В настоящей статье представлена краткая характеристика функционирования газотурбинных энергетических установок в составе судовых энергетических установок. Автор рассмотрел базовую конфигурацию газотурбинных энергетических установок, а также изучил методы повышения производительности функционирования газовых турбин в установках.
Ключевые слова: судовые энергетические установки, газовая турбина, газотурбинная энергетическая установка, морское судно, судостроение.
Газотурбинные двигатели в составе судовых энергетических установок предлагают широкий диапазон мощности при относительно небольших размерах и используются в различных целях выработки электроэнергии. Стоит отметить, что важной характеристикой газовых турбин, которая делает их более безопасными для окружающей среды по сравнению с дизельными двигателями конкурентов и одной из причин, по которой они имеют лучшее соотношение мощности и веса, является то, что сгорание в газовых турбинах является непрерывным при средних температурах и давлениях ниже, чем пиковые уровни в дизельных двигателях, которые способствуют выбросу NOx [оксиды азота] и, следовательно, требуют более прочных конструктивных решений [2].
Газовые турбины, как основополагающий компонент судовых энергетических установок, могут работать на широком диапазоне видов топлива, включая природный газ, который обеспечивает более чистое сгорание. Причина этого заключается в том, что двигатели с непрерывным потоком развивают устойчивую аэродинамику и кинетику пламени, уменьшая тем самым ограничения, налагаемые на свойства топлива для сгорания, такие как ограничения по октановому числу или цетановому индексу. Более того, фундаментальной характеристикой непрерывного горения в газотурбинном двигателе является то, что время пребывания при высоких температурах пламени [ключевая причина образование NOx] можно контролировать. Помимо этого, баланс между образованием дыма и образованием NOx также может быть легко обеспечен.
Стоит подчеркнуть, что поскольку газовые турбины обладают широкой эксплуатационной гибкостью и удовлетворяют значительную часть общего мирового спроса на энергию, улучшение их экономических и экологических характеристик вызывает серьезную озабоченность у правительств, особенно учитывая увеличение экологических проблем по всему миру. Газовые турбины недавно начали использоваться для обеспечения базовой мощности, которая долгое время использовалась коммунальными предприятиями только для пиковой мощности. По некоторым прогнозам, газовые турбины могут обеспечивать более 80 % всех новых генерирующих мощностей во многих странах в ближайшие десятилетия. В дополнение к достижениям в области производства коммунальной электроэнергии, применение газовых турбин на морских судах значительно расширилось от только военно-морских судов в 1970-х годах до широкого спектра коммерческих и новых военно-морских конфигураций.
Исторически сложилось так, что единственными недостатками газотурбинных двигателей были высокий расход топлива, более низкий коэффициент полезного действия и невозможность сжигания тяжелого топлива. Благодаря достижениям в области разработок газовых турбин энергетических установок и конструкции его двигателя эти недостатки были преодолены. Интересно отметить, что даже при сжигании дизельного топлива модульная газотурбинная установка обеспечивает существенное увеличение прибыли. Помимо этого, они обеспечивают высокий уровень гибкости в отношении конструкции судна и ограничений жизненного цикла. В целом, характеристиками, которые сделали газовые турбины привлекательными для применения в судовых энергетических установках, являются малый вес и объем, высокая надежность, высокая скорость, сниженное число экипажа на борту [для обслуживания двигателя], простота обслуживания и ремонта из-за его модульных частей, низкие затраты на техническое обслуживание и низкий уровень выбросов, которые могут навредить экологии [2].
Обращаясь к конфигурационным и техническим характеристикам, можно сказать, что газовые турбины в составе судовых энергетических установок производятся в виде модулей с определенными размерами и выходными характеристиками, а дизельные двигатели могут быть спроектированы в соответствии с индивидуальными требованиями. Во избежание технических и экономических проблем размер и производительность конкретной газовой турбины всегда следует учитывать на этапе проектирования проекта морского судна. Как правило, газовые турбины для работы на судах создаются на основе легких авиационных двигателей, а не тяжелых и громоздких промышленных двигателей. Таким образом, они выигрывают от интенсивных и дорогостоящих исследований и разработок авиационных газовых турбин [1].
Газотурбинную энергетическую установку приводит в действие компрессор, подающий воздух для сгорания и охлаждения. В любой установке около половины энергии, вырабатываемой турбиной, потребляется компрессором и электрическими потребностями вспомогательного оборудования. Интересно отметить, что в газовых турбинах, используемых в реактивных двигателях самолетов, энергия, оставшаяся в потоке горячего газа, высвобождается с высокой скоростью, чтобы привести самолет в движение силой реакции. С другой стороны, в установках с мощностью на валу для привода вала необходимо использовать свободную силовую турбину, которая поглощает избыточную энергию, оставшуюся в горячем потоке выхлопных газов. Некоторые авиационные двигатели с турбовинтовой технологией уже оснащены силовыми турбинами и готовы к использованию на морских судах. В судовых газовых турбинах с приводом от вала первичный двигатель — оригинальная часть авиационной газовой турбины — называется газификатором или газогенераторной турбиной. В пусковом цикле должен работать только газификатор, что снижает потребность в пусковой мощности.
Для судовых энергетических установок важен концепт производительности, в связи с чем в настоящее время существует множество методов повышения производительности газовых турбин. Методы подобной конъюнктуры направлены на повышение полезной выходной тепловой эффективности при частичной нагрузке, а некоторые из них помогают сократить выбросы загрязняющих веществ, что благоприятно воздействует на окружающую среду. Наиболее распространенные методы повышения производительности функционирования газовых турбин в составе судовых энергетических установок представлены ниже, что представляет из себя ту или иную конструкционную модификацию [3]:
- Простой цикл — это основной рабочий цикл газовой турбины, состоящий из камеры сгорания между одним компрессором и газовой турбиной;
- Цикл промежуточного охлаждения — рекуператор или регенератор добавляется в конструкции после компрессора низкого давления перед камерой сгорания в цикл для рекуперации тепла выхлопных газов и нагрева сжатого воздуха;
- Цикл повторного нагрева — дополнительная камера сгорания размещается между турбинами высокого и низкого давления для увеличения работы теплового расширения;
- Цикл промежуточного подогрева — включает в своей конструкции промежуточный охладитель между компрессорами и камеру сгорания промежуточного нагрева между силовыми турбинами;
- Цикл впрыска пара — пар впрыскивается в камеру сгорания, что повышает производительность и снижает выбросы NOx;
- Комбинированный цикл — включает в себя функционирование рабочего цикла нижней паровой турбины, в котором используются горячие выхлопные газы газовой турбины в добавлении к газовой турбине простого цикла. Отработанное тепло уменьшает количество топлива для производства пара, приводящего в действие паровую турбину.
Таким образом, можно сделать вывод, что газотурбинные двигатели в составе судовых энергетических установок предлагают широкий диапазон мощностей при относительно небольших размерах и используются в различных целях производства электроэнергии, включая морские суда, предлагая чистую технологию для энергопитания морских судов. Более того, благодаря увеличению числа научных исследований в этом сегменте и ужесточению норм выбросов для сохранения окружающей среды, они стали идеальными кандидатами для использования во многих конфигурациях морских судов в качестве основного источника энергии.
Литература:
- Злобин В. Г., Верхоланцев А. А. Газотурбинные установка. Часть 1. Тепловые схемы. Термодинамические циклы: учебное пособие / В. Г. Злобин. ВШТЭ СПбГУПТД. — СПб, 2020. — 114 с.
- Сахин В. В. Устройство и действие энергетических установок. Газовые турбины. Теплообменные аппараты: учебное пособие / В. В. Сахин. Балт. Гос. техн. ун-т. — СПб, 2015. — 133 с.
- Kayadelen HK, Ust Y. 2015. Marine Gas Turbines. 7 th International Advanced Technologies Symposium IATS 34–38.
