ТЕПЛОФИЗИКА ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР, 2014, том 52, № 1, с. 131-135
ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЕ АППАРАТЫ И КОНСТРУКЦИИ
УДК 621.165
ВЫБОР РАБОЧЕГО ТЕЛА ДЛЯ ЗАМКНУТЫХ ГАЗОТУРБИННЫХ УСТАНОВОК МОЩНОСТЬЮ ОТ 6 ДО 12 кВт, РАБОТАЮЩИХ НА ОРГАНИЧЕСКОМ ТОПЛИВЕ © 2014 г. А. Н. Арбеков
Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана Поступила в редакцию 18.02.2013 г.
В работе представлены результаты оценки параметров цикла рекуперативной замкнутой газотурбинной установки малой мощности, работающей на природном газе. Выполнен анализ влияния молярной массы рабочего тела на основные характеристики установки и ее особенности.
DOI: 10.7868/S0040364414010013
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время, наряду с развитием стационарной энергетики большой мощности [1], имеет место потребность в энергоснабжении автономных необслуживаемых объектов малой мощности, которая превышает 200 штук в год и покрывается в основном за счет покупки энергетических установок за рубежом. Среди поставщиков подобного оборудования выделяется фирма "Ormat Technologies inc.", выпускающая замкнутые органические паротурбинные установки единичной мощностью от 0.6 до 4 кВт, ставшая практически монополистом на Российском рынке [2, 3].
Основными конкурентами данных установок сегодня являются термоэлектрические генераторы как отечественного, так и зарубежного производства, которые заняли нишу от 0.16 до 1 кВт.
Верхняя часть диапазона перекрывается микрогазотурбинными установками открытого цикла C-30 американской фирмы "Capstone Turbine Corporation", дефорсированными до мощности от 15 до 10 кВт.
Если первые две установки характеризуются низким уровнем экономичности (КПД 3—5%) и высокой ценой (около 70000 долларов США за 1 кВт установленной мощности), то микротурбинная установка на номинальном режиме (30 кВт) имеет КПД 25—27% и существенно дешевле (1600-1900 долларов США за 1 кВт).
ОПЫТНЫЙ ОБРАЗЕЦ ЗАМКНУТОЙ ГАЗОТУРБИННОЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ
В качестве альтернативы еще в 90-е годы в МГТУ им. Н.Э. Баумана под руководством В.Л. Самсонова при участии предприятий авиакосмической про-
мышленности был создан конверсионный образец модуля регенеративной замкнутой газотурбинной энергетической установки (ЗГТЭУ) мощностью 1—3 кВт, работающей на природном газе и предназначенной для электро- и теплоснабжения радиорелейных станций систем связи ОАО "Газпром" [4]. Фотография модуля в боксе ОАО "НПО "Энергомаш" представлена на рис. 1.
Данный образец наработал свыше 500 часов при более 150 циклах запуск-останов. Его КПД составил 15% при мощности установки, равной 1 кВт.
Рис. 1. Опытный образец ЗГТЭУ мощностью 1—3 кВт, работающей на природном газе в боксе ОАО "НПО "Энергомаш".
131
9*
132
АРБЕКОВ
10 ^ Ро
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ МОЩНОСТНОГО РЯДА ЗГТЭУ
Создание мощностного ряда ЗГТЭУ возможно за счет изменения массового расхода О и молярной массы рабочего тела М, а также отношения температуры газа по заторможенным параметрам перед
турбиной Т3* к температуре газа перед компрессором Т0*. В качестве рабочего тела рассмотрим одноатомные (благородные) газы или их смеси при умеренном уровне давлений (менее 1 МПа) и примем показатель адиабаты к = 5/3, а газовую постоянную Я определим как отношение универсальной газовой постоянной Я, к молярной массе рабочего тела М
Я =
Яо и'
S
Рис. 2. Термодинамический цикл регенеративной ЗГТЭУ: Ql — количество теплоты, подводимой в цикл; Q2 — количество теплоты, отводимой из цикла; Qз — количество теплоты, возвращаемой в цикл; ЬК —
работа сжатия; Ьт — работа расширения; р*, Т* — давление и температура при выходе из компрессора; р*, Тз* — давление и температура при входе в турбину; р*, Т4* — давление и температура при выходе из турбины; р*, То* — давление и температура при входе в
компрессор; Т*, Т5* — температура при выходе из регенератора холодного и горячего теплоносителей соответственно.
Проведенные испытания опытного образца подтвердили заявленные характеристики и показали направление дальнейшего развития подобных установок, однако за прошедшее время существенно расширился диапазон потребных мощностей, что привело к необходимости уточнения характеристик установок и выбора рабочего тела [5].
Основным достоинством ЗГТЭУ является возможность выбора состава и молярной массы рабочего тела, а также давления в замкнутом контуре [6, 7], что позволяет создать ряд установок мощностью от 6 до 12 кВт и закрыть нишу между замкнутыми паротурбинными и так называемыми микрогазотурбинными установками.
Возможность применения для решения указанных задач ЗГТЭУ обусловлена хорошо разработанной элементной базой и опытом эксплуатации нескольких сотен тысяч авиационных, транспортных и стационарных газотурбинных двигателей и установок, некоторые из которых, эксплуатируемые более 30 лет, имеют ресурс работы до капитального ремонта 100000 часов.
что позволяет записать изобарную теплоемкость в виде
к
ср = •
Я.
к -1
В ЗГТЭУ реализуется регенеративный цикл (рис. 2), определяющими параметрами которого являются отношение температур в цикле & =
= Т3*/ Т0* и степень повышения давления
пК = Р1 / Ро , представляющая собой отношение давления после компрессора (наивысшего в цикле)
р* к давлению при входе в компрессор (наименьшего) р0*.
Задаваясь этими параметрами и вводя КПД процессов сжатия пК и расширения п*, а также степень
понижения давления в турбине п* = р* / р* , определим действительные работы компрессора и турбины в виде
— срТо
С к* к Пкк
-1
ЬТ = СрТ3
У
1 * к 1 -п* к
* ПК
*
или с учетом коэффициента сохранения полного давления а* = я*/п* работу турбины перепи-
шем как
ЬТ — СрТ0 &
1 - (п*а*
1-к * к
*
П*.
Для определения расхода рабочего тела О в ЗГТЭУ с электрической мощностью механическим Пт и электромагнитным пет КПД, относительными перетечками рабочего тела с выхода компрессора на выход турбины % = 1 - 0Т/0 и
1
Параметры адиабатного торможения.
расходом через турбину От используем известную зависимость [7, 8]
0 =-^-.
[ (1 - g)- Ьк] ПшПеш Вводя теплоту, подведенную в цикл
01 = вер (Тз* - т2*) (1 - g),
определим КПД цикла
С 1-к\
1 * к 1 -птк
Пт ( - ё)-
( к-1
* к
-1
П =
* Пк
ТТ т ^^т т
Пе1
-р (3 12
и КПД на клеммах генератора
01 '
Для определения температур и тепловых мощностей также используем известные зависимости [8, 9]:
— теплового баланса регенератора рекуперативного типа
03 = Оер (т* - Т5т) = О (1 - g) Ср (т* - Т*); — степени регенерации
^^т Т ^^т Т
а =
Т* т т* т
п
0.3
Рис. 3. Зависимость термодинамического КПД цикла от степени повышения давления: 1 — 9 = 2.5, 2 — 3.0, 3 — 3.5, 4 — максимум КПД; 5 — минимум расхода.
О, кг/с
1.5 1.0 0.5
0 1.4
ч
¡Л 4 -
' ----- , ... ,<<5... __ 4
-------
1 1 1
1.8
2.2
2.6
— теплоты, отводимой из цикла,
02 = ОСр (т5т - т*
Высокие требования к надежности и ресурсу рассматриваемых установок при современном уровне технологий и материаловедения ограничивают отношение температур в цикле диапазоном от 2.5 до 3.5. На основе имеющегося опыта и статистических данных [6] для анализа ЗГТЭУ приняты исходные данные:
— степень регенерации а = 0.95,
— коэффициент сохранения полного давления а* = 0.92,
— КПД турбины п? = 0.88,
— КПД компрессора пК = 0.78,
— относительные перетечки и отборы рабочего тела ^ = 0.04.
Влияние степени повышения давления на эффективность термодинамического цикла и КПД установки на клеммах генератора представлено на рис. 3.
Как видно из приведенных данных, степень повышения давления при максимальном КПД имеет диапазон от 1.7 до 1.9, а при максимальной работе цикла — от 1.9 до 3.0. Для дальнейшего исследования принято значение & = 3 и ряд ЗГТЭУ мощностью 6, 8 и 12 кВт. В качестве рабочего тела используется одноатомный газ с молярными мас-
Рис. 4. Влияние молярной массы и мощности установки на расход рабочего тела: 1 — 39.95 кг/кмоль, 6 кВт; 2 — 39.95, 8; 3 — 39.95, 12; 4 — 83.8, 6; 5 — 83.8, 8; 6 — 83.8, 12.
сами 83.8, 59.8 и 39.95 кг/кмоль, массовые расходы которого представлены на рис. 4.
Из графика видно, что минимум расхода (максимум работы) в данном случае соответствует степени повышения давления 2.4, превышающей степень повышения давления, соответствующую максимуму КПД и равную 1.8. Зависимость расхода рабочего тела с молярной массой 39.95 кг/кмоль при выходной мощности 12 кВт практически совпадает с зависимостью для рабочего тела с молярной массой 83.8 кг/кмоль при мощности 6 кВт, что свидетельствует о возможности реализации мощ-ностного ряда путем изменения молярной массы рабочего тела.
Соответственно выходным мощностям изменяются и тепловые мощности нагревателя газа, регенератора и концевого холодильника (рис. 5).
Как видно из представленных данных, при максимальном КПД тепловая мощность регенератора практически вдвое превышает мощность нагревателя газа, а при минимальном расходе рабочего тела (максимальной работе) они близки.
п
АРБЕКОВ
134
Q, кВт 200
100
\
V
\ \ V
. 3
■ч
--
5 ■ ■ , _ .-,
1.4
1.8
2.2
2.6
Рис. 5. Тепловые мощности нагревателя газа (1, 4), концевого холодильника (2, 5) и регенератора (3, 6) при мощности ЗГТЭУ 12 и 6 кВт соответственно.
0
п
U, м/с
400 -
200
35 70 M, кг/моль
Рис. 6. Влияние молярной массы рабочего тела на окружную скорость рабочего колеса при максимальном КПД цикла: 1 — компрессора, 2 — турбины; при максимальной работе цикла: 3 — компрессора, 4 — турбины, 5 — допустимое напряжение для сплава ВТ-8, 6 — допустимое напряжение для сплава ЖС-6.
лес из титановых сплавов прочностные ограничения в рассмотренном диапазоне параметров отсутствуют.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Выполненный анализ позволяет сделать следующие выводы:
1. Степень повышения давления, соответствующая максимальному КПД и максимальной работе цикла, имеет значения от 1.7 до 1.9 и от 1.9 до 3.0 соответственно.
2. Совпадение зависимостей расхода рабочего тела от степени повышения давления при изменении молярной массы рабочего тела обратно пропорционально мощности ЗГТЭУ позволяет реализовать мощностной ряд путем изменения молярной массы рабочего тела.
3. При степени повышения давления, соответствующей м
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.