Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
|
Эффективность газотурбинных энергетических установок на базе альтернативных топлив для специализированных судов М.Р. Ткач – Национальный университет кораблестроения им. адмирала Макарова (г. Николаев) |
|
Применение газотурбинных двигателей простой схемы позволяет создавать судовые энергетические установки (СЭУ) различного назначения. Использование сырой нефти и отходов термопластичных полимеров в качестве сырья для получения альтернативных видов топлива обеспечивает высокую эффективность СЭУ на специализированных судах и технологических платформах [2]. Плавучие производственные комплексы (общее количество которых составляет более 150 единиц) применяются при разработке нефтегазовых месторождений, производстве олефинов, для обеспечения электроэнергией и теплом и т.д. Их использование дает ряд существенных преимуществ по сравнению со стационарным размещением производств. Топливная составляющая эксплуатационных затрат судов по добыче и переработке энергоресурсов, выработке электроэнергии и переработке отходов достигает в ряде случаев 60%. Снизить эти затраты можно за счет применения альтернативных топлив. В состав судовой энергетической установки, обеспечивающей выработку электроэнергии с использованием альтернативного топлива, входит несколько подсистем. Технологическая подсистема включает оборудование первой и второй ступени технологического процесса (ТП). Энергетическая подсистема включает в себя главные и вспомогательные двигатели, а также оборудование по утилизации тепла (рис. 1). Теплоутилизационный контур (ТУК) выполнен по традиционной схеме одного давления на водяном паре. Утилизационный парогенератор (УПГ) включает в себя пароперегревательную, испарительную и экономайзерную поверхности нагрева. В схеме предусмотрены также отборы перегретого и насыщенного пара. Массовый и удельный расход перерабатываемого сырья на 1 кВт•ч отпускаемой потребителю электроэнергии, кпд процесса производства электроэнергии и электрическая мощность СЭУ специализированного судна определены как [5]: где Электрическая мощность, расходуемая на подогрев альтернативного топлива в первой и второй ступенях ТП, а также значения температуры в соответствующих сечениях тепловой схемы определяются тепловым балансом технологической подсистемы [5]. Проектная величина минимального температурного напора за второй ступенью ТП ΔTкр = 20…100 K принимается на основе оптимизированных расчетов. В ряде случаев температура газа на выходе из ГТД достаточно высока, и дополнительный подвод энергии не требуется. Сохранение заданных величин параметров технологической подсистемы требует перепуска части газа после ГТД. Тогда температура газа на входе в УПГ ТУК определится из уравнения смешения для расчетного сечения. Основные параметры базовых ГТД: мощность, кпд , расход и температура газа на выходе — приводятся изготовителем в условиях ISO 2314 [1]. При судовом применении ГТД параметры претерпевают ряд изменений, что учтено методом малых отклонений и представлено в виде зависимости их от потерь полного давления по газовоздушному тракту ГТД. Влияние температуры наружного воздуха Тн на относительное изменение мощности, кпд и расход газа на выхлопе учтено в представленных данных завода–изготовителя [5]. Для некоторых типов двигателей установлено дополнительное ограничение максимального значения температуры T4. Мощность паровой турбины ТУК, паропроизводительность утилизационного парогенератора, давление в сепараторе и оптимальная температура перегрева пара УПГ определяются традиционным методом [6]. Исследование влияния начальной температуры воздуха на показатели СЭУ специализированного судна выполнено применительно к ГТД производства НПКГ «Зоря»– «Машпроект» [1]. В качестве варианта альтернативного топлива использованы отходы термопластичных полимеров. Основные показатели технологического процесса даны в [2, 3]. Необходимые для реализации модели характеристики двигателей GT2500, GT6000, GT15000, GT25000 согласно ISO 2314 приведены в [1, 4, 5]. Результаты исследований получены в диапазоне температур наружного воздуха 258…318 К при следующих исходных данных: минимальные температурные напоры составляют 55 К; удельный расход электроэнергии на собственные нужды технологического оборудования Nсн = 200 Вт•ч/кг; удельные затраты тепла на первую и вторую ступени ТП Qпл = 300 Вт•ч/кг и Qкр = 900 Вт•ч/кг; коэффициенты восстановления полного давления на входе и выходе ГТД vвх = 0,985 и vвых = 0,96; кпд электрогенератора hген = 0,962, кратность циркуляции k1 = 1,2…1,8; кратность охлаждения парового конденсатора ЦК = 70…100. Как следует из приведенных данных, в рассматриваемом диапазоне параметров существуют максимальные значения кпд и электрической мощности СЭУ специализированного судна (рис. 2). Максимальное значение кпд СЭУ на базе GT6000 достигается при температуре наружного воздуха 27…35 °С. При увеличении мощности значения температуры снижаются. Так, применительно к GT15000 значения находятся в диапазоне 7…17 °С, а для GT25000 — снижаются до 2…7 °С. Это является следствием двух противоположных процессов, происходящих в подсистемах СЭУ специализированного судна. При снижении температуры наружного воздуха увеличивается кпд двигателя и повышается электрическая мощность, вырабатываемая в энергетической подсистеме СЭУ. Одновременно понижается температура уходящих газов двигателя, что приводит к повышению затрат электрической энергии на технологический нагрев в первой и второй ступенях ТП. Это, в свою очередь, приводит к снижению кпд и электрической мощности СЭУ. Для обобщения полученных результатов электрическая мощность СЭУ представлена применительно к каждому базовому ГТД в виде относительного значения Nэл/NГТДiso. Максимальное значение электрической мощности СЭУ применительно к GT6000 достигается при температурах наружного воздуха –8...+2 °С (рис. 2б). C повышением температуры наружного воздуха увеличивается мощность ГТД. Так, применительно к GT25000 максимальная электрическая мощность достигается в диапазоне температур –3…+7 °С. Следует отметить, что в данном случае оптимальное значение температуры по кпд и электрической мощности СЭУ совпали. Утилизация тепла обеспечивает повышение кпд и электрической мощности СЭУ в 1,15–1,3 раза. В рассматриваемом диапазоне значений температуры наружного воздуха применительно к газотурбинной СЭУ с утилизацией тепла также существуют максимальные значения кпд и электрической мощности (рис. 3). Так, на базе GT6000 с теплоутилизационным контуром максимальное значение кпд СЭУ достигается в диапазоне температур наружного воздуха 7…47 °С (рис. 2а). Применительно к GT15000 с ТУК диапазон температур равен –8…+12 °С, а для GT25000 он составит –13…+27 °С. Максимальное значение электрической мощности СЭУ на базе GT6000 с ТУК достигается в диапазоне температур наружного воздуха –3…+17 °С (рис. 3б). При снижении температуры наружного воздуха мощность ГТД увеличивается, обеспечивая максимальную электрическую мощность СЭУ. Литература |