Регенеративный цикл ГТУ с рециркуляцией продуктов сгорания при высоком давлении (стр. 2 )

Предлагаемая схема ГТУ, один из вариантов которой представлен на фиг.1, позволяет реализовать преимущества «узкого» цикла без недостатков, свойственных замкнутой схеме.

Фиг.1. Схема установки с рециркуляцией продуктов сгорания при высоком давлении

1-  компрессор циркуляционного контура

2-  регенератор циркуляционного контура

3-  камера сгорания

4-  турбина циркуляционного контура

5-  охладитель

6-  воздушный компрессор

7-  турбина разомкнутого контура (низкого давления)

8-  нагрузка

Основным отличительным признаком установки является наличие частично замкнутого (циркуляционного) контура продуктов сгорания, работающего при небольшой степени сжатия, например, pк=3-5, но при достаточно больших абсолютных значениях давления, например, 3 МПа на входе турбины циркуляционного контура и 0,6 МПа на ее выходе. Контур содержит компрессор и турбину циркуляционного контура (КЦК и ТЦК), регенеративный ТОА, охладитель и камеру сгорания. Для компенсации прореагировавшего кислорода в контур подается свежий воздух с помощью воздушного компрессора и удаляется соответствующее количество продуктов сгорания через турбину разомкнутого контура (турбину низкого давления)

По расчетным оценкам, при указанных давлениях можно получить коэффициент теплопередачи в регенераторе замкнутого контура, отнесенный к внутренней поверхности трубок, для гладкотрубного теплообменника k»200-300 Вт/м2×К и для трубчато - ребристого ТОА - k ≈ 300-500 Вт/м2×К, при этом технически и экономически реально получить эффективность регенерации εт» 90-95% при относительной потере давления не выше 3%.

Необходимый подогрев в камере сгорания, равный сумме охлаждения в циркуляционной турбине и недорекуперации в ТОА, составляет всего лишь 300-400 К. Соответственно расход топлива на единицу циркулирующего расхода в несколько раз меньше стехиометрического, что позволяет рециркулировать до 70–80% продуктов сгорания. Таким образом, расход в замкнутой части «узкого» цикла может до 3-4 раз превышать расход подпитки (разомкнутой части цикла).

Внутренний «узкий» цикл при достигнутых в современном турбостроении температурах и эффективности входящих агрегатов может иметь КПД свыше 60 %. Внешний разомкнутый цикл имеет обычный КПД, например, около 30%. Общий КПД цикла может превышать 50%.

Значение циркулирующего расхода тем выше, чем больше степень «выгорания» кислорода. При этом его содержание может стать ниже предела воспламенения. Для исключения этого камеру сгорания можно устанавливать в разомкнутой части - в магистрали подвода воздуха. Требуемая температура будет получаться за счет смешения продуктов сгорания, полученных при соотношении компонентов, близком к стехиометрическому, с циркулирующими продуктами сгорания. При этом в замкнутом контуре исчезают необратимые потери, обусловленные гидравлическим сопротивлением камеры сгорания.

Для достижения высокой эффективности регенерации необходимо, чтобы водяные эквиваленты прямого и обратного потоков были примерно равны. Для этого вход и выход из контура через компрессор и турбину должны располагаться со стороны одного из концов регенератора, например, «горячего», как на приведенной выше фиг. 1.

Варианты схемы

Возможен также вариант с подводом-отводом рабочего тела из контура с «холодной» стороны регенератора, как показано на фиг.2. В этом варианте при некоторых сочетаниях параметров температура продуктов сгорания, выбрасываемых в атмосферу, может быть даже ниже температуры окружающей среды (например, -50ºС). Тепло, причем с низким температурным потенциалом, в этом случае уносится из цикла только охлаждающей водой. Впрочем, все-таки лучше, если температура на выходе ТНД примерно равна температуре окружающей среды.

Фиг. 2. Схема установки с подводом - отводом рабочего тела

разомкнутой чести цикла с «холодных» концов регенеративного ТОА

На фиг.3 показан наиболее термодинамически развитый вариант схемы. Она представляет вариант схемы 1 с регенерацией тепла в открытой части цикла и промежуточным охлаждением между ступенями воздушного компрессора (охладители по воздуху на схеме не показаны). Камера сгорания вынесена из контура. Приведенные ниже расчетные оценки даны для этого варианта схемы.

Результаты расчета ГТУ

Рассматривались условно три варианта исходных данных – 1) - «реалистично-пессимистичный», 2) - «умеренно-оптимистичный» и 3 - «оптимистичный». Значения параметров для этих вариантов приведены в табл.1.

Температура перед турбиной выбиралась так, чтобы температура продуктов сгорания на ее выходе равнялась предельно допустимой для материалов теплообменника - 800 °С (в варианте 1 - 700 °С).

Предполагалось, что затраты энергии на сжатие топлива отсутствуют, так как газ отбирается из магистрального трубопровода, давление в котором обычно составляет 5-7 МПа. Кроме того, топливо перед подачей в камеру сгорания подогревается частью продуктов сгорания с выхода турбины (сумма водяных эквивалентов воздуха и топлива примерно равна водяному эквиваленту продуктов сгорания). При приведенных параметрах схемы выгорает 86% кислорода, поэтому предварительный подогрев топлива продуктами сгорания в большей степени влияет на экономичность, чем для обычной ГТУ. Малое содержание кислорода в продуктах сгорания (≈3%) позволяет безопасно нагревать топливо выше температуры воспламенения.

Большая степень выгорания кислорода и высокое давление за циркуляционной турбиной приводит к высоким парциальным давлениям водяного пара (≈0,05 Мпа,) поэтому на выходе регенератора будет выпадать влага, в связи с чем в схеме установки должен присутствовать влагоотделитель. Тепло конденсации в энергетическом балансе не учитывалось, т. к. относится к высшей теплоте сгорания

Схема установки с регенерацией тепла в разомкнутой части и промежуточным охлаждением между ступенями воздушного компрессора.

1- циркуляционный компрессор

2- регенератор замкнутого контура

3 - камера сгорания

4 - турбина замкнутого контура

5 - водяной холодильник замкнутого контура

6 - воздушный компрессор (2-3 ступени с промежуточным охлаждением)

7 - турбина низкого давления (открытого контура)

8- электрогенератор

9 - регенератор разомкнутого контура

Результаты расчета предлагаемой установки по умеренно-оптимистичному варианту, отнесенные к расходу воздуха открытой части цикла 1 кг/с, приведены в таблице 2. Как следует из таблицы, в установке рассматриваемой схемы возможно получить КПД около 55%, а в перспективе достичь уровня КПД бинарных (парогазовых) установок. Удельная работа на единицу расхода воздуха (1кг/с) составляет 1,36 МВт, в то время как в установках простого цикла она обычно не превышает 400 кВт

Табл.1 Выбранные исходные данные для расчета

Параметр, размерность	Значение для вариантов
Реалистич-ный	Умеренно-оптимистный	Оптимистич-ный
Температура окружающей среды, К Температура охлаждающей воды, К Давление окружающей среды, бар КПД компрессоров (адиабатный) КПД турбин (адиабатный) Эффективность регенеративного теплообменника ЦК Эффективность регенеративного теплообменника НД Недорекуперация по воздуху и ПС в охладителях, К Давление на входе ТЦК, бар Давление на выходе ТЦК, бар Температура на выходе ТЦК, °С Температура на входе турбины Относительная потеря давления в КС Относительная потеря давления в ТОА Потеря давления воздуха и ПС в охладителях, Мпа Топливо – природный газ (низш. теплотворная способность, МДж/кг Расход топлива, кг/кг воздуха (разомкнутой части)	288 283 1,033 0,86 0,89 0,9 0,8 10 24 4 700 1405 0,025 0,03 0,01 48 0,05	288 283 1,033 0,86 0,89 0,93 0,8 10 24 4 800 1559 0,025 0,03 0,01 48 0,05	288 283 1,033 0,88 0,91 0,96 0,85 10 35 5 800 1633 0,025 0,02 0,005 48 0,05

В качестве базы для сравнения: при заданных параметрах расчетный КПД простого цикла при степени сжатия pк=20 на к леммах генератора равен 0,382, а мощность – 363 кВт на расход воздуха 1 кг/с (без учета потребления электроэнергии на собственные нужды).

.

Таблица 2 Расчетные параметры установки.

Наименование и обозначение параметра	Ед. измер.	Величина
Суммарная мощность трех каскадов воздушного компрессора (1 кг/с)	кВт	371
Мощность КЦК (2,312 кг/с)	кВт	529
Температура на выходе КЦК	К	522
Мощность ТЦК (3,312 кг/с)	кВт	1912
Температура на входе ТЦК, К	К	1559
Температура на выходе ТЦК	К (°С)	1073 (800)
Расход продуктов сгорания через ТНД	Кг/с	0,972
Мощность ТНД	кВт	307
Температура на выходе ТНД	К	799
Полезная мощность на валу брутто	кВт	1318
Температура прямого потока на выходе регенератора ЦК	К	1036
Температура прямого потока на выходе воздушного РТОА	К	745
Перепад температур в КС (для циркулирующего расхода)	К	523
Перепад температур в регенераторе ЦК	К	514
Тепло, подводимое в КС:	КВт	2376
Массовый расход топлива (природный газ, низшая теплотворная способность 48 МДж/кг)	Кг/с	0,05
КПД брутто на валу		0,555
КПД на клеммах электрогенератора		0,546
Выход конденсата из контура,	кг/с	0,078
Массовая доля О2 в продуктах сгорания на выходе установки		0,032
Тепловая нагрузка: регенератора ЦК - регенератора разомкнутого контура	кВт кВт	1280 228
Распределение выхода из цикла части тепла, не преобразованного в механическую работу: - в охладителе циркуляционного контура - в охладителе компрессоров низкого давления - с выхлопными газами турбины низкого давления	% % %	58 25 17

Для «реалистично-пессимистичного» и «оптимистичного» вариантов КПД составляет соответственно 50,6% и 58.9%. Эти значения практически не уступают КПД парогазовых (бинарных) установок. Дальнейшее повышение КПД за счет комбинирования с паротурбинным циклом невозможно из-за низкой температуры выхлопных газов.