Газотурбинные установки с МГД-генератором

Повышение КПД энергетических установок возможно путем увеличения высшей температуры цикла. Это может быть реализовано в цикле комбинированной установки с МГД-генератором, рабочим телом в которой служат продукты сгорания, инертные газы, двухфазные смеси и жидкости.

Принцип работы МГД-генератора основан на преобразовании внутренней энергии электропроводящей среды в электрическую при пересечении движущимся рабочим телом силовых линий магнитного поля. Рабочий процесс МГД-генератора аналогичен процессу в газовой турбине, но отличием является отсутствие вращающихся частей. Поэтому МГД-генератор иногда называют электромагнитной турбиной, термодинамический цикл, включающий повышение давления, процесс подвода теплоты, разгон рабочего тела и преобразование энергии в канале МГД-генератора, подобен циклу простой ГТУ.

Простейшая установка открытого цикла с МГД-генератором состоит из компрессора, откуда окислитель поступает в камеру сгорания, куда вводится топливо и ионизирующая присадка. Продукты сгорания разгоняются в сопле и поступают в канал МГД-генератора. Электрическая мощность снимаемая на нагрузку с электродов, генерируется в канале.

Преимущества метода получения электрической энергии с помощью МГД-генератора по сравнению с традиционным методам электромашинного преобразования в ПТУ или ГТУ заключаются в следующем:

· возможность повышения температуры цикла и соответственно КПД установки более чем 50%;

· возможность получения высоких удельных мощностей на единицу объема (до 500 Мвт/м³ и более) в единичном блоке;

· снижение массогабаритных показателей установки и повышение удельной массовой мощности;

· уменьшение температуры газа, выходящего в окружающую среду;

· усовершенствование существующих тепловых энергетических установок на базе ПТУ.

Техническая реализация этого метода встречает ряд трудностей, главными из которых являются: проблема снижения потерь в рабочем процессе МГД-генератора и создание канала МГД-генератора с большим ресурсом работы, создание магнитной системы с индукцией В³ 4 Тл; обеспечение устойчивой ионизации рабочего тела; выбор высокотемпературных материалов канала.

КПД МГД-генератора h_мг, определяется аналогично мощностному КПД турбины в виде:

h_мг = (i^*_мг – i^*_м) / (i^*_мг – i^*_м.из)

где: энтальпии i с индексами мг – высшая температура цикла, м – температура МГД-генератора, м.из – температура изобары.

КПД h_пр преобразования энтальпии выражается как отношение полезной мощности N_ек массовому расходу G и энтальпии i^*_мг при высшей температуре цикла

h_пр =N_эл /Gi^*_мг

Отметим, что указанные преимущества установок с МГД-генератором достижимы при h_мг>65% и h_пр>20%. Значения h_мг и h_пр зависят от уровня мощности МГД-генератора и расхода рабочего тела.

Электрическая проводимость sрабочего тела, необходимая для реализации преобразования энергии с помощью МГД-генератора, должна быть больше 2(Ом×м)^-1, что определяется прямо пропорциональной зависимостью удельной мощности МГД-генератора от электрической проводимости. Достижение указанных значений s возможно при использовании продуктов сгорания твердого, жидкого или газообразного топлив, инертных газов с легко ионизируемыми присадками щелочных металлов (натрия, калия или цезия) при термической и нетермической ионизации. Использование жидких металлов или газожидкостных рабочих тел позволяет получить значение s >> 2(Ом×м)^-1, но встречает трудности при разгоне рабочего тела.

Уровень температуры продуктов сгорания с добавкой легкоионизируемой присадки при выполнении указанного условия должен составлять 2300 – 3500К, а в инертных газах 2000 – 2500К. При нетермической (неравновесной) ионизации газов с присадкой, температура газа может быть уменьшена до 1800К.

Примерный термодинамический цикл в t, s координатах таких установок приведен на рис.

Термодинамическую эффективность таких установок оценивают при сравнении их КПД с КПД цикла Карно h_ка. В этом случае приближение КПД анализируемой установки h_е к КПД h_ка определяется коэффициентом x, учитывающим качество установки.

x = h_е / h_ка

x позволяет оценить эффективность установки и дальнейшие возможности повышения эффективности по мере усовершенствования цикла и схемы установки. Значения x находятся в диапазоне 0.35 – 0.7.

21. Комбинированная установка с МГД-генератором, расположенным за ГТУ, схема приведена на рис.20.

Принцип работы установки следующий: атмосферный воздух сжимается последовательно компрессорами К1 – К3 (число компрессоров определяется в результате оптимизации цикла), охлаждаясь в промежуточных охладителях Х, затем поступает в подогреватели П1 ­– П2, где подогревается газами, выходящими из МГД-генератора. Расширяясь в турбинах Т1 –Т2 (число турбин определяется в результате оптимизации цикла), воздух производит работу, которая частично расходуется на привод компрессоров. После турбины Т2 воздух поступает в высокотемпературный теплообменник Р1 и затем направляется в камеру сгорания Г МГД-генератора, куда подается топливо и легко ионизируемая присадка, например поташ К₂СО₃. Созданные опытные высокотемпературные теплообменники регенеративного типа с шаровой насадкой позволяют довести предварительный подогрев до 1700 – 2000 К. В камере сгорания температура повышается до 2700 – 3000 К, и рабочее тело после разгона в сопле поступает на рабочий участок канала, где снимается полезная электрическая мощность Nмг. Далее газ идет в теплообменники Р1, П1 – П2, где нагревает воздух, и после выведения присадки выбрасывается в атмосферу. В данной схеме МГД-генератор турбине низкого давления, за которой теплота утилизируется для подогрева воздуха перед турбинами и предварительного подогрева воздуха перед камерой сгорания МГД-генератора.

Для облегчения пуска и улучшения регулирования установки на переменном режиме можно располагать дополнительные камеры сгорания г.

Мощность комбинированной установки

N_е= [N_{е мг} + ( N_тS– N_кS)h_м](1–D_см)

где N_{е мг} – мощность МГД-генератора; N_тS– суммарная мощность турбин; N_кS – суммарная мощность компрессоров; D_см – доля затрат мощности на возбуждение обмотки магнита и собственные нужды станции; h_м – механический КПД.

Пусть степень понижения давления газа в МГД-генераторе Р_МГ/Р_М, тогда у_мг = (Р_МГ/Р_М)^(k-1)/k, где k – показатель адиабаты на участке понижения давления в канале МГД-генератора.

Оптимизация параметров комбинированного цикла находят так же как поступили для вывода ГТУ с регенератором (26,27). Полагая Т_А1 = Т_А2 = Т_А3, x₀ = Т_А1/ Т_А и Т_Г1 = Т_Г2 = Т_Г3 = Т_Г, для получения зависимости КПД цикла и мощности установки суммарная удельная работа компрессоров будет

L_кS= c_рвТ_А{[(x₀x₂)^{1/ hк.п} –1] + x₀(z–1)( x₂^{1/ hк.п}–1) +

+ x₀ [(x/x₀ x₂^z)^{1/ hк.п} – 1]}(1+g_в)

и суммарную удельную работу турбин

L_тS= c_ргТ_Г[(1–1/у₂^hт.п)z + (1 – 1/ у₃^hт.п)]

где c_рви c_рг – удельные теплоемкости воздуха в процессе сжатия в компрессорах и расширения в турбинах соответственно; h_к.п, h_т.п – политропные КПД компрессора и турбины; g_в – относительный расход воздуха на охлаждение канала МГД-генератора и турбин; z и z – число компрессоров и турбин соответственно.

Удельную теплоту, подведенную в камере сгорания МГД-генератора к рабочему телу при заданной температуре предварительного подогрева воздуха, определяется так же, как и для простого ГТУ.

КПД цикла будет

h_е = ((L_тS–L_кS) + L_мгh_мс) / Q^p_нg_тл

Удельная мощность L_мг соответствует предварительно выбранному режиму работы МГД-генератора.

Из условия получения максимального КПД цикла тем же способом () находят оптимальные параметры газотурбинной части цикла dh_е/dx₂ = 0 и dh_е/dу₂ = 0, при условии у_мг = const:

x_{2 h}= (x/x₀)^1/(z+1)[ x₀z / x₀^{1/ hк.п} + (z–1) x₀] ^hк.п/(z+1)

y_{2 h}= (cx^m/ у_мг)^1/(z+1)

Определив оптимальные величины x_{2 h}иy_{2 h}, находим мощность установки N_е при заданном расходе воздуха Gв с абсолютной скоростью с, где m = с_рк/с_рт.

Для получения наибольшей степени утилизации теплоты температуру воздуха перед турбинами Т_Г и при заданных Т_МГ, р_МГ и Т_ПП выбирают исходя из известной температуры за МГД-генератором.

КПД комбинированного цикла растет с увеличением p_кS, z,z и с повышением температуры Т_Г перед турбинами. Одновременно с повышением КПД растет и мощность N _мг МГД-генератора, мощность всей установки N_е, и изменяется соотношение между мощностями, получаемыми ГТУ и МГД-генератором.

Анализ расчета комбинированной установки с МГД-генератором и предвключенным ГТУ показывает, что при умеренной температуре предварительного подогрева воздуха Тпп = 1500 К, которая является реальной в настоящее время, и Тмг = 2700 К, при р_МГ = 0.05 МПа, Т_Г = 1100 К, z = 4, z = 3 КПД цикла h_е может достигнуть 0.53.