2293

Федеральное агентство по образованию Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия

(СибАДИ)

В. Д. Г а л д и н, В.И. Г р и ц е н к о

ОСНОВЫ ТЕОРИИ И РАСЧЕТ

ТЕПЛОХЛАДОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ

АГРЕГАТОВ

Учебное пособие

Рекомендовано Учебно-методическим объединением вузов Российской Федерации по образованию в области строительства в качестве учебного пособия для студентов, обучающихся по специальности 270109 – "Теплогазоснабжение и вентиляция" направления 270100 – "Строительство"

Омск Издательство СибАДИ

2008

1

УДК 621.585:621.1 ББК 31.392

Г 15

Рецензенты:

д-р техн. наук, проф. Н.А. Цветков (ТГАСУ); д-р техн. наук, проф. М.Н. Чекардовский (ТюмГАСУ)

Работа одобрена редакционно-издательским советом академии в качестве учебного пособия для специальности 270109 – Теплогазоснабжение и вентиляция.

Галдин В.Д., Гриценко В.И. Основы теории и расчет теплохладоэнергетических агрегатов: Учебное пособие. Омск: Изд-во СибАДИ, 2008. – 166 с.

ISBN 978–5–93204–417–9

Рассмотрены основы теории, выбор основных параметров, методика и пример расчета теплохладоэнергетического агрегата. Приведены элементы теории получения твердого диоксида углерода из продуктов сгорания топлива, расширяющихся в турбодетандере. Выполнено математическое моделирование и приведен расчетно-теоретический анализ вымораживания диоксида углерода из потока газовой смеси.

Пособие предназначено для студентов специальности 270109 – "Теплогазоснабжение и вентиляция", а также специалистов, работающих в области создания экологически чистых энергоустановок.

Табл. 12. Ил. 59. Библиогр.: 37 назв.

2

Оглавление

Список основных условных обозначений…….………………………… 4

Предисловие…….………………………………………………………… 5

1.Методы повышения тепловой и экологической эффективности энергоустановок с газовыми турбинами . . . ……………………….. 6

2. Термодинамический цикл теплохладоэнергетического агрегата 13

2.1.Теоретический цикл теплохладоэнергетического агрегата……… 13

2.2.Теоретический цикл с наддувом на входе в газотурбогенератор

ирегенерацией теплоты ………………………………………….. 17

2.3.Анализ эффективности циклов энергоустановок с газовыми турбинами при снижении температуры газов…………………….. 20

3.Расчет параметров теплохладоэнергетического агрегата………… 37

3.1.Методика расчета параметров ТХЭА…….…………………….. … 37

3.2.Пример расчета схемы теплохладоэнергетического агрегата….. 47

3.3.Расчет параметров ТХЭА на переменных режимах работы……. 53

3.4.Расчет теплообменных аппаратов ТХЭА ………………………... 58

4.Элементы теории процессов расширения продуктов сгорания топлива в турбодетандере ……………………………………………. 66

4.2.Особенности процесса получения твердого диоксида углерода из расширяющегося потока ПСТ в турбодетандере…………….. 71

4.3.Энергетические характеристики процесса расширения ПСТ в турбодетандере…………………………………………………… 79

4.4.Элементы кинетики фазового перехода…….……………………. 97

4.5.Математическая модель течения ПСТ с образованием твердой фазы диоксида углерода в проточной части турбодетандера..… 104

4.6.Алгоритм численного решения системы уравнений течения ПСТ 115

4.7.Аналитическая аппроксимация геометрических характеристик

детандера и выбор шага интегрирования при расчете течения… 118 4.8. Особенности течения ПСТ в проточной части турбодетандера.. 124

5. Экспериментальное исследование процессов производства теплоты и холода в теплохладоэнергетических агрегатах .…….. 129

5.1.Особенности конструкции экспериментального стенда…….….. 129

5.2.Теплофизические измерения при испытаниях ТХЭА…………… 145

5.3.Экспериментальное исследование и тепловой баланс ТХЭА на

3

кпоказатель изоэнтропы, коэффициент теплопередачи,

Вт/(м2·К);

Индексы и сокращения

0 – сечение на входе в сопловой аппарат; 1 – сечение за сопловым аппаратом; 2 – сечение за рабочим колесом; д – детандер; к – компрессор; т – турбина, твердый; н – нагнетатель; ех – эксергия; О – кислород; N – азот; С – диоксид углерода; ПСТ – продукты сгорания топлива; ВПГ – высоконапорный парогенератор; ПГУ – парогазовая установка; ГТУ газотурбинная установка; ВЦГ – внутрицикловая газификация.

4

ПРЕДИСЛОВИЕ

Главной задачей энергетической программы Российской Федерации в условиях коренных политических и экономических преобразований является определение путей эффективного и надежного снабжения хозяйства страны и населения топливом, электрической и тепловой энергией при ограничении негативного воздействия объектов топливно-энергетического комплекса на окружающую среду.

В этих условиях наращивание энергетического потенциала, необходимого для дальнейшего развития страны, требует улучшения экологических характеристик энергоисточников при одновременном повышении их экономичности и снижения уровня материальных, капитальных и трудовых затрат.

Энергетические установки для совместного производства теплоты, электроэнергии и холода (твердого диоксида углерода) по сравнению с раздельным способом энергоснабжения могут обеспечить значительную экономию топлива и снижение металлоемкости основного оборудования. Следует отметить и повышенную экологическую эффективность таких установок, в частности за счет уменьшения теплопотерь, значительного снижения выброса СО2 в атмосферу и принципиальной возможности снижения выбросов токсичных веществ с отработавшими продуктами сгорания топлива, например за счет впрыска воды в камеру сгорания для подавления образования окислов азота без снижения экономичности цикла.

Разработка теории и методов расчета теплохладоэнергетических агрегатов (ТХЭА) с использованием серийных газотурбинных двигателей и их элементов, исследование и создание основных агрегатов газотурбогенератора, турбодетандера и теплоиспользующих устройств – выполняется под руководством авторов настоящего пособия в Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии (г. Омск) и Омском государственном техническом университете.

Первый в мировой практике опытно-промышленный теплохладоэнергетический агрегат с газовой турбиной транспортного типа создан по разработкам на Омском заводе кислородного машиностроения НПО "Сибкриотехника". Проведенные экспериментальные исследования ТХЭА подтвердили правильность научных предпосылок и рациональность принятых при его создании инженерных решений. Результаты выполненных исследований используются при создании теплохладоэнергетических агрегатов и парогазовых установок с внутрицикловой газификацией твердого топлива и отделением СО2 больших производительностей.

5

1. МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ ТЕПЛОВОЙ И ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЭНЕРГОУСТАНОВОК

СГАЗОВЫМИ ТУРБИНАМИ

Вусловиях научно-технического прогресса экономия топливноэнергетических ресурсов и охрана окружающей среды стали одними из самых важных и актуальных проблем современности. Особенно остро стоят эти вопросы при производстве теплоты и электроэнергии за счет сжигания органических видов топлива. При сжигании на тепловых электростанциях (ТЭС) отходы природного газа в пять раз, а отходы антрацита в четыре раза превышают массу использованного топлива [36].

Совместно с продуктами сгорания в окружающую среду поступает и часть золы, содержащей в своем составе в тех или иных количествах многие элементы таблицы Менделеева, а также диоксид углерода, продукты неполного сгорания топлива, окислы серы и азота, соединения ванадия и других металлов.

Вокружающей среде рассеивается и более 60 % исходной энергии топлива в виде подогретой воды и горячих газов, что является характерным показателем используемых в настоящее время энергетических установок.

Например, при сжигании на ТЭС 1060 т/ч антрацитового штыба из топок котлоагрегатов удаляется 34,5 т/ч шлака, из бункеров электрофильт-

ров, очищающих газы на 99 %, 193,5 т/ч уловленной золы, а через дымовые трубы в атмосферу выбрасывается 10 млн м3/ч дымовых газов, содержащих помимо азота и остатков кислорода 2350 т/ч диоксида углерода, 251 т/ч паров воды, 34 т/ч двуокиси серы, 9,34 т/ч окислов азота (в пересчете на NО2) и 2,0 т/ч летучей золы, неуловленной в золоуловителях.

Значительно меньше, чем в тепловых электростанциях, отходов в продуктах сгорания газотурбинных установок (ГТУ). Особенности сжигания топлива в газотурбинных установках с большими коэффициентами избытка воздуха ( = 3 5) позволяют получить более низкий уровень загрязнения окружающей среды практически по всем вредным компонентам [29].

Развитие теплоэнергетических установок часто связывается с различными процессами газификации углей и мазутов под давлением, в которых вырабатывается очищенный от воды и серы газ, пригодный для использования в газотурбинных установках или в паровых котлоагрегатах [3, 4].

Создание энергоустановок с внутрицикловой газификацией топлив перспективно еще и потому, что процессы газификации требуют значительного количества сжатого воздуха и пара (с повышением рабочего давления уменьшаются габариты и стоимость систем газификации), которые в энергоустановках имеются. Продукты газификации в технологическом процессе необходимо охлаждать с отводом большого количества теплоты, которое целесообразно утилизировать. Полученный низкокалорийный газ не-

6

выгодно транспортировать на большие расстояния и целесообразно использовать на месте. При применении энергоустановок с газификацией, кроме снижения содержания в продуктах сгорания окислов серы, сжигание генераторного газа с низкими температурами горения позволяет уменьшить концентрацию образовавшихся окислов азота в 2 5 раз (по сравнению с прямым сжиганием каменных углей и мазута).

Выполненные ЦКТИ и ВНИПИэнергопромом исследования показали, что наибольшая тепловая и экологическая эффективность будет обеспечена при создании и широком применении в энергетике парогазовых установок (ПГУ) с высоконапорным парогенератором (ВПГ).

Такие установки должны работать не только на природном газе, но и при использовании различных видов ископаемых углей при их внутрицикловой газификации (ВЦГ) на паровоздушном дутье.

Концепция создания экологически чистой электростанции, разработанная НПО ЦКТИ, ВНИПИэнергопромом и другими организациями, рассмотренная и одобренная ГКНТ в рамках проведенного конкурса [30], предлагает поэтапное создание ПГУ с ВПГ и ВЦГ трех поколений, базирующихся на единых модулях паро- и газогенерирующего оборудования с системами газоочистки. ПГУ первого поколения решает задачу сокращения загрязнения атмосферы выбросами окислов серы, азота и пыли в уходящих газах. Второе поколение ПГУ предусматривает отказ от водопотребления из посторонних источников. Дальнейшее улучшение экологических и технико-экономических показателей будет обеспечиваться при создании ПГУ с ВЦГ третьего поколения, в которых предусматривается на 30 40 % сокращение ненормируемого на сегодня загрязнения атмосферного воздуха диоксидом углерода (СО2).

Впоследние годы в нашей стране и за рубежом разработке технологий

испособов уменьшения выбросов СО2 уделяется все большее внимание

[22, 33]. В мировом масштабе 75 80 % выбросов СО2 вызвано сжиганием органических топлив [5]. Под влиянием накапливающихся в атмосфере многомолекулярных газов (водяного пара, диоксида углерода, оксидов азота и др.), поглощающих инфракрасное излучение с поверхности земли, возникает "парниковый эффект", что способствует повышению температуры атмосферы, таянию ледников и нарушению погодообразования. При этом наибольший вклад в "парниковый эффект" (80 %) вносит СО2 .

По расчетам специалистов, предотвращение экологической катастрофы вследствие "парникового эффекта" возможно лишь при снижении мировых выбросов СО2 в атмосферу к 2005 г. на 20 % и к 2050 г. в 1,5 раза. При этом предполагается увеличение мирового потребления органического топлива от 9,3 в 1987 г. до 12 млрд т условного топлива в 2005 г. [37].

Указанные обстоятельства требуют интенсификации исследований по снижению выбросов СО2 . В рамках Министерства энергетики США про-

7

водится конкурс на лучший проект снижения выбросов СО2 при сжигании угля.

В ноябре 1990 г. в Женеве состоялся международный конкурс "Борьба с парниковым эффектом", в котором приняли участие делегации 130-ти стран. Представители 18-ти стран Западной Европы и Японии приняли обязательства по сокращению или, по крайней мере, сохранению существующего валового выброса СО2 в атмосферу на уровне 2000 г.

Хранение уловленного СО2 возможно в Мировом океане на глубине более 3 тыс. м или в истощенных месторождениях нефти. Для транспортировки СО2 к месту хранения необходимы затраты дополнительной энергии.

Известны промышленные способы отделения СО2 из уходящих дымовых газов. Абсорбционно-десорбционный способ удаления СО2 из уходящих газов котлоагрегатов с использованием алканоламина требует повышения расхода топлива на единицу отпускаемой энергии в 1,3 1,4 раза и приводит к снижению КПД теплоэлектростанции с 38 до 29 % . Диоксид углерода может быть удален из дымовых газов методом вымораживания. При этом способе и 90%-ном улавливании СО2 КПД теплоэлектростанции снижается с 38 до 26 %. При использовании извести в топках кипящего слоя при температуре до 800 0С диоксид углерода связывается в СаСО3 , но для этого требуется расход СаО в 4 раза выше расхода угля и полезно используется только 15 % теплоты.

Рассмотренные выше способы удаления СО2 из уходящих газов энергоустановок приводят к снижению КПД теплоэлектростанций до 12 % и фактически не обеспечивают решения рассматриваемой задачи.

Принципиально другой результат будет достигаться при реализации в энергетике энергоустановок для комплексного производства тепловой и электрической энергии, холода и кристаллического диоксида углерода. Основы теории и тепловые схемы таких установок были разработаны в 1971 1981 гг. проф. А.Н. Ложкиным. Они базируются на комбинировании прямого цикла выработки энергии (в паровой и газовой турбинах) с обратным циклом теплового насоса (в газовой холодильной машине). Схема такой установки приведена на рис. 1.1.

В установках такого типа газовая турбина разделяется на части высокого и низкого давления (турбодетандер), между которыми размещаются пароперегревательные (для ПГУ) и экономайзерные поверхности нагрева, работающие при повышенном давлении по газовой стороне. Такой принцип работы обеспечивает:

интенсификацию теплообмена в напорных поверхностях нагрева по сравнению с установками обычного типа и, следовательно, относительное сокращение поверхностей нагрева;

8

повышение температуры точки росы до уровня, позволяющего использовать теплоту конденсации водяного пара продуктов сгорания для подогрева сетевой (подпиточной) воды, чем обеспечивается возможность использования высшей теплотворной способности топлива. Полезное использование скрытой теплоты парообразования позволяет также исключить потери, связанные с впрыском пара (воды) в различные точки технологической схемы, определяемые, в частности, осуществлением газификации твердого топлива на паровоздушном дутье для ПГУ с ВЦГ или использованием пара (воды) для подавления образования окислов азота в топках ВПГ или камерах сгорания газотурбоагрегата.

После охлаждения в напорном экономайзере и расширения в турбодетандере уходящие газы могут иметь пониженную, по сравнению с окружающей средой, температуру, то есть превращаться из греющего агента не только в рабочее вещество, но и в хладоагент. При этом отсутствуют потери теплоты в окружающую среду с уходящими газами, температура которых будет определяться только условиями рассеивания газовых выбросов в окружающую среду.

Включение перед турбодетандером блока холодильных регенераторов позволяет понизить температуру продуктов сгорания перед ним до температуры, равной температуре десублимации диоксида углерода. В результате осуществляется процесс вымораживания (кристаллизации) диоксида углерода из продуктов сгорания топлива, который в виде мелких кристаллов отделяется в сепараторе и удаляется из него шнековым или другим устройством. Имеется технологическая возможность перевода твердого диоксида углерода в жидкую или газообразную фазы за счет использования низкопотенциальной теплоты установки.

Организация напорной утилизации теплоты сопровождается существенным снижением электрической мощности газовой ступени ПГУ, которое частично компенсируется увеличением мощности паровой турбины при одновременном увеличении тепловой мощности энергоблока. Следует отметить, что в связи с неполным расширением продуктов сгорания в газовой турбине их температура на входе в систему напорной утилизации теплоты сохраняется более высокой. Без паровой ступени установки рассматриваемого типа представляют собой, по существу, энергетический агрегат для комплексного производства теплоты в виде пара и горячей воды с отделением диоксида углерода и электрической мощности, практически равной мощности собственных нужд. В связи с этим такие установки в дальнейшем будут называться теплохладоэнергетическими агрегатами (ТХЭА).

Следует отметить и повышенный экологический эффект от внедрения ТХЭА, связанный с уменьшением загрязнения окружающей среды, в частности за счет уменьшения теплопотерь, значительного снижения выброса СО2 в атмосферу и принципиальной возможности снижения выброса ток-

9