Особенности модернизации ГТУ для снижения ограничений располагаемой мощности в условиях высокой температуры наружного воздуха с помощью установки испарительного охладителя в проточной части КВОУ
научный журнал «Актуальные исследования» #2 (5), январь '20

Особенности модернизации ГТУ для снижения ограничений располагаемой мощности в условиях высокой температуры наружного воздуха с помощью установки испарительного охладителя в проточной части КВОУ

В статье рассмотрен один из методов повышения эффективности газотурбинной установки, работающей по циклу Брайтона, а именно метод установки испарительного охладителя в проточной части КВОУ. Показана зависимость коэффициента полезного действия температуры наружного воздуха и степени повышения давления в компрессоре. Рассчитаны температуры максимального охлаждения воздуха в зависимости от температуры и влажности окружающей среды. Целью данной статьи является рассмотрение одного из оптимальных методов повышения эффективности газотурбинной установки, а также выявление конструктивных и эксплуатационных нюансов внедрения данного метода.

Аннотация статьи
газотурбинная установка
компрессор
коэффициент полезного действия
испарительный охладитель
комплексное воздухоочистительное устройство
Ключевые слова

Газотурбинная установки (ГТУ) – энергетическая установка, предназначенная для выработки электрической энергии. В её состав входит компрессор, камера сгорания (КС) и газовая турбина. Воздух (рабочее тело) сжимается в компрессоре и подается в камеру сгорания, где осуществляется его нагрев с помощью сжигания топлива (природный газ, мазут, дизельное топливо). Далее нагретый сжатый воздух поступает в газовую турбину, где совершает полезную работу, а затем выбрасывается в атмосферу или поступается на вход в котел-утилизатор (КУ).

Все стационарные энергетические газотурбинные установки в мире проектируются по стандарту ИСО 2314:2009 [1, с. 1] на условия атмосферного воздуха: pн.в. = 101,3 кПа, tнв = +15 °С и φ = 60 %. Однако параметры наружного воздуха в процессе эксплуатации ГТУ значительно отличается от стандартных. Мощность и коэффициент полезного действия (КПД) ГТУ, работающих по простейшему циклу Брайтона существенно зависят от его параметров: температуры, давления и влажности [2, с. 23].

Большая часть энергии (около 50 % от мощности ГТУ) затрачивается на сжатие воздуха в компрессоре. Поэтому эффективность работы компрессора сильно влияет на КПД всей установки (при снижении удельной работы сжатия в компрессоре на 1 % КПД ГТУ возрастает на 2 %). При повышении температуры наружного воздуха, мощность газотурбинной установки снижается, чем южнее эксплуатируется ГТУ, тем больше ограничения мощностей на ней в летний период.

Поэтому производители ГТУ часто применяют те или иные системы охлаждения всасываемого воздуха.

Степень повышения давления в компрессоре – это отношение давления воздуха на выходе из компрессора к давлению на входе. Анализ влияния данного параметра дает понять, что при его увеличении КПД установки растет значительно, но есть предел, после которого увеличение степени сжатия незначительно влияет на коэффициент полезного действия, либо вообще приводит к снижению эффективности ГТУ. График зависимости КПД ГТУ hl от степени повышения давления π в компрессоре при различных температурах в камере сгорания показан на рисунке 1 [1, с. 15].

Рис. 1. График зависимости КПД ГТУ от степени повышения давления
при различных температурах в камере сгорания (1000 - 1400 °C)

Влияние температуры наружного воздуха на эффективность ГТУ также велико. Номинальная мощность газотурбинных установок согласно ИСО 2314:2009 [1, с. 1] рассчитана на температуру воздуха перед компрессором +15 °C. Однако температура воздуха всегда меняется в широком диапазоне. Например, в Санкт-Петербурге температура наружного воздуха может изменяться в пределах от -36 до 37 °C. Существенная разница по значениям температуры оказывает влияние на КПД ГТУ. На рисунке 2 [2] показан график зависимости коэффициента полезного действия hl от температуры наружного воздуха t1. Из графика видно, что при повышении температуры наружного воздуха в указанном интервале КПД ГТУ уменьшается от 35,5 до 31 %.

Рис. 2. График зависимости КПД ГТУ от температуры воздуха перед компрессором

Климатические условия в Санкт-Петербурге имеют тенденцию к росту средних температур, а для увеличения эффективности работы ГТУ необходимо снижать температуру воздуха перед компрессором. На данный момент существует достаточно методов решения этой проблемы, которые успешно внедряются и используются на современных газотурбинных установках. В данной статье мы рассмотрим один из наиболее эффективных методов снижения температуры воздуха перед компрессором ГТУ - метод установки испарительного охладителя в проточной части КВОУ.

Испарительный охладитель – это устройство, которое охлаждает воздух с помощью испарения воды. Испарительное охлаждение имеет ряд существенных отличий от обычных систем кондиционирования воздуха. В их основе лежит использование большой удельной теплоты испарения воды. Температура сухого воздуха может быть снижена с помощью фазового перехода жидкой воды в пар, и этот процесс требует значительно меньше энергии, чем компрессионное охлаждение.

 Охлаждение при испарении – это физический феномен, при котором испарение жидкости в окружающий воздух охлаждает объект или контактирующую с ним жидкость. Количество теплоты, необходимое для испарения жидкости, берётся из окружающей среды. При изучении испарения воды, влажный термометр сравнивается с сухим, полученное значение соответствует потенциалу охлаждения при испарении. Чем больше разница двух температур, тем больше эффект охлаждения. Если температура одинаковая, то испарения воды в окружающую атмосферу не происходит, соответственно нет и охлаждающего эффекта. Простым примером природного испарительного охлаждения является потоотделение, при этом тело выделяет пот для собственного охлаждения. Количество передаваемой теплоты зависит от уровня испарения, на каждый килограмм испарённой воды передаётся 2257 кДж (при температуре 35 °С). Уровень испарения зависит от влажности и температуры окружающего воздуха, поэтому в жаркие влажные дни пот накапливается на теле. Выделившийся в таких условиях пот не может испариться. Принцип испарительного охлаждения отличается от того, на котором работают аппараты парокомпрессионного охлаждения, хотя они также требуют испарения (испарение является частью системы). В парокомпрессионном цикле, после испарения хладагента внутри испарительного змеевика, охлаждающий газ сжимается и охлаждается, под давлением конденсируясь в жидкое состояние. В отличие от этого цикла, в испарительном охладителе вода испаряется только один раз. Испарённая вода в охладительном приборе выводится в пространство с охлажденным воздухом. В градирне испарившаяся вода уносится потоком воздуха.

Все конструкции испарительных охладителей используют то преимущество, что вода имеет одну из наибольших известных энтальпий парообразования (удельную теплоту испарения). Прямое испарительное охлаждение (открытый цикл) используется для снижения температуры воздуха с помощью удельной теплоты испарения, изменяя жидкое состояние воды на газообразное. В этом процессе энергия в воздухе не меняется. Сухой, тёплый воздух заменяется на прохладный и влажный. Тепло внешнего воздуха используется для испарения воды.

Непрямое испарительное охлаждение (закрытый цикл) процесс похожий на прямое испарительное охлаждение, но использующий определённый тип теплообменника. В этом случае влажный, охлаждённый воздух не контактирует с кондиционируемой средой.

Также существует двухстадийное испарительное охлаждение, или непрямое/прямое. Традиционные испарительные охладители используют только часть энергии необходимой аппаратам парокомпрессионного охлаждения или системам адсорбционного кондиционирования. К сожалению, они повышают влажность воздуха до дискомфортного уровня (за исключением очень сухих климатических зон). Двухстадийные испарительные охладители не повышают уровень влажности настолько, насколько это делают стандартные одноступенчатые испарительные охладители. На первой стадии двухстадийного охладителя, тёплый воздух охлаждается непрямым путём без увеличения влажности (с помощью прохождения через теплообменник, охлаждаемый испарением снаружи). В прямой стадии предварительно охлаждённый воздух проходит через пропитанную водой прокладку, дополнительно охлаждается и становится более влажным. Поскольку в процесс включена первая, предохлаждающая стадия, на стадии прямого испарения необходимо меньше влажности для достижения требуемых температур. В результате, по словам производителей, процесс охлаждает воздух с относительной влажностью в пределах 50 – 70 %, в зависимости от климата. Для сравнения традиционные системы охлаждения повышают влажность воздуха до 80 %.

Процесс испарительного охладителя отражен на номограмме влажного воздуха Рамзина (диаграмма Молье) (табл.1). Уменьшение температуры воздуха происходит не за счет работы холодильной машины, а в результате фазового перехода воды в воздух (испарения), сопровождающегося поглощением (тепловой) энергии из окружающей среды. Минимальное значение температуры, которого можно достичь за счет испарения при адиабатном процессе, лежит на пересечении линии, параллельной энтальпии, опущенной из точки с исходными значениями температуры и влажности с линией 100 % влажности. Температуры максимального охлаждения в зависимости от температуры и влажности окружающей среды отражены в диаграмме Молье (табл.).

Таблица

Диаграмма Молье

Температура наружного воздуха, ℃

Относительная влажность, %

10

20

30

40

50

60

70

80

90

10

4

4,5

5,5

6

7

7,5

8

9

9,5

15

7,5

8,5

9,5

10,5

11

12

13

13,5

14

20

11

12

13

14,5

15,5

16,5

17,5

18,5

19

25

14,5

16

17

18,5

20

21

22

23

24

30

17,5

19,5

21

22,5

24

25

26,5

28

29

35

20

23

25

26,5

28,5

30

31,5

32,5

34

Цикловой воздух проходит через испарительную панель, которая расположена в камере чистого воздуха. Испарительные панели представляют собой ячеистую структуру, образованную гофрированными листами из пропитанного картона или стекловолокна. Панели из картона имеют низкую стоимость, но не огнеустойчивы. Панели из стекловолокна дороже, но имеют более компактную структуру и огнеустойчивы. Гофрированные листы позволят создать в 1м2 площадь испарения около 450 м2. Сверху этих панелей установлен узел водораспределительной насадки, с помощью которой в панель подается вода. Вода образует пленку на поверхности ячеек панели. Воздушный поток, проходя сквозь смоченную поверхность, увлажняется и охлаждается за счет передачи теплоты на испарение воды. Неиспарившаяся вода, достигая низа панели, собирается в бак, из которого снова подается в распределительный коллектор с помощью насоса. В случае падения уровня воды в баке осуществляется подпитка водой через клапан подачи воды. Так как из-за постоянного испарения воды увеличивается концентрация солей в циркуляционной воде, то для предотвращения отложений на поверхности панелей часть циркуляционной воды сливается с помощью дренирования. После слива воды производится подпитка свежей водой с меньшим содержанием растворенных солей. Системы подачи воды бывают двух типов: с оборотным водоснабжением и с прямым водоснабжением. В первом случае вода в панели подается от циркуляционного насоса, во втором из водопроводной сети. Системы оборотного водоснабжения наиболее распространены благодаря низкому потреблению воды. Скорость воздуха в ячейках панелей ограничивается во избежание капельного уноса жидкости с поверхности пленки. Регулирование температуры охлажденного воздуха обеспечивается изменением подачи охлаждающей воды. Растворенные вещества остаются в пленке воды и не уносятся в поток охлаждающего воздуха.

Преимущества метода заключаются в том, что расчетная стоимость установки составляет около половины средств необходимых для установки централизованной системы кондиционирования воздуха. Поскольку отсутствует рециркуляция воды, в системе нет компрессора, который потребляет большую часть энергии при охлаждении в закрытом цикле. Охлаждающим агентом является вода, а не такие хладагенты, как диоксид серы или CFCs, которые могут быть токсичны, дороги в утилизации и опасны для озонового слоя. Подобные хладагенты являются объектом строгого лицензирования и экологического контроля. Есть ряд преимуществ в эксплуатации данной установки, так как в большинстве испарительных охладителей есть только две механические части – мотор и насос, которые дешево ремонтируются. Большой и постоянный поток воздуха через помещения кардинально уменьшает время пребывания воздуха в здании. Испарительное охлаждение увеличивает влажность. В сухом климате, это может увеличить комфортность и уменьшить проблему статического электричества. При надлежащем содержании аппарат сам по себе работает, как эффективный воздушный фильтр. Он может удалять из воздуха различные загрязнения, включая городской озон. Парокомпрессионное кондиционирование воздуха теряет эту способность в случае недостаточной влажности воздуха для стекания конденсата.

Также имеется ряд недостатков рассматриваемого метода. В условиях высокой влажности у испарительного охладителя уменьшается охлаждающая способность. Не может функционировать, как осушитель. Традиционные кондиционеры удаляют влагу из воздуха (за исключением очень сухих мест установки, где рециркуляция может привести к увеличению влажности). Испарительное охлаждение добавляет влагу, а в сухом климате, сухость воздуха может улучшать температурный комфорт при высоких температурах. Также испарительные охладители требуют постоянного источника воды для смачивания прокладок. Вода, содержащая минералы, оставляет кристаллы соли на прокладках и внутренностях охладителя. Такие кристаллы могут образовываться внутри прокладок. Промывка системы (чистка насоса) может уменьшить эту проблему. В зависимости от типа и концентрации этих минералов, возможны определенные риски для безопасности при замене таких прокладок. Линии подачи воды может понадобиться защита от замерзания в зимний период, а сам охладитель необходимо осушать и чистить.

Текст статьи
  1. ГОСТ Р 55798-2013 (ИСО 2314:2009/ISO 2314:2009)-2015
  2. Зейгарник Ю. А., Отчет о НИР на тему: «Разработка научно-технических решений по высокодисперсному впрыску воды в тракты газотурбинных установок» // 2009. С. 2-6.
  3. Буданов Н. В., Взрывное вскипание диспергированных жидкостей // Издательство УрГУПС, 2011. С. 3.
  4. Скворцов А.В. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Повышение параметров газотурбинных установок путем впрыска воды в проточную часть и оптимизации рабочего процесса в компрессоре // ИЦ ОАО «ГТ-ТЭЦ-ЭНЕРГО», 2010. С. 5-12
  5. Кудинов А.А., Горланов С.П. Повышение эффективности газотурбинной установки путем впрыска водяного пара в камеру сгорания двигателя НК-37 // Вестник СГАСУ. Градостроительство и архитектура. 2014. Вып. № 1 (14). С. 103-109.
Список литературы
Ведется прием статей
Прием материалов
c 01 апреля по 15 апреля
Осталось 9 дней до окончания
Препринт статьи — после оплаты
Справка о публикации
БЕСПЛАТНО
Размещение электронной версии
20 апреля
Загрузка в elibrary
20 апреля
Рассылка печатных экземпляров
25 апреля