Актуальність теми




Скачати 222,07 Kb.
Дата конвертації24.11.2017
Розмір222,07 Kb.
РЕФЕРАТ
Актуальність теми.

Сучасні тенденції розвитку енергетичних установок на базі газотурбінних (ГТД) і газопоршневих (ГПД) двигунів пов’язані зі значним зростанням теплових і динамічних навантажень на елементи їх конструкцій. То ж при розробці перспективних зразків ГТД і модернізації існуючих особливу увагу приділяють поліпшенню характеристик найбільш теплонапруженого вузла двигуна – камери згоряння (КЗ). Однією з проблем при експлуатації ГТД є виникнення режимів пульсаційного (вібраційного) горіння в низькоемісійних КЗ. Тому забезпечення стійкості процесу горіння вуглеводневих палив у низькоемісійних КЗ являє собою актуальне науково-прикладне завдання.

Використання числового експерименту на основі сучасних засобів обчислювальної гідродинаміки для прогнозування режимів пульсаційного горіння на етапі розробки двигуна дозволить значно скоротити витрати на проектування та доведення двигуна, підвищити ефективність експлуатації енергетичних систем.

У промисловій та малій енергетиці все більшого поширення набувають установки автономного енергозабезпечення (УАЕ) на базі газопоршневих двигунів (ГПД), що відображає загальносвітову тенденцію децентралізації енергопостачання. Ефективність ГПД залежить від температури зовнішнього повітря і води, що охолоджує наддувне повітря – газоповітряну суміш (ГПС) на вході в циліндри, знижуючись з її підвищенням. В установках автономного енергозабезпечення (УАЕ) охолодження наддувного повітря ГПД здійснюється системою оборотного охолодження з радіатором (градирнею сухого типу), щоб уникнути попадання в охолоджуючу воду атмосферних забруднень. При підвищених температурах зовнішнього повітря 30...35 °С на вході радіатора температура охолодженого наддувного повітря перевищує допустимий рівень 45...50 °С, що призводить до переходу двигуна на часткові режими з відповідним збільшенням питомої витрати палива. Тому доцільне додаткове більш глибоке охолодження наддувного повітря.

Для оцінки ефекту від більш глибокого охолодження наддувного повітря порівняно з його охолодженням радіатором (градирнею сухого типу) необхідні дані по залежності питомої витрати палива ГПД від температури зовнішнього повітря на вході в радіатор або ж від температури наддувного повітря. На жаль, фірми-виробники не наводять їх у доступних інформаційних джерелах, а в результаті моніторингу можна отримати дані лише зі спільного впливу температури зовнішнього повітря на вході в градирню та повітря на всмоктуванні турбокомпресора (ТК). Тому необхідно вирішувати задачу обробки результатів моніторингу зі спільного впливу температур з метою отримання даних по залежності питомої витрати палива ГПД від температури зовнішнього повітря на вході в градирню і, відповідно, від температури наддувного повітря.

В установках автономного енергозабезпечення (УАЕ) на базі ГПД, які випускаються у вигляді когенераційних модулів зі штатними (навішеними на них) теплообмінниками відведення скидної теплоти на нагрів води, доволі гостро стоїть також проблема охолодження припливного повітря машинного відділення (МВ), звідки воно всмоктується наддувними турбокомпресорами (ТК) ГПД. У традиційних системах кондиціювання МВ таких установок охолоджується все припливне повітря, яке надходить до МВ. За теплого клімату через значні теплоприпливи до МВ ззовні, тепловиділення від ГПД і навішених на ГПД теплообмінників температура повітря на вході ТК ГПД висока, що призводить до зростання витрат палива та зменшення електричної потужності. Дефіцит холоду та його нераціональне використання в існуючих системах кондиціювання МВ з охолодженням великих об’ємів припливного повітря, його подачею в МВ, а звідти – на вхід ТК ГД, призводять до підвищення температури повітря на вході ГПД і, як наслідок, погіршення їх паливної ефективності та скорочення виробництва електричної енергії. Тому завдання розробки системи охолодження припливного повітря на вході ГПД, яка забезпечувала б більш низькі його температури за мінімальних витрат холоду, є актуальним.

Третьою складовою проблеми підвищення ефективності УАЕ на базі ГПД є трансформація відведеної від них теплоти з мінімальними втратами. Як правило, скидна теплота ГПД трансформується в холод термотрансформаторами – тепловикористовуючими холодильними машинами (ТХМ), а холод використовується на технологічні потреби та кондиціювання повітря різних об’єктів. При цьому скидна теплота відводиться на нагрів води (теплоносія), теплота якого в свою чергу трансформується в холод абсорбційною бромистолітієвою холодильною машиною (АБХМ). Термічний стан ГПД забезпечується підтриманням температури зворотного (охолодженого) теплоносія на вході ГПД не вище 70 °С. В той же час ефективність трансформації теплоти в холод в АБХМ висока за умови зниження температури теплоносія в АБХМ не більше ніж на 10…15 °С, тобто до 75…80 °С при його температурі на виході з ГПД (на вході АБХМ) 90 °С. Через суперечливі вимоги до ефективної роботи ГПД і АБХМ по температурі теплоносія для підтримання температури зворотного теплоносія на вході ГПД на безпечному рівні 70 °С він додатково охолоджується в градирні "аварійного скидання". При цьому втрати теплоти сягають 30 %.

Зв’язок роботи із стратегічними пріоритетними напрямами інноваційної діяльності в Україні – тематика роботи відповідає напряму: новітні ресурсозберігаючі технології.

Науково-технічною проблемою, яка вирішується в роботі є розробка технологій плазмохімічної інтенсифікації процесів горіння в низькоемісійних камерах згоряння ГТД, що забезпечує зниження рівня викидів шкідливих речовин, та термосорбційних технологій трансформації скидної теплоти установок автономного енергозабезпечення з охолодженням циклового повітря ГПД (повітря на вході та наддувного повітря) за мінімальних втрат теплоти, які забезпечують підтримання теплового стану двигунів на безпечному рівні і, як наслідок, підвищення паливної ефективності та екологічності ГТД і ГПД та енергоустановок на їх основі.

Метою наукової роботи є підвищення паливної ефективності та екологічності ГТД і ГПД шляхом підтримання стійкості процесів горіння в низькоемісійних камерах згоряння ГТД за рахунок плазмохімічного впливу на процеси сумішоутворення й хімічної кінетики, а теплового стану ГПД – шляхом термосорбційної трансформації скидної теплоти з охолодженням їх циклового повітря ГПД за мінімальних енергетичних витрат.

Наукові завдання, вирішення яких забезпечує досягнення поставленої мети:

– проаналізувати існуючий стан і виявити резерви підвищення паливної ефективності та екологічності ГТД і ГПД, пов’язані зі стабілізацію теплового стану двигунів та трансформацією їх скидної теплоти;

– розробити об’ємну математичну модель нестаціонарних хімічно реагуючих потоків в низькоемісійних камерах згоряння ГТД із плазмохімічним стабілізатором, що працюють на газоподібному паливі;

– обґрунтувати модель турбулентності для числового аналізу процесів в камері згоряння ГТД із плазмохімічним стабілізатором, розробити методику числового експерименту для дослідження нестаціонарних процесів в низькоемісійних камерах згоряння ГТД;

– провести верифікацію математичної моделі за результатами стендових і натурних випробувань камери згоряння ГТД;

– виконати дослідження впливу плазмохімічного стабілізатора й геометричних параметрів проточних частин на екологічні характеристики низькоемісійної камери згоряння ГТД; дослідити експериментально характеристики плазмохімічних стабілізаторів;

– виявити резерви підвищення паливної ефективності та екологічності газопоршневих установок автономного енергозабезпечення (УАЕ) при експлуатації за підвищених температур зовнішнього повітря шляхом зниження температури циклового повітря (на вході турбокомпресора (ТК) і наддувного повітря) трансформацією в холод скидної теплоти ГПД;

– розробити підхід та методику обробки масивів даних за результатами моніторингу паливної ефективності ГПД з отриманням залежності питомої витрати палива від температури повітря на вході ТК і наддувного повітря;

– розробити способи раціональної організації процесів охолодження циклового повітря ГПД трансформацією в холод скидної теплоти та з використанням охолоджуючого потенціалу зовнішнього повітря та вдосконалені системи охолодження для експлуатації ГПД при підвищених температурах зовнішнього повітря;

– виявити і реалізувати резерви скорочення теплових втрат при трансформації скидної теплоти в холод в газопоршневих установках автономного енергозабезпечення (УАЕ) узгодженням режимів сумісної роботи абсорбційних бромистолітієвих термотрансформаторів (АБТТ) і когенераційних модулів ГПД по температурі зворотного теплоносія;

– розробити способи раціональної організації процесів трансформації теплоти когенераційних модулів ГПД в холод, термосорбційні технології їх реалізації та системи трансформації теплоти в УАЕ, які зводять до мінімуму теплові втрати завдяки узгодженню режимів сумісної роботи АБТТ і ГПД;

– впровадити результати досліджень у практику проектування та експлуатації установок комбінованого виробництва енергії.



Наукові результати роботи:

В результаті аналізу сучасних енергетичних установок на базі ГТД і ГПД виявлено резерви підвищення їх паливної ефективності та екологічності, пов’язані зі стабілізацію теплового стану двигунів та трансформацією їх скидної теплоти застосуванням плазмохімічних і термосорбційних технологій.



Вперше:

встановлено, що підвищення стійкості процесів горіння газоподібного палива в низькоемісійних газотурбінних камерах згоряння (КЗ) з попереднім утворенням паливо-повітряної суміші може бути досягнуто за рахунок плазмохімічного впливу слабкострумових плазмохімічних стабілізаторів на процеси сумішоутворення й хімічної кінетики;

– розроблено математичну модель нестаціонарних хімічно реагуючих потоків в низькоемісійних КЗ ГТД, яка відрізняється від відомих наявністю підмоделі, що враховує параметри плазмохімічного стабілізатора та дозволяє прогнозувати пульсаційні характеристики паливоспалюючих пристроїв;

– запропоновано підхід до моделювання впливу продуктів плазмохімічного стабілізатора на процеси поширення полум'я в низькоемісійній камері згоряння, заснований на залежності енергії активації реакції часткового окиснення палива від кількості добавок плазмохімічних продуктів, яка враховується в рівняннях переносу хімічних компонентів з використанням LES-моделі турбулентності (моделі великих вихорів);

– встановлено основні вольт-амперні характеристики плазмохімічного стабілізатора для низькоемісійної КЗ ГТД та визначено, що зона стійкого горіння електричної дуги плазмотрона лежить в діапазоні струмів від 0,3 до 0,9 А при витратах плазмоутворюючого повітря до 3,4 г/с;

– використання плазмохімічних стабілізаторів дозволяє зменшити викиди токсичних речовин, зокрема при додаванні плазмохімічних продуктів у кількості β= 0,00087…0,0125 розрахункова емісія оксидів азоту склала 65,7…33,6 ppm, у той час як викиди оксидів азоту для базового варіанта низькоемісійної камери згоряння становили 82,6 ppm;

– розроблено підхід до обробки результатів моніторингу паливної ефективності ГПД JMS 420 (потужність 1400 кВт), реалізуючі його алгоритм і методику отримання залежності питомої витрати палива від температури зовнішнього повітря на вході градирні системи оборотного охолодження (відповідно, температури наддувного повітря) при різних температурах повітря на вході турбокомпресора (ТК) з покроковою (по температурі повітря) обробкою масивів даних моніторингу;

– отримано дані щодо зміни питомої об'ємної витрати палива dbev , що припадає на зміну температури зовнішнього повітря tнв на вході градирні на 1 °С, dbev /dtнв, при різних температурах повітря tвх на вході турбокомпресора ГПД JMS 420, виходячи з яких можна оцінювати ефект від реалізації технічних рішень при експлуатації ГПД на номінальній потужності та часткових навантаженнях;

– розроблені способи раціональної організації процесів охолодження повітря і реалізучі їх схемні рішення систем оборотного охолодження наддувного повітря ГПД установок автономного енергозабезпечення (УАЕ) з використанням охолоджуючого потенціалу зовнішнього повітря у двоконтурній системі та трансформацією в холод скидної теплоти ГПД абсорбційним бромистолітієвим термотрансформатором (АБТТ) у триконтурній системі оборотного охолодження;

– визначено умови раціонального використання дво- і триконтурних систем оборотного охолодження наддувного повітря: при високих температурах зовнішнього повітря tнв = 30...35 °С (та температурі повітря на вході турбокомпресора ГПД tвх = 25...30 °С) триконтурна система охолодження з градирнею мокрого типу і абсорбційною бромистолітієвим термотрансформатором (АБТТ) забезпечує скорочення питомої витрати газу на 6...8 г/(кВт∙год), тобто на 2...5 %, і збільшення електричної потужності ГПД JMS 420 на 12...18 % у порівнянні з традиційним охолодженням в радіаторі (градирні сухого типу), тоді як двоконтурна система охолодження з градирнею мокрого типу забезпечує скорочення питомої витрати газу на 2...5 г/(кВт∙год) і збільшення електричної потужності ГПД на 7...12 %;

– встановлено, що при експлуатації ГПД JMS 420 на режимах навантаження, близьких до номінального (1400 кВт), і температурі зовнішнього повітря на вході градирні tнв = 30...35 °С (температурі повітря на вході турбокомпресора ГПД tвх = 25...30 °С) триконтурна система оборотного охолодження наддувного повітря з градирнею мокрого типу та абсорбційним термотрансформатором дозволяє скоротити питому витрату палива на 2...5 % у порівнянні з його традиційним охолодженням радіаторами, тоді як на режимах часткових навантажень (1000...1100 кВт) – на 2...8 %, причому при більш високій температурі повітря на вході ТК tвх = 35 °С (у порівнянні з tвх = 30 °С) ефект від охолодження на режимах часткових навантажень значно більше;

– запропоновано і реалізовано підхід до розробки системи охолодження повітря на вході ГПД установки автономного енергозабезпечення, який базується на принципі зонального повітропостачання з подачею охолодженого повітря на вхід ГПД і вентиляцією зон інтенсивного тепловиділення;

– розроблені способи раціональної організації процесів тепловологісної обробки повітря на вході ГПД шляхом двоступеневого охолодження і трансформації скидної теплоти в каскадному абсорбційно-парокомпресорному термотрансформаторі (КАПКТ) з холодопостачанням високотемпературного ступеня повітроохолоджувача від АБТТ і низькотемпературного ступеня від КАПКТТ;

– розроблені термосорбційні двоступеневі системи трансформації скидної теплоти з охолодженням повітря на вході ГПД, що забезпечують скорочення питомого споживання палива на 2...3 г/(кВт∙год) і підвищення на 2...3 % електричної потужності ГПД JMS 420;

– запропоновано і реалізовано принципово новий підхід до підтримання теплового стану ГПД в установках автономного енергозабезпечення (УАЕ) на безпечному рівні, який базується на принципі подачі зворотного теплоносія від АБТТ до ГПД потоками з різною температурою в залежності від температурного рівня джерел тепловиділення;

– розроблено і досліджено багатопотокові системи трансформації скидної теплоти ГПД в холод в УАЕ, які забезпечують узгодження режимів сумісної роботи АБТТ і когенераційних ГПД по температурі зворотного теплоносія, мінімальні втрати теплоти і, як наслідок, підвищення термодинамічної ефективності трансформації скидної теплоти зі збільшенням теплового коефіцієнта від 0,55 до 0,8;

– розроблені підхід, принципи та способи раціональної організації процесів трансформації скидної теплоти ГПД із застосуванням термосорбційних технологій у сукупності складають фізико-технічні основи проектування та конструювання газопоршневих установок автономного енергозабезпечення, забезпечують розв’язання комплексних проблем ефективного використання паливно-енергетичних ресурсів і скорочення антропогенного навантаження на довкілля;

Ефективність розроблених плазмохімічних технологій стабілізації процесів горіння та високі екологічні характеристики низькоемісійних камер згоряння ГТД підтверджені результатами стендових і натурних випробувань, а термосорбційних технологій трансформації скидної теплоти ГПД – даними моніторингу з паливної ефективності пілотної газопоршневої установки автономного енергозабезпечення.



Достовірність результатів досліджень забезпечується коректною постановкою завдань теоретичного й експериментального дослідження, застосуванням сучасних розрахунково-експериментальних методів і засобів, коректністю застосованих методик досліджень, прийнятною точністю отримання експериментальних даних, задовільним узгодженням результатів теоретичних і експериментальних досліджень, математико-статистичною обробкою отриманих даних, результатами натурних випробувань газотурбінних низькоемісійних камер згоряння і даними моніторингу пілотної газопоршневої установки автономного енергозабезпечення.

Практичну цінність результатів роботи становлять:

– методики числового експерименту з підвищення стійкості процесів горіння газоподібного палива в низькоемісійних камерах згоряння (КЗ) з використання сучасних комплексів обчислювальної гідродинаміки, що дозволяє збільшити ефективність проведення проектних і дослідно-доводочних робіт;

– нова конструктивна схема КЗ ГТД, яка захищена патентом України і забезпечує зниження пульсацій тиску в жаровій трубі КЗ;

– практичні рекомендації з підвищення стійкості роботи КЗ з попереднім перемішуванням палива з повітрям ГТД потужністю 25 МВт виробництва ДП НВКГ "Зоря"-"Машпроект" (м. Миколаїв) шляхом використання слабкострумових плазмохімічних стабілізаторів;

– методика обробки масивів даних результатів моніторингу паливної ефективності ГПД типу JMS 420 залежно від температур циклового повітря;

– методики і програми розрахунку характеристик і параметрів систем підтримання теплового стану ГПД на безпечному рівні шляхом термосорбційної трансформації скидної теплоти в холод при змінних у процесі експлуатації тепловологісних параметрах зовнішнього повітря;

– схемні рішення і рекомендації з проектування та експлуатації новітніх дво- і триконтурних систем оборотного охолодження наддувного повітря ГПД; двоступеневого охолодження припливного повітря на вході ГПД з холодопостачанням високотемпературного ступеня від АБТТ і низькотемпературного ступеня від каскадного абсорбційно-парокомпресорного термотрансформатора (КАПКТ); багатопоточних систем трансформації скидної теплоти когенераційних ГПД і подачі зворотного теплоносія від АБТТ в ГПД, що зводять до мінімуму втрати теплоти при її трансформації, забезпечують підтримання теплового стану ГПД на безпечному рівні та, як наслідок, високі паливну ефективність і екологічність газопоршневих установок автономного енергозабезпечення.

Отримані науково-технічні результати відзначаються принциповою новизною і свідчать про те, що робота відповідає кращим світовим аналогам і перевищує існуючі вітчизняні розробки.

Впровадження розроблених плазмохімічних технологій стабілізації процесів горіння в низькоемісійних камерах згоряння (КЗ) ГТД і рекомендацій з їх реалізації у практику проектування й експлуатації ГТД виробництва ДП НВКГ "Зоря"-"Машпроект" дозволяє поліпшити пульсаційні характеристики КЗ, збільшити ресурс жарових труб КЗ і двигунів в цілому.

Схемно-конструктивні рішення систем термосорбційної трансформації скидної теплоти, методики визначення оптимальних параметрів процесів трансформації теплоти впроваджені при проектуванні та конструюванні установок автономного енергозабезпечення в ТОВ "Хладотехніка", м.Миколаїв (розробника проекту і виконавця виготовлення та монтажу пілотної установки автономного енергозабезпечення на заводі ВАТ "Сандора"–"Pepsiса Україна", Миколаївська обл.), ПАТ "Завод "Екватор" (м. Миколаїв).

Економічний ефект від впровадження результатів у розробках цих організацій склав понад 3 млн. грн.

Науково-технічні основи термосорбційної трансформації скидної теплоти в енергоустановках з виробництвом холоду використано при розробці навчально-методичного забезпечення нового лекційного курсу "Технології комбінованого виробництва енергії" та циклу лабораторних і практичних робіт у НУК при підготовці спеціалістів та магістрів за спеціальностями "Газові турбіни", "Суднові енергетичні установки" і "Холодильні машини та установки".

Ряд новітніх технологій розроблено сумісно з зарубіжними науковими центрами, зокрема Польщі (Західно-Померанським, м. Щецин, та Кошалінським, м. Кошалін, технічними університетами), з якими проводяться сумісні наукові дослідження, міжнародні конференції, опубліковано статті та доповіді на міжнародних конференціях.

Представлені матеріали узагальнюють результати робіт, виконаних авторами відповідно до тематичного плану фундаментальних НДР НУК у рамках держбюджетних тем: конкурсна НДР молодих науковців № 0116U0086698 "Розробка концепції комбінованого виробництва енергії в судновій та стаціонарній енергетиці на основі внутрішньоциклової низькотемпературної тригенерації", НДР № 0111U002309 "Теоретичні основи підвищення стійкості процесів горіння вуглеводневих палив в низькоемісійних камерах згоряння газотурбінних двигунів з використанням плазмохімічних стабілізаторів"; НДР № 0115U000300 "Науково-технічні основи тригенераційних полінарних технологій на низькокиплячих робочих тілах для двигунів і енергетичних установок"; за міжнародними контрактами: № 1891-1893/2012 "Дослідження термоакустичних процесів в камері згоряння ГТД, що працює на газоподібному паливі", № 11-13/2013 "Моделювання малоемісійної камери згоряння ГТД, що працює на газоподібному паливі", а також відповідно до договору про творчу співдружність між НУК і ДП НВКГ"Зоря"-"Машпроект" (2012-2013 рр.) за темою № 0114U001281 "Розробка методів розрахунків характеристик нестаціонарного робочого процесу в низькоемісійних камерах згоряння газотурбінних двигунів".

На основі результатів роботи захищено три кандидатські та готуються до захисту докторська та кандидатська дисертації. Науковий та інноваційний рівень тригенераційних технологій підтверджено резолюціями близько 50 авторитетних міжнародних наукових форумів на Україні та за кордоном: м-н. н.-т. конф. "Інновації в суднобудуванні та океанотехніці" (Миколаїв, 2012–2015), "Проблеми енергозбереження й екології в суднобудуванні" (Миколаїв, 2012–2014), "Сучасний стан та проблеми двигунобудування" (Миколаїв, 2014), "Сучасні проблеми холодильної техніки і технології" (Одеса, 2012, 2014), Міжнародні конгреси двигунобудівників (Харків–Рибальське–Коблево, 2012–2015); "Суднова енергетика: Стан та проблеми" (Миколаїв, 2011–2015); м-н. н.-т. конф. "Муніципальна енергетика: проблеми, рішення" (Миколаїв, 2011–2015); "Холод в енергетиці і на транспорті" (Миколаїв, 2013, 2015); Іnt. Symposіum on Heat Transfer and Renewable Sources of Energy "HTRSE-2012" (Szczecіn, Poland).

В першому розділі роботи обґрунтовано актуальність теми досліджень, сформульовано науково-технічну проблему і мету наукової роботи, визначено наукові завдання для досягнення поставленої мети та вирішення проблеми.

Наведено наукові результати роботи та обґрунтовано їхню новизну, практичну цінність прикладних результатів, обґрунтовано достовірність отриманих результатів і висновків, дані з їхнього впровадження в організаціях- проектантах і підприємствах-виробниках енергетичного устаткування та у навчальному процесі при підготовці фахівців з енергетичного машинобудування, відомості з апробації наукових результатів на міжнародних конференціях.



Другий розділ присвячено розробці плазмохімічних технологій стабілізації процесів горіння в низькоемісійних камерах згоряння (КЗ) ГТД, що працюють на збіднених паливо-повітряних сумішах, дано основні положення розробленої математичної моделі нестаціонарних хімічно реагуючих потоків в низькоемісійних КЗ, яка дозволяє коректно прогнозувати плазмохімічний вплив на процеси сумішоутворення й кінетики. Запропоновано підхід до моделювання хімічного впливу продуктів плазмохімічного стабілізатора на процеси поширення полум'я в низькоемісійних КЗ, заснований на залежності енергії активації реакції часткового окиснення метану від кількості добавок плазмохімічних продуктів.

Верифікація запропонованої математичної моделі проведена з використанням експериментальних даних, отриманих при дослідженні камери згоряння ГТД потужністю 25 МВт виробництва ДП НВКГ "Зоря"-"Машпроект". Отримані результати свідчать про задовільну кореляцію експериментальних і теоретичних даних і можливість використання розробленої математичної моделі нестаціонарних процесів для вдосконалення геометричних і режимних параметрів низькоемісійних КЗ ГТД, що використовують стабілізатори різних типів. Застосування математичних моделей доцільно як при створенні нових зразків низькоемісійних КЗ, що працюють на збіднених паливо-повітряних сумішах, так і при модернізації існуючих камер з метою розробки конструктивних рішень зі зменшення ймовірності виникнення режимів пульсаційного горіння.

Показано зменшення емісії основних забруднюючих речовин (NO і CO) завдяки застосуванню плазмохімічних технологій стабілізації процесів горіння.

Третій розділ присвячено визначенню паливної ефективності газопоршневих двигунів (ГПД) установок автономного енергозабезпечення (УАЕ) при змінних кліматичних умовах експлуатації. Розроблено підхід до обробки масивів даних результатів моніторингу показників ефективності ГПД JMS 420 корпорації "Jenbacher"-"General Electric" (потужність 1400 кВт) пілотної УАЕ на заводі ВАТ "Сандора"–"Pepsiсо Україна" (Миколаївська обл.) для отримання залежності питомої об’ємної витрати палива bev  від температури зовнішнього повітря tнв  на вході градирні системи оборотного охолодження і, відповідно, температури наддувного повітря з обробкою окремих масивів даних моніторингу bev = f (tнв), сформованих при різних, але практично незмінних – з відхиленням в межах ±0,5 °С температурах повітря на вході ГПД tвх  турбокомпресора (ТК) ГПД.

Отримані дані щодо зміни питомої об'ємної витрати палива dbev , що припадає на зміну температури зовнішнього повітря tнв  на вході градирні на 1 °С, dbev /dtнв , при різних температурах повітря tвх  на вході ТК ГПД, виходячи з яких можна оцінювати ефект від застосування термосорбційних технологій стабілізації теплового стану ГПД охолодженням циклового повітря (на вході ТК tвх  і градирні tнв ) при експлуатації ГПД на номінальному і часткових навантаженнях.

В четвертому розділі розроблені способи раціональної організації процесів охолодження повітря і реалізучі їх схемні рішення систем оборотного охолодження наддувного повітря ГПД установок автономного енергозабезпечення (УАЕ) з використанням охолоджуючого потенціалу зовнішнього повітря у двоконтурній системі та трансформацією в холод скидної теплоти ГПД абсорбційним бромистолітієвим термотрансформатором (АБТТ) у триконтурній системі оборотного охолодження. Визначено умови раціонального використання дво- і триконтурних систем оборотного охолодження наддувного повітря: при високих температурах зовнішнього повітря tнв = 30...35 °С (та температурі повітря на вході ТК ГПД tвх = 25...30 °С) триконтурна система охолодження з градирнею мокрого типу і АБТТ забезпечує скорочення питомої витрати газу на 6...8 г/(кВт∙год), тобто на 2...5 %, і збільшення електричної потужності ГПД JMS 420 на 12...18 % у порівнянні з традиційним охолодженням в радіаторі (градирні сухого типу), тоді як двоконтурна система охолодження з градирнею мокрого типу забезпечує скорочення питомої витрати газу на 2...5 г/(кВт∙год) і збільшення електричної потужності ГПД на 7...12 %.

Встановлено, що при експлуатації ГПД JMS 420 на режимах навантаження, близьких до номінального (1400 кВт), і температурі зовнішнього повітря на вході градирні tнв = 30...35 °С (при температурі повітря на вході ТК ГПД tвх = 25...30 °С) триконтурна система оборотного охолодження наддувного повітря з градирнею мокрого типу та АБТТ дозволяє скоротити питому витрату палива на 2...5 % у порівнянні з його традиційним охолодженням радіаторами, тоді як на режимах часткових навантажень (1000...1100 кВт) – на 2...8 %, причому при більш високій температурі повітря на вході ТК tвх = 35 °С (у порівнянні з tвх = 30 °С) ефект від охолодження на режимах часткових навантажень значно більше;



П’ятий розділ присвячено глибокому охолодженню повітря на вході в ГПД установки автономного енергозабезпечення. Запропоновано і реалізовано підхід до розробки системи охолодження повітря на вході ГПД, який базується на принципі зонального повітропостачання з подачею охолодженого повітря на вхід ГПД і вентиляцією зон інтенсивного тепловиділення. Розроблені способи раціональної організації процесів тепловологісної обробки повітря на вході ГПД шляхом двоступеневого охолодження і трансформації скидної теплоти в каскадному абсорбційно-парокомпресорному термотрансформаторі (КАПКТ) з холодопостачанням високотемпературного ступеня повітроохолоджувача від АБТТ і низькотемпературного ступеня від КАПКТТ. Розроблені термосорбційні двоступеневі системи трансформації скидної теплоти з охолодженням повітря на вході ГПД, що забезпечують скорочення питомого споживання палива на 2...3 г/(кВт∙год) і підвищення на 2...3 % електричної потужності ГПД JMS 420;

У шостому розділі за результатами аналізу даних моніторингу традиційної системи трансформації скидної теплоти ГПД виявлено теплові втрати, що становлять 30…40 % всієї теплоти, відведеної від ГПД. При застосуванні традиційних термосорбційних технологій ці теплові втрати неминучі й зумовлені неузгодженням режимів сумісної роботи АБТТ і когенераційних ГПД по температурі зворотного теплоносія (води): понад 75 °С після АБТТ при температурі гарячого теплоносія на виході з ГПД 90 °С, з одного боку, та температурі зворотного теплоносія (він же охолоджувальна вода ГПД) не нижче ніж 70 °С задля підтримання теплового стану ГПД на безпечному рівні, з іншого. При цьому додаткове охолодження зворотного носія здійснюють традиційно відведенням теплоти у довкілля в градирні аварійного скидання. Авторами запропоновано і реалізовано принципово новий підхід до підтримання теплового стану ГПД, який базується на принципі подачі зворотного теплоносія від АБТТ до ГПД потоками з різною температурою в залежності від температурного рівня джерел тепловиділення. Розроблено і досліджено багатопотокові системи трансформації скидної теплоти ГПД в холод в УАЕ, які забезпечують узгодження режимів сумісної роботи АБТТ і когенераційних ГПД по температурі зворотного теплоносія, зводять до мінімуму втрати теплоти і, як наслідок, підвищення термодинамічної ефективності трансформації скидної теплоти в холод зі збільшенням теплового коефіцієнта від 0,55 до 0,8.

Розроблені підхід, принципи та способи раціональної організації процесів трансформації скидної теплоти ГПД із застосуванням термосорбційних технологій у сукупності складають фізико-технічні основи проектування та конструювання газопоршневих установок автономного енергозабезпечення, забезпечують розв’язання комплексних проблем ефективного використання паливно-енергетичних ресурсів і зменшення антропогенного навантаження на довкілля.

Автори:

Козловський А.В.________________



Коновалов А.В. _________________

Грич А.В. _________________



Остапенко О.В. _________________


База даних захищена авторським правом ©uchika.in.ua 2016
звернутися до адміністрації

    Головна сторінка