2293

сичных веществ с отработавшими продуктами сгорания топлива, например за счет впрыска воды или пара в камеру сгорания для подавления образования окислов азота без снижения экономичности цикла [15].

Принципиальная схема теплохладоэнергетического агрегата на базе ГТУ приведена на рис. 1.1, б.

Рис. 1.1. ПГУ с ВПГ и глубоким охлаждением газов (а), ГТУ с глубоким охлаждением газов (б): К – компрессор; ВПГ высоконапорный парогенератор; ГТ – газовая турбина; Э1, Э2, Э3 – кипящая, сухая и мокрая ступени напорного экономайзера; ВО – сепаратор капельной влаги; Д – турбодетандер; Х – холодильная камера; КС – камера сгорания; Г электрогенератор

Ранее отмечалось, что снижение содержания СО2 в уходящих газах энергоустановок имеет существенное значение для оценки их экологиче-

10

ской эффективности. Вместе с тем диоксид углерода является ценным технологическим продуктом, находящим все более широкое применение в различных отраслях хозяйства, и потребность в нем в настоящее время полностью не удовлетворяется [10, 11, 25, 31]. В нашей стране 15 % годового выпуска твердого диоксида углерода и 40 % жидкого СО2 производится на базе специального сжигания топлива [25, 31]. При этом для производства 1 т СО2 сжигается 1 1,3 т условного топлива. Ежегодный расход топлива на нужды производства СО2 составляет более 200 тыс. т в год. Причем используются только высокосортные виды топлива, такие как кокс, антрацит АК, природный газ и др. Поэтому разработка и осуществление мероприятий по извлечению диоксида углерода вымораживанием из продуктов сгорания топлива приводит к повышению экономической и экологической эффективности энергоустановок и решает задачу производства СО2 наиболее дешевым способом.

Исследование различных схем теплохладоснабжения предприятий, потребляющих теплоту, электроэнергию и холод (СО2), показывает, что комплексное производство этих видов энергии в ТХЭА, по сравнению с существующим раздельным, позволяет снизить расход топлива на 30 40 % [12, 13, 35].

При этом выработанный диоксид углерода может найти широкое при-

менение [11, 25]:

в сельском хозяйстве для хранения и транспортировки продукции животноводства и растениеводства, для газовой подкормки растений в закрытых грунтах, при производстве хлореллы, используемой в качестве кормовой добавки скоту, и др. [28];

на машиностроительных предприятиях в литейном и сварочном це-

хах;

в химической промышленности при производстве полимеров;

для искусственного воздействия на переохлажденные облака и туманы в целях получения дополнительных осадков, борьбы с градобитием и др.;

для тушения пожаров.

Однако наибольшее применение диоксида углерода следует ожидать в нефтедобывающей промышленности, где СО2 в жидком виде применяется для искусственного воздействия на пласт, что позволяет увеличить нефтеотдачу пластов на 8 16 % и ускорить темпы разработки нефтяных месторождений в 1,5 2 раза.

В настоящее время производится разработка концепции (технологии) создания эффективных экологически чистых стационарных или передвижных источников теплоснабжения сел и малых городов Российской Федерации с необходимой производительностью: для централизованного тепло-

11

снабжения от 1 до 60 Гкал/ч; для децентрализованного до 1 Гкал/ч. Основной вид топлива – каменный уголь и природный газ.

Учитывая, что ТХЭА обладают высокой тепловой и экологической эффективностью, они могут найти широкое применение для производства теплоты как для централизованного, так и децентрализованного теплоснабжения сел, малых городов и отдельных промышленных предприятий, заменив малоэффективные котельные агрегаты [12, 13, 34].

В качестве газотурбогенераторов и турбодетандеров при создании ТХЭА могут быть использованы как стационарные, так и транспортные газотурбинные двигатели и их элементы, применение которых позволит значительно сократить сроки проектирования, изготовления и ввода агрегатов в действие.

Следует отметить, что в настоящее время работы по созданию ГТД малой мощности для отопительно-вентиляционной техники начаты как в нашей стране, так и за рубежом (США, Франции, Великобритании, ФРГ) [19, 26]. При этом с целью сокращения тепловых потерь при передаче энергии на большие расстояния предлагается децентрализация энергоснабжения сел, малых городов и предприятий сельскохозяйственной и пищевой промышленности. На базе ГТУ созданы мощные отопительные генераторы теплоты с комплексной выработкой электроэнергии или холода для систем кондиционирования воздуха. В качестве базовых турбоагрегатов применяют газовые турбины малой мощности. Теплопроизводительность таких агрегатов 300 1200 кВт. Прогнозируется, что потребность в таких установках будет исчисляться миллионами штук. В качестве топлива для ГТУ используется жидкое и газообразное. Проводятся разработки ГТУ со встроенными газификаторами каменного угля.

12

Работа сжатия в компрессоре

lК = h3 – h1 .

Работа расширения в турбине

lТ = h4 – h5 .

Работа расширения в турбодетандере lД = h6 – h7 .

Подвод теплоты сгорания топлива

qТ = h4 – h3 .

Отвод теплоты (теплопроизводительность) q = h5 – h6 .

Холодопроизводительность

q0 = h1 – h7 .

Анализ рис. 2.1 показывает, что цикл ТХЭА можно представить как совокупность двух термодинамических циклов: прямого (2-3-4-5-2) и обрат-

ного (1-2-6-7-1).

Работа прямого цикла

lП = (h4 – h5) – (h3 – h2).

Работа обратного цикла

lО = (h6 – h7) – (h2 – h1).

При выработке в агрегате только теплоты и холода работа прямого цикла используется для осуществления обратного цикла

lП = lО . (2.1)

Сравним цикл ТХЭА с прямым термодинамическим циклом 1-3-4-5'-1, в котором осуществляется подвод такого же количества теплоты сгорания топлива при постоянном давлении. Уменьшение работы в цикле ТХЭА в связи с недорасширением в газовой турбине и снижением температуры потока перед детандером по сравнению с прямым термодинамическим циклом составляет

l = l – lП + lО

В цикле ТХЭА происходит увеличение количества выработанной теп-

Сравнение циклов показывает, что в ТХЭА за счет уменьшения полезной работы вырабатывается большее количество теплоты с более высоким

14

температурным потенциалом. Уравнение (2.5) показывает, что потерянная работа вследствие недорасширения в газовой турбине полностью превращается в теплоту, а увеличение теплоты можно использовать для производства потерянной работы, например в цикле паровой машины или в другом прямом термодинамическом цикле. Кроме того, при производстве холода путем затраты части работы прямого цикла (1-3-4-5'-1) с учетом выражения (2.1) получим аналогичные зависимости (2.2)–(2.4). Следовательно, с энергетической точки зрения теоретический цикл ТХЭА является равноценным прямому циклу, в котором осуществляется подвод того же количества теплоты сгорания топлива и может быть произведено такое же количество холода.

Однако в реальных процессах цикл ТХЭА будет иметь существенные преимущества. В результате непосредственного использования продуктов сгорания топлива в качестве рабочего вещества уменьшаются необратимые потери, связанные с преобразованием отдельных видов энергии, и снижаются потери теплоты в окружающую среду с уходящими газами. Повышенное давление р2 (см. рис. 2.1) интенсифицирует процессы в теплообменных аппаратах, что позволяет охладить продукты сгорания топлива до температуры, близкой к температуре окружающей среды, то есть использовать весь их температурный напор и высшую теплотворную способность топлива.

Для определения оптимальных отношений давлений в цикле ТХЭА запишем выражения для определения работы через отношения давлений:

Здесь р3 / p1 общая степень повышения давления в цикле;

П р3 / p2 степень повышения давления в прямой части цикла;

О р2 / p1 степень повышения давления в обратной части цикла.

15

Система уравнений (2.1), (2.11), (2.12) с учетом (2.6) – (2.10) позволяет при заданном температурном режиме агрегата определить оптимальные степени отношений давлений в цикле ТХЭА.

Рассматривая прямой цикл (2-3-4-5-2), можно отметить, что температура Т4 ограничена прочностными характеристиками газовой турбины, а температура Т7 определяется условиями выработки холода. В этих условиях, очевидно, работа прямого цикла имеет максимум. Для определения степени повышения давления прямого цикла, соответствующего максимальной работе, продифференцируем выражение (2.9) по П и производную приравняем нулю.

однако

К 1

Т2 Т1 О К ,

окончательно получим

Выражение (2.13) позволяет определить оптимальные соотношения давлений в теоретическом цикле ТХЭА.

Для газовых холодильных машин, по циклу которых работает холодильная часть ТХЭА, оптимальная степень повышения давления составля-

ет О = 2-3 [21]. Принимаем О = 2,5; Т1 = 300 К; Т4 = 1200 К; к = 1,4; тогда по выражению (2.13) степень повышения давления в прямом цикле

П = 7,1.

Подставляя выражение (2.13) в (2.1) с учетом (2.9) и (2.10) и выполнив несложные преобразования, получим

16

Выражение (2.14) показывает, что степень повышения давления обратного цикла определяется температурными уровнями подвода и отвода теплоты. Это выражение также позволяет определить при условии максимальной работы прямого цикла и Т2 , Т4 = const степень повышения давления обратного цикла в зависимости от температурного уровня вырабатываемого холода Т6 . Анализ выражения (2.14) показывает, что при любомО 0 знаменатель будет величиной отрицательной. Следовательно, для выполнения условия Т6 0 К (так как Т6 < 0 лишено смысла) необходимо, чтобы числитель был величиной отрицательной или равен нулю. Исходя из этого условия получим

Выражение (2.15) показывает, что при любой положительной температуре Т6 0 К степень повышения давления обратного цикла определяется температурой окружающей среды Т1 и температурой в камере сгорания Т4 . При принятых ранее Т1 , Т4 и к получим О 1,76. При этом работы прямого цикла вполне достаточно для осуществления обратного цикла.

Таким образом, выполненный анализ показал, что с энергетической точки зрения цикл ТХЭА и прямой цикл с изобарным подводом теплоты идентичны. В реальных условиях цикл ТХЭА имеет существенные преимущества вследствие снижения необратимых потерь и использования высшей теплотворной способности топлива.

2.2.Теоретический цикл с наддувом на входе в газотурбогенератор

ирегенерацией теплоты

В подразделе 2.1 было определено, что одним из условий эффективной работы ТХЭА является выдерживание степени повышения давления в обратном цикле О = 2-3, что соответствует оптимальному давлению в циклах газовых холодильных машин [20]. Поэтому при создании ТХЭА с использованием серийно выпускаемых ГТУ, в том числе авиационного типа, может возникнуть необходимость в повышении давления в цикле за счет применения турбонагнетателя с приводом от турбодетандера ТХЭА. Принципиальная схема и теоретический цикл ТХЭА с наддувом на входе в газотурбогенератор и регенерацией теплоты в диаграмме Т-s показаны на рис. 2.2 точками 1-2"-2-3-4-5-2'-6-7-8-1.

17