science-review.ru
В современной энергетике всё большую часть рынка занимают маломощные газотурбинные установки (ГТУ мощностью до 1 МВт), так как они отличаются компактностью, относительно низкой стоимостью и могут использоваться в качестве автономных источников электроэнергии для промышленных и бытовых потребителей в случаях, когда подключение к единой энергосети нерентабельно или невозможно. Эта ситуация характерна, например, для отдалённых регионов, где отсутствует централизованное энергоснабжение, или для небольших предприятий, фермерских хозяйств и т.п. [1].
Актуальной проблемой при создании малоразмерных ГТУ является повышение КПД термодинамического цикла. Для увеличения КПД применяются сложные циклы, например с регенерацией (с применением теплообменников – рекуператоров) [2]. КПД повышается за счёт возвращения части тепла продуктов сгорания в цикл путём передачи его воздуху, поступающему из компрессора в камеру сгорания. За счёт повышения КПД установки снижается расход топлива для выработки заданной мощности (расходы при эксплуатации ГТУ).
Однако при использовании рекуператора в составе цикла увеличивается металлоемкость и, как следствие, стоимость ГТУ (капитальные вложения) [3].
В малоразмерных установках чаще всего применяются рекуператоры пластинчатого типа [4], так как они отличаются простотой конструкции, относительной дешевизной и хорошей масштабируемостью (то есть теплообменники разных габаритов могут иметь одну и ту же конструкцию) [5], высокой тепловой эффективностью и поэтому сравнительно небольшой удельной (на единицу объёма) площадью теплопередающей поверхности.
В данной работе объектом исследования [6] является пластинчатый рекуператор малоразмерной ГТУ, параметры которого необходимо оптимизировать для увеличения технико-экономического эффекта.
Технико-экономический эффект характеризуется в рассматриваемом случае сроком окупаемости капитальных вложений на добавление в цикл ГТУ рекуператора, за счёт уменьшения затрат на топливо.
Факторами оптимизации являются габариты рекуператора, которые ограничены размерами ГТУ, а также его стоимость, которая увеличивается при повышении степени регенерации r и зависит от применяемого его для изготовления материала. С другой стороны, при увеличении r уменьшаются затраты на топливо, т.к. повышается КПД установки.
Таким образом, целью описываемого исследования являлась разработка методики определения стоимости и срока окупаемости пластинчатого рекуператора для малоразмерной газотурбинной установки (при известных её характеристиках) при ограниченных габаритах.
На основе разработанной методики необходимо рассчитать пример технико-экономического обоснования применения пластинчатого рекуператора для конкретной ГТУ.
Материалы и методы исследования
Разработанный метод технико-экономического обоснования состоит из нескольких этапов:
1. Тепловой расчёт рекуператора с целью определения основных размеров поверхностей теплообмена при варьировании степени регенерации r.
2. Определение стоимости рекуператора в зависимости от r и материала теплопередающих поверхностей, с последующим выбором наиболее подходящего материала.
3. Определение КПД цикла при разных значениях r и соответствующей экономии топлива.
4. Выбор степени регенерации цикла в зависимости от вышеуказанных факторов.
5. Расчёт срока окупаемости рекупера- тора.
Исходя из последовательности расчёта теплообменной поверхности рекуператора, описанной в [7], авторами была разработана программа на высокоуровневом универсальном языке программирования Python [8]. Теплофизические свойства воздуха и продуктов сгорания определялись с помощью подключаемого модуля CoolProp [9]. Также использовались библиотеки команд для создания пользовательского интерфейса Tkinter и для вывода качественной графической информации Matplotlib.
С учётом вышеизложенного программа для расчёта характеристик пластинчатых рекуператоров на языке Python должна содержать блоки, реализующие следующие функции:
1) подключение библиотек команд CoolProp, Tkinter, Matplotlib, Math (для использования специальных математических функций);
2) создание пользовательского интерфейса программы для ввода исходных данных и кнопок для вычисления необходимых функций;
3) импорт значений из полей ввода данных и присвоение их переменным;
4) расчёт характеристик рекуператора в цикле для разных значений степени регенерации;
5) визуализация рассчитанных зависимостей в виде графиков.
Интерфейс созданной программы приведён на рис. 1.
В поля программы введены характеристики малоразмерного двигателя ГТУ 9И113М0,2 (топливо – природный газ), производства ПАО «КАДВИ», предоставленные производителем. Соответственно, и далее будет описываться процедура технико-экономического обоснования проектирования пластинчатого рекуператора именно для этой ГТУ (хотя программа является универсальной). В нижней части интерфейса введены характеристики одного из возможных материалов для изготовления листов рекуператора – стали 15Х2М2ФБС.
После нажатия кнопки «Зависимость площади поверхности теплообмена от степени регенерации» проводится расчет, и строится данная зависимость, приведённая на рис. 2.
Рис. 1. Интерфейс программы для расчёта характеристик пластинчатого рекуператора
Рис. 2. Зависимость площади поверхности теплообмена от степени регенерации
На следующем этапе исследований созданная программа использовалась для расчёта зависимости стоимости теплообменной поверхности рекуператора от степени регенерации. На этой стадии оптимизации важно выбрать материал, наиболее выгодный по стоимости при заданной r (так как материалы обладают различной теплопроводностью, плотностью и удельной стоимостью) из следующих, широко применяемых: сплав 08Х17Т (1), сплав 15Х25Т (2), сплав 36Х18Н25С2 (3), сталь 12ХМФ (4), сталь 15Х2М2ФБС (5).
Указанные в скобках номера материалов соответствуют номерам графиков на рис. 3.
Рис. 3. Зависимость стоимости поверхности теплообмена от степени регенерации
Исходя из полученных зависимостей, можно сделать вывод, что теплообменная поверхность, изготовленная из стали 15Х2М2ФБС, при любой степени регенерации имеет наименьшую стоимость, поэтому все дальнейшие вычисления производились только для этого материала.
Следующая функция программы – определение зависимости количества проходных каналов от степени регенерации (график в статье не приводится) – позволяет по известным размерам каждого листа (приведены на рис. 1) и общей площади поверхности теплообмена (рис. 2) определить габариты рекуператора.
Результаты исследования и их обсуждение
Исходя из требований ограничения габаритов теплообменника, была выбрана степень регенерации r = 0,7. Габаритные размеры пакета пластин при этом составляют 600x400x600 мм.
Далее необходимо определить срок окупаемости рекуператора. Исходя из того что стоимость пакета пластин составляет примерно 15 % от общей стоимости рекуператора, можно рассчитать стоимость рекуператора в зависимости от коэффициента регенерации.
Затем требуется рассчитать КПД цикла при различных r по формуле из [10]:
где m – показатель адиабаты;
p и t – степень повышения давления и температуры воздуха в компрессоре;
hk, hТ, hкс – КПД компрессора, турбины, камеры сгорания.
Полученная по формуле зависимость КПД регенеративного цикла от степени регенерации для установки 9И113М0,2 приведена на рис. 4.
Рис. 4. График зависимости КПД цикла от степени регенерации
Рис. 5. График зависимости срока окупаемости пластинчатого рекуператора от степени регенерации
При увеличении КПД цикла hрег расход топлива GТ уменьшается:
где 
– номинальная электрическая мощность ГТУ;
hг – КПД электрогенератора;
и ρг – низшая теплота сгорания и плотность топливного газа (определяются с помощью модуля Coolprop программного кода Python при известном составе природного газа).
Определив уменьшение расхода топлива за счёт повышения КПД цикла с регенерацией (рис. 4), рассчитываем суточную экономию денежных средств, затрачиваемых на топливо (зная цену природного газа и задаваясь суточным временем работы ГТУ, равным 20 часам).
Срок окупаемости дополнительного устройства – рекуператора в цикле ГТУ можно определить, сравнивая стоимость рекуператора и сумму сэкономленных денежных средств за счёт уменьшения расхода топлива. Результаты определения срока окупаемости рекуператора при различных степенях регенерации приведены на рис. 5.
Из графика видно, что срок окупаемости увеличивается с повышением степени регенерации – это связано с большим темпом увеличением площади поверхности теплообмена и соответствующей стоимости рекуператора по сравнению с повышением КПД цикла и соответствующей экономией денежных средств на топливный газ.
Заключение
Таким образом, в результате проведённого исследования разработана методика и программа расчёта характеристик пластинчатого рекуператора.
Расчёт рекуператора для малоразмерной ГТУ 9И113М0,2 позволил сделать следующие выводы.
1. При увеличении степени регенерации увеличивается площадь теплообмена, количество материала для изготовления пластин, габариты и стоимость рекуператора. Для малоразмерных ГТУ степень регенерации приходится ограничивать, исходя из предельных размеров рекуператора. По полученным зависимостям стоимостей поверхности теплообмена от степени регенерации сталь 15Х2М2ФБС является наиболее выгодным из рассмотренных материалов.
2. Разработанная программа позволяет рассчитывать и подбирать указанные выше параметры пластинчатых рекуператоров для различных ГТУ.
3. Для рассчитанного рекуператора при выбранной степени регенерации 0,7 срок окупаемости составляет 215 дней. Анализируя рис. 4, видим, что при отсутствии ограничений по габаритам рекуператор выгодно применять в цикле ГТУ и при больших степенях регенерации, так как рекуператор всё равно окупается, хоть и за больший срок.
4. Созданная в ходе описанных исследований методика позволяет произвести технико-экономическое обоснование применения пластинчатых рекуператоров для совершенствования любой газотурбинной установки.
На следующем этапе исследований для удобства расчётов необходимо добавить в созданную программу расчёта пластинчатого рекуператора функции расчёта срока его окупаемости и экономического эффекта с учётом разных типов используемого топлива.