Характеристики газогенератора, влияющие на эффективность газотурбинной установки

Газогенератор в составе газотурбинной установки малой мощности – это компонент, который преобразует твердое топливо, такое как уголь, в синтез-газ, который затем сжигается в камере сгорания и, затем может быть использован для вращения турбины, и выработки электроэнергии. Газогенератор является ключевым компонентом при внутрицикловой газификации в газотурбинной установке, и его характеристики напрямую влияют на эффективность и надежность всей системы. В установках малой мощности особенно важно обеспечить оптимальное соотношение между размером, стоимостью и производительностью.

Среди основных характеристик можно выделить:

1. Мощность: Газогенераторы для малых газотурбинных установок обычно разрабатываются для мощности от нескольких киловатт до нескольких мегаватт. Чем выше калорийность и чистота синтез-газа, тем больше энергии может быть получено от его сгорания, что увеличивает мощность ГТУ.

2. Коэффициент полезного действия (КПД) у газотурбинных установок малой мощности с внутрицикловой газификацией обычно варьируется, но современные модели стремятся к показателям в районе 30–35%, а у ГТУ на природном газе составляет 35–40%.

Более низкий КПД у ГТУ на синтез-газе по сравнению с ГТУ на природном газе обусловлен тем, что синтетический газ имеет низкую теплотворную способность, что означает меньшее количество энергии на единицу массы [1].

На КПД газогенератора влияет температура газа, чем она выше на входе в турбину, тем выше КПД, поскольку это увеличивает энергию, доступную для преобразования в механическую работу. Температура газа на выходе из газогенератора может достигать 800–1000°C, что требует использования материалов, способных выдерживать высокие температуры.

3. Для работы в условиях высоких температур до 1000°C в газогенераторах газотурбинных установок малой мощности обычно используются материалы, способные выдерживать экстремальные тепловые и механические нагрузки. Вот некоторые из них:

• Суперсплавы – это материал, основанный на никеле, хроме или кобальте [2]. Они обладают высокой прочностью и стойкостью к окислению при экстремальных температурах. Они используются в турбинах и других компонентах, подвергающихся воздействию высоких температур и давления.
• Керамические материалы: керамика может выдерживать очень высокие температуры и обладает низкой теплопроводностью, что снижает тепловые потери. Применение керамических покрытий увеличивает срок службы компонентов и повышает общую эффективность.
• Композитные материалы: Углеродно-углеродные композиты и композиты на основе керамики и металлов обеспечивают превосходную прочность при низком весе, что важно для повышения эффективности и снижения механических нагрузок.

Эти материалы позволяют газогенераторам работать при более высоких температурах, что напрямую влияет на КПД, так как более высокая температура газа перед турбиной увеличивает производительность. Кроме того, они увеличивают интервалы между техническим обслуживанием и ремонтом, что снижает эксплуатационные расходы и улучшает общую экономическую эффективность газогенераторов.

4. Потери в газогенераторе оказывают значительное влияние на его эффективность [3]. Вот основные виды потерь, которые могут снизить общую эффективность установки:

• Тепловые потери: неизбежные потери тепла через корпус газогенератора и в процессе отвода отработанных газов.
• Механические потери: потери, возникающие вследствие трения в подшипниках и других движущихся частях.
• Аэродинамические потери: потери, связанные с трением и сопротивлением потока воздуха и газов внутри газогенератора.
• Химические потери: неполное сгорание топлива из-за неправильного состава топливно-воздушной смеси или недостаточной температуры сгорания.
• Потери давления: падение давления в компрессоре и турбине, которое приводит к снижению эффективности преобразования энергии.

Уменьшение этих потерь является ключевым аспектом при проектировании и эксплуатации газогенераторов для повышения их КПД. Это достигается за счет использования высокоэффективных изоляционных материалов, оптимизации аэродинамического дизайна, улучшения качества сборки и поддержания оптимальных условий сгорания. Также важно регулярное техническое обслуживание для минимизации механических потерь и обеспечения надежной работы газогенератора.

4. Ресурс – это показатель, который определяет продолжительность его эффективной работы до необходимости капитального ремонта. Чем дольше прослужит установка, тем меньше затрат на ее эксплуатацию.

5. Конструктивные особенности:

• Компактность: газогенераторы малой мощности должны быть компактными, чтобы их можно было легко интегрировать в различные системы.
• Модульность: возможность модульного расширения мощности путем добавления дополнительных газогенераторов.
• Адаптивность: способность адаптироваться к различным условиям эксплуатации и типам топлива [4, 5].

6. Стоимость:

• Начальные затраты на газогенераторы малой мощности включают стоимость проектирования, материалов, изготовления и установки. Эти затраты могут быть значительными, особенно если используются высокотемпературные материалы, такие как суперсплавы и керамика, которые дороги в приобретении и обработке.
• Эксплуатационные расходы включают затраты на топливо, обслуживание, ремонт и, при необходимости, замену компонентов. Эти расходы зависят от многих факторов, включая эффективность газогенератора, стоимость топлива, частоту и сложность технического обслуживания.
• Общая экономическая эффективность газогенераторов оценивается путем сравнения начальных и эксплуатационных затрат с выработанной энергией за определенный период времени. Важным показателем является срок окупаемости инвестиций, который должен быть разумным, чтобы инвестиции считались выгодными.

В целом, хотя начальные затраты могут быть высокими, эффективные газогенераторы с низкими эксплуатационными расходами и долгим сроком службы могут обеспечить хорошую общую экономическую эффективность.

В заключение газогенераторы для газотурбинных установок малой мощности должны сочетать в себе высокую эффективность, надежность и адаптивность, при этом оставаясь экономически выгодными и удобными в эксплуатации.