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.