Влияние способов управления теплофизическими параметрами рабочего тела на энергетические показатели газотурбинного цикла ПГУ на искусственном газовом топливе : диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук : 01.04.14

Актуальность темы исследования. В настоящее время перед
разработчиками перспективных энергоустановок на ископаемом твердом топливе
стоят две глобальные задачи:
1) повышение экономичности и экологичности сжигания твердых топлив до
уровня перспективных показателей, достигнутых при работе на природном газе;
2) решение проблемы эмиссии антропогенного СО2.
Перспективным направлением поиска решения этих задач, наряду с развитием
высокоэффективных пылеугольных энергоблоков на суперсверхкритических
параметрах, является разработка новых парогазовых установок (ПГУ) на
искусственных газовых топливах, которые становятся более экологичными и
эффективными по сравнению с пылеугольными энергоблоками.
Ключевым элементом таких ПГУ является газотурбинная установка, рабочее
тело которой формируется при сжигании топливного газа, получаемого путём
термохимической конверсии твердых топлив в узле внутрицикловой газификации
ПГУ-ВЦГ, либо побочные продукты металлургической, химической и нефтяной
промышленности.
Для решения первой глобальной задачи применяют обычно стандартные
газовые турбины, работающие по открытому циклу, элементы которой
модифицируются под сжигание непроектного топлива в воздухе по Air-fuel
технологии. Для радикального решения второй глобальной задачи
разрабатываются новые турбоустановки, работающие по полуоткрытому циклу со
сжиганием в кислороде по Oxy-fuel технологиям новых топливных газов на основе
Н2 и СО, получаемых конверсией предыдущих.
Изменение теплофизических характеристик рабочего тела, соответствующее
разным составам газов и схемам их сжигания, будет радикальным образом
изменять энергетические показатели газотурбинного цикла у энергоустановки в
целом, что должно приводить к корректировке закладываемых в конструкцию
оптимальных термодинамических параметров.
Тематика исследования соответствует утвержденным на Федеральном
уровне Приоритетным направлениям развития науки, технологий и техники РФ
(п. 08 – Энергоэффективность, энергосбережение, ядерная энергетика) и Перечню
критических технологий РФ (п. 27 – Технологии энергоэффективного
производства и преобразования энергии на органическом топливе).
Степень разработанности проблемы. Автор опирается на труды
отечественных ученых: Семенов Н.Н., Зельдович Я.Б., Михельсон В.А., Полежаев
Ю.В., Вулис Л.А., Вукалович М.П., Гельтман А.Э., Андрющенко А.И., Костюк
А.Г., Фаворский О.Н., Ольховский Г.Г., Трухний А.Д., Буров В.Д. и др. Наряду с
отечественными работами диссертант обращается к трудам зарубежных авторов,
посвященным разработкам технологий сжигания искусственных газовых топлив в
комбинированных парогазовых циклах: Giuffrida A., Hasegawa T., Meyer H.S.,
Komori T., Muller M., Allam R., Mathieu P., Oki Y., Kobayashi M., Shirai H. и др.
Информацию по работе отдельных узлов, технологическим процессам и
циклам ПГУ на искусственном газе автор почерпнул в трудах отечественных (ОАО
«ВТИ», ОАО «НПО ЦКТИ», ИСЭМ СО РАН, ИТ СО РАН, ОИВТ РАН, МЭИ,
МГТУ, ТПУ, СПбПУ, УрФУ и др.) и зарубежных (NEDO (Япония), CRIEPI
(Япония), Politecnico di Milano (Италия), Technische Universitat Munchen
(Германия), ECUST (Китай), CSU (Китай), NETL (США) и др.) организаций и
научно-исследовательских центров / институтов.
Объект исследования. Газотурбинный цикл ПГУ на искусственном газе.
Предмет исследования. Повышение энергетических показателей
газотурбинного цикла ПГУ на искусственном газе за счет управления составом и
теплофизическими характеристиками рабочего тела газовой турбины.
Цель. Выявить степень влияния способов управления составом и
теплофизическими характеристиками рабочего тела газовой турбины на
энергетическую эффективность газотурбинного цикла.
Задачи:
1) проанализировать применяемые на практике и перспективные,
находящиеся в разработке, калорические и термические способы управления
теплофизическими характеристиками рабочего тела газовой турбины ПГУ на
искусственных газах;
2) разработать методику и провести экспериментальное исследование
влияния термического способа управления теплофизическими характеристиками
рабочего тела на особенности горения модельных искусственных газов на основе
СО;
3) подготовить подмодели расчета процессов тепло- и массообмена и
провести численные CFD исследования влияния термического способа управления
теплофизическими характеристиками рабочего тела газовой турбины на
экологичность сжигания искусственных газов, обобщающие и дополняющие
технологии экологичного сжигания искусственных газов применительно к ГТУ;
4) отработать методику и провести термодинамический анализ зависимости
оптимальных параметров газотурбинного цикла от теплофизических
характеристик рабочего тела и чувствительности показателей работы газовой
турбины к калорическим и термическим способам управления теплофизическими
характеристиками рабочего тела.
Научная новизна
1) выявлены и проанализированы применяемые на практике и
перспективные, находящиеся в разработке, калорические и термические способы
управления теплофизическими характеристиками рабочего тела газовой турбины
ПГУ на искусственных газах;
2) определено влияние термического способа управления
теплофизическими характеристиками рабочего тела на особенности горения
модельных искусственных газов на основе СО;
3) получены расчетные оценки влияния термического способа управления
теплофизическими характеристиками рабочего тела газовой турбины на
экологичность сжигания искусственных газов, обобщающие и дополняющие
технологии экологичного сжигания искусственных газов применительно к ГТУ;
4) представлен новый подход к оценке эффективности термодинамических
циклов ГТУ на различных рабочих телах, позволивший:
– выявить экстремальный характер зависимости между теплофизическими
характеристиками рабочего тела и энергетическими показателями газотурбинного
цикла ПГУ;
– найти связь между оптимальными теплофизическими характеристиками
рабочего тела и термодинамическими параметрами газотурбинного цикла;
– определить чувствительность энергетических показателей
газотурбинного цикла ПГУ на искусственном газе к способам управления составом
и теплофизическими характеристиками рабочего тела газовой турбины.
Теоретическая и практическая значимость работы. Основные результаты
диссертационной работы получены в рамках выполнения НИР, финансируемых
Российским Научным Фондом (проект №14-19-00524, «Решение проблемы
применения бедных промышленных и синтез-газов для выработки электроэнергии
в комбинированном цикле», 2014-2016 г.), Российским Фондом Фундаментальных
Исследований (проект №16-38-00479, «Исследование механизмов стабилизации и
повышения экологических характеристик процесса горения низкокалорийных
синтез-газов применительно к газовой турбине ПГУ c внутрицикловой
газификацией», 2016-2017 г.).
Методология и методы исследования. При выполнении диссертационной
работы проведен анализ работы (по опубликованным данным) освоенных и
разрабатываемых ПГУ на искусственных газах. При последовательном сочетании
аналитического обзора литературы, методик физического и численного
моделирования, а также термодинамического анализа проведено исследование
влияния способов управления теплофизическими характеристиками рабочего тела
газовой турбины на энергетическую эффективность и экологичность
газотурбинного цикла ПГУ на искусственном газе.
1) Аналитический обзор литературы применен для выявления и анализа
применяемых на практике и перспективных, находящиеся в разработке,
калорических и термических способов управления теплофизическими
характеристиками рабочего тела газовой турбины ПГУ на искусственных газах.
2) Физическое моделирование использовано для экспериментального
исследования влияния термического способа управления теплофизическими
характеристиками рабочего тела на особенности горения модельных
искусственных газов на основе СО.
3) Численное моделирование использовано для расчетных оценок влияния
термического способа управления теплофизическими характеристиками рабочего
тела газовой турбины на экологичность сжигания искусственных газов,
обобщающих и дополняющих технологии экологичного сжигания искусственных
газов применительно к промышленным ГТУ.
4) Термодинамический анализ применен для исследования
чувствительности удельной работы газовой турбины к калорическим и
термическим способам управления теплофизическими характеристиками рабочего
тела.
Основные положения, выносимые на защиту:
1) Результаты экспериментального исследования влияния термического
способа управления теплофизическими характеристиками рабочего тела на
особенности горения модельных искусственных газов на основе СО.
2) Результаты численных исследований влияния термического способа
управления теплофизическими характеристиками рабочего тела газовой турбины
на экологичность сжигания искусственных газов, обобщающие и дополняющие
технологии экологичного сжигания искусственных газов применительно к ГТУ.
3) Результаты термодинамических исследований влияния теплофизических
характеристик рабочего тела на показатели работы простого цикла Брайтона.
Личный вклад автора. Общее направление экспериментальных, расчетных
и теоретических работ задавалось научным руководителем профессором, д.т.н.
Рыжковым А.Ф. Совместно с сотрудниками кафедры ТЭС УрФУ автор участвовал
в научных исследованиях в рамках ряда грантов. Автором лично:
1) проанализированы технологические схемы и принципы работы более 20
освоенных и разрабатываемых ПГУ на искусственных газовых топливах с
воздушным и кислородным окислителем;
2) выявлены и проанализированы способы управления составом и
теплофизическими характеристиками рабочего тела газовой турбины ПГУ на
искусственном газе;
3) разработана установка, составлена программа и проведены
экспериментальные исследования;
4) разработана методика численного моделирования и проведены
исследования влияния термического способа управления теплофизическими
характеристиками рабочего тела газовой турбины на экологичность сжигания
искусственных газов, обобщающие и дополняющие технологии экологичного
сжигания искусственных газов применительно к промышленным ГТУ;
5) проведен термодинамический анализ влияния известных способов
управления теплофизическими характеристиками рабочего тела газовой турбины
на энергетический и экономический показатели газотурбинного цикла ПГУ на
искусственном газе.
Автор выражает благодарность:
1) доценту кафедры ТЭС УрФУ, к.ф-м.н. Худякову П.Ю. за помощь при
разработке экспериментальной установки и проведении экспериментального
исследования влияния термического способа управления теплофизическими
параметрами рабочего тела на характеристики горения модельных искусственного
газа на основе СО;
2) инженеру кафедры ТЭС УрФУ Никитину А.Д. за помощь в организации
экспериментальных работ для верификации моделей расчета турбулентных
потоков;
3) профессору кафедры ТиТ УрФУ, д.т.н. Толмачеву Е.М. за методическую
помощь.
Автор признателен научному руководителю профессору, д.т.н.
Рыжкову А.Ф., а также коллективу кафедры ТЭС УрФУ и лично доценту, к.т.н.
Богатовой Т.Ф. за ценные замечания и полезные советы.
Достоверность результатов. Достоверность результатов
экспериментального исследования обеспечивается применением современного
оборудования с высокой точностью фиксации изменения параметров рабочих сред,
подробным анализом погрешности измерений в экспериментах, использованием
моделей расчета, верифицированных на основе общепринятых и собственных
экспериментальных данных, использованием общепринятых методик
термодинамического расчета и сопоставлением полученных расчетных
результатов с известными фактическими и расчетными данными.
Апробация результатов. Основные результаты исследований, изложенные
в диссертации, докладывались и обсуждались на: IV Всероссийской научно-
практической конференции с международным участием «Теплотехника и
информатика в образовании, науке и производстве» (Екатеринбург, 2015), IX
Всероссийской конференции с международным участием «Горение топлива:
теория, эксперимент, приложения» (Новосибирск, 2015) I Всероссийской
конференции «Теплофизика и физическая гидродинамика» (Ялта, 2016), I Научно-
технической конференции молодых ученых УралЭНИН (Екатеринбург, 2016 г.),
XIV Всероссийской школе-конференции молодых ученых с международным
участием «Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики»
(Новосибирск, 2016), II Всероссийской научной конференции «Теплофизика и
физическая гидродинамика» (Ялта, 2017), VI Всероссийской конференции с
международным участием «Тепломассообмен и гидродинамика в закрученных
потоках» (Новосибирск, 2017), II Всероссийской специализированной научно-
практической конференции молодых специалистов «Современные технологии в
энергетике» (Москва, 2018),V Международной молодежной научной конференции
«Физика. Технологии. Инновации» (Екатеринбург, 2018).
Основные результаты диссертации опубликованы в 9 печатных работах. Из
них 1 работа опубликована в издании из перечня ВАК; 7 работ опубликованы в
журналах, индексируемых базой Scopus, 1 работа опубликована в журнале,
индексируемом базой Web of Science.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав,
заключения, списка литературы, содержащего 123 наименований, и 17
приложений. Диссертация изложена на 196 страницах и снабжена 92 рисунками и
23 таблицами.