Согласованная оптимизация параметров цикла ГТУ и ПГУ и параметров охлаждаемой проточной части газовой турбины

Актуальность работы.

Высокая энергетическая и экономическая эффективность современных ГТУ и ПГУ определяется в первую очередь высокими температурами продуктов сгорания перед газовыми турбинами. Эти температуры достигаются за счёт интенсивного охлаждения сопловых и рабочих лопаток турбин. В качестве охлаждающего агента в системах охлаждения используется цикловой воздух, поступающий от компрессора газотурбинной установкино возможно использование и других теплоносителей, в первую очередь, водяного пара, поступающего от паровой части ПГУ.

При оптимизационных исследованиях ГТУ и ПГУ одной из важнейших задач является задача выбора начальных параметров цикла, т. е. параметров продуктов сгорания (температуры, давления) и их расхода на входе в газовую турбину. Эта задача не может быть качественно решена без расчёта процессов охлаждения сопловых и рабочих лопаток турбины. В свою очередь данный расчёт возможен лишь в рамках комплексного расчёта ступеней газовой турбины, включающего выбор профилей и шагов сопловых и рабочих лопаток, их газодинамического расчёта, расчёта теплообменных процессов и прочностного расчёта.

В силу сложности указанных расчётов их включение в математические модели ГТУ или ПГУ, предназначенные для оптимизации их параметров, до последнего времени было невозможно. Поэтому оптимизация параметров этих теплоэнергетических установок (ТЭУ) проводилась при фиксированных параметрах продуктов сгорания перед газовой турбиной, а зачастую и при заданных типоразмерах этих турбин. При этом оптимизация сводилась лишь к оптимизации параметров и схемы паровой части ПГУ, т. е. котлов-утилизаторов, паротурбинных установок и их систем регенерации. Вопросам оптимизации параметров циклов ГТУ и ПГУ посвящено достаточно большое количество работ.

Задачи комплексной технико-экономической оптимизации ПГУ с использованием методов нелинейного математического программирования рассматриваются в работах ИСЭМ СО РАН [1,2] и в работах зарубежных авторов[3−6].

Работы, описывающие опыт создания и эксплуатации ПГУ-450 (ВТИ) [7,8] в России подтверждают, что сначала выбираются оптимальные параметры термодинамического цикла, а затем под них подбирают ГТУ и другой состав оборудования, что не соответствует комплексному подходу к проектированию таких установок. При этом являясь передовыми в России, установки ПГУ-450Т служат ориентиром для проектирования ПГУ в широком диапазоне мощностей уровнем ниже 450 МВт.

Сотрудниками ЛМЗ [9] проводится сравнительный термодинамический анализ одно, двух и трехконтурной конденсационной ПГУ, а также при включении в эти схемы подогревателя циклового воздуха, поступающего в камеру сгорания газовой турбины. Приводятся рекомендации по выбору оптимального давления перед паровой турбиной в цикле ПГУ. В выводах работы признается, что термодинамически наиболее эффективной является трехконтурная по давлению ПГУ по сравнение с двух и одноконтурными. Установка в котле-утилизаторе газового подогревателя воздуха дает прирост КПД 0,7%. Расчеты паросиловой части проходят для установки ГТЭ-160.

В работах МЭИ [10−12] предлагается методика конструкторского расчета паросиловой части трехконтурной по давлению утилизационной ПГУ. Указывается, что рассматриваемые ПГУ строят на основе газовых турбин, имеющих температуру газа на выходе не менее 570 °C градусов. Анализируются влияния температур и давлений на энергетические характеристики котла-утизизатора, цилиндров паровой турбины. Предполагается, что методика может использоваться не только для вариантных расчетов, но и для оптимизационных. Расчеты по методике выполнены для зарубежных газовых турбины мощностью от 160 до 236 МВт.

Работа НГТУ [13], посвященная парогазовым установкам, основывалась на исследованиях на математических моделях по получению оптимальных схемно-параметрических и технико-экономических решений для ПГУ-ТЭЦ с газосетевыми подогревателями, результаты сравнивались с результатами паротурбинных ТЭЦ. Поиск оптимальных решений проводится при фиксированной максимальной границе температуры газовой турбины 1227 °C градусов.

Исследования НГТУ [14,15], проводимые для ПГУ ТЭС с поточными газификаторами и комбинированным производством электро и теплоэнергии, синтез-газа и водорода показали, что такие ПГУ имеют в 1,1−1,47 раза большую технико-экономическую эффективность при сравнении с пылеугольными ТЭС, реконструированными путем газотурбинной надстройки. Указывается преимущество выбора того или иного газификатора для схем ПГУ, определяются инвестиции. Но данные исследования не учитывают особенности детального расчета проточной части газовой турбины с охлаждающим воздухом.

В СГТУ [16] проведен сравнительный анализ различных схем отопительных ПГУ, различающихся способами утилизации теплоты уходящих газов ГТУ, вариантами схем паротурбинной части, применением камер дожигания топлива в среде уходящих газов ГТУ, а также способами покрытия графиков тепловых нагрузок. Определяются способы обеспечения надежности от теплофикационных ПГУ ТЭЦ. Расчеты в данной работе сводятся к определению параметров паротурбинных частей рассматриваемых ПГУ малой мощности.

В МЭИ [17] разрабатывается модель энергоблока ПГУ-450 для тренажерного комплекса. При расчете параметров ГТУ использовались зависимости параметров ГТУ, полученные на заводе изготовителе.

Разработанные модель и её программная реализация в [18] позволяет рассчитать показатели работы контактных ПГУ с учетом особенностей их схемы. С использованием этой программы произведена оптимизация 6 параметров ГТУ, по результатам которой возможно выбрать оптимальную степень повышения давления в компрессоре при разработке схем контактных ПГУ. В работе показано, что степень повышения давления мало зависит от глубины утилизации теплоты парогазовой смеси после котла-утилизатора, но существенно растет с увеличением начальной температуры газов в цикле. Модель учитывает влияние доли водяных паров в парогазовой смеси на выбор теплоперепадов в ступени. Расчет ГТУ производится с учетом зависимости КПД компрессора и ГТ от степени повышения давления в компрессоре и степени расширения в турбине в зависимости от основных свойств рабочих тел от температуры.

В МЭИ [19] проводят моделирование и исследования ПГУ с паровым охлаждением проточной части. За основу принимаются параметры низкотемпературной газовой турбины ГТ-160 с фиксированными параметрами продуктов сгорания. В работе учитывается состояние лопаток выбранного профиля, профили не оптимизируются. В модели подробным образом определяются расходы воздуха для поддержания выбранной допустимой температуры лопаток, при этом не учитывается влияние напряжений. По сути, работа представляет создание математической модели поверочного расчета паросиловой части ПГУ с учетом влияния выпуска пара в проточную часть ГТ, для того чтобы показать преимущественное влияние закрытой схемы парового охлаждения над открытой.

В исследовании ЛМЗ [20], посвященном оптимизации параметров паросиловой части схем различных бинарных ПГУ, используются алгоритмы одномерной оптимизации, основанные на комбинированном применении численных методов золотого сечения, бинарного поиска и квадратичной апроксимации. Задача оптимизации ПГУ имеет как односторонние, так и двусторонние ограничения. Сходимость алгоритма оптимизации в указанной работе обеспечивается правильным подбором диапазона варьируемых переменных.

В [21] анализ состояния освоения ПГУ в России показывает, что разработки и потенциал для появления качественных высокотемпературных ГТУ отсутствуют и поэтому это направление является перспективным. Автор считает также, что более близкой перспективой является проработка и создание высокотемпературных паросиловых установок, входящих в состав ПГУ, как вариант увеличения экономичности парогазовых установок. В работе представлена методика моделирования паросиловой части на основе газовой турбины GT26, проводятся расчеты. Одним из выводов в работе является утверждение о том, что трехконтурные бинарные ПГУ имеют энергетический оптимум, совмещенный с максимальной мощностью ПТУ при давлении пара перед ПТ 16 МПа.

В труде МЭИ [22] сделан акцент на повышение эффективности ПГУ при модернизации котла-утилизатора. Математическое моделирование и проведение экспериментов показывают, что применяемые в работе диффузорные пучки труб в теплообменниках превосходят по всем показателям обычный шахматный пучок.

В работе [23] предлагается методика оценки эксергетического КПД ПГУ. Предполагается, что эта методика может использоваться для комплексного исследования и оптимизации ПГУ.

По исследованиям, на математической модели паросилового цикла, где базовым источником тепла является газовая турбина PG9351 в Southeast University (Nanjing) [6] отмечается, что бессмысленно с точки зрения энергетической эффективности поднятие начальной температуры пара в комбинированном цикле выше 590° С. Авторами гораздо более эффективным признается дополнительная установка теплового регенератора ГТУ, вместо дальнейшего увеличения параметров паросилового цикла.

Анализ проведенных работ показывает, что, как уже отмечалось, задачи оптимизации параметров цикла решаются при заданных параметрах продуктов сгорания на входе в газовую турбину. При этом часто задаются типоразмеры проточной части.

Достаточно очевидно, что такое «сужение» оптимизационной задачи не позволяет выполнить согласованную оптимизацию параметров газовой турбины и остальной части ГТУ или ПГУ и найти наиболее эффективные технические решения, как по параметрам ПГУ, так и по её технологической схеме.

Следует отметить, что расчетом и оптимизацией проточных частей различных турбомашин, в том числе и охлаждаемых газовых турбин, посвящено достаточно большое число работ [24−36].

В работе [24] предлагается методика по совершенствованию геометрии сложнопрофильных элементов проточной части. На основе метода главных компонент приводится пример построения спинки промежуточного профиля при плавном изменения координат, получаемых из данных заданного числа профилей. Число профилей при этом должно быть не менее пяти. Приведен пример коррекции координат профиля спинки по критерию качества обтекания, при этом отклонение плавно изменяющих линий не превышает.

0,5 мм. В работе также уделен вопрос плавного перехода сечений лопатки при её проектировании в процессе определения координат промежуточных сечений по высоте. Показано, что при восстановлении промежуточных сечений интерполяционными методами, используемыми на практике, возникает объемное искажение лопатки по высоте, неплавный переход сечений. Для устранения этого недостатка предлагается также использовать метод главных компонент с введением предлагаемого в работе эвристического критерия плавного перехода. Приводится схема трехрядного преобразования (сжатия) параметров набора шести решеток по высоте из 192 до 6 параметров. Управление 6-ю последними позволяет, путем обратного преобразования в матрицы, описывающие 192 параметра, оценивать рассеяние расчетных характеристик компрессоров и турбины. При этом в работе не говорится о наличии и контроле ошибок при таком построении промежуточных вариантов. Также не указывается, какие данные профилей подвергаются преобразованию, происходит ли построение профиля 9 промежуточного сечения по характерным параметрам с помощью метода профилирования или построение промежуточных сечений происходит покоординатно для выбранных точек профиля.

В работе УГТУ [25] проводится оптимизация проточной части на основе известных и доработанных автором аналитических зависимостей трех видов КПД проточной части от остальных параметров потока на среднем диаметре. Модель учитывает изменения угла поворота первого ряда регулируемых сопловых решеток (РСА). Даются рекомендации по выбору углов степени реактивности, отношения скоростей, коэффициентов расхода. Полученные результаты согласуют с проводимым на натурной ГТУ экспериментом.

Автором в работе [26] осуществляется поиск оптимальных параметров в межвенцевых зазорах турбины методом направленного перебора газодинамических параметров одномерного расчета, определенных на среднем диаметре. Метод, по мнению автора, определяет оптимальную разбивку теплоперепадов в проточной части.

В [27] предлагается метод оптимизации проточной части в качестве метода аэродинамической оптимизации профилей турбинных лопаток как альтернатива методам решения обратных краевых задач по построению оптимального профиля решеток турбомашин. Рассматривается построение профилей решеток как по критерию с максимального аэродинамического качества, так и по критерию минимального сопротивления. Получаемые при этом профили могут быть нереализуемыми, метод не адаптирован под охлаждаемые лопатки с толстыми выходными и входными кромками.

С помощью комплекса математического моделирования в [28] было выполнено расчетное исследование влияния безусловных параметров ступени (число Рейнольдса, число Маха, величина зазоров ит.п.) на суммарный КПД, потери в элементах ступени и оптимальные соотношения большого количества ступеней. В каждом случае параметры оптимизации варьируются с целью получения наибольшего КПД для данной конкретной комбинации безусловных параметров. Предложена формула для приближенного определения КПД оптимизированных ступеней.

Сложность и невыпуклость задач оптимизации, используемых для ступеней ГТ, делает их решение в рамках общей задачи оптимизации цикла практически невозможным.

Следует отметить, что прогресс вычислительной техники, в последние годы, резко расширил возможность решения крупных задач, связанных со значительным объемом вычислений и требующих больших объемов машинной памяти. Это сделало актуальной проблему разработки методов и алгоритмов расчёта охлаждаемой проточной части газовых турбин, пригодных для включения в состав оптимизационных математических моделей ГТУ и ПГУ и проведения согласованной оптимизации параметров цикла ГТУ и ПГУ и параметров проточной части охлаждаемой ГТ. Создание таких методов и алгоритмов и проведение на их основе оптимизационных исследований и является целью данной работы.

Цели работы.

Создание методики согласованной оптимизации параметров цикла ГТУ и ПГУ и параметров проточной части газовой турбины (ГТ), пригодной для этого математической модели охлаждаемой проточной части ГТ и проведение оптимизационных исследований перспективных ГТУ И ПГУ.

Основные задачи исследований:

1) Создание методики согласованной оптимизации параметров цикла ГТУ и ПГУ и параметров охлаждаемой проточной части газовой турбины, позволяющей непрерывно менять как параметры цикла, так и параметры проточной части, включая параметры, определяющие форму проточной части сопловых и рабочих лопаток.

2) Создание математической модели проточной части, объединяющей газодинамический расчёт, расчет теплообмена в сопловых и рабочих лопатках и прочностной расчет лопаток.

3) Разработка подхода к использованию в математической модели проточной части турбины логических условий, позволяющего оставаться при этом в рамках нелинейного, выпуклого программирования.

4) Выполнение оптимизационных исследований перспективных ГТУ и ПГУ с использованием критериев энергетической и экономической эффективности.

Научная новизна:

• Впервые предложена методика согласованной оптимизации параметров цикла ГТУ и ПГУ и параметров охлаждаемой проточной части ГТ, основанная на представлении оптимизируемых профилей лопаток ГТ, как линейных комбинаций базовых профилей.

• Впервые разработана пригодная для «непрерывной» оптимизации модель проточной части ГТ, включающая газодинамический расчет, расчет теплообмена, аэродинамический и прочностной расчет.

• Предложен оригинальный подход для преобразования оптимизационной задачи с логическими условиями к задаче выпуклого нелинейного программирования, основанный на замене логических условий дополнительными ограничениями-неравенствами и дополнительными оптимизируемыми параметрами.

• Проведена оптимизация ПГУ и ГТУ по критериям экономической и энергетической эффективности для случаев изготовления сопловых и рабочих лопаток из перспективных сплавов ВЖМ6 и ЖС26. При этом для каждого критерия найдена оптимальная электрическая мощность ГТУ и ПГУ, при которой соответствующий критерий достигает максимального значения.

Во введение проводится обзор работ, посвященных оптимизации параметров цикла ПГУ и ГТУ. Делается вывод о том, что эти работы проводились при фиксировании параметров газотурбинной части. Дается описание работам, посвященным оптимизации проточной части газовых турбин.

В первой главе приводятся работы по построению и оптимизации проточных частей газовой турбины. Делается вывод о неприменимости существующих методик построения и оптимизации проточной части для совместной оптимизации параметров цикла ПГУ и ГТУ и параметров проточной части газовой турбины. Излагается постановка задачи согласованной оптимизации параметров цикла ГТУ и ПГУ и оптимизации параметров проточной части газовой турбины.

Вторая глава посвящена изучению методик различных видов расчетов ступеней и выбору из них наиболее подходящих для построения на их основе математической модели ступени газовой турбины, пригодной для рассматриваемой оптимизационной задачи. Выбирается схема охлаждения ступени ГТ. Делается обзор современных российских и зарубежных комплексов по расчету газовых турбин. Автором предлагается методика определения стоимости газотурбинного двигателя, для технико-экономических исследований ПГУ. Описывается подход к учету логических условий в математической модели ГТ.

В третьей главе проводятся оптимизационные расчеты по критерию энергетической эффективности ГТУ с предварительным отводом тепла от охлаждающего лопатки воздуха. Представлены результаты оптимизационных расчетов по критериям энергетической и экономической эффективности для ГТУ и ПГУ с перспективными лопаточными сплавами ЖС26 и ВЖМ6.

Делается вывод о влиянии вида сплава на энергетические и экономические показатели установок. Практическая значимость:

Разработанный подход позволяет для конкретных условий (материала лопаток, цены оборудования и топлива) найти наилучшие технические параметры для ГТУ и ПГУ.

Заключение

:

1. Предложен подход к «плавной» оптимизации профилей сопловых и рабочих лопаток газовых турбин, основанный на представлении текущего (искомого) профиля в виде линейной комбинации базовых профилей.

2. Разработана система математических моделей, описывающих охлаждаемую проточную часть газовой турбины, пригодная для решения задач оптимизации параметров проточной части, совместно с оптимизацией параметров цикла ГТУ или ПГУ.

3. Разработан метод замены логических условий, используемых в математической модели расчета проточной части газовой турбины, на дополнительные ограничения-неравенства и дополнительные оптимизируемые параметры в задачи оптимизации газотурбинной или парогазовой установки, позволяющий обеспечить выпуклость решаемой задачи математического программирования.

4. Предложен подход к оценке капиталовложений в газотурбинную установкус его использованием построена зависимость, связывающая капиталовложения в ГТУ с термодинамическими параметрами рабочего тела на входе в газовую турбину и расходом воздуха через компрессор (на основе обработки данных о стоимостях и параметрах 15-и ГТУ).

5. Представлены постановки задач согласованной оптимизации параметров цикла и параметров проточной части ГТУ и ПГУ по критериям энергетической и экономической эффективности, дано определение ГТУ и ПГУ оптимальной мощности.

6. Приведены результаты решения задач оптимизации ГТУ мощностью 50 МВт по критерию максимума КПД с использованием для изготовления охлаждаемых сопловых и рабочих лопаток газовой турбины сплава ЖС6-К. Расчеты проводились для схем ГТУ с предварительным отбором тепла от охлаждающего проточную часть газовой турбины воздуха, и без такого отбора.

7. Проведены оптимизационные расчеты ПГУ и ГТУ оптимальной мощности по критериям максимума КПД, минимума удельных капиталовложений и минимума цены электроэнергии при различной стоимости топлива. Расчеты проводились для перспективных сплавов ЖС26 и ВЖМ6, используемых для изготовления сопловых и рабочих лопаток газовой турбины. Дана оценка увеличения энергетической и экономической эффективности ГТУ и ПГУ при переходе от сплава ЖС26 к сплаву ВЖМ6, а также при переходе от раздельной оптимизации ГТУ и паровой части ПГУ к их совместной оптимизации.