Основы эксергетического анализа топливоиспользующих установок. Учебное пособие

В ходе термодинамического анализа виды потерь эксергии еще часто условно подразделяют на технические и собственные [5]. Примером технических потерь эксергии могут служить те потери эксергии теплоты в теплообменнике, которые возникают из-за того, что поверхность его является конечной величиной. Увеличивая поверхность теплообменника, эти потери можно уменьшить. Если увеличить время протекания реакции либо использовать эффективные аппараты с более высокими коэффициентами тепло- и массопередачи, насосы и компрессоры с более высокими КПД, более активные катализаторы, то потери также уменьшатся.

Есть потери, которые неизбежны даже при бесконечно больших поверхностях аппаратов, и часто они зависят также от физико-хими- ческих свойств веществ и физико-химических особенностей процесса. Такие потери можно устранить или уменьшить, изменив технологическую схему процесса.

Существуют потери, возникающие в процессе эксплуатации, для уменьшения или даже устранения которых достаточно только изменить технологический режим, улучшить эксплуатацию оборудования и более тщательно вести процесс. К таким способам экономии энергии относится, например, снижение избытка воздуха при сжигании топлива и вообще избытка реагентов, улучшение тепловой изоляции, любая оптимизация технологического режима на действующем оборудовании и т. д.

Примером собственных потерь являются потери при смешении газов, устранить которые можно в результате применения полупроницаемых мембран, и часть потерь при химических реакциях, устранить которые можно при проведении их в топливных элементах установок.

Потери, которые зависят от свойств веществ, используемых в процессе, можно снизить, заменив рабочее тело на другое с заданными свойствами, например, один теплоноситель на другой.

При работе установок возникают потери, которые можно устранить только принципиальным изменением технологии, заменой самого метода производства. Например, переход к другому методу синтеза вещества, который не сопровождается образованием такого большого количества побочных продуктов, как в рассматриваемом способе.

Обычно потери эксергии рассчитываются для элементов исследуемого теплового процесса (например, для теплообменника или турбины). Если в рассматриваемом элементе в одном и том же месте одновременно происходит несколько необратимых явлений, то принципи-

21

ально можно определить только общие потери эксергии, вызванные такими явлениями. Поскольку эти явления воздействуют друг на друга, разделение результатов необратимых явлений недопустимо. В таком случае речь может идти только об условном разделении. Например, в процессе горения одновременно происходят необратимая химическая реакция и необратимый теплообмен между реагирующими веществами и стенками камеры сгорания. Для того чтобы разделить результаты этих явлений, можно предположить, что сначала происходит адиабатное сгорание и только потом – теплообмен. Однако при таком условии принятая разность температур при теплообмене будет большей, чем в действительности.

22

Точка 4 на рис. 5 характеризует начало процесса кипения воды в парогенераторе при давлении P1 . Линия 4–5 показывает процесс паро-

образования в котле, после чего пар перегревается в процессе 5–1. Адиабатный процесс расширения пара в турбине характеризуется линией 1–2. Необратимость процесса расширения обусловлена наличием трения в адиабатном процессе, в результате процесс 1–2д идет в сторону возрастания энтропии. В процессе 2-2ꞌ (2д–2ꞌ) пар полностью

конденсируется до состояния кипящей жидкости при давлении P2

вконденсаторе. Адиабатный процесс сжатия воды 2ꞌ–3 осуществляется

внасосе. Необратимость сжатия воды в насосе учитывает процесс 2ꞌ–3д. Линия 3–4 (3д–4) показывает изменение объема воды при нагревании от температуры в конденсаторе до температуры кипения.

P

s

Рис. 6. Цикл паротурбинной установки с перегревом пара

Определение потерь эксергии в каждом элементе паротурбинной установки представлено ниже.

1. Парогенератор

В парогенератор поступает вода, имеющая температуру T3д и давление P3д . Эксергия потока воды, рассчитанная как эксергия потока вещества, определяется по формуле

24

где hо.с; sо.с – энтальпия и энтропия пара при параметрах окружающей среды; Tо.с – температура окружающей среды.

В парогенератор поступает также поток теплоты сжигаемого топлива q. Эксергия потока теплоты при средней температуре горения

топлива Tг:

ем P1 , его эксергия определяется как эксергия потока вещества по формуле

Так как в парогенераторе полезная работа не совершается, то эксергетический баланс имеет вид

Из эксергетического баланса находим потери эксергии в парогенераторе:

eк eвхк eqквх eвыхк .

Часть из них обусловлена различными потерями теплоты от парогенератора в окружающую среду и определяется по выражению

Остальные потери эксергии, обусловлены термодинамическим несовершенством процессов в парогенераторе.

Эксергетический КПД парогенератора:

25

2. Паропровод

В паропровод поступает поток пара с температурой T1 и давлением P1 с эксергией, равной эксергии пара на выходе из парогенератора

Из эксергетического баланса находим потери эксергии в паропроводе:

26

Тогда эксергетический баланс турбогенераторной установки имеет

вид

Из эксергетического баланса находим потери эксергии в турбогенераторной установке:

Эти потери эксергии обусловлены как необратимым характером течения пара в проточной части турбины, так и потерями на трение, механическими и электрическими потерями в электрогенераторе.

Из общей потери эксергии выделим часть потерь, возникающих вследствие механических потерь в турбине, механических и электрических потерь в электрогенераторе.

Потери эксергии, обусловленные механическими потерями в турбине, составляют

Потери, обусловленные механическими и электрическими потерями в генераторе, равны

Тогда потери эксергии, вызванные необратимым характером процесса расширения пара в турбине, будут

Эксергетический КПД турбогенераторной установки составляет

27

Так как в конденсаторе полезная работа не совершается, то эксергетический баланс имеет вид

Из эксергетического баланса находим потери эксергии в паропроводе:

Из эксергетического баланса находим потери эксергии в насосе:

Эксергетический КПД насоса

28

На рис. 7 показана диаграмма потоков эксергии. Эксергия теплоты, выделившейся при сжигании топлива, принята за 100 %, диаграмма показывает, в каких элементах установки какая доля потока эксергии исчезает вследствие потерь. Наибольшие потери эксергии вызываются необратимым характером теплообмена в котле. Котел характеризуется самым низким эксергетическим КПД из всех элементов паротурбинной установки.

Эксергия теплоты, выделившейся при сжигании топлива

Полезная работа

Рис. 7. Диаграмма потоков эксергии ПТУ

Котел с точки зрения второго закона термодинамики оказывается несовершенным тепловым устройством из-за большой разности температур топочных газов и рабочего тела. Для уменьшения потерь эксергии в котлоагрегате необходимо уменьшить степень необратимости процесса теплообмена в котле. Этого можно достигнуть путем уменьшения разности температур продуктов сгорания топлива в котле и рабочего тела. Уменьшить эту разность температур можно двумя путями: снизить температуру продуктов сгорания в топке котла или

29

увеличить среднюю температуру рабочего тела в процессе подвода теплоты. В первом случае при уменьшении температуры сгорания в котле потеря эксергии действительно снизится, однако на такое же

значение снизится и эксергия потока теплоты eqквх . Поэтому второй

вариант уменьшения потерь эксергии, за счет увеличения средней температуры рабочего тела, предпочтителен. Однако это мероприятие влечет за собой рост капитальных затрат на сооружение установки, что экономически может быть неоправданно.

Значительны потери эксергии в турбогенераторной установке. Их уменьшение может быть достигнуто улучшением конструкции проточной части и механических элементов турбины и усовершенствованием генератора.

Снизить потери эксергии в конденсаторе можно за счет уменьшения разности температур между конденсирующимся паром и охлаждающей водой.

Эксергетические потери в паропроводе достаточно малы, их дальнейшее снижение связано с улучшением теплоизоляции паропровода и повышением его гидравлических характеристик.

Потери в насосе пренебрежимо малы.

3.2. ЭКСЕРГЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ГАЗОТУРБИННОЙ УСТАНОВКИ

Рассмотрим работу газотурбинной установки (ГТУ) с точки зрения распределения эксергетических потерь в различных ее элементах. Схема и действительный цикл ГТУ показаны на рис. 8. В этой уста-

новке воздух из окружающей среды с температурой T1 и P1 поступает

в компрессор К. В компрессоре воздух адиабатно сжимается до давления P1 , на Ts-диаграмме этот процесс представлен линией 1–2. Дей-

ствительный процесс сжатия 1–2д обусловлен наличием трения в компрессоре. После компрессора воздух с давлением P2 направляется в

камеру сгорания КС, куда поступает и газообразное или жидкое топливо. Здесь при постоянном давлении в процессе 2–3 (2д–3) происходит сгорание топлива, вследствие чего температура газообразных про-

дуктов сгорания повышается до T3 . При этой температуре и давлении P3 P2 продукты сгорания поступают в турбину, где адиабатно расширяются до атмосферного давления (процесс 3–4), совершая работу.

30