Основы эксергетического анализа топливоиспользующих установок. Учебное пособие

Одна часть работы затрачивается на привод компрессора, а другая на привод генератора, вырабатывающего элетроэнергию. Действительный процесс расширения продуктов сгорания в турбине характеризуется линией 3–4д, учитывающей трение в проточной части турбины.

Из турбины газ при давлении P4 P1 выбрасывается в окружающую среду, а в компрессор поступает атмосферный воздух.

Рис. 8. Схема газотурбинной установки (а): К – компрессор; КС – камера сгорания; Т – турбина; действительный цикл ГТУ (б)

Эксергетический анализ ГТУ проводится без учета изменений состава рабочего тела и по отношению к 1 кг воздуха.

Эксергия воздуха в характерных i-х точках цикла определяется как эксергия вещества в потоке по следующей формуле:

При этом необходимо помнить, что параметры воздуха на входе в компрессор равны параметрам окружающей среды, поэтому e1 0 .

Определим расход топлива на 1 кг воздуха:

B h3 h2д Qнрηк.с , (3.27)

где Qнр – низшая рабочая теплота сгорания топлива, кДж/кг; ηк.с –

КПД камеры сгорания.

Эксергия топлива eтопл определяется по методике, описанной в разделе 3.3.

31

1. Компрессор

Потеря эксергии вследствие необратимого процесса сжатия:

2. Камера сгорания

Потери эксергии в камере сгорания, обусловленные необратимостью процессов горения топлива, подвода теплоты к воздуху и тепловыми потерями в окружающую среду, могут быть суммарно определены как разность затраченной эксергии и полученной воздухом:

Эксергетический КПД камеры сгорания

3. Турбина

Процесс необратимого течения газа в турбине с трением сопровождается потерей эксергии:

где lТд h3 h4д – действительная работа турбины. Эксергетический КПД турбины

32

Эксергетические потери в компрессоре и турбине будут иметь меньшее значение, чем соответствующие потери работы, вызванные необратимостью процессов в этих агрегатах. Это объясняется тем, что работа по преодолению сил трения, превращаясь в теплоту, приводит к

повышению температуры газа и его эксергии (e4д > e4 ) . Поэтому эк-

сергетические КПД этих агрегатов больше, чем их внутренние относительные КПД.

Охлаждение уходящих газов

Процесс отвода теплоты от газа в окружающую атмосферу происходит при большой разности их температур, т. е. является внешней потерей эксергии и определяется по формуле

Потери механические и в генераторе

Потери работы на трение в подшипниках и при преобразовании энергии в электрическом генераторе являются потерями эксергии и могут быть вычислены как

33

3.3. ЭКСЕРГЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ТОПЛИВОИСПОЛЬЗУЮЩИХ УСТАНОВОК

Эксергетический анализ топливоиспользующих установок проводится на основе материального и энергетического баланса. На рис. 9 изображена схема преобразования эксергии в процессе сжигания топлива и использования продуктов сгорания в виде диаграммы потоков эксергии. Суммарная эксергия на входе равна сумме эксергий топлива

Eтп и окислителя Eок . В тех случаях, когда топливо и окислитель пе-

ред сжиганием подогреваются в подогревателе I за счет части эксергии продуктов сгорания E5 , то их эксергия возрастает до величины

E E . Процесс подогрева в подогревателе I сопровождается потеря-

1 1

ми эксергии D1 . Далее подогретое топливо и окислитель с эксергией E2 E1 E5 – D1 поступают в камеру сгорания II, где осуществляется процесс превращения эксергии E2 топлива и окислителя в продукты

сгорания высокой температуры. Процесс сгорания топлива в камере сгорания II сопровождается потерей эксергии D2 . Продукты сгорания

с эксергией E3 E2 – D2 поступают в элемент III, которым является

либо парогенератор, либо теплогенератор, либо газовая турбина. Процесс использования эксергии продуктов сгорания в элементе III сопро-

вождается эксергетическими потерями D3 , природа которых зависит от вида элемента III. Так, в паро- и теплогенераторах потеря D3 вы-

звана теплопередачей при больших разностях температур между продуктами сгорания и теплоносителями. Остаточная эксергия E4 ча-

стично может быть использована для подогрева топлива и окислителя (E5 ) в подогревателе либо в других теплоиспользующих установках.

Эксергия выбрасываемых в атмосферу продуктов сгорания E6 D4

(при отсутствии подогревателя) состоит из термомеханической эксергии, связанной с отличием их температуры T от температуры окружа-

ющей среды Tо.с, и нулевой, связанной с отличием состава продуктов

сгорания от состава окружающей среды (обычно атмосферы). Другая часть эксергии E7 после элемента III поступает на дальнейшее исполь-

зование.

Основную долю эксергии топлива Eтп составляет его химическая эксергия; так, на практике используют топливо с параметрами, равными

34

параметрам окружающей среды. Она равна работе, которую можно получить при обратимом переходе топлива в продукты сгорания, а затем при переходе этих продуктов сгорания в состояние термодинамического равновесия с окружающей средой [6].

Рис. 9. Диаграмма Грассмана–Шаргута для процесса сжигания топлива

Для ряда газообразных и жидких органических веществ рассчитано

отношение химической эксергии к их высшей теплоте сгорания Qвр .

Полученные значении составляют [7]:

для жидкого топлива, в молекуле которого содержится более одного атома углерода,

для газообразного топлива, в молекуле которого содержится более одного атома углерода,

для твердых топлив, с учетом их влагосодержания W р предлага-

ется их химическую эксергию принять равной их теплотворной способности, т. е.

35

Более точно эксергии топлив были рассчитаны Я. Шаргутом на основе разработанной им теории. Для углеводородных соединений различных групп были составлены корреляционные формулы, представляющие собой отношение химической эксергии к теплотворной способности. Для твердых технических топлив это отношение рассчитывают по формуле [1]

низшая рабочая теплота сгорания серы, кДж/кг; Qнр – низшая рабочая теплота сгорания топлива, кДж/кг; r – теплота парообразования,

кДж/ кг; Sр , Hр , Cр , Oр , Nр, W р – массовые доли серы, водорода,

углерода, кислорода, азота на рабочую массу топлива, влажность топлива, %.

Для жидких топлив предложена формула

Для газообразных расчетные формулы принимают вид:

для коксового газа eтп Qвр ;

для колосникового газа eтп 0,98Qвр ;

для генераторного газа eтп 0,97Qвр ;

для природного газа eтп 1,04Qвр.

Разница между эксергией и теплотворной способностью топлива незначительна (она растет с увеличением влагосодержания топлива).

36

Однако использовать теплотворную способность топлива вместо его эксергии при анализе эффективности работы топливных устройств не рекомендуется, поскольку это может привести к искажению действительной оценки.

Эксергетический КПД процесса горения:

Его величина изменяется от 0,45 для промышленных котельных и печей до 0,7 для современных парогенераторов. Потери эксергии при горении состоят из потерь, связанных с механическим и химическим недожогом, потерь в окружающую среду и потерь из-за необратимости реакции горения; последние являются основными и уменьшаются при увеличении температуры горения.

Эксергетический КПД всей установки:

где Евх – эксергия поступающих в установку потоков воды, других

жидкостей и т. п.

Эксергетический КПД котельных установок низкого и среднего давления с температурой получаемого пара 175…440 °С составляет 20…35 %. Непосредственное получение теплоты низкого потенциала путем использования топлива характеризуется низкой термодинамической эффективностью, и чем ниже температура получаемого продукта, тем меньше КПД.

37

Значения коэффициента избытка воздуха в зависимости от вида сжигаемого топлива приведены в табл. 3 [8].

Таблица 3

Значение коэффициента избытка воздуха для камерных топок

Теоретические объемы продуктов сгорания, полученные при полном сгорании топлива с теоретически необходимым количеством воз-

духа (т. е. при = 1), определяют следующим образом:

для твердых и жидких топлив: теоретический объем азота, м3/кг,

объем трехатомных газов, м3/кг,

теоретический объем водяных паров, м3/кг,

39

теоретический объем дымовых газов, м3/кг,

для газообразных топлив: теоретический объем азота, м3/м3,

ким образом, действительный объем продуктов сгорания может быть рассчитан, м3/кг (м3/м3), как

40