Библиографическое описание:

Сенюшкин Н. С., Лоскутников А. А., Белобровина М. В., Салимова И. И., Жеребило В. Ю. Применение авиационных ГТУ в энергетике // Молодой ученый. — 2013. — №9. — С. 72-74.

В статье проведен обзор основных тенденций и сложностей применение авиационных ГТД в качестве силовых энергетических приводов. Начиная с семидесятых годов прошлого века в энергетике, в нефтяной и газовой промышленности значительную роль начинают играть газотурбинные установки (ГТУ), создаваемые на базе авиационных ГТД путем их конвертирования (от английского слова «conversion»- превращение, изменение, перестройка, переоборудование). Первые опыты с применение газотурбинного привода в энергетике относятся к сороковым годам 20 века.

Энергетические установки, построенные на базе авиационных ГТД, находят применение в различных областях народного хозяйства в качестве: энергоприводов; источников сжатого воздуха с большим расходом; эксгаустеров; струйных и струйно-тепловых машин, используемых для перемещения грунта, очистки поверхности от пыли, грязи, льда и снега, диспергирования воды, вентиляции и т. п.; тепловых машин, применяемых для обогрева и сушки различных объектов, ВПП аэродромов; парогазогенераторов в пожаротушении и т. д.

Идея использования отечественных ГТД в энергетике была высказана профессорами А. Н. Ложкиным и Р. М. Петриченко [2].

Первый опытный образец газотурбогенератора на основе отечественного авиационного газотурбинного двигателя был спроектирован под руководством автора в 1962–63 гг. После всестороннего анализа отечественных ГТД были выполнены технический и рабочий проекты газотурбогенератора на основе турбовинтового двигателя АИ-20.

Проектом обоснована возможность эксплуатации ГТГ при температуре наружного воздуха в диапазоне от –40 до + 50°С [2].

Таким образом, была доказана реальная техническая возможность создания ГТГ промышленного назначения на основе отечественных авиационных газотурбинных двигателей (АГТД).

Показатели тепловой экономичности рассматриваемых ГТУ можно считать удовлетворительными: при использовании двигателей ранних поколений КПД по выработке электроэнергии составляет около 30 % и с более поздними ГТД — 35…38 %. По сравнению с этим средний КПД по выработке электроэнергии в целом по РАО ЕЭС в последние годы составляет около 38 %. Если учесть, что ГТУ очень хорошо вписывается в ГТУ-ТЭЦ для комбинированной выработки тепловой и электрической энергии, то при установке этих ГТУ на ТЭЦ коэффициенты использования тепла топлива могут достигать 80–90 % [1].

В рамках обобщения отечественного и зарубежного опыта, можно заключить, что для разработки и выпуска оригинальных отечественных энергетических ГТУ большой мощности также целесообразно использование авиационной технологии. Опыт, знания и культура производства, сконцентрированные в авиадвигателестроении, дополненные пониманием условий работы, технических и экономических требований к энергетическому оборудованию и опытом изготовления крупных турбин, имеющимися у энергомашиностроителей, создают основу для успеха кооперации авиамоторостроительных и энергомашиностроительных фирм.

Однако если при производстве авиационных ГТД массовый критерий является основным, то при энергетической направленности продукции необходимо сосредоточится на ресурсе (не менее 100000 ч), удельном расходе топлива (экономия в 1 % в течении ресурса переходит в сотни тысяч евро), эмиссии вредных веществ (при превышении норм установку просто запретят или штрафы превысят экономический эффект).

Впрыск пара в камеру сгорания существенно увеличивает удельную (на единицу расхода воздуха на входе в компрессор) мощность турбины; использование пара для охлаждения лопаток позволяет повысить уровень температуры рабочего тела; ввод пара в зону горения способствует снижению эмиссии окислов азота.

Высокие надежность и экономичность ГТУ достигнуты в результате совершенного конструирования и расчетов на основе последних научных достижений в области аэродинамики, тепломассообмена, горения, механики и конструкционной прочности, металловедения, металлургии и формообразования.

Можно привести яркие примеры отечественного энергомашиностроения. Энергоустановка (2НК-37+2КУ+1ПТ) (СНТК им. Кузнецова, г. Самара) обеспечивает мощность 66 МВт при КПД 48,6 %. Энергетическая установка AЛ-31CT разработана НПО «Сатурн» для газоперекачивающего агрегата мощностью 16 МВт. Разработанный ГП НПКГ «Заря-Машпроект» газотурбинный двигатель ГТД-110 мощностью 110 МВт предназначен для использования в составе парогазовых энергетических установок (ПТУ). По своим параметрам установка не уступает современным зарубежным энергоустановкам. Разработка ведется совместно с ОАО «НПО Сатурн». На базе газогенератора авиационного двигателя ПС-90А ОАО «Авиадвигатель» совместно с ОАО ЛM3 приступили к созданию современной энергетической газотурбинной установки ГТЭ-180.

Наиболее предпочтительной выглядит простая схема утилизационной ГТУ, позволяющей теплом выхлопных газов нагревать воду (либо превращать ее в пар), например для отопления жилых массивов или использования для промышленных нужд. Данная схема имеет достаточно высокий коэффициент использования топлива — до 80 %. Также рассматривается схема ГТУ с регенерацией тепла выхлопных газов путем подогрева ими воздуха, поступающего из компрессора в камеру сгорания.

Развитие ГТУ привело к существенному повышению экономичности парогазовых установок. При работе на природном газе их КПД достигли уже 55 %, а эксплуатационные показатели не уступают, и даже превосходят показатели привычных для энергетики паровых энергоблоков. Преимуществами ПГУ, кроме высокой экономичности, являются умеренная удельная стоимость, слабое воздействие на окружающую среду, возможность сооружения за короткое время.

Наибольшая эффективность характерна для крупных бинарных ПГУ-ТЭЦ и мелких (15–20 МВт) ГТУ-ТЭЦ с водогрейными или паровыми котлами, а также для крупных бинарных ПГУ с конденсационной паровой частью.

Характерной особенностью газа как топлива, является то, что он уже находится в газообразном состоянии и, следовательно, не требует предварительного распыла и испарения.

При работе на природном газе снижается температура стенок жаровой трубы и неравномерность температурного поля. Кроме прочего резко снижаются вредные выбросы.

Нормирование вредных веществ в атмосферном воздухе и в воде водоемов производится на основе предельных допустимых концентраций наиболее распространенных в авиационной промышленности и транспорте вредных веществ в атмосферном воздухе и в воде водоемов санитарно-бытового использования.

Характер влияния запыленного воздуха на работу двигателя зависит от физико-химической природы пыли, ее дисперсного состава и концентрации пыли в общем объеме воздуха, засасываемого компрессором двигателя. Пыль в размягченном виде может также откладываться на лопатках компрессора, изменяя геометрию лопатки и ее шероховатость, что приводит к уменьшению коэффициента полезного действия (КПД) и соответственно снижению степени повышения давления и производительности компрессора. Максимальное количество отложений образуется на входном направляющем аппарате и первых ступенях компрессора.

Отложения пыли на деталях двигателя и их абразивный износ при воздействии твердых частиц пыли могут привести как к параметрическим отказам, так и к преждевременным разрушениям деталей двигателя.

Для повышения эффективности борьбы с загрязнением атмосферного воздуха регламентируется общее количество выбросов в атмосферу на основе ограничений предельно допустимых выбросов вредных веществ. Предельно допустимый выброс устанавливается из условия, чтобы содержание загрязняющих веществ в приземном слое воздуха от источника не превышало нормативов качества воздуха.

В настоящее время к загрязнениям среды принято относить все те факторы, которые оказывают вредное воздействие, как на самого человека, так и на ценные для него организмы живой и объекты (ресурсы) неживой природы.

Со стороны газовых турбин наиболее значительными факторами воздействия на окружающую среду являются: тепловые выбросы, выбросы в атмосферу экологически вредных веществ и шум.

Выбросы в атмосферу экологически вредных веществ сопровождаются как возрастанием потребления топлива и атмосферного кислорода, так и увеличением масштабов загрязнения атмосферы выхлопными (дымовыми) газами. Газы эти представляют собой смесь продуктов сгорания с избыточным воздухом. До настоящего времени углекислый газ и водные пары не считались загрязнителями, но такое отношение к ним меняется, поскольку повышение их содержания в атмосфере способно повлиять на ее температуру и, следовательно, изменить климатические условия. Что же касается других компонентов продуктов сгорания, то они либо обусловливают дымление, либо являются токсичными. Наряду с ухудшением видимости взвешенные дымовые частицы продуктов сгорания представляют серьезную угрозу для здоровья человека.

В связи с изложенным, действующими санитарно-гигиеническими нормами установлены предельно допустимые концентрации (ПДК) взвешенных (пылевых) частиц в атмосферном воздухе, как максимально разовые (ПДКмр), так и среднесуточные (ПДКес).

Конвертирование авиационных ГТД в наземные, установки сопряжено с решением ряда экологических проблем:

-          Уменьшается потребление топлива до 40 % при комбинированном производстве электрической и тепловой энергии, соответственно снижаются уровень теплового загрязнения и выбросы вредных веществ в окружающую среду. Использование в качестве топлива природного газа и новых принципов организации горения также снижают выбросы вредных веществ;

-          Исключаются выбросы в атмосферу природного газа за счет использования вместо него сжатого воздуха при выполнении работ по очистке и продувке магистральных газопроводов с помощью генератора сжатого воздуха (ГСВ). В этой установке двигатель одновременно является объектом воздействия окружающей среды, в связи, с чем установлены закономерности изменения параметров и геометрических размеров элементов газовоздушного тракта при работе двигателя в условиях повышенной запыленности воздуха;

-          Исключается использование химикатов при очистке аэродромных покрытий и путей и авиационной техники от атмосферных осадков за счет термокинетического воздействия струйно-тепловой машины на базе авиационного ГТД;

-          Уменьшается водопотребление и исключается применение химических моющих средств при очистке нефтепромысловых труб от отложений с использованием газопаровой смеси, уменьшаются выбросы вредных веществ до уровня, ниже предельно допустимого, с помощью авиационного ГТД, за счет термокинетического воздействия в сочетании с впрыском водяного пара в камере сгорания установки с коаксиально организованным процессом горения.

Внедрение конвертированных авиационных ГТД в энергоустановки определяется:

-          Необходимостью повышения технического уровня и эффективности энергопроизводства, строительства, транспорта и других отраслей хозяйства;

-          Необходимостью сохранения и поддержания высоких технологий авиадвигателестроении за счет расширения сфер применения этих технологий;

-          Необходимостью решения экологических проблем на фоне растущего техногенного воздействия на окружающую среду.

Непрерывно возрастающие требования по охране окружающей среды стимулируют интерес к вопросам как по защите окружающей среды от загрязняющего воздействия газотурбинных двигателей, так и от вредного воздействия факторов окружающей среды на сам двигатель.

Литература:

1.         Изотов С. П., Шашкин В. В., Капралов В. М. и др.: Под общей ред. В.В Шашкина «Авиационные ГТД в наземных установках», J1.: Машиностроение, 1984. 228 с.

2.         Инженерная экология и экологический менеджмент: Под ред. Иванова Н. И., Фадина И. М. М.: Логос, 2003. — 528 с.

3.         Уваров С. Н. Авиационные и газотурбинные двигатели в энергетике. «Энергия», Л.1971.

4.         Сайт ОАО КПП «Авиамотор» http://www.aviamotor.ru. Режим доступа: свободный.

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle