THE FEASIBILITY STUDY OF APPLICATION OF COMBINED CYCLE GAS TURBINE UNITS ON BOARD SHIPS OF THE RUSSIAN FLEET
Authors:
1.
Bauman Moscow State Technical University, Kaluga Branch
2.
Bauman Moscow State Technical University, Kaluga Branch
3.
LLC "EF-Engineering"
Type:
Article
Pages:
from 93
to 99
Status:
Published
Received:
20.11.2017
Accepted:
20.11.2017
Published:
25.11.2017
Subject area:
UDK 621.125
GRNTI 45.01 Общие вопросы электротехники
GRNTI 55.42 Двигателестроение
GRNTI 55.45 Судостроение
GRNTI 73.34 Водный транспорт
GRNTI 44.31 Теплоэнергетика. Теплотехника
GRNTI 45.01 Общие вопросы электротехники
GRNTI 55.42 Двигателестроение
GRNTI 55.45 Судостроение
GRNTI 73.34 Водный транспорт
GRNTI 44.31 Теплоэнергетика. Теплотехника
Language:
Russian
Keywords:
ship power plant, combined cycle gas turbine, gas-turbine unit, increase of efficiency
Abstract (English):
The article studies the possibility of application combined-cycle gas turbine plants (CCGT) in the Russian Navy. A review of numerous publications allows to infer that the essential increase of ship power plant (SPP) efficiency (10-15%) can be reached by using combine-cycle gas turbine plants. It should be noted that the greatest effect on CCGT performance makes the level of technological sophistication of gas-turbine units (GTU), in particular, the gas temperature achieved before the turbine. The possibility of creating marine CCGT in Russia is being explored. The article contains examples of the use of GTUs on board foreign ships. Close attention is drawn to the advanced techniques used to increase CCGT efficiency. There have been presented calculations of the approved scheme of CCGT, which demonstrate the advantages of using CCGTs.
The article studies the possibility of application combined-cycle gas turbine plants (CCGT) in the Russian Navy. A review of numerous publications allows to infer that the essential increase of ship power plant (SPP) efficiency (10-15%) can be reached by using combine-cycle gas turbine plants. It should be noted that the greatest effect on CCGT performance makes the level of technological sophistication of gas-turbine units (GTU), in particular, the gas temperature achieved before the turbine. The possibility of creating marine CCGT in Russia is being explored. The article contains examples of the use of GTUs on board foreign ships. Close attention is drawn to the advanced techniques used to increase CCGT efficiency. There have been presented calculations of the approved scheme of CCGT, which demonstrate the advantages of using CCGTs.
Keywords:
ship power plant, combined cycle gas turbine, gas-turbine unit, increase of efficiency
ship power plant, combined cycle gas turbine, gas-turbine unit, increase of efficiency
Введение Анализ многочисленных публикаций, посвященных применению судовых энергетических установок (СЭУ) различного конструктивного исполнения, позволяет сделать вывод о том, что, используя технологии парогазовых установок (ПГУ), можно обеспечить существенное увеличение КПД СЭУ по сравнению с обычными морскими дизельными (ДЭУ), газотурбинными (ГТУ), паротурбинными (ПТУ), ядерными энергетическими установками. Выигрыш в КПД при этом может составлять ориентировочно 10-15 % в зависимости от уровня мощности, совершенства ДЭУ, ГТУ и ПТУ, значений теплотехнических параметров рабочих тел. Известно, что КПД ПГУ превосходит КПД любой дизельной, газотурбинной, паротурбинной, ядерной СЭУ. На рис. 1 показана схема цикла ПГУ, в котором в высокотемпературной части работает ГТУ (процессы 1-4), а в нижней - ПТУ, с одним и/или двумя уровнями давления пара в парогенераторе. Термический КПД любого цикла теплового двигателя определяется из соотношения , где - среднеинтегральная температура подвода теплоты; - среднеинтегральная температура отвода теплоты в цикле. Рис. 1. Схема цикла ПГУ в диаграмме Из анализа цикла ПГУ (рис. 1) следует, что теплота в процессе 2-3 (горение топлива в камере сгорания ГТУ) подводится к рабочему телу при высокой среднеинтегральной температуре, а отводится при низкой среднеинтегральной температуре в процессе , происходящем в конденсаторе ПТУ (при охлаждении пара и конденсата циркуляционной водой), а также отводится небольшое количество теплоты с выхлопными газами, уходящими из котла-утилизатора в процессе 5-1. Эти технические возможности ПГУ обеспечивают самый большой КПД по сравнению с любыми другими СЭУ традиционного конструктивного исполнения. В практике создания ГТУ морского типа освоен уровень начальной температуры газа перед турбиной вплоть до ≈1250-1300 °С при степени сжатия воздуха в компрессоре около 20-23. При этом температура выхлопных газов на выходе из турбины составляет ≈ 500 °С и более, что приемлемо для создания достаточно эффективного котла-утилизатора и контура с ПТУ. Отвод теплоты в конденсаторе ПТУ производится при температуре около 40-50 °С (в зависимости от температуры забортной циркуляционной воды). При этом будут обеспечены приемлемые массогабаритные показатели СЭУ, достаточно высокая надежность. Целесообразно использовать накопленный обширный опыт из стационарной энергетики при создании морских СЭУ. Наибольшее влияние на величину КПД цикла ПГУ оказывает уровень совершенства ГТУ, и в первую очередь достигаемая температура газов перед турбиной - . Чем выше значение тем больше КПД ГТУ, а также ПГУ, при прочих равных условиях сравнения [1-3]. О возможностях создания морских ПГУ в России База морского газотурбостроения создана в ПАО «НПО «Сатурн» (г. Рыбинск Ярославской обл.) в 1992 г. по инициативе Управления кораблестроения ВМФ РФ и правительственной комиссии. Предприятие ориентировано на конструирование и выпуск авиационных двигателей для различных гражданских и военных самолетов. Оно способно освоить создание авиапроизводных ГТД и конвертировать их для работы в морских условиях, дополнив газогенераторы соответствующими силовыми турбинами. В области производства морских ГТУ ПАО «НПО «Сатурн» пока накоплен небольшой опыт. Созданы морские ГТД типа М75ФР мощностью 5,15 МВт, а также ГТД типа М70ФРУ мощностью 10,3 МВт, которые планируется сдать ВМФ в 2017 г. На финишной стадии производства и отработки находится ГТД типа М90ФР мощностью 20,24 МВт, создаваемый совместно с НПЦ «Салют» и ЗАО «Турборус». По заявленным техническим характеристикам указанные морские ГТД не уступают зарубежным аналогам. Заявленные величины КПД морских ГТУ М70ФРУ и М90ФР составляют 36,6 и 36 % соответственно. Серийный выпуск морских ГТД является в настоящее время важной стратегической и политической задачей создания и модернизации современных СЭУ для флота России в ХХI веке. Модификации ГТУ М70ФРУ и М90ФР могут быть выполнены с газотурбинным реверсом, а также без реверса. Реверс силовой турбины осуществляется перепуском потока газа через требуемую проточную часть двухъярусной силовой турбины с использованием специального переключающего устройства. Двухъярусные лопаточные аппараты силовой турбины имеют два протока газа - нижний и верхний. Нижний проток используется для обеспечения прямого маршевого хода корабля, а верхний проток - для заднего хода. По информации представителей НПО «Сатурн», в реверсивных ГТУ КПД снижается на 2,5-3 % [4] (в публикациях указано на снижение КПД ≈ 4-5 %). Для СЭУ важно обеспечивать реверс судна, что осуществляется различными способами: газотурбинный реверс, реверсивный редуктор с переключаемыми муфтами, гребной винт регулируемого шага - для изменения направления вращения вала гребного электродвигателя. В планируемых к выпуску ГТУ производства НПО «Сатурн» М70ФРУ и М90ФР в настоящее время будет применен газотурбинный реверс из-за отсутствия производства реверсивных редукторов. Такие ГТУ предназначены для установки на достраиваемые эсминцы, корветы и новые строящиеся корабли ВМФ России, а также на некоторые суда гражданского флота РФ. Следует отметить, что ГТУ с газотурбинным реверсом нецелесообразно использовать для создания СЭУ с ПГУ, т. к. при этом изначально закладывается сниженная экономичность ПГУ на 3-4 % и более. Разрабатываются проекты модификаций такого рода ГТУ с выводом вала силовой турбины вперед, с целью использования двигателей на кораблях с динамическими принципами поддержания - судах на подводных крыльях и судах на воздушной подушке [4]. В создании морских СЭУ в мире прослеживается современная тенденция к увеличению единичной мощности установок до 30-40 МВт в связи с ростом потребностей мощных систем вооружений и повышения скорости надводных кораблей. Поэтому перспективные СЭУ в России должны создаваться и для больших мощностей. Рационально при этом использовать технологии ПГУ, которые позволяют существенно увеличивать КПД и мощность энергетических установок. Некоторые примеры использования ГТУ на судах иностранного флота В качестве примера в табл. 1 приводятся некоторые опубликованные сведения о характеристиках ГТУ, установленных на кораблях ВМС США, Великобритании и других стран НАТО. Таблица 1 Мощность и КПД некоторых морских ГТУ* Параметр Тип ГТУ, фирма LM2500+, «GE» МТ30, «Rolls-Royce» WR21, «Rolls-Royce» Единичная мощность, МВт 30 36 25,5 КПД, % 37,3 40 42,3 * Составлено по [5, 6]. Высокий КПД у ГТУ WR21 получен за счет промежуточного охлаждения воздуха после первого каскада (низкого давления) компрессора, а также регенеративного подогрева воздуха перед камерой сгорания. Газотурбинная установка оказалась ненадежной при эксплуатации в теплых водах Персидского залива. На шести эсминцах, в связи с отказом работы теплообменных аппаратов и электронных систем управления в условиях охлаждения их теплой забортной водой, СЭУ вышли из строя. Современные направления повышения эффективности ПГУ Парогазовые установки должны обладать достаточно высоким КПД. Это обеспечивается дальнейшим развитием современных технологий в области морского газотурбостроения, а также перспективных разработок СЭУ. Существуют следующие возможные направления совершенствования СЭУ: - дальнейший рост начальной температуры газа перед турбиной, с учетом специфики работы ГТУ в морских условиях и длительного ресурса, до значений ≈ 1350-1400 °С; - дальнейший прогресс в достижениях металлургии и технологии жаропрочных и жаростойких сплавов, способных работать при температуре более 950 °С; - создание надежных термобарьерных покрытий на основной металл лопаточных аппаратов турбины (особенно в первых ступенях) и элементы камеры сгорания, ротора турбины; - отработка эффективных и надежных систем воздушного охлаждения элементов турбин, работающих при высоких температурах газа; - эффективная промывка проточной части компрессора, проточных частей камеры сгорания и турбины от солеотложений; - использование в тепловой схеме ПГУ двух или трех уровней давления водяного пара в котле-утилизаторе и в конструкции ПТУ. Определенные преимущества по маневренности, живучести, надежности могут быть получены для СЭУ, выполненных по технологиям полностью электрифицированного корабля [5, 6]. Расчетная сравнительная оценка показателей ПГУ и ГТУ Для демонстрации эффективности получаемых показателей морских ПГУ по сравнению с ГТУ выполнены ориентировочные расчеты энергетических установок для ГТУ с единичными мощностями 12 МВт и 16 МВТ, а также с построенными на их базе ПГУ. При этом приняты исходные данные по параметрам рабочих тел в ГТУ и в ПТУ, которые обеспечены уже в настоящее время для всех конструктивных элементов, входящих в состав тепловой схемы ПГУ. Промежуточное охлаждение воздуха и регенеративный подогрев воздуха в ГТУ отсутствуют. Принята принципиальная тепловая схема ПГУ для полностью электрифицированного корабля. На рис. 2 приведена принципиальная (упрощенная) тепловая схема ПГУ (часть пропульсивного комплекса СЭУ с гребным электродвигателем и винтом фиксированного шага (ВФШ) не показана), а в табл. 2 представлены результаты расчета ПГУ. На рис. 2 приведены две ПГУ правого и левого борта корабля, с целью показать технологические возможности перекрестной работы обеих ПГУ, например, при отказе одного котла-утилизатора или паровой турбины. В табл. 2 представлены соответствующие расчетные данные для одной ПГУ, а также для двух ПГУ правого и левого борта. Рис. 2. Упрощенная расчетная тепловая схема ПГУ Таблица 2 Расчетные показатели ПГУ и сравнение с показателями простой ГТУ Параметр ГТУ 12 МВт ПГУ 18 МВт на базе ГТУ 12 МВт ГТУ 16 МВт ПГУ 23 МВт на базе ГТУ 16 МВт Начальная температура газа перед газовой турбиной, °С 1 128 1 128 1 209 1 209 Степень сжатия воздуха в компрессоре 16,1 16,1 19,6 19,6 КПД ГТУ*, % 32,2 31,9 34,3 33,7 Температура газа на выходе из ГТУ*, °С 472,7 476,6 475 478,9 Относительный внутренний КПД ПТУ, % - 89,0 - 89,0 Давление пара на выходе из КУ, бар - 40 - 40 Температура пара на выходе из КУ, °С - 440 - 440 Единичная мощность ГТУ, МВт 12 11,8 16 15,7 Единичная мощность ПТУ, МВт - 5,7 - 7,1 Продолжение табл. 2 Параметр ГТУ 12 МВт ПГУ 18 МВт на базе ГТУ 12 МВт ГТУ 16 МВт ПГУ 23 МВт на базе ГТУ 16 МВт Количество ГТУ (ПТУ) правого и левого борта, шт. 2 2 2 2 Суммарная мощность энергетической установки, МВт 24 35 32 45,6 Вид используемого топлива (Qнр, МДж/кг) Газотурбинное топливо (Qнр = 39,8 МДж/кг) КПД СЭУ, брутто, % 32,2 47,4 34,3 48,8 Потребная мощность на собственные нужды, кВт 480 530 640 700 КПД СЭУ, нетто, % 31,6 46,7 33,6 48,1 Температура уходящих газов на выходе из установки, °С 472,7 117 475 119 * Параметры приведены для температуры воздуха +4,5 °С. В ходе сравнительного анализа расчетных результатов для ГТУ единичной мощностью 12 и 16 МВт и выполненных на их основе ПГУ установлено: - в ПГУ единичная мощность установок, по сравнению с ГТУ, увеличивается на 5,5 и 6,8 МВт соответственно; - у ПГУ увеличивается КПД (нетто), по сравнению с ГТУ, на 15,1 и 14,5 % соответственно. Тепловая схема ПГУ выполнена для полностью электрифицированного корабля, что позволяет отказаться от газотурбинного реверса. При этом реверс корабля выполняется соответствующим переключением контактов у гребного двигателя, что изменяет направление вращения ВФШ на противоположное. Изменение частоты вращения гребного электродвигателя выполняется с использованием соответствующей корабельной системы частотного регулирования. Подобная гибкая технологическая система полностью электрифицированного корабля с ПГУ позволяет отдавать большие мощности электрической энергии на энергоемкое корабельное оружие и одновременно обеспечивать приемлемую скорость движения корабля. Следует отметить, что применение рассматриваемой схемы СЭУ позволяет использовать вспомогательные электрогенераторы с пониженной мощностью. Выводы 1. Для СЭУ следует применять наиболее эффективные двигатели и комбинированные установки, с учетом их конкретных достоинств и недостатков, а также специфики и назначения судна или корабля. При этом следует учитывать, что судовые ПГУ могут обеспечить наиболее высокую экономичность, по сравнению с любыми типовыми энергетическими установками при приемлемых массогабаритных показателях. 2. Наиболее важными составляющими для достижения высокой экономичности ПГУ являются высокий уровень КПД газовой турбины и высокая начальная температура газов перед турбиной. Это достигается в настоящее время за счет передовых и надежных систем охлаждения узлов газовой турбины, надежных термобарьерных покрытий деталей турбины, а также путем усложнения контура ПТУ введением 2-х или 3-х уровней давления пара. 3. В России не производятся реверсивные редукторы с отключаемыми муфтами, которые могут обеспечить всевозможные режимы эксплуатации судна. Требуется создание такого производства для решения многочисленных проблем при создании высокоэффективных СЭУ на базе ГТУ и ПГУ. 4. Разработанные ГТУ М70-ФРУ и М90-ФР нецелесообразно применять для ПГУ из-за наличия газотурбинного реверса, снижающего КПД и мощность двигателя на 3 % и более. 5. Для дальнейшего развития морских ПГУ целесообразно использовать и развивать научный, производственный, технологический потенциал Объединенной двигателестроительной корпорации, НПО «Сатурн», НПЦ «Салют». При этом следует создавать ПГУ в мощностной линейке 20-40 МВт, востребованные в гражданском и военно-морском флоте России. 6. Представляется перспективным использование полностью электрифицированных СЭУ (в т. ч. ПГУ) для многих типов судов и кораблей, что обеспечивает ряд технических и технологических преимуществ при эксплуатации судов с гребными электродвигателями и винтами фиксированного шага.
1. Zysin L. V. Parogazovye i gazoturbinnye ustanovki. SPb.: SPbGPI, 2010. 378 s.
2. Canev S. V., Burov V. D., Remezov A. N. Gazoturbinnye i parogazovye ustanovki teplovyh elektrostanciy. M.: MEI, 2002. 574 s.
3. Rodionov N. G. O potencial'nyh vozmozhnostyah primeneniya gazovyh turbin dlya sudovyh PGU // Materialy VI Vseros. nauch.-tehn. konf. «Aktual'nye problemy morskoy energetiki» (Sankt-Peterburg, 16-17 fevralya 2017 g.). SPb.: SPbGMTU, 2017. S. 236-238.
4. Burov M. N. Sozdanie bazy morskogo gazoturbostroeniya v Rossii // Materialy VI Vseros. nauch.-tehn. konf. «Aktual'nye problemy morskoy energetiki» (Sankt-Peterburg, 16-17 fevralya 2017 g.). SPb.: SPbGMTU, 2017. S. 222-225.
5. Shinkorenko D. Perspektivy razvitiya energeticheskih ustanovok nadvodnyh korabley VMS zarubezhnyh stran // Zarubezhnoe voennoe obozrenie. 2007. Ch. 1. № 1. S. 54-61. Ch. 2. № 3. S. 58-61.
6. Nikitin V. S., Polovinkin V. N., Baranovskiy V. V. Sovremennoe sostoyanie i perspektivy razvitiya energeticheskih ustanovok krupnyh korabley VMS zarubezhnyh stran // Tr. Krylov. gos. nauch. centra. 2016. № 378. T. 4. S. 125-148.
