ipolytechiPolytech JournaliPolytech Journal2782-40042782-6341Irkutsk National Research Technical University10.21285/1814-3520-2021-4-478-487ipolytech-505Research ArticleЭНЕРГЕТИКАPOWER ENGINEERINGИсследование зависимости расхода топлива теплофикационной газотурбинной установки от изменения тепловой нагрузки потребителей регионов, имеющих различные климатические условия, с учетом определения конструктивных характеристик теплообменного оборудования подогрева сетевой водыA study of the dependence between fuel consumption of a heat gas turbine and variation of heat loading of regional consumers having various climatic conditions taking into account determination of structural characteristics of heat exchanging equipment for grid water heatingСтепановаЕ. Л.StepanovaE. L.

Степанова Елена Леонидовна, кандидат технических наук, доцент, старший научный сотрудник Отдела теплосиловых систем

664033, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 130

Elena L. Stepanova, Cand. Sci. (Eng.), Associate Professor, Senior Researcher of the Department of Heat Power Systems

130 Lermontov St., Irkutsk 664033

elstep47@mail.ruЖарковП. В.ZharkovP. V.

Жарков Павел Валерьевич, кандидат технических наук, старший научный сотрудник Отдела теплосиловых систем

664033, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 130

Pavel V. Zharkov, Cand. Sci. (Eng.), Senior Researcher of the Department of Heat Power Systems

130 Lermontov St., Irkutsk 664033

pzharkov@isem.irk.ruИнститут систем энергетики им. Л.А. Мелентьева СО РАНРоссияMelentiev Energy Systems Institute SB RASRussian Federation202101092021254478487Copyright © Степанова Е.Л., Жарков П.В., 20212021Степанова Е.Л., Жарков П.В.Stepanova E.L., Zharkov P.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://ipolytech.elpub.ru/jour/article/view/505

Цель работы – исследовать величины напряжений в инструментальном материале составных концевых фрез для того, чтобы сравнить их с допустимыми напряжениями с позиций исключения разрушения фрез. Объектом исследования являются предельные величины напряжения в инструментальном материале разработанных составных концевых твердосплавных фрез, имеющих сопряженные между собой режущую часть и хвостовик. Режущая часть выполнена из инструментального твердого сплава, хвостовик – из конструкционной стали. Для определения напряжений использовано имитационное моделирование в программной среде ANSYS и Deform. Составляющие силы резания определены экспериментально. Принято, что чем меньше величины составляющих силы резания, тем меньше величины напряжений в инструментальном материале, и тем меньше возможность разрушения инструментального материала. Рассмотрено фрезерование труднообрабатываемой нержавеющей стали 12Х18Н10Т со скоростью резания 70 м/мин, с глубиной резания 1 мм и подачей 0,1 мм/зуб. Рассмотрен инструментальный материал ВК8 без покрытий и с разными покрытиями, которые способствуют снижению составляющих сил резания. Доказано, что составной концевой фрезой диаметром 16 мм и длиной 92 мм можно обрабатывать детали с той же точностью, с какой их обрабатывают монолитной (цельной) концевой твердосплавной фрезой. С увеличением длины составных фрез точность обработки снижается, но при длинах 123 мм и 180 мм они применимы для изготовления деталей, используемых в общем машиностроении. Таким образом, составные концевые фрезы могут конкурировать с монолитными фрезами по точности изготовления и периоду стойкости, чем ограничивают существующую область применения монолитных фрез. При этом стоимость составных фрез меньше монолитных на 10–60%.

The aim was to optimize the dependence between fuel consumption and heat loading of regional consumers varied due to climatic conditions, taking into account the determination of structural characteristics of heat exchanging equipment for grid water heating in a heat gas turbine. A heat gas turbine comprising two fuel combustion chambers, a waste-heat boiler and a contact heat exchanger to heat makeup grid water was investigated. Scheme and parametric optimization studies were carried out using a mathematic model of a gas turbine created using a software and hardware system developed at the Department of Heat Power Systems of the Melentiev Energy Systems Institute, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences. Th turbine operating conditions differing in heat loads in four suggested operating regions were studied. It was found that an increase in fuel consumption in the second combustion chamber was 29%– 84% compared to that in the first combustion chamber. This rise was recorded when the turbine heat loading was increasing in the considered regions. Data analysis of the scheme and parametric optimization studies showed that, for operating conditions with a higher heat loading, it seems reasonable to ensure the maximum possible heating of makeup grid water as the loading rises. It is also recommended to slightly increase the heat surface area of the makeup grid water heater whose structural materials are less expensive than in a waste-heat boiler. It was shown that the suggested technical solution slightly increases specific capital investments while fully providing electrical and heat power to consumers. The obtained results can be used to select optimal technical solutions ensuring competitiveness in the operation of a heat gas turbine in regions with various climatic characteristics.

теплофикационная газотурбинная установкаматематическая модель теплоэнергетической установкирасход топливатепловая нагрузкаконструктивные характеристикитеплообменное оборудованиеcogeneration gas turbine unitmathematical model of a heat power plantfuel consumptionheat loaddesign characteristicsheat exchange equipmentРабота выполнена в рамках проекта государственного задания (№ FWEU-2021-0005, рег. № АААА-А21-121012190004-5) Программы фундаментальных исследований РФ на 2021–2025 гг.The research was carried out under the State Assignment Project (no. FWEU-2021-0005, reg. no. АААА-А21-121012190004-5) of the Fundamental Research Program of the Russian Federation for the period from 2021 to 2025.ReferencesBoyce M.P. An overview of gas turbines // Gas Turbine Engineering Handbook (Fourth Edition). 2012. P. 3–88. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-383842-1.00001-9Boyce MP. An overview of gas turbines. Gas Turbine Engineering Handbook (Fourth Edition). 2012;3–88. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-383842-1.00001-9Al-attab K.А., Zainal Z.А. Externally fired gas turbine technology: a review // Applied Energy. 2015. Vol. 138. P. 474–487. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2014.10.049Al-attab KА, Zainal ZА. Externally fired gas turbine technology: a review. Applied Energy. 2015;138:474–487. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2014.10.049Yang Xiaochen, Li Hongwei, Svendsen Svend. Evaluations of different domestic hot water preparing methods with ultra-low-temperature district heating // Energy. 2016. Vol. 109. P. 248–259. https://doi.org/10.1016/j.energy.2016.04.109Yang Xiaochen, Li Hongwei, Svendsen Svend. Evaluations of different domestic hot water preparing methods with ultra-low-temperature district heating. Energy. 2016;109:248–259. https://doi.org/10.1016/j.energy.2016.04.109Liu Xuezhi, Wu Jianzhong, Jenkins N., Bagdanavicius A. Combined analysis of electricity and heat networks // Applied Energy. 2016. Vol. 162. P. 1238–1250. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2015.01.102Liu Xuezhi, Wu Jianzhong, Jenkins N., Bagdanavicius A. Combined analysis of electricity and heat networks. Applied Energy. 2016;162:1238–1250. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2015.01.102Leitner B., Widl E., Gawlik W., Hofmann R. A method for technical assessment of power-to-heat use cases to couple local district heating and electrical distribution grids // Energy. 2019. Vol. 182. P. 729–738. https://doi.org/10.1016/j.energy.2019.06.016Leitner B, Widl E, Gawlik W, Hofmann R. A method for technical assessment of power-to-heat use cases to couple local district heating and electrical distribution grids. Energy. 2019;182:729–738. https://doi.org/10.1016/j.energy.2019.06.016Wang Ligang, Voll P., Lampe M., Yang Yongping, Bardow A. Superstructure-free synthesis and optimization of thermal power plants // Energy. 2015. Vol. 91. P. 700–711. https://doi.org/10.1016/j.energy.2015.08.068Wang Ligang, Voll P, Lampe M, Yang Yongping, Bardow A. Superstructure-free synthesis and optimization of thermal power plants. Energy. 2015;91:700–711. https://doi.org/10.1016/j.energy.2015.08.068Kowalczyk Ł., Elsner W., Niegodajew P., Marek M. Gradient-free methods applied to optimization of advanced ultra-supercritical power plant // Applied Thermal Engineering. 2016. Vol. 96. P. 200–208. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2015.11.091Kowalczyk Ł, Elsner W, Niegodajew P, Marek M. Gradient-free methods applied to optimization of advanced ultra-supercritical power plant. Applied Thermal Engineering. 2016;96:200–208. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2015.11.091Plis M., Rusinowski H. Predictive, adaptive model of PG 9171E gas turbine unit including control algorithms // Energy. 2017. Vol. 126. P. 247–255. https://doi.org/10.1016/j.energy.2017.03.027Plis M, Rusinowski H. Predictive, adaptive model of PG 9171E gas turbine unit including control algorithms. Energy. 2017;126:247–255. https://doi.org/10.1016/j.energy.2017.03.027Mehrgoo M., Amidpour M. Constructal design and optimization of a dual pressure heat recovery steam generator // Energy. 2017. Vol. 124. P. 87–99. https://doi.org/10.1016/j.energy.2017.02.046Mehrgoo M, Amidpour M. Constructal design and optimization of a dual pressure heat recovery steam generator. Energy. 2017;124:87–99. https://doi.org/10.1016/j.energy.2017.02.046Клер А.М., Тюрина Э.А. Оптимизационные исследования энергетических установок и комплексов. Новосибирск: Академическое изд-во «Гео», 2016. 298 с.Kler AM, Tyurina EA. Optimization studies of power plants and complexes. Novosibirsk: Geo; 2016, 298 p. (In Russ.)Kler A.M., Zharkov P.V., Epishkin N.O. Parametric optimization of supercritical power plants using gradient methods // Energy. 2019. Vol. 189. P. 116230. https://doi.org/10.1016/j.energy.2019.116230Kler AM, Zharkov PV, Epishkin NO. Parametric optimization of supercritical power plants using gradient methods. Energy. 2019;189:116230. https://doi.org/10.1016/j.energy.2019.116230Шадек Е., Маршак Б., Анохин А., Горшков В. Глубокая утилизация тепла отходящих газов теплогенераторов // Промышленные и отопительные котельные и мини-ТЭЦ. 2014. № 2. С. 21–25.Shadek E, Marshak B, Anokhin A, Gorshkov V. Deep heat recovery of heat generator waste gases. Promyshlennye i otopitel'nye kotel'nye i mini-TEC. 2014;2:21–25. (In Russ.)Аронов И.З., Пресич Г.А. Опыт эксплуатации контактных экономайзеров на Первоуральской ТЭЦ // Промышленная энергетика. 1991. № 8. С. 17–20.Aronov IZ, Presich GA. Experience of contact economizer operation at Pervouralskaya CHPP. Promyshlennaya energetika. 1991;8;17–20. (In Russ.)Terhan M., Comakli K. Design and economic analysis of a flue gas condenser to recover latent heat from exhaust flue gas // Applied Thermal Engineering. 2016. Vol. 100. P. 1007–1015. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2015.12.122Terhan M, Comakli K. Design and economic analysis of a flue gas condenser to recover latent heat from exhaust flue gas. Applied Thermal Engineering. 2016;100:1007–1015. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2015.12.122Shang Sheng, Li Xianting, Chen Wei, Wang Baolong, Shi Wenxing. A total heat recovery system between the flue gas and oxidizing air of a gas-fired boiler using a non-contact total heat exchanger // Applied Energy. 2017. Vol. 207. P. 613–623. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2017.05.169Shang Sheng, Li Xianting, Chen Wei, Wang Baolong, Shi Wenxing. A total heat recovery system between the flue gas and oxidizing air of a gas-fired boiler using a noncontact total heat exchanger. Applied Energy. 2017;207:613–623. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2017.05.169Степанова Е.Л., Жарков П.В. Исследование эффективности дожигания топлива в дополнительной камере сгорания ГТУ, имеющей контактный теплообменник для подогрева подпиточной сетевой воды // Известия Российской академии наук. Энергетика. 2020. № 2. С. 133–140. https://doi.org/10.31857/S0002331020020120Stepanova EL, Zharkov PV. Investigation of the efficiency of fuel afterburning in an additional combustion chamber of a gas turbine unit with a contact heat exchanger for heating the make-up network water. Izvestiya Rossijskoj akademii nauk. Energetika = Thermal Engineering. 2020;2;133–140. (In Russ.) https://doi.org/10.31857/S0002331020020120Демченко К.В. Основные принципы организации оптового рынка электроэнергии и мощности Российской Федерации // Главный энергетик. 2019. № 12. С. 23–27.Demchenko KV. Basic principles for the organization of wholesale electricity and power market in the Russian Federation. Glavnyj jenergetik. 2019;12;23–27. (In Russ.)Пеньковский А.В., Стенников В.А. Математическое моделирование рынка тепловой энергии в формате единой теплоснабжающей организации // Теплоэнергетика. 2018. № 7. С. 42–53. https://doi.org/10.1134/S004036361807007XPenkovskii AV, Stennikov VA. Mathematical modeling of the heat energy market on a single heat supplier basis. Teploenergetika = Thermal Engineering. 2018;7;42–53. (In Russ.) https://doi.org/10.1134/S004036361807007XKler A.M., Stepanova E.L., Maksimov A.S. Investigating the efficiency of a steam-turbine heating plant with a back-pressure steam turbine and waste-heat recovery // Thermophysics and Aeromechanics. 2018. Vol. 25. No. 6. Р. 929–938. https://doi.org/10.1134/S0869864318060136Kler AM, Stepanova EL, Maksimov AS. Investigating the efficiency of a steam-turbine heating plant with a backpressure steam turbine and waste-heat recovery. Thermophysics and Aeromechanics. 2018;25(6):929–938. https://doi.org/10.1134/S0869864318060136Клер А.М., Максимов А.С., Степанова Е.Л., Жарков П.В., Тарариев Р.А., Перевалов Е.Г. [и др.]. Оптимизация режимов работы ТЭЦ с учетом реального состояния основного оборудования // Теплоэнергетика. 2009. № 6. С. 53–57.Kler AM, Maksimov AS, Stepanova EL, Zharkov PV, Tarariev RA, Perevalov EG. Optimizing the operating modes of cogeneration stations taking actual state of main equipment into account. Teploenergetika = Thermal Engineering. 2009;6:53–57. (In Russ.)

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