Когенераційні газотурбінні установки з турбокомпресорним утилізатором для локальних об'єктів енергоспоживання

У дисертаційній роботі розроблені методики й проведені дослідження характеристик когенераційних приводних ГТУ з ТКУ і ГТУ з ТКУ і регенерацією теплоти на часткових гвинтових навантаженнях, характерних для роботи ГТУ в судновому пропульсивному комплексі або в складі газоперекачувальних агрегатів, на компресорних станціях магістральних газопроводів. Тут встановлено, що на гвинтових навантаженнях зі схем 2СН + БТКУ і 2СН + ВТКУ ефективніше працює схема 2СН + БТКУ. Серед схем ГТУ з регенерацією теплоти - це схеми 1СН + БТКУ/Р и 1СН + ВТКУ/Р, вищий ефективний і теплотехнічний ККД має схема 1СН + ВТКУ/Р.

Експлуатаційна надійність в частині теплового стану вузлів двигуна в ГТД з ТКУ забезпечується на всіх режимах, тому що початкові температури газу в двигуні не перевищують номінальних значень. Залежно від схеми ГТД з ТКУ дотискаючий компресор у ТКУ працює в різних умовах. У схемах з ВТКУ робочі лінії на характеристиці ДК знаходяться в безпечній області. Для ДК у схемах з БТКУ можливі випадки роботи ДК у нестійкій зоні (помпажа), але за рахунок регулювання ВНА або направляючих лопаток ступенів можна забезпечити безпечні умови роботи ДК.

У п'ятому розділі подані результати проведення експериментальної перевірки з підтвердження теоретичних розробок, визначення основних експлуатаційних характеристик елементів ТКУ і когенераційної установки в цілому на стаціонарних і динамічних режимах роботи.

У роботі вдалося застосувати метод дослідження, заснований на отриманні прямих вимірів на реально діючій енергетичній установці. На рис. 20 подана схема експериментальної установки для дослідження ГТД з ТКУ, що складається з двох основних блоків: газотурбогенератора (ГТГ) АИ-8 виробництва АТ “Мотор Сiч”, м. Запоріжжя, турбокомпресорного утилізатора.

ТКУ виконаний на базі турбонагнітача типу РДН-50, застосовуваного для турбонаддування дизеля, що розрахований на ступінь підвищення тиску _дк = 1,6, турбіна якого була дороблена для роботи в режимі перерозширення газу. Газ між ТП і ДК охолоджувався в двох теплообмінниках типу ОВВМ-25-1 із трубчасто-ребристою поверхнею теплообміну з загальною площею по газу 25 м³, через трубки якої прокачується вода.

Диференціація одержання експериментальних даних на установці отримана за рахунок препарування проточної частини як основного ГТД, так і надбудови - ТКУ. Аналіз отриманих результатів виконувався також методом співставлення з даними іспитів на всіх режимах ГТД простого циклу, що були зроблені перед підключенням ТКУ до ГТД.

Для забезпечення статичних і динамічних режимів іспиту установка оснащена системою плавного навантаження генератора від 0 до 30 кВт, що також забезпечує відключення і вмикання навантаження при іспиті ГТД у режимі “скид-накид”. Теплова потужність ТКУ - 600 кВт.

Експериментальна ГТУ з ТКУ оснащена системою виміру, що забезпечує виміри параметрів робочого тіла в характерних перетинах проточної частини ГТД і ТКУ, витрати палива, потужності генератора і частоти обертання роторів турбін. Реєстрація параметрів на стаціонарних режимах дозволила провести дослідження характеристик установки на часткових навантаженнях і номінальній потужності з задовольнянням вимог ГОСТ 20440-74 “Установки газотурбинные. Методы испытаний”. Паралельно до приладів для виміру стаціонарних процесів підключені датчики і перетворювачі для дослідження динамічних процесів у ГТУ (запуску, перехідних режимів, зупинки двигуна).

За конструктивним виконанням, отриманим технічним і експлуатаційним характеристикам, установка може також класифікуватися, як дослідний зразок когенераційного газотурбогенератора з ТКУ.

Під час іспитів, насамперед, визначалася інтегральна характеристика економічності ГТД з ТКУ - годинна витрата палива В_ч [кг/год] залежно від ефективної потужності N_е. На рис. 21 подані параметри і характеристики ГТГ АИ-8 з ТКУ в залежності від.

Годинна витрата палива В_ч у ГТУ з ТКУ на всіх режимах при однаковій потужності менше, ніж у ГТД простого циклу, навіть на холостому ходу. На рис. 22 наводяться параметри ГТГ АИ-8 з ТКУ в залежності від витрати палива В_ч на установку. Спостерігається стабільне значення теплотехнічного ККД _тт на всіх режимах установки за наявності вільного ТКУ. При прямоточній конструкції ГТУ з ТКУ підтверджується висока ефективність застосування ТКУ на малорозмірних ГТД з невеликим ступенем підвищення тиску _к у компресорі двигуна. Дані, отримані в розділі 2, показували, що потужність ГТД з ТП при малих _к може зростати в 1,3…1,8 рази.

Динамічні іспити включали процес запуску установки з ТКУ, що складалися із запуску основного двигуна і розгону і запуску ТКУ, якщо він не пов'язаний кінематично із силовою турбіною. Поняття запуск ТКУ є правомірним, тому що ТКУ є додатковим двигуном, що працює на енергії вихлопних газів основного двигуна.

Протікання перехідних процесів при запуску АИ-8 з ТКУ і зміна параметрів, що характеризують пускові характеристики двигуна і ТКУ, зображені на осцилограмі рис. 23.

Насамперед, був установлений факт достатності потужності пускового двигуна для запуску газотурбогенератора разом з ТКУ. Наявність ТКУ вплинула на характер протікання перехідних процесів у двигуні АИ-8 з ТКУ. Процес запуску в ГТД з ТКУ триваліший у зв'язку з наявністю інерційного елемента - ротора ТКУ, турбіна якого знаходиться наприкінці процесу розширення газу, де спостерігається найменший надлишковий момент при запуску ТКУ. Зменшився пік максимальної подачі за витратою палива. Все це дозволило при запуску зменшити закид обертів силової турбіни, а також стримати зростання пікового значення температури газу перед турбіною компресора. Тут n₂ - оберти силової турбіни (генератора), n₃ - частота обертання ротора ТКУ.

Визначення характеристик ГТД на перехідних режимах проводилося за допомогою визначення реакції установки на типові збурення. З типових збурень був обраний найбільш жорсткий варіант - це скид і накид навантаження від 0 до 100%. На осцилограмі (рис. 24) показані перехідні процеси при накиді навантаження від 0 до 100%, при цьому спостерігається падіння обертів силової турбіни на 800 хв^-1 (для АИ-8 допускається 2000 хв^-1 при 26000 хв^-1 номінальних). Взаємодія ГТГ АИ-8 з ТКУ із зовнішнім споживачем електроенергії в якісному відношенні відбувається таким же способом, як і в ГТУ без ТКУ. Однак період відновлення сталої витрати палива на 100%-ому навантаженні більше, ніж у схемі без ТКУ, тому що за 8...10 секунд відбувається набір обертів ДК до номінального значення, температура газу за силовою турбіною під час розгону ротора ТКУ перевищує номінальну на 15...20 К, що припустимо. Необхідно відзначити, що максимальна температура газу за силовою турбіною при розгоні ДК на 100 К нижче, ніж при запуску ГТГ АИ-8 без ТКУ.

У шостому розділі подані розробки когенераційних ГТУ з ТКУ, виконаних під науковим керівництвом автора спільно з фахівцями головних вітчизняних КБ газотурбобудування, і застосування їх на ряді об'єктів, а також аналіз експлуатаційних і екологічних характеристик, економічні аспекти впровадження ГТУ з ТКУ.

Теоретичні й експериментальні дослідження ГТД з ТКУ дозволили виконати проектні роботи з розробки техпропозицій щодо створення когенераційних енергетичних ГТУ для малої енергетики потужністю до 4 МВт і для електростанцій середньої потужності від 6 до 25 МВт, а також виконати проекти з модернізації енергетичних установок засобів розробки морського шельфу і морського транспорту.

Так разом із ЗМКБ “Прогрес” розроблена технічна пропозиція на створення енергетичної ГТУ з ТКУ на базі двигуна АИ-336-10 (див. рис. 25).

Вибір конструктивної схеми здійснювався з урахуванням уніфікації елементів ГТД, використання (без редуктора) у складі газоперекачувального агрегату. Особливістю розробки є те, що для збільшення потужності ГТУ до 16 МВт застосований проміжний підігрів (ПП) газу перед силовою турбіною. Якщо у звичайному ГТД при цьому різко падає ККД, то в ГТД з ТКУ і ПП зростає як потужність, так і ефективний ККД.

Параметри розроблених ГТУ з ТКУ подані в табл. 2.

Таблиця 2. Параметри когенераційних ГТУ з ТКУ, розроблених на базі газогенератора двигуна АИ-336-10

У розділі проаналізовані основні експлуатаційні характеристики ГТУ з ТКУ. Встановлено, газогенератори базових двигунів працюють при параметрах, які регламентуються постачальниками, що забезпечує одержання в процесі експлуатації показників надійності і загального ресурсу роботи. Що стосується нового агрегату ТКУ, то в разі застосування вільного ТКУ, ДК працює стійко (без помпажа) на всіх режимах. У схемі з блокованим ТКУ можливі випадки роботи ДК у нестійкій зоні, але за рахунок зміни характеристики компресора або видаткових характеристик забезпечуються безпечні умови роботи ДК. У роботі показано, що за допомогою зміни характеристики ДК (завдяки направляючим лопаткам) на часткових електричних навантаженнях можливо одержання стабільної теплової потужності, тобто задовольнити вимоги споживачів енергії.

Здійснений також тепловологісний аналіз умов роботи охолоджувача газу в складі ТКУ, тому що в ньому здійснюється глибока утилізація теплоти з охолодженням газу до температури 323 К. З огляду на зменшення парціального тиску пари агресивних складових після турбіни перерозширення, вдалося уникнути інтенсивної низькотемпературної корозії на кінцевих поверхнях теплообміну.

У роботі виконано оцінку екологічних характеристик когенераційних ГТУ з ТКУ. Аналізу на екологічну ефективність були піддані когенераційні ГТУ з ТКУ, виконані на базі ГТД ДБ90 (НВП “Машпроект”) і ГТД АИ-336-10 (ЗМКБ “Прогрес”), що наведені в табл. 3 для номінальних режимів роботи.

Таблиця 3. Екологічні характеристики ГТУ з ТКУ

При однаковій емісії шкідливих речовин (ШР) у 1 нм³ газу когенераційна ГТУ виробляє сумарно більше енергії, ніж звичайна ГТУ, тому при виробітку однієї кВт·год енергії в когенераційної ГТУ викиди ШР значно нижчі. У звичайному ГТД на часткових навантаженнях спостерігається зростання питомого викиду за NO_x зі зниженням навантаження, також зростає питомий викид за СО і, особливо, після = 0,6. У ГТУ з ТКУ питомі викиди за NO_x на всіх режимах роботи установки практично постійні й у середньому в 2,5 рази менше, ніж у звичайної ГТУ. Причому ефект мало залежить від схеми ГТУ: з вільним або блокованим ТКУ.

Локальними енергоспоживачами можуть виступати транспортні засоби, що оснащені потужними енергоустановками, які виробляють механічну, теплову, а також електричну енергію. Так нафтоналивне судно (танкер) водотоннажністю 60 тис. тонн повинен мати головний двигун (ГД) потужністю 10 МВт, а для задовольняння загальносуднових і технологічних споживачів теплоти необхідні потужності у 9 МВт. У даному разі найбільш прийнятною виявилася розробка ГТД з ТКУ і регенерацією теплоти на базі двигунів і елементів ГТД, розроблених НВП “Машпроект”. У табл. 4 наведені дані характеристик ГТД.

Таблиця 4. Порівняльні дані основних параметрів ГТД простого циклу, з регенерацією теплоти і з ТКУ і регенерацією теплоти

Застосовуючи ступінь регенерації що реально досяжна і дорівнює 0,85, у ГТУ з ТКУ і Р досягається ККД рівний 45%, і теплотехнічний (загальний) до 80%. Тому такий тип ГД ЦКБ “Чорноморсуднопроект”, м. Миколаїв застосувало при модернізації суднової енергоустановки танкера проекту 17012, що будується зараз на Чорноморському суднобудівному заводі.

Відповідно до техніко-економічного обґрунтування при заміні ГД потужністю 10,4 МВт марки 6ДКРН 60/229-12 (виробник - Росія) на ГТД з ТКУ і Р потужністю 10 МВт і тепловою -

9,2 МВт (у змозі виробити Україна) загальний економічний ефект складається від зменшення інвестиційних витрат на 1334 тис. USD, а також експлуатаційних витрат, що за 7 років експлуатації судна менше на 1417 тис. USD.

Для малої енергетика когенераційна ГТУ потужністю 3,7 МВт, що може бути створена на базі ГТД GT 3200, має також теплову потужність у 4,5 МВт і, відповідно до техніко-економічного обґрунтування, така установка принесе прибуток у розмірі 717 тис. USD на рік. При цьому питомі капітальні вкладення в розрахунку на один кВт, встановлений у перерахуванні на сумарну потужність (електричну і теплову) ГТУ, складуть 204 USD/кВт.

Висновки

1. Виконаний у дисертації комплекс теоретичних і експериментальних досліджень, а також науково-технічних розробок дозволив запропонувати і науково обґрунтувати новий напрямок створення ефективних когенераційних ГТУ за допомогою глибокої утилізації теплоти з використанням турбокомпресорних утилізаторів.

2. Розроблено метод термодинамічного аналізу ефективності циклів високотемпературних ГТД із застосуванням турбіни перерозширення. Вперше отримані теоретичні дані щодо дослідження характеристик циклів ГТД з турбіною перерозширення з одержанням оптимальних параметрів циклів при карнотизації циклів Брайтона і циклів з регенерацією теплоти.

3. Результати дослідження характеристик циклів ГТД з турбіною перерозширення показали позитивний ефект застосування нетрадиційного напрямку ускладнення циклу Брайтона шляхом перерозширення газу в силовій турбіні, при цьому ефективний ККД двигуна зростає в 1,1-1,3 рази, а в ГТД з малими ступенями підвищення тиску в компресорі - 1,3...1,6 рази.

4. Дослідження циклів ГТД з турбіною перерозширення показали також високу ефективність застосування регенерації теплоти газів за турбіною перерозширення для підігріву стиснутого повітря перед камерою згоряння. Так у ГТД з ТП і регенерацією теплоти збільшення ефективного ККД відносно циклу ГТД з простою регенерацією складає 10-12% відносних, а стосовно циклу Брайтона - 25% відносних.

5. Встановлено, що оптимальні параметри циклів ГТД з турбіною перерозширення мають значення близькі або співпадаючі зі значеннями для циклу Брайтона, або циклу з простою регенерацією теплоти, тому ГТД з турбіною перерозширення можуть бути створені на базі високотемпературних ГТД, що випускаються промисловістю для кораблебудування й авіації.

6. Розроблено метод визначення й аналізу теплотехнічних характеристик ГТД з турбокомпресорним утилізатором при роботі установки в когенераційному режимі. Вперше отримані комплексні дані досліджень теплотехнічних характеристик ГТУ з турбокомпресорним утилізатором з одержанням оптимальних параметрів ускладнених циклів.

7. Результати досліджень теплотехнічних характеристик когенераційних ГТУ з турбокомпресорним утилізатором показали, що при виконанні охолоджувачем газу в ТКУ функції теплогенератора відбувається комплексна утилізація теплоти вихлопних газів, при якій ступінь використання наявної теплоти палива досягає 75-85%.

8. Вперше розроблені методи і математичне забезпечення для розрахунку характеристик ГТД з ТП і когенераційної ГТУ з ТКУ на змінних режимах. Отримано комплексні дані щодо дослідження теплотехнічних характеристик різних теплових схем когенераційних ГТУ і визначені галузі найефективнішого їх застосування виходячи з конкретних вимог локального споживача енергії.

9. Аналіз характеристик енергетичних ГТД з блокованою силовою турбіною і ТКУ, а також ГТД з вільною силовою турбіною і ТКУ показали, що енергетичні ГТД з ТКУ на часткових навантаженнях мають ефективний ККД вищий, ніж ГТД простого циклу. За теплотехнічними характеристиками енергетичні ГТД з ТКУ зберігають високу теплову ефективність на всіх режимах роботи.

10. Приводні ГТД з ТКУ досліджувалися при характерній для суднових пропульсивних і газоперекачувальних агрегатів гвинтовому навантаженню. ГТД з ТКУ на гвинтових навантаженнях працюють ефективніше, ніж прості ГТД.

11. Розроблений і створений дослідний газотурбогенератор на базі двигуна АИ-8 виробництва АТ “Мотор Сiч”, м. Запоріжжя і турбокомпресорного утилізатора. Дослідний когенераційний турбогенератор був оснащений системою виміру і реєстрації параметрів у реальному масштабі часу, що дозволила досліджувати процеси в установці, як на статичних, так і на динамічних режимах навантаження. Аналогів створеної дослідної когенераційної ГТУ у світі немає.

12. Експериментальні дослідження на дослідному газотурбогенераторі підтвердили достовірність виконаних теоретичних досліджень циклів ГТД з ТКУ. Іспити дослідної ГТУ показали економічну роботу газотурбогенератора АИ-8 з ТКУ не тільки на номінальному навантаженні, але і частковому навантаженні, що дуже важливо для джерела енергії, який обслуговує локального енергоспоживача, що може значний час або циклічно працювати на малому електричному навантаженні.

13. Динамічні іспити ГТУ з ТКУ встановили факт впливу ТКУ на характер протікання перехідних процесів у ГТД. Процес запуску ГТУ з ТКУ більш тривалий через наявність у ГТУ інерційного елемента - ротора ТКУ, на розкручування якого потрібен певний час. На перехідних режимах ГТУ з ТКУ при типових збуреннях зменшився закид і провал обертів силової турбіни при попередній величині перевищення значення температури газу перед турбіною компресора двигуна.

14. Спільна робота ГТД з ТКУ не впливає на якісні характеристики процесу горіння палива в камері згоряння вихідного двигуна. При однаковій емісії шкідливих речовин в однім нм³ газу когенераційна ГТУ виробляє сумарно більше енергії, ніж звичайна енергетична ГТУ, тому при виробітку однієї кВт·год енергії в когенераційній ГТУ питомі викиди шкідливих речовин у середньому в 2,5 рази нижче, ніж у звичайному ГТД.

15. Проектні розробки показали, що для створення когенераційних ГТУ потужністю до 4 МВт у якості базових двигунів застосовні ГТД АИ-24 АТ “Мотор Сiч”, GT 2500 АТ “Енергія” і GT 3200 НВП “Машпроект”. Для об'єктів, що споживають середні потужності, доцільно застосовувати когенераційні установки потужністю від 6 до 25 МВт, виконані на базі корабельних і авіаційних ГТД, що у складі когенераційних ГТУ з ТКУ можуть бути використані практично без переробок.

16. Практичне значення дисертаційної роботи полягає в доведенні результатів теоретичних і експериментальних досліджень до конкретних методів і методик розрахунків, що дозволили розробити проекти когенераційних ГТУ з ТКУ потужністю 10 і 16 МВт ЗМКБ “Прогрес” на базі ГТД типу АИ-336-10, для малої енергетики когенераційну ГТУ потужністю 4 МВт з регенерацією теплоти на базі ГТД GT 3200 НВП “Машпроект”, що підтверджує реальність створення високоефективних електротеплогенеруючих установок промисловістю України.

17. Когенераційні ГТУ є перспективними для засобів розробки морського шельфу, трубопровідного і морського транспорту. Проекти модернізації енергоустановок морської бурової платформи, ЦКБ “Корал”, м. Севастополь, танкера дедвейтом 40 тис. тонн ЦКБ “Чорноморсуднопроект”, м. Миколаїв, показали наявність економічного ефекту при експлуатації енергоустановок при застосуванні когенераційних ГТУ і можливість відмови від експортних поставок складної і наукомісткої продукції енергетичного машинобудування.

18. По Україні з 50 тис. МВт установленої потужності на електростанціях приблизно 30 тис. МВт складають електричні потужності ТЕС. Так при заміні третини потужностей теплових електростанцій на установки когенераційного типу, прибуток виробника енергії на рік складе 1,43 млрд. USD, а бюджет із них одержить 430 тис. USD на рік.

Основні положення дисертаційної роботи опубліковані в наукових спеціалізованих виданнях

1. Матвеенко В.Т. Сравнение эффективности судовых комбинированных газотурбинных установок // Судовые энергетические установки: Сб. научн. трудов НКИ. - Николаев, 1990. - С. 48-55.

2. Матвеенко В.Т. Исследование циклов и схем судовых комбинированных газотурбинных двигателей с вакуум-компрессором // Исследования и испытания судов и энергетических установок: Сб. трудов НТО им. акад. А.Н. Крылова. - Севастополь, 1996. - С. 48-56.

3. Матвеенко В.Т. Термодинамические процессы и характеристики цикла высокотемпературного газотурбинного двигателя с турбиной перерасширения // Энергетика... (Изв. высших учеб. заведений и энерг. объединений СНГ). - № 1-2. - С. 38-41.

4. Матвеенко В.Т. Результаты исследования теплотехнических характеристик ГТД с турбокомпрессорным утилизатором // Энергетика... (Изв. высших учеб. заведений и энерг. объединений СНГ). - 1997. - № 11-12. - С. 48-51.

5. Матвеенко В.Т. Глубокая утилизация теплоты в газотурбинных двигателях с турбиной перерасширения // Пром. теплотехника. - 1997. - Т. 19. - № 4-5. - С. 81-85.

6. Матвеенко В.Т. Определение характеристик циклов судовых газотурбинных двигателей с турбиной перерасширения // Вестник СевГТУ: Сб. научн. трудов. - Севастополь, 1997. - Вып. 6. - С. 98-111.

7. Матвеенко В.Т., Киркин И.А. Результаты исследования характеристик циклов судовых газотурбинных двигателей с турбиной перерасширения // Вестник СевГТУ: Сб. научн. трудов. - Севастополь, 1997. - Вып. 6. - С. 101-104.

8. Матвеенко В.Т. Энергосбережение при генерировании энергии газотурбинными установками // Вісник ДУ “Львівська політехніка”: Проблеми економії енергії. - Львів, 1998. - С. 13-15.

9. Матвеенко В.Т. Приводные газотурбинные установки с турбокомпрессорным утилизатором // Авиационно-космическая техника и технология: Сб. науч. трудов. - Харьков: Гос. аэрокосмический ун-т “ХАИ”, 1998. - Вып. 5. - С. 42-46.

10. Матвеенко В.Т. Термодинамические процессы и характеристики циклов судовых ГТД с турбиной перерасширения и регенерацией теплоты // Вестник СевГТУ: Сб. научн. трудов. - Севастополь, 1998 - Вып. 15. - С. 100-102.

11. Матвеенко В.Т., Киркин И.А. Результаты исследования характеристик циклов судовых ГТД с турбиной перерасширения и регенерацией теплоты // Вестник СевГТУ: Сб. научн. трудов. - Севастополь, 1998. - Вып. 15. - С. 103-105.

12. Матвеенко В.Т. Газотурбинные двигатели с турбокомпрессорным утилизатором для морских добывающих и транспортных средств // Труды ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова. Вторая Международная конференция по судостроению. - ISC'98. - Санкт-Петербург. - Том 1. - 1998. - С. 141-144.

13. Матвеенко В.Т. Корабельные газотурбинные двигатели с турбиной перерасширения // Проблемні питання будівництва ВМС, розвитку озброєння та військової техніки: Збірник наукових праць. - Севастополь, 1998. - Вип. 3. - С. 612-617.

14. Матвеенко В.Т. Результаты экспериментальных исследований характеристик ГТД с турбиной перерасширения // Авиационно-космическая техника и технология: Сб. науч. трудов. - Харьков: Гос. Аэрокосмический ун-т “ХАИ”. - 1999. - Вып. 9. - С. 481-484.

15. Матвеенко В.Т. Результаты испытаний опытного когенерационного газотурбогенератора с турбокомпрессорным утилизатором // Вісник ДУ “Львівська політехніка”. Проблеми економії енергії. - Львів, 1999.- Вип. 2 - С. 22-25.

16. Матвеенко В.Т., Слободянюк Л.И. Характеристики энергетического ГТД с турбокомпрессорным утилизатором на частичных нагрузках // Пром. теплотехника. - 1999.- Т. 21. - № 4-5. - С. 102-106.

17. Матвеенко В.Т. Работа ГТД с турбокомпрессорным утилизатором и регенерацией теплоты на частичных нагрузках в судовом пропульсивном комплексе // Збірник наукових праць УД МТУ. - Миколаїв: 1999. - № 2(362) - С. 60-68.

18. Матвеенко В.Т. Оптимизация схем приводных газотурбинных двигателей с турбиной перерасширения при управлении мощностью //Оптимизация производственных процессов: Сб. науч. трудов. - Севастопольский гос. тех. ун-т. - Севастополь, 1999. - № 2. - С. 65-67.

19. Матвеенко В.Т. Экспериментальный стенд для исследования характеристик ГТД с турбиной перерасширения // Вестник СевГТУ: Сб. науч. трудов. - Севастополь, 2000. - Вып. 23. - С. 136-139.

20. Матвеенко В.Т. Теплотехнические характеристики ГТД с турбокомпрессорным утилизатором и регенерацией теплоты // Збірник наукових праць УДМТУ. - Миколаїв, 1999. - Вип. 5 (365). - С. 54-59.

21. Матвеенко В.Т., Слободянюк Л.И., Очеретяный В.А. Методика расчета энергетического ГТД с турбиной перерасширения на переменных режимах // Энергетика... (Изв. высших учеб. заведений и энерг. объединений СНГ). - 1999. - № 6. - С. 51-56.

22. Свидетельство № 8414. Россия. МПК 6 F02С 3/073. Газотурбинный двигатель / В.Т. Матвеенко (Украина). - Опубл. 16.11.98, Бюл. № 11.

23. Пат. № 76 Украина, МПК 6 F02С 3/073. Газотурбинный двигатель / В.Т. Матвеенко (Украина). - Опубл. 31.10.1997, Бюл. № 5.

24. Пат. № 398 Украина, МПК 6 F02С 3/073. Газотурбинный двигатель / В.Т. Матвеенко (Украина). - Опубл. 11.10.1999, Бюл. № 6.

Анотація

Матвієнко В.Т. Когенераційні газотурбінні установки з турбокомпресорним утилізатором для локальних об'єктів енергоспоживання. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.14.14 - теплові та ядерні енергоустановки. - Інститут технічної теплофізики НАН України, Київ, 2000.

Дисертація присвячена развязанню актуальної науково-технічної проблеми підвищення ефективності когенераційних газотурбінних установок (ГТУ) за допомогою глибокої утилізації теплоти з використанням турбокомпресорних утилізаторів (ТКУ) на базі високотемпературних газотурбінних двигунів для локальних об'єктів енергоспоживання.

Запропоновано ряд нових методів, математичне і програмне забезпечення для дослідження теплотехнічних характеристик ГТУ з ТКУ, а також проведений комплекс експериментальних досліджень на дослідному газотурбогенераторі з ТКУ, що показали високу теплову та екологічну ефективність ГТУ з ТКУ на всіх режимах роботи. Результати роботи знайшли застосування в створенні дослідної когенераційної установки з ТКУ і розробці проектів енергетичних і приводних ГТУ з ТКУ на базі двигунів, що випускаються промисловістю України.

Ключове слово: когенерація, газотурбінна установка, турбокомпресорний утилізатор, утилізація теплоти.

Summary

Matveenko V.Т. Cogenerative gas turbine plants cogenerative with turbo-compressor utilizer for local objects the energy of consumption. - Manuscript.

Dissertation for obtaining scientific degree of Doctor of Technical Sciences on specialty 05.14.14 - thermal and nuclear power plants. - Institute of Engineering Thermophisics NAS of Ukraine, Kiev, 2000.

The dissertation is devoted to solution of an urgent scientific and technical problem which is consistent with efficiency increase of the gas-turbine plants (GTP) cogeneration by means of profound utilization of heat energy. Such an utilization is provided by the turbo-compressor utilizers (TCU) included to the whole high-temperature gas-turbine engines used by local objects of the energy consumption.

Several new methods, mathematical and program software for conducting research with thermal characteristics of GTP and TCU have been profosed. A complex of experiments with the GTP and TCU has been conducted. These experiments have proved high thermal and ecological efficiency of GTP with TCU of all modes of operation. The results of this dissertation have been used for design of new GTP-TCU cogeneration. They have also been used for new projects of GTP with TCU applied for both transportation and energy production purposes, and which is produced by the Ukrainian industry.

Key words: cogeneration, gas turbine plant, turbo-compressor utilizer, utilisation of heat.

Аннотация

Матвеенко В.Т. Когенерационные газотурбинные установки с турбокомпрессорным утилизатором для локальных объектов энергопотребления. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.14.14 - тепловые и ядерные энергоустановки. - Институт технической теплофизики НАН Украины, Киев, 2000.

Диссертация посвящена решению актуальной научно-технической проблемы повышения эффективности когенерационных газотурбинных установок (ГТУ) посредством глубокой утилизации теплоты с использованием турбокомпрессорных утилизаторов (ТКУ), на базе высокотемпературных газотурбинных двигателей (ГТД) для локальных объектов энергопотребления.

Предложен метод термодинамического анализа эффективности циклов ГТД с применением турбины перерасширения, а также теплотехнических характеристик ГТД с ТКУ при работе установки в когенерационном режиме. Результаты исследования характеристик циклов ГТД с ТКУ показали положительный эффект применения нетрадиционного направления усложнения циклов, при этом эффективный КПД двигателя растет в 1,1-1,3 раза. При выполнении ТКУ также функции теплогенератора происходит комплексная утилизация теплоты выхлопных газов, при которой уровень использования располагаемой теплоты топлива достигает 75-85%.

Разработаны методы и математическое обеспечение для расчета характеристик различных тепловых схем когенерационных ГТУ с ТКУ при переменных режимах и определены области наиболее эффективного их применения исходя из конкретных требования локального потребителя энергии. Анализ характеристик энергетических и приводных когенерационных ГТУ с ТКУ показал, что на номинальных и частичных нагрузках ГТУ с ТКУ работают более эффективно, чем ГТД простого цикла. По экологическим характеристикам энергетические ГТУ с ТКУ обеспечивают уровень удельных значений вредных выбросов на всех режимах работы в 2,5 раза меньше, чем в обычном ГТД.

Представлены результаты экспериментальных исследований на опытной ГТУ с ТКУ, которые подтвердили достоверность выполненных теоретических исследований циклов ГТУ с ТКУ. На опытном газотурбогенераторе АИ-8 с ТКУ проведены динамические испытания ГТУ с ТКУ, которые показали устойчивую работу установки в процессе ее запуска и на переходных режимах посредством определения реакции установки на типовые возмущения.

Результаты работы нашли применение в создании опытной когенерационной ГТУ с ТКУ и разработке проектов энергетических и приводных ГТУ с ТКУ на базе двигателей, выпускаемых промышленностью Украины.

Ключевые слова: когенерация, газотурбинная установка, турбокомпрессорный утилизатор, утилизация теплоты.

Размещено на Allbest.ru