2.7.4 Перспективное направление - увеличение мощности и кпд гту за счет утилизации тепла выхлопных газов в бинарном "сухом" цикле
Газотурбинные установки, работающие по бинарному "сухому" термодинамическому циклу, имеют преимущество: отсутствие парожидкостных компонентов. В комплект установки не входят: паровые турбины, котлы – утилизаторы, системы впрыска пара и воды в проточную часть двигателя, системы регенерации воды в цикле, требующие наличия контактных конденсаторов, деаэраторов, системы водоподготовки, включая химводоочистку и т. д. Общий вид установки представлен на рис. 7.5. Бинарный цикл ГТУ – 27ПС в Т-S диаграмме представлен на рис. 7.6.
В качестве внешнего источника тепла для утилизационного цикла (вторичного контура) используется тепло выхлопных газов Q2, отводимое в атмосферу в основном цикле (первичном контуре). Т.е., в основном цикле 1-2-3-4 и в дополнительном (утилизационном) 1'-2'-3'-4' используется одно и то же рабочее тело – воздух. Двигатель ГТУ-27ПС работает по бинарному "сухому" циклу, состоящему из двух простых газотурбинных циклов.
Проект ГТУ – 27ПС с номинальной мощностью 27,5 МВт и ηГТУ = 44 % разработан в рамках программы сотрудничества ОАО "Авиадвигатель" Пермского моторостроительного комплекса и ОАО "Газпром" с целью использования двигателя в качестве высокоэффективного и технологичного привода компрессорного и насосного оборудования и был одобрен на совместном научно-техническом совете в 2000 г.
Рисунок 7.5 Общий вид ГТУ – 27ПС
Рисунок 7.6 – Бинарный цикл ГТУ – 27ПС в Т-S диаграмме:
А – основной газотурбинный цикл; Б – дополнительный газотурбинный цикл (показано условно); Q2 – тепло, отводимое от основного цикла
Утилизация тепла выхлопных газов осуществляется в теплообменнике – рекуператоре путем нагрева воздуха (рабочего тела), направляемого с выхода КНД в утилизационный контур, выхлопными газами основного контура, поступающими с выхлопа ГТУ.
Бинарный цикл и принципиальная схема ГТУ – 27ПС приведенные на рис. 7.6 и 7.7, иллюстрируют основные термодинамические процессы в ГТУ:
- во внутреннем (основном) контуре осуществляется эффективный простой цикл с высокой степенью сжатия;
- в наружный (утилизационный) контур поступает часть потока воздуха после КНД и, нагретая в рекуператоре теплом выхлопных газов, срабатывается в воздушной силовой турбине. В результате, на валу генерируется дополнительная свободная мощность.
Рисунок 7.7 – Принципиальная конструктивная схема 2-контурной ГТУ бинарного "сухого" цикла, принятая для ГТУ – 27ПС:
1 – компрессор низкого давления; 2 – компрессор высокого давления; 3 – камера сгорания; 4 – турбина высокого давления; 5 – турбина низкого давления; 6 – основная (газовая) силовая турбина; 7 - дополнительная (воздушная) силовая турбина; 8 – генератор; 9 – рекуператор.
Эффект увеличения мощности достигается за счет того, что низкая степень сжатия компрессора низкого давления КНД (πкнд = 2,5…4) позволяет преодолеть предел и регенерировать тепло при высокой степени сжатия ГТУ (πкнд + квд = 20…30 и вышеНе смотря на энергообмен между контурами, установка получается компактной, что является существенным преимуществом данной конструкции. Модульность, а также возможность использования отечественных двухконтурных турбокомпрессоров серийных ТРДД упрощает их компоновку и изготовление.
ГТУ – 27СП имеет КПД = 44 % в соответствии с ISO 2314 и превосходит КПД современных "мокрых" циклов, имеющих КПД = 40…43%, см. рис. 7.8.
Рисунок 7.8 – зависимость КПД ГТУ простого и сложного цикла от мощности в классе 10…30 МВт:
○ – ГТУ простого цикла; ● – ГТУ с впрыском пара (STIG); ▲ – парогазовые установки; ♦ - WR – 21 (термодинамический цикл с промежуточным охлаждением и рекуператором); ●ГТУ – 27ПС (цикл с воздушным утилизационным контуром)