Регенеративный цикл ГТУ с рециркуляцией продуктов сгорания при высоком давлении (стр. 1 )

РЕГЕНЕРАТИВНЫЙ ЦИКЛ ГТУ С РЕЦИРКУЛЯЦИЕЙ

ПРОДУКТОВ СГОРАНИЯ ПРИ ВЫСОКОМ ДАВЛЕНИИ

В.

Предложена оригинальная схема газотурбинной установки, позволяющая реализовать известные термодинамические преимущества регенеративного цикла с малой степенью повышения давления. Для повышения эффективности теплопередачи осуществляется циркуляция продуктов сгорания в замкнутом контуре при повышенном давлении (например, при давлении на входе циркуляционного компрессора 0,5 - 1 МПа). Циркулирующий расход в несколько раз превышает расход подпитки воздухом через компрессор и турбину в разомкнутой части цикла. Коэффициент теплопередачи в регенераторе замкнутого контура возрастает более чем на порядок, что дает возможность достичь степени регенерации на уровне 95% при степени повышения давления в замкнутом контуре 3-6 и получить КПД установки на 10-15 абсолютных % выше, чем при аналогичных параметрах простого цикла.

Введение

Газотурбинные двигатели, несмотря на то, что верхняя температура цикла в современных ГТУ достигает 1500-1700 К, преодолели рубеж термодинамической эффективности 40% исторически позднее других тепловых двигателей, в частности, паротурбинных установок, работающих по циклу Ренкина, и дизельных двигателей. Это свидетельствует о низкой степени карнотизации газотурбинных циклов (не выше 50%).

Одним из первых проблемой повышения степени карнотизации циклов ГТУ, т. е. отношения фактического КПД цикла к КПД соответствующего цикла Карно, озаботился . Путь решения проблемы он видел в повышении общей степени повышения давления до 130 – 200 и введении нескольких ступеней охлаждения при сжатии и перегревов при расширении.

Есть и другой путь повышения КПД ГТУ, не требующий таких высоких давлений. Как известно, к циклу Карно по термодинамической эффективности приближается т. н. обобщенный, или эквивалентный цикл Карно, состоящий из двух изотерм и двух эквидистантных кривых (вместо изоэнтроп). К этому циклу, например, близок цикл с двумя изохорами (прямой или обратный цикл Стирлинга) [1] и цикл с двумя изобарами (цикл Брайтона с регенерацией). Между потоками газа, изменение термодинамического состояния которых описывается изобарами высокого и низкого давления, теоретически возможна передача тепла с очень высокой эффективностью. Так, в криогенной технике применяются теплообменные аппараты (ТОА) с эффективностью 98% и выше, что соответствует числу единиц переноса теплоты NTU > 50. При соответствующих таким NTU малых температурных напорах уменьшение энтропии обратного потока почти равно увеличению энтропии прямого потока; производство энтропии незначительно. На современном уровне техники регенеративный теплообмен в лучших образцах аппаратов является наиболее обратимым видом термодинамических процессов и при увеличении доли этого процесса в общем энергетическом балансе эффективность цикла Брайтона в целом теоретически должна возрастать.

Идеальный регенеративный цикл Брайтона с двумя изоэнтропами и двумя изобарами (без охлаждения при сжатии и промежуточного перегрева при расширении) тем ближе к циклу Карно, чем меньше степень повышения давления pк. Для краткости цикл с малым значением pк будем называть «узким», что графически соответствует его изображению в T-S координатах. Известно, что при введении регенерации оптимальная величина pк снижается, причем тем больше, чем выше эффективность теплообменного аппарата εт, при этом одновременно растет максимальное значение КПД. Так, при степени регенерации εт ≈ 0,95, степени повышения давления pк=3-5 и относительной потере давления в регенераторе не более 2-3 % (а также современных уровнях характеристик входящих агрегатов) можно получить термический КПД установки свыше 60 % уже при температуре перед турбиной 1400-1500К.

Однако на практике реализовать преимущества «узкого» цикла крайне непросто из-за того, что воздух является плохим теплоносителем, или, говоря более строго, теплоносителем, свойства которого сильно зависят от давления. Чем меньше pк и соответственно давление перед КС, тем при прочих равных условиях теплоотдача от прямого потока (воздуха) будет ниже. В частности, при pк=3…5 и соответственно давлении прямого потока 0,3-0,5 МПа течение в трубках ТОА при εт ≈ 0,95 будет ламинарным или переходным с коэффициентом теплопередачи, отнесенным к внутренней поверхности, не выше 50 Вт/м2×К. Кроме того, в «узком» регенеративном цикле количество теплоты, подводимой в регенеративном ТОА, может превышать количество теплоты, подводимой в камере сгорания. При этом зависимость КПД установки от степени регенерации возрастает. Таким образом, в «узком» цикле требования к регенерации возрастают, а коэффициенты теплопередачи снижаются.

При больших pк коэффициент теплоотдачи от прямого потока возрастает, а низкий коэффициент теплоотдачи от обратного потока (продуктов сгорания) можно компенсировать оребрением, поэтому достижимую степень регенерации можно повысить. Однако из-за уменьшения располагаемого перепада температур (между выходами компрессора и турбины) термодинамический выигрыш от регенерации тепла сокращается.

Эта проблема имеет и материаловедческий аспект - необходимость использовании больших количеств весьма дорогостоящих жаропрочных сплавов. При температуре на выходе турбины ≈ 800 °С необходимо применять материалы на никелевой основе,

Указанное противоречие так и не удалось разрешить в современном газотурбостроении. Совокупность упомянутых обстоятельств привела к тому, что в последние годы преобладающей тенденцией развития газотурбостроения стал отказ от регенерации тепла и форсирование ГТУ простого цикла по температуре (до 1500-1700 К и выше) и отчасти по давлению (до 3 МПа). При этом КПД установок достиг 40%, т. е. сравнялся с обычным паротурбинным циклом Ренкина (на лучших отечественных ТЭС КПД примерно 37-39% на угле и 42-43% на природном газе).

Вместе с тем нарастает понимание того, что ресурсы дальнейшего повышения КПД в простом цикле Брайтона близки к исчерпанию. В связи с этим прослеживается и другая тенденция – к усложнению цикла (термодинамически развитые циклы) что отражено, например, в работе [2], а также в конструкции новейшей отечественной разработки ГТУ-27 ПС, КПД которой достиг 44% [3].

ГТУ с рециркуляцией продуктов сгорания при высоком давлении

По технической сущности к предлагаемой схеме наиболее близки установки с замкнутым циклом, в котором циркулирует воздух при давлении на входе циркуляционного компрессора выше атмосферного. В этих установках достаточно высокая степень регенерации тепла - 90-93%, а степень повышения давления в компрессоре незначительно превышает оптимальную и составляет 4…5, т. е. цикл является довольно «узким». Однако недорекуперация при нагреве циркулирующего воздуха от внешнего источника через поверхность нагрева вызывает дополнительные потери тепла, а температура перед турбиной ниже температуры в теплообменнике, что накладывает дополнительное ограничение на ее величину.

Несмотря на недостатки, имманентно присущие описанной схеме, в ней имеется серьезное рациональное зерно, связанное с возможностью повышения коэффициента теплопередачи при повышении давления воздуха. Эффективность теплоотдачи возрастает главным образом за счет увеличения числа Рейнольдса и соответственно Нуссельта при увеличении плотности. Рассмотрим зависимость коэффициента теплоотдачи при течении внутри трубок или межтрубном пространстве от давления (принимаем условно, что доля соответственного компонента теплопередачи в общем термическом сопротивлении постоянна).

Предположим, что при некоторых давлениях Р1 и Р2 реализуется турбулентный режим течения. Пусть диаметры трубок и межтрубные расстояния одинаковы и теплообменники отличаются только длиной и количеством трубок в пакете. Требуется определить соотношение скоростей потока V и коэффициентов теплоотдачи α, при котором выполняется условие одинаковой относительной потери давления в трубках или межтрубном пространстве . (1)

Совместное решение критериальных уравнений Nu = f (Re, Pr), , уравнений для определения суммарного проходного сечения трубок, поверхности теплоотдачи и длины трубок дает результат:

, (2)

при этом . (3)

где m –показатель степени при числе Рейнольдса в критериальном уравнении. для числа Эйлера, n – для числа Нуссельта.

Для автомодельного (по числу Рейнольдса) режима m = 0. Для режима, описываемого уравнениями Блаузиуса или Альтшуля (lg Re = 4…5), который обычно имеет место в трубках теплообменника, m ≈ - 0,25. Аналогично при поперечном обтекании гладких или оребренных трубок обычно m = - 0,23…- 0,28. В критериальном уравнении для числа Нуссельта при течении в трубках n = 0,8 (уравнение Крауссольда), при поперечном обтекании трубок n=0,6…0,72.

Показатель степени в уравнении (2) при течении внутри трубок равен 0,718, при поперечном обтекании трубок – 0,488…0,621 (при наиболее распространенном значении n=0,65 показатель степени равен 0,542). При повышении давления в 10 раз коэффициент теплоотдачи в трубках в соответствии с (2) возрастает в 5,22 раза, на наружной поверхности трубок – в 3,48 раза.

Приведенные данные справедливы для турбулентного течения теплоносителей. С учетом изменения режима течения с ламинарного на турбулентный и возможности уменьшения диаметров трубок при сохранении турбулентного режима коэффициент теплопередачи k при увеличении давления на порядок увеличивается в 20-30 раз раз (!!!). Из соотношения следует, что если эффективность регенерации при некоторой величине поверхности теплообмена F составляла, например, 0,7, то при увеличении k в 20 раз эффективность при той же поверхности теплообмена составит 0,979 (!). С учетом указанных ниже некоторых специфичеcких явлений в теплообменниках при значениях ε, приближающихся к единице, для термодинамических расчетов схем ограничимся величиной εт=0,95-0,96. При таком росте эффективности становится реальным регенеративный цикл с оптимальным значением pк.