехники с учетом физических особенностей исследуемых процессов и с применением современной измерительной техники, повторяемостью опытных данных, проведением оценки погрешности измерений, верификацией моделей на основе сравнения с опытными данными стендовых испытаний, и с применением современных вычислительных средств (Microsoft Excel, Grapher, Microsoft Visual-Basic 2010, AutoCAD 2010).
Результаты работы внедрены в:
курсах дисциплин «Турбины ТЭС и АЭС», «Перспективы развития энергетики» и «Природоохранные технологии в энергетике», читаемых для студентов, бакалавров и магистров на кафедре ТЭСиТ ЮРГПУ (НПИ); имеется акт внедрения;
ООО Шахтинская ГТЭС.
Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались на:
- XXXV сессии Всероссийского научного семинара Академии наук РФ
"Кибернетика электрических систем" по тематике "Электроснабжение про
мышленных предприятий", Новочеркасск, ЮРГПУ (НПИ), 2013.
XXI международной заочной научно-практической конференции (Научная дискуссия: вопросы технических наук), Москва, 2014.
НК25 международной заочной научно-практической конференции (Современный взгляд на будущее науки), Уфа, 2014.
ХХХVI Сессии Всероссийского научного семинара «Кибернетика энергетических систем», Новочеркасск, ЮРГПУ (НПИ), 2014.
Личный вклад автора состоит в:
проведении системного анализа информации о газотурбинных энергоустановках, в том числе и в условиях Ираке;
создании экспериментального стенда и проведении исследований режимов работы двухвальной газовой турбины с впрыском воды при регенерации;
разработке математических моделей и компьютерных программ расчета характеристик газовой турбины в условиях Ирака;
разработке методики и комплекса программ термогазодинамических расчетов ГТУ, работающих с регенерацией и впрыском воды, которые существенно ускоряют первичное расчетное исследование и обработку экспериментальных данных. Модульная конструкция программирования позволяет уточнять и расширять задачи расчетов и обработки данных эксперимента.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ, в том числе 4 в журналах из перечня изданий, рекомендованных ВАК.
Объем работы и ее структура. Диссертация состоит из введения, четырёх глав и заключения. Содержит 152 страницы, 61 иллюстрация, 2 таблицы. Список используемых источников включает 106 наименований.
Системы охлаждения воздуха на входе в газотурбинные установки
Горячие газы, образовавшиеся в камере сгорания в результате сжигания топлива, поступают в турбину 3. В турбине газ расширяется, и его внутренняя энергия преобразуется в механическую работу. Отработавшие газы выходят из турбины в окружающую среду (в атмосферу). Часть мощности, развиваемой газовой турбиной, затрачивается на вращение компрессора, а оставшаяся часть (полезная мощность) отдается потребителю через электрогенератор. Мощность, потребляемая компрессором, относительно велика и в простых схемах при умеренной температуре рабочей среды может в 2…3 раза превышать полезную мощность ГТУ [2]. Это означает, что полная мощность собственно газовой турбины должна быть значительно больше полезной мощности ГТУ. В камере сгорания воздух разделяется на два потока: один поток в количестве, необходимом для сгорания топлива, поступает внутрь жаровой трубы ЖТ второй поток обтекает жаровую трубу снаружи и подмешивается к продуктам сгорания для понижения их температуры. Процесс сгорания в камере происходит при постоянном давлении. Получающийся после смешения газ поступает в газовую турбину, в которой, расширяясь, совершает работу, а затем выбрасывается в атмосферу. Развиваемая газовой турбиной мощность частично расходуется на привод компрессора, а оставшаяся часть является полезной мощностью газотурбинной установки. Для современного газотурбостроения характерны рост начальной температуры газа, увеличение степени повышения давления и увеличение температура на входе в турбину. Охлаждение высокотемпературных элементов и применение новых жаропрочных сплавов позволили поднять начальную температуру газа для базовых ГТУ до 1200-1500С, для пиковых до 1200С [3…5]. Степень повышения давления в одном корпусе компрессора достигла 3,0 МПа. При простейшей схеме ГТУ эти параметры обеспечивают КПД установки 23—26% [6,7]. В последние 10-20 лет произошли существенные изменения во всех технологиях охватывающих выработку электроэнергии и энергетических систем. Хотя газовые турбины и не могут удовлетворить всем требованиям, они все же в большой степени покрывают их. В отличие от паротурбинной установки (ПТУ) полезная мощность ГТУ составляет сравнительно небольшую долю от мощности турбины. Долю полезной мощности можно увеличить, подняв температуру газа перед турбиной или снизив температуру воздуха, всасываемого компрессором. В первом случае возрастает работа расширения (используемый теплоперепад) газа в турбине, во втором—уменьшается работа, затрачиваемая на сжатие воздуха в компрессоре. Оба способа приводят к увеличению доли полезной мощности. Эффективность ГТУ в сравнении с другими, тепловыми двигателями обнаруживается только при высокой температуре газа и высокой экономичности турбины и компрессора. Поэтому простой по принципу действия газотурбинный двигатель стал применяться в промышленности, позднее других тепловых двигателей, после того, как был достигнут прогресс в технологии жаропрочных материалов и накоплены необходимые знания в области аэродинамики турбомашин [8…11].
Хотя простой цикл Брайтона имеет приемлемый КПД, он, тем не менее, не принимает во внимание некоторые сложности, с которыми приходится сталкиваться на действующей электростанции в реальности. Часть механической энергии расходуется на вращение ротора компрессора и составляет не менее 51 %. Оставшаяся часть передается через силовую турбину на приводное устройство [12,13]. Следовательно, если оценивать эффективность ГТУ только по соотношению подводимой энергии и механической энергии на валу силовой турбины, то теоретически ее КПД не может превышать 49%. Практически, следствие необратимости термодинамического цикла, потерь на механическое трение, гидравлического сопротивления и других причин значение КПД принимает еще меньшее значение и лежит в диапазоне 22-38 % [14…17]. Помимо увеличения значения T3 (температура на входе турбины, Рисунок 1.1), существуют и другие способы модификации цикла: 1 – регенерация; 2 – впрыск воды или пара; 3– охлаждение рабочей среды компрессора; 4 – нагрев рабочей среды турбины [18].
Регенерация представляет собой внутренний теплообмен в рамках цикла, как показано на Рисунке 1.2. Тепловая энергия горячих газов вытекающих из турбины, повышая температуру воздуха буквально перед входом в камеру сгорания, увеличивает ее энтальпию (теплосодержание). Рациональное и наиболее полное использование подведенной теплоты топлива в камере сгорания ГТУ, т. е. прежде всего уменьшение потерь теплоты с уходящими газами, следует считать задачей большой важности для отрасли как в условиях их эксплуатации. Расчеты показывают, что для перспективных газотурбинных установок коэффициент эффективного использования теплоты топлива может достигать величины порядка 80 % и выше; из них для выработки мощности на валу нагнетателя на уровне 34 - 36 %, а остальное за счет рационального использования теплоты отходящих газов [19,20]. Количество теплоты, которую можно утилизировать в теплоутилизационных теплообменниках, зависит от многих факторов: типа и конструкции ГТУ, мощности и режима ее работы, температуры окружающей среды, типа и конструкции самих теплоутилизационных установок и т. д. Опыт использования газотурбинного энергопривода на компрессорных станциях показывает, что далеко не вся теплота, образующаяся в камере сгорания ГТУ в результате сжигания топлива, полезно используется для выработки мощности на валу турбины. Значительная ее часть теряется безвозвратно, особенно с уходящими из турбины отработавшими продуктами сгорания с температурой 400 - 550 С [21,22].
Впрыск воды является способом, с помощью которого существенно возрастает мощность цикла газовой турбины, при этом КПД увеличивается незначительно. В некоторых силовых установках (на самолетах и в стационарных агрегатах) вода впрыскивается в компрессор и испаряется по мере того, как температура воздуха поднимается в процессе сжатия. Тепло испарения, таким образом, снижает температуру сжатого воздуха и уменьшает работу компрессора. При этом КПД рабочего цикла тоже увеличивается [22,23]. Вода, подаваемая через форсунки, частично испарялась на волокнах ткани, частично стекала вниз, в поддон. Воздух, проходя через волокна ткани, испарял воду и охлаждался. В эксплуатации удавалось заметно охладить воздух при сравнительно небольшом увеличении сопротивлении воздухозаборного канала. Впрыск воды в проточную часть ГТУ. При впрыске воды на вход в компрессор, температура воздуха на выходе из компрессора снижается, тем самым уменьшается потребная мощность компрессора, возрастают мощность и эффективный КПД ГТУ. Впрыск пара на входе в камеру сгорания в небольших количествах (порядка 2–4% от расхода воздуха) способствует значительному уменьшению эмиссии окислов азота в продуктах сгорания (экологический впрыск) [24]. При впрыске 2% (с температурой +25 С) воды, на вход в ГТУ ALSTOM GT9D, температура воздуха на выходе из компрессора снижается на 52 С, мощность ГТУ увеличивается на 14%, КПД возрастает на 1% [25…28].
Анализ рабочих процессов в камере сгорания в соответствии с задачами диссертационного исследования
Центробежные компрессоры представляют собой оборудование, входящее в группу компрессоров динамического типа с радиальной конструкцией. Главным преимуществом установок данного типа является их высокая производительность, которая в разы превышает показатели компрессоров других видов. Устройство центробежных воздушных компрессоров позволяет использовать их при интенсивной эксплуатации.Оборудование включает в себя следующие основные элементы:
Основным элементом данного оборудования является ротор, оснащенный валом с рабочими колесами, расположение которых симметрично. В процессе работы оборудования, на частицы газа действует сила инерции, которая возникает благодаря наличию вращательного движения, совершаемого лопатками колеса. При этом происходит перемещение газа от центра компрессора к краю рабочего колеса и в результате газ сжимается и приобретает скорость. Далее скорость газа снижается и последующее сжатие происходит в круговом диффузоре – кинетическая энергия переходит в потенциальную. На следующем этапе газ поступает в обратный направляющий канал и переходит в следующую ступень установки. Так, работа центробежного компрессора имеет достаточно простой принцип действия и основывается на вращательном движении лопастей рабочего колеса, которое является одним из главных рабочих элементов установок центробежной группы. При этом, данному оборудованию характерно быстрое повышение уровня давления и достижение его максимальной величины за короткий период работы агрегата.
Основными элементами камер сгорания являются топливоподающие устройства, средства розжига камер в процессе запуска, диффузоры, жаровые трубы и корпусы, внутри которых располагаются жаровые устройства. Средства розжига камеры сгорания было от свечи. Диффузор камеры сгорания представляет собой расширяющийся канал, в котором происходит уменьшение скорости воздуха от 30 40 м/с (на выходе из компрессора) до 10 15 м/с (на входе в жаровую трубу камеры). Снижение скорости потока в камере способствует улучшению устойчивости горения и уменьшению гидравлических потерь. Жаровые трубы предназначены для организации в них процессов горения и смешения продуктов сгорания со вторичным воздухом [93].
Чаще всего в качестве стабилизаторов основных камер ГТД применяются завихрители. Гидравлические потери в завихрителях значительно ниже, чем в других типах стабилизаторов. Завихрители представляют собой лопатки, штампованные из листового материала и приваренные к наружному и внутреннему кольцам. Наружное кольцо завихрителя в свою очередь приваривается к стенке головки жаровой трубы в передней ее части, а по внутреннему его кольцу центрируется корпус топливной форсунки. Через завихрители проходит примерно 8 – 10% воздуха от общего его расхода. Смешение продуктов сгорания, поступающих из зоны горения, с потоком вторичного воздуха происходит обычно в задней части жаровых труб. Обеспечение равномерности нагрева трубы необходимо для уменьшения термических напряжений. Это достигается применением дополнительных отверстий небольшого размера между основными окнами трубы из жаропрочного материала.
В ГТУ, углеводородное топливо сжигается в камере сгорания в непрерывном процессе при постоянном давлении. Система сгорания GT-85-2-H состоит в основном из двух компонентов: закручивающего блока, включающего форсунку и камеры сгорания. Закручивающий блок производит, как следует из его названия, закрученный поток воздуха, который смешивается с мелко распыленным топливом, поступающим из форсунки. Поток воздуха и топлива, выходящий из закручивающего блока, подается в камеру сгорания в виде расширяющегося закрученного потока. На входе в камеру сгорания поток формирует тороидальный вихрь, поскольку проходит через так называемые первичные отверстия как показано на Рисунке 3.3. Сжигание здесь проходит при стехиометрическом соотношении «воздух / топливо» равном 15. Второй ряд отверстий, так называемая вторичная зона, позволяет большему количеству воздуха охлаждать продукты горения и обеспечивать на данном этапе соотношение воздух/ топливо, равное 35/1. Зона разбавления содержит отверстия большего диаметра в сравнении с предыдущими уровнями, позволяя большему количеству воздуха генерировать газовый поток на выходе, при этом итоговое соотношение в/т равно примерно 70:1[101]. Все зоны камеры сгорания оснащены небольшими отверстиями, расположенными по её окружности, благодаря чему происходит охлаждение стен камеры и поддержание их температуры на приемлемом уровне.
Радиально осевая турбина состоит главным образом из неподвижного корпуса с вращающимся рабочим колесом, приводимым в движение высокоскоростным потоком. Функцией корпуса является мягкое ускорение потока и придание непрерывной высокой скорости лопастям крыльчатки. Рабочее колесо турбины снабжено радиальными лопатками. Компрессорные и генераторные турбины функционируют примерно на одной и той же номинальной скорости – 75000 оборотов в минуту [101].
Горячий газ, выходящий из выхлопного отверстия турбины с газовым генератором пропускается через гибкий круглый трубопровод прямо к входу силовой турбины, как показано на Рисунке 3.4. Силовая турбина больше чем турбина с газовым генератором благодаря центростремительному радиальному потоку. Она работает при номинальной скорости в 30000 об/мин, но опробования могут проводиться в скоростном диапазоне от 15000 до 35000 об/мин. Максимальная производимая энергия – 5 кВт, при внутренней температура – 700 C и скорости 30000 об/мин. Силовая турбина непосредственно соединена с индукционном тормозом посредством специальной высокоскоростной муфты. Скорость силовой турбины измеряется электромагнитным датчиком и цифровым частотомером.
Система измерения выходной мощности
Были проведены расчёты для определения экспериментальных характеристик газовой турбины при различных расходах впрыскиваемой воды перед компрессором, для различных температур наружного воздуха. Результаты показаны на Рисунках 4.1 ...4.6.
Увеличение КПД компрессора, интенсификация работы регенератора и рост расхода рабочего тела через турбину приводят к значительному подъему КПД и мощности установки в целом. Если впрыск производится только в компрессор, то относительный прирост КПД установки может достигать 9...29% в зависимости от различных факторов (расход топлива, температура газа перед турбиной, и степень повышения давления компрессора) как показано на следующих Рисунках 4.7…4.11.
Впрыск воды оказывает существенно большое положительное влияние на работу компрессора и ГТУ в целом. По мере увеличения количества впрыскиваемой воды темпы роста параметров эффективности компрессора и установки в целом снижаются из-за изменения в процессе испарения происходящих при сжатии воздуха и возрастании дополнительных потерь, зависящих от степени влажности воздуха в компрессоре.
Рост эффективности работы установки оказался значительным при относительно малом количестве испарившейся воды. На Рисунке 4.12 показан относительный прирост рабочего тела при впрыске влаги в компрессор, составивший 47%. Установлена целесообразность применения впрыска в количестве до 47%, приводящее по сравнению с нормальным режимом работы (т.е. без впрыска) к приросту КПД компрессора до 25 % (Рисунок 4.12).
Изучение возможностей данного впрыска было выполнено с помощью разработанных программ, допускающих, что вся вводимая вода полностью испаряется в тракте до регенератора. Этот впрыск вызывает уменьшение расхода воздуха, увеличение степени повышения давления компрессора и, как следствие, снижение коэффициента запаса по помпажу компрессора. Однако количественно коэффициент запаса по помпажу компрессора уменьшается сравнительно мало и остается на приемлемом уровне. В целом же по установке каждый процент впрыскиваемой воды увеличивал ее мощность на 5,2 %. С впрыском 1% воды относительно полного расхода рабочего тела температура воздуха перед регенератором понижалась на 27 С. Однако, температура воздуха за регенератором вследствие интенсификации его работы (возрастал температурный напор) уменьшалась всего на 13 С. В результате термический КПД ГТУ с впрыском возрастал только на 12 % относительно КПД установки без впрыска. Тепло уходящих газов в этом случае использовалось более полно и температура газов за регенератом уменьшалась на 22 С. Экономичность энергоустановки повышается при действии впрыска перед регенератором.
Для оценки влияния ввода воды перед компрессором и за ним для установки GТ-85-2-H использовались результаты работы [102]. В этих результатах оценено раздельное влияние изменения температуры и паросодержания воздуха, подаваемого в камеру сгорания на количество выбросов окислов азота. Эти зависимости иллюстрируются графиками на Рисунках 4.13 и 4.14. В первом случае имелось в виду, что при впрыске воды в воздух его температура понижается в соответствии с тепловым балансом — на 27 С на каждый процент впрыска. В установке GТ-85-2-H из-за наличия регенератора это отклонение температуры воздуха перед камерой сгорания существенно меньше. Количество NOx из-за впрыска воды уменьшалось на величину согласно кривой на Рисунке 4.14. Результаты расчетов для установки GТ-85-2-H с оптимальным распределением впрыска воды приведены на Рисунке 4.15.
Влияние регенерации на эксплуатационные характеристики двухвальной газовой турбины
В работе использован метод впрыска воды в воздухозаборник компрессора. Этот метод имеет следующие преимущества по сравнению с впрыском воды на выходе из компрессора:
1. Давление воздуха в воздухозаборнике компрессора атмосферное, поэтому нет необходимости использовать насос высокого давления, как это требуется при впрыске воды на выходе из компрессора.
2. В воздухозаборнике компрессора атмосферная температура воздуха, поэтому нет необходимости прогревать впрыскиваемую воду во избежание термического удара.
3. Благодаря тому, что воздухозаборник компрессора достаточно длинный, распыленная вода успевает перемешиваться с воздухом и в компрессор попадает уже гомогенная смесь. Это уменьшает вероятность любых повреждении элементов компрессора (например, коррозии).
Рассмотрев результаты исследований, представленных в разделе 4.4, можно сделать вывод о том, что получение существенных результатов от применения впрыска возможно только при одновременном вводе воды и воздуха перед компрессором. Из-за различного влияния ввода воды на параметры компрессора и ГТУ возникает потребность в организации оптимального использования впрыска. Основным критерием такой организации является получение максимально возможного прироста КПД компрессора в пределах допустимого количества впрыскиваемой воды. Ограничением для допустимого количества воды могут быть, например, эрозионная или вибрационная опасность для лопаток компрессора при чрезмерном расходе воды.
Для выбора оптимального количества впрыска были построены вспомогательные графики зависимости отношений приращений КПД компрессора от приращений количества впрыскиваемой воды для каждой скорости компрессора как показано на Рисунке 4.37. Характерным для полученных кривых является то, что для впрысков, расположенного ближе к входной части компрессора, величины производных больше, но они быстрее убывают по мере роста Gвпр. Выбор оптимального впрыска производился следующим образом. По мере роста Gвnp, впрыск осуществлялся в том количестве, при котором величина производной максимальна.
Описанный выше порядок включения впрыска воды наиболее важен в тех случаях, когда значение указанных производных сравнительно велико. Если же значения производных близки к нулю, порядок включения различных мест и количество впрыска может быть упрощено без заметного снижения его эффективности. Причина такого решения связана с возможностью уменьшения эрозионной и вибрационной нагрузки на лопатки компрессора без существенного снижения эффекта от впрыска.
Впрыск воды в компрессор приводит к существенному снижению температуры воздуха перед регенератором. Однако, из-за более полного использования тепла уходящих газов, температура воздуха за регенератором снижается примерно в два раза меньше, чем перед регенератором. Это обстоятельство и является одной из основных причин относительно большого прироста КПД установки при впрыске воды. Оптимальный впрыск дает возможность получить максимально возможное приращение мощности и КПД установки. В данном компрессоре рекомендуется вначале производить впрыск воды перед лопаточным аппаратом в количестве до 0,812% полного расхода, как показано на Рисунке 4.37.
По выполненным расчетам получены основные результаты по выходной мощности и термическому КПД. 4,5 В зависимости от характеристик измеряемой величины для определения погрешности измерений используют различные методы. Данный метод заключается в выборе доверительного интервала в пределах от экспериментального результата измерений до теоретически возможного, и погрешности, как разности между теоретическим значением и экспериментальным результатом измерения, отнесенной к теоретическому значению:
По итогам исследования [106], которые показаны на Рисунках. 4.40…4.42, очевидно, что результаты данного исследования близки к ним, а направления (тренд) кривых практически совпадают. На Рисунке 4.40. показана зависимость удельного расхода топлива от степени повышения давления в компрессоре при различных степенях регенерации. В обоих результатах, удельный расход топлива уменьшается при увеличении степени сжатия в компрессоре, и увеличивается при уменьшении степени регенерации. При высоких степенях повышения давления компрессора, удельный расход топлива стабилизируется в связи с высокими температурами в цикле, а также повышается температура различных компонентов и уменьшается теплопередача в регенераторе.