Оценка термодинамической возможности регенеративного использования теплоты отходящих газов в ГТУ

Регенеративное использование теплоты отходящих газов ГТУ позволяет сократить расход топливного газа, является эффективной мерой ресурсосбережения и поэтому постоянно привлекает внимание.

Существует реальная термодинамическая возможность относительной экономии топливного газа за счет регенерации тепла, для оценки которой необходимо учитывать фактические температурные режимы.

Рассмотрим блок – схему регенеративной ГТУ (рис. 4.5).

ОК

КС

ГТ

Р

t4

t3

ti

t2

t1

топливо

ОК – осевой компрессор;

Р – регенератор;

КС – камера сгорания;

ГТ – газовая турбина

Рисунок 4.5. Блок – схема регенеративной газотурбинной установки.

t₁ – температура воздуха на входе в осевой компрессор; t₂ - температура воздуха на выходе из осевого компрессора и входе в регенератор; t_i – температура на выходе из регенератора; t₃ – температура продуктов сгорания на входе в газовую турбину; t₄ – температура уходящих газов.

Как видно, регенерация теплоты, теряемой с уходящими газами, возможна лишь в том случае, когда температура уходящих газов t₄ (на выходе из ТНД) превышает температуру t₂ воздуха на выходе из осевого компрессора, т.е. при выполнении условия:

(t₄ - t₂) > 0. (4.8)

Коэффициент регенерации φ характеризует долю возвращенного тепла и определяется как безразмерная величина соответствующими перепадами температур:

. (4.9)

Разность температур (t₄ - t₂) определяется термодинамическим расчетом и зависит от степени повышения давления воздуха π в осевом компрессоре, температуры t₁ наружного воздуха на всасывании ОК и должна обеспечить необходимую температуру t₃ продуктов сгорания перед газовой турбиной.

На рис. 4.6 представлены действительные температуры газов за компрессором t₂ и за газовой турбиной t₄.

Чем больше разность температур (t₄ - t₂), тем больше резерв тепла, часть которого можно использовать. Поэтому для определения эффекта от регенеративного подогрева циклового воздуха вводится так называемая характеристика регенеративного использования тепла e₁,

, (4.10)

которая позволяет выявить реальную возможность регенеративного использования тепла.

Величина характеристики регенеративного использования тепла может быть e₁ > 1, что свидетельствует о наличии резерва теплоты и используется в регенеративных ГТУ. Если e₁ <<1, то регенерация тепла невозможна.

Таким образом, чтобы определить возможность работы ГТУ по регенеративному циклу, необходимо рассчитать величину e₁, которая должна быть e₁ >> 0 (табл. 4.3).

В табл. 4.3 приведены показатели термодинамических циклов ГТУ, эксплуатируемых на газопроводах, позволяющие оценить возможности регенеративного использования тепла для различных типов ГТУ.

Рассмотрение возможности регенеративного использования тепла уходящих газов ГТУ показывает, что не всегда можно осуществить регенеративный цикл. Если температура t₄ уходящих газов равна температуре t₂ на выходе осевого компрессора, то характеристика регенеративного использования тепла будет равна "0":

.

Величина ε₁ может быть и отрицательной, как например, у агрегата ГПУ – 16:

.

Следует отметить, что регенерация тепла исключается из цикла ГПА, имеющих высокую степень сжатия воздуха по осевому компрессору (на

Степень повышения давления π

Рисунок 4.6 - Действительные температуры газов за компрессором t₂ (штриховая линия) и за газовой турбиной t₄ (сплошная линия)

Таблица 4.3 - Возможности регенеративного использования тепла для различных типов газотурбинных установок

(печатать на развороте страниц)

Паспортные показатели ГТУ	Тип ГТУ
ГТ-700-5	ГТК-5	ГТ-750-6	ГТ-6-750	ГТН-6	ГПА-Ц-6,3	ГТК-10-4	ГТНР-10
1. Температура газов перед ТВД, 0С
2. Температура газов за ТНД, 0С
3. Температура воздуха за осевым компрессором, 0С
4. Характеристика регенератив-ного использования тепла ε1	1,35	1,35	1,02	0,52	0,52	0,38	1,07	1,17
5. Расчетн. температура воздуха за регенератором при φ=0,8, ti,°С
6. Возможный коэффициент регенерации φрас при ∆Тφ=50 °С	0,84	0,84	0,82	0,72	0,72	0,56	0,84	0,85
7. Удельная мощность регенератора, Q/F1φ Вт/м2	21,0	21,0	20,5	18,0	18,0	14,0	21,0	21,2

Продолжение таблицы 4.3

Паспортные показатели ГТУ	Тип ГТУ
ГТУ-10	ГПУ-16	ГТН-16	ГПА-Ц-16	ГТН-25-1	ГТН-25	Центавр	ГТН-10И	ГТН-25И
1. Температура газов перед ТВД, 0С
2. Температура газов за ТНД, 0С
3. Температура воздуха за осевым компрессором, 0С
4. Характеристика регенератив-ного использования тепла ε1	0,132	-0,04	0,105	0,16	0,15	0,03	0,52	0,66	0,51
5. Расчетная температура воздуха за регенератором при φ=0,8, ti,°С		-
6. Возможный коэффициент регенерации φрас при ∆Тφ=50 °С	0,05	-	0,07	0,25	0,38	-	0,73	0,82	0,82
7. Удельная мощность регенератора, Q/F1φ Вт/м2	1,25	-	1,75	6,25	9,5	-	18,25	20,5	19,5

уровне π = 8…16), а следовательно, и высокую температуру на выходе из осевого компрессора, t₂ = 330…390 °С (табл. 4.3).

Одновременно эти агрегаты, естественно, имеют и низкую температуру за турбиной, на уровне 350…400 °С.

Малая разница перепада температур (t₄ – t₂) определяет низкое значение характеристики регенеративного использования тепла, что практически исключает применение регенераторов для подогрева циклового воздуха, т.к. уровень температуры выхлопных газов в данном случае, недостаточен для регенерации тепла.

К таким агрегатам можно отнести следующие ГПА: ГПУ – 10; ГПУ – 16; ГТН – 16; ГПА – Ц – 16; ГТН – 25; ГТН – 25 – 1, а также новые газоперекачивающие агрегаты типа "Урал" и "Уфа".

Характеристика регенеративного использования тепла не превышает для данного ряда машин значения ε₁ = 0,16, а для ГПУ – 16 становится даже отрицательной: ε₁ = -0,04.

В условиях компрессорных станций МГ, когда нагнетатели природного газа оборудованы газотурбинными агрегатами как регенеративного типа, так и работающими без регенерации тепла, возможно усовершенствование рабочих циклов обоих типов ГТУ в порядке:

- перевода безрегенеративных ГТУ на работу по регенеративному циклу;

- замены пластинчатых регенераторов более эффективными регенераторами нового поколения.