Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обращение с твердыми бытовыми и промышленными отходами 19
1.1. Бытовые и промышленные отходы - непременный атрибут развития цивилизации 19
1.2. Использование санитарной засыпки для захоронения ТБПО 20
1.3. Термическая переработка ТБПО
1.3.1. Термическая переработка ТБПО как способ решения экологической, энергетической и экономической проблемы 21
1.3.2. Метод слоевого сжигания ТБО 24
1.3.3. Низкотемпературный пиролиз 28
1.3.4. Высокотемпературный пиролиз 30
1.3.5. Термическая переработка ТБПО по методу ИПХФЧ
1.3.5.1. Явление «Сверхадиабатического разогрева при фильтрационном горении» 33
1.3.5.2. Основные реакции газификации 38
1.3.5.3. Основные достоинства реактора-газификатора ИПХФ 41
Задачи исследования 43
Глава 2. Исследование характеристик реактора-газификатора ИПХФ.. 44
2.1. Реактор-газификатор ФГУП «ММПП «Салют» 44
2.2. Материальный и энергетический баланс реактора (на примере газификации ТБО) 45
2.3. Экспериментальные пуски реактора. Сопоставление результатов пусков с теоретическими расчетами
2.3.1. Пуск установки в г. Тонкасуо (Финляндия) 50
2.3.2. Пуски и отладка установки на ММПП «Салют» з
Стр.
2.3.3. Результаты опытных пусков 54
2.4. Теплоэнергетические характеристики генераторного газа и продуктов его
сгорания 59
2.4.1. Газогенерация твердых топлив 59
2.4.2. Сравнение расчетных показателей с данными, полученными в ходе экспериментальных пусков реактора-газификатора 62
2.4.3. Генераторный газ — продукт газификации ТПБО как топливо для газотурбинной установки 64
Глава 3. Газотурбинный энергопреобразователь для реактора газификатора 70
3.1. Использование ГТУ в процессах термической переработки ТБПО 70
3.2. Выбор схемы ГТУ для комплекса термической переработки ТБПО методом газификации в реакторе ИПХФ 76
3.2.1. Первый этап разработки газотурбинного энергопреобразователя 76
3.3. Зависимость величины поверхности теплообмена воздухонагревателя (регенератора) от степени нагрева (регенерации) и суммарной относительной потери давления теплоносителей 82
3.4. Модифицированная схема ГТУ с камерой сгорания после турбины, байпассированием камеры сгорания частью воздуха после турбины и
вводом его в газовый тракт воздухонагревателя 91
3.4.1.. Сопоставление ГТУ с камерой сгорания после турбины и работой турбины на чистом высокотемпературном воздухе с ГТУ традиционной схемы 91
3.4.2. Особенности работы воздухонагревателя при использовании в ГТУ низкокалорийного топливного газа 93
3.5. Газотурбинная установка с камерой сгорания за турбиной, работой турбины на чистом высокотемпературном воздухе, байпассированием камеры сгорания частью воздуха при последующем его вводе в газовый тракт воздухонагревателя 98 Стр.
3.6. Определение массового расхода воздуха AG на перепуск в обход камеры сгорания и последующий ввод в газовый тракт воздухонагревателя 101
3.7. Влияние относительной величины массы перепуска AG (байпассирование камеры сгорания) на показатели ГТУ 104
Глава 4. Возможные пути практической реализации газотурбинного энергопреобразователя модифицированной схемы для реактора газификатора ИПХФ 109
4.1. Требования к энергопреобразователю реактора ИПХФ 109
4.2. Анализ и выбор ГТУ из числа отечественных турбомашин для газотурбинного энергопреобразователя реактора-газификатора ИПХФ
4.2.1. Анализ возможности использования ГТГ-2500 113
4.2.2. Анализ возможности использования ГТУ на основе серийного турбовалъного двигателя ТВЗ-117 и его модификаций 115
4.3. Газотурбинный энергопреобразователь на базе модифицированной схемы ГТУ 120
4.4. Высокотемпературный воздухонагреватель 129
Выводы по главе 4 133
Выводы по диссертации 135
Список используемой литературы
- Термическая переработка ТБПО как способ решения экологической, энергетической и экономической проблемы
- Пуск установки в г. Тонкасуо (Финляндия)
- Выбор схемы ГТУ для комплекса термической переработки ТБПО методом газификации в реакторе ИПХФ
- Анализ и выбор ГТУ из числа отечественных турбомашин для газотурбинного энергопреобразователя реактора-газификатора ИПХФ
Введение к работе
Актуальность темы. Развитие мировой цивилизации сопровождается улучшением комфортности жизни человека. Это является первопричиной и одновременно следствием развития энергетики, промышленности, других отраслей народного хозяйства. Это сопровождается возрастающим темпом образования бытовых и промышленных отходов (ТБПО) как результат жизнедеятельности человека. К промышленным отходам также следует отнести отходы, которые имеют энергетическую и материальную ценность, но их использование на современном этапе развития технологии экономически не оправданно. Накопление ТПБО оказывает отрицательное воздействие на среду обитания и требует специальных дорогостоящих мер по сведению к минимуму последствий их образования.
ТБПО представляют собой неиссякаемый (постоянно подпитываемый) источник связанной в них энергии, которая может и должна быть использована для созидательных целей. По скромным оценкам экспертов в России для энергетических целей можно ежегодно использовать 800 млн. т древесной биомассы, 250 млн. т отходов лесной, бумажной и деревообрабатывающей промышленности, 60 млн. т ТБО городов и поселков.
В программе Энергетической стратегии России на период до 2020 г. отмечено: «важным местным видом топлива... являются бытовые отходы. Необходимо создать условия для включения их в топливо-энергетический баланс и решения одновременно экологических проблем».
Мусоросжигание, или переработка ТБПО термическим методом с выделением и последующим использованием теплоты химических реакций является наиболее сложным, высокотехнологичным способом обращения с отходами, но и более результативным в общеэкономическом и экологическом аспектах. Сокращается масса ТБПО, подлежащая захоронению, а современные технические средства фильтрации и подавления токсичности продуктов сгорания позволяют свести к минимуму (в пределах действующих нормативов) воздействие последствий образования ТБПО на окружающую среду. Выделяемая энергия может и должна быть использована для производства электрической и теплофикационной энергии.
Диссертация посвящена разработке ГТУ на твердом горючем с реактором-газификатором твердых бытовых, промышленных отходов и низкосортного высокозольного твердого топлива. Установка позволяет производить термическую переработку ТБПО на месте их образования, а также использовать местные ресурсы низкосортного твердого топлива для производства товарной электрической и тепловой энергии. Таким образом, диссертационная работа направлена на решения комплексной проблемы охраны окружающей среды и экономии высокосортного углеводородного топлива; направленность работы отвечает задачам Энергетической стратегии России до 2020 г. и программам обращения с твердыми бытовыми отходами, сформулированных в Постановлениях Правительства г. Москвы.
)
Целью работы является - разработка научно-технических основ расчета и проектирования ГТУ модифицированной схемы на твердом топливе с реактором-газификатором ТБПО и низкосортных твердых топлив.
Исходя из поставленной цели определены и выполнены следующие задачи научного исследования:
анализ и обобщение результатов опытной эксплуатации двух образцов опытно-промышленного реактора (по технологии ИПХФ РАН г. Черноголовка), создание программы расчета и банка данных теплоэнергетических характеристик продуктов сгорания генераторного газа (при газификации исходного сырья различного состава) в удобной для расчета ГТУ форме;
разработка и исследование модифицированной схемы ГТУ с турбиной на высокотемпературном воздухе, камерой сгорания после турбины, перепуском части воздуха после турбины в обход камеры сгорания и вводом этого воздуха в газовый тракт воздухонагревателя.
Научную новизну работы представляют:
банк данных фракционного состава и теплоэнергетических характеристик генераторного газа при газификации характерных типов исходного сырья в реакторе ИПХФ;
методика и программа расчета, банк данных теплоэнергетических характеристик продуктов сгорания генераторного газа при различных видов исходного сырья на газификацию; результаты представлены в удобной для расчета ГТУ форме;
результаты исследования модифицированной схемы ГТУ с измененной последовательность процессов и байпассированием камеры сгорания частью воздуха, позволяющей более полно использовать энергетический потенциал низкокалорийного генераторного газа;
методика и программа расчета массы перепуска, показано влияние массы перепуска на мощность и экономичность ГТУ, характеристики высокотемпературного воздухонагревателя.
Практическая ценность работы состоит в том, что:
разработана и исследована модифицированная схема ГТУ на твердом топливе с реактором-газификатором ТБПО и низкосортного твердого топлива, позволяющая создать высокоэффективный энерготехнологический комплекс термической утилизации ТБПО или создать энергетическую ГТУ на твердом высокозольном низкосортном топливе;
разработан комплекс материалов, на основе которых производится расчет и проектирование твердотопливной ГТУ модифицированной схемы с реактором-газификатором по технологии ИПХФ;
предложены возможные варианты исполнения твердотопливной ГТУ с реактором ИПХФ; приведен анализ сопутствующих проблем и путей их решения.
Апробация работы. Основные положения работы доложены на 14-й Школе-семинаре молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева (Рыбинск, 25-28 мая 2003 г.); на 1-ом Российском научно-практическом семинаре «Использование нетрадиционных и возобнов-
ляемых видов энергии и способы ее хранения» (Москва, 2 декабря 2003 г.); на Международной научно-практической конференции «Использование нетрадиционных и возобновляемых видов энергии и способы ее хранения (Москва, 16 ноября 2004 г.), на XII Всероссийской межвузовской научно-технической конференции «Газотурбинные и комбинированные установки и двигатели» (Москва, 24-26 ноября 2004 г.); а также семинарах кафедры Э-3 МГТУ им. Баумана в 2003-2005 г.
Научные публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 7 печатных работ, 6 материалов конференций и _2_ статьи, из них по перечню ВАК -1 публикация.
Структура и объем работы. Работа состоит из введения, четырех глав, общего заключения и списка литературы. Она содержит 168 страницы, 19 приложений, 42 рисунков, 26 таблиц и список литературы из 82_ наименований.
Термическая переработка ТБПО как способ решения экологической, энергетической и экономической проблемы
Сжигание является современным рациональным способом обращения с ТБПО. Органическая составляющая ТБПО по существу является возобновляемым (постоянно подпитываемым) источником энергии в первую очередь для коммунальной энергетики.
Складирование оставшейся после сжигания зольной части экологически более безопасно и требует в 10... 15 раз меньшей площади под складирование.
По действующей в РФ инструкции «полигоны - это природоохранные сооружения, обеспечивающие защиту от загрязнения атмосферы, почвы, поверхностных и грунтовых вод, препятствующие распространению болезнетворных микроорганизмов» [66]. Согласно терминологии Американского общества гражданских инженеров это означает «метод удаления отходов в землю без причинения вреда или создания угрозы для здоровья обществу или его безопасности, при использовании таких технических средств, чтобы ограничение площадь, занятую отходами, уменьшить их объем до минимального и прикрывать их слоем земли ежедневно по окончании работы».
Один человек производит в год примерно 300 кг ТБО, следовательно, для города с населением 50 000 чел., производящих 15 000 т/год ТБО, требу-ется объем полигона, в расчете на год, составит примерно 31250 м . При высоте засыпки в 10 м ежегодный прирост площади земли под полигон составит 0,3125 га. После консервации полигона земля выводится из землепользования на 15... 20 лет.
В процессе эксплуатации полигона существует опасность распространения вредных насекомых и грызунов, образование пыли и неприятных запахов, возникновение пожара, загрязнения воздуха, грунтовых и поверхностных вод. В законсервированных полигонах со временем происходят образование горючего газа (свалочный газ), загрязнение грунтовых вод выщелачиванием ТПБО, оседания почвы, обусловленное анаэробным разложением органических веществ.
В условиях создавшейся экономической ситуации в стране, когда растет стоимость добычи и транспортирования топливно-энергетических ресурсов, еще более актуальной становится задача поиска резервов экономии первичных энергоресурсов, определения способов повышения эффективности энергоиспользования при реконструкции действующих и проектировании новых предприятий, в том числе и предприятий по переработке отходов.
Энергохозяйства многих российских городов в основном были сформированы более 30 - 40 лет назад и на сегодняшний день не отвечают в полной мере современным экологическим, социально-экономическим и научно-техническим требованиям.
Прежде всего, это относится к системам теплоснабжения. Сегодня они являются не только наиболее расточительными потребителями топлива (на нужды теплоснабжения расходуется примерно вдвое больше топлива, чем на нужды электроснабжения) и основными загрязнителями воздушного бассейна городов, но и самыми емкими потребителями финансовых, материальных, трудовых ресурсов.
Стоимость энергии для коммунальных потребителей достигает 60 -80 % от общих коммунальных расходов и продолжает увеличиваться. Энергетическое использование ТБПО в значительной степени может явиться средством сдерживания тарифов на коммунальную энергетику. Физико-химический состав твердых бытовых и промышленных (сгораемая фракция) отходов дает возможность использовать их в качестве топлива. Стандартный вид топлива должен удовлетворять ряду требований: быть доступным - ресурсы ТБПО являются возобновляемыми и практически неисчерпаемы (в России ежегодно образуется более 30 млн. т ТБПО); обладать достаточной химической активностью по отношению к кислороду воздуха как окислителю (ТБПО химически активны - часто происходит самовозгорание неконтролируемых).
Теплота сгорания подготовленных к сжиганию бытовых отходов примерно соответствует теплоте сгорания бурого угля. Ее величина зависит от фракционного состава ТБО. Чем больше доля пластиковых и других горючих отходов, тем больше теплотворная способность бытового мусора. В последние годы в развитых странах наблюдается именно такая тенденция в изменении фракционного состава бытовых отходов. В среднем теплота сгорания бытовых отходов колеблется от 4000 до 12000 кДж/кг. Образно говоря по теплотворной способности 10,5 т сортированных твердых бытовых отходов примерно эквивалентны 1 т нефти.
Московская коммунальная энергетика становится все более ориентированной на использование энергоутилизационных предприятий, работающих на вторичном топливе - ТБО. Одно из первых - мусоропкерерабатывающий завод МСЗ №2 - вырабатывает не только 30 Гкал/час тепла, передаваемого в систему отопления города, но и вырабатывает 4,5 МВт электроэнергии, большая часть которой отправляется внешним потребителям. По проектной мощности МСЗ №4 может отдавать городу до 60 Гкал/час тепла и до 9 МВт электроэнергии, МСЗ №3 (после окончания реконструкции) соответственно 35 Гкал/час и 5 МВт.
Пуск установки в г. Тонкасуо (Финляндия)
Полная технологическая схема газификатора, расположенного на территории ФГУП «ММПП «Салют» приведена в Приложении 3. Она состоит из стадий (блоков): блок подготовки сырья, классификации и подачи твердого топлива; блок соответственно газификации; блок утилизации продукт газа.
Блок подготовки сырья, классификации и подачи твердого топлива состоит из гидростанции, конвейера, бункера древесных отходов и ТБО, питателя стержневого, бункера (воронки) сбора инерта, конвейера подачи инерта с весами, конвейера подачи инерта в воронку, конвейера подачи сырья, конвейера отвода золы с инертом из газификатора, контейнера сбора золы, загрузочной воронки, механизма питающего, механизма запорного, воронки падающего инерта с сетчатым классификатором, роторных затворов и гидростанции регулирующей выгрузку золы и загрузку через питающий механизм.
Твердое топливо (это были древесные отходы и ТБО) в равных весовых количествах загружаются сверху с помощью погрузчика в бункер и с помощью стержневого питателя подается на конвейер сырья, подача регулируется гидроцилиндрами гидростанции конвейера. Одновременно на конвейер подачи сырья направляется необходимое количество инерта (крупный дробленый шамот размером 50-80 мм) через воронку сбора инерта конвейером подачи инерта с весами. Дозированное количество топлива и инерта конвейером сырья через загрузочную воронку подается в механизм питающий и запорный. Регулировка работы этих механизмов осуществляется через гидроцилиндры гидростанции. Отработанное топливо: зола, шлаки, избыток инерта выгружается из нижней части корпуса газификатора через роторные затворы с помощью гидроцилиндров гидростанции и конвейером отвода золы с инертом из газификатора, подается в воронку падающего инерта с сетчатым классификатором. Здесь происходит отделение инерта, направляемого обратно конвейером в воронку сбора инерта и возвращаемого обратно в процесс (рецикл инерта) и золы, которая после газификации собирается в контейнер.
Блок собственно газификации состоит из корпуса газификатора, крышки газификатора, блока розжига с вентилятором и системой подачи топлива с горелкой блока розжига, вентилятора подачи воздуха в газификатор, системы подачи пара, вращающегося колосника нижней части газификатора с шиберными задвижками, боковой и верхней шуровками, дымососа на выходе из газификатора и агрегатов насосных.
Загруженное твердое топливо (древесные отходы и ТБО) размещается в газификаторе поверх слоя инерта.
Воздух для проведения процесса газификации подается вентилятором в смеси с паром из системы подачи пара в нижнюю часть корпуса газификатора.
Для предварительного разогрева газификатора используется блок розжига, в которой происходит сгорание жидкого топлива. Продукты сгорания вводятся в нижнюю часть газификатора, разогревая стенки газификатора и слой инерта, лежащий на вращающемся колоснике.
Для предотвращения прогаров, застойных зон, выравнивания профиля температур в зонах горения и газификации используются боковые и верхние шуровки соответственно, оснащенные гидроприводными механизмами. Выгрузка золы и инерта производится через шиберные задвижки. Продукт-газ выводится из газификатора дымососом и направляется на утилизацию. В исследуемом варианте газификтора блок утилизации состоит из камеры сгорания с рабочей горелкой, опорной (дежурной) и воспламеняющей горелки, дымовой трубы, вентилятора подачи первичного воздуха, вентилятора подачи вторичного воздуха, вентилятора розжига, системы подачи топлива.
Продукт-газ дымососом направляется в предварительно разогретую камеру к рабочей горелке. Предварительный разогрев камеры осуществляется дымовыми газами, образующимися при сгорании жидкого пускового топлива. Сгорание обеспечивается подачей воздуха вентилятором опорной горелки. Воспламенение жидкого топлива обеспечивает дежурная (воспламеняющая) горелка, работающая на природном газе из системы.
Образующиеся дымовые газы в нижней части дымовой трубы разбавляются воздухом. Дополнительный поток воздуха инжектируется через нижнюю, более широкую часть дымовой трубы.
Отработанная методика пуска позволяла беспроблемно выводить реактор на режим стабильной газификации.
Для оценок достигнутых в пробных пусках величин производительности газификатора при переработке древесных отходов и тепловой мощности на горелке при сжигании продукт-газа были обработаны данные по объемам загруженного топлива, расходам воздуха на газификацию и времени работы газификатора. Результаты обработки сведены в таблицу 5.
Дата пуска Объем газифицированного топлива, м Время газификации, час Средний расход воздуха, кг/ч Всего подано воздуха, кг Отношение массы воздуха к объему топлива, кг/м3 Расход воздуха на 1 м3 топлива, кг
Величины объемов газифицированного топлива, приведенные в таблице, включают (для каждого пуска) предварительно загруженное топливо и загруженное в процессе работы. Время газификации определено как промежуток с момента воспламенения топлива в реакторе до момента прекращения подачи в реактор воздуха на газификацию. Средний расход и суммарное количество поданного в реактор воздуха рассчитаны по показаниям расходомера.
Как видно из таблицы 5 отношение массы поданного в реактор воздуха к объему переработанного топлива находится в диапазоне от 226 до 553 кг/м . Причем по величине этого отношения все пуски можно разбить на две группы. Во время пусков 10 и 17 декабря влажность топлива была существенно выше, чем во время первых трех пусков. Как видно из таблицы, отношение массы поданного в реактор воздуха к объему переработанного топлива в среднем оказалось вдвое больше при газификации более влажной древесины. В первой группе из трех пусков это отношение для пусков 5 и 9 де-кабря практически одинаково (-300 кг/м ) и заметно меньше для пуска 8 де-кабря (226 кг/м ). Причиной такого различия является более короткое время работы реактора 8 декабря. При более коротком времени работы возрастает доля негазифицированной части топлива, которую оставалась в реакторе после перевода его в тлеющий режим.
В последней колонке таблицы 5 приведена расчетная величина количе-ства воздуха, затрачиваемого на газификацию 1 м древесины, полученная в предположении, что после перевода реактора в тлеющий режим в нем еще остается 1,3 м не переработанного материала. Видно, что при таком учете остающегося в реакторе топлива расчетное количество воздуха, затрачивае-мого на газификацию 1 м древесины, практически одинаково в каждой из упомянутых двух групп пробных пусков и составляет 370 кг для относительно сухой древесины и 690 кг для сильно увлажненной.
Выбор схемы ГТУ для комплекса термической переработки ТБПО методом газификации в реакторе ИПХФ
Расход воздуха через компрессор составляет 14,56... 14,6 кг/с. Это более чем вдвое превышает расход воздуха, который по условиям сгорания может поступить в камеру сгорания при сжигании того количества продукт-газа, который производится реактором (или требуется существенно больший расход топливного газа по сравнению с потенциальной производительностью реактора). Например, при снижении температуры на входе в турбину до 1287 К мощность установки понижается вдвое и практически согласуется с тепловой мощностью реактора, но по условиям сгорания продукт-газа и температуре продуктов сгорания на внешнем нагревателе, превышающем температуру нагрева воздуха на 100 К (коэффициент избытка воздуха должен быть около 2) на камеру сгорания должен быть подан примерно вдвое меньший расход воздуха или в камеру сгорания должен подаваться расход топливного газа около 4,4 кг/с (производительность реактора - 1,314 кг/с).
Таким образом, штатное регулирование температурой перед турбиной не позволяет осуществить согласование параметров ГТГ-2500 с параметрами реактора. Понижения расходной характеристики компрессора при неизменной частоте вращения можно добиться только регулированием компрессора. В связи с этим был рассмотрен другой способ регулирования мощности, при котором изменение температуры перед турбиной сопровождается одновременным снижением расхода воздуха через компрессор прикрытием направляющих аппаратов компрессора при неизменной частоте вращения последнего. С использованием реальной характеристики компрессора ГТГ- 2500 и сохранении запаса устойчивости по помпажу (рассмотрен новый режим совместной работы при неизменной частоте вращения) удается привести параметры двигателя к близким по реактору параметрам. Параметры ГТГ-2500 при регулировании температурой и прикрытием направляющих лопаток компрессора приведены в таблице 24.
Так, при сохранении частоты вращения компрессора, температуре перед турбиной 1068 К и температуре за камерой сгорания 1168 К, степень повышения давления с исходной 10,44 понижается до 5,49, а расход через компрессор - от 14,6 до 7,28 кг/с. При этом мощность составляет около 1 МВт, а расход топливного газа практически точно согласуется с производительностью реактора. Такой способ регулирования сопровождается резким падением КПД компрессора и, как следствие, понижением КПД установки против исходного номинала примерно в 1,7 раза.
Очевидно, что такой способ регулирования (согласования параметров) экономически не выгоден. Но главное, он требует вмешательства в конструкцию компрессора, то есть возможного некоторого изменения проточной части, увеличения зазоров в поворотных аппаратах, изменения в системе регулирования. Это малоприемлемо.
На базе турбовального двигателя ТВЗ-117 и его модификаций разработки ОАО «Завод им В.Я. Климова» г. С.-Петербург производственным объединением ОАО «Мотор Сич» и Украинско-Российским СП НЛП «Юпи 116
При переводе двигателя на другой вид топлива с отличными характеристиками при неизменных удельной мощности и КПД камеры сгорания, между КПД исходного варианта и КПД варианта на новом топливе существует следующая взаимосвязь:
При переводе ГТУ на сжигание продукт-газа во внешней камере сгорания (температуры на входе в камеру сгорания воздуха - 750 К, продукт-газа -330 К, продуктов сгорания - 1273 К, воздуха перед турбиной - 1173 К, сте-хиометрический коэффициент LQ = 1,287), коэффициент избытка воздуха должен быть а = 4,4. При подстановке указанных величин в формулу (4.1.) получается следующее соотношение между коэффициентами полезного действия ГТУ на разных топливах
Таким образом, перевод ГТУ на схему с высокотемпературным воздухонагревателем и на низкокалорийный, сильно забалластированный газ приводит к снижению КПД ГТУ до -22,5 %, хотя в этом варианте ГТУ фактически работает со стопроцентной регенерацией (воздух вводится в камеру сгорания с температурой после турбины 750 К). В основном это является следствием того, что температура за камерой сгорания повышена с 1173 до 1273 К.
Соответственно, при фиксированном расходе продукт-газа, равном 0,848 кг/с, от температуры 750 К до температуры 1273 К, можно нагреть вполне определенный массовый расход воздуха:
При неизменной удельной мощности ГТУ это позволяет достичь мощность около 800 кВт. Для увеличения мощности до исходной расход продукт-газа следует увеличить или уменьшить производительность компрессора до согласованного уровня расхода воздуха через камеру сгорания (в двухваль-ной схеме это возможно).
В соответствии с этим, в качестве демонстрационной разработки была выполнена предэскизная проработка с ГТУ на базе ТВЗ-117. На рисунке 4.4 приведен продольный разрез ГТД с замещением камеры сгорания патрубками отвода-подвода воздуха к внешнему воздухонагревателю, на рисунке 4.5 представлена компоновочная схема секции воздухонагревателя с матрицей пластинчатого типа на основе поверхности Френкеля при различных углах скрещивания гофр.
Анализ и выбор ГТУ из числа отечественных турбомашин для газотурбинного энергопреобразователя реактора-газификатора ИПХФ
В качестве материала пластин можно рассматривать также хорошо деформируемый высокотемпературный хромо-никелевый сплав SIRIUS 314 [61], хорошо поддающийся вытяжке в холодном и горячем состоянии и предназначенный для длительной работы в окислительной атмосфере при температуре металла до 1430 К.
Известный опыт создания пластинчатых теплообменников свидетельствует о том, что это самый технологичный тип теплообменника и при массовом производстве самый дешевый. Основная стоимость изготовления связана со стоимостью оборудования для штамповки пластины. При создании теплообменника для области умеренных температур соединение пластин в единую матрицу осуществляется посредством их силового стягивания концевыми нажимными плитами, при этом контактные поверхности между пластинами уплотняются специальным пластиком или резиновыми прокладками. В высокотемпературных теплообменниках контактные поверхности соединяются высокотемпературной пайкой или сваркой разного вида.
Как показывает опыт московской фирмы «НОЭМК» лазерная сварка обеспечивает надежное соединение, которое выдерживает перепад давления до 40 МПа [60]. Московское предприятие МАШИМПЕКС принимает заказы на изготовление пластинчатых теплообменников на давление до 10 МПа при рабочей температуре до 950 С [59]; предприятие также использует лазерную сварку.
В работе [24] приведены данные по испытаниям пакетов, сваренных из пластинчатых гофрированных листов: испытания проводились при температуре в термической печи 1223... 1340 К при нагружении сваренных пластин перепадом давления до 1 МПа. Испытания стабильно показывали надежную прочность сварного шва. Принимая во внимание, что нагрузка от внутреннего давления в таких теплообменниках воспринимается концевыми плитами и стяжными болтами прочность пакета определяется в значительной степени прочностью сварного шва.
Выше отмечалось, что стоимость газотурбинного энергопреобразователя схемы с внешним нагревателем в значительной степени определяется стоимостью высокотемпературного воздухонагревателя. Для сравнительных оценочных характеристик [50] было выполнено сопоставление теплообменника с пластинчатой матрицей на основе поверхности Френкеля (материал -жаростойкий сплав ХН60ВТ) и гладкотрубной матрицей (труба 8x1, материал ЭИ245). Сравнение выполнено при идентичных тепловой нагрузке, температурах теплоносителей, гидравлических сопротивлениях матриц, расходных характеристик. Сопоставление показало, что масса трубчатого теплообмен 132 ника превышает массу пластинчатого примерно в 3,5 раза, а себестоимость (при отнесении стоимости технологической оснастки для пластинчатого теплообменника на один экземпляр продукции) трубчатого теплообменника превышает себестоимость пластинчатого более, чем в 5 раз.
В ЦИАМ был разработан и демонстрировался на выставке высоких технологий 2006 г., проходившей в Москве, образец кольцевой матрицы пластинчатого коллекторного типа регенератора. Предприятием ФГУП «ММПП «Салют» разработана конструкция высокотемпературного теплообменника кольцевого типа с матрицей из отдельных пакетов, размещенных радиально по кольцу несущего каркасного корпуса; при этом каждый пакет имеет свободу теплового расширения, не нагружая корпус теплообменника. Пакет сварен из пластин, выштампованных под схему течения одноходовую по продуктам сгорания и шестиходовую поперечно-противоточную по нагреваемому воздуху. На рисунке 4.13 показана пластина конструкции предприятия ФГУП «ММПП «Салют».
В процессе выполнения данного исследования была разработана конструкция пакета с пластиной под чистый противоток (показана на рисунке 4.13).
Теплообменник с пакетом из «противоточных» пластин ориентирован на идентичную конструкцию несущего корпуса теплообменника. Конструктивная схема теплообменника (высокотемпературный и низкотемпературный модули) представлена выше на рисунках 4.8 и 4.9, схема кольцевой матрицы показана на рисунке 4.13.
В подтверждение возможности создания высокотемпературного воздухонагревателя следует сослаться на работу [28], в которой приводятся данные по демонстрационной газотурбинной установке с внешним сгоранием с газификатором при атмосферном давлении и генераторным газом с теплотой сгорания около 5 МДж/нм. Турбина работает на чистом высокотемпературном воздухе с температурой перед турбиной 1273 К. Использован металлический воздухонагреватель, его стоимость составляет около 14 % общих затрат на создание установки. Судя по тексту, каких-либо особых проблем с теплообменником не имеется.
