Введение к работе
Актуальность работы. Современные проблемы энергоресурсосбережения предопределили существенные перемены в мировом энергетическом балансе. Это просматривается в аспектах как источников, так и преобразователей энергии. Хотя исчерпание традиционных (невозобновляемых) источников энергии в ближайшее время человечеству все же пока не грозит, в последнее время интерес к энергоресурсосберегающим технологиям производства энергии существенно повышается. При этом, следует признать, что перспективная энергетика может и должна во все возрастающей мере опираться как на нетрадиционные источники энергии (НИЭ), так и нетрадиционные преобразователи энергии (НПЭ).
' В этом плане просматривается кардинальный путь снижения расхода топлива - выработка электроэнергии и тепла по комбинированной газо-турбнппон технологии. Чтобы идти по этому пути, практически не надо строить новые электростанции, поскольку возможна реконструкция ныне действующих станций, котельных малых городов и районных центров там, где имеется соответствующая инфраструктура, что весьма важно при ограниченных инвестициях и изношенности основных фондов энергетики. Выработка электрической энергии на тепловых электростанциях осуществляется двумя основными способами: 1). цикл с конденсацией пара, при котором 56-70% теплоты, подведенной в цикле для парообразования, просто выбрасывается; 2). одновременный отпуск тепла потребителям. В этом случае при некотором снижении выработки электроэнергии суммарный коэффициент использования тепла может достигать 85-90%. Этому комбинированному способу производства электрической и тепловой энергии нет реальной альтернативы. Однако на базе традиционной паротурбинной технологии увеличить долю выработки электроэнергии более 40-45% практически уже невозможно, нужны другие схемы преобразования энергии. Эта задача в настоящее время может быть наиболее эффективно решена с помощью
применения газотурбинной технологии в производстве электрической и тепловой энергии на базе авиационных газотурбинных двигателей. Сложные схемы газотурбинных электростанций и комбинированные газо-паротурбинные схемы позволяют сегодня получить КПД 55-60%, т.е. в 1,5-2 раза выше, чем только на паровых турбинах. В газотурбинных установках с утилизацией тепла уходящих газов коэффициент использования топлива приближается к 85%. Уровень надежности, технологичность, маневренность, диапазон мощностей, степень автоматизации, не говоря о весе и габаритах, достигнутые на сегодняшний день, позволяют считать авиационные ГТД перспективными преобразователями энергии.
Применение газотурбинных авиационных двигателей позволяет сегодня быстро и дешево надстроить как существующие паротурбинные электростанции, так и любые действующие котельные даже в малых поселках. С большой уверенностью можно сказать, что если бы вся электрическая энергия на тепловых электростанциях страны вырабатывалась в комбинированных парогазовых установках, то при сохранении объема потребления электрической энергии и теплоты в стране сжигалось бы на 20-25% меньше топлива.
Газотурбинная технология уже более 15 лет широко применяется в индустриальных странах. В нашей стране она, к сожалению, еще в начале пути. Для этого имеются свои причины: многолетняя опора на развитие атомных электростанций, мощная гидроэнергетика, большое число тепловых станций, единая энергосистема.
В нашей стране па базе авиационных двигателей созданы и создаются различные схемы газотурбинных установок.
В табл. приведены некоторые параметры ГТУ на базе отечественных газотурбинных двигателей.
Существенное повышение эффективности энергетических установок, использующих газотурбинные двигатели в качестве преобразователей энергии углеводородного топлива, обеспечивается за счет утилизации ннзкопотенциального тепла рабочего тела на выходе из газотурбинного двигателя. Так, установка ГТУ-10/95 на базе авиационного газотурбинного двигателя типа
Р95Ш выбрасывает в атмосферу 56 кг/с газа при температуре 450С. Использование этого тепла позволяет увеличить КПД всего энергетического комплекса до 82%. Таким образом, разработка газотурбинной технологии преобразования (производства) энергии па базе авиационных газотурбинных двигателей является актуальной п относится к важным пародпо-хозяйствеппым задачам.
Осповапия для выполнения работы.
Диссертационная работа выполнялась в рамках совместных работ НПП "Мотор", УГАТУ, АО "Башкирэнерго", решения Научно-экспертного совета МТЭА по проблеме топливно-энергетического потенциала Восточной Сибири, Дальнего Востока и РБ (г. Москва ,8 января 1998 г. №3), Программы внебюджетного фонда НИОКР Корпорации "ЕЭЭК", распоряжения КМ РБ от 3 сентября 1998 г. № 748-р, во исполнение протокола №25 совещания при Президенте РБ по результатам пуска газотурбинной установки ГТУ-10/95 в котельном цехе №5 предпр. "Теплоцентраль" в г. Ишимбае 09.01.1997 г.
Целью предлагаемой к защите работы является создание автономной, экологически чистой энергетической системы по производству электро- и тепловой энергии на
основе авиационного газотурбинного двигателя Р95Ш.
Электрическая мощность энергосистемы 10 МВт, тепловая мощность -17 МВт.
Для достижения этой цели требуется решение следующих научно-технических задач:
обоснование и выбор схем энергетических установок для
комбинированного преобразования тепла;
оптимизация термогазодинамического цикла всей
комбинированной энергетической системы;
экологические проблемы, связанные со снижением
эмиссии вредных веществ и шума;
организация горения газообразного топлива в камере
сгорания авиационного ГТД;
повышение (на 1-2 порядка) ресурса;
разработка силовой турбины для безредукторного
привода электрогенератора.
В настоящей работе ставится ЗАДАЧА -исследование эффективности энергетических установок на базе авиационных ГТД по комбинированной гаю-турбинной технологии.
Задача включает в себя решение следующих вопросов:
обоснование и выбор схем энергетических установок для комбинированного производства энергии;
разработка математической модели рабочего процесса комбинированных энергетических установок на базе авиационных ГТД;
термогазодинамический анализ энергетической системы комбинированного цикла преобразования энергии;
экологические аспекты организации горения углевого рабочего топлива в камерах авиационных ГТД в наземных условиях;
управление энергетическим комплексом на базе ГТД;
решение производственных и организационных проблем внедрения конвертированных ГТД передовых технологий авиадвигателестроения в энергопроизводство.
Основные научные результаты, полученные лично соискателем
1. Обоснованы научно-технические положения,
обеспечивающие внедрение газотурбинной технологии в производство электрической и тепловой энергии, заключающиеся в:
обосновании схемы и места газотурбинного привода;
обосновании типового состава ГТУ;
переводе ГТУ на природный газ;
обеспечении ресурса и приемлемых экологических характеристик;
- разработке и реализации АСУТП.
-
Разработана газопаротурбинная технология преобразования энергии, позволившая решить ряд технических аспектов проектирования, испытания и доводки газотурбинной установки ГТУ-10/95 на базе авиационного двигателя Р95Ш.
-
Выполнен анализ структуры и динамики энергопроизводства в обоснование внедрения газотурбинных технологий, а также оценка потенциала увеличения электрической мощности, вырабатываемой по теплофикацион-ному циклу и экономии топлива, и предложена система технических решений конкретных газотурбинных установок.
Научная новизна
Обоснованы научно-технические положения газотурбинной технологии в производстве электрической и тепловой энергии.
Впервые дан термогазодинамический (эксергетический) анализ рабочего процесса комплексной газотурбинной установки на базе авиационного ГТД.
Предложена система технических решений создания комплексных газотурбинных установок, использующих в качестве основногопреобразователя энергии авиационный газотурбинный двигатель.
Практическая значимость
Все основные результаты настоящей работы получены в неразрывной связи с современным энергопроизводством во время работы автора на различных технических должностях в АО "Башкирэнерго" и имеют практическую ценность.
Результаты оценки потенциала увеличения электрической мощности, вырабатываемой по теплофикационному циклу в Республике Башкортостан, являются примером для других региональных энергосистем и наглядным ориентиром для авиадвигателестроительных и энергомашиностроительных предприятий при составлении конкретных программ выпуска ГТУ.
Разработанная концепция применения в комплексных энергетических системах конвертируемых авиационных двигателей заложила теоретические и практические основы для успешной газотурбинной надстройки ТЭЦ и котельных.
На базе конвертированного авиационного двигателя Р95Ш создана энергетическая установка ГТУ-10/95 в котельной АО "Башкирэнерго".
Предложения по совершенствованию технологии эксплуатации основного энергетического оборудования ТЭС на базе авиационного ГТД позволили улучшить его технико-экономические показатели, увеличить надежность и ресурс.
Реализация результатов работы
Разработанные основные положения повышения эффективности энергопроизводства за счет увеличения комбинированной выработки электроэнергии и тепла позволили начать реализацию развернутой программы "газотурбинной" технологии преобразователя энергии в энергетике:
в котельном цехе №5 предприятия "Теплоцентраль" -филиала АО "Башкирэнерго" в г.Ишимбае - совместно с НПП "Мотор" создана газотурбинная энергетическая установка ГТУ-10/95 с электрической мощностью 10 МВт и тепловой мощностью 17 МВт на базе конвертированного авиадвигателя Р95Ш. В настоящее время установка проработала 3000 часов в сети, из них 1100 часов непрерывно, ресурсная наработка продолжается;
начато проектирование такой же ГТУ мощностью 4 МВт в котельном цехе №4 предприятия "Теплоцентраль" - филиала АО "Башкирэнерго" в рабочем поселке Шакша с пуском ГТУ в 2001г.;
подписаны протоколы между ОАО "Башкирэнерго", АО УМПО, АО "А.Люлька-Сатурн" и РАО "Газпром" об установке энергетической ГГУ АЛ-31СТЭ уфимского производства с электрической мощностью 20 МВт на строящейся Уфимской ТЭЦ-5;
выполнены технико-экономические обоснования газотурбинной надстройки Уфимских ТЭЦ-1 и ТЭЦ-3, Салаватской ТЭЦ с использованием отечественных и зарубежных ГГУ мощностью 25-70 МВт.
Апробация работы
Основные результаты работы докладывались на:
Научно-практической конференции "Отечественная авиация и космонавтика в прошлом, настоящем и будущем" (Уфа, УГАТУ, 1996г.);
Научно-практической конференции "Научно-технический и научно-образовательный комплекс региона: проблемы и перспективы развития" (Уфа, УГАТУ, 1998);
Второй научно-практической республиканской конференции "Энергоресурсосбережение в Республике Башкортостан" (Уфа, УГАТУ, 27-28 января 1999г.).
За работу по созданию газотурбинной энергоустановки ГТУ-10/95 на базе конвертированного авиационного двигателя в котельной г.Ишимбай автору (в составе коллектива из трех человек) в 1999г. была присуждена Государственная премия Республики Башкортостан в области науки и техники за работу "Основы теории нетрадиционных преобразователей энергии и внедрение их в энергетику Республики Башкортостан".
Структура и объем работы
