Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ способов конвертирования авиационных гтд для наземного применения
1.1 Применение авиационных ГТД в наземных установках 16
1.2 Повышение эффективности ГТУ, созданных на базе конвертированных авиационных ГТД
1.3 Повышение эффективности использования теплоты топлива 23
1.4 Повышение эффективности ГТУ применением топливных элементов
1.4.1 Схема КЭУ, в которой ТЭ замещает камеру сгорания ГТУ 26
1.4.2 КЭУ на основе ГТУ и ТЭ с внутренней конверсией природного газа, работающая при атмосферном давлении
1.4.3 КЭУ на основе ТЭ, работающих на продуктах газификации 28
углей (мощностью до 300 МВт и более)
1.5 ГТУ, применяемые совместно с имеющимися ТЭ 30
1.6 Современное состояние работ по созданию и применению ТЭ
1.7 Анализ существующих программных комплексов для 36 моделирования ГТД и ЭУ
1.8 Постановка задачи исследования 38
2 Основные процессы, происходящие в топливном элементе. выбор типа топливного элемента для применения в кэу на базе ГТУ
2.1 Физико-химические основы процессов в ТЭ 40
2.2 Электрохимические процессы в ТЭ 44
2.3 Выбор и обоснование применения ТЭ в составе КЭУ 47
2.4 Пароводяная конверсия з
2.5 Электрохимический генератор и электрохимическая 57
энергоустановка
2.6 Критерии оценки эффективности ТЭ 61
Выводы по главе 67
3 Разработка математической модели термодинамического расчета твердооксидных топливных элементов SOFC
3.1 Краткая характеристика системы моделирования DVIGwT 68
3.2 Математическая модель ТОТЭ 70
3.3 Структура модуля SOFC с учетом интерфейса DVIGwT 77
3.4 Описание модуля SOFC
3.4.1 Функциональное назначение и метод расчета 81
3.4.2 Информационная модель 81
3.4.3 Методика расчета 83
3.4.4 Выходные параметры 3.5 Методика моделирования ТОТЭ и ЭХГ на их базе 94
3.6 Оценка работоспособности и адекватности модуля SOFC
Выводы по главе 102
4 Исследование возможности повышения эффективности гтэ-10/95 при совместной работе с ТОТЭ
4.1 Разработка математической модели газотурбинной энергоустановки ГТЭ-10/95 "Шакша"
4.1.1 Исследование адекватно сти математической модели ГТЭ-10/95
4.2 Исследование эффективности автономного ЭХГ на базе ТОТЭ 109
4.3 Исследование повышения эффективности ГТЭ-10/95 за счет включения в схему КЭУ ЭХГ на ТОТЭ, работающего на отборе воздуха за КНД
4.4 Исследование возможности повышения эффективности ГТЭ- 10/95 заменой ОКС на ЭХГ, состоящий из ТОТЭ
4.5 Исследование эффективности КЭУ на базе каскада НД ГТЭ- 10/95 и ЭХГ, питающегося 3 атм. воздухом
4.6 Анализ результатов расчетных исследований 123
4.7 Анализ результатов исследований дроссельных характеристик 125
Выводы по главе 138
Основные выводы и результаты 140
Список использованных источников
- КЭУ на основе ГТУ и ТЭ с внутренней конверсией природного газа, работающая при атмосферном давлении
- Выбор и обоснование применения ТЭ в составе КЭУ
- Описание модуля SOFC
- Исследование повышения эффективности ГТЭ-10/95 за счет включения в схему КЭУ ЭХГ на ТОТЭ, работающего на отборе воздуха за КНД
Введение к работе
Актуальность проблемы.
В современных условиях газотурбинные двигатели (ГТД) находят в силу своих высоких технических характеристик широкое применение не только в традиционных областях экономики страны, таких как авиация, судостроение, транспорт и др., но и в качестве наземных энергоустановок (ЭУ), например, в энергетике, газопроводном транспорте.
В целях повышения КПД энергоустановок разрабатываются и создаются на базе ГТД все более сложные комбинированные энергоустановки (КЭУ), в числе которых в последние годы за рубежом и в нашей стране начали активно прорабатываться КЭУ на базе ГТД и топливных элементов (ТЭ), которые в перспективе могут обеспечить повышение КПД КЭУ до 70-75%. В ФГУП «ЦИАМ им. П. И. Баранова» ведутся исследования по повышению эффективности ГТД и ЭУ на их базе введением ТЭ, применению ТЭ на борту летательных аппаратов.
Современные конкурентные экономические условия требуют наличия методов и инструментов для разработки новых образцов техники в кратчайшие сроки, а это невозможно без широкого применения современного математического аппарата и программных средств для ЭВМ, тем более при разработке таких новых и технически очень сложных объектов как КЭУ на базе ГТД и ТЭ.
Известные программные комплексы математического моделирования позволяют выполнять термогазодинамические расчеты только ГТД (ГРАД, DVIGwT, GasTurb и др.) или ТЭС, ПТУ (Boiler Designer и др.). На сегодняшний день отсутствуют программные продукты, позволяющие рассчитывать параметры различных КЭУ на базе ГТД и ТЭ, в том числе из-за отсутствия модуля расчета ТЭ, базирующегося на учете внутренних электрохимических процессов.
Из вышеизложенного следует, что задача разработки программного комплекса для расчета характеристик на различных режимах многовариантных схем ЭУ на базе ГТД и ТЭ является актуальной.
Существующие методы расчета параметров ТЭ опираются на параметры вольт - амперных характеристик (ВАХ) ТЭ, которые на этапе проектирования закладываются гипотетически и уточняются экспериментальным путем. Сложность таких методик заключается в использовании индивидуальных ВАХ для ТЭ. При исследовании различных ТЭ необходимо опираться не на ВАХ конкретного ТЭ, а подробно рассматривать параметры внутренних электрохимических реакций ТЭ.
Цель работы: повышение эффективности проектирования и создания КЭУ на базе ГТД и ТЭ:
- разработкой методики, алгоритма и математической модели расчета КЭУ на базе ГТД и твердооксидных ТЭ (ТОТЭ), в которых будут
рассматриваться внутренние электрохимические процессы в ТЭ, с отказом отВАХ;
- созданием программного комплекса в компьютерной среде для расчета КЭУ на базе авиационных ГТД и ТОТЭ с оценкой их адекватности и апробацией на конкретных примерах.
Для достижения поставленной цели сформулированы и выполнены исследования по следующим основным задачам:
1. Выбор типа ТЭ для применения в составе КЭУ на базе ГТД на
основе сравнительного анализа характеристик различных типов ТЭ.
2. Создание алгоритма, методики, математической модели расчета
КЭУ на базе ГТД и ТОТЭ, основанных на математических уравнениях
(моделях), описывающих реакции пароводяной конверсии топлива,
внутренние электрохимические реакции ТОТЭ, без привязки к ВАХ
конкретных ТОТЭ.
3. Программная реализация на ЭВМ пакета, состоящего из
математической модели функционального ТОТЭ, включенного в систему
DVIGwT, позволяющего определять параметры различных схем КЭУ на
базе ГТД и ТОТЭ. Проверка адекватности математической модели ТЭ.
4. Исследование повышения эффективности ГТУ на примере КЭУ,
созданной на базе конвертированного авиационного двигателя Р13-300
(ГТЭ - 10/95) и ЭХГ из ТОТЭ.
Научная новизна работы:
Впервые созданы алгоритм, методика, математическая модель расчета КЭУ на базе АД и ТОТЭ, опирающиеся на математические уравнения, описывающие реакции пароводяной конверсии топлива, внутренние электрохимические реакции ТОТЭ, без привязки к ВАХ конкретных ТОТЭ.
Создан реализованный на ЭВМ программный пакет, позволяющий осуществлять структурно- параметрический синтез и анализ КЭУ на базе ГТД и ТОТЭ, состоящий из созданной математической модели твердооксидного топливного элемента SOFC (официально зарегистрирован в Российском Агентстве по Патентам и Товарным Знакам (РОСПАТЕНТ), свидетельство № 2009613945 от 24.07.2009 г.), включенной в систему DVIGwT.
Впервые получены результаты расчетных исследований, обосновывающие возможность повышения эффективности ГТУ на примере КЭУ, созданной на базе конвертированного авиационного двигателя Р13-300 (ГТЭ - 10/95) и ЭХГ из ТОТЭ.
Методы исследований основаны на использовании:
теории авиационных ГТД;
основ термодинамики, теплопередачи, механики жидкости и газа;
теории электрохимических процессов, проходящих внутри ТЭ;
системного анализа и объектно-ориентированного подхода при моделировании сложных процессов и изделий;
методов современных информационных технологий;
численных методов решения систем нелинейных уравнений.
Достоверность и обоснованность научных положений, результатов и выводов, содержащихся в диссертационной работе, обеспечивается использованием базовых фундаментальных положений теории электрохимических процессов, теории рабочих процессов ГТД, термодинамики равновесных химических реакций и подтверждается сопоставлением теоретических результатов исследований с экспериментальными характеристиками созданных ТОТЭ и энергетических установок на их основе.
Практическая ценность. Разработанная математическая модель и ее программная реализация в виде модуля SOFC позволяют производить расчет основных параметров и характеристик ТЭ. Включение в программный комплекс DVIGwT модуля позволяет рассчитывать характеристики различных схем КЭУ на базе ГТД и ТОТЭ:
- на этапе проектирования - повысить эффективность процессов
проектирования КЭУ на базе ГТД надстройкой их ЭХГ из ТОТЭ;
на этапе исследований - возможность анализа работы проектируемых или созданных КЭУ на базе ГТД и ТОТЭ на установившихся режимах, а также замены ряда экспериментов, связанных с натурными испытаниями на дорогостоящем оборудовании, на численное моделирование;
- в учебном процессе - выполнять термодинамическое моделирование
КЭУ на базе ГТД и ТОТЭ при проведении лабораторных работ, в курсовом
и дипломном проектировании.
Реализация результатов работы. Разработанный программный модуль SOFC и результаты проведенных автором исследований с его использованием, внедрены в ОАО НПП «Мотор», ФГУП УАП «Гидравлика», ГОУ ВПО «Уфимский государственный авиационный технический университет» (УГАТУ) в учебном процессе кафедр «Авиационные двигатели» и «Авиационная теплотехника и теплоэнергетика», а также в научно-исследовательской деятельности университета.
Использование модуля SOFC подтверждено прилагаемыми актами.
На защиту выносятся:
Алгоритм, методика, математическая модель расчета КЭУ на базе ГТД и ТОТЭ, опирающиеся на математические уравнения, описывающие реакции пароводяной конверсии топлива в ТОТЭ, внутренние электрохимические реакции ТОТЭ, без привязки к ВАХ конкретных ТОТЭ.
Реализованный на ЭВМ программный пакет, позволяющий осуществлять структурно- параметрический синтез и анализ КЭУ на базе ГТД и ТОТЭ, состоящий из созданной математической модели твердооксидного топливного элемента SOFC, включенной в систему DVIGwT.
Результаты расчетных исследований, обосновывающих
возможность повышения эффективности ГТУ на примере КЭУ, созданной на базе конвертированного авиационного двигателя Р13-300 (ГТЭ - 10/95) и ЭХГ из ТОТЭ.
Апробация работы. Основные научные и практические результаты диссертационной работы докладывались на 6 научно-технических конференциях, совещаниях и семинарах, в том числе на Международной молодежной научной конференции "XII Туполевские чтения" (Казань. 10-11 ноября 2004 г.); II научно - технической конференции молодых специалистов, посвященной годовщине образования ОАО "УМПО". (Уфа. 5-7 июля 2006 г.); Международной научно - технической конференции "Проблемы и перспективы развития двигателестроения" (Самара. 24-26 июня 2010 г.); научно- технической конференции "Мавлютовские чтения". (Уфа. 27-28 октября 2009 г.); всероссийской конференции "ТОТЭ и ЭУ на их основе" (Черноголовка. 16-18 июня 2010 г.), на III международной научно-технической конференции "Авиадвигатели XXI века" в ЦИАМ (Москва. 30 ноября - 3 декабря 2010 г.).
Программный модуль SOFC зарегистрирован в Федеральном институте промышленной собственности РОСПАТЕНТа в соавторстве с Горюновым И. М. и Бакировым Ф. Г.
Результаты отдельных этапов и работы в целом обсуждались на научно-технических советах ОАО "НПП "Мотор" (НТС в 2010 г.), ФГУП УАП «Гидравлика» (НТС в 2010 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 работ, из них 3 статьи в изданиях из списка ВАК и 1 свидетельство Роспатента об официальной регистрации модуля программы для ЭВМ.
Личный вклад соискателя в разработку проблемы. Все основные положения, связанные с разработкой алгоритма математического моделирования ТОТЭ, учитывающего внутренние электрохимические процессы ТОТЭ, программная реализация алгоритма в системе DVIGwT, проверка адекватности предложенного алгоритма в сравнении с экспериментальными данными "РФЯЦ-ВНИИТФ", а также расчетные исследования по повышению эффективности КЭУ на базе ГТЭ-10/95 и ЭХГ выполнены и разработаны автором лично.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав основного материала, библиографического списка из 62 наименований, изложенных на 148 страницах, и трех приложений.
КЭУ на основе ГТУ и ТЭ с внутренней конверсией природного газа, работающая при атмосферном давлении
Конвертируемые ГТД чаще всего создаются на базе авиационных двигателей, принадлежащих к предыдущим поколениям, следовательно, обладающих умеренными параметры рабочего процесса (см. таблицу 1.1), высокой температурой уходящих газов и достаточно низким эффективным КПД порядка 25..30% [14]. Остро встает проблема утилизации теплоты, теряемой с уходящими газами в атмосферу.
Известны следующие способы повышения эффективности ГТУ: [14] - форсирование параметров цикла; - усложнение термодинамического цикла; - впрыск воды, водяного пара в проточную часть ГТУ.
I) Основными способами форсирования параметров цикла является повышение значений степени сжатия компрессора як и степени подогрева Г 0 = - -. Рост температуры газа при фиксированном значении ягк сопровождается небольшим увеличением мощности и КПД, принципиальное повышение температуры газа перед турбиной должно сопровождаться увеличением степени сжатия. Однако реализация данного метода лимитируется свойствами материала, способного выдержать большой температурный напор в течение большого ресурса.
II) Усложнение термодинамического цикла осуществимо с уменьшением температуры газов, покидающих ГТУ (при существовании ограничивающей температуре в ОКС, лимитируемой прочностью материалов двигателя). Один из способов - повышение степени сжатия в компрессоре и степени расширения в турбине, с введением изменений конструкции базового ГТД, что требует дополнительных материальных затрат. Рассмотрим наиболее эффективные способы: а) Подогрев воздуха перед камерой сгорания за счет утилизации тепла выхлопных газов [1] реализуется в теплообменнике (регенераторе) воздуха после компрессора за счет теплоты уходящих газов. Определенная часть теплоты, ранее выбрасываемая с отработанными продуктами сгорания в атмосферу, полезно используется на подогрев воздуха перед ОКС, что позволяет экономить топливо на подогрев топливо - воздушной смеси. Т.е. введение регенерации теплоты уходящих газов повышает среднюю температуру подвода теплоты и уменьшает среднюю температуру ее отвода, что приводит к увеличению термического КПД цикла. Данный способ реализуем в случае, когда температура отработавших в турбине продуктов сгорания больше температуры воздуха после компрессора. Введение регенерации не изменяет внутренний относительный КПД цикла, а внутренний КПД установки возрастает. Например, в ООО "Волготранс" за счет модернизации ГПА ГТК-10 мощностью 10 МВт (КПД 24%) введением подогрева воздуха перед ОКС с 200 до 456 С удалось снизить расход топлива с 3400 кг/ч до 2500 кг/ч, обеспечивая КПД 33%.
б) Промежуточное охлаждение при сжатии реализуется в ГТУ с регенератором и охлаждением при сжатии. В реальной регенеративной ГТУ охлаждение в процессе сжатия в компрессоре повышает КПД установки. Введение регенерации в ГТУ снижает отрицательный эффект охлаждения воздуха в процессе сжатия, и поскольку с увеличением яг отрицательный эффект растет медленнее положительного, то промежуточная граничная степень регенерации, необходимая для уничтожения отрицательного эффекта, уменьшается [1].
Для простейшей ГТУ получено, что, несмотря на неэкономичность охлаждения при сжатии для идеального цикла, для действительного цикла -охлаждение экономически целесообразно при низких КПД узлов [48].
По данным [50] промежуточное охлаждение воздуха между ступенями компрессора в процессе сжатия путем впрыска водяных капель размером менее 25 мк осуществлено на ГТУ LM2500 (General Electric). Использование данной технологии увеличивает массовый расход воздуха через компрессор на 23%, повышает электрическую мощность на 28%, КПД по производству электроэнергии - до 40% (показатели "брутто"). Мощность рассматриваемой установки согласно [44], работающей по простому циклу составляет 23,27 МВт, а с учетом впрыска 27,96%, увеличение составляет 4,69 МВт.
в) Промежуточный подогрев рабочего тела при расширении реализуется в ГТУ с регенератором и подогревом при расширении. Подвод теплоты в процессе расширения повышает среднюю температуру рабочего тела, увеличивает работу процесса расширения и цикла в целом. Совмещение процессов подвода теплоты и расширения позволяет получить единый политропный процесс, при котором происходит наибольшее увеличение работы. Такой процесс можно осуществить при сжигании топлива в проточной части турбины. Топливо в этом случае поступает, например, через форсунки, размещенные в сопловом аппарате, или непосредственно через выходные кромки сопловых лопаток. Попадание топлива на рабочие лопатки вызывает их охлаждение, что может обеспечить неизменную или даже пониженную температуру лопаток, несмотря на повышение температуры газа в турбине.
Повышение КПД одноконтурных ГТУ, созданных на базе авиационных ГТД возможно: уменьшением радиальных зазоров; подогревом топлива, поступающего в ОКС, выхлопными газами; уменьшением расхода охлаждающего воздуха в газогенераторе за счет применения топливо -воздушных теплообменников. Согласно данным [14] эффект от перечисленных мероприятий в привязке к конкретному ГТД указан в таблице 1.2.
III) Впрыск воды, водяного пара 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) [8].
Выбор и обоснование применения ТЭ в составе КЭУ
Согласно [21] ТЭ - это, устройство, в котором химическая энергия топлива (восстановителя) и окислителя, непрерывно и раздельношодводимых к электродам, непосредственно лревращается візлектрическую энергию.
В отличие от обычного гальванического элемента электроды в» ТЭ в процессе работы не изменяются-, так как окислители?и восстановители-в состав электродов не входят. Вследствие этого ТЭ В основном работает в стационарном режиме.
Принцип действия ТЭ состоит в том, что при пропускании кислорода и водорода через пористые трубки, находящиеся в сосуде со щелочным электролитом, происходит соединение атомов водорода с гидроксильным остатком ОН полученным в результате распада электролита на ионы и остаток ОН. При этом образуется-вода, и высвобождаются электроньь(см. рисунок 2.1) [5].
В то же время на положительном электроде происходит соединение кислорода с водой и образование гидроксильного остатка ОН.
В качестве отрицательного электрода может служить не только водород, но и любое углеводородное топливо (метан, водяной газ, природный газ, окись углерода и другие). Положительным электродом служат кислород или воздух, а также сильные окислители. Л
Таким образом, электроны, накопленные на трубке, являющейся отрицательным электродом, направляются во внешнюю цепь на кислородный положительный электрод, где захватываются кислородом, в результате чего по внешней цепи начинает протекать электрический ток. Кислород непрерывно пополняет в электролите расход ОН, а водород поддерживает необходимое количество воды в электролите.
В отличие от химических, в электрохимических реакциях, протекающих в ТЭ, обеспечивается направленное движение электронов от восстановителя к окислителю. В ТЭ суммарная токообразующая реакция: тВ + пОк = В Ок , т п (2.1) где тип- стехиометрические коэффициенты. Данная реакция осуществляется в виде нескольких сопряженных процессов: - электрохимическое окисление восстановителя с отдачей электронов во внешнюю цепь (первая реакция): п + (2.2) тВ — тВ + тпе; - электрохимическое восстановление окислителя (вторая реакция): лОк + пте - пОкт ; (2.3) 42! - движение образующихся при окислении ионов между участками, где происходят вышеуказанные две реакции и их взаимодействие с образованием продуктов реакции (третья реакция): тВ п++пОкт =В Ок ; (2.4): - при движенииэлектронов от участка; где происходит первая: реакция к; участку, где происходит вторая реакция возникает электрический ток.,
Простейшая схема ТЭ приведена на?рисунке2:21 Имеются -два электрода с электродными камерами, ионный проводник (электролит) между; ними; На аноде происходит реакция; электроокисления топлива - первая реакция; На, катоде протекает электрохимическое восстановление окислителя - вторая" реакция:,Электроды віТЗ служат;для- проведения=электрохимических реакций; подвода; или» отвода, электронов. В электролите происходит движение положительно и отрицательно заряженных частиц (ионов)г Ионный проводник также служит для; разделения окислителя: и восстановителя. При работе ТЭ анод и катод замыкаются проводником; первого рода; по) которому электроны двигаются от; анода к катоду, совершая работу. - электролит; 2 - катод; 3 - катодная камера; 4 - анодная камера; 5 - анод; Т-топливо; Ок- окислитель; Па и Пк — продукты анодных и катодных реакций
Упрощенная схема ТЭ! [21]; . По данным [5], электрический КПД ТЭ лежит в пределах 40-60%, а с учетом утилизации продуктов реакции на теплофикацию - общий КПД порядка 80-85%.
Топливо в ТЭ характеризуется восстановительной способностью (отдавать электроны), определяется его равновесным электродным потенциалом. Чем отрицательнее электродный потенциал, тем более сильным восстановителем является данное вещество и тем выше ЭДС ТЭ.
Кроме того, на электроде устанавливается смешанный потенциал, лежащий между потенциалами восстановителя и водорода, что приводит к снижению разности потенциалов электродов по сравнению с ЭДС ТЭ.
Хотя электродный потенциал и характеризует восстановительную способность топлива, однако он не является основной характеристикой, учитываемой при выборе того или иного вида топлива. Это обусловлено в основном малым различием потенциалов у многих восстановителей.
Более важной характеристикой реагентов является их электрохимическая активность, т.е. скорость окисления топлива или соответственно поляризация при определенной скорости окисления (плотности тока). По электрохимической активности восстановители можно расположить в ряд: (Li,Na,Zn,Mg,Al),#2#4 #2 CH2 СЩОН CO C H CH С. Окислители ТЭ характеризуются электродным потенциалом, окислительная способность растет с увеличением окислительно-восстановительного потенциала. Наиболее положительные значения потенциалов имеют фтор, перекись водорода, хромовая и хлорная кислоты. Наиболее приемлемым для ТЭ окислителем является кислород воздуха, так как в этом случае отпадает необходимость в системе хранения окислителя и снижается стоимость энергии. Однако применение воздуха связано с определенными осложнениями, обусловленными наличием в воздухе двуокиси углерода и азота.
Описание модуля SOFC
На основе разработанных подходов к созданию математических моделей ГТД и ЭУ с использованием программного комплекса САМСТО [6] разработана система математического моделирования тепловых, энергетических и комбинированных установок DVIGwT (см. рисунок 3.1). Система DVIGwT официально зарегистрирована в Российском Агентстве по Патентам и Товарным Знакам (РОСПАТЕНТ), свидетельство №2004610623 от 04.03.2004. Областью применения системы DVIGwT являются термогазодинамические расчеты энергетических установок произвольных схем (авиационных газотурбинных двигателей, газотурбинных, паротурбинных, парогазовых установок, тепловых насосных установок) и программ регулирования. Система DVIGwT позволяет также изучать и анализировать работу отдельных элементов установок (компрессора, камеры сгорания, турбины и т.д.). В математических моделях функциональных элементов - учитываются фазовые превращения в рабочем -теле в процессах- сжатия, расширения, подвода и отвода тепла.
Математическая модель ТОТЭ разработана под руководством д.т.н., проф. Горюнова И. М. Система DVIGwT позволяет: осуществлять структурный синтез и параметрический анализ схем, характеристик и рабочих процессов ГТД и ЭУ; применять в процессах проектирования и доводки ГТД, тепловых, энергетических и комбинированных установок, реконструкции ТЭЦ, котельных; распознавать облик рабочего процесса при неполной информации о ГТД и ЭУ.
Система математического моделирования DVIGwT позволяет выполнять структурный синтез энергетических установок различных схем. При структурном синтезе ЭУ автоматически компилируется математическая модель ЭУ из математических моделей элементов схемы.
Разработанная система не связывает исследователя жестко заданными схемами двигателей и постановкой задачи исследования. В то же время, термодинамический расчет ГТУ является неотъемлемой задачей проектирования, независимо от того, проектируется новый двигатель или моделируется- существующий, реальный. Эта? задача решается после создания структурной схемы установки параметризации элементов;
Постановкам задачи, термодинамического!расчета может.быть различной; например: по заданными внутренним; параметрам; характеризующим элементы;. определитьJ выходные: параметры; отдельных? элементов и установки в? целому (о дновариантньгш анализ)-; . - определите некоторые1 варьируемые внутренние параметры! при известных значениях выходных; параметрові (параметрический синтез; идентификацияшатематическойімодели); - по? одному илш нескольким; варьируемым- параметрам получить. зависимости выходных! параметрові элементов и установки (оптимизационная; задача; многовариантнышанализ): Ири решении различных; вариантов;, постановка задачи1 термодинамического расчеташрименяются разные алгоритмы однако в основе. каждого из них; лежит, последовательный расчёт- всехг элементов установки; составляющих заданную;схему. . Типовой; задачейі расчета: двигателя является? расчет его характеристик (высотно-скоростных, дроссельных; климатических: w пр:); Has установившихся режимах работы. Дляїрешения.такой типовой;задачишараметрического синтеза; и анализа» определяются.; условия; согласования; режимов работы элементов двигателя наї нерасчетных режимах т назначаются варьируемые параметры из числа входных параметров.
Заданные условия; согласования; элементов дополняются: для расчета характеристик внешними условиями.
Математическая? модель. по определению А;, Ш. Тунакова» - это; "совокупность констант и соотношений, т.е: формул, уравнений неравенств: и логических условий, которые однозначно связывают вектор параметров, включающих функцию цели и функциональные ограничения, с варьируемыми параметрами, внешними и начальными условиями."
Это определение отвечает содержанию.понятия математической модели ГТД, ЭУ И ТОТЭ, под которой- понимается математическое описание взаимосвязей параметров, характеризующих рабочий процесс установки и отдельных ее элементов. Математическая модель служит главным образом для определения ЭДС ТЭ, так как ЭДС представляет собой отношение полной работы, совершаемой источником тока при перемещении единичногозаряда по электрической цепи к величине этого заряда; В качестве движущей силы перемещения заряда служит сила в виде постоянного потенциала, возникающего при протекании реакции между окислителем и топливом. Энергия химической, реакции окисления топлива непосредственно переходит в электрическую и в1 тепловую энергию. Математическая модель базируется на законах сохранения массы, энергии и уравнениях электрохимических реакций.
Исследование повышения эффективности ГТЭ-10/95 за счет включения в схему КЭУ ЭХГ на ТОТЭ, работающего на отборе воздуха за КНД
В! настоящее; время общепризнанными; являются-; математические; модели как; средство:; исследования; используемое BS компьютерных: экспериментах;, Особенно; актуальньг такие; работы прш исследовании-! технически сложных;/ объектов; состоящих; ИЗІ дорогостоящего» оборудования . Основываясь наг результатах .таких: расчетных; исследование различных; ЭЩ возможное сформировать,предложенияшо ихіДоработке;и;совершенствованиюї
Вї целях практическогоАрешенияшроблемы ресурсосбережения; снижениям себестоимости электрической № тепловой! энергии, решения! вопросов; экологической безопасности энергетического производства; в« ОАО?» "НИМ "Мотор" разработана блочно - модульная; энергетическаяг установка FTO-10/95БМ (рисунок 4.10 номинальной электрической; мощностью» 8і 10 МВт и тепловой производительностью 17-19 Екал/час с. суммарным коэффициентом использования топлива более 80; % [6]. В\ состав ЕТЭ-10/95БМт входит газотурбинный приводТТП-10/95; который создан на основе конвертирования авиационного двигателя Р95Ш (рисунок 4.2).
Конструктивная характеристика газотурбинного агрегата ЕТА-10/953-002 (состоящего из модуля газогенератора и модуля силовой турбины с электрооборудованием и коммуникациями) для: ГТЭ-10/95БМ. промышленной поставки составлена на базе компоновки ГТАт 10/953-002 "Шакша" [6;7]. При Исследования выполнены под научным руководством д.т.н., проф. Горюнова И. М.
Коробка агрегатов с уменьшенным расходом масла насмазку шестерен, с насосом откачки- маслам из вынесенной задней опоры турбины-, газогенератора, имеет возможность запуска от электродвигателя.
На раме модуля газогенератораїтакже устанавливаются -электростартер от -380 V и топливные трубопроводы, газогенератора. Силовая турбина; 3-х ступенчатая; двухопорная, со съемным - теплоизоляционным кожухом-на корпусе, статора
Принципиальная: схема газотурбинной установкиГІТЗ ІО Зприведенаїна рисунке 4.3. Воздух; из»: окружающей среды;? проходя: фильтры: воздухопроводов поступает наг вход: в:КНД: После КНДчи;КВД!сжатый воздух; направляется;в. камеру сгорания; Продукты/ сгорания после срабатывания на ИВД! и: ТНД; поступают ВЇ Civ которая? приводит выдвижение электрогенераторе После? GT продукты: сгорания; черезі диффузор? поступают: в КУ ш далее,? проходя: выхлопное устройство; выбрасываютсяшюкружающуююреду: Вода поступает в питательный насос;, который? создает требуемый напор- а затем; проходя:через подогреватель сетевой воды, передает, теплої сетевой? воде; которая непосредственноиспользуетсядляїпередачи тепла потребителю:,
В соответствии с методикой, приведенной в работе? [8]? и работами Горюнова И. Мі (УГАТлУ), и условной схемой (рисунок 4.3) создана математическая модель ГТЭ-10/95 "Шакша" в среде DVIGwT. На структурной схеме модели (рисунок 44), состоящей из элементов (ГТП, КУ), пунктирными линиями указанььрекурсивные связи, обеспечивающие передачу параметров от последующих; элементов к предыдущим.
Структурная схема идентична тепловой схеме, что подтверждается данными исследования [8]. Идентификация математической модели газотурбинного привода выполнена в работе [8], по данным, предоставленным ОАО "НПГГ Мотор" на установившихся режимах нагрузочной характеристики соответствующих электрической мощности N3 = 8,6,4 и 2 МВт. Расчетные параметры полностью соответствуют экспериментальным данным. Результаты расчета нагрузочных характеристик приведены на рисунках в разделе 4.5 работы.
Топливом в рассматриваемой ГТЭ, а также при исследовании и расчетах остальных схем КЭУ, принят природный газ с теплотворной способностью 49184,1 кДж/кг, следующим составом по объемным долям: 98,63% - СКЦ; 1,01% - С02; 0,12% - С2Н6; 0,12% - N2; 0,1% - С4Н10; 0,02% - С3Н8.
