The Characteristics of Hybrid Solar Micro Gas-Turbine Power Plants Operating at Partial Loads
Keywords:
micro gas-turbine plant, microturbine, heat recovery, focusing solar collector, turbocharger utilizer, partial loads, Rankine organic cycle, working fluid
Abstract
Hybrid solar power plants are often operated at partial loads, depending on the operating conditions. Therefore, it is necessary to evaluate their characteristics and fuel utilization efficiency in variable operation modes. The article presents a study of the effect the gas turbine engine configurations have on the fuel efficiency of hybrid solar micro gas-turbine plants (MGTP) during operation at partial loads in a generator loading mode. It has been found that a decrease in the load of a hybrid solar MGTP in the sunlight time results, unlike the usual one, in a growth of its efficiency for any scheme with the focusing solar collector aperture areas larger than their threshold values. The accomplished experiments have shown that the relative fuel utilization factor at partial loads of hybrid solar MGTPs depends to a larger extent on the configuration of the basic micro gas-turbine engine and the Rankine organic cycle (ORC) unit than on the type of ORC working fluid.
References
1. Дологлонян А.В., Матвеенко В.Т., Стаценко И.Н. Термодинамические характеристики сложных циклов микрогазотурбинных двигателей c интегрированным фокусирующим солнечным коллектором // Известия РАН. Серия «Энергетика». 2021. № 2. С. 128—150.
2. Дологлонян А.В., Стребков Д.С., Матвеенко В.Т., Стаценко И.Н. Термодинамические характеристики гибридных солнечных микрогазотурбинных установок в условиях тропического климата // Электротехнологии и электрооборудование в АПК. 2021. Т. 68. № 2(43). С. 20—35.
3. Матвеенко В.Т. Глубокая утилизация теплоты в газотурбинных двигателях с турбиной перерасширения // Промышленная теплотехника. 1997. Т. 19. № 4—5. С. 81—85.
4. Diener OF, Van der Spuy S.J., Von Backström T.W., Hildebrandt T. Multi-disciplinary Optimization of a Mixed-flow Compressor Impeller // Proc. ASME Turbo Expo 2016: Turbomachinery Techn. Conf. and Exposition. 2016. P. 57008.
5. Qing-Hua Deng, Shuai Shao, Lei Fu, Hai-Feng Luan. An Integrated Design and Optimization Approach for Radial Inflow Turbines — Part I: Automated Preliminary Design // Appl. Sci. 2018. V. 8(11). P. 2038.
6. Vick M. e. a. A Simple Recuperated Ceramic Microturbine: Design Concept, Cycle Analysis, and Recuperator Component Prototype Tests // Proc. ASME Turbo Expo 2016: Turbomachinery Techn. Conf. and Exposition. 2016. P. 57780.
7. Арбеков А.Н. и др. Теория и проектирование газотурбинных и комбинированных установок. М. Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2017.
8. Дологлонян А.В., Матвеенко В.Т., Очеретяный В.А. Оптимизация степени регенерации для циклов газотурбинных установок с кожухотрубными регенераторами // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. 2021. № 4(348). С. 19—27.
9. Matviienko V., Ocheretianiy V. Variable Regimes Operation of Cogenerative Gas Turbine Engines with Overexpansion Turbine // Proc. ASME Turbo Expo 2010: Power of Land, Sea and Air Conf. Glasgow, 2010.
10. Переходные процессы в газотурбинных установках / под ред. И.В. Котляра. Л.: Машиностроение, 1973.
11. Котляр И.В. Частичные и переходные режимы работы судовых газотурбинных установок. Л.: Судостроение, 1966.
12. Матвеенко В.Т., Дологлонян А.В., Очеретяный В.А. Управление характеристиками замкнутых газотурбинных установок пропульсивных комплексов подводных судов // Морские интеллектуальные технологии. 2021. № 4—1(54). Т. 1. С. 66—70.
13. Dudley V.E. e. a. Test results: SEGS LS-2 Solar Collector. USA, 1994.
14. Forristall R. Heat Transfer Analysis and Modeling of a Parabolic Trough Solar Receiver Implemented in Engineering Equation Solver. USA, 2003.
15. Справочник по климату СССР / под ред. Е.И. Ильиных. Л.: Гидрометеоиздат, 1966.
16. Даффи Дж.А., Бекман У.А. Тепловые процессы с использованием солнечной энергии. М.: Мир, 1977.
---
Для цитирования: Дологлонян А.В., Матвеенко В.Т., Клименко А.Г. Характеристики гибридных солнечных комбинированных микрогазотурбинных установок при работе на частичных нагрузках // Вестник МЭИ. 2023. № 5. С. 48—63. DOI: 10.24160/1993-6982-2023-5-48-63
---
Работа выполнена по госбюджетной теме ИПТС «Создание научных основ разработки гибких мультигенерационных установок с использованием возобновляемых источников энергии и местных ресурсов холода в условиях климатических изменений» (госрегистрация № 121122300068-6)
#
1. Dologlonyan A.V., Matveenko V.T., Statsenko I.N. Termodinamicheskie Kharakteristiki Slozhnykh Tsiklov Mikrogazoturbinnykh Dvigateley s Integrirovannym Fokusiruyushchim Solnechnym Kollektorom. Izvestiya RAN. Seriya «Energetika». 2021;2:128—150. (in Russian).
2. Dologlonyan A.V., Strebkov D.S., Matveenko V.T., Statsenko I.N. Termodinamicheskie Kharakteristiki Gibridnykh Solnechnykh Mikrogazoturbinnykh Ustanovok v Usloviyakh Tropicheskogo Klimata. Elektrotekhnologii i Elektrooborudovanie v APK. 2021;68;2(43):20—35. (in Russian).
3. Matveenko V.T. Glubokaya Utilizatsiya Teploty v Gazoturbinnykh Dvigatelyakh s Turbinoy Pererasshireniya. Promyshlennaya Teplotekhnika. 1997;19;4—5:81—85. (in Russian).
4. Diener OF, Van der Spuy S.J., Von Backström T.W., Hildebrandt T. Multi-disciplinary Optimization of a Mixed-flow Compressor Impeller. Proc. ASME Turbo Expo 2016: Turbomachinery Techn. Conf. and Exposition. 2016:57008.
5. Qing-Hua Deng, Shuai Shao, Lei Fu, Hai-Feng Luan. An Integrated Design and Optimization Approach for Radial Inflow Turbines — Part I: Automated Preliminary Design. Appl. Sci. 2018;8(11):2038.
6. Vick M. e. a. A Simple Recuperated Ceramic Microturbine: Design Concept, Cycle Analysis, and Recuperator Component Prototype Tests. Proc. ASME Turbo Expo 2016: Turbomachinery Techn. Conf. and Exposition. 2016:57780.
7. Arbekov A.N. i dr. Teoriya i Proektirovanie Gazoturbinnykh i Kombinirovannykh Ustanovok. M. Izd-vo MGTU im. N.E. Baumana, 2017. (in Russian).
8. Dologlonyan A.V., Matveenko V.T., Ocheretyanyy V.A. Optimizatsiya Stepeni Regeneratsii Dlya Tsiklov Gazoturbinnykh Ustanovok s Kozhukhotrubnymi Regeneratorami. Fundamental'nye i Prikladnye Problemy Tekhniki i Tekhnologii. 2021;4(348):19—27. (in Russian).
9. Matviienko V., Ocheretianiy V. Variable Regimes Operation of Cogenerative Gas Turbine Engines with Overexpansion Turbine. Proc. ASME Turbo Expo 2010: Power of Land, Sea and Air Conf. Glasgow, 2010.
10. Perekhodnye Protsessy v Gazoturbinnykh Ustanovkakh. Pod Red. I.V. Kotlyara. L.: Mashinostroenie, 1973. (in Russian).
11. Kotlyar I.V. Chastichnye i Perekhodnye Rezhimy Raboty Sudovykh Gazoturbinnykh Ustanovok. L.: Sudostroenie, 1966. (in Russian).
12. Matveenko V.T., Dologlonyan A.V., Ocheretyanyy V.A. Upravlenie Kharakteristikami Zamknutykh Gazoturbinnykh Ustanovok Propul'sivnykh Kompleksov Podvodnykh Sudov. Morskie Intellektual'nye Tekhnologii. 2021;4—1(54);1:66—70. (in Russian).
13. Dudley V.E. e. a. Test results: SEGS LS-2 Solar Collector. USA, 1994.
14. Forristall R. Heat Transfer Analysis and Modeling of a Parabolic Trough Solar Receiver Implemented in Engineering Equation Solver. USA, 2003.
15. Spravochnik po Klimatu SSSR. Pod Red. E.I. Il'inykh. L.: Gidrometeoizdat, 1966. (in Russian).
16. Daffi Dzh.A., Bekman U.A. Teplovye Protsessy s Ispol'zovaniem Solnechnoy Energii. M.: Mir, 1977. (in Russian).
---
For citation: Dologlonyan A.V., Matveenko V.T., Klimenko A.G. Possible Ways of Developing Mongolia’s Electric Power System. Bulletin of MPEI. 2023;5:48—63. (in English). DOI: 10.24160/1993-6982-2023-5-48-63
---
The work is executed on the State Budget Topic of the IPTS «Creation of Scientific Foundations for the Development of Flexible Multigenerational Installations Using Renewable Energy Sources and Local Cold Resources in Conditions of Climate Change» (State Registration No. 121122300068-6).
2. Дологлонян А.В., Стребков Д.С., Матвеенко В.Т., Стаценко И.Н. Термодинамические характеристики гибридных солнечных микрогазотурбинных установок в условиях тропического климата // Электротехнологии и электрооборудование в АПК. 2021. Т. 68. № 2(43). С. 20—35.
3. Матвеенко В.Т. Глубокая утилизация теплоты в газотурбинных двигателях с турбиной перерасширения // Промышленная теплотехника. 1997. Т. 19. № 4—5. С. 81—85.
4. Diener OF, Van der Spuy S.J., Von Backström T.W., Hildebrandt T. Multi-disciplinary Optimization of a Mixed-flow Compressor Impeller // Proc. ASME Turbo Expo 2016: Turbomachinery Techn. Conf. and Exposition. 2016. P. 57008.
5. Qing-Hua Deng, Shuai Shao, Lei Fu, Hai-Feng Luan. An Integrated Design and Optimization Approach for Radial Inflow Turbines — Part I: Automated Preliminary Design // Appl. Sci. 2018. V. 8(11). P. 2038.
6. Vick M. e. a. A Simple Recuperated Ceramic Microturbine: Design Concept, Cycle Analysis, and Recuperator Component Prototype Tests // Proc. ASME Turbo Expo 2016: Turbomachinery Techn. Conf. and Exposition. 2016. P. 57780.
7. Арбеков А.Н. и др. Теория и проектирование газотурбинных и комбинированных установок. М. Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2017.
8. Дологлонян А.В., Матвеенко В.Т., Очеретяный В.А. Оптимизация степени регенерации для циклов газотурбинных установок с кожухотрубными регенераторами // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. 2021. № 4(348). С. 19—27.
9. Matviienko V., Ocheretianiy V. Variable Regimes Operation of Cogenerative Gas Turbine Engines with Overexpansion Turbine // Proc. ASME Turbo Expo 2010: Power of Land, Sea and Air Conf. Glasgow, 2010.
10. Переходные процессы в газотурбинных установках / под ред. И.В. Котляра. Л.: Машиностроение, 1973.
11. Котляр И.В. Частичные и переходные режимы работы судовых газотурбинных установок. Л.: Судостроение, 1966.
12. Матвеенко В.Т., Дологлонян А.В., Очеретяный В.А. Управление характеристиками замкнутых газотурбинных установок пропульсивных комплексов подводных судов // Морские интеллектуальные технологии. 2021. № 4—1(54). Т. 1. С. 66—70.
13. Dudley V.E. e. a. Test results: SEGS LS-2 Solar Collector. USA, 1994.
14. Forristall R. Heat Transfer Analysis and Modeling of a Parabolic Trough Solar Receiver Implemented in Engineering Equation Solver. USA, 2003.
15. Справочник по климату СССР / под ред. Е.И. Ильиных. Л.: Гидрометеоиздат, 1966.
16. Даффи Дж.А., Бекман У.А. Тепловые процессы с использованием солнечной энергии. М.: Мир, 1977.
---
Для цитирования: Дологлонян А.В., Матвеенко В.Т., Клименко А.Г. Характеристики гибридных солнечных комбинированных микрогазотурбинных установок при работе на частичных нагрузках // Вестник МЭИ. 2023. № 5. С. 48—63. DOI: 10.24160/1993-6982-2023-5-48-63
---
Работа выполнена по госбюджетной теме ИПТС «Создание научных основ разработки гибких мультигенерационных установок с использованием возобновляемых источников энергии и местных ресурсов холода в условиях климатических изменений» (госрегистрация № 121122300068-6)
#
1. Dologlonyan A.V., Matveenko V.T., Statsenko I.N. Termodinamicheskie Kharakteristiki Slozhnykh Tsiklov Mikrogazoturbinnykh Dvigateley s Integrirovannym Fokusiruyushchim Solnechnym Kollektorom. Izvestiya RAN. Seriya «Energetika». 2021;2:128—150. (in Russian).
2. Dologlonyan A.V., Strebkov D.S., Matveenko V.T., Statsenko I.N. Termodinamicheskie Kharakteristiki Gibridnykh Solnechnykh Mikrogazoturbinnykh Ustanovok v Usloviyakh Tropicheskogo Klimata. Elektrotekhnologii i Elektrooborudovanie v APK. 2021;68;2(43):20—35. (in Russian).
3. Matveenko V.T. Glubokaya Utilizatsiya Teploty v Gazoturbinnykh Dvigatelyakh s Turbinoy Pererasshireniya. Promyshlennaya Teplotekhnika. 1997;19;4—5:81—85. (in Russian).
4. Diener OF, Van der Spuy S.J., Von Backström T.W., Hildebrandt T. Multi-disciplinary Optimization of a Mixed-flow Compressor Impeller. Proc. ASME Turbo Expo 2016: Turbomachinery Techn. Conf. and Exposition. 2016:57008.
5. Qing-Hua Deng, Shuai Shao, Lei Fu, Hai-Feng Luan. An Integrated Design and Optimization Approach for Radial Inflow Turbines — Part I: Automated Preliminary Design. Appl. Sci. 2018;8(11):2038.
6. Vick M. e. a. A Simple Recuperated Ceramic Microturbine: Design Concept, Cycle Analysis, and Recuperator Component Prototype Tests. Proc. ASME Turbo Expo 2016: Turbomachinery Techn. Conf. and Exposition. 2016:57780.
7. Arbekov A.N. i dr. Teoriya i Proektirovanie Gazoturbinnykh i Kombinirovannykh Ustanovok. M. Izd-vo MGTU im. N.E. Baumana, 2017. (in Russian).
8. Dologlonyan A.V., Matveenko V.T., Ocheretyanyy V.A. Optimizatsiya Stepeni Regeneratsii Dlya Tsiklov Gazoturbinnykh Ustanovok s Kozhukhotrubnymi Regeneratorami. Fundamental'nye i Prikladnye Problemy Tekhniki i Tekhnologii. 2021;4(348):19—27. (in Russian).
9. Matviienko V., Ocheretianiy V. Variable Regimes Operation of Cogenerative Gas Turbine Engines with Overexpansion Turbine. Proc. ASME Turbo Expo 2010: Power of Land, Sea and Air Conf. Glasgow, 2010.
10. Perekhodnye Protsessy v Gazoturbinnykh Ustanovkakh. Pod Red. I.V. Kotlyara. L.: Mashinostroenie, 1973. (in Russian).
11. Kotlyar I.V. Chastichnye i Perekhodnye Rezhimy Raboty Sudovykh Gazoturbinnykh Ustanovok. L.: Sudostroenie, 1966. (in Russian).
12. Matveenko V.T., Dologlonyan A.V., Ocheretyanyy V.A. Upravlenie Kharakteristikami Zamknutykh Gazoturbinnykh Ustanovok Propul'sivnykh Kompleksov Podvodnykh Sudov. Morskie Intellektual'nye Tekhnologii. 2021;4—1(54);1:66—70. (in Russian).
13. Dudley V.E. e. a. Test results: SEGS LS-2 Solar Collector. USA, 1994.
14. Forristall R. Heat Transfer Analysis and Modeling of a Parabolic Trough Solar Receiver Implemented in Engineering Equation Solver. USA, 2003.
15. Spravochnik po Klimatu SSSR. Pod Red. E.I. Il'inykh. L.: Gidrometeoizdat, 1966. (in Russian).
16. Daffi Dzh.A., Bekman U.A. Teplovye Protsessy s Ispol'zovaniem Solnechnoy Energii. M.: Mir, 1977. (in Russian).
---
For citation: Dologlonyan A.V., Matveenko V.T., Klimenko A.G. Possible Ways of Developing Mongolia’s Electric Power System. Bulletin of MPEI. 2023;5:48—63. (in English). DOI: 10.24160/1993-6982-2023-5-48-63
---
The work is executed on the State Budget Topic of the IPTS «Creation of Scientific Foundations for the Development of Flexible Multigenerational Installations Using Renewable Energy Sources and Local Cold Resources in Conditions of Climate Change» (State Registration No. 121122300068-6).
Published
2023-06-06
Section
Energy Systems and Complexes (2.4.5)
