Способ повышения топливной экономичности газотурбинных установок малой мощности

Многообразие потребителей энергии и требований к виду и качеству энергообеспечения, заставляет по-новому взглянуть на роль автономных энергетических газовых турбин малой мощности (до десятков мегаватт) в общей структуре энергетики. Электрический КПД газотурбинных установок (ГТУ) малой мощности составляет 20-36%.

Области использования ГТУ малой мощности очень широки, это:

• 1)    Промышленные предприятия и другие объекты крупных городов;

• 2)    Магистральные газопроводы, газораспределительные станции, нефтепроводы, нуждающиеся в энергообеспечении для нормального функционирования;

• 3)    Развивающиеся районы нашей страны, где отсутствуют в настоящее время энергоисточники и линии электропередач;

• 4)    Энергодефицитные районы Крайнего Севера, Дальнего Востока;

• 5)    Резервирование линий электропередач, питающих ответственных потребителей энергии, а также восполнение дефицита электроэнергии, вызванного стихийными бедствиями и другими чрезвычайными ситуациями.

Рассмотрим современную ГТУ малой мощности типа АЛ-31СТ производства ОАО «УМПО», которая применяется в качестве привода центробежного газового компрессора в газоперекачивающих агрегатах мощностью 16 МВт (ГПА-16Р). В качестве топлива для двигателя используется природный газ. Конструктивно двигатель выполнен в виде двух модулей: модуля газогенератора и модуля силовой турбины. Газогенератор двигателя выполнен по двухвальной схеме.

С помощью автоматизированной системы газодинамических расчетов энергетических турбомашин (АС ГРЭТ) была составлена математическая модель (ММ) двигателя типа АЛ-31СТ и проведены расчеты. АС ГРЭТ позволяет моделировать и проводить термогазодинамические расчеты, связанные с проточной частью газотурбинных машин, комбинированных двигателей и установок [1].

Основные результаты расчетов ММ двигателя типа АЛ-31СТ представлены в таблице 1, для параметров окружающего воздуха равными температуре 288 К и давлению 0,1013 МПа.

Таблица 1

Рассмотрим один из способов повышения топливной экономичности газовых турбин типа АЛ-31СТ при использовании вакуумирующего агрегата, устанавливаемого в существующем газоходе за газовой турбиной, обеспечивающего дополнительное расширение продуктов сгорания на рабочих лопатках турбины за счет понижения давления ниже атмосферного. Схема установки представлена на рис. 1 [2, 3].

Вакуумирующий агрегат (ВА) состоит последовательно из турбины перерасширения ТП, теплообменника-охладителя ТО и дожимного компрессора ДК. При установке вакуумирующего агрегата за ГТУ устанавливается давление ниже окружающей среды, что увеличивает теплоперепад на ГТУ. Сам ВА может быть установлен практически за любым типом ГТУ – существующих и перспективных параметров [4].

Рисунок 1 – Схема ГТУ типа АЛ-31СТ с использованием вакуумирующего агрегата, охлаждаемого водой: КВД, КНД – компрессор высокого и низкого давления; КС – камера сгорания; ТВД, ТНД – турбина высокого и низкого давления; СТ – силовая турбина; ТП – турбина перерасширения; ДК – дожимной компрессор; ТО – теплообменник-охладитель; ЭГ – электрогенератор; ЦН – циркуляционный насос.

Основные результаты расчетов ММ газовой турбины типа АЛ-31СТ с вакуумирующим агрегатом представлены в таблице 2 [5].

Таблица 2

Эффективность работы вакуумирующего агрегата зависит от температуры охлаждения продуктов сгорания перед дожимающим компрессором. Чем ниже температура продуктов сгорания, тем меньше тратится работы на его сжатие до атмосферного давления в дожимающем компрессоре. Результаты расчетов показывают, что использование вакуумирующего агрегата в существующем газоходе за ГТУ типа АЛ-31СТ позволяет повысить топливную экономичность на 0,0385 кг/с и эффективный КПД установки на 1,56%.