Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ состояния вопроса, обзор литературы и постановка задачи 10
1.1 Энергетические установки на базе конвертирования авиационных двигателей 10
1.2 Обзор литературы и постановка задачи 14
2. Оценка показателей эффективности энергетической установки с учётом затрат мощности на сжатие природного газа 22
3. Разработка математической модели рабочего процесса гтп на базе авиационного двигателя с системой газоснабжения 29
3.1 Системы газоснабжения ГТП 29
3.1.1 Дозирование подачи газа в ГТП 30
3.1.2 Газодожимной компрессор системы газоснабжения привода и его характеристики 36
3.2 Особенности расчёта параметров рабочего процесса в камере сгорания ГТП при сжигании природного газа 39
3.3 Основные уравнения рабочего процесса газотурбинного привода энергетической установки с системой газоснабжения 46
3.3.1 Система уравнений рабочего процесса газотурбинного привода 46
3.3.2 Уравнения системы газоснабжения 48
3.4 Математическая модель рабочего процесса ГТП на базе авиационного
двигателя с системой газоснабжения на установившихся режимах 55
4. Исследование рабочего процесса гтп - 10/953, на базе авиационного двигателя р95ш, с различными системами газоснабжения 62
4.1 Объект исследования 62
4.2 Работа газотурбинного привода с подачей газа от сети 65
4.3 Работа газотурбинного привода с системой газоснабжения, содержащей ГДК 66
4.3.1 Турбопривод ГДК 69
4.3.2 Механический привод ГДК 72
4.3.3 Автономный привод ГДК 77
5. Анализ управляемости газотурбинного привода с различными системами газоснабжения 79
5.1 Работа газотурбинного привода с подачей газа от сети 79
5.2 Работа газотурбинного привода с системой газоснабжения, содержащей ГДК 80
5.2.1 Схема "ГДК - дозатор - ГТП" 80
5.2.2 Схема "дозатор-ГДК-ГТП" 86
5.2.3 Автономный привод ГДК 87
5.2.4 Турбопривод ГДК 87
Основные выводы 95
Литература 97
- Энергетические установки на базе конвертирования авиационных двигателей
- Газодожимной компрессор системы газоснабжения привода и его характеристики
- Работа газотурбинного привода с подачей газа от сети
- Работа газотурбинного привода с системой газоснабжения, содержащей ГДК
Введение к работе
Конвертирование авиационных газотурбинных двигателей, отработавших свой ресурс на самолёте, в газотурбинные установки наземного применения впервые предложил академик Н.Д. Кузнецов. С начала 1970-х годов ОАО "Самарский научно-технический комплекс им. Н.Д. Кузнецова" разрабатывает на основе авиационных газотурбинных двигателей силовые приводы для газоперекачивающих агрегатов (ГПА) магистральных газопроводов. Первый газотурбинный привод для газовой отрасли НК - 12 СТ (мощностью 6,3 МВт, КПД 26,5 %) был создан на базе авиационного турбовинтового двигателя НК-12МВ, устанавливаемого на самолётах ТУ-95, ТУ-114, АН-22 "Антей", и начал эксплуатироваться на газоперекачивающих агрегатах ГПА - Ц - 6,3 с конца 1974 года. Опыт создания приводных агрегатов показал, что примерно 70-75 % основных узлов и деталей базового двигателя удаётся сохранить. Изменения проводятся в узлах, связанных с новым назначением изделия, сменой используемого топлива и появлением в составе конвертированного двигателя силовой турбины.
Позднее были начаты и интенсивно продолжаются в настоящее время работы по созданию энергетических установок с газотурбинными приводами (ГТП) на основе конверсии авиационных двигателей. Предпосылкой этому послужила необходимость замещения энергетических мощностей ТЭЦ, которые выводятся из эксплуатации в связи с физическим и моральным износом действующего оборудования.
Энергетические установки с газотурбинными приводами, созданными на основе авиационных газотурбинных двигателей, находят всё более широкое применение для выработки электрической, тепловой энергии и снабжения ими потребителей.
Целесообразность комбинированной выработки электричества и теплоты обусловлена экономией топлива при меньших капитальных затратах и существенно меньших сроках окупаемости оборудования.
При использовании в таких установках в качестве топлива природного газа обеспечиваются высокие экологические показатели, что позволяет размещать их не только в границах промышленной зоны, но и непосредственно в районах жилой застройки, тем самым сокращая потери теплоты при подаче его потребителю. В этом случае ГТП должен работать с использованием природного газа, избыточное давление которого в сетях II категории составляет от 0,3 до 0,6 МПа (3...6 кгс/см2), а в сетях I категории - от 0,6 до 1,2 МПа (6...12 кгс/см2).
Для энергетических ГТП проблема заключается в обеспечении работоспособности при давлении природного газа в сети газоснабжения более низком, чем давление воздуха и продуктов сгорания в камере сгорания привода.
Целью работы является разработка математической модели рабочего процесса газотурбинного привода энергетической установки с учётом особенностей системы газоснабжения и исследование рабочего процесса авиационного ГТД, конвертированного в газотурбинный привод.
Основные научные результаты, полученные автором: разработана комплексная математическая модель и программа расчёта рабочего процесса газотурбинного привода энергетической установки на базе авиационного ГТД с различными вариантами системы газоснабжения, в том числе содержащей газодожимной компрессор; предложена форма представления характеристик дозирующих устройств системы газоснабжения на основе обобщения экспериментальных данных; выполнен анализ схемных решений системы газоснабжения газотурбинного привода энергетической установки на базе авиационного двигателя; исследована управляемость авиационного ГТД, конвертированного в газотурбинный привод, с различными системами газоснабжения и
9 предложены критерии, определяющие условия проявления статической неустойчивости и возможные мероприятия по её устранению; предложена методика оценки энергетических затрат на систему топливопитания с газодожимным компрессором и их влияния на показатели эффективности энергетической установки. Практическая ценность работы:
Разработанная математическая модель и реализующая её программная система предназначена для применения на этапах проектирования научного исследования и доводки газотурбинного привода на базе авиационного ГТД с системой газоснабжения. Применение разработанных методов позволяет обосновать выбор схемных решений по критериям функциональных характеристик и управляемости (статической устойчивости) ГТП с системой газоснабжения.
Энергетические установки на базе конвертирования авиационных двигателей
Обеспечение электроэнергией и теплотой в современном мире является основой благосостояния и развития любого государства. Стабильность работы отраслей народного хозяйства определяется, в первую очередь, эффективностью и надёжностью систем теплоэлектроэнергетики.
Работающая в настоящее время на органических топливах энергетика России практически только паротурбинная. В довоенные и первые послевоенные годы энергетика СССР базировалась, в основном, на агрегатах относительно малой мощности (до 50 МВт). При этом существовало большое количество ведомственных тепловых электростанций (ТЭЦ) на энергоёмких предприятиях. Однако по мере того, как станции Минэнерго СССР переходили на более крупные энергоблоки, энергомашиностроение, следуя заказам Минэнерго СССР, прекращало выпуск мелкого оборудования. Поэтому, в связи с износом оборудования и невозможностью его замены, многие малые ведомственные ТЭЦ перестали существовать и превратились в обычные котельные.
При этом энергетическая проблема в России обостряется с каждым годом. Общеизвестно, что значительная часть энергетических мощностей, используемых в энергетике, морально устарела, физически изношена, требует модернизации или замены. Для поддержания старых электростанций в работоспособном состоянии требуются значительные инвестиции, которые сравнимы с затратами на новое строительство. При этом вложения в модернизацию энергомощностей, запущенных в 1920-1950 годах малоэффективны, так как старые станции имеют низкий КПД.
Общепризнанно, что модернизация и замена машинного парка энергетического комплекса должна производится с приоритетным развитием газотурбинных и парогазовых установок с комбинированной выработкой электрической энергии и теплоты. Целесообразность комбинированной выработки электричества и теплоты обусловлена экономией топлива при меньших капитальных затратах и существенно меньших сроках окупаемости оборудования [33, 43, 53]. Однако, в области промышленного использования газотурбинных и парогазовых технологий Россия значительно отстала от передовых стран мира, так как до сих пор отсутствуют газовые турбины российского производства, удовлетворяющие требованиям энергетиков.
Разумным выходом из сложившейся ситуации является использование газотурбинных энергетических установок на основе авиационных двигателей. Авиационное двигателестроение обладает необходимым научно - техническим и производственным потенциалом, способно производить модернизированные авиационные двигатели в качестве источников механической, электрической и тепловой энергии в различных областях народного хозяйства.
В условиях конверсии авиационные двигатели могут быть базой для крупномасштабного применения газотурбинных установок в энергетике, прежде всего в качестве ГТУ-ТЭЦ, но одновременно и надстроек к действующему энергетическому оборудованию котельных, паросиловых электростанций, а также в виде основы автономных энергетических установок мощностью до 50 МВт.
За последние годы авиадвигателестроительные ОКБ страны разработали проекты использования авиационных двигателей различных типов в качестве газотурбинных приводов для энергетических установок. Созданы опытные экземпляры и начато серийное производство нескольких типов ГТП энергетических установок, основные показатели которых приведены в таблице 1.1 [24,31,32,70].
Газотурбинные установки способны давать тепловую энергию и электри чество небольшим городам, районам, поселкам и промышленным предприятиям. Работать они могут как автономно, так и совместно с централизованными энергосистемами.
При этом газотурбинные установки на основе авиационных газотурбинных двигателей обладают следующими несомненными преимуществами [11, 59]: высокая надежность, показатель наработки до капитального ремонта составляет 25 тыс. часов, ресурс основных узлов - до 100 тыс. часов; экономичность установки: КПД по мощности на валу силовой турбины, составляет до 39,0 %, а при утилизации теплоты уходящих газов, коэффициент использования топлива достигает 92 %; высокая степень компактности, блочно-модульная конструкция полной заводской готовности, простота монтажа; короткий срок окупаемости (2 - 3,5 года) при небольшом сроке строительства и ввода в эксплуатацию; автоматическая система управления и широкая диагностика технического состояния, простота в управлении, минимальная численность обслуживающего персонала; высокая пусковая надежность: электростанция простого цикла с ГТУ в любое время в течение 15-20 минут может выдать электрическую мощность, паротурбинная электростанция выходит на максимальную мощность в течение несколько часов; высокая эксплуатационная надежность, легкость доступа к агрегатам двигателя и станции; обеспечение экологических показателей в пределах санитарных норм. Основным видом топлива, используемым для работы энергетических установок является природный газ. Природный газ - лучшее органическое топливо. В нём меньше углерода и больше водорода, чем в нефти и, тем более, в угле. В связи с чем, в продуктах его сгорания меньше углекислого газа (СОг) и практически нет сернистой составляющей (SOx). С ним легче избавится от сажи (С) и окиси углерода (СО), и максимально снизить выброс окислов азота (NOx), то есть газ - максимально экологически чистое топливо [64].
Газодожимной компрессор системы газоснабжения привода и его характеристики
При выборе типа компрессора необходимо определить область потребных параметров ГДК. Как было показано в главе 2, потребная для работы в сетях II категории степень повышения давления тиГДк 15. Потребный объёмный расход природного газа может быть оценён по следующему соотношению: N О — гтп
Лггп -Ни-р где р - плотность природного газа при давлении и температуре на входе в систему газоснабжения, а Ни - массовая низшая теплота сгорания.
Влияние основных показателей энергетической установки (Н и т]) на необходимый для работы привода объёмный расход расчётного природного газа показано на графике рисунка 3.6. Плотность природного газа определена при абсолютном давлении газа, соответствующем минимальному значению для сетей II категории: Рг = 0,392 МПа (4 кгс/см ) и температуре Тг = 293,15 К. Из приведённого рисунка следует, что для энергетических установок с Nrrn 30 МВт область изменения объёмного расхода (с некоторым запасом) не превышает 0,8 м3/с.
Границы областей возможных параметров - производительности и степени повышения давления различных типов компрессоров показаны на рисунке 3.7 по данным [56, 66, 69]. Следует отметить, что границы условны, но тем не менее дают общее представление об области параметров различных компрессоров и возможные ориентиры при выборе для конкретного варианта реализации.
Как следует из рисунка 3.7, для газотурбинных приводов мощностью до 30 МВт (Q 0,8 м /с) в качестве дожимателя газа могут быть применены центробежные, поршневые и винтовые компрессоры.
Потребная производительность центробежного компрессора находится вблизи границы минимальной производительности данного типа компрессоров. Выполнение центробежного компрессора с малой производительностью приводит к чрезмерному возрастанию частоты вращения, что создаёт проблемы с обеспечением надёжности и ресурса, а размеры компрессора становятся настолько малыми, что резко снижается КПД компрессора.
При выборе типа компрессорной машины необходимо также учитывать конструктивные, технико-экономические и эксплуатационные характеристики.
К числу недостатков поршневого компрессора относятся значительные габариты и вес, невысокая степень надёжности из-за наличия клапанов и поршневых колец, которые являются наиболее легко повреждаемыми и наименее долговечными деталями.
При хороших показателях надёжности и эксплуатационных характеристик основным достоинством винтового компрессора является достаточно высокое и мало меняющееся значение КПД в широком диапазоне изменения производительности и частоты вращения ротора [56]. Это свойство винтового компрессора указывает на его приспособленность к работе на переменных режимах.
С учётом указанной особенности винтовой компрессор представляется предпочтительным для применения в качестве газодожимного в системах газоснабжения газотурбинных энергетических установок. Типовая характеристика винтового компрессора в форме 7ігдк (Q, игдк), Лгдк (Q, ЯгдкХ где Q - объёмный расход при параметрах газа на входе, показана на рисунке 4.6.
Применяемые в авиадвигателестроении методы и реализующие их программные комплексы термодинамического расчёта параметров и характеристик газотурбинных двигателей различных схем позволяют рассчитывать и газотурбинные приводы энергетических установок.
Однако для авиационных двигателей расчётная модель рабочего процесса в камере сгорания предусматривает применение жидкого топлива - керосина. Поэтому, при использовании в качестве топлива горючего природного газа, возникает необходимость сопоставительной оценки методик расчёта рабочего процесса в камере сгорания на жидком и газообразном топливах и выявления необходимости уточнения термодинамического расчёта.
Методические основы расчёта параметров рабочего процесса камеры сгорания при сжигании авиационного керосина изложены в широко известной работе Я.Т. Ильичева [23]. Различные сорта авиационного керосина характеризуются стабильностью показателей, влияющих на рабочий процесс в камере - разброс низшей теплоты сгорания Ни укладывается в диапазон 42915...43540 кДж/кг (10250...10400 ккал/кг), содержание в топливе углерода 83...87 %, водорода - 17...13 % (массовый элементарный состав топлива).
Поэтому в [23] введено понятие "нормального" топлива с элементарным составом - 85 % углерода и 15 % водорода, низшей теплотой сгорания Ни = 42915 кДж/кг (10250 ккал/кг) и предложена методика расчета параметров рабочего процесса при сжигании в камере сгорания "нормального" топлива.
Работа газотурбинного привода с подачей газа от сети
Как следует из данных рисунка 4.5, при работе привода с абсолютным давлением газа 0,392...0,686 МПа (Рг= 4...7 кгс/см , сеть II категории) прирост мощности привода при увеличении пропускной способности дозатора (а) незначителен и обеспечить работу привода с Nrrn 5 МВт за счёт повышения пропускной способности дозатора невозможно.
С повышением абсолютного давления газа до уровня, соответствующего сетям I категории 0,686...1,275 МПа (Рг= 7...13 кгс/см2), влияние пропускной способности дозатора на мощность становится более значительным. Так, при работе привода с дозатором ДУС-6,5 (а 0,51) выход на режим Nrm= 10 МВт возможен при давлении газа Рг= 1,177 МПа (12 кгс/см2). При замене дозатора ДУС-6,5 на дозатор ДГС-3 (а 1,23) мощность привода N, = 10 МВт достигается при Рг - 1,0 МПа (10,2 кгс/см2).
Таким образом, графическое представление результатов моделирования в виде рисунка 4.5 позволяет устанавливать требования к пропускной способности и характеристике дозатора, исходя из режимов нагружения привода и уровня давления газа в сети.
Расчётные исследования выполнены для следующих, общих для рассмотренных схем, исходных данных: - абсолютное давление газа на входе в систему газоснабжения соответствует минимальному для газопроводов высокого давления II категории Рг = 0,392 МПа (4 кгс/см2), температура газа Тг = 293,15 К; - характеристика винтового ГДК построена на основе моделирования данных НПФ "ВИКОМ" (рисунок 4.6); - характеристика газового коллектора - по данным рисунка 3.5;
Схемы "ГДК-дозатор-ГТП" рассчитаны с характеристикой дозатора ДГС-3, для которого на режиме Nrrn= 10 МВт при ф = 90 % коэффициент потерь давления в дозаторе а = 0,919. Для схем "дозатор-ГДК-ГТП" дозатор геометрически подобен ДГС-3, но в связи с меньшей плотностью газа на входе, пропускная способность его увеличена, исходя из условия обеспечения с 0,92 при ф = 90 % на режиме 1 = 10 МВт. Характеристики дозаторов представлены на рисунке 4.7. ГДК использовалась
При расчёте вариантов турбопривода характеристика турбины, приведенная на рисунке 4.8. Объёмный расход газа на входе в ГДК: Рг Gr - для схем "ГДК - дозатор - ГТП": Q = - для схем "дозатор - ГДК - ГТП": Q = Рг а где рг- плотность газа при давлении Рг= 0,392 МПа и температуре Тг= 293,15 К; а - коэффициент потерь давления газа в дозаторе. а). Схема "ГДК - дозатор - ГТП".
Результаты расчёта представлены в таблицах 1.3 - 1.5 приложения I. Влияние управляющих воздействий ф и а на работу системы показано на рисунке 4.9 а. Анализ результатов выявил следующие особенности рабочего процесса: - при фиксированном положении заслонки в сети отбора продуктов сгорания на привод турбины ГДК (a = const) открытие дозатора (увеличение ф) на режимах N,- 4 МВт сопровождается увеличением мощности ГТП, а на режимах NrTn 4 МВт приводит к снижению мощности. Таким образом, существуют 2 зоны: первая I - в которой О или —- 0, что следует из dip dip Nrrn= f (Gr), и система является управляемой, и вторая II - в которой г- гтп Л dGr Л управляемость системы нарушается, ибо 0 или —- 0; dip dip - при полностью открытой заслонке отбора (а = 0) и положениях дозатора ф 62,5 % существует область значений Nnn, где решения не находятся система неработоспособна, так как расход и параметры отбираемого из тракта ГТП газового потока не обеспечивают потребной для привода ГДК мощности. Так, например, при ф = 55 % система неработоспособна внутри интервала 2,4 МВт Nn.n 5,5 МВт. Анализ управляемости газотурбинного привода с системой газоснабжения выполнен в главе 5. б). Схема "дозатор - ГДК - ГТП".
Результаты расчёта представлены в таблицах 1.6 - 1.8 приложения I. Влияние управляющих воздействий ф и а на работу системы показано на рисунке 4.9 б, на котором область режимов согласования ограничена максимально допустимом числом оборотов ротора ГДК.
Работа газотурбинного привода с системой газоснабжения, содержащей ГДК
Изменение режима нагружения ГТП - 10/953 может осуществляться управлением ГДК по линейной программе 7ігдк = n(Gr).
Если такая программа находится внутри треугольной области тсгдк = const и a = const, как это показано на рисунке 5.1, то условие управляемости и статической устойчивости системы dG v5Gya выполняется. Для программы управления тггдк = const потери в системе газоснабжения будут наибольшими и увеличиваться по мере снижения N из-за необходимости глубокого дросселирования дозатора.
Турбопривод ГДК
Положение линий согласования турбопривода ГДК по мощности в поле совместных расходных характеристик ГТП-10/953 с системой газоснабжения показано на рисунке 5.4 (по данным раздела 4.3). 1 -І 1 1 1 і 1 1 1 1 J і І 1 І і 1 і 1 1 1 1 І 1 1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 Gr, кг/с 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 Gr, кг/с Рисунок 5.4 - Режимы согласования турбопривода ГДК Как следует из графиков, на режимах работы ГТП-10/953 при Gp 0,4 кг/с (Nrrn 4 МВт) темп роста 7ггдк по линии согласования при a = const „ dn увеличивается и величины производной — достигают значении, при которых dG нарушаются условия управляемости (5.10) или (5.11). В поле рисунка 5.4 (схема "ГДК-дозатор-ГТП") выделяются две зоны: зона I - область статической устойчивости системы и зона II - статической неустойчивости системы. В зоне I приращение расхода газа Gr происходит за счёт повышения его плотности перед дозатором и "раскрытия" дозатора (с/ф 0). В зоне II условие согласования ГДК и турбины ГДК по мощности сопровождается более интенсивным ростом 7ггдк и плотности газа перед дозатором, поэтому требуемое приращение расхода газа Gr обеспечивается при "прикрытии" дозатора ( іф 0).
Уравнение линии согласования, определяющее баланс мощности турбопривода ГДК, одинаково для схем "ГДК-дозатор-ГТП", "дозатор-ГДК-ГТП" и имеет вид: к-\ Р: V к г Лт- (5Л2) г п т Г Vі гдк) 1 к V 4 ааУ /сг -1 Г к -1 гдк
При фиксированном положении заслонки отбора a = const (а = 0 -заслонка полностью открыта) потери давления в сети отбора меняются незначительно и можно принять аа = const. Величины Т&,, Рц и Рв зависят только от Gr, ибо влияние отбора G0T6 на характеристики ГТП незначительно и им можно пренебречь, что следует из данных таблиц A3 - А.8.
Величина GOT6 связана с пропускной способностью турбины привода ГДК - возрастающая по Gr функция, которая является характеристикой газотурбинного привода и не может подвергаться изменению; А = Ат -ггдк -тт - возрастающая по Gr функция, изменение которой по Gr отражает особенности характеристик ГДК, турбины привода ГДК и закономерности их согласования при наличии газодинамической связи с газотурбинным приводом. Графики функций \\f(Gr) и A(Gr) для характеристик ГДК по данным рисунка 4.6, турбины привода ГДК - рисунка 4.8 и положений заслонки отбора а = 0 , 15и25 (аа= 0,89; 0,86 и 0,81) показаны на рисунке 5.5.
Анализ уравнений (5.13), (5.14) с учётом вида функций \y(Gr), A{Gr) показывает, что определяющим фактором потери управляемости является положение линии согласования режимов ГДК и турбины привода ГДК по мощности в поле совместных расходных характеристик системы (рисунок 5.4), которое зависит от особенностей энергетических связей в системе газоснабжения ГТП-10/953 с турбоприводом ГДК. Управляемость (статическая устойчивость) системы может быть „ dn достигнута при значительном уменьшении величины производной —, что, как
Вид функции A(Gr), где А = Ат-г\ГДК-г\т, зависит от уровней Ат, г\гдк и гт на расчётном режиме и вида характеристик ГДК, турбины привода ГДК и условий их согласования в системе. Для оценки влияния этой группы факторов на управляемость ГТП выполнены расчёты рабочего процесса газотурбинного привода с изменёнными характеристиками ГДК и турбины привода ГДК.
Особенность этих характеристик (рисунки 5.6 и 5.7) по сравнению с исходными (рисунки 4.6 и 4.8) более высокий уровень КПД (для компрессора Лтах= 0,85 вместо 0,78; для турбины ттах= 0,905 вместо 0,90) и меньший градиент их изменения в поле рабочих режимов (для компрессора цгдк = 0,70...0,85 вместо 0,50...0,78; для турбины гт = 0,76...0,89 вместо 0,55...0,87).
