Совершенствование энергетических газотурбинных установок, используемых в Ливии, для повышения выработки электрической энергии

Энергетика является ведущей областью в создании и укреплении материально-технической базы всей экономики. Достижения энергетики проявляются во всех сферах деятельности общества.

На современном этапе жизни общества огромное значение имеет бесперебойное снабжение промышленности топливом, экономия энергии, сбережение энергоресурсов.

Преимущество электрической энергии перед другими видами в простоте и экономности её передачи на большие расстояния, лёгкой делимости между потребителями разной мощности, в высоком уровне гигиенических условий труда.

Большое значение для устойчивой работы промышленности, улучшения жизни населения имеет централизация электроснабжения, т. е. создание единой энергосистемы. Энергосистема обеспечивает распределение между электростанциями, рациональное использование не совпадения во времени нагрузки в различных часовых поясах системы. Она позволяет сохранить резерв мощностей на электрических станциях и полностью запитать электрооборудование.

Как известно, газотурбинной установкой называют силовую установку, состоящую из газотурбинного двигателя, вспомогательного оборудования, воздухозаборного устройства с фильтрами и шумоглушителями, газоотводящего тракта с теплоутилизационным оборудованием и др. За сравнительно короткий срок, отсчитываемый с послевоенного времени, газотурбинная установка прошла сложный путь развития и получила значительное распространение в различных областях промышленности. Современным транспортным ГТД присущи следующие достоинства: небольшие габариты и массабыстрота запуска, высокая маневренность, агрегатность и компактностьупрощение вспомогательных механизмов и систем, и, как следствие, надёжностьбольшие потенциальные возможности по дальнейшему улучшению характеристик. Последнее достигается за счёт:

1. Повышения КПД турбин и компрессоров путём разработки и внедрения новых эффективных профилей, снижения общих потерь энергии в турбинных и компрессорных ступеняхсовершенствования аэродинамических свойств и уменьшения потерь давления в воздухоприёмных, газовыпускных, переходных патрубках, диффузорах, теплообменных аппаратах и фильтрах;

2. Применения новых жаропрочных материалов, совершенствования и разработки новых систем охлаждения лопаточных аппаратов, дисков и других элементов турбин с целью дальнейшего увеличения начальной температуры газа;

3. Создания эффективных теплообменных аппаратов;

4. Совершенствования и разработки новых камер сгорания для использования тяжёлого топлива;

5. Утилизации теплоты отработавших газов, так как их температура достаточно велика.

Наряду с достоинствами у ГТУ имеется также ряд недостатков:

• сравнительно небольшой ресурс;

• повышенные требования к качеству топливавыброс больших масс газов высокой температуры до 600−650 °С, что снижает КПД установки.

Паротурбинные установки уступают газотурбинным в отношении массы и габаритов, требуют большего числа вспомогательных механизмов и систем, на запуск установки уходит больше времени, но зато к числу преимуществ паротурбинной установки можно отнести следующие:

• возможность работы на самых дешёвых низкосортных видах топливадостаточная безопасность.

Стремление сочетать достоинства установок различных типов явилось одной из главных причин создания комбинированных энергетических установок. Это позволяет существенно снизить полную массу энергетической установки, сочетать высокую экономичность установки на режимах полной и частичной нагрузок, а также значительно улучшить другие показатели работы двигателя.

Общей установленной мощности явно недостаточно для решения поставленных перед энергетикой Ливии задач. Предполагаемое строительство солнечных и ветряных электростанций не обеспечивает необходимых высоких темпов развития энергетики.

Поэтому нужно создавать мощные тепловые электростанции традиционных типов, а также внедрять перспективные комбинированные установки, обладающие высоким коэффициентом полезного действия. Решить задачу повышения выработки электроэнергии можно не только за счет строительства новых электростанций, но и путем модернизации действующих. Поэтому в работе рассмотрены вопросы модернизации газотурбинных установок (ГТУ) на тепловых электростанциях.

Модернизация может быть осуществлена за счет создания комбинированных газопаровых установок на базе существующих в Ливии газотурбинных установок (ГТУ), а также внедрения ряда мероприятий по впрыску воды или пара в компрессор и камеру сгорания ГТУ. Поэтому исследования в этой области являются актуальными для Ливии.

Комбинированные газопаровые установки (ГПУ) получили развитие в ряде областей промышленности, особенно в электроэнергетике и в судовой энергетике. В последние годы газотурбинные и газопаровые установки (ГТУ и ГПУ) заняли важное место в электроэнергетике мира. Вследствие того, что доля газа в топливном балансе мира высока (более 60%), внедрение высокоэффективных газопаровых технологий является общепризнанной стратегией развития тепловой энергетики [51]. Уже много стран в мире применяют ГПУ с утилизационными котлами для новых электростанций, работающих на природном газе. Сейчас их КПД уже достиг 52—54% и в ближайшей перспективе возрастет до 58—60%.

В настоящее время разработаны ГТД четвёртого и пятого поколения, на базе которых будут создаваться ГПУ нового поколения. Это требует программных продуктов нового поколения на основе математических моделей оборудования с большим числом уровней котлов-утилизаторов по давлению, с впрыском воды или пара в проточные частые ГТУ, в связи с этим тема является актуальной для Ливии.

Целью работы является повышение выработки электроэнергии за счет модернизации существующих в Ливии ГТУ.

Задачи исследования:

• изучение, выбор и обоснование модернизации существующих ГТУ путем преобразование их в ГПУ;

• На базе анализа, обработки и обобщения опубликованных опытных данных, определение влияния впрыска воды в проточные части компрессора на его мощность и на показатели ГТУ в целом.

• Выполнение сравнительного анализа влияния впрыска воды или пара в камеру сгорания на КПД и мощность ГТУ.

Публикации. По теме диссертация опубликовано 7 печатных работ.

Структура и объем работы. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы.

Основной текст изложена на 172 страницах, диссертация содержит 76 рисунков, 29 таблиц, список использованных источников, включающий 68 наименования.

Основное содержание работы.

Во введении.

Обоснована актуальность темы диссертации, сформулирована цель исследования, приведены основные защищаемые положения, практическая ценность работа, дано описание структуры диссертации. В первой главе представлен анализ обзор и современное состояние развития энергетики в Ливии. Приведена структура выработки энергиирассмотрены объемы выработки электрической энергии на тепловых станциях в Ливии, обзор и анализ тепловых схем комбинированных газопаровых турбинных установок ГПУ, имеющих большое число тепловых схем, различающихся числом контуров по давлению пара (от 1ого до Зех) числом цилиндров паровой турбины (от 1ого до Зех), наличием или отсутствием промперегрева пара. На рис. 2 показана обобщенная тепловая схема энергетической ГПУ (трехконтурная с промперегревом пара, три паровые турбины). Остальные варианты ГПУ рассмотрены при описании модели и компьютерной программы.

Кроме того, выполнен обзор парогазовых установок, применяемых в составе тепловых электростанций. Во второй главе.

Проведены теоретические исследования характеристик газопаровых установок различных структур: с одним, двумя и тремя уровнями давления пара с промежуточным перегревом пара.

Выбор параметров паровых турбин комбинированных установок.

Для выбора паротурбинных установок (ПТУ) комбинированного цикла был проведен анализ КУ.

Рассмотрены теоретические аспекты выбора параметров в характерных сечениях газопаровых установок. Оценка параметров за ГТУ.

Третья глава посвящена изучению и обобщению опубликованных опытных данных влияния впрыска воды в проточные части компрессора на мощность и КПД ГТУ.

В приведенных исследованиях были получены и обобщены опытные данные о значительном увеличении мощности и экономичности работы газотурбинной установки при впрыске воды в проточные части компрессора. В четвертой главе проводится численный анализ влияния различных впрысков воды или пара в камеру сгорания газотурбиной установки (ГТУ). Были проанализированы результаты исследование энергетических показателей ГТУСвТ 1 задп ЗЕ1, вТ 1ЗЕ2).

Диссертация выполнена на кафедре турбинных двигателей и установок Санкт-Петербургского государственного политехнического университета под руководством профессора, д.т.н., Рассохина В.А.

Выводы четвертой главы:

Анализ результатов энергетического исследования показал, что впрыск воды / пара в камеру сгорания ГТУ приводит к росту мощности газотурбинной установки (ГТУ) до 10,58% в целом. Хотя при этом возможно снижение экономичности ГТУ в зависимости от температуры впрыскиваемой воды на 1.2−3.5%. Рекомендуется использовать впрыск пара в камеру сгорания ГТУ, но нежелательно использовать впрыск воды в камеру сгорания ГТУ.

N е 190 180 170 -160 150 140 -13 120 110 100м В т) э т 1: тггтт.

ЕТ.

Ь5 I 1.

ЛГ о, 0.

0,5.

1, 0.

1, 5.

2,0.

2,5.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

На основании выполненных теоретических исследований и анализа результатов расчетов можно сделать следующие выводы:

1. В работе показана возможность повышения выработки электрической энергии на существующих газотурбинных установках (ГТУ), установленных в Ливии за счет надстройки их паротурбинными установками либо за счет впрыска воды или пара в проточные части (ГТУ).

2. На основании выполненных расчетов показано, что путем реконструкций и модернизации газотурбинных установок, работающих в Ливии, их КПД и мощность может быть увеличена за счет применения комбинированных циклов до 35 — 52% в зависимости от числа контуров пара и наличия промежуточного перегрева:

Установлено Влияние количества контуров на КПД ГПУ без промперегрева:

• на базе ОТ13Б без промперегрева. Переход от одного контура к двум повышает КПД на 1,46%, а к трем — еще на 0,49%;

• на базе ОТ13Е1 без промперегрева. Переход от одного контура к двум повышает КПД на 1,71%, а к трем — еще на 0,53%;

• на базе ОТ13Е2 без промперегрева. Переход от одного контура к двум повышает КПД на 1,52%, а к трем — еще на 0,8%.

— Установлено Влияние количества контуров на КПД ГПУ с промперегревом: • на базе ОТ13Б с промперегревом. Переход от одного контура к двум повышает КПД на 1,79%, а к трем — еще на 1,83%;

• на базе ОТ13Е1 с промперегревом. Переход от одного контура к двум повышает КПД на 2,12%, а к трем — еще на 1,87%;

• на базе ОТ13Е2 с промперегревом. Переход от одного контура к двум повышает КПД на 2,45%, а к трем — еще на 1,85%.

3. На основании выполненных расчетов показано, что путем реконструкций и модернизации газотурбинных установок, работающих в Ливии, их мощность может быть увеличена за счет применения комбинированных циклов:

• На базе ГТУ типа (СГИБ) за счет применения комбинированных газопаротурбинных установок (ГПУ) без промперегрева и одного контура мощность увеличивалась до 37,67%, при двух контурах — до 42,16%, при трех контурах — до 43,66%- а за счет применения промперегрева и одного контура — до 36,8%, при двух контурах — до 42,32%, при трех контурах — до 47,95%.

• На базе ГТУ типа (ОТ13Е1) за счет применения комбинированных газопаротурбинных установок (ГПУ) без промперегрева и одного контура мощность увеличивалась до 39,36%, при двух контурах — до 44,33%, при трех контурах — до 45,87%, а за счет применения промперегрева и одного контура — до 38,42%, при двух контурах — до 44,56%, при трех контурах — до 49,97%.

• На базе ГТУ типа (ОТ13Е2) за счет применения комбинированных газопаротурбинных установок (КГПТУ) без промперегрева и одного контура мощность увеличивалась до 41%, при двух контурах — до 45,27%, при трех контурах — до 47,53%, а за счет применения промперегрева и одного контура — до 40,24%, при двух контурах — до 47,09%, при трех контурах — до 52,27%.

4. О значительном влиянии температуры наружного воздуха на мощность и КПД установок. Так при температуре наружного воздуха 47 °C снижение мощности и КПД может достигать 21 и 7% соответственно. Уменьшение данных показателей установок можно существенно компенсировать впрыском воды в проточные части компрессора. Так впрыск 2% воды даст увеличение мощности и КПД на 18 и 4,1% соответственно.

5. Анализ результатов экспериментального исследования впрыска пара в камеру сгорания ГТУ приводит к росту мощности газотурбинной установки (ГТУ) в целом. Так увеличение доли экспериментального впрыска с 3 кг/с до.

6 кг/с приводит к росту мощности ГТУ GT13D с 97 МВт до 99,91 МВт и 102,82 МВт соответственно. При впрыске пара 9 кг/с приводит к росту мощности ГТУ до 104,76 МВт. А для ГТУ типа GT13E1 при впрыске пара с 3 кг/с до 6 кг/с приводит к росту мощности ГТУ с 150 МВт до 154,5 МВт и 159 МВт соответственно. При впрыске пара 9 кг/с приводит к росту мощности ГТУ до 162 МВт. И для ГТУ типа GT13E2 при впрыске пара с 3 кг/с до 6 кг/с приводит к росту мощности ГТУ с 165 МВт до 169,95 МВт и 174,9 МВт соответственно. При впрыске пара 9 кг/с приводит к росту мощности ГТУ до 178,2 МВт.

Впрыск воды в камеру сгорания ГТУ типа GT13E2 1% приводит к росту мощности газотурбинной установки ГТУ на 3,5% с 165 МВт до 170,77 МВт и приводит к снижению КПД установки с 35,7% до 35,34%. Впрыск воды 2% приводит к росту мощности газотурбинной установки ГТУ на 7% до 176,55 МВт и приводит к снижению КПД установки до 34,98%. Впрыск воды 3% приводит к росту мощности газотурбинной установки ГТУ на 10,5% до 182,32 МВт и приводит к снижению КПД установки до 34,45%. И аналогично для GT13D, GT13E1.

6. Показана целесообразность применения впрыска воды или пара в проточной части ГТУ, что способствует снижению тепловых и химических вредных выбросов в окружающую среду.

7. Результаты анализа были протестированы с помощью компьютерной программы, написанной на языке Visual Basic 5.0. Данную программу рекомендуется использовать при расчете ГПУ.

8. На основе анализа проведенных расчетов рекомендовано для установок GT13D, GT13E1 применять схемы двух контуров без промперегрева, так как температура газа за турбиной недостаточна для применения более сложных схем парового контура. В ГПУ на базе GT13E2 можно применять трехконтурную схему с промежуточным перегревом пара. Однако целесообразность такого решения требует дополнительного экономического обоснования.

9. Рекомендуемая реконструкция и модернизация газотурбинных установок, установленных в Ливии, дает возможность увеличить суммарную мощность:

• переход на газопаровые установки позволяет увеличить установленную мощность на ~15%.

• впрыск воды или пара в проточные части ГТУ может увеличить мощность на ~ 4,2%. Рекомендуется использовать впрыск воды на входе в компрессор ГТУ и впрыск пара в камеру сгорания ГТУ. Не рекомендуется использовать впрыск воды в камеру сгорания ГТУ.