2.7.5. Сравнительная оценка гту сложных циклов по эффективному кпд

Выполненное обобщение и сравнительная оценка термодинамических циклов большого ряда ГТУ сложных циклов в идентичных условиях эксплуатации в виде графических зависимостей эффективного КПД η_е от степени суммарной сжатия π представлены на рис. 7.9.

Температура газа перед силовой турбиной принята во всех расчетах одинаковой и равной Т₃ = 1550 К, что соответствует верхнему уровню температур для новейших серийных и опытных приводных ГТУ в рассматриваемом классе мощности.

Сравнительная оценка сопоставляемых термодинамических циклов показывает, что наибольший КПД имеет именно бинарный "сухой" цикл с дополнительным промежуточным охлаждением в КНД - η_е > 47 % (кривая 9 на рис. 7.9).

Очевидно, что в классе мощности N_е < 30 МВт, ГТУ – 27ПС может стать конкурентноспособной ПГУ, т.к. при сопоставимых КПД η_е она обладает преимуществами:

-требует меньших капитальных затрат;

- более удобна в эксплуатации;

- что особенно важно, в отличие от ПГУ, в зимних условиях эксплуатации η_е ГТУ – 27ПС наоборот, значительно повышается с понижением температуры воздуха;

- КПД цикла ГТУ – 27ПС в значительно меньшей степени зависит от степени регенерации и утечек воздуха в рекуператоре, т.к. расход топлива в камере сгорания ГТУ – 27ПС не зависит от степени регенерации.

И наконец, в бинарной установке с "сухим" циклом сохраняется возможность утилизации тепла уходящих газов как внутреннего контура, так и воздуха наружного контура, т.к. схема ГТУ – 27ПС позволяет использовать принцип когенерации, заключающийся в совместной выработке основных видов энергии: электрической, механической и тепловой.

Рисунок 7.9 – Зависимость КПД различных циклов от степени сжатия в осевом компрессоре при температуре газа перед силовой турбиной

Т₃ = 1550 К:

1 – простой цикл;

2 – регенеративный цикл (с рекуператором);

3 – цикл с промежуточным охлаждением;

4 – цикл с промежуточным подогревом;

5 – цикл с промежуточным охлаждением и регенерацией;

6 – цикл с промежуточным охлаждением и промежуточным подогревом;

7 – цикл с промежуточным охлаждением, промежуточным подогревом и регенерацией;

8 – цикл с воздушным утилизационным контуром;

9 – цикл с воздушным утилизационным контуром и промежуточным охлаждением в КНД.

2.7.6 Повышение энергетической эффективности гпд с турбокомпрессорным утилизатором и регенерацией теплоты

Применение турбокомпрессорного утилизатора возможно на базе авиационного или судового двигателя, но требует усложнения цикла при глубокой утилизации теплоты выхлопных газов. Высокая энергетическая эффективность ГТУ достигается за счет применения силовой турбины перерасширения (СТП) в сочетании с регенерацией теплоты.

На рис. 7.10 приведена схема ГТД с турбокомпрессорным утилизатором (ТКУ), в состав которого входят: турбина перерасширения (ТП), дожимающий компрессор (ДК) и теплообменники.

Рисунок 7.10 – Схема ГТД с ТКУ и регенерацией теплоты:

К – компрессор; КС – камера сгорания; ТК – турбина компрессора; СТП – силовая турбина перерасширения; G_во – расход воздуха на охлаждение; ДК – дожимающий компрессор; Р – регенератор; ОГ – охладитель газа; Н – нагрузка

Утилизация теплоты выхлопных газов в данной установке производится трижды:

- в силовой турбине, которая сблокирована с турбиной перерасширения, газ расширяется до давления ниже атмосферного и производит дополнительную работу;

- в процессе охлаждения газа после силовой турбины перерасширения СТП, при котором отведенная теплота регенерируется, т.е. используется на подогрев сжатого в компрессоре воздуха перед камерой сгорания;

- в охладителе газа (ОГ), который отбирает оставшуюся часть теплоты и выполняет роль теплогенератора, превращая ГТД в когенерационную установку.

В оптимальном варианте, при π_к = 4…6 внутренний КПД ГТД с ТКУ и Р достигает 44…46 %. Удельная мощность данной установки n_уд в 1,5…1,75 раз больше, чем в ГТД с регенератором. Теплотехнический КПД в оптимальном варианте достигает 80 %.

Данные, приведенные в табл. 7.4, показывают, что применение ТКУ в ГТД с регенерацией теплоты увеличивает эффективный КПД ГТД с ТКУ и Р по сравнению с ГТД – 10 простого цикла на 20 %.

Таблица 7.4 – Сравнительные данные основных параметров ГТД простого типа и ГТД с ТКУ и регенерацией тепла

Параметры установок	ГТД-10	ГТД с Р	ГТДсТКУиР
Мощность на фланце привода нагнетателя, МВт	10,0	10,0	10,0
Мощность тепловая, МВт	12,9	-	9,14
Температура газа перед турбиной, К	1456	1456	1456
Расход воздуха на входе в ГТД, кг/с	36,2	36,2	31,08
Степень повышения давления в компрессоре ГТД	19,5	8,0	5,0
Степень повышения давления в дожимающем компрессоре	-	-	2,2
Степень регенерации	-	0,8	0,8
Частота вращения силовой турбины, мин-1	6500	6500	6500
Эффективный кпд в условиях 180, %	36,0	40,4	43,2
Теплотехнический КПД, %	76,9	-	80,3

В результате испытаний установлено уникальное свойство ГТУ со свободным (не связанным механически) ТКУ – постоянно высокий теплотехнический КПД на всех режимах нагружения.

В настоящее время ГП НПКГ "Зоря" – "Машпроект" и СевНТУ разрабатывается проект на создание когенерационного ГТД мощностью 10 МВт с ТКУ и Р для газоперекачивающего агрегата. На рис. 7.11 показана универсальная "кольцевая" компоновка ГТД с ТКУ и Р, удобная для применения в составе газоперекачивающего агрегата КС.

Применение турбокомпрессорного утилизатора на базе высокотемпературных авиационных или судовых двигателей как простого цикла, так и с регенерацией теплоты удобно, т.к. не требует конструктивных изменений самого газогенератора.

Газотурбинные двигатели с турбокомпрессорными утилизаторами (ГТД с ТКУ) пока не применяются на КС МГ, но являются перспективными двигателями, которые могут быть применены для газоперекачивающего агрегата.

Рисунок 7.11 – Когенерационный ГТД с ТКУ и Р мощностью 10 МВт