Впрыск водяного пара в камеру сгорания газотурбинной установки на базе двигателя НК-37

В настоящее время прогресс в теплоэнергетике связывают с решением задач по повышению эффективности, экологичности, снижению материало- и капиталоемкости, повышению надежности и эксплуатационных свойств энергетических установок тепловых электростанций. Одним из признанных направлений по реализации поставленных задач является широкое внедрение в энергетику комбинированных парогазовых установок. В энергетическом секторе, использующем в качестве топлива природный газ или жидкое топливо, приоритет использования парогазовых установок хорошо известен [11, 25].

Современные ПГУ характеризуются низким уровнем вредных выбросов в атмосферу. Выработка значительной доли мощности газотурбинной установки обеспечивает меньшие потребности ПГУ в охлаждающей воде и меньшее тепловое загрязнение окружающей среды по сравнению с паротурбинными установками (ПТУ) равной мощности.

Сооружение ПГУ является основной тенденцией развития мировой теплоэнергетики в последнее время. Комбинация циклов Брайтона и Ренкина обеспечивает повышение тепловой экономичности комбинированной установки. При этом большая часть мощности комбинированной установки приходится на ГТУ.

В целях увеличения тепловой экономичности параметры рабочего тела ГТУ постоянно повышаются. Одновременно используются другие возможности увеличения экономичности и удельной мощности установок (промежуточное охлаждение воздуха в компрессоре, повторный подогрев рабочего тела ГТУ перед силовой турбиной, впрыск водяного пара и воды в газовый тракт установки и др.).

В последние годы ГТУ с впрыском пара получают все более широкое распространение во многих странах мира. Хорошие результаты в этом направлении могут быть достигнуты в результате использования ГТУ с впрыском пара в составе комбинированных установок, что позволяет увеличить удельную мощность и КПД установки, уменьшить вредные выбросы, а также увеличить общий коэффициент использования теплоты топлива. Уже сейчас КПД ГТУ с впрыском пара находится в пределах 50-52 %, а коэффициент использования теплоты топлива достигает 90 % [25].

В рамках данной работы был проведен термодинамический расчет ГТУ-25 на базе авиационного двигателя НК-37 с использованием конкретных характеристик всех его узлов. Схема ГТУ приведена на рис. 6.10.

Ведущие фирмы-производители энергетических ГТУ используют впрыск воды или водяного пара в установки преимущественно для поддержания концентрации оксидов азота в выходных газах в пределах нормы. Такой впрыск оказывает влияние и на энергетические показатели установки.

Схема газовоздушного тракта ГТУ-25

Рис. 6.10. Схема газовоздушного тракта ГТУ-25:

1 - компрессор низкого давления; 2 - компрессор среднего давления; 3 - компрессор высокого давления; 4 - камера сгорания; 5 - турбина высокого давления; 6 - турбина среднего давления; 7 - турбина низкого давления; 8 - свободная силовая турбина

Для установления параметров работы ГТУ выполнены вариантные расчеты. За основу был принята ГТУ-25 на базе авиационного двигателя НК-37, установленная на Безымянской ТЭЦ. Исходные данные для расчета представлены в табл. 6.1.

Для определения параметров ГТУ при ее работе как с применением впрыска пара в камеру сгорания, так и без него произведен расчет с использованием численного эксперимента. Методика, на основании которой выполнялись исследования, в ходе работы была переработана и преобразована под исследуемый тип ГТУ, разработана компьютерная программа для упрощения процесса расчета.

Исходные данные теплового расчета ГТУ

Параметр

Значение

параметра

Параметры окружающей среды:

температура воздуха t„ (средняя за отопительный период в г. Самаре), °С давление воздуха рИ, кгс/см2

  • -4,5
  • 1,0332

Физические обороты ротора низкого давления янд, об/мин

5103

Топливо - природный газ:

  • - низшая теплота сгорания при 20 °С Q%, МДж/кг
  • - теоретически необходимое количество воздуха для сжигания топлива То, кг/кг
  • 50,03
  • 16,711

Ниже приведена методика расчета камеры сгорания ГТУ.

1. После компрессора высокого давления (КВД) воздух с расходом АС?охл<1урбин,кг/с:

с параметрами р2 вд, кгс/см2; Г2вд, К;2вд, кДж/кг, направляется

на охлаждение турбин и распределяется следующим образом:

- на охлаждение турбины высокого давления (ТВД)

- на охлаждение турбины среднего давления (ТСД)

- на охлаждение турбины низкого давления ПГНД)

2. Температура газов Г4, К, перед ТВД из постоянства

3. Расход воздуха GBKC, кг/с, поступающего в камеру сгорания ГТУ:

4. Относительный расход gTo стандартного углеводородного топлива, имеющего при температуре 293 К низшую теплоту сгорания

кДж/кг (10250 ккал/кг) и теоретически необходимое количество воздуха LCq= 14,78 кг/кг.

где - низшая теплота сгорания стандартного топлива при температуре Т2ва,К, определяемая выражением

а остальные величины определяются по л-/г-номограмме.

г|г = 0,99 - полнота сгорания топлива в КС, берётся из диапазона

5. Относительный расход gT действительного топлива, имеющего Lq =16,711 кг/кг и низшую теплоту сгорания при температуре 20 °С

кДж/кг (11912 ккал/кг):

где - низшая теплота сгорания действительного топлива при Т2вд, К, определяемая выражением

6. Секундный GTc, кг/с, и часовой GTif, кг/ч, расходы топлива в КС:

7. Коэффициент избытка воздуха а в КС:

8. Энтальпия /г4, кДж/кг и функция тс газов на выходе из КС (на входе в ТВД):

9. Расход газа Gr, кг/с, на выходе из КС (на входе в ТВД):

10. Теплота QKC, кВт, подводимая в камеру сгорания:

11. Давление газов р4, кгс/см2, на выходе из КС (на входе в ТВД):

где gkc - коэффициент восстановления полного давления в КС, берётся из диапазона акс = 0,94 ч- 0,95.

12. Мощности компрессоров N, кВт, (КНД, КСД, КВД) рассчитываются по формулам:

где - расход воздуха, кг/с, на входе в КНД, КСД,

КВД, соответственно; - повышение энтальпии,

кДж/кг, в реальном процессе в КНД, КСД, КВД, соответственно.

13. Мощности турбин N, кВт, (ТВД, ТСД, ТНД, СТ) рассчитываются по формулам:

где г|м- механический КПД всей ГТУ (условно отнесён к каскаду высокого давления); GCT - расход газов через СТ, кг/с; А/гст — теплоперепад, срабатываемый в СТ, кДж/кг.

14. Эффективная мощность Л/е, МВт, силовой турбины:

где NicI - внутренняя мощность СТ, МВт; г|ст - механический КПД

силовой турбины.

15. Эффективный КПД г|е ГТУ:

16. Электрическая мощность ТТУ N3, МВт:

где г|эг — КПД электрогенератора.

17. Коэффициент полезной работы ф:

18. Удельный расход топлива d, кг/(кВт-ч):

Основные результаты расчетов приведены в табл. 6.2.

Результаты теплового расчета ГТУ

Таблица 6.2

Параметр

Значение параметра при расходе впрыскиваемого пара Спара, %

от расхода воздуха, поступающего в КС

0

1

2

3

4

Действительный расход воздуха через КНД СДНд> кг/с

113,108

Мощность КНД Укнд, МВт

9,105

Мощность КСД Уксд, МВт

15,262

Мощность КВД Л^квд, МВт

29,914

Суммарная степень сжатия компрессоров кк1

25,89

Расход топлива в КС Gm, кг/с

1,868

Расход впрыскиваемого пара (7пара , кг/с

-

0,885

1,769

2,655

3,539

Коэффициент избытка воздуха в КС а

2,834

Расход газов на выходе из КС Gr, кг/с

90,357

91,242

92,126

93,012

93,896

Тепло, подводимое в КС QKC, МВт

90,134

92,441

94,748

97,055

99,362

Мощность ТВД /V-гвд, МВт

30,217

Мощность ТСД /V-гсд, МВт

15,262

Мощность ТНД УТНд, МВт

9,105

КПДТВДПтвд

0,85

КПД ТСД г|тсд

0,892

0,896

0,898

0,897

0,898

кпд ТНД птнд

0,91

0,908

0,908

0,912

0,911

Эффективная мощность СТ Ne, МВт

30,95

31,04

33,99

34,64

36,07

Эффективный КПД ГТУ рс

0,343

0,336

0,359

0,357

0,363

Расход газов в КУ г|е, кг/с

112,14

113,03

113,91

114,80

115,68

Тепло, переданное в КУ ?>ку , МВт

42,93

45,35

45,12

46,96

48,11

Электрическая мощность ГТУ Л/э, МВт

30,181

30,268

33,149

33,779

35,168

Коэффициент полезной работы <р

0,363

0,363

0,385

0,389

0,399

Удельный расход топлива d, кг/кВт-ч

0,2228

0,2222

0,2029

0,1991

0,1912

Впрыск водяного пара в камеру сгорания ГТУ может осуществляться следующим способом: первоначально пар пропускают через специальный фильтр, затем он направляется в зону активного горения через топливные форсунки. Топливо (природный газ) поступает по внутреннему каналу форсунки, а пар - по ее наружному кольцевому каналу. При впрыскивании пар смешивается с потоком воздуха после компрессора. Пар также может смешиваться с воздухом, охлаждающим корпус КС. Водяной пар при впрыске в огневую зону прогревается до температуры газов. На подогрев пара затрачивается часть теплоты вследствие более высокой удельной теплоемкости пара, чем у продуктов сгорания. В результате температура в зоне реакции понижается, чем обеспечивается пониженная эмиссия оксидов азота. Для каждой ГТУ и каждой конструкции КС существуют свои предельные значения объема впрыска пара, которые не следует превышать, чтобы не разрушить систему сжигания топлива и не повредить газовую турбину (ГТ). Вводимый в КС пар позволяет получить дополнительное количество высокоэнтальпийного рабочего тела. Благодаря снижению теоретической температуры горения и улучшению кинетики процесса обеспечивается существенное подавление процесса образования оксидов азота. Выполненные в ИВТ РАН расчеты показали, что при отношении расхода пара к расходу природного газа, равном примерно 2, образование N0* во фронте пламени снижается более чем на порядок. Это происходит при совместной подаче пара и топлива через соответствующие форсунки. Вместе с тем чрезмерное уменьшение температуры газов в стехиометрических зонах горения приводит к образованию продуктов неполного сгорания топлива в виде оксида углерода и др. Впрыск пара может существенно увеличить мощность установки вследствие увеличения массового расхода рабочего тела, хотя при этом возможно снижение экономичности ГТУ [25,26].

На рис. 6.11-6.17 показано влияние впрыска водяного пара на характеристики ГТУ-25. Впрыск водяного пара обычно не превышает 5 % от общего объема воздуха, сжимаемого компрессором. На рис. 6.11-6.16 приведены графические зависимости КПД турбин среднего давления (ТСД), низкого давления (ТНД), свободной силовой турбины (СТ), эффективного КПД ГТУ, коэффициента полезной работы ГТУ, электрической мощности и мощности СТ от расхода впрыскиваемого в КС водяного пара.

Влияние впрыскиваемого в КС водяного пара на КПД ТСД

Рис. 6.11. Влияние впрыскиваемого в КС водяного пара на КПД ТСД

Влияние впрыскиваемого в КС водяного пара на КПД ТНД

Рис. 6.12. Влияние впрыскиваемого в КС водяного пара на КПД ТНД

Влияние впрыскиваемого в КС водяного пара на КПД СТ

Рис. 6.13. Влияние впрыскиваемого в КС водяного пара на КПД СТ

Влияние впрыскиваемого в КС водяного пара на эффективный КПД ГТУ

Рис. 6.14. Влияние впрыскиваемого в КС водяного пара на эффективный КПД ГТУ

Влияние впрыскиваемого в КС водяного пара на коэффициент полезной работы ГТУ

Рис. 6.15. Влияние впрыскиваемого в КС водяного пара на коэффициент полезной работы ГТУ

Влияние впрыскиваемого в КС водяного пара на электрическую мощность ГТУ и мощность СТ

Рис. 6.16. Влияние впрыскиваемого в КС водяного пара на электрическую мощность ГТУ и мощность СТ

На рис. 6.17 приведена зависимость удельного расхода топлива от количества впрыскиваемого пара. Расход водяного пара, подаваемого в КС, представлен в процентах от расхода воздуха, поступающего в КС. Анализируя рис. 6.11-6.17, следует отметить следующее: -с увеличением расхода впрыскиваемого в КС ГТУ водяного пара КПД ТСД возрастает;

  • - КПД ТНД в малой степени зависит от Gnapa;
  • - КПД СТ при увеличении расхода пара уменьшается;
  • - эффективный КПД ГТУ в целом возрастает, а при относительном расходе водяного пара Gnapa = 1 % он несколько уменьшается;
  • -коэффициент полезной работы установки при Gnapa>l % увеличивается значительно;
  • -применение впрыска пара в КС обусловливает понижение удельных расходов топлива на выработку электрической энергии.
Зависимость удельного расхода топлива от расхода, впрыскиваемого в КС водяного пара

Рис. 6.17. Зависимость удельного расхода топлива от расхода, впрыскиваемого в КС водяного пара

Г азотурбинные установки, в которые впрыскивается вода или водяной пар, должны быть рассчитаны на некоторое увеличение эффективного сечения проточной части ГТ. Кроме того, превышение допустимого уровня впрыска может уменьшить запас устойчивости компрессора по помпажу. Одно из отличий энергетических ГТУ с впрыском воды или водяного пара в КС от обычных ГТУ состоит в существенном изменении соотношения рабочих тел, проходящих через компрессор и ГТ, что приводит к необходимости соответствую- щего увеличения площади проходных сечений проточной части ГТ. Альтернативное решение - это увеличение скорости рабочего тела в проточной части ГТУ и уменьшение КПД.

При эксплуатации ГТУ на жидком топливе целесообразно использовать впрыскиваемый водяной пар в качестве распыляющего агента, что позволяет улучшить качество распыления топлива, способствует понижению содержания в отработавших газах оксидов азота, а также уменьшает дымление.

Однако наряду со снижением эмиссии N0* ввод в зону горения воды или водяного пара дает ряд негативных эффектов, заметно влияющих на другие характеристики КС. Это касается, прежде всего, интенсивности и полноты выгорания топлива, что связано в основном со снижением температуры в факеле.

Концентрация продуктов недожога углеводородов, прежде всего СО, в уходящих газах возрастает. Подача в КС воды или водяного пара влияет и на устойчивость процесса горения. Вероятность вибрационного горения при этом увеличивается, а диапазон режимов устойчивой работы КС существенно снижается.

Вероятность вибрационного горения при впрыске водяного пара или воды особенно сильна при работе КС на природном газе. Колебания динамического давления (пульсации) происходят во всех КС с диффузионным пламенем и генерируются процессом горения. Эти колебания могут взаимодействовать с акустическими колебаниями в КС и усиливаться, вызывая ускорение износа конструкции или преждевременное ее разрушение. Впрыск воды обычно вызывает более сильные колебания динамического давления, чем впрыск пара. При поступлении в КС пар лучше перемешан с воздухом, чем вода, и вследствие этого слабее гасит пламя в циркулирующем потоке. Поэтому при впрыске в КС воды или водяного пара ограничивают как массовый расход воды от пара, так и пределы колебаний динамического давления.

Если рассматривать в целом реализацию впрыска воды или пара в ГТУ, то следует отметить существенное возрастание трудозатрат при строительстве и эксплуатации системы. Это объясняется тем, что кроме усложнения конструкции самой ГТУ возникает потребность в дорогостоящих очистных сооружениях, так как впрыскиваемая вода должна быть очищена от примесей.

Анализ термодинамического расчета ГТУ-25 на базе авиационного двигателя НК-37 с использованием конкретных характеристик всех его узлов показывает, что при применении впрыска водяного пара в камеру сгорания ГТУ эффективность работы установки повышается. При впрыске водяного пара в камеру сгорания НК-37 в количестве 4 % от объема воздуха, подаваемого в камеру сгорания, электрическая мощность ГТУ возрастает с 30,2 до 35,2 МВт (на 5 МВт), а эффективный КПД повышается с 0,343 до 0,363 (на 2 %). При этом удельный расход газообразного топлива снижается с 222,8 до 191,2 г/(кВт-ч) (на 31,6 г/(кВгч)).

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >