probenerИзвестия высших учебных заведений. ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГЕТИКИPower engineering: research, equipment, technology1998-99032658-5456Kazan State Power Engineering University10.30724/1998-9903-2024-26-1-131-143probener-2971Research ArticleЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ И КОМПЛЕКСЫENERGY SYSTEMS AND COMPLEXESПерспективы использования синтез-газа в газотурбинных установкахPerspectives of using syngas in gas turbine plantsНовоселоваМ. С.NovoselovaM. S.

Марина Сергеевна Новоселова, магистр

Казань

Marina S. Novoselova

Kazan

nova-mara0607@list.ruМингалееваГ. Р.MingaleevaG. R.

Гузель Рашидовна Мингалеева, д-р техн- наук, заведующий кафедрой

кафедра «Энергетическое машиностроение»

Казань

Guzel R. Mingaleeva

Kazan

МарьинГ. Е.MarinG. E.

Георгий Евгеньевич Марьин, канд. техн. наук., старший преподаватель

кафедра «Энергетическое машиностроение»

Казань

George E. Marin

Kazan

ТитовА. В.TitovA. V.

Александр Вячеславович Титов, канд. техн. наук, доцент

кафедра «Энергетическое машиностроение»

Казань

Alexander V. Titov

Kazan

Казанский государственный энергетический университетРоссияKazan State Power Engineering UniversityRussian Federation202424042024261131143Copyright © Новоселова М.С., Мингалеева Г.Р., Марьин Г.Е., Титов А.В., 20242024Новоселова М.С., Мингалеева Г.Р., Марьин Г.Е., Титов А.В.Novoselova M.S., Mingaleeva G.R., Marin G.E., Titov A.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.energyret.ru/jour/article/view/2971   АКТУАЛЬНОСТЬ

   АКТУАЛЬНОСТЬ. Недостаточно широкая область применения газотурбинных установок (ГТУ) связана с отсутствием повсеместной доступности газовых магистралей, поставляющих основное топливо – природный газ. Интерес к альтернативным видам топлива и поиск наиболее подходящих из них с целью перехода с традиционных источников энергии интенсивно возрастал с течением времени. В настоящее время существуют методы газификации твердого топлива, расширяющие не только возможности использования самого топлива, но и раздвигающие границы применяемости ГТУ как в плане производственной специализации, так и географического расположения. Уголь является самым доступным и распространенным в мире традиционным топливом, но его использование на современных энергообъектах ограничено в связи с всемирной политикой декарбонизации энергетики. Газификация угля позволяет повысить энергетические характеристики и уменьшить количество выбросов вредных веществ в атмосферу при применении угля.

   ЦЕЛЬ

   ЦЕЛЬ. Определение эффективности и целесообразности использования генераторного газа, получаемого из угля, в ГТУ, а также рассмотрение возможности ее модернизации.

   МЕТОДЫ

   МЕТОДЫ. Для достижения поставленной цели, будет использоваться автоматизированная система газодинамических расчетов энергетических турбомашин (АС ГРЭТ), которая позволяет производить численные исследования на математической модели газотурбинной установки при изменении характеристик с применением модуля аппроксимации компонентного состава топлива. Исследования проводятся при изменении электрической нагрузки газотурбинной установки типа НК-16-18 СТ в диапазоне от 15 до 18 МВт.

   РЕЗУЛЬТАТЫ

   РЕЗУЛЬТАТЫ. По итогам исследования были получены зависимости суммарного часового и удельного расхода топлива, эффективного коэффициента полезного действия (КПД), температуры в камере сгорания и на выходе из силовой турбины от изменения электрической нагрузки газотурбинной установки. Имея более низкую теплотворную способность, ожидаемо синтез-газ снижает электрическую эффективность ГТУ, что выражается в уменьшении КПД на 3–4,5 %. Одновременно с этим, повышается расход топлива примерно в 4–5 раз, что зависит от компонентного состава топлива. При этом значения температур на выхлопе газовой турбины изменяется на 26 до 37 °С.

   ЗАКЛЮЧЕНИЕ

   ЗАКЛЮЧЕНИЕ. Использование синтез-газа как топлива для газотурбинной установки может обеспечивать достаточную эффективность в генерации электрической энергии, однако его применение рационально исключительно в ситуациях отсутствия или недоступности традиционного газообразного топлива. Развитие технологий газификации повысит эффективность при использовании и снизит стоимость производства синтез-газа. Это позволит внедрять технологии газификации на действующих объектах и расширит область применения синтез-газа, что обеспечит повышенный интерес к данному направлению у потенциальных инвесторов.

   RELEVANCE

   RELEVANCE. The insufficiently wide scope of gas turbine plants (GTP) is associated with the lack of widespread availability of gas pipelines supplying the main fuel – natural gas. Interest in alternative fuels and the search for the most suitable ones in order to switch from traditional energy sources has increased intensively over time. Currently, there are methods of gasification of solid fuels that expand not only the possibilities of using the fuel itself, but also pushing the boundaries of the applicability of GTP both in terms of production specialization and geographical location. Coal is the most affordable energy resource in the world, due to its prevalence, but its limited use in modern energy facilities is due to the worldwide policy of decarbonization of energy. Coal gasification makes it possible to increase energy characteristics and reduce emissions of harmful substances into the atmosphere when using coal.

   PURPOSE

   PURPOSE. Determination of the efficiency and expediency of using generator gas obtained from coal in gas turbine plant, as well as consideration of the possibility of its modernization.

   METHODS

   METHODS. To achieve set goal, an automated system of gas dynamic calculations of energy turbomachines (AS GDCET) will be used, which will calculate a mathematical model of a gas turbine installation and conduct numerical studies when characteristics change, as well as using a module for approximating the component composition of fuel. The research is carried out when the electric load of a gas turbine plant of the NK-16-18 ST type changes in the range from 15 to 18 MW.

   RESULTS

   RESULTS. According to the results of the study, the dependences of the total hourly and specific fuel consumption, effective efficiency, temperature in the combustion chamber and at the outlet of the power turbine on changes in the electric load of the gas turbine installation were obtained. Having a lower calorific value, the expected synthesis gas reduces the electricalefficiency of the gas turbine engine, which is expressed in a decrease in efficiency by 3-4.5 %. At the same time, fuel consumption increases by about 4-5 times, which depends on the component composition of the fuel. At the same time, the temperature values at the exhaust of the gas turbine change by 26-37 °C.

   CONCLUSION

   CONCLUSION. The use of synthesis gas as fuel for a gas turbine plant can provide sufficient efficiency in generating electric energy, but its use is rational only in situations of absence or unavailability of traditional gaseous fuels. The development of gasification technologies will increase the efficiency of use and reduce the cost of synthesis gas production. This will allow the introduction of gasification technologies at existing facilities and expand the scope of synthesis gas applications, which will ensure increased interest in this area among potential investors.

газотурбинная установкасинтез-газугольгенераторный газгазификациягазодинамические расчетыматематическое моделированиеgas turbine plantsynthesis gascoalgenerator gasgasificationgas dynamic calculationsmathematical modelingReferencesХайруллина, А. М. Применение альтернативных видов топлива в энергетике / А. М. Хайруллина, И. Н. Маслов // Международная научно-техническая конференция молодых ученых БГТУ им. В.Г. Шухова, посвященная 170-летию со дня рождения В.Г. Шухова, Белгород, 16–17 мая 2023 года. – Белгород: БГТУ им. В.Г. Шухова, 2023. – С. 139-141.Khairullina, A.M. The use of alternative fuels in energy / A.M. Khairullina, I. N. Maslov // International Scientific and Technical Conference of young scientists of V.G. Shukhov BSTU, dedicated to the 170<sup>th</sup> anniversary of the birth of V.G. Shukhov, Belgorod, May 16-17, 2023. Belgorod: V.G. Shukhov BSTU, 2023. – pp. 139-141.Некрасов, С. А. Снижение издержек на интеграцию возобновляемых источников электроэнергии в энергосистему – путь повышения доступности возобновляемой энергетики / С. А. Некрасов // Теплоэнергетика. – 2021. – № 8. – С. 5-16. – doi: 10.1134/S0040363621070031.Nekrasov, S. A. Reducing the cost of integrating renewable energy sources into the energy system – a way to increase the availability of renewable energy / S. A. Nekrasov // Thermal power engineering. – 2021. – No. 8. – pp. 5-16. – doi: 10.1134/S0040363621070031.Худокормов, Г. А. Экономический рост и альтернативная энергетика: взаимосвязь и противоречия / Г. А. Худокормов // Бизнес. Образование. Право. – 2023. – № 2(63). – С. 30-35. – doi: 10.25683/VOLBI.2023.63.592.Khudokormov, G. A. Economic growth and alternative energy: interrelation and contradictions / G. A. Khudokormov // Business. Education. The right. 2023. № 2(63). Pp. 30-35. doi: 10.25683/VOLBI.2023.63.592.Зайченко, В. М. Использование биомассы для получения синтез-газа / В. М. Зайченко, В. В. Кувшинов, Е. Г. Какушина // Энергетические установки и технологии. – 2019. – Т. 5, № 3. – С. 43-47.Zaichenko, V. M. Using biomass to produce synthesis gas / V. M. Zaichenko, V. V. Kuvshinov, E. G. Kakushina // Power plants and technologies. 2019. Vol. 5, No. 3. pp. 43-47.Макоев, С. О. Разработка когенерационных энергетических систем с применением технологии газификации твердых коммунальных отходов / С. О. Макоев, И. Г. Ахметова, А. М. Фонов // Вестник КГЭУ. – 2022. – Т. 14, № 4(56). – С. 178-194.Makoev, S. O. Development of cogeneration energy systems using solid municipal waste gasification technology / S. O. Makoev, I. G. Akhmetova, A.M. Fonov // Bulletin of the KSPEU. 2022. Vol. 14, No. 4(56). pp. 178-194.Filippov, S.P., Keiko, A.V. Coal Gasification: At the Crossroad. TechnologicalFactors. Therm. Eng. 68, pp. 209–220. 2021. doi: 10.1134/S0040601521030046Filippov, S.P., Keiko, A.V. Coal Gasification: At the Crossroads. TechnologicalFactors. Therm. Eng. 68, pp. 209–220. 2021. doi: 10.1134/S0040601521030046Gu, F., Wang, J., Guo, J., & Fan, Y. How the supply and demand of steam coal affect the investment in clean energy industry? Evidence from China. ResourcesPolicy, 69, 101788; 2020. doi: 10.1016/j.resourpol.2020.101788Gu, F., Wang, J., Guo, J., & Fan, Y. How the supply and demand of steam coal affect the investment in clean energy industry? Evidence from China. ResourcesPolicy, 69, 101788; 2020. doi: 10.1016/j.resourpol.2020.101788Chattopadhyay, D., Bazilian, M. D., Handler, B., & Govindarajalu, C. Accelerating the coal transition. TheElectricityJournal, 34(2), 106906; 2021. doi: 10.1016/j.tej.2020.106906Chattopadhyay, D., Bazilian, M. D., Handler, B., & Govindarajalu, C. Accelerating the coal transition. TheElectricityJournal, 34(2), 106906; 2021. doi: 10.1016/j.tej.2020.106906Савина, М. В. Разработка схемы использования генераторного газа из низкосортного угля в ПГУ / М. В. Савина, С. С. Тимофеева // Вестник КГЭУ. 2021. № 2 (50).Savina, M. V. Development of a scheme for using generator gas from low-grade coal in a PSU / M. V. Savina, S. S. Timofeeva // Bulletin of the KSPEU. 2021. № 2 (50).Козлов, А. Н. Обзор современных тенденций развития технологий газификации твердых топлив / А. Н. Козлов // Известия Российской академии наук. Энергетика. – 2021. – № 1. – С. 130-148. – DOI: 10.31857/S0002331021010088.Kozlov, A. N. Review of modern trends in the development of solid fuel gasification technologies / A. N. Kozlov // Proceedings of the Russian Academy of Sciences. Energy. 2021. No. 1. pp. 130-148. doi: 10.31857/S0002331021010088.Midilli, A., Kucuk, H., Topal, M. E., Akbulut, U., Dincer, I. A comprehensive review on hydrogen production from coal gasification: Challenges and Opportunities. International Journalof Hydrogen Energy, 46(50), pp. 25385–25412. 2021. doi: 10.1016/j.ijhydene.2021.05.088Midilli, A., Kucuk, H., Topal, M. E., Akbulut, U., Dincer, I. A comprehensive review on hydrogen production from coal gasification: Challenges and Opportunities. International Journal of Hydrogen Energy, 46(50), pp. 25385–25412. 2021. doi: 10.1016/j.ijhydene.2021.05.088Алексеев, К. Ю. Состояние и перспективы создания в России производства СЖТ из твердых горючих ископаемых (уголь, горючие сланцы, торф) / К. Ю. Алексеев, Е. Г. Горлов, А. В. Шумовский // Современная наука: исследования, идеи, результаты, технологии. – 2013. – С. 15-24.Alekseev, K. Yu. The state and prospects of creating in Russia the production of LPG from solid combustible minerals (coal, oil shale, peat) / K. Yu. Alekseev, E. G. Gorlov, A.V. Shumovsky // Modern science: research, ideas, results, technologies. - 2013. – pp. 15-24.Беляев, А. А. Автотермическая газификация низкосортных топлив в кипящем слое / А. А. Беляев // Теплоэнергетика. – 2009. – № 1. – С. 9-13.Belyaev, A. A. Autothermal gasification of low-grade fuels in a fluidized bed / A. A. Belyaev // Thermal power engineering. 2009. No. 1. pp. 9-13.Watanabe, H., Kurose, R. Modeling and simulation of coal gasification on an entrained flow coal gasifier, Advanced Powder Technology, Volume 31, Issue 7. 2020. Pp. 2733-2741. ISSN 0921-8831. doi: 10.1016/j.apt.2020.05.002.Watanabe, H., Kurose, R. Modeling and simulation of coal gasification on an entrained flow coal gasifier, Advanced Powder Technology, Volume 31, Issue 7. 2020. Pp. 2733-2741. ISSN 0921-8831. doi: 10.1016/j.apt.2020.05.002.Валиуллин, Б. Р. Режимные параметры системы пылеприготовления для газогенераторов поточного типа / Б. Р. Валиуллин, Г. Р. Мингалеева // Вестник Казанского государственного энергетического университета. – 2023. – Т. 15, № 1(57). – С. 48-57.Valiullin, B. R. Operating parameters of the dust preparation system for in-line gas generators / B. R. Valiullin, G. R. Mingaleeva // Bulletin of the Kazan State Energy University. 2023. vol. 15, No. 1(57). pp. 48-57.Лазебный, И. П. Анализ работы термодинамической модели газотурбинной установки на искусственном газе / И. П. Лазебный, А. Ф. Рыжков, В. В. Назарова // Энерго- и ресурсосбережение. Энергообеспечение. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии. Атомная энергетика : материалы Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. – Екатеринбург: Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина, 2019. – С. 818-821.Lazebny, I. P. Analysis of the thermodynamic model of a gas turbine installation on artificial gas / I. P. Lazebny, A. F. Ryzhkov, V. V. Nazarova // Energy and resource conservation. Energy supply. Non-traditional and renewable energy sources. Nuclear Power engineering : materials of the International Scientific and Practical Conference of Students, postgraduates and Young Scientists – Yekaterinburg: Ural Federal University named after the first President of Russia B.N. Yeltsin, 2019. pp. 818-821.Исследование паровоздушной двухступенчатой поточной газификации механоактивированного угля / Н. А. Абаимов, А. П. Бурдуков, Е. Б. Бутаков, А. Ф. Рыжков // Физика. Технологии. Инновации : сборник материалов V Международной молодежной научной конференции, посвященной памяти Почетного профессора УрФУ В.С. Кортова, Екатеринбург, 14–18 мая 2018 года. – Екатеринбург: УрФУ им. первого Президента России Б.Н. Ельцина, 2019. – С. 131-146.Investigation of steam-air two-stage in-line gasification of mechanoactivated coal / N. A. Abaimov, A. P. Burdukov, E. B. Butakov, A. F. Ryzhkov // Physics. Technologies. Innovations : collection of materials of the V International Youth Scientific Conference dedicated to the memory of Honorary Professor of UrFU V.S. Kortov, Yekaterinburg, May 14-18, 2018. Yekaterinburg: Ural Federal University named after the first President of Russia B.N. Yeltsin, 2019. pp. 131-146.Батенин, В. М. Комплексное энерготехнологическое использование угля / В. М. Батенин, В. М. Масленников, Ю. А. Выскубенко // Известия Российской академии наук. Энергетика. – 2011. – № 5. – С. 11-17.Batenin, V. M. Complex energy technological use of coal / V. M. Batenin, V. M. Maslennikov, Yu. A. Vyskubenko // Proceedings of the Russian Academy of Sciences. Energy. 2011. No. 5. pp. 11-17.Марьин, Г.Е. Влияние состава топлива на энергетические параметры газотурбинной установки / Г.Е. Марьин, Б.М. Осипов, П. Зунино, Д.И. Менделеев // Известия вузов. Проблемы энергетики. 2020. № 5.Maryin, G.E. The influence of fuel composition on the energy parameters of a gas turbine installation / G.E. Maryin, B.M. Osipov, P. Zunino, D.I. Mendeleev // Izvestiya vuzov. Energy problems. 2020. № 5.Sorgenfrei, M., & Tsatsaronis, G. Detailed exergetic evaluation of heavy-duty gas turbine systems running on natural gas and syngas. Energy Conversion and Management, 107, pp. 43–51; 2016. doi: 10.1016/j.enconman.2015.03.111Sorgenfrei, M., & Tsatsaronis, G. Detailed exergetic evaluation of heavy-duty gas turbine systems running on natural gas and syngas. Energy Conversion and Management, 107, pp. 43–51; 2016. doi: 10.1016/j.enconman.2015.03.111Патент № 2757404 C1 Российская Федерация, МПК F02C 1/08. Кислородно-топливная энергоустановка с газификацией угля : № 2021114047 : заявл. 18. 05. 2021 : опубл. 15. 10. 2021 / И. И. Комаров, Н. Д. Рогалев, В. П. Соколов [и др.] ; заявитель федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "МЭИ".Patent No. 2757404 C1 Russian Federation, IPC F02C 1/08. Oxygen-fuel power plant with coal gasification : No. 2021114047 : application. 05/18/2021 : publ. 10/15/2021 / I. I. Komarov, N. D. Rogalev, V. P. Sokolov [et al.] ; applicant Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education "National Research University MEI University.Патент на полезную модель № 123581 U1 Российская Федерация, МПК H01M 8/00. Гибридная углеиспользующая электрохимическая энергоустановка с выводом из цикла диоксида углерода : № 2012131683/07 : заявл. 25. 07. 2012 : опубл. 27. 12. 2012 / Д. Г. Григорук, Е. В. Касилова, А. В. Туркин ; заявитель Открытое акционерное общество "Всероссийский дважды ордена Трудового Красного Знамени теплотехнический научно-исследовательский институт".Utility Model Patent No. 123581 U1 Russian Federation, IPC H01M 8/00. Hybrid carbon-using electrochemical power plant with the withdrawal of carbon dioxide from the cycle : No. 2012131683/07 : application. 07/25/2012 : publ. 12/27/2012 / D. G. Grigoruk, E. V. Kasilova, A.V. Turkin ; applicant Open Joint Stock Company "All-Russian Twice Order of the Red Banner of Labor Thermal Engineering Research Institute".Галькеева, А. А. Анализ применения углей различных марок для производства энергии и химических продуктов / А. А. Галькеева, Г. Р. Мингалеева, С. Ю. Горбунов // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. – 2015. – № 11-12. – С. 69-79.Galkeeva A.A., Mingaleeva G.R., Gorbunov S.U. Analysis of coal different brands to production energy and chemicals. Power engineering: research, equipment, technology. 2015;(11-12):69-79. (In Russ.)Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2023683683 Российская Федерация. Оптимизация термодинамических параметров ГТУ : № 2023683160 : заявл. 03. 11. 2023 : опубл. 09. 11. 2023 / А. В. Титов, Г. Е. Марьин, А. Р. Ахметшин ; заявитель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Казанский государственный энергетический университет».Certificate of state registration of the computer program No. 2023683683 Russian Federation. Optimization of thermodynamic parameters of GTU : No. 2023683160 : application 03. 11. 2023 : publ. 09. 11. 2023 / A.V. Titov, G. E. Maryin, A. R. Akhmetshin ; applicant Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education "Kazan State Energy University".Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2023683685 Российская Федерация. Решение системы трансцендентных уравнений: № 2023683155 : заявл. 03. 11. 2023 : опубл. 09. 11. 2023 / А. В. Титов, Г. Е. Марьин, А. Р. Ахметшин ; заявитель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Казанский государственный энергетический университет».Certificate of state registration of the computer program No. 2023683685 Russian Federation. Solution of the system of transcendental equations : No. 2023683155 : application 03. 11. 2023 : publ. 09. 11. 2023 / A.V. Titov, G. E. Maryin, A. R. Akhmetshin ; applicant Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education "Kazan State Energy University".

The authors declare that there are no conflicts of interest present.