Газовые турбины в энергетике – задачи и возможности

1.

Газовые турбины в энергетике –
задачи и возможности
Ст.
Петербург
Симпозиум
«ГЛЭН»
Академик
О.Н.
Фаворский

2.

ПРИМЕНЕНИЕ ГАЗОТУРБИННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ (ГТД
Авиация
Судовые
Газоперекачка
Газогенератор
ТВалД
ТВалД
Энергетика
Транспорт
ТВалД ТВинтД ТРД (Ф) ТРДД
Комбинированные
(с/з
(Ф)
(вертолеты)
(летательные аппараты)
Колесный Отбор воздуха
Электрогенерация
транспорт
в ГДЛ
(ж/дорожн., авто, танки)

3.

ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ НК-37
Технические характеристики (стандартные условия, газовое топливо)
Мощность, кВт
Эффективный коэффициент полезного действия, %
Частота вращения ротора силовой турбины, об/мин
Степень повышения давления
Температура газов перед турбиной, К
Общетехнический ресурс, час
ТРАКТ ВЕНТИЛЯЦИИ
И ОХЛАЖДЕНИЯ
МОДУЛЬ
ГАЗОГЕНЕРАТ
ОРА
25000
36.4
3000
23.12
1420
3000
ГАЗОГЕНЕРАТОР С
БАЗОВОГО
ДВИГАТЕЛЯ
МОДУЛЬ
СВОБОДНОЙ
ТУРБИНЫ

4.

ТОПЛИВНАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ (КПД цикла)
Решающее влияние в преобразовании энергии топлива в
механическую энергию на валу теплового двигателя оказывает
максимальная температура сгоревших газов Тmax
Т˚С
КПД %
Доля в РФ
max
Поршневые
двигатели
Паровые
турбины
Газовые
турбины
Парогазов
ые
установки
1800 - 2200
300 - 620
700 - 1700
800 - 1500
40 - 50
20 – 47
(36%)
20 – 45
(36%)
40 – 60 (65) (52%)
~ 3%
~ 94,5%
~ 1%
~ 1,5%
Потери – энергия (Т) отработавших газов

5.

Тг макс, ˚C
1600
Военная авиация
1400
Гражданская авиация
Газовые турбины
1200
ЭС
Охлаждение
1000
Материалы
800
600
Паровые турбины
400
1950
1970
1990
2010Годы

6.

ГАЗОТУРБИННАЯ УСТАНОВКА (ГТУ)
Tg
Tg
Усложнение цикла
Развитие параметров
Пк
5
Тг, °С
, %
15
700
18
32
35
1.
1000
1300
2.
42
3.
max
min
(Пк = 5;
Тг = 1200°С;
Регенерация тепла
= 0.8 0.9
0.95
в теплообменнике (Δвр = 4%)
= 44% 51%
+ промохл. + промподогрев
( = 0.8)
Исх.
+2ПО +1ПП
=44%
54%
56%
Регенерация тепла паром
(пар. охл.; Пк = 60
Тг = 1600°С) ~ 65% (Карно

7.

РАЗВИТИЕ ЭНЕРГОУСТАНОВОК
T
Макс. КПД,T%
max
N
Топливный элемент + усовершенств. ПГУ
Усовершенств. ПГУ
62 – 64%
Простая ПГУ
52 – 56%
70%
Газовая турбина + топливный элемент
Современная газовая турбина
42 – 44%
Простая газовая турбина 32 – 36%
54 – 56%
N
T
Современная усоверш. газовая турбина
Простая паровая турбина 30 – 34%
min
42 – 44%-48%
S

8.

ЭФФЕКТИВНОСТЬ «КАСКАДИРОВАНИЯ» ТЕПЛА
Т С
ТОПЛИВО
ГТУ
% от Qтоплива
N1
Электроэнерги
я
30 - 42
ПТУ
N2
Электроэнергия
15 - 25
Qт
Q1
ТО пар высокого давления
ТО
Q2
пар низкого давления
25 - 30
ТО
Q3
горячая вода
ТО
Q4
теплая вода
Qотв
Полный (реальный) кпд до 93 – 94% от Qтоплива
8 – 10
8 – 10
5–8
3-5

9.

ГТД – РЕЗУЛЬТАТ КОМПЛЕКСА ИССЛЕДОВАНИЙ
И РАЗРАБОТОК
Газодинамика
Термодинамика
Тепломассообмен
Горение,
экология
атериаловедение
ГТД
Прочность
Технология
производства
(литье, механообработка,
пайка, сварка, прессование
покрытия, термообработка
Технология
Технология
проектирования испытаний

10.

ОХЛАЖДЕНИЕ РАБОЧЕЙ ЛОПАТКИ ТУРБИН
Задачи:
Уменьшение расхода воздух
Выравнивание поля темпера
Возможность уменьшения ве
Тв=400 С
Тг=1400 С
830
950
¯ в ~ 5%
G
1,645%
Давление газа на поверхности и воздуха в каналах
Стержни, образующие
каналы в стенке
лопатки при литье
Высота лопатки
Каналы
в стенке
лопатки

11.

НЕСТАЦИОНАРНЫЕ ЭФФЕКТЫ ПРИ РОТОР-СТАТОР ВЗАИМО

12.

ГОРЕНИЕ
Гетерогенное
Каталитическое
Гомогенное
Воздух
≥
Топливо
Пламя
Воздух
~ const
Пламя
Смеситель
Стабилизатор
Катализато
Проблемы
Полнота сгорания,
Смешение,
Стенки
Стабильность
Параметры
фронта
NOx
100
Нu ─ Ккал/кг
¯ ─ полнота
Тmax
расход
эффективность
сгорания
топлива
гомогенное горение,
использования
эксперимент
w
7 атм 543 К
Тmax ~ 2000 С
1500
50
NOx ~ 150 - 500 ppm
неустойчивость,
виброгорение
1,4
С мг/м3
1,6
1,8
2
рациональный режим
15 - 60
Δp
1000
1-3
Сотни уравнений
химических реакций с
новыми эффектами
взаимодействия частиц и
неравновестностью

13.

КИНЕТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ГОРЕНИЯ УГЛЕВОДОРОДНЫХ
ТОПЛИВ В КАМЕРАХ СГОРАНИЯ РЕАКТИВНЫХ
ДВИГАТЕЛЕЙ И ЭНЕРГОУСТАНОВОК
CnHm + воздух + (H2S, COS, CS2)
Кинетика
горения
различных
углеводор
одов: CH4, C3H8
… i-C8H18, n-C10H22
Кинетика
образования
N-содержащих
компонентов
Механ
N2O
изм
меха
Зельд
низм
NNH
Механ
овича
меха
изм
низм
Феним
Механизм
ора
образования
элементов
группы
HNOy
Кинетика
образован
ия
S-содержащ
их
компонент
ов :
SO2, SO3, HSO3,
H2SO4 и др.
Кинетика
образован
ия ионов:
NO+, H3O+, NO3-, SO2-,
HSO4-, CxHy+ и др.
NO+, H3O+
NO2-, NO3-, SO3-, HSO4NOx, HNOy,
SO2, SO3,
CxHy+,
NxHy, CxHy
H2SO4
полиароматичес
кие
углеводородные
и
фуллереноподоб
ные ионы
Формирование
газообразных соединений,
жидких сульфатных и
сажевых аэрозолей в
выхлопных струях
H2O, CO, CO2, H, O, OH, HO2, CH,
CH2O,органика,
сажевые
предвестники
(полииновые и
полиароматическ
ие молекулы)

14.

СХЕМЫ ОХЛАЖДЕНИЯ СТЕНОК
Струйная
Конвективная
Пленочная
Холодный воздух
Холодный воздух
Горячий газ
Горячий газ
0,4
Gохл/G
Тг ~ 1500 С
Горячий газ
С покрытием
Металл
Покрытие
струйное
0,3
пленочное
Комбинированная
Металл
0,2
конвективно-пленочное
С-С стенки
Керамические сег
комбинированное и
с покрытием
0,1
Микропористая
0
900
1100
1300
tст
C

15.

ОТЕЧЕСТВЕННЫЕ
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ГТУ
Тип ГТУ, изготовитель, год выпуска
ГТ6001,5,
НЛЗ
ГТ7004,
НЛЗ
ГТ35,
ХТГЗ
ГТ70012М,
НЛЗ
ГТ70025,
ЛМЗ
ГТ12-3,
ЛМЗ
ГТУ50,
ХТГЗ
ГТ45,
ХТГЗ
ГТ100,
ЛМЗ
ГТ150,
ЛМЗ
1955
1957
1970
1961
1969
1955
1960
1989
1969
1989
Начальная
температура газов, °C
600
700
770
700
700
650
650
800*
770
900
750*
750
1100
Мощность ГТУ. МВт:
1,72
3,9
31
10,5
23,0
13,6
43,5
51,0
91
144
КПД ГТУ, %:
18,2
16,0
23,5
24,5
22,0
25,0
27,8
28,0
27,1
30
Расход воздуха, кг/с
29,2
45,9
227
92,0
188
91,5
190
271
427
630
Максимальное
давление в цикле,
105 Па
3,57
4,92
6,55
6,85
9,15
14,6
16,35
7,8
22,3
13,0
Показатель

16.

ОТЕЧЕСТВЕННЫЕ ПАРОГАЗОВЫЕ УСТАНОВКИ
Разработ
чик,
производ
итель
ОАО ЛМЗ
Элект
рическа
я
мощно
сть,
МВт
КПД,
%
Номинал
ьная
мощност
ь ГТ/ПТ,
МВт
Моде
ль
Модель
ГТ/ПТ
Произво
ди-тель
ГТ/ПТ
ПГУ270
ГТЭ-180/ К100
ОАО ЛМЗ/
ОАО ЛМЗ
Проект
270
54,5
178/100
ПГУ450
ГТЭ-160/ К150
-«-
2001
450
51,7
150/190
ПГУ230
ГТЭ-150/ К-70
-«-
Проект
230
51,2
150/70
ПГУ170
ГТД-110/
ПТУ-60
НПО
«Сатурн
» / ОАО
ЛМЗ
2002
170
52,8
110/60
ПГУ-325
ГТД-100 /
К-110-6,5
-«-
Проект
325
51,5
107,5/110
ГТЭ-45У /
Т-40-7,5
ОАО
«Турбом
оторный
завод»
Проект
125
50,5
42/40
НПО
«Сатурн»
ОАО
«Турбомо
тор-ный
завод»
Год
начала
серийно
го
произво
дства ГТ
ПГУ150

17.

СТОИМОСТЬ - РАЗМЕРНОСТЬ ГТУ
Цена металла
Удельная трудоемкость
Удел. вес
10
18
Мощность
Мощность
Трудоемкость
Модульность
1. Вес узлов (краны, фундаменты…)
2. Время простоя в ремонте
Неоснащенное производство
3. Качество ремонта - ресурс
1
0.5
1
10
100
Оснащение
Количество изделий

18.

Главный конструктор и
руководитель
МНПО Союз (завод 300)
1973-1987
г.г.
Созданы:
завершение доводки и сдача в эксплуатацию двигателя Р27-300;
газотурбинный двигатель Р95-300, одновальный, двухконтурный,
уникальный по весу и экономичности;
газотурбинный двигатель Р79-300, двухконтурный с форсажом в
поворотном на 110˚ сопле, до сих пор нет аналогов в мире;
длительно работающий газодинамический лазер 180 кВт (18 кВт/кг
возд.) на основе Р27-300;
турбовальный двигатель ТВ-О-100 (720 л.с.);
проект ГТУ 25 МВт для Невского завода (изготовлены и испытаны)
Р27В-300
Р95-300
Р79В-300
Сопло (Р79В300)
ТВ-0-300

19.

ГАЗОТУРБИННАЯ ЭНЕРГОУСТАНОВКА ГТ
Производственное объединение
«Нафтан» г. Новополоцк, Беларусь
Номинальная/пиковая мощность, МВт - 20
Коэффициент полезного действия
на номинальном режиме, %
- 33
Введена в эксплуатацию в
2000 – 2001 г.г.
Окупилась в 2005 г.
ГАЗОТУРБИННАЯ ЭНЕРГОУСТАНОВКА Г
Номинальная/пиковая мощность, МВт - 30/3
Коэффициент полезного действия
на номинальном режиме, %
- 36

20.

РОССИЙСКИЕ ГТУ МАЛОЙ МОЩНОСТИ
Марка
ГТУ-2.5П
ГТУ-4П
ГТУ-16П
Город, фирма
Мощность, КПД,
МВт
%
ТЭС-75
ГТЭ-1500
ГТУ-1500
ГТУ-2.5П
Калуга, ОКБМ
Ст. Петербург, Пролет.завод
Ст. Петербург, НПО Климова
Пермь, Авиадвигатель
0.075
1.2
1.2
2.5
12
21
25
21.8
ГТА-2,5Р/Н
ГТУ-4П
ГТУ-6П
ГТД-6РМ
ГТУ-95
ГТ-9000
Рыбинск, Сатурн
Пермь, Авиадвигатель
Пермь, Авиадвигатель
Рыбинск, Сатурн
Уфа, Мотор
Вельск, Эн.авиа
2.5
4.0
6.3
6.6
10
9
26.5
24.7
26.9
25
31
37.2
НК-14Э
ГТУ-16П
ГТЭ-16
НК-1618
ГТЭ-16
ГТЭ-20/55Ст
Самара, НПО Кузнецова
Пермь, Авиадвиг.
Ст. Петербург, Невск. завод
Самара, НПО Кузнецова
Екатеринбург, Турбомотор.
Москва, Энергоавиа
10
16.4
16
16
16
20
32
35.8
32.5
29
30.4
31.7
ГТУ-20С
Москва, Салют
20
32.6
НК-37
Самара, НПО Кузнецова
25
36
АЛ-31СТ
За 2001-2007 г.г. введено:
в электроэнергетике 226 агрегатов (160
российских) — около 1300 мВт
ГТЭ-1500
НК-14Э
НК-37

21.

УДЕЛЬНАЯ СТОИМОСТЬ РОССИЙСКИХ ПГУ И ГТУ-ТЭЦ
Удельная стоимость российских ПГУ и ГТУ-ТЭЦ н
ПГУ
ГТУ-ТЭЦ
500 мВт/ВТИ20мВт/55ст
Газотурбинная установка
165
54%
117
20%
Паровая турбина
63
10.8
-
-
Котел
99
17
100
16.6
Электрооборудование
49
8.4
40 6.7
КИП и автоматика
7.7
25
4.2
Пароводяной тракт
47
8
-
Проект
54
9.2
35
5.2
Строительство
45
7.7
35
5.2
Финобеспечение
65
11.1
20
3.3
584
100%
420
45
В с е г о:
100%
ГТУ
N - 157 МВт
N – 169,2 МВт
N – 165 МВт
СименсV – 94,2
GE
PG – 92,31
Alstom
GT - 13
-
143 дол/кВт
154 дол/кВт
157 дол/кВт

22.

ПОЛЬЗОВАНИЕ ГТУ В ЭНЕРГЕТИКЕ, РАБОТАЮЩЕЙ НА ГАЗЕ
Замена 50% ПТ на ПГУ
ТЭЦ
+13 ГВт
Замена 50% котельных на ГТ
КЭС
централизованные
децентрализованные
+12 ГВт
+65 ГВт
+22 ГВт
25 ГВт
87 ГВт
112 ГВт – без строительства новых
А) тот же газ, но меньше тепла на 20%
то же тепло, но
Б) то же тепло, но больше газа на 13%
(вдвое выгодне