Когенерационная установка с газовой микротурбиной измененной очередности процессов

Размещено на http://www.allbest.ru/

КОГЕНЕРАЦИОННАЯ УСТАНОВКА С ГАЗОВОЙ МИКРОТУРБИНОЙ ИЗМЕНЕННОЙ ОЧЕРЕДНОСТИ ПРОЦЕССОВ

Липихин Евгений Геннадьевич

бакалавр,

Шевелев Денис Владимирович

канд. техн. наук

Московский государственный Технический Университет имени Н.Э. Баумана

Проведен анализ когенерационной установки малой мощности - микроТЭЦ, с газовой микротурбиной измененной очередности процессов, описан ее принцип действия и основные достоинства: горение при атмосферном давлении, отсутствие камеры сгорания и высокотемпературного газовоздушного теплообменного аппарата микротурбины. Так же рассмотрены конфигурации с одним и двумя газо-водяными теплообменниками в схеме. Для оценки показателей эффективности работы микроТЭЦ и определения оптимальных параметров цикла микротурбины был выполнен термодинамический расчет для обеих представленных схем, по результатам которого произведено их сравнение.

На основе выполненного расчета были сделаны выводы, что данная установка на базе водогрейного котла реализуема и вполне способна покрывать потребность в тепловой и электрической энергии при параметрах, которые характерны для серийных турбокомпрессоров ДВС, сделано заключение, что максимум электрической мощности достигается при степени расширения в турбине для обоих схем. При этом первая схема более простая и обладает лучшими массогабаритными показателями, тогда как микроТЭЦ, выполненная по второй схеме имеет выше тепловую мощность и обладает более высоким коэффициентом эффективности использования топлива.

Ключевые слова: микроТЭЦ, измененная очередность процессов, водогрейная система, газовая микротурбина, технология серийных турбокомпрессоров, эффективность цикла

THE COGENERATION SYSTEM WITH GAS MICROTURBINE OF THE REVERSED PROCESSES. Lipikhin Evgeny Gennadevich, Shevelev Denis Vladimirovich

The cogeneration system based with gas microturbine of the reversed processes is considered. A main principles of operation have been outlined and key advantages such as burning at atmospheric pressure, lack of combustion chamber and high temperature heat exchanger of the microturbine, were presented. Also configurations of the CHP system with only main water heat exchanger (MHE) and with supplementary heat exchanger (SHE) have been discussed. A thermodynamics calculations of both presented schemes was performed to evaluate the performance of micro CHP and determine the optimal microturbine cycle parameters with the prescribed fixed mass air flow and by variable expansion ratio.

Results of calculations showed that presented CHP system based on a water heating boiler could be workable. It can be able to cover the demands for heat and electricity at the typical parameters from the turbocharger original design. The dependence of the power and performance have been obtained. It shows that maximum of electricity power reached at the expansion ratio for both presented schemes. Thus the scheme with only MHE is simpler and cheaper, but the scheme with SHE has a higher thermal power.

Keywords: microCHP, reversed processes, water heating system, gas microturbine, original turbocharger design, cycle efficiency.

Обеспечение тепловой и электрической энергией малых жилых и производственных помещений является одной из важнейших задач энергетики. В настоящее время все больше потребителей стремится к независимости от сетей центрального энергоснабжения. Для решения этой задачи интенсивно разрабатываются различные типы систем [1]. Например, возможна замена стандартного водогрейного котла на когенерационную установку малой мощности (микроТЭЦ). В этом случае на первый план становится вопрос о типе первичного двигателя. Здесь могут вполне успешно применяться газовые микротурбины с полезной мощностью 3-10 кВт, использующие технологию серийных турбокомпрессоров (ТКР). Использование серийных технологий снижает затраты на производство, что делает турбомашины более конкурентоспособными по сравнению с другими типами двигателей.

Цель работы: анализ основных показателей эффективности работы газовой микротурбины обратной очередности термодинамических процессов, встроенной в систему водогрейного котла для совместной выработки тепловой и электрической энергии.

Схема когенерационной установки представлена на Рисунке 1а. В горелочном устройстве 1, размещенном в корпусе котла при атмосферном давлении происходит сжигание топлива, продукты сгорания направляются в энергетический модуль. В турбине 2, продукты сгорания совершают полезную работу при расширении до давления ниже атмосферного, и, затем, направляется в основной газо-водяной теплообменный аппарат котла 3 (ГВТА 1), где отдают часть своей тепловой энергии сетевой воде. После теплообменного аппарата продукты сгорания поступают в компрессор 4, в котором их давление повышается до уровня атмосферного, что необходимо для их выброса в окружающую среду. Переключение установки из когенерационного режима в тепловой и обратно происходит посредством перенаправления продуктов сгорания из горелочного устройства с помощью задвижек 5 и 6 соответственно. Выработка электроэнергии происходит с помощью электрогенератора 7.

Рисунок 1 - Схема микро-ТЭЦ с микротурбиной изменненной очередности процессов: 1 - горелочное устройство, 2 - турбина, 3 - главный газо-водяной теплообменник (ГВТА 1), 4 - компрессор, 5,6 - задвижки, 7 -электрогенератор, 8 - дополнительный газо-водяной теплообменник (ГВТА 2)

Представленная схема микроТЭЦ имеет следующие преимущества:

1) Горение топлива при атмосферном давлении позволяет использовать топливный газ напрямую из сетей газопотребления жилых домов [2].

2) Отсутствие собственной камеры сгорания микротурбины существенно упрощает и удешевляет конструкцию, так как создание малоразмерных камер сгорания с эффективным процессом горения достаточно затруднительно [3].

3) При сравнении со схемами когенерационных установок с высокотемпературными газовоздушными теплообменными аппаратами рассмотренными в [4,5], здесь не используются теплонапряженное теплообменное оборудование, а, следовательно, больше надежность и меньше цена.

МикроТЭЦ представленная по схеме 1 (Рисунок 1), имеет недостаток заключающийся в высокой температуре уходящих в дымовую трубу газов, поэтому предложен второй вариант схемы установки (Рисунок 1 б), где добавлен газо-водяной теплообменник 8 (ГВТА 2), установленный за компрессором. Такое решение позволяет поднять тепловую мощность когенерационной установки за счет утилизации тепла выхлопных газов.

Для проведения анализа предлагаемых схем микроТЭЦ использовался программный комплекс Gate Cycle [6].

В выполненных расчетах принимались: расход воздуха и температура газа на входе в турбину , адиабатный КПД турбины и компрессора: , , что характерно для серийных ТКР [7], потери полного давления в ГВТА 1 и ГВТА 2: , по газовому и водяному тракту соответственно. Топливо - природный газ, в качестве переменной задана степень расширения турбины в диапазоне , что рекомендуется газотурбинных двигателей с обратной очередностью процессов [8].

Нагрев сетевой воды в микроТЭЦ осуществляется от температуры до , при этом предполагается, что продукты сгорания охладятся на выходе из ГВТА 1 до температуры . Температура продуктов сгорания на выходе из ГВТА 2 принята , как стандартная температура уходящих газов для неконденсационных водогрейных котлов [9].

В результате расчета были получены зависимости электрической и тепловой мощности микроТЭЦ от степени понижения давления в турбине (Рисунок 2), эффективного КПД, определенного по формуле и удельной работы цикла от степени понижения давления в турбине (Рисунок 3). Расход топлива составил .

Рисунок 2 - Зависимость тепловой и электрической мощности микроТЭЦ от степени расширения в турбине для схем 1 и 2.

когенерационный газовая микротурбина теплообменник

Рисунок 3 - Зависимость эффективного КПД и удельной работы в цикле от степени расширения в турбине для схем 1 и 2

Схема 2 по сравнению со схемой 1 имеет на 4…14 % большую тепловую мощность, причем её тепловая мощность не зависит от степени повышения давления в цикле. Электрическая мощность обеих схем имеет максимум при =2,1…2,2. Электрическая мощность и КПД схемы 2 на 5% меньше, чем в схеме 1. Это объясняется наличием дополнительного сопротивления по ходу движения газов в ГВТА 2.

При температуре газа перед турбиной , эффективный КПД в рассматриваемом диапазоне мало зависит от степени расширения в турбине , поэтому рационально выбирать минимальной из возможных, это уменьшает частоту вращения ротора, что благоприятно скажется на ресурсе и надежности микротурбины.

Проведенный термодинамический анализ показал, что вариант использования газовой микротурбины с измененной очередностью процессов встроенной в водогрейный газовый котел вполне реализуем. Низкий эффективный КПД микротурбины компенсируется высокой тепловой эффективностью, так как для рассматриваемой установки первостепенной задачей является нагрев сетевой воды для нужд теплоснабжения.

Выбор между вариантом установки, построенной по схеме 1 или 2 будет определяться исходя из конкретных требований к проектируемой микроТЭЦ. Так у схемы 1, лучше массогабаритные показатели, проще конструкция и ниже цена, а у микроТЭЦ выполненной по схеме 2 будет более высокая тепловая мощность и коэффициент использования энергии топлива.

Список литературы

1. Small and micro combined heat and power (CHP) systems Advanced design, performance, materials and applications. Robert Beith. Woodhead Publishing limited, 2011, 528 с.

2. ГОСТ 54961-2012. Системы газораспределительные. Сети газопотребления. Общие требования к эксплуатации. Эксплуатационная документация. М.: Стандартинформ, 2013, 53 c.

3. R. Tuccillo, M. C. Cameretti, Comparing di?irent solutions for the micro-gas turbine combustor, in: Proceedings of ASME Turbo Expo, Viena, Austria, 2004.

4. Абросимов К.А., Тумашев Р.З. Когенерационная газотурбинная установка в составе малой модульной биогазовой станции // Молодежный научно-технический вестник, №5, 2014 г.

5. Липихин Е.Г., Шевелёв Д.В., Когенерационная установка с газовой микротурбиной на базе водогрейного котла // Наукоемкие технологии в приборо- и машиностроении и развитие инновационной деятельности в вузе: материалы региональной научно-технической конференции, 21-23 апреля 2015 г. Т. 1. - Калуга: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2015 с. 176-181.

6. GateCycle, General Electric, [Электронный ресурс]. - Режим доступа URL: https://getotalplant.com/GateCycle/docs/GateCycle/index.html

7. Григоров И.Н, Каминский В.Н, Каминский Р.В. и др. Влияние геометрии турбины ТКР на эффективный коэффициент полезного действия. Материалы 77-й Международной научно-технической конференции ААИ «Автомобиле- и тракторостроение в России: приоритеты развития и подготовка кадров». Книга 2. 2012 г., с. 73-78.

8. Тумашев Р.З., Моляков В.Д., Лаврентьев Ю.Л. Повышение эффективности компрессорных станций магистральных газопроводов. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. "Машиностроение", 2014. №1 с.68-79.

9. Водогрейные котлы серии RS-А описание, [Электронный ресурс].-Режим доступа:URL: http://gaztehnogroup.ru/p1766526-kotly-gazovye-a100.html (Дата обращения 29.10.15).

10. A.A. Иноземцев, M.A. Нихамкин, В.Л. Сандрацкий. Основы конструирования авиационных двигателей и энергетических установок. Том 1, Общие сведения. Основные параметры и требования, Конструктивные и силовые схемы М.: Машиностроение, 2008, 207 с.

References

1. Small and micro combined heat and power (CHP) systems Advanced design, performance, materials and applications. Robert Beith. Woodhead Publishing limited, 2011, 528 p.

2. GOST 54961-2012 Gas distribution systems. Net gas consumption. General requirements for operation. Operational documentation. 53 p.

3. R. Tuccillo, M. C. Cameretti, Comparing di?erent solutions for the micro-gas turbine combustor, in: Proceedings of ASME Turbo Expo, Viena, Austria, 2004.

4. Abrosimov K.A., Tumashev R.Z. Cogeneration gas turbine as part of a small modular biogas plant, Vestnik MGTU im. N.Е. Baumana. Ser. "Mashinostroenie" [Journal of MSTU. Named after N.E. Bauman. ser "Engineering"], 2014 № 1 pp.68-79. (in Russian)

5. Lipihin E.G., Shevelev D.V. Micro-CHP system based on the boiler with microturbine. Naukoemkie tehnologii v priboro- i mashinostroenii i razvitie innovacionnoj dejatel'nosti v vuze: materialy regional'noj nauchno-tehnicheskoj konferencii [High technologies in mechanical engineering and instrument-making and the development of innovation activities in high school: Regional Materials Science and Technology Conference, 21-23 April 2015, Vol. 1] - Kaluga: Publishing House of the BMSTU. Bauman, 2015, pp. 176-181. (in Russian).

6. GateCycle, General Electric, [electronic resource]. - Access URL: https://getotalplant.com/GateCycle/docs/GateCycle/index.html

7. Grigorov I.N, Kaminskij V.N, Kaminskij R.V. and others. Influence turbine geometry turbocharger on the effective efficiency. Materialy 77-j Mezhdunarodnoj nauchno-tehnicheskoj konferencii AAI «Avtomobile- i traktorostroenie v Rossii: prioritety razvitija i podgotovka kadrov». [Proceedings 77th International Scientific Conference AAI "Automobile and Tractor in Russia: Development Priorities and training." Book 2.] 2012, pp. 73-78.

8. Tumashev R.Z., Molyakov V.D., Lavrentiev Y.L. Improving the efficiency of the compressor stations of main gas pipelines. Vestnik MGTU im. N.Je. Baumana. Ser. "Mashinostroenie". [Journal of BMSTU. Named after N.E. Bauman. Ser. "Mechanical Engineering"], 2014. №1, pp.68-79.

9. Water heating boilers Series RS-A description. [electronic resource].- Access: URL: http://gaztehnogroup.ru/p1766526-kotly-gazovye-a100.html (date treatment 10/29/15).

10. A.A. Inozemcev, M.A. Nihamkin, V.L. Sandrackij. Basics of designing aircraft engines and power plants. Volume 1, General. The basic parameters and requirements, structural and power circuits M.: "Mashinostroenie", 2008, 207 p.

Размещено на Allbest.ru