Перспективы использования синтез-газа в газотурбинных установках

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

   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. 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. 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.

1. Хайруллина, 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.

2. 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.

3. 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.

4. 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.

5. 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.

6. Filippov, S.P., Keiko, A.V. Coal Gasification: At the Crossroad. TechnologicalFactors. Therm. Eng. 68, pp. 209–220. 2021. doi: 10.1134/S0040601521030046

7. Gu, 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.2020.101788

8. Chattopadhyay, D., Bazilian, M. D., Handler, B., & Govindarajalu, C. Accelerating the coal transition. TheElectricityJournal, 34(2), 106906; 2021. doi: 10.1016/j.tej.2020.106906

9. Савина, М. В. Разработка схемы использования генераторного газа из низкосортного угля в ПГУ / М. В. Савина, С. С. Тимофеева // Вестник КГЭУ. 2021. № 2 (50).

10. 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.

11. 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.2021.05.088

12. Алексеев, 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.

13. Беляев, А. А. Автотермическая газификация низкосортных топлив в кипящем слое / А. А. Беляев // Теплоэнергетика. – 2009. – № 1. – С. 9-13.

14. 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.

15. 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.

16. 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.

17. 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.

18. 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.

19. 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.

20. 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.2015.03.111

21. Патент № 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".

22. 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".

23. 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.

24. 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».

25. 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».