alternativeАльтернативная энергетика и экология (ISJAEE)Alternative Energy and Ecology (ISJAEE)1608-8298Международный издательский дом научной периодики "Спейс10.15518/isjaee.2019.28-33.073-085alternative-1821Research ArticleИННОВАЦИОННЫЕ РЕШЕНИЯ , ТЕХНОЛОГИИ, УCТРОЙСТВА И ИХ ВНЕДРЕНИЕINNOVATIONSOLUTIONS, TECHNOLOGIES , FACILITIES AND THEIR INNOVATIONСравнительный анализ удельных показателей когенерационной газотурбинной установки, работающей на продуктах окисления алюминия и бораComparative Analysis of Specific Indicators of Cogeneration Gas Turbine Unit Working on Aluminum and Boron Oxidation ProductsЩеклеинС. Е.ShchekleinS. E.

Сергей Евгеньевич Щеклеин д-р техн. наук, профессор, заведующий кафедрой «Атомные станции и возобновляемые источники энергии»; действительный член Международной энергетической академии; член редколлегии журнала «Известия вузов. Ядерная энергетика»; Международного научного журнала «Альтернативная энергетика и экология» (ISJAEE); сборника трудов УГТУ-УПИ «Теплофизика ядерных энергетических установок»; Трудов Одесского национального политехнического университета; Научно-технического журнала «Энергоэффективность и анализ».

д. 19, ул. Мира, Екатеринбург, 620002

Sergey Shcheklein D.Sc. in Engineering, Professor, the Head of Atomic Stations and Renewable Energy Sources Department; a member of the editorial board of “Institute of Higher Education News. Nuclear Power”; International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology (ISJAEE); “Nuclear Power Units Heat Engineering” USTU; Odessa National Polytechnic University article collection; Scientific Journal of “Energy Effectiveness and Analysis”.

19 Mir Str., Ekaterinburg, 620002

s.e.shcheklein@urfu.ruДубининА. М.DubininA. M.

Алексей Михайлович Дубинин д-р техн. наук, профессор кафедры «Теплоэнергетика и теплотехника»

д. 19, ул. Мира, Екатеринбург, 620002

Alexey Dubinin D.Sc. in Engineering, Professor of Power Engineering and Thermal Engineering Department

19 Mir Str., Ekaterinburg, 620002

Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. ЕльцинаРоссияUral Federal University Named after the First President of Russia B.N. YeltsinRussian Federation201913122019028-337385Copyright © Международный издательский дом научной периодики "Спейс, 20192019Международный издательский дом научной периодики "СпейсМеждународный издательский дом научной периодики "Спейсhttps://www.isjaee.com/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://www.isjaee.com/jour/article/view/1821

Представлена когенерационная энергетическая установка на базе газотурбинного двигателя с внешним подводом теплоты к рабочему телу-воздуху. В качестве топлива использовались мелкодисперсные порошки алюминия или бора, в качестве окислителя – воздух. На основании уравнений химической термодинамики рассчитаны теплота окисления алюминия алюминиевой пудры 31 005 кДж на 1кг алюминия и 26 283 кДж на 1кг бора. Определено, что коэффициент использования топлива энергетической установкой, работающей на алюминии, составляет 0,578, а на боре – 0,501; удельный расход условного топлива при производстве электрической энергии – 163,6 гр у.т./( кВт·ч), на боре – 185 гр у.т./(кВт·ч), а тепловой энергии – 67,6 кг у.т./ГДж и 76,49 кг у.т./ГДж соответственно. Удельная выработка электрической энергии на внешнем тепловом потреблении при работе на алюминии и боре равняется 136,5 кВт·ч/ГДж и 136,5 кВт·ч/ГДж соответственно. Приведены удельные затраты топлива на энергетической установке без использования теплоты выхлопа после газовой турбины для подогрева сетевой воды. Полученные данные сравнивались с аналогичными для действующих энергетических установок, работающих на органическом топливе. Сведены материальные и тепловые балансы. Установлено, что в ГТУ предпочтительнее использовать в качестве топлива алюминий, так как бор показал худшие удельные параметры.

The paper presents a cogeneration power unit based on a gas turbine engine with an external heat supply to the working fluid-air. Aluminum powder or boron are used as fuel, and air is used as an oxidizing agent. On the basis of the chemical thermodynamics equations, we have calculated the heat of aluminum powder oxidation at 31,005 kJ per 1kg of aluminum and 26,283 kJ per 1kg of boron. The fuel utilization factor by a power plant operating on the aluminum is 0.578 and on the boron is 0.501. Specific consumption of conventional fuel at the operation of the power unit on aluminium in the production of electric energy is 163.6 gOE/(kWh), and on the boron is 185 gOE/ (kWh), and thermal energy – 67.6 and 76.49 kgOE/GJ respectively. Specific production of the electrical energy by external heat consumption when working on aluminum and boron are 136.5 and 136.5 kWh/(GJ), respectively. The paper gives specific fuel costs for a power plant without using the exhaust heat after the gas turbine for heating network water. The data obtained are compared with those power plants working on organic fuels. Material and thermal balances are summarized. In gas turbines, it is preferable to use aluminum as a fuel. Boron shows the worst specific parameters.

газотурбинный двигательалюминийборвоздухудельный расход топливакоэффициент полезного действиятепловые потеритеплота окислениятеплоемкостьбалансэлектролизкогенерацияgas turbine enginealuminumboronairspecific fuel consumptionefficiency factorheat lossheat of oxidationheat capacitybalanceelectrolysiscogenerationReferencesЩеклеин, С.Е. Моделирование нестационарных случайных процессов в задачах обоснования возобновляемых источников энергии / С.Е. Щеклеин, В.В. Власов // Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» (ISJAEE). – 2012. – № 3 (107). – С. 67–71.Shcheklein S.E., Vlasov V.V. Nonstationary random processes modeling in renewable energy problems (Modelirovanie nestacionarnyh sluchajnyh processov v zadachah obosnovaniya vozobnovlyaemyh istochnikov energii). International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology (ISJAEE), 2012;3(107):67–71 (in Russ.).Обухова, Н.В. О возможности совместной работы СЭС с энергосистемой по параметрам качества энергии / Н.В. Обухова, А.О. Егоров, С.Е. Щеклеин // Труды второй научно-технической конференции молодых ученых Уральского энергетического института. Екатеринбург, 2017. – С. 236–238.Obuhova N.V., Egorov A.O., Shcheklein S.E. On the possibility of PV ES working together with the power grid on energy quality parameters (O vozmozhnosti sovmestnoj raboty SES s energosistemoj po parametram kachestva energii). Trudy vtoroj nauchno-tekhnicheskoj konferencii molodyh uchenyh Ural'skogo energeticheskogo instituta, Ekaterinburg, 2017; pp. 236–238 (in Russ.).Елистратов, В.В. Аккумулирование электроэнергии от ВИЭ для централизованного энергоснабжения / В.В. Елистратов // В сборнике: Природоохранные и гидротехнические сооружения: проблемы строительства, эксплуатации, экологии и подготовки специалистов. Материалы Международной научно-технической конференции. Самарский государственный архитектурно-строительный университет. – 2014. – С. 289–294.Elistratov V.V. Accumulation of electricity from renewable energy for centralized energy supply (Akkumulirovanie elektroenergii ot VIE dlya centralizovannogo energosnabzheniya. V sbornike: Prirodoohrannye i gidrotekhnicheskie sooruzheniya: problemy stroitel'stva, ekspluatatsii, ekologii i podgotovki specialistov). Materialy Mezhdunarodnoi nauchno-tekhnicheskoi konferentsii. Samarskii gosudarstvennyi arhitekturno-stroitel'nyi universitet, 2014; pp. 289–294 (in Russ.).Franzoni, F. Combined hydrogen production and power generation from aluminum combustion with water:Analysis of the concept / F. Franzoni [et al.] // International Journal of Hydrogen Energy. – 2010. – Vol. 35. – Iss. 4. – P.1548–1559.Franzoni F., Milani M., Montorsi L., Golovitchev V. Combined hydrogen production and power generation from aluminum combustion with water:Analysis of the concept. International Journal of Hydrogen Energy, 2010;35(4):1548–1559 (in Eng.).Shkolnikov, E.I. Aluminum as energy carrier: Feasibility analysis and current technologies overview / E.I. Shkolnikov, A.Z. Zhuk, M.S. Vlaskin // Renewable and Sustainable Energy Reviews. – 2011. – Vol. 15. – Iss. 9. – P. 4611–4623.Shkolnikov E.I., Zhuk A.Z., Vlaskin M.S. Aluminum as energy carrier: Feasibility analysis and current technologies overview. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2011;15(9):4611–4623 (in Eng.).Дудоладов, А.О. Экспериментальное исследование процессов низкотемпературного окисления алюминия с выделением водорода / А.О. Дудоладов [и др.] // Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» (ISJAEE). – 2015. – № 21 (185). – С. 112–120.Dudoladov A.O., Buryakovskaya O.A., Vlaskin M.S., Zhuk A.Z., Shkol'nikov E.I. Experimental study of low-temperature aluminium oxidation processes with hydrogen release (Eksperimental'noe issledovanie processov nizkotemperaturnogo okisleniya alyuminiya s vydeleniem vodoroda). International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology (ISJAEE); 2015;21(185):112–120 (in Russ.).Амбарян, Г.Н. Генерация водорода путем окисления алюминия в низкоконцентрированном водном растворе калиевой щелочи при интенсивном перемешивании / Г.Н. Амбарян [и др.] // Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» (ISJAEE). – 2015. – № 23 (187). – С. 95–104.Ambaryan G.N., Dudoladov A.O., Meshkov E.A., Vlaskin M.S., Zhuk A.Z., Shkol'nikov E.I. Hydrogen generation by oxidation of aluminium in a lowconcentrated water solution of potassium lye with intensive mixing (Generatsiya vodoroda putem okisleniya alyuminiya v nizkokoncentrirovannom vodnom rastvore kalievoi shchelochi pri intensivnom peremeshivanii). International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology (ISJAEE), 2015;23(187):95–104 (in Russ.).Ларичев, М.Н. Реакция алюминиевых частиц с жидкой водой и водяным паром – перспективный источник водорода для нужд водородной энергетики / М.Н. Ларичев [и др.] // Известия Российской академии наук. Энергетика. – 2007. – № 5. – С.125–139.Larichev M.N., Laricheva O.O., Lejpunskij I.O., Pshechenkov P.A. The reaction of aluminium particles with liquid water and water vapor is a promising source of hydrogen for hydrogen energy needs (Reaktsiya alyuminievyh chastic s zhidkoi vodoi i vodyanym parom – perspektivnyi istochnik vodoroda dlya nuzhd vodorodnoi energetiki). Izvestiya Rossiiskoi akademii nauk. Energetika, 2007;(5):125–139 (in Russ.).Ларичев, М.Н. Окисление алюминиевого порошка АСД-4 водой. Возможности химической и физической активации процесса. Получение наноразмерных продуктов окисления / М.Н. Ларичев [и др.] // Известия Российской академии наук. Энергетика. –2010. – № 2. – С. 85–104.Larichev M.N., Shajtura N.S., Laricheva O.O., Kolokol'nikov V.N., Shkol'nikov E.I. The oxidation of ASD4 aluminium powder with water. The possibilities of chemical and physical activation of the process. Getting nanoscale oxidation products (Okislenie alyuminievogo poroshka ASD-4 vodoi. Vozmozhnosti himicheskoi i fizicheskoi aktivatsii protsessa. Poluchenie nanorazmernyh produktov okisleniya). Izvestiya Rossiiskoi akademii nauk. Energetika, 2010:(2):85–104 (in Russ.).Bergthorson, J.M. Directcombustionof recyclable metal fuels for zero-carbon heat and power / J.M. Bergthorson [et al.] // Applied Energy. – 2015. – Vol. 160. – P. 368–382.Bergthorson J.M., Goroshin S., Soo M.J., Julien P., Jarvis D.J. Direct combustion of recyclable metal fuels for zero-carbon heat and power. Applied Energy, 2015;160:368–382 (in Eng.).Bergthorson, J.M. Recyclable metal fuels for clean and compact zero-carbon power / J.M. Bergthorson // Progress in Energy and Combustion Science. – 2018. – Vol. 68. – P. 169–196.Bergthorson J.M. Recyclable metal fuels for clean and compact zero-carbon power. Progress in Energy and Combustion Science, 2018;68:169–196 (in Eng.).Kleiner, K. Powdered Metal: The Fuel of the Future / K. Kleiner // New Scientist. – 2005. – Vol. 185. – Iss. 2522. – P. 34–37.Kleiner K. Powdered Metal: The Fuel of the Future. New Scientist, 2005;185(2522):34–37 (in Eng.).Korotkikh, A. Ignition study of high-energy materials containing Al, B, AlB2 and TiB2 powders / A. Korotkikh [et al.] // В сборнике: MATEC Web of Conferences. – 2017. – Vol. 33.– «33rd Siberian Thermophysical Seminar, STS 2017». – P. 03016.Korotkikh A., Slyusarskiy K., Sorokin I., Arkhipov V. Ignition study of high-energy materials containing Al, B, AlB2 and TiB2 powders. V sbornike: MATEC Web of Conferences, 33rd Siberian Thermophysical Seminar, STS 2017, 2017; pp. 03016 (in Eng.).Коротких, А.Г. Исследование кинетики окисления и горения порошков алюминия / А.Г. Коротких, И.А. Ионова, М.К. Карпович // Сборник трудов XVIII Международной научно-практической конференции «Современные техника и технологии». – Томск, 2012. – С. 359–360.Korotkih A.G., Ionova I.A., Karpovich M.K. Study of kinetics of oxidation and burning aluminum powders (Issledovanie kinetiki okisleniya i goreniya poroshkov alyuminiya). Sbornik trudov XVIII Mezhdunarodnoi nauchno-prakticheskoi konferentsii "Sovremennye tekhnika i tekhnologii". Tomsk, 2012; pp. 359– 360 (in Russ.).Коротких, А.Г. Зажигание и горение высокоэнергетических материалов, содержащих алюминий, бор и диборид алюминия / А.Г. Коротких [и др.] // Химическая физика и мезоскопия. – 2018. – Т. 20. – № 1. – С. 5–14.Korotkih A.G., Arhipov V.A., Sorokin I.V., Selihova E.A. Ignition and combustion of high-energy materials containing aluminium, boron and aluminium diboride (Zazhiganie i gorenie vysokoenergeticheskih materialov, soderzhashchih alyuminii, bor i diborid alyuminiya. Himicheskaya fizika i mezoskopiya, 2018;20(1):5– 14 (in Russ.).Малинин В.И., Серебренников С.Ю., Бербек А.М. Анализ особенностей горения порошков металлов в смесях с воздухом, водой, диоксидом углерода / В.И. Малинин, С.Ю. Серебренников, А.М. Бербек // Пожаровзрывобезопасность. – 2010. – Т. 19. – № 4. – С. 12–17.Malinin V.I., Serebrennikov S.Yu., Berbek A.M. Analysis of the burning features of metal powders in mixtures with air, water, carbon dioxide (Analiz osobennostei goreniya poroshkov metallov v smesyah s vozduhom, vodoi, dioksidom ugleroda). Pozharovzryvobezopasnost', 2010;19(4):12–17 (In Russ.).Карапетьянц, М.Х. Основные термодинамические константы неорганических и органических веществ / М.Х. Карапетьянц, М.Л. Карапетьянц. – М.: «Химия». 1968. – 470 с.Karapet'yanc M.H., Karapet'yanc M.L. Basic thermodynamic constants of inorganic and organic substances (Osnovnye termodinamicheskie konstanty neorganicheskih i organicheskih veshchestv). Moscow: Himiya Publ., 1968; 470 p. (in Russ.).Карапетьянц М.Х. Химическая термодинамика / М.Х. Карапетьянц. – М.: Химия. 1975. – 504с.Karapet'yanc M.H.. Himicheskaya termodinamika. Moscow: HimiyaPubl., 1975; 504 p. (in Russ.).Промышленные тепловые электростанции: Учебник для вузов / Баженов М.И., Богородский А.С., Сазанов Б.В., Юренѐв В.Н.; под ред. Соколова А.С. 2-е изд., перераб. – М.: Энергия,1979. – 296 с.Bazhenov M.I., Bogorodskij A. S., Sazanov B.V., Yurenyov V.N. Industrial thermal power plants: A textbook for universities (Promyshlennye teplovye elektrostantsii: Uchebnik dlya vuzov); Ed. Sokolov A.S.. 2-e izd., pererab. Moscow: Energiya Publ., 1979; 296 p. (in Russ.).Яковлев, Б.В. Повышение эффективности систем теплофикации и теплоснабжения / Б.В. Яковлев // М.: Новости теплоснабжения. – 2008. – 448с.Yakovlev B.V. Improving the efficiency of heating and heating systems (Povyshenie effektivnosti sistem teplofikacii i teplosnabzheniya). Moscow: Novosti teplosnabzheniya Publ., 2008; 448 p. (in Russ.).Cernuschi, F. Thermo-physical properties of as deposited and aged thermal barrier coatings (TBC) for gas turbines:State-of-the art and advanced TBCs / F. Cernuschi [et al.] // Journal of the European Ceramic Society. – 2018. – Vol. 38. – Iss.11. – P. 3945–3961.Cernuschi F., Bison P., Mack D.E., Merlini M., Stamm W. Thermo-physical properties of as deposited and aged thermal barrier coatings (TBC) for gas turbines:Stateof-the art and advanced TBCs. Journal of the European Ceramic Society, 2018;38(11):3945–3961 (in Eng.).Gorunov, A.I. Complex refurbishment of titanium turbine blades by applying heat-resistant coatings by direct metal deposition / A.I. Gorunov // Engineering Failure Analysis. – 2018. – Vol. 86. – P. 115–130.Gorunov A.I. Complex refurbishment of titanium turbine blades by applying heat-resistant coatings by direct metal deposition. Engineering Failure Analysis, 2018;86:115–130 (in Eng.).Кустов А.Д., Парфенов О.Г. Высокоскоростная металлургия алюминия / А.Д. Кустов, О.Г. Парфенов //Доклады академии наук. Химия. – 2015. – Т. 462. – № 5. – C. 555–557.Kustov A.D., Parfenov O.G. High-speed aluminium metallurgy (Vysokoskorostnaya metallurgiya alyuminiya). Doklady akademii nauk. Himiya, 2015;462(5):555–557 (in Russ.).

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