ПУТИ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ И РАЗВИТИЯ ГАЗОТУРБИННЫХ УСТАНОВОК НАЗЕМНОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ, СОЗДАВАЕМЫХ НА ОСНОВЕ АВИАЦИОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

О тенденциях развития конвертированных авиадвигателей. Развитие и модернизация энергетической отрасли России, как уже признано, должны базироваться на широком внедрении в энергетику газотурбинных установок, создаваемых на базе авиационных технологий и реально существующих высокоэффективных авиационных двигателей, снятых с эксплуатации на самолете.

На базе авиационных двигателей в СНТК создано пять типов газотурбинных двигателей для ГПА мощностью 6,3, 8...10, 16...18, 25 и 30 МВт (табл. 1). В состав Безымянской ТЭЦ (г. Самара) с электрической мощностью 25 МВт и тепловой 39,0 Гкал/ч входит газотурбинный двигатель НК-37 с КПД 36,4 % (табл. 2).

Более 1400 ГПА с двигателями марки «НК» установлено на компрессорных станциях, расположенных в различных климатических зонах. Парк ГПА состоит из более чем 5690 агрегатов общей мощностью 48,6103 МВт. Двигатели работают на газообразном топливе, сочетают в себе новейшие достижения авиастроения (энерговооруженность, легкость, компактность) с большим опытом эксплуатации на магистральных газопроводах при работе в безлюдных районах юга и севера, в запыленных условиях, а также в жилых районах, обеспечивают выполнение современных требований по экологии. При выборе путей повышения мощности и КПД ГТУ на базе авиационных ГТД важно проследить пути совершенствования параметров ГТД в энергетическом машиностроении и в авиационном двигателестроении.

Развитие газотурбинных установок в энергетике начиналось с лопаточных машин (компрессоров и турбин), имеющих ограниченные значения степени сжатия в компрессорах к= 4...7 и температуры газа перед турбинами Тг 1000 К. Получение высоких значений КПД в таких ГТУ «простой» схемы превратило их в установки «сложной» схемы с дополнительными контурами (сухими регенераторами тепла выхлопных газов в воздух, поступающий в камеру сгорания после компрессора, или котлами-утилизаторами, установленными на выхлопе из ГТУ, с использованием пара в паровой турбине, а горячей воды - для бытовых нужд). В ГПА применяются только сухие регенераторы тепла выхлопных газов. Недостатками таких ГТУ при достаточно больших значениях КПД являются большие габариты, металлоемкость, высокая стоимость установленного кВт.

Развитие авиационных двигателей шло по пути создания компрессоров и турбин с высокими значениями к и Тг. В этом направлении был сделан настоящий прорыв. Получены высокие КПД циклов авиационного ГТД на уровне лучших стационарных ГТУ с регенераторами. Габариты и металлоемкость авиационных двигателей оказались меньшими, чем стационарных ГТУ. На рис. 1 представлены тенденции развития ГТУ по КПД и мощности, которые имеют две особенности.

Первая особенность: КПД ГТУ увеличивается с повышением ее мощности до 50 МВт. Причем КПД установок, выполненных на базе авиационных ГТД, располагаются ближе к верхней границе приведенного массива данных на рис. 1; наивысший КПД двигателя НК-38СТ равен 38 %, а в результате усовершенствований может достигнуть 41,5 %. Вторая особенность состоит в том, что при увеличении мощности ГТУ более чем 50 МВт, например до 110 МВт, КПД как зарубежных, так и отечественных ГТУ «простой» схемы снижаются даже при применении авиационных технологий проектирования и изготовления.

В связи с необходимостью экономии газа на собственные нужды приводов остро встает вопрос о совершенствовании методов конвертирования путем сокращения потерь тепла с выхлопными газами и повышения КПД. При этом развитие по КПД энергетических установок будет осуществляться не только в направлении совершенствования параметров одноконтурных газогенераторов ГТУ, но и создания комбинированных систем, работающих по открытому, полузамкнутому и замкнутому циклам.

Форсирование параметров цикла и совершенствование параметров одноконтурных ГТУ. Схемы первого уровня сложности. Характеристики одноконтурных ГТУ, выполненных по «простой» схеме (цикл Брайтона), приведены на рис. 2, где представлены зависимости КПД и мощности установки от степени повышения давления и степени подогрева. Видно, что рост температуры при фиксированном значении к сопровождается увеличением мощности и КПД. Однако темп прироста КПД невелик и принципиально повышение температуры газа перед турбиной должно сопровождаться увеличением степени сжатия. Приведены также величины КПД приводов НК-12СТ, НК-14СТ, НК-16СТ, НК-36СТ и НК-38СТ, базой для которых являются авиадвигатели разных поколений.

Можно обнаружить, что достижение максимальной мощности при заданной степени подогрева осуществимо при разных к. Двигатели с низкими к (и исходными КПД) сохраняют, однако, возможность осуществления в них цикла Брайтона с регенератором, который обеспечивает (при незначительном снижении мощности) получение существенного прироста КПД. Это направление до недавнего времени было определяющим в стационарном газотурбостроении в связи с отсутствием необходимого опыта конструирования компрессоров с сильнонагруженными ступенями и высокими КПД.

Анализ стационарных установок с регенерацией тепла в теплообменнике газ-воздух показывает, что при к= 7…9 и температуре газа Тг 1300 К удается достичь КПД установки эф = 34…35%, тогда как КПД исходного цикла не превосходит величины 26…29%. Успехи конструирования авиационных компрессоров позволили в ГТУ простого цикла (без регенератора) достичь близких и превосходящих значений КПД. Дальнейшее повышение КПД одноконтурных ГТУ, создаваемых на базе авиадвигателей при минимальных изменениях конструкции базового ГТД, связывается: с уменьшением радиальных зазоров; осуществлением подогрева топлива, поступающего в камеру сгорания, выхлопными газами; уменьшением расхода охлаждающего воздуха в высокотемпературных газогенераторах ГТУ за счёт снижения его температуры станционными средствами.

Однако в энергетику поступают авиадвигатели с высокими значениями степени сжатия воздуха в компрессоре, следовательно, и температурой воздуха за ним и низкими температурами газа за турбиной. В таких ГТД отсутствует возможность осуществления цикла Брайтона с регенератором по классической схеме. Анализ циклов ТРДД, конвертируемых в приводы, с низкими параметрами воздуха (давления и температуры) за вентилятором позволяет рассматривать регенерацию тепла выхлопных газов за турбиной первого контура в воздухе вентиляторного контура с помощью теплообменника в качестве резерва повышения КПД и мощности. Дальнейшее увеличение КПД ГТУ также связывается с утилизацией тепла выхлопных газов, но тепло передается не цикловому воздуху, а теплоносителю, не участвующему в цикле ГТД и не требующему значительных затрат мощности для повышения давления в нем. Простейшим способом повышения тепловой эффективности газотурбинных установок является утилизация тепла для обеспечения теплоснабжений предприятий и коммунальных потребителей. Для этой цели газы после силовой турбины направляют в паровые или водогрейные котлы-утилизаторы. Опыт такой утилизации имеется, но этим приемом не может быть охвачен имеющийся парк ГТД, сосредоточенный, в основном, на компрессорных станциях.

Итак, использование тепла в теплофикационных и бытовых целях не решает глобальную проблему электросбережения, несмотря на возможность в отдельных случаях (вблизи крупных населенных пунктов или заводов) повысить КПД системы, состоящей из энергетического и теплофикационных комплексов, до 80…85%. Как отмечалось, это связано с тем, что большинство ГТУ используется в газо- и нефтеперекачивающих станциях с малым потребным количеством тепла для бытовых нужд. Поэтому определяющее значение будут иметь системы, обеспечивающие повышение КПД путем получения дополнительной мощности.

В основу систематизации комбинированных схем, которая представлена в данной работе, положен принцип дополнительного усложнения конструкции исходного авиадвигателя. Если в схемах первого уровня рассмотрены двигатели с базовым газогенератором простого цикла, то в схемах второго уровня предполагается сохранение газогенератора и использование пара в модернизированной силовой турбине с выбросом парогазовой смеси в атмосферу; в схемах третьего уровня ограниченное изменение конструкции исходного газогенератора с целью создания условий для утилизации тепла выхлопных газов, а в схемах четвертого уровня рассматриваются установки сложных циклов.

Схемы второго уровня. Установки с регенерацией тепла выхлопных газов и подачей пара на силовую турбину. Такие установки позволяют сохранить облик газогенератора конвертируемого двигателя, как и в схемах первого уровня. Ожидаемый прирост мощности и КПД таких установок может достичь 5…7%. Схема удачно реализуется в случае разрешения проблемы водоподготовки. Существенную экономию воды в открытой схеме ПГУ можно получить путем установки контактного теплообменного аппарата конденсационного типа в выхлопной шахте, транспортирующей парогазовую смесь в атмосферу. Перспективными являются ПГУ, в которых температура выхлопных газов, выбрасываемых в атмосферу, находится в пределах от +25 до +30 С (в отличие от имеющих место в настоящее время от +140 до +170 С).

Схемы третьего уровня. ГТУ с подачей пара в компрессор, камеру сгорания, в систему охлаждения турбины газогенератора и турбины привода. В тех случаях, когда по технико-экономическим причинам необходимо резко сократить расход воды через установку, целесообразно использовать циклы с впрыском водяного пара (воды) в компрессор, камеру сгорания, в систему охлаждения высокотемпературной турбины газогенератора и турбины привода.

При расходе пара порядка 4…5% от расхода воздуха через ГТУ камера сгорания и сопловые лопатки турбины еще могут быть получены доработкой базовых узлов. В таких установках вследствие большой степени расширения смеси в турбине (т цикла) и малых энергетических затратах на повышение давления дополнительной массы рабочего тела обеспечивается заметное увеличение мощности и КПД установки. Схема привода с регенерацией тепла в паровом котле и подачей пара (воды) в различные узлы приведена на рис. 3. При впрыске 2% воды ( = +250 С) на вход в компрессор ГТУ ALSTOM GT9D, температура воздуха на выходе из компрессора снижается на 52, что приводит к уменьшению затрачиваемой работы в компрессоре и увеличению мощности ГТУ примерно на 14% и КПД на 1%. Технология впрыска горячей воды ( = +150…250ОС) с высоким давлением (100…150 бар) на вход в компрессор является новой, носит название Swirl Flash и представляет большой интерес, так как при ее применении замечено значительное (примерно на 30%) снижение эмиссии оксидов азота (NOх) в выхлопных газах.

Впрыск пара (воды) в камеру сгорания. По данным фирмы Rolls-Royce впрыск ~ 5% пара обеспечивает значительный прирост КПД (от 2 до 5%) во всем диапазоне степеней сжатия к (от 4 до 18) в цикле. Подача воды (пара) в камеру сгорания обеспечивает также уменьшение содержания окислов азота NOx в продуктах выхлопа. Существенный эффект был достигнут при впрыске топливно-водяной эмульсии, образованной в эмульгаторе, а также при подаче воды через форсунки, расположенные коаксиально с топливными.

Проведенные в СГАУ (проф. Ю.А. Кнышом) испытания отсеков камер сгорания двух двигателей НК показывают существенно более сильное влияние на снижение оксидов азота NOx подачи топливоводяной эмульсии, по сравнению с раздельной подачей топлива и воды. Испытания не обнаруживают расслоения коэффициентов полноты сгорания при подаче в зону горения воды или эмульсии в проверенном диапазоне массовых соотношений Gвод/Gт (от 1 до 20%). Однако при впрыске воды в камеру сгорания в связи с затратами тепловой энергии на ее испарение, следует ожидать некоторого снижения коэффициента полезного действия установки, которое может быть заметным при расходе воды, близком к расходу топлива. При необходимости снизить выброс NOx в 2…3 раза можно ожидать, что потребное содержание воды в эмульсии составит примерно Gвод = 10…15 % Gт вместо 50…90 % – при раздельной подаче. Ожидаемое снижение КПД газотурбинного двигателя НК-37 при подаче эмульсии в количестве 10…15 % Gт не превысит 0,3…0,4 %, увеличение мощности составит 18%.

Впрыск воды (или пара) в поток воздуха, охлаждающего турбину. Подача воды или пара в конструктивно измененную систему охлаждения позволяет повысить КПД цикла за счет повышения температуры газа перед турбиной и уменьшения расхода воздуха на охлаждение, либо, при сохранении температуры газа неизменной, существенно увеличить её ресурс. Эксперименты, проведенные на моделях и в составе натурного ГТД, показывают, что подача 10% по массе воды в поток охлаждающего воздуха позволяет снизить температуру паровоздушной смеси на 200…300 С, а тела лопатки на 100…150C. Экспериментальные исследования проводились на натурном ТРДД НК-321 с тягой 140 кН, степенью двухконтурности m = 1,3, степенью сжатия в компрессоре к= 27 и температурой газа перед турбиной на максимальном режиме Тг = 1600 К. На базе ТРДД НК-321 созданы ГТУ НК-36СТ и НК-37 мощностью 25 МВт. При впрыске воды без охлаждения статора турбины радиальный зазор увеличивается по концам рабочих лопаток в зависимости от количества введенной воды из-за снижения температуры диска и лопаток турбины ВД. Как следствие этого уменьшается КПД турбины, увеличивается удельный расход топлива. Включение системы охлаждения статора позволяет уменьшить радиальный зазор при впрыске воды и восстановить параметры работы двигателя на уровне, соответствующем работе без впрыска, уменьшив температуру тела лопатки турбины. Для этого необходимо применение двух одновременно работающих систем: впрыска воды и обдува статора турбины.

Впрыск пара в турбину. Схема привода представлена на рис. 3 (так называемый энергетический впрыск). Дан пример применения данного цикла в ГТУ НК-37. Использованы достоинства, присущие циклам Брайтона и Ренкина, благодаря чему обеспечиваются повышение мощности и КПД. Часть пара может подаваться не в турбину газогенератора, а в свободную турбину. Рассматривается вариант ГТУ, в котором предполагается сохранение неизменной геометрии проточной части турбин. Поскольку установка работает по открытому циклу с выбросом значительных количеств пара в атмосферу, то требуется решение вопроса водоподготовки.

Паропроизводительность установки. При максимальной температуре газа перед турбиной высокого давления двигателя НК-37, равной Тr=1480 K (при tн=+15С), с подачей пара на вход в турбину ВД котел-утилизатор может выработать при отсутствии дожигания в выхлопной шахте до 12…13% пара (по массе) от расхода газа через двигатель. Очевидно, что дожигание в шахте может существенно увеличить паропроизводительность и мощность установки. Однако экономичность при этом по сравнению с циклом без дожигания снизится.

Установлено, что изменение мощности установки по расходу пара имеет излом при Gг и делится на два отличающихся по характеру участка. В точке излома максимальная мощность установки составляет Nст= 39,2 МВт. Причиной излома является необходимость уменьшения максимальной температуры газа (Тг=1480 К) из-за запирания расхода через компрессор низкого давления вследствие его раскрутки, а также из-за усиления рассогласования работы каскадов при дальнейшем повышении подачи пара в турбины. Таким образом, при неизменной пропускной способности турбин повышение расхода пара свыше нецелесообразно. Темп роста КПД установки при подаче пара оказался незначительным. Показано, что увеличение расхода пара сопровождается снижением температуры газа перед турбиной высокого давления и снижением паропроизводительности. Например, при Nст=30 МВт максимальная паропроизводительность равна 8%. Эта особенность может рассматриваться как резерв увеличения ресурса установки.

Для современных приводов находится в пределах 0,25…0,38, – 0,3…0,45, а степень регенерации изменяется от 0,6 до 0,85 и даже до 0,92 при 5 и малых потерях давления в матрицах регенератора. Так как второе слагаемое в выражении для КПД всегда величина положительная, то суммарный КПД ПГУ больше КПД комплектующих приводов.

Газотурбинный двигатель, который обеспечивает при стандартных атмосферных условиях получение за силовой турбиной температуры порядка 450…500С, считается пригодным для использования в составе ПГУ. Это положение, очевидно, не является строгим, поскольку в нем не находит отражение фактор районирования, определяющий годовые колебания атмосферной температуры. Однако обычно предъявляемое заказчиком требование об эксплуатационном диапазоне по tн от минус 55 до плюс 40C существенно ограничивает возможность использования в составе комбинированных ПГУ высокоэффективных авиационных газотурбинных двигателей с большой степенью сжатия и относительно низкой температурой за силовой турбиной. Выходом из этой ситуации может быть повышение температуры перед силовой турбиной или за ней путем дожигания топлива в потоке поступающего в нее газа. Сравнение основных показателей установок с дожиганием топлива перед силовой турбиной и в шахте выполнено для ПГУ, в составе которой использован газотурбинный привод НК-37. На рис. 5 представлено изменение мощности исследованных вариантов парогазовых установок в зависимости от tн и приведены численные значения КПД в характерных точках. Так, кривая 1 характеризует базовый привод с учетом программы его регулирования; кривая 2 соответствует изменению мощности и КПД парогазовой установки, созданной на базе газогенератора НК-37, без дожигания; кривая 3 отражает влияние дожигания за силовой турбиной ПГУ (в шахте) на мощность и КПД; кривая 4 отражает эффективность дожигания газа перед силовой турбиной до температуры 1000 К. При этом температура в шахте для вариантов, соответствующих кривым 3 и 4, одинакова, т. е. одинакова мощность, развиваемая паровой приставкой. Показатели установки при температуре перед силовой турбиной Твх СТ = 1180 К отражает кривая 5. Значение Твх СТ = 1180 К рассматривается как предельное для неохлаждаемых турбин большого ресурса. ПГУ без дожигания развивает мощность, существенно меньшую, чем может быть получена при дожигании перед силовой турбиной.

Изменение характеристики 2 по tн с эксплуатационной точки зрения крайне неблагоприятно. КПД ПГУ с дожиганием, несмотря на дополнительный расход топлива, превосходит КПД ПГУ без дожигания. Например, при Твх СТ = 1180 К и tн = -50 оС КПД равен 50,4% вместо 46,9% (кривая 2); соответственно мощность установки увеличивается с 36 до 65 МВт.

Представляют интерес и результаты исследования характеристик привода НК-37 с дожиганием перед силовой турбиной при отсутствии паровой приставки. Промежуточный подогрев обеспечивает существенное увеличение мощности привода, но сопровождается уменьшением термического КПД, который тем ниже, чем больше подогрев в промежуточной камере сгорания. Эта тенденция противоположна той, которая получена при дожигании перед СТ в составе парогазового цикла.

Таким образом, оснащение авиационного газотурбинного привода камерой дожигания с умеренной степенью подогрева газа перед СТ позволяет решить проблему использования высокоэффективных авиационных приводов в составе ПГУ.

Помимо существенного форсирования мощности и повышения экономичности к достоинствам парогазовой схемы относятся также малые безвозвратные потери специально подготавливаемой цикловой воды; компенсации подлежат только утечки из уплотнений и систем деаэрации и вакуумирования. Однако большая металлоемкость и конструктивная сложность паротурбинного контура, а также дополнительные трудности эксплуатации, ограничивают использование таких агрегатов главным образом станциями городского типа.

Схема комбинированной установки с выносным энергоблоком приведена на рис. 6. В ГТУ предусматривается утилизация тепла в газовоздушном ТО и в ТО «газ-вода-пар», а также использование для подогрева и испарения воды суммарного расхода газа двух турбин, что обеспечивает возможность получения нетрадиционно высокого КПД и мощности установки. ГТУ новой схемы на базе привода второго поколения НК-12СТ обеспечивает форсирование мощности установки с 6,3 до 15,5 МВт, т. е. почти в 2,5 раза и увеличение КПД с 26 до 36%, т. е. почти в 1,4 раза. Мощность установки на базе привода НК-30СТ увеличивается с 25 до 53,7 МВт, КПД – с 29,8 до 38,1%, мощность установки на базе привода НК-37 – также с 25 до 53,7 МВт, КПД – с 36,4 до 42,7% (см. рис. 1). При использовании данной схемы с паротурбинной приставкой и дожиганием топлива перед силовой турбиной привода мощность установки на базе НК-30СТ увеличивается до 95,25 МВт при КПД 54,5%, а на базе привода НК-37 мощность оказывается равной 93,5 МВт, КПД составляет 55%.

ГТУ с выносным энергоблоком открывают возможность получения одного кВт установленной мощности с относительно низкой стоимостью (С=220…230 дол. США), а также создания их в короткие сроки, с быстрой окупаемостью инвестиций.

Комбинированная энергетическая установка новой схемы, создаваемая на базе серийно выпускаемых приводов «НК», обеспечивает получение существенно больших КПД и мощности, чем исходные приводы. Могут быть созданы ГТУ мощностью от 15 МВт до 95 МВт и КПД до 55%.

Схема сдвоенного привода, включающая два ГТД НК-37 простого цикла, два котла-утилизатора и одну паровую турбину. Максимальная мощность, которая может быть получена в данной ГТУ, равна 66 МВт при КПД 48,6%. При этом мощность паротурбинной приставки составляет примерно 30% от мощности газотурбинной части. В случае применения двигателя НК-37-1 мощностью 30 МВт суммарная мощность ГТУ по рассматриваемой схеме может быть реализована на уровне 78 МВт. Для повышения эффективности ГТУ с НК-37 по мощности и КПД целесообразно использовать дожигание топлива в шахте или перед силовой турбиной двигателя. Например, при =1180 К мощность ГТУ увеличивается с 66 до 96 МВт, а КПД с 48,6 до 51,2%.

Двухконтурный газотурбинный двигатель для привода ГПА (рис. 7). Наличие вентиляторного контура у базовых двигателей с относительно низкими параметрами потока вII и ТвII позволяет в принципе рассматривать регенерацию в нем тепла с помощью теплообменного аппарата как резерв повышения КПД и мощности газотурбинного привода. Теплообменник должен быть модульной конструкции, обеспечивать большой ресурс работы, обладать умеренной металлоемкостью, быть транспортабельным и обеспечивать при умеренных гидравлических потерях получение степени регенерации рег ~ 0,8…0,9. Перспективным может оказаться регенеративный теплообменник с матрицей, имеющей коэффициент компактности более 0,8103 м2/м3. Рабочим телом турбины второго контура является подогретый воздух. Для получения высоких значений КПД ГТУ необходимо стремиться к обеспечению гидравлических потерь в теплообменнике по газовой и воздушной линиям ~ 2…3%, а 0,85.

Показано, что в цикле привода НК-16СТ увеличение эф равно приблизительно 3,5%, а в цикле привода НК-30СТ примерно 4,5%. Это различие вызвано неодинаковостью температуры выхлопных газов, последняя в цикле привода НК-30СТ выше на 70%.

Основным недостатком является сложность создания высокоэффективного транспортабельного теплообменного аппарата модульной конструкции и повышенная металлоемкость.

Таким образом, выполненные расчетные исследования двухконтурной ГТУ с параметрами ГТД НК-36СТ и вентилятором с = 2,5 показывают, что КПД такой установки может быть получен равным 40,5% , а мощность 27,5 МВт.

Двухконтурный привод может оказаться выгодным при решении других энергетических задач, например, в комбинации с одноконтурным, имеющим сравнительно низкие значения и цикла. В этом варианте воздух, сжатый в наружном контуре вентилятора с 2,0, отбирается и подается на вход в низконапорный привод, имитируя эффект дополнительного контура. При этом возрастает мощность и суммарный термодинамический эффект.

Работы по двухконтурной ГТУ с регенерацией тепла оказались весьма полезными при рассмотрении их применительно к авиационному турбовинтовому двигателю.

Труды XIII международной научно-технической конференции по компрессоростроению. Сумы 2004