Конверсия ракетного двигателестроения (1047829), страница 20
Текст из файла (страница 20)
Назовем эти установки вьюокотсмисрзтурными. Это иапргищеиис развивается, в основном, КБ химавтоматики, ЦИАМом и АО "Криокор". В уста) совках этого типа КПД может быть несколько ниже (на 5-! 5%), зато мощность увели ип)ается в 1,5 - 2 и более раз. Для того, чтобы выяснить, что оказывает большее влияние на добавочную эффективность — увеличение мощности или снижение КПД вЂ” необходимо сравнить результаты расчетОВ исскОльких ВариантОВ схем, приведенных к ОдинакОВым условиям. Чтобы выделить в чистом виде влияние на энергетическую эффективность одного факторз.
в частности, температурного и чтобы сравнение вариантов было по возможности более корректным,необходимое - отнести все расчетные оценки к единичному расходу г)отока газа (1 кг/с); — сравнение вариантов схем провести при одинаковом отноигении давлений на входе и выходе турбины. В отчете (1) существующие и проектируемые установки имеют отношение давлений от 2 до 10,5. Нами выбрано в качестве базового значения Рвх.тУРВыхл = 4; - выбра и одинаковые климатические условия (Р=1 бар = 750 мм рт.
ст., Т =- 280 К) и температуру газа на входе (также 280 К). Минимальная температура газа на выходе из турбины из условий недопущения гидратообразования также принята равной 280 К. принять одщщкову)о температуру продуктов сгорания при авт~номн~м и~точняк~ теплоносителя — 800 К; - принять одинаковый химический состав природного газа (расчеты выполнены щи чистого метана); - принять одинаковые КПД агрегатов (КПД турбины т),= 0.7, КПД электрогенератора ))з) — — 0,97, КПД редуктора т))1=-0,97), а также принять одинаковые значения эффективности теплообмеиииков вте .= 0,8.
Невысокое значение КПД турбины при)гято изза относителыю небольших объемных расходов природного газа. При указанных выше условиях проведены расчеты термолинамической эффективности шести Вариантов схем, дВС из которых являк)тся низкотеыпсратурныыи, а Остальные - "высокотсмперзтуриыми". В сВязи с значительным огличисы метана От идеального газа (эффект Джоуля - Томсона) расчеты проведены д)и двух значений давлений газа иа Входе в турбину - 56 бар и 12 бзр при одинаковом базовом соот)ьошении Рах.т/Рвых.т, == 4. "Низкотеыперзтурныс" установки, в сво)о Очередь, ~о~~о разделить иа л))е подгруппы — с отрипательнОЙ и полож~~ельной температурой рабочего тела. В первой пол- Г)эуппс Г1ГЗ ПОс)1«- т))«рбины. Имс10щий Отрицате51ьн) 10 тсыпср5)туру, х!Ожст НОд01 ренаться зй с«18т т«.'П«та Окружагопгс10 ВОздуха, ОсооснпО В лстнсе В()сх!я На рис.1 иредстйвлщщ схема одной из !аких установок разрзботки ВНИИГзз.
Установкй рйоотйс* 1гаргц!.)с.!Ьно с Обы*щым регулятором дйнлсиия. Гйз, охлйждй!О!цийся после ступеней 5 турболстаидсрй, нагревается атмосферным Воздухом В агрегатах возду!и)ОГО 1ГЯГрейй 4. Выиадйк)1цис кристзл;!ОГидрзты и инсй ч!ЯвлийиО!Ся фил!«т)тами 8, Выход»ОЙ и~ток 1'й')з н(х.двй)нпельно полей(к.вйетс5! в тсплооомеиник!". 3 зй сче«т теплй входящего газа, я затем в теплообмеинике 7 догревается горя 1сй ВОДОЙ из бойлсриой ло исхолной температуры. Тем»ературы газа ио трактам установки везде ниже исход- »ОЙ. Нй рис.
2 прс)!с!ай)!си!э прост!'.и!Пйя схема !!Нзкотех!Нсратурн!)й устзнойки с положительной температурой рабочего тела. Нагрев газа перед турбиной 1 осуществляется в теплообмсннох! Гцпззрйте 2 ирод««ктйми сгоргн!Ня. Обрйзу)о!Пимися В кймсре с~ор~~и~ 4. ВОздух в камеру с10рзния пОдастся вентилятором 3. С цсльго минимЯ'1ьнОГО расходй тепла температура газа перед турбиной выбирается так, !тобы температура газа за турбиной была минимально допустимой (280 К). В следу!Ощих двух схемах мощность установок форсируется за счбт увеличения тсмПСРЯТУР1«1 ГЗЗЯ ПСРЕ«Ч ТУРОИНОЙ ОСЗ Г!ОДКЛКЭ«!СНИ5! ДОПОЛНИТСЛЬНОГО ДВИГЯТС:Ы, Нй рис 3, 1трс1!Ст«ав)!Сн«а схема устйновки, отличйк)щйяся От схемы 1ГЯ 1)ис.2 поныи!ен!Гой температурой природного газа перед турбиной и доцощ!ительиым тсплообме!и!иком "метан - метйи'*.
Нслостзгком ДйнноЙ схемы является рост Потерь тепла с продуктами сгорйшэя с повышением температуры перед турб1!!И)й. Нй рис.4 !Вэелстййлсна п(эе«ьлс)женив)! йвторйми схема уста!!Овкн с цирку;!яционным контуром продуклов сгорйн!Нь Продукгы сгорания после теплообменника 2 разделяГотся ий лйй потокй: бочыпйя «1йсть повторно подаетс)! Ниркуляиионщям йсэгн!Лятором В камсру СГОрания, мс!и«цгая чсрсз тсиэлОобмсгп!ик удалястс5! в йтмосфсру чсрсз тсп)10- Обм!.*ниик 3. 1са! РсВЯ51 «зт1«нэсч)СРНЫЙ ВоздУх, пОЛЯВасмый НРито«п!Ыы ВсптилйтОРОМ в циркуляциошгый контур. Тйк как в камеру сгорания поступ«зсг подогретый циркулиругощий воздух, расход топлива н зтой схеме мсныпе, чем в схеме иа рис.З. При наличии циркуляции кислород воздуха выгорает значительно полнее, чем в схемах иа рис.2 и рис.3.
Вследствие небольшого расхода воздуха подпитки (в данном примере в 8,5 раз мсныпе цирк)с!Ирукэ!него)»отери тепла с отходя!ними продуктами сгорания незначитсльнь1 (ОкО)!О 5% тспла СГОрания тОплива). Осноан!«!е потери тспла нмщОт местО зй с«!Ст нсд!)рекуцсрйцнн в тс!щообменникс "метан-метан". В ггослсдних дв) х прсдст«галениь!х схемах установок имсстся дОполн!ГгельныЙ ГЯзО- турбиииыи двигатель, соединенный с валом турбины природного газа.
(Возможны также двухвальиыс схемы). На рис. 5 Представлена схема установки с двигателем ДО-49Р ОАО "Рыбинские моторы". Мощность двигателя состав)гяет 2.85 МВт, КПД - 28,5%, температура Продуктов сгорания иа выходе ГГУ - 7!3 К. Газ нагревается в теплообмсниике продуктами сгорания ГГУ. Тс«ьи!срйтурй г«!зй нй выходе турбины, кзк и в схеме "низк1)гемперйзургэой" установки рис.2, ранна 280 К. Нйконец, нй рис.б приведена схемй нйиболее "форсироййнэгои" )стйнонки с добйво шым газотурбинным двигателем. н которой одновременно имеет место повышенная температура газа перед турбиной. Так жс, как и н схеме на рис.З, В ней присутствует тсилообмеипнк для прелваритслыгого нагрева газа перед турбиной обратным потоком г!Гза за турбиной.
Результаты расчетов удельных параметров знергоустановок в рйсчбтс на расход природного газа 1 кг/с приведены в табл.!. Там же приведены результаты сравнения зффективиости з!!ср!Х)установок по приведенным йыц!с критериям с п«зротурбэииныхти и газодизельн1,!ми циклами, у которых типичное значение КПД составляет 40%, Основные параметры вариантов схем знергоуетановок, отнесенные к расходу газа 1 кгггс Гсбиочс ! Удедьн. ! Техггзер.
Тии схемы ' Ди!Гн ВхОди зяекпх входи гизи в ! ' ' '' б'Р '';«! ., В: :.урб «у. К ' н вых,, бип Догнзлнзгг. 1,. П,~ .Вко)гоняя топлива, срдвнгнс с ' .!. у-!. ГП Ъз к112 "Нвзхотемпеоитуоиые" знеогоустдноякн !'Из с' 567!4 !!1 ' 270 , ,3,5 , 98 5 , 222 двумя т бо.!ет. и ЛВИ;. ! з '3 ' ! !4 270 . 3,7:, 101,7, 230 ур ! 2. "!3росте!!шдя" ! 5ЬЛ4 ! 140 ' 358, 0,626, :50,5 !14 ' схема,, '!)73 139 1 347 , '0,8!! ' 70,4, 159 "Высокотехгре))ззур)(ые" зд)едг оуст;шовкд! ' 3. Схема с допопп. теп, 56Д4 ', 204, 500, 0.542, :53,4 !2! 1, яообмснннком "метин- ~ 1'2,'3 ', 208 500 ', 0.637; :77,4 ! 175 , -х)егин" ' 4.
Схеми с ииркудяапей 56/14 ! 251 ! 600 ! 0,593 ! 81,7 185 . :про8!)зсгов и ор)з1)ии ! ! 273, 254: Ь!!О ~ 0,618 ( 89,6 . 203 5. Схе, гд с П У" 56714 ! 228 ' 358 ~ 0,736 Гвз.7: 232 !273 207 347 0,858 ! 1!О ! з49 ! Ь. Сх ко с 1 ГУ н 1)оо- ! 56Н4; 327, 45«! ! снронинисм турбины'" ' 1223 ~ 306, 450 0.688, 128 288 " Одни пД '1О-49Р ни расход природного гззз 32 кг!с Один ГГД ДО-49Р ни расход природного гизи 20 кгус. Рассмотг)сны б вариантов сх«.'м энсргоуста1ювок, испО)пгзую1пих энсрГию псрспала дйвлсни)1 в потоке Гйзй ъчя выработки з)!ск)р«)э))срг!Г)!. Устш1овкп рйсноложсны в порядке 1шрап«иванна МО)ш!Ости янах!йлс за счет форспровйпия тсмг)ср!Ггур),! !Гс(кч) турбиной, затем за счет комбинирования с !изотурбинным Двигателем.
Удельная элсктричсскйя мошность рйссмот(х.нных вйрийнтов состйвляст от 111 ло 2бб кГ)). Нй 1кг/с Газа, Н))иболыпсс значение дополнительной мо)пности и зкономии топлива по сравнсни!о с ПТУ имсвтг схсмь) Ь, 5 и 1. Опи жс явлгпогся наиболсс сложными. Схема 1 нс имеет резервов увеличения эффективности, так как дальнейшее увеличение КПД слабо влияет, в соответствии с выражением (1), на увели генис зффсктив- ПОСТИ. К ТОМУ жс в хОЛОДНОС В1)см)1 Гола Сс КПД рсзкО Пава«ГГ.
13 отличие от схсмь! 1 высокотемпературные установки имс)от зпачитсльныс резервы тсрмолинамичсского совершенствования за счет: ° роста температуры перед турбиной: я увеличения эффективности йт тсплообмепников; я введения Дополни Гслы)ой рскупсра!!Ни топ)ш (ло!П)лпитсльных Ген:!Ообмснников): ° введения промсжугочных перегревов газа мсжпу ступе)гями турбины; в ввслза1ия пОслслОВ!Ггс,'1ьпо расположснных камер сГО(тания с прОмсжуГО'1ным Ох,шждснисм продуктов сгорания между !и!ми: ° применения современного поколения ГТУ с КПД ло 55-40%.
ПО п1)СДВаритсльным О1гснкам„1ц)и указанных Вы1пс парамстрах !!риро)«НОГО 1аза можно ловсстп съем электроэнергии с слипипы расхода до 400-500 квт при КПД 60- 70 %, а дополннтсшрлую по сравнению с ПТУ моншость - ло 140 - 180 кйт/кг/с. Таким «)Оразом, форепрованис знсргоустаиовок по могпноеги и тсмнсратурс позволяет "выкачать" с слиннпы расхода большее количество энергии и сэкономить большее количество топлива.
При этом имеет место большая зкономия топлива при производстве электроэнергии, чем в схемах, гас основная часть тепла подводится от окружион!сй среды. Рассмотрим влияние уровня давления газа на знсргстичсскук) зффсктивн«)сть. Из таблипы 1 видно, )то КПД установок, работакнцих в области низкого давления (1273 бар) значительно (!и 3 до 18 %) выше, чем в области высоких давлений газа (56/14 бар) при том же отношений давлений 4:1.
Это вызвано более сильным влиянием эффекта Джиу:и-Томсона лля метана в области высг)ких давлений. Кроме более высокого КПД, применение установок низкого давления вы)одпей так)кс по с)!с)1укип)!л! Нричипал): ° объемный расход метана гсрсз турбину в),1ше, при этом при прочих равных условиях выше коэффициент быстроходности пз, турбины и выше ее КПД за счет увеличения высоты лопаток или степени парциальности; ° при более шпком дав!!снии легче осуществлять уплотнение по торцам ротора турбины природ)и)го газа. В то жс время в устапОвкпх низкОГО Давления при тех же Габаритах тсплоооменнОЙ )пп!аратур).1 )и!1равличсскис потер)1 и связанныс с .)тйм потерй мопшости бог!Ыпс, чем в установках в!ясокого давления.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
