Газовые турбины в энергетике – задачи и возможности Ст. Петербург Симпозиум «ГЛЭН» 04. VI. 2008 Академик О. Н. Фаворский
ПРИМЕНЕНИЕ ГАЗОТУРБИННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ (ГТД) Авиация ТВал. Д (вертолеты) ТВинт. Д ТРДД (Ф) Газогенератор ТВал. Д Колесный транспорт (ж/дорожн. , авто, танки) Комбинированные (с/зв) (летательные аппараты) Газоперекачка ТВал. Д Отбор воздуха в ГДЛ Электрогенерация Энергетика Транспорт Судовые ТРД (Ф)
ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ НК-37 Технические характеристики (стандартные условия, газовое топливо) Мощность, к. Вт Эффективный коэффициент полезного действия, % Частота вращения ротора силовой турбины, об/мин Степень повышения давления Температура газов перед турбиной, К Общетехнический ресурс, час 25000 36. 4 3000 23. 12 1420 3000 ТРАКТ ВЕНТИЛЯЦИИ И ОХЛАЖДЕНИЯ ГАЗОГЕНЕРАТОР С БАЗОВОГО ДВИГАТЕЛЯ МОДУЛЬ ГАЗОГЕНЕРАТОРА МОДУЛЬ СВОБОДНОЙ ТУРБИНЫ
ТОПЛИВНАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ (КПД цикла) Решающее влияние в преобразовании энергии топлива в механическую энергию на валу теплового двигателя оказывает максимальная температура сгоревших газов Тmax Поршневые двигатели Т˚С КПД % Доля в РФ max Паровые турбины Газовые турбины Парогазовые установки 1800 - 2200 300 - 620 700 - 1700 800 - 1500 40 - 50 20 – 47 (36%) 20 – 45 (36%) 40 – 60 (65) (52%) ~ 3% ~ 94, 5% ~ 1, 5% Потери – энергия (Т) отработавших газов
Тг макс, ˚C 1600 Военная авиация 1400 Гражданская авиация Газовые турбины 1200 ЭС Охлаждение 1000 Материалы 800 600 Паровые турбины 400 1950 1970 1990 2010 Годы
ГАЗОТУРБИННАЯ УСТАНОВКА (ГТУ) Tg max Tg min Развитие параметров Пк Усложнение цикла 5 15 35 Тг, °С 700 1000 1300 , % 18 32 42 1. 2. 3. (Пк = 5; Регенерация тепла в теплообменнике (Δвр = 4%) + промохл. + промподогрев ( = 0. 8) Тг = 1200°С; = 30%) = 0. 8 = 44% 0. 9 51% 0. 95 55% Исх. =44% +2 ПО +1 ПП 54% 56% Регенерация тепла паром (пар. охл. ; Пк = 60 Тг = 1600°С) ~ 65% (Карно = 85%)
РАЗВИТИЕ ЭНЕРГОУСТАНОВОК Макс. КПД, % T max T N Топливный элемент + усовершенств. ПГУ Усовершенств. ПГУ Простая ПГУ 70% 62 – 64% 52 – 56% Газовая турбина + топливный элемент Современная газовая турбина Простая газовая турбина 54 – 56% 42 – 44% 32 – 36% N T min Современная усоверш. газовая турбина Простая паровая турбина 42 – 44%-48% 30 – 34% S
ЭФФЕКТИВНОСТЬ «КАСКАДИРОВАНИЯ» ТЕПЛА Т С ТОПЛИВО ГТУ ПТУ N 1 Электроэнергия N 2 Электроэнергия % от Qтоплива 30 - 42 15 - 25 Qт ТО Q 1 пар высокого давления ТО Q 2 пар низкого давления ТО Q 3 горячая вода ТО Q 4 теплая вода Qотв Полный (реальный) кпд до 93 – 94% от Qтоплива 25 - 30 8 – 10 5– 8 3 -5
ГТД – РЕЗУЛЬТАТ КОМПЛЕКСА ИССЛЕДОВАНИЙ И РАЗРАБОТОК Газодинамика Термодинамика Тепломассообмен Горение, экология Материаловедение ГТД Технология производства Прочность (литье, механообработка, пайка, сварка, прессование, покрытия, термообработка) Технология проектирования Технология испытаний
ОХЛАЖДЕНИЕ РАБОЧЕЙ ЛОПАТКИ ТУРБИНЫ Задачи: Ø Уменьшение расхода воздуха Ø Выравнивание поля температур в лопатке Ø Возможность уменьшения веса Тв=400 С Тг=1400 С 830 950 ¯ Gв ~ 5% Каналы в стенке лопатки 1, 645% Давление газа на поверхности и воздуха в каналах Высота лопатки Стержни, образующие каналы в стенке лопатки при литье
НЕСТАЦИОНАРНЫЕ ЭФФЕКТЫ ПРИ РОТОР-СТАТОР ВЗАИМОДЕЙСТВИИ
ГОРЕНИЕ Гетерогенное Гомогенное Каталитическое Воздух Топливо ~ const ≥ Пламя Воздух Пламя Стабилизатор Смеситель Катализатор Проблемы С Полнота сгорания, Стенки мг/м 3 Смешение, Стабильность фронта Параметры сгорания гомогенное горение, эксперимент 7 атм 543 К NOx Нu ─ Ккал/кг ¯ ─ полнота Тmax Δp w расход топлива 100 эффективность использования Тmax ~ 2000 С неустойчивость, виброгорение 1, 4 1, 6 1, 8 рациональный режим 2 1500 1000 NOx ~ 150 - 500 ppm 50 15 - 60 1 -3 Сотни уравнений химических реакций с новыми эффектами взаимодействия частиц и неравновестностью процессов по тракту
КИНЕТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ГОРЕНИЯ УГЛЕВОДОРОДНЫХ ТОПЛИВ В КАМЕРАХ СГОРАНИЯ РЕАКТИВНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ И ЭНЕРГОУСТАНОВОК Cn. Hm + воздух + (H 2 S, COS, CS 2) Кинетика горения различных углеводородов: CH 4, C 3 H 8 … i-C 8 H 18, n. C 10 H 22 Кинетика образования N‑содержащих компонентов Механизм N 2 O Зельдовича механизм Механизм Фенимора NNH механизм Кинетика образования S‑содержащих компонентов : SO 2, SO 3, H 2 SO 4 и др. Кинетика образования ионов: NO+, H 3 O+, NO 3 -, SO 2 -, HSO -, C H + и др. 4 x y Механизм образования элементов группы HNOy H 2 O, CO 2, H, O, OH, HO 2, CH 2 O, органика, сажевые предвестники (полииновые и полиароматические молекулы) NOx, HNOy, Nx Hy , Cx Hy SO 2, SO 3, H 2 SO 4 NO+, H 3 O+ -, NO -, SO -, HSO NO 2 3 3 4 Cx. Hy+, полиароматические углеводородные и фуллереноподобные ионы Формирование газообразных соединений, жидких сульфатных и сажевых аэрозолей в выхлопных струях
СХЕМЫ ОХЛАЖДЕНИЯ СТЕНОК Струйная Конвективная Пленочная Холодный воздух Горячий газ 0, 4 Gохл/G Тг ~ 1500 С Горячий газ С покрытием Металл Покрытие струйное 0, 3 пленочное Комбинированная Металл 0, 2 С-С стенки конвективно-пленочное Керамические сегменты комбинированное и с покрытием 0, 1 Микропористая 0 900 1100 1300 tст C
ОТЕЧЕСТВЕННЫЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ГТУ Тип ГТУ, изготовитель, год выпуска ГТ-600 -1, 5, НЛЗ ГТ 7004, НЛЗ ГТ 35, ХТГЗ ГТ 70012 М, НЛЗ ГТ 70025, ЛМЗ ГТ 12 -3, ЛМЗ ГТУ 50, ХТГЗ ГТ 45, ХТГЗ ГТ 100, ЛМЗ ГТ 150, ЛМЗ 1955 1957 1970 1961 1969 1955 1960 1989 1969 1989 Начальная температура газов, °C 600 770 700 Мощность ГТУ. МВт: 1, 72 3, 9 31 10, 5 23, 0 13, 6 43, 5 51, 0 91 144 КПД ГТУ, %: 18, 2 16, 0 23, 5 24, 5 22, 0 25, 0 27, 8 28, 0 27, 1 30 Расход воздуха, кг/с 29, 2 45, 9 227 92, 0 188 91, 5 190 271 427 630 Максимальное давление в цикле, 105 Па 3, 57 4, 92 6, 55 6, 85 9, 15 14, 6 16, 35 7, 8 22, 3 13, 0 Показатель 900 1100
ОТЕЧЕСТВЕННЫЕ ПАРОГАЗОВЫЕ УСТАНОВКИ Разработчик, производител ь Год начала серийного производства ГТ Электрическая мощность, МВт КПД, % Номинальная мощность ГТ/ПТ, МВт ОАО ЛМЗ/ ОАО ЛМЗ Проект 270 54, 5 178/100 ПГУ-450 ГТЭ-160/ К-150 - «- 2001 450 51, 7 150/190 ГТЭ-150/ К-70 - «- Проект 230 51, 2 150/70 ПГУ-170 ОАО «Турбомоторный завод» ГТЭ-180/ К-100 ПГУ-230 НПО «Сатурн» Модель ГТ/ПТ ПГУ-270 ОАО ЛМЗ Модель Производитель ГТ/ПТ ГТД-110/ ПТУ-60 НПО «Сатурн» / ОАО ЛМЗ 2002 170 52, 8 110/60 ПГУ 325 ГТД-100 / К-110 -6, 5 - «- Проект 325 51, 5 107, 5/110 ГТЭ-45 У / Т-40 -7, 5 ОАО «Турбомоторный завод» Проект 125 50, 5 42/40 ПГУ-150
СТОИМОСТЬ - РАЗМЕРНОСТЬ ГТУ Цена металла Удельная трудоемкость Удел. вес 10 18 Мощность Трудоемкость 1 Модульность Неоснащенное производство 0. 5 1 10 100 Оснащение Количество изделий 1. 2. 3. Вес узлов (краны, фундаменты…) Время простоя в ремонте Качество ремонта - ресурс
Главный конструктор и руководитель МНПО Союз (завод 300) 1973 -1987 г. г. Созданы: §завершение доводки и сдача в эксплуатацию двигателя Р 27 -300; § газотурбинный двигатель Р 95 -300, одновальный, двухконтурный, уникальный по весу и экономичности; § газотурбинный двигатель Р 79 -300, двухконтурный с форсажом в поворотном на 110˚ сопле, до сих пор нет аналогов в мире; §длительно работающий газодинамический лазер 180 к. Вт (18 к. Вт/кг возд. ) на основе Р 27 -300; §турбовальный двигатель ТВ-О-100 (720 л. с. ); §проект ГТУ 25 МВт для Невского завода (изготовлены и испытаны) Р 27 В-300 Р 95 -300 Р 79 В-300 Сопло (Р 79 В-300) ТВ-0 -300
ГАЗОТУРБИННАЯ ЭНЕРГОУСТАНОВКА ГТЭ-20/55 СТ Производственное объединение «Нафтан» г. Новополоцк, Беларусь Номинальная/пиковая мощность, МВт - 20 Коэффициент полезного действия на номинальном режиме, % - 33 Введена в эксплуатацию в 2000 – 2001 г. г. Окупилась в 2005 г. ГАЗОТУРБИННАЯ ЭНЕРГОУСТАНОВКА ГТЭ-30 -300 Номинальная/пиковая мощность, МВт - 30/33 Коэффициент полезного действия на номинальном режиме, % - 36
РОССИЙСКИЕ ГТУ МАЛОЙ МОЩНОСТИ Марка Город, фирма Мощность, КПД, МВт % 12 21 25 21. 8 26. 5 24. 7 26. 9 Рыбинск, Сатурн 6. 6 25 ГТУ-95 Уфа, Мотор 10 31 Вельск, Эн. авиа 9 37. 2 НК-14 Э Самара, НПО Кузнецова 10 32 ГТУ-16 П Пермь, Авиадвиг. 16. 4 35. 8 ГТЭ-16 НК-1618 ГТЭ-16 ГТЭ-20/55 Ст ГТУ-20 С Ст. Петербург, Невск. завод Самара, НПО Кузнецова Екатеринбург, Турбомотор. Москва, Энергоавиа Москва, Салют 16 16 16 20 20 32. 5 29 30. 4 31. 7 32. 6 НК-37 ГТУ-16 П 0. 075 1. 2 2. 5 4. 0 6. 3 ГТ-9000 ГТУ-4 П Калуга, ОКБМ Ст. Петербург, Пролет. завод Ст. Петербург, НПО Климова Пермь, Авиадвигатель Рыбинск, Сатурн Пермь, Авиадвигатель ГТД-6 РМ ГТУ-2. 5 П ТЭС-75 ГТЭ-1500 ГТУ-2. 5 П ГТА-2, 5 Р/Н ГТУ-4 П ГТУ-6 П Самара, НПО Кузнецова 25 36 АЛ-31 СТ За 2001 -2007 г. г. введено: в электроэнергетике 226 агрегатов (160 российских) — около 1300 м. Вт ГТЭ-1500 НК-14 Э НК-37
УДЕЛЬНАЯ СТОИМОСТЬ РОССИЙСКИХ ПГУ И ГТУ-ТЭЦ на газе Удельная стоимость российских ПГУ и ГТУ-ТЭЦ на газе, дол/к. Вт ПГУ 500 м. Вт/ВТИ ГТУ-ТЭЦ 20 м. Вт/55 ст Газотурбинная установка 117 20% 165 54% Паровая турбина 63 10. 8 - - Котел 99 17 100 16. 6 Электрооборудование 49 8. 4 40 6. 7 КИП и автоматика 45 7. 7 25 4. 2 Пароводяной тракт 47 8 - - Проект 54 9. 2 35 5. 2 Строительство 45 7. 7 35 5. 2 Финобеспечение 65 11. 1 20 3. 3 584 100% 420 В с е г о: N - 157 МВт N – 169, 2 МВт N – 165 МВт Сименс GE Alstom ГТУ V – 94, 2 PG – 92, 31 GT - 13 143 дол/к. Вт 154 дол/к. Вт 157 дол/к. Вт 100%
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ГТУ В ЭНЕРГЕТИКЕ, РАБОТАЮЩЕЙ НА ГАЗЕ Замена 50% ПТ на ПГУ Замена 50% котельных на ГТУ-ТЭЦ централизованные +13 ГВт КЭС +12 ГВт децентрализованные +65 ГВт 25 ГВт +22 ГВт 87 ГВт 112 ГВт – без строительства новых А) тот же газ, но меньше тепла на 20% то же тепло, но больше газа на 22% Б) то же тепло, но больше газа на 13% (вдвое выгоднее, чем новые ТЭС)
Скачать презентацию Газовые турбины в энергетике задачи и возможности
3e231696582ba3a4059b11bdac49503c.ppt