Повышение энергетической эффективности ГПД с турбокомпрессорным утилизатором и регенерацией теплоты

Применение турбокомпрессорного утилизатора возможно на базе авиационного или судового двигателя, но требует усложнения цикла при глубокой утилизации теплоты выхлопных газов. Высокая энергетическая эффективность ГТУ достигается за счет применения силовой турбины перерасширения (СТП) в сочетании с регенерацией теплоты.

На рис. 7.9 приведена схема ГТД с турбокомпрессорным утилизатором (ТКУ), в состав которого входят: турбина перерасширения (ТП), дожимающий компрессор (ДК) и теплообменники.

Рисунок 7.9 – Схема ГТД с ТКУ и регенерацией теплоты:

К – компрессор; КС – камера сгорания; ТК – турбина компрессора; СТП – силовая турбина перерасширения; G_во – расход воздуха на охлаждение; ДК – дожимающий компрессор; Р – регенератор; ОГ – охладитель газа; Н – нагрузка

Утилизация теплоты выхлопных газов в данной установке производится трижды:

- в силовой турбине, которая сблокирована с турбиной перерасширения, газ расширяется до давления ниже атмосферного и производит дополнительную работу;

- в процессе охлаждения газа после силовой турбины перерасширения СТП, при котором отведенная теплота регенерируется, т.е. используется на подогрев сжатого в компрессоре воздуха перед камерой сгорания;

- в охладителе газа (ОГ), который отбирает оставшуюся часть теплоты и выполняет роль теплогенератора, превращая ГТД в когенерационную установку.

В оптимальном варианте, при π_к = 4…6 внутренний КПД ГТД с ТКУ и Р достигает 44…46 %. Удельная мощность данной установки n_уд в 1,5…1,75 раз больше, чем в ГТД с регенератором. Теплотехнический КПД в оптимальном варианте достигает 80 %.

Данные, приведенные в табл. 7.4, показывают, что применение ТКУ в ГТД с регенерацией теплоты увеличивает эффективный КПД ГТД с ТКУ и Р по сравнению с ГТД – 10 простого цикла на 20 %.

Таблица 7.4 – Сравнительные данные основных параметров ГТД простого типа и ГТД с ТКУ и регенерацией тепла

Параметры установок	ГТД-10	ГТД с Р	ГТДсТКУиР
Мощность на фланце привода нагнетателя, МВт	10,0	10,0	10,0
Мощность тепловая, МВт	12,9	-	9,14
Температура газа перед турбиной, К
Расход воздуха на входе в ГТД, кг/с	36,2	36,2	31,08
Степень повышения давления в компрессоре ГТД	19,5	8,0	5,0
Степень повышения давления в дожимающем компрессоре	-	-	2,2
Степень регенерации	-	0,8	0,8
Частота вращения силовой турбины, мин-1
Эффективный кпд в условиях 180, %	36,0	40,4	43,2
Теплотехнический КПД, %	76,9	-	80,3

В результате испытаний установлено уникальное свойство ГТУ со свободным (не связанным механически) ТКУ – постоянно высокий теплотехнический КПД на всех режимах нагружения.

В настоящее время ГП НПКГ "Зоря" – "Машпроект" и СевНТУ разрабатывается проект на создание когенерационного ГТД мощностью 10 МВт с ТКУ и Р для газоперекачивающего агрегата. На рис. 7.10 показана универсальная "кольцевая" компоновка ГТД с ТКУ и Р, удобная для применения в составе газоперекачивающего агрегата КС.

Применение турбокомпрессорного утилизатора на базе высокотемпературных авиационных или судовых двигателей как простого цикла, так и с регенерацией теплоты удобно, т.к. не требует конструктивных изменений самого газогенератора.

Газотурбинные двигатели с турбокомпрессорными утилизаторами (ГТД с ТКУ) пока не применяются на КС МГ, но являются перспективными двигателями, которые могут быть применены для газоперекачивающего агрегата.

Рисунок 7.10 – Когенерационный ГТД с ТКУ и Р мощностью 10 МВт