ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ГАЗОТУРБИННЫХ УСТАНОВОК С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ АБСОРБЦИОННЫХ БРОМИСТО-ЛИТИЕВЫХ ХОЛОДИЛЬНЫХ МАШИН

В летний жаркий период в средней полосе и в южных областях Российской Федерации, температура наружного воздуха поднимается порядка до плюс 40 0С, при средней относительной влажности 65%. Из этого следует, что такие факторы являются неблагоприятными для эффективной работы ГТУ. Известно, что полезная мощность ГТУ снижается при повышении температуры окружающего воздуха, так как работа, затраченная на сжатие воздуха в компрессоре, увеличивается.

Решение данной проблемы принципиально важно для технологических нужд, где недопустимо снижение мощности ГТУ. В качестве примера можно привести работу газоперекачивающего агрегата (ГПА) в летний период закачки газа в подземные хранилища газа (ПХГ), а так же при транспорте газа по магистральным газопроводам.

На сегодняшний день ведется много работ в этой области, но окончательного решения данной проблемы еще нет.

Усовершенствование тепловых двигателей ведется за счет увеличения КПД и снижения расхода топлива. Газовые турбины находят все большее применение в энергетике не только для покрытия пиковых нагрузок в энергетических системах, но и для постоянного обеспечения электроэнергией и паром небольших потребителей. Большие преимущества использования ГТУ для этих целей могут быть в районах, которые значительно удалены от мощных энергосистем. Но в регионах с горячим и сухим климатом производство электроэнергии от газотурбинных электростанций, процесс компримирования природного газа на компрессорных станциях снижается из-за высокой температуры и сухости приточного воздуха из окружающей среды

В данном отчете рассмотрено применение абсорбционной бромистолитиевой холодильной машины (АБХМ) совместно с ГТУ. Охлаждение наружного воздуха, который поступает в проточную часть компрессора, позволяет повысить полезную мощность ГТУ, при этом КПД цикла так же увеличится.

В летнее время года мощность газовых турбин резко падает с повышением температуры воздуха. Форсировать ГТУ можно охлаждением воздуха на входе в компрессор.

Абсорбционные бромистолитиевые холодильные машины (АБХМ) широко используют в металлургической, химической, нефтеперерабатывающей, пищевой промышленности, а так же в промышленном и гражданском кондиционировании.

Область применения АБХМ — получение холода положительных температур (от 3 °C и выше) . Это обусловлено тем, что в качестве хладагента в АБХМ применяется вода, и получение более низких температур невозможно из-за опасности ее замерзания. Тем не менее, во многих промышленных приложениях существует потребность в более низких температурах охлаждения, в т. ч. и отрицательных . Эти температуры охлаждения обеспечивают парокомпрессионные холодильные машины (ПКХМ), использующие в качестве хладагентов фреоны и аммиак.

Обладая рядом положительных потребительских свойств, такими как незначительное потребление электроэнергии, отсутствие опасных рабочих веществ, пожаро- и взрывобезопасность, использование вторичных энергоресурсов или нетрадиционных и (или) возобновляемых источников тепловой энергии, например солнечной, низкий уровень шума при работе, АБХМ являются энергосберегающим, экологически безопасным  оборудованием. Создание отечественных АБХМ для получения холода отрицательных температур является актуальной научно-технической задачей и позволит значительно расширить области их применения.

Номинальная температура охлажденной жидкости составляет 7 °C, как универсальное значение для проектирования систем центрального кондиционирования в гражданском строительстве и системах технологического охлаждения в промышленности. В зависимости от технологии, в которой применятся АБХМ, температура охлажденной жидкости может колебаться в пределах ts = 3÷20 °C.

 

Использование АБХМ для системы охлаждения воздуха на входе в ГТУ на Жанажолской ГТЭС (Казахстан)

 

Рассмотрим эффект от внедрения АБХМ в ГТУ на примере Жанажолской ГТЭС.

Жанажолская ГТЭС – это современная высокотехнологичная газотурбинная электростанция обеспечивает электроэнергией обширные районы Казахстана. Суммарная мощность энергоблоков ГТЭС достигает 110 МВт.

Сведения о проекте:
АБХМ Thermax 2D 5M C
Холодопроизводительность – 3150 кВт

Степень нагрева раствора в абсорбере – 4 °C

Температура охлаждающей жидкости на входе – 28 °C
Температура охлаждаемой воды на входе — +15°C
Температура охлаждаемой воды на выходе — +8°C

Средняя температура лета –  25 °C

Средняя температура зимы -  -22,5 °C
2 градирни Baltimore Aircoil открытого типа

Рисунок 1 – Принципиальная схема Жанажолской ГТЭС.

Уникальный проект применения АБХМ, работающей на выхлопных газах от газотурбинных установок (ГТУ), для охлаждения воздуха, всасываемого данными ГТУ. Проект позволяет существенно повысить эффективность работы ГТУ и увеличить выработку электроэнергии.
Таким образом, применение АБХМ для охлаждения воздуха, подаваемого в компрессор ГТУ позволило :

1. Повысить эффективность турбины в среднем на 30% в теплое время года.
2. Увеличить КПД на 0,4%...1% в зависимости от температуры наружного воздух.
3. Уменьшить работу, затрачиваемую на привод компрессора, на 5,5%…14,3% в зависимости от температуры наружного воздуха.
4. Мощность турбины, за счёт охлаждения наружного воздуха, удается сохранять на постоянном уровне без дополнительных затрат топлива.

Рассмотрим методические положения расчета мощности и расхода топлива ГТУ и АБХМ и, для большей наглядности, сравним ГТУ с применением АБХМ и без.

            В основу положений учёта применения АБХМ входит расчёт необходимой холодопроизводительности, требуемой для охлаждения воздуха в КВОУ (компрессорное воздухоочистительное устройство). На (рис. 4.3) показана принципиальная схема КВОУ с поступающими потоками наружного воздуха и охлажденной воды из АБХМ

На рис. 1 показана принципиальная схема КВОУ с поступающими потоками наружного воздуха и охлажденной воды из АБХМ.

Рисунок 2 – принципиальная схема КВОУ

Тепловой баланс КВОУ, кВт

Используя тепловой баланс КВОУ по воздуху, получим затрачиваемое количество холода, которое требуется для охлаждения воздуха.

 

Для более наглядного анализа результатов расчёта ГТУ при различных температурах наружного воздуха, получены следующие зависимости, изображенные на (рис. 3), (рис. 4), (рис. 5), (рис. 6).

Рисунок 3 - График зависимости работы сжатия 1 кг воздуха в компрессоре

Н_к, кДж/кг от температуры наружного воздуха t_0, 

Рисунок 4 - График зависимости мощности компрессора N_k , МВт от

температуры наружного воздуха ^t₀,

Рисунок 5 - График зависимости эффективного КПД  от температуры наружного воздуха ^t₀,

Рисунок 6 - График зависимости расхода топлива , кг/с от температуры наружного воздуха ^t₀,

Рассмотрим графическую зависимость основных показателей ГТУ без применения АБХМ.

Рисунок 7 - График зависимости работы сжатия 1 кг воздуха в компрессоре H_k , кДж/кг от температуры наружного воздуха ^t₀,

Рисунок 8 - График зависимости мощности компрессора N_k , МВт от температуры наружного воздуха ^t₀,

Рисунок 9 - График зависимости эффективного КПД от температуры наружного воздуха ^t₀,

Рисунок 10 - График зависимости расхода топлива В_ГТУ , кг/с от температуры наружного воздуха ^t₀,

Анализируя результаты, видно, что при повышении температуры наружного воздуха, возрастает теплоперепад в компрессоре Нк, кДж/кг, что в свою очередь будет вести к росту мощности затрачиваемой на компрессор Nк, МВт. Расход топлива В, кг/с, возрастает пропорционально с ростом мощности компрессора, для поддержания требуемой производительности, в следствие этого снижается эффективный КПД ГТУ ,%.

Экономический эффект внедрения технологии АБХМ обеспечивается уже на этапе проектно-согласовательных мероприятий (сокращение издержек по согласованием технических условий и подключениям к электросетям). При этом срок эксплуатации АБХМ — порядка 25 лет — значительно дольше срока службы компрессионных холодильников, а расходы на техническое обслуживание существенно ниже.

Высокая эффективность АБХМ позволит:  
-снизить затраты на электроэнергию более, чем в 10 раз;  
-снизить среднюю стоимость производства 1 кВт холода в 3 раза;  
-увеличить средний срок эксплуатации оборудования в 2,5 раза.  

Анализируя результаты, полученные в ходе расчета тепловой схемы ГТУ, видно, что при повышении температуры наружного воздуха, возрастает теплоперепад в компрессоре Нк, кДж/кг, что в свою очередь будет вести к росту мощности затрачиваемой на компрессор Nк, МВт. Расход топлива В, кг/с, возрастает пропорционально с ростом мощности компрессора, для поддержания требуемой производительности, в следствие этого снижается эффективный КПД ГТУ ,%.

Увеличению и снижению В способствует охлаждение воздуха перед осевым компрессором и поддержанием ее на постоянном уровне в жаркое время года. Понижение температуры Т₁ влечет за собой снижение работы сжатия в компрессоре Н_к, вследствие чего увеличивается эффективная энергия Н_е. Это приводит к дегрессии расхода газа через турбину G_T и расходу топлива В.

 

Результаты предварительных расчётов технико-экономических показателей эффективности ГТУ типа  с использованием АБХМ показали, что при охлаждении воздуха и поддержании низкой температуры в жаркий летний период, КПД возрастает в период с мая по июнь на 0,4%...1% в зависимости от температуры наружного воздух. Работа, затрачиваемая на привод компрессора, уменьшается с мая по июнь на 5,5%…14,3% в зависимости от температуры наружного воздуха. Мощность турбины, за счёт охлаждения наружного воздуха, удается сохранять на постоянном уровне без дополнительных затрат топлива.  Расход топлива уменьшился на 0,6%...4% в зависимости от температуры наружного воздуха, в годовом исчислении такая экономия при стоимости топлива 4100 руб./м3 составит около 10 млрд. руб.