Эффективность замкнутых газотурбинных установок при различных способах и программах регулирования

Замкнутые газотурбинные установки могут быть применены как энергетические на перспективных атомных электростанциях, в космических аппаратах, наземных, надводных и подводных транспортных средствах. В зависимости от назначения и мощности таких установок выбирают их конкретные конструктивные схемы с учетом эффективной работы как в номинальном (расчетном) режиме, так и в режимах частичной мощности. Способы регулирования замкнутых газотурбинных установок, как и открытых, зависят от их схемы и конструкции. Причем первые отличаются от вторых в основном возможностью изменения давления газа при входе в компрессор низкого давления. Это давление можно изменять, регулируя циркулирующую в контуре ЗГТУ массу, добавляя или выпуская часть рабочего тела из замкнутой системы, а также путем внутренних перепусков рабочего тела. При неизменной циркулирующей массе в одновальной замкнутой газотурбинной установке можно регулировать температуру газа перед турбинами и частоту вращения ее вала в зависимости от типа нагрузки. Частоту вращения вала турбины, блокированной с компрессором, можно регулировать специальными способами, например изменением сечений проточной части лопаточных машин. При постоянной массе рабочего тела давление при входе в компрессор низкого давления изменяется в зависимости от программы регулирования. Коэффициент полезного действия замкнутой газотурбинной установки на режимах частичной мощности зависит от схемы установки, способа и программы регулирования. Самым экономичным способом регулирования является изменение давления в контуре. Отбор рабочего тела в специальные ресиверы при сохранении одинакового температурного режима во всех сечениях установки приводит к пропорциональному уменьшению плотности рабочего тела в этих сечениях и сохранению газодинамического подобия в узлах — компрессорах, турбинах и трубопроводах. В теплообменных аппаратах удельные тепловые потоки, а следовательно, и температуры несколько изменяются. С уменьшением плотности происходит изменение тепловых потоков, так как коэффициент теплопередачи снижается медленнее, чем плотность рабочего тела. При уменьшении мощности это приводит к небольшому увеличению степеней регенерации и охлаждения в теплообменных аппаратах. Недоучет этих явлений в расчетах можно компенсировать таковым для роста потерь в режимах частичной мощности.

Литература

[1] Арбеков А.Н., Иванов В.Л., Манушин Э.А., Михальцев В.Е., Моляков В.Д., Осипов М.И., Суровцев И.Г., Троицкий Н.И. Теория и проектирование газотурбинных и комбинированных установок. Москва, Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2017. 678 с.

[2] Моляков В.Д., Осипов М.И., Сыромятникова Л.И., Тумашев Р.З. Метод расчета и анализ режимов работы многовальных газотурбинных двигателей усовершенствованных циклов. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Машиностроение, 2008, № 4(73), с. 3–24.

[3] Лощаков И.И., Ромахова Г.А., Комолов И.А. Моделирование газотурбинной установки для работы на гелии. URL: http://www.pmz.ru/upload/pages/5914/sbornik_111-115.pdf (дата обращения 15 сентября 2019).

[4] Хрусталев В.А., Наумов А.С. Вопросы комбинирования схем ГТУ и АЭС и их эффективность. Вестник СГТУ, 2011, № 1(54), вып. 3, с. 142–149.

[5] Бабаев И.Н. Модернизация систем регулирования турбин К-160-12.8 ПАО «ТУРБОАТОМ». Теплоэнергетика, 2018, № 5, с. 59–64.

[6] Биленко В.А., Жигунов В.В. Сравнительный анализ динамических свойств вариантов систем автоматического регулирования частоты и мощности паросиловых энергоблоков с прямоточными котлами. Теплоэнергетика, 2018, № 4, с. 5–20.

[7] Учарова А.У., Марченко Г.И., Дружинин Г.И., Петрушенко Ю.Я. Особенности работы газотурбинных установок замкнутого цикла на переменных режимах. Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики, 2009, № 1–2, с. 92–96.

[8] Hervol D.S., Briggs M., Owen А.К., Lavelle Т.A. Experimental and analytical performance of a Dual Brayton Power Conversion System. 6th International Energy Conversion Engineering Conference, 2008, no. 2008-5735.

[9] Манушин Э.А., Бекнев B.C., Осипов М.И., Суровцев И.Г. Ядерные газотурбинные и комбинированные установки. Москва, Энергоатомиздат, 1993. 272 с.

[10] Иванов В.Л., Леонтьев А.И., Манушин Э.А., Осипов М.И. Теплообменные аппараты и системы охлаждения газотурбинных и комбинированных установок. Москва, МГТУ им. Баумана, 2004. 592 с.

[11] Ефимов Н.Н., Шестаченко И.Я., Поветкин В.Г. Процессы оптимизации и проблемы регулирования энергетических газотурбинных установок. Известия ВУЗов. Северо-Кавказский регион. Сер. Технические науки, 2005, № 1, c. 39–41.

[12] Султанов Р.Ф., Сенюшкин Н.С. Влияние основных параметров цикла на показатели эффективности перспективных газотурбинных установок. Вестник ИрГТУ, 2014, № 8(91), с. 41–44.

[13] Дудкин Ю.П., Гладких В.А., Фомин Г.В. Способ управления газотурбинным двигателем. Пат. 2436978 РФ, 2011, бюл. № 35, с. 6.

[14] Дудкин Ю.П., Гладких В.А., Фомин Г.В. Устройство для управления газотурбинным двигателем. Пат. 2425238 РФ, 2011, бюл. №, 21, с. 7.

[15] Добрянский Г.В., Абрамов В.А., Тимошин С.А., Гуминский А.А., Минин О.П. Система автоматического управления газотурбинным двигателем. Пат. 2378521 РФ, 2010, бюл. № 1, с. 6.

[16] Дудкин Ю.П., Гладких В.А., Фомин Г.В. Способ управления газотурбинным двигателем. Пат. 2418182 РФ, 2011, бюл. № 13, с. 5.

[17] Муравьев И.К. Совершенствование систем управления газотурбинных установок для обеспечения эффективности ПГУ с учетом изменяющихся режимных и климатических факторов. Математические методы в технике и технологиях — ММТТ, 2016, № 5(87), с. 99–100.

[18] Гольберг Ф.Д., Гуревич О.С., Петухов А.А. Применение программного обеспечения «виртуальный двигатель» в системе автоматического управления газотурбинного двигателя. Вестник Самарского университета. Аэрокосмическая техника, технологии и машиностроение, 2016, т. 15, № 4, с. 47–56, doi: 10.18287/2541-7533-2016-15-4-47-56