2293

Регулирование режима работы газотурбогенератора позволит выполнить условие равенства работ на переменных режимах ТХЭА.

2.3.Анализ эффективности циклов энергоустановок

сгазовыми турбинами при снижении температуры газов

ВТХЭА утилизация теплоты осуществляется при повышенном давлении по газовой стороне, что значительно увеличивает коэффициент теплопередачи, снижает теплообменную поверхность утилизатора и уменьшает его металлоемкость. Это позволяет сделать экономически целесообразным снижение температуры дымовых газов до температуры окружающей среды, а при дальнейшем их охлаждении в турбодетандере получить искусственный холод или выморозить твердый диоксид углерода непосредственно из потока газов.

Всвязи с этим научный и практический интерес представляет оценка энергетической эффективности циклов энергоустановок в зависимости от температуры дымовых газов. Так как рассматриваемые установки вырабатывают различную энергетическую продукцию (электроэнергию, теплоту, холод, твердый диоксид углерода), анализ эффективности целесообразно осуществить эксергетическим методом термодинамического анализа [6].

Производительность установки, выраженная через эксергию, обладает тем важным свойством, что, будучи отнесенной к затраченной эксергии (в форме топлива или электрической энергии), всегда определяет непосредственно КПД установки

ех Еn / Е3,

где ех – эксергетический КПД установки; Еn – суммарный эксергети-

ческий эффект, получаемый в установке; Е3 – суммарная эксергия за-

трат для производства полезного эффекта.

Для энергоустановок, вырабатывающих комплексно электрическую энергию, тепловую энергию и холод в виде охлажденных продуктов сгорания или твердого диоксида углерода, эксергетический КПД равен отношению полезно использованной эксергии к располагаемой эксергии топлива:

ех ЕxN Exq Ex0 ExCO2 /ExT ,

где ExN эксергия электрической энергии; Exq эксергия тепловой энер-

гии; Ex0 эксергия холода; ExCO2 эксергия диоксида углерода; ExT

полезная эксергия топлива.

Эксергия электрической энергии EN принимается равной мощности энергоустановки N.

20

Эксергия тепловой энергии Exq определяется исходя из условия выра-

ботки теплоты в виде пара с учетом недорекуперации на холодном конце экономайзера Т = 20 К:

где Q0 – холодопроизводительность; TСРХ средняя температура вырабатываемого холода, К.

Эксергия твердого диоксида углерода

ExCO2 lCO2GCO2 ,

где GCO2 выход твердого диоксида углерода, кг/с; lCO2 удельная энер-

гия СО2 , включающая химическую и тепловую составляющие [6]. Эксергия топлива, органических продуктов его термической перера-

ботки и горючих газов рассчитывается как химическая эксергия системы:

ExT Qmax T0[ SНАЧ SКОН ],

сумма абсолютных энтропий начальных и конечных продуктов реакции при температуре Т0 , равной температуре окружающей среды.

Подобно высшей и низшей теплотворной способности топлив, различают их высшее ЕхВ и низшее ЕхН значения эксергии.

Высшее значение эксергии можно рассчитать по приближенным формулам [3]:

для жидких органических топлив

21

где QHP – низшая теплота сгорания топлива; r – теплота испарения воды; Н, С, О, S, W – массовые доли водорода, углерода, кислорода, серы и влаги в топливе.

Или в зависимости от высшей теплотворной способности топлива QBP :

для жидких органических топлив ExB 0,97QBP ;

для природных газов ExB 0,98QBP .

Расчетный анализ циклов энергоустановок выполняется для следующих вариантов:

ГТУ для производства электроэнергии;

ГТУ с концевым утилизатором теплоты (ГТУ-КУ);

ГТУ с напорной утилизацией теплоты и охлаждением уходящих газов до температуры окружающей среды (ГТУ-НУ);

ТХЭА-1, в котором охлаждение продуктов сгорания топлива осуществляется до умеренно низких температур;

ТХЭА-2 с регенерацией холода на температурный уровень 203 К и

ниже;

ТХЭА-3, вырабатывающий твердый диоксид углерода. Принципиальные схемы и теоретические циклы энергоустановок в

диаграмме Т-s приведены на рис. 2.3.

Для всех вариантов расчета температура в камере сгорания ГТУ принималась равной 1048 К, коэффициент избытка воздуха = 4, степень повышения давления в компрессоре К = 7, что соответствует средним значениям указанных параметров для промышленных ГТУ [32].

Степень расширения в турбодетандере Д = 2,5 соответствует оптимальному значению для газовых холодильных машин [21] и оптимальным отношениям давлений в цикле ТХЭА (см. п. 2.1). Исходные данные для расчета приведены в табл. 2.1.

Расчет процесса горения топлива

1. Количество воздуха, расходуемого для горения 1 кг топлива,

2. Действительный расход воздуха на 1 кг топлива

VДH V0H 16,8 · 4 = 67,2 м3/кг,

где коэффициент избытка воздуха, принимаем = 4. 3. Действительная необходимая масса воздуха

LД VДH ВОЗД = 67,2 · 1,293 = 86,9 кг/кг.

22

5. Массовая концентрация диоксида углерода в продуктах сгорания

24

CГ

gCO2 0,03671 1/bT 0 КС ;

78

gCO2 0,03671 1/0,011 0,98 0,99 0,031.

6. Массовая концентрация паров воды, образующихся при сгорании топлива,

7. Массовая концентрация паров воды, поступающих с воздухом, gH" 2O 0,0161V0H ВПbT 0;

gH" 2O 0,0161 16,8 4 0,805 0,011 0,98 0,01.

8. Общая массовая концентрация паров воды

gH2O gH' 2O gH" 2O 0,021 0,01 0,031.

9. Массовая концентрация азота

gN2 0,768V0H N2 bT 0;

gN2 0,768 16,8 4 1,25 0,011 0,98 0,71.

10. Массовая концентрация кислорода gO2 0,2.

Расчет эффективности газотурбинной установки (ГТУ) для производства электроэнергии

25

Расчет эффективности газотурбинной установки с концевым утилизатором теплоты (ГТУ КУ)

1. Давление газа за газовой турбиной (рис. 2.5)

p4 p0 pTO 0,101 0,002 0,103 МПа.

2. Степень расширения газов в турбине

3. Температура газов за турбиной по (2.16)

4. Внутренняя мощность газовой турбины определяется по уравнению

(2.17)

27

Q0,993 (1,068 667 1,013 413) 292 кВт.

11.Разность температур на горячем конце теплоутилизатора принима-

ем Т = 20 0С.

12.Параметры вырабатываемого пара: температура Т4' = 647 К (374 0С), давление рП = 0,618 МПа.

13.Количество вырабатываемого пара

где cPП = 4,19 кДж/(кг·К) средняя изобарная теплоемкость пара; r = 2082,6 кДж/кг – скрытая теплота парообразования.

292

GП 4,19 433 288 2082,6 2,48 647 433 0,09 кг/c.

14. Эксергия пара

15. Эксергетический КПД

28

где ЕN = 196 кВт эксергия мощности, определена по (2.22).

Расчет эффективности газотурбинной установки с напорным промежуточным теплоутилизатором и детандером, охлаждающим дымовые газы до температуры окружающей среды 15 0С (ГТУ-НУ)

0,993 1,15 1047 1,106 826

290 кВт.

5.Температура газов на входе в турбодетандер Т7 = 353 К (80 0С) из условия получения температуры после детандера, близкой к ТОС при Д = 2,5

иДад = 0,8, определяется по формуле (2.16).

6.Мощность детандера

NДВ 0,993 (1,009 353 1,005 288) 66 кВт.

7. Мощность на валу

NT NГТВ NДВ М 290 66 0,995 354 кВт.

8. Избыточная мощность

NИ NT NК 354 285 69 кВт.

29