Теплообменные устройства в газотурбинных установках

В условиях физического и морального старения основного генерирующего оборудования, ухудшения его технико-экономических показателей, плохого инвестиционного климата, обострения топливного дефицита необходим поиск решений, оптимальных по соотношению затрат и результатов, дающих быстрый эффект. В настоящее время ведется активное внедрение более ресурсоемких методов выработки электроэнергии, основным из которых предлагается использование газотурбинных установок (ГТУ). Создание на базе ГТУ электростанций позволяет решить проблему дефицита электрической энергии отдельных регионов, обеспечить бесперебойное энергоснабжение жилищно-коммунального сектора и промышленных предприятий.

Основными преимуществами ГТУ являются:

• малые выбросы вредных веществ в атмосферу;

• малые вибрации и уровни шума;

• компактные размеры;

• значительный экономический эффект (экономия на ЛЭП и т.п.) [4].

Газотурбинные установки имеют единичную электрическую мощность от 20 кВт до нескольких десятков МВт. Электрический КПД современных газотурбинных установок составляет 25 – 33 %. Для повышения КПД установок в конструкции применяются теплообменные устройства (теплоообменники), которые позволяют существенно повысить эффективность использования топлива и увеличивают КПД установок до 60-80 % [2, 3].

Соотношение производимой электрической энергии к тепловой энергии у ГТУ составляет ~ 1:2, т.е. газотурбинная установка с электрической мощностью 10 МВт способна выдать до 20 МВт тепловой энергии.

По принципу действия теплообменники подразделяют на три вида:

• рекуперативные;

• регенеративные;

• смесительные.

В рекуперативных теплообменниках теплоносители омывают стенку с двух сторон и обмениваются при этом теплотой. Процесс теплообмена протекает непрерывно и имеет обычно стационарный характер. Стенка, которая омывается с обеих сторон теплоносителями, называется рабочей поверхностью теплообменника.

Рекуперативные теплообменники подразделяют в зависимости от направления движения теплоносителей. Если теплоносители движутся параллельно в одинаковом направлении, теплообменник называют прямоточным, а при противоположном направлении движения – противоточным. В теплообменнике с перекрестным током теплоносители движутся во взаимно перпендикулярных направлениях, при этом возможен однократный и многократный перекрестный ток. Встречаются и более сложные схемы движения теплоносителей.

Рекуперативные теплообменники, предназначенные для утилизации теплоты в газотурбинных установках, называют регенераторами; теплообменники для рассеивания теплоты горячей воды в окружающее пространство называют радиаторами.

В регенеративном теплообменнике одна и та же поверхность поочередно омывается то горячим, то холодным теплоносителем. При соприкосновении с горячим теплоносителем стенка аккумулирует теплоту, а затем отдает ее холодному теплоносителю. Для удовлетворительной работы теплообменника его рабочие стенки должны обладать значительной теплоемкостью.

Характерная особенность регенеративного теплообменника – нестационарный режим теплообмена. Чтобы процесс теплообмена протекал непрерывно при одинаковой продолжительности периода нагрева и охлаждения, такой теплообменник должен иметь две параллельно работающие секции.

Внутренняя полость теплообменника заполняется насадкой, которая делается из кирпича, металла или другого материала.

В смесительных теплообменниках процесс теплообмена сопровождается перемешиванием теплоносителей, т.е. они непосредственно соприкасаются друг с другом. Поэтому смесительные теплообменники называются также контактными. Процесс теплообмена в таком аппарате имеет стационарный характер и сопровождается испарением жидкости.

Смесительный теплообменник целесообразно использовать для таких теплоносителей, которые легко разделить после теплообменного аппарата. Например, такой парой теплоносителей является вода и воздух.

Из трех рассмотренных выше видов теплообменников наиболее широкое и разностороннее применение находят рекуперативные теплообменники [1].

По конструкции теплообменник может быть:

• объемным;

• пластинчатым;

• скоростным (также называют кожухотрубным);

• спиральным.

В объемном теплообменнике одна среда сосредоточена в баке большого объема, вторая – протекает через змеевик.

В кожухотрубных теплообменниках [5] (рис. 1) среды движутся с достаточно большой скоростью для увеличения коэффициента теплоотдачи. Сам теплообменник представляет собой один большой кожух (трубу), в котором находится много мелких трубочек. Одна среда в нем двигается в межтрубном пространстве, другая – внутри трубочек. Обычно в трубочках находится более "грязная" среда, так как их легче чистить.

Современные пластинчатые теплообменники [5] (рис. 2) состоят из набора пластин. Среды в них движутся между пластинами. Такие теплообменники просты в изготовлении (штампованные пластины с прокладками между ними складываются в пакет пластин), легко модифицируются, характеризуются хорошей эффективностью.

Для нагревания и охлаждения высоковязких жидкостей чаще используют спиральные теплообменники – два спиральных канала, навитых из рулонного материала вокруг центральной разделительной перегородки (керна), по которым движутся среды.

Теплообменники характеризуются рядом показателей: особенностями конструкции, габаритами, массой, удобством обслуживания, условиями теплообмена, КПД, гидродинамическим совершенством, долговечностью, эстетикой, тепловой производительностью, температурными условиями процесса, физико-химическими свойствами теплоносителей, стабильностью процесса и др.

Такие требования к рекуперативным теплообменным аппаратам, как технологичность изготовления, эффективность достижения благоприятных тепловых и гидравлических режимов, эксплуатационные качества, компактность и металлоемкость приближенно оценены для некоторых типов рекуперативных теплообменных аппаратов в таблице 1 [5].

Таблица 1 - Требования к рекуперативным теплообменным аппаратам

Наиболее широкое применение в ГТУ получили пластинчатые теплообменники [4, 5].

Использование теплообменников в конструктивных схемах газотурбинных установок позволяет значительно снизить расход топлива и, как следствие, увеличить полную эффективность установок и снизит объёмы вредных выбросов, что позволяет значительно снизить расходы на запуск электростанций и ускорить их окупаемость.

Литература:

1. П.А. Антикайн, М.С. Аронович, А.М. Бакластов. Рекуперативные теплообменные аппараты. М.-Л. - Госэнергоиздат, 1962. – 230 с.

2. Turbec Spa Т100 - Техническое описание.
3. Elliott TA 100 R CHP - Техническое описание.

4. Газотурбинные установки и газопоршневые электростанции, микротурбинные установки, микротурбины, когенераторные установки [Электронный ресурс]/ 2005-2010. – Режим доступа: http://manbw.ru/, свободный.

5. Портал теплообменного оборудования [Электронный ресурс]/ 2009-2010. – Режим доступа: http://www.teploobmenka.ru/, свободный.

Работа выполнена при финансовой поддержке гранта МД-277.2010.8