загрузка...

ПРИМЕНЕНИЕ ГАЗОТУРБИННЫХ УСТАНОВОК С ТЕПЛОАККУМУЛЯТОРАМИ ДЛЯ УСЛОВИЙ ГОРНОРУДНЫХ ПРОИЗВОДСТВ


Современные тенденции развития предприятий горно-рудного комплекса предопределяют внедрение высокотехнологичных процессов, что сопряжено с увеличением энергетических затрат. Одновременное увеличение стоимости нефтепродуктов, применяемых в основных силовых агрегатах шахтных производств, какими являются двигатели внутреннего сгорания, в свою очередь, обуславливает необходимость поиска новых, альтернативных источников энергии, наиболее перспективными из которых являются метан, либо синтетические моторные топлива, добыча которых может осуществляться непосредственно из угля [1, 2, 3].
С другой стороны, повышенные требования к силовым установкам по пожаро- и взрывобесопасности при одновременном повышении агрегатной мощности позволяют в качестве энергетического источника использовать, например, газотурбинные двигатели. Основными преимуществами ГТД по сравнению с поршневыми двигателями являются их многотопливность и высокие удельные мощностные показатели при сравнительно небольших массо-габаритных размерах.
Среди широкого класса ГТД особое место занимают установки, работающие по замкнутому циклу, применение которых в силу предъявляемых

требований и специфики работы в горно-рудном комплексе представляется наиболее актуальным.
На рис.1 представлена схема ГТД, работающего по замкнутому циклу с регенерацией и теплоаккумулятором, а на рис. 2 - общий вид ГТД. Центробежный компрессор и центростремительная турбина образуют единый турбокомпрессорный блок, который вращается с частотой 50000 об/мин. Ротор имеет подшипники с газовой смазкой.

Регенератор - противоточный кольцевой с высокоэффективной пластинчато-ребристой поверхностью расположен вокруг турбокомпрессора. Охладители газа пластинчатого типа находятся между выходом из регенератора и входом в компрессор и выполнены одноходовыми по газу и 4-ходовыми по воде.

Температура теплоносителя перед турбиной составляет 1000К, перед компрессором 300К, степень регенерации 0,86. При этом КПД турбины составляет 0,84, компрессора - 0,76. При этих параметрах и характеристиках элементов КПД цикла ГТУ достигает величины 0,31. [4, 5, 6].



Специфика работы ГТД замкнутого цикла предопределяет повышенные требования к рабочему телу. В табл.1 приведены основные свойства газов. В качестве рабочих тел для ГТУЗЦ. принимают главным образом гелий, углекислый газ и азот. Рассмотрим сравнительные характеристики этих тел по различным оценочным критериям.
При эксплуатации ГДД замкнутого цикла в условиях шахтных производств на первое место выходят такие показатели рабочего тела, как максимальный КПД установки, совместимость с материалами зоны контакта, эксплуатационные характеристики, стоимость и теплопередающие свойства.
Проведем краткий анализ приведенных показателей. При одинаковых значения температур цикла и прочих равных условиях свойства газов, подчиняющихся уравнению состояния идеального газа, влияют на КПД цикла только через показатель адиабаты, с увеличением которого достижимый КПД цикла уменьшается, поэтому при работе на одноатомном газе ГТД будет иметь минимальную тепловую экономичность.
Инертные газы, ни с какими материалами рабочего контура не реагирует. Проблемы коррозионной нестабильности могут возникать только при использовании углекислоты в случае контакта ее с графитом. Все основные сравниваемые газы нетоксичны, взрыво- и пожаробезопасны. Однако достаточного опыта использования различных газов в ГТУЗЦ до настоящего времени нет.
По критерию стоимости можно отметить, что гелий значительно дороже, чем углекислый газ и азот. Гелий является также более дефицитным газом. Имея малую молекулярную массу, он очень текуч. Поэтому при использовании этого газа особое внимание нужно обращать на уплотнение контура.
Теплопередающие свойства газов определяются отношением мощности, затраченной на циркуляцию рабочего тела на его количество. Эта величина оказывает влияние на тепловую экономичность и на стоимость энергетической установки, а поэтому является важнейшим показателем. При сравнении газов необходимо учитывать их теплофизические свойства (удельную теплоемкость, плотность, теплопроводность и динамическую вязкость), геометрию активной зоны и рабочие условия.
Сравнение теплоносителей (табл.2) [6] произведено при продольном обтекании неоребренной теплообменной поверхности при постоянных величинах температур теплоносителя на входе и выходе, одинаковом среднем давлении теплоносителя, тепловой мощности, мощности, затрачиваемой на прокачку теплоносителя, равных диаметрах каналов. При таких условиях сравнения гелий оказался лучшим теплоносителем, чем углекислый газ и азот.
Таким образом, если рассматривать возможности применения таких рабочих тел, как гелий, азот и углекислота, при сходности их характеристик и, несмотря на некоторое превосходство гелия, для работы в ГТД шахтных производств его высокая стоимость неоправданно завысит капиталовложения и себестоимость добываемого угля. Поэтому предпочтительнее использовать азот, запасы которого велики, а стоимость на порядок ниже.

alt="" />


Результаты сопоставления теплопередающих свойств

Отношение величин, характеризующих сравниваемый газ и гелий

Значения отношений величин при обтекании теплообменной поверхности газами

продольном

поперечном

СО2

N2

СО2

N2

Плотностей

11,0

6,91

11,5

6,92

Коэффициентов
теплопроводности

0,19

0,18

0.13

0,18

Удельных теплоемкостей

0,23

0,22

0,19

0.20

Коэффициентов динамической вязкости

0,92

0,91

0,80

0,91

Относительных потерь давления

2,52

1,52

2,25

1,42

Коэффициентов теплоотдачи

0.75

0,50

0,38

0,36

Размеров теплообменника:





длины

1,54

1,36

2,10

1,53

поперечного сечения

0,87

1,46

1,27

1,81

объема

1,33

1,99

2,66

2,76

Удельная масса энергетических модулей на базе рассмотренных преобразователей с тепловыми графитовыми аккумуляторами оценивается величиной 3-7 кг/(кВтч) в зависимости от энергоемкости, что существенно ниже, чем у традиционных аккумуляторных батарей.

При использовании теплоаккумуляторов в регенеративных циклах замкнутых ГТД шахтных производств главным требованием является достаточная автономность работы и соответствие требованиям условий эксплуатации. В этой связи наиболее рациональным, на наш взгляд, является применении графитовых теплоаккумулирующих материалов              (ТАМ),
накопленный опыт эксплуатации которых в атомных ГТУ и установках специфического назначения, благодаря надежности и высокой стабильности работы матрицы в условиях высоких температур (свыше 2500К), позволяет предположить высокую перспективность их использования. Тенденции дальнейшего увеличения удельной мощности ГТД реализуются ростом максимальной температуры цикла и именно здесь на первое место выходят резервы эксплуатационной надежности графитовых ТАМ. На рис.3 представлены характеристики ГТД замкнутого цикла с графитовым ТАМ в процессе работы. Откуда видно, что при нагреве матрицы до теппературы 2300 К позволяет в несколько раз увеличить автономность работы графитового ТАМ по сравнению с другими типами теплоаккумуляторов. При эксплуатации в диапазоне темпеартур 1000-1500К несомненное преимущество остается за жидкостными ТАМ, однако невозможность их работы в условиях высоких

температур и позволяет сделать выбор в пользу твердых графитных материалов.
Кроме того, массо-габаритные показатели автономного ГТД с графитным ТАМ значительно ниже, что позволяет использовать его как источник энергии в местах, подача енергии в которые затруднена.

Рис. 3. Изменение температуры в характерных точках газотурбинного двигателя с тепловым графитовым аккумулятором в процессе работы: 1 -температуры матрицы теплоаккумулятора; 2 — максимальная и минимальная температуры на входе в турбину


Выводы:
Перспективным направлением повышения уровня энергоиспользования в горно-рудном комплексе является применение газотурбинных двигателей замкнутого цикла с регенерацией и графитовым теплоаккумулятором в качестве силовых установок энергообеспечения.
В качестве рациональной компоновочной схемы ГТД для работы в условиях шахт является малогабаритный центробежный турбокомпрессор.
Анализ физико-химических свойств различных теплоносителей показал, что наиболее перспективным для приведенной схемы ГТД является применение азота, обеспечивающего при комплексной оценке наибольшую стабильность и эффективность работы теплоаккумулятора и обеспечение высоких эксплуатационных характеристик самой установки при сравнительно низкой стоимости.
Сравнение характеристик различных теплоаккумуляторов показало превосходство графитовых материалов, способных обеспечить хорошую стабильность в условиях высоких температур цикла и достаточную продолжительность автономной работы,
Литература Ажиппо А.Г., Левандовский В.А., Сторчеус Ю.В., Филимоненко
К.В. Косвенное ожижение угля через карбид кальция с целью получения непредельных углеводородов / Матерiали Мiжнародноl науково-практично! швестицшно! конференци „Виробництво синтетичного моторного палива з вугiлля Донбасу як складова енергетично! безпеки Свропи”, 12-14 жовтня 2005 (Луганськ) - 2005. - С. 63-67. Заявка на декларшний патент № u 2006 04196 Укра!на, C10G001/04. Спосiб непрямого зрщження вугiлля i пристрiй для його здшснення / Ажиппо
О.Г., Левандовський В. А., Сторчеус Ю.В., Фшмоненко К.В.; Схщноукрашський нацiональний унiверситет iменi Володимира Даля (UA).- Заявлено 12.02.06. type="1"> Balykjian H., Rackley R. A closed Braywn cyce powei system for dee submer siblc vehicles // ALA A Paper. 1970. N 70-519. P. 1-9. Batutis E.F. Storing thermal energy // Astronautics and aеrоsрасе engineering, 1963. N. 4 P. 29-30. Harper A. D., Spragms W.W. Development of a thermal storage heater for a closed Brayton cycle engine // Proc. 12th Intersoc. Energy Convcr. Eng. Conf. L977. VoL 1. P 208-215. Левенберг В.Д. Энергетические установки без топлива. Л., Судостроение, 1987, 104 с.
УДК 504.064.3

<< | >>
Источник: Неизвестный. Проблемы горного дела и экологии горного производства: Матер. IV междунар. науч.-практ. конф. (14-15 мая 2009 г., г. Антрацит) - Донецк. 2009

Еще по теме ПРИМЕНЕНИЕ ГАЗОТУРБИННЫХ УСТАНОВОК С ТЕПЛОАККУМУЛЯТОРАМИ ДЛЯ УСЛОВИЙ ГОРНОРУДНЫХ ПРОИЗВОДСТВ:

  1. I. ПРОИЗВОДСТВО СИЛИКАТНЫХ МАТЕРИАЛОВ В СССР И ЗА РУБЕЖОМ. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ. ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ПРОИЗВОДСТВА И ПРИМЕНЕНИЯ
  2. Эргономические показатели буровых установок Критерии опенки условий труда в зависимости от тяжести и напряженности трудового процесса
  3. § 22. Категория не имеет никакого иного применения для познания вещей, кроме применения к предметам опыта
  4. II О ПРАВЕ ЧИСТОГО РАЗУМА В ПРАКТИЧЕСКОМ ПРИМЕНЕНИИ НА ТАКОЕ РАСШИРЕНИЕ, КОТОРОЕ САМО ПО СЕБЕ НЕВОЗМОЖНО ДЛЯ НЕГО В СПЕКУЛЯТИВНОМ ПРИМЕНЕНИИ
  5. Ввод исходных данных для расчета производительности буровых установок различного типа
  6. Применение мер обеспечения производства по делам об административных правонарушениях
  7. УСЛОВИЯ ПРИМЕНЕНИЯ
  8. 2. УСЛОВИЯ ЗАРОЖДЕНИЯ КАПИТАЛИСТИЧЕСКОГО ПРОИЗВОДСТВА
  9. 7.2. ТОВАРНОЕ ПРОИЗВОДСТВО: УСЛОВИЯ И ПРИЧИНЫ ВОЗНИКНОВЕНИЯ
  10. УСЛОВИЯ ТРУДА И ИХ ОСОБЕННОСТИ В СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОМ ПРОИЗВОДСТВЕ
  11. УСЛОВИЯ ТРУДА И ИХ ОСОБЕННОСТИ В СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОМ ПРОИЗВОДСТВЕ
  12. Главо II ? КОНВЕНЦИЯ О ЗАПРЕЩЕНИИ ПРИМЕНЕНИЯ, * НАКОПЛЕНИЯ ЗАПАСОВ, ПРОИЗВОДСТВА И ПЕРЕДАЧИ ПРОТИВОПЕХОТНЫХ МИН И ОБ ИХ УНИЧТОЖЕНИИ
  13. 2.5. Метеорологические условия производства строительно-монтажных работ