Портал по тригенерации, когенерации и мини-ТЭЦ

Энергетическая газотурбинная установка, использующая теплоту газа литейного производства

Международная научно- практическая конференция « Малая энергетика-2005»

Осипов М.И., Моляков В.Д., Тумашев Р.З., Иванов В.Л., МГТУим. Н.Э. Баумана, Москва, Россия

Красный Б.Л., Тарасовский В.П., НТЦ «Бакор», г. Щербинка Московской области, Россия

Проблема улучшения экологических характеристик предприятий металлургической промышленности ставит задачу поиска способов утилизации теплоты выходящих газовых смесей с температурой 1073… 1023 Кис содержанием твердых частиц.

Предлагаемые способы утилизации теплоты уходящих газов включают создание автономных энергоустановок мощностью до 1000 кВт и предварительную очистку газовой смеси с помощью керамических высокотемпературных фильтров, разработанных НТЦ «Бакор».

Рассматриваются варианты схем газотурбинных энергетических установок, использующих теплоту газа литейного производства при следующих параметрах: температура газовой смеси Т* = 1073 К, давление газа р* = 0,104 МПа, расход газа G = 5,5…6,5 кг/с. Газ содержит большое количество твердой фазы и не содержит горючих

составляющих. Перед использованием в ГТУ газ проходит предварительную очистку в керамическом высокотемпературном фильтре.

Так как давление газа практически атмосферное и газ не содержит горючих составляющих, то для использования теплоты уходящей газовой смеси рассматриваются два принципиальных альтернативных варианта схем ГТУ для выработки электрической энергии.

Работа установки:

Горячая газовая смесь с параметрами Т*=1073 К, р*= 0,1 МПа, G=5,5 кг/с поступает на вход в турбину, разрежение за которой создается компрессором. Произведя полезную мощность в турбине, газ поступает в охладитель, где охлаждается водой до Тго* = 300 К, и затем в компрессор, где давление газа повышается до атмосферного. Установка производит механическую и тепловую (горячая вода, пар) энергию.

Параметры установки:

При степени повышения давления в компрессоре πк* = 3 установка вырабатывает для заданных параметров горячего газа электрическую мощность 700 кВт и тепловую мощность 2900 кВт. Частота вращения ротора турбокомпрессора 11900 об/мин.

Габариты турбокомпрессора:

Размеры проточной части осевого компрессора: наружный диаметр ротора 0,449 м, длина лопаточного аппарата 0,448 м.

Размеры проточной части осевой турбины: максимальный наружный диаметр ротора 0,890 м, длина лопаточного аппарата 0,190 м.

Возможно использование компрессора центробежного типа вместо осевого. В этом случае диаметральные размеры увеличиваются: наружный диаметр рабочего колеса 0,707м лопаточного диффузора 1,06 м, осевая длина рабочего колеса 0,4 м.

Для реализации данного проекта в качестве одного из базовых вариантов для дальнейшей доработки целесообразна газотурбинная установка класса ГТД- 2500, входящая в состав стандартной газотурбинной теплоэлектростанции ГТЭС - 2,5. Выбранное оборудование требует следующих основных доработок:

  1. Разработка и изготовление блока «теплообменника - подогревателя» на параметры соответствующие параметрам греющего газа (утилизируемой теплоты газов литейного производства) и параметрам газотурбинного двигателя;
  2. Разработка блока «фильтра» очистки греющего газа на основе элементов керамического фильтра;
  3. Замена выносного блока ГТУ Д049 «камеры сгорания» на «выносной теплообменник - подогреватель» с соответствующей перекомпоновкой трасс для рабочего тела.
  4. Частичная перекомпоновка стандартной автономной газотурбинной теплоэлектростанции ГТЭС - 2,5 для размещения и связи основными элементами и трассами станции, указанных выше новых блоков.
  5. По предварительной оценке мощность ГТУ составит 800…. 1000 кВт.
  6. Подогреватель рассчитан на объем V = 3 м3; длина L = 3,125 м; поверхность фронта Fф=0,9м2.

Параметры двигателя типа ГТГ-2500 при работе с повернутыми лопатками направляющих аппаратов (НА) компрессора

Штатное регулирование двигателя по программе n=const (частота ращения ротора компрессора n= 14000 об/мин, - электрогенератора nэг = 3000 об/мин) уменьшением только температуры газа перед турбиной не позволяет свести баланс теплот по расходу греющего газа и расходу по рабочему телу двигателя.

Для согласования заданной величины расхода греющего газа и необходимого расхода воздуха через двигатель исследован способ регулирования, при котором изменение температуры газа в двигателе Tг осуществляется при прикрытии направляющих аппаратов компрессора с сохранением расчетной частоты вращения ротора n =14000 об/мин и уменьшением расхода воздуха через ГТД с 14,55 кг/с до 6,26 кг/с или 7,0 кг/с с соответствующим уменьшением мощности ГТД до 770 кВт или 860 кВт.

Результаты расчета приведены в таблице.

Этот способ регулирования требует согласования с изготовителем ОАО "Рыбинские моторы" или "Машпроект", так как потребуются изменения в системе регулирования.

Предлагаемый вариант 2 позволит использовать двигатель класса ГТД 2500 при данной температуре греющего газа в подогревателе-теплообменнике.

Выводы

В результате анализа возможности эффективной утилизации теплоты газовых смесей металлургической промышленности установлено, что наиболее рациональным является применение автономных энергетических газотурбинных установок.

Предлагается два варианта таких установок.

ГТУ на основе традиционной полузамкнутой схемы требует разработки теплообменника - подогревателя, в котором теплота газовой смеси передается воздуху, используемого в проточных частях компрессора и турбины.

ГТУ по схеме с измененной очередностью процессов позволяет непосредственно использовать в проточной части турбины предварительно очищенную горячую газовую смесь металлургического производства атмосферного давления.