CC BY
54
т е п л о э н е р г е т и к а
УДК 621.438
ЭФФЕКТИВНОСТЬ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТОПЛИВА В ИДЕАЛЬНОМ ЦИКЛЕ ГТУ С ИЗОБАРНЫМ ПОДВОДОМ ТЕПЛОТЫ*
Докт. техн. наук, проф. НЕСЕНЧУК А. П.1', асп. БЕГЛЯК А. В.1', канд. техн. наук РЫЖОВА Т. В.2', инж. ШКЛОВЧИК Д. И.1', БЕГЛЯК В. В.1', АБРАЗОВСКИЙ А. А.3'
1Белорусский национальный технический университет, 2)ОАО «МАЗ», 3) УО ГИПК «ГАЗ-ИНСТИТУТ»
Как отмечалось в [1], сегодня использование твердых ископаемых видов топлива в мире по-прежнему имеет большое значение. Например, уголь главенствует в энергетике Польши, Австралии, Китая, ЮАР [2]. Данные по производству электрической энергии из твердых ископаемых видов топлива в 2009 г. приведены на рис. 1.
100
Рис. 1. Данные по производству электрической энергии из твердых ископаемых видов топлива в 2009 г.
Для повышения энергетической эффективности использования топлива ведутся серьезные разработки возможностей сжигания твердых видов в газовых турбинах. Уже имеются разработки газификаторов у компаний Siemens [3], Mitsubishi [4], GE [5], а также внешних камер сгорания твердого топлива с использованием котлов с циркулирующим кипящим слоем у компаний Alstom [6,] Metso [7] и т. д.
* Печатается в порядке обсуждения.
т К В настоящей статье про-
анализирована эффективность работы ГТУ в идеальном цикле (процессы сжатия в компрессоре и расширения в газовой турбине) с изобарным подводом теплоты. 7—5-диаг-рамма цикла ГТУ при использовании различных видов топлива с указанием эффективности изображена на рис. 2.
Известно, что для идеального цикла ГТУ с идеальным газом в качестве рабочего тела и изобарным подводом теплоты термический КПД рассчитывается согласно [8]
Рис. 2. 7—5-диаграмма цикла ГТУ с обратимыми процессами сжатия и расширения рабочего тела
П = 1 -
1
к-1
(1)
в
где Р - степень повышения давления газа (воздуха) в компрессоре; к - показатель адиабаты.
Согласно (1) термический КПД идеального цикла ГТУ с идеальным газом в качестве рабочего тела и изобарным подводом теплоты зависит только от степени повышения давления газа (воздуха) в компрессоре и показателя адиабаты (свойств рабочего тела).
Термический КПД ГТУ в общем виде может быть рассчитан по формуле
П =
4г - 42 4г
= 1 - 42 Чг
(2)
где ql - подведенное с топливом количество теплоты, отнесенное к 1 м3 топлива, кДж/м3; q2 - отведенное в окружающую среду количество теплоты, отнесенное к 1 м3 топлива, кДж/м3. Для расчета ql используем уравнение
4г = <2Хс,
(3)
где Ор - низшая рабочая теплотворная способность топлива, кДж/м3; ^кс -коэффициент полезного действия камеры сгорания.
Также величина подведенного количества теплоты может быть выражена с помощью соотношения
41 = сРйТ-?2)ХV = Срт™ор(Ттеор-ТV
(4)
где С р\т2, С р
- удельная объемная средняя изобарная теплоемкость рабочего тела в указанном диапазоне температур, кДж/(м3-град.); Ттеор - теоретическая температура горения топлива, К; Т3 - температура рабочего
44
к
тела на выходе из камеры сгорания, К; Т2 - температура рабочего тела на выходе из компрессора, К; Еу - суммарный объем рабочего тела (продуктов сгорания) с учетом коэффициента избытка воздуха, отнесенный к 1 м3 топлива, м3/м3; Еу - теоретический объем рабочего тела (продуктов сгорания) без учета коэффициента избытка воздуха, отнесенный к 1 м3 топлива, м3/м3.
При проведении дальнейших расчетов предположим, что Ср | Т = Ср ^т"".
Это вызвано стремлением производителей газовых турбин максимально увеличить температуру рабочего тела на входе в газовую турбину.
Согласно [9] температуры рабочего тела на выходе из компрессора и камеры сгорания рассчитываются:
Так как
к-1 к
Т2 = Т1в к ; Т4 = Т3в
1-к к
(5)
то
а =
ЕУ ТТе0р - Т1Р
к-1 к
Еу к-
Е ' т - Т в к
к-1
"¡Г
Еу=Ттеор - у'|в, Е^.
т - Т в к
(6)
Удельное количество теплоты q2, отданное при охлаждении рабочего тела, будет определяться по формуле
42 = срТ:-т)Еу=срТ: -т)Еу.
(7)
После подстановки (6) в (7) получим
Ттеор -
к-1
к А 1-к Л
п - -р Т4 теор
4 2 = Ср Т
к -1 V
Тзвк -т ЕУ•
Тз - тв
Разделив числитель и знаменатель на величину в к , запишем
к-1 к
(8)
_—1 Г4 теор!
4 2 = Ср Т 1-к
Т 9, к ( 1 ^ 1 ^
т теорв Т1 '
т3в к - т
Тзвк - т е у = ср т: т^ - т е у; • (9)
Окончательно q2 можно записать в виде
1-к
/
V
/
(
_ Ср\ Т4
\
■-Т
к— 1 рк
Ту.
(10)
Выполнив подстановку (3) и (10) в (2), получим
(
'р\Т
П = 1 -
\
^ Т к-1 Т
вк
Ту
п Пкс
(11)
Таким образом, авторами получена формула для анализа термического КПД идеального цикла газотурбинной установки с изобарным подводом теплоты, которая в отличие от (1) показывает также зависимость эффективности ГТУ от свойств сжигаемого топлива.
Исходя из (11), кроме степени повышения давления в компрессоре и показателя адиабаты, важное значение для эффективной работы ГТУ имеет
н МДж/нм3, - теплота сгорания, приходящаяся на 1 нм3
отношение
ТУ
у «
&
и
н
продуктов сгорания, теоретиче-ская температура сгорания топлива и эффективность камеры сгорания (в случае сжигания твердых видов топлива обычно используются внешние камеры). Очевидно, что последний показатель зависит от уровня развития техники и на определенном этапе может стать равным для газообразных, жидких и твердых топлив. Поэтому наибольший интерес для изучения влияния свойств топлива на эффективность цикла оказывают именно первый и второй показатели. График зависимости термического КПД цикла ГТУ без учета необратимости в компрессоре и турбине при фиксированном значении остальных величин изображен на рис. 3. Для расчетов из [10] брали исходные данные по свойствам топлив: бурый уголь, фрезерный торф, древесная щепа, горючие сланцы, мазут и природный газ. В качестве исходных данных задавались параметрами: Р = 20; ^кс = 0,99; к = 1,4. Полученные значения термического КПД для указанных видов топлива представлены на рис. 4.
0 2 4 6 8
Низшая теплота сгорания на 1 м3 продуктов пр
сгорания , МДж/нм3
Рис. 3. Зависимость термического КПД
Qv
идеального цикла ГТУ от отношения
ЪУ,
* Для твердых видов топлива предполагается использование внешних камер сгорания или внешнего газификатора.
Т.
0,82
У, «
й 0,78
0,74
Рис. 4. Зависимость термического КПД идеального цикла ГТУ с изобарным подводом теплоты
ж ,Г Г f
Вид топлива
В Ы В О Д Ы
0
Для получения максимальной эффективности идеального цикла ГТУ с изобарным подводом теплоты наиболее целесообразно использовать
О -
в перспективе топлива с максимальным значением — и минимальной
Е ;
теоретической температурой горения.
Однако для реального цикла ГТУ важное значение имеет температура рабочего тела на входе в газовую турбину. В настоящий момент разрабатываются газовые турбины с температурой 1700 °С. Очевидно, что не все виды топлива могут обеспечить такую температуру, поэтому влияние свойств топлива на реальный цикл ГТУ требует дополнительного изучения.
Л И Т Е Р А Т У Р А
1. К о ц е н к е эффективности использования органических топлив в цикле паросиловых установок / А. П. Несенчук [и др.] // Энергетика... (Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ). - 2013. - № 1. - С. 56-60.
2. Международное энергетическое агентство [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.iea.org/. - Дата доступа: 15.10.2012.
3. Сайт компании Siemens AG [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www. energy.siemens.com/hq/en/power-generation/power-plants/integrated-gasification-combined-cycle/integrated-gasification-combined-cycle.htm/. - Дата доступа: 15.10.2012.
4. Сайт компании Mitsubishi Heavy Industries Ltd. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.mhi.co.jp/en/products/category/integrated_coal_gasfication_combined_cycle. html/. - Дата доступа: 15.10.2012.
5. Сайт компании General Electric [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.ge-energy.com/products_and_services/products/gasification/integrated_gasification_ combined_cycle.jsp/. - Дата доступа: 15.10.2012.
6. Сайт компании Alstom [Электронный ресурс]. - Режим доступа: - http://www.alstom. com/power/coal-oil/. - Дата доступа: 15.10.2012.
7. Сайт компании Metso [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.met so.com/energy/boiler_prod.nsf/WebWID/WTB-090517-22575-570F1 ?OpenDocument/. - Дата доступа: 15.10.2012.
8. А л е к с а н д р о в, А. А. Термодинамические основы циклов теплоэнергетических установок / А. А. Александров. - М.: Изд-во МЭИ, 2004.
9. Х р у с т а л е в, Б. М. Техническая термодинамика: учеб.: в 2 ч. / Б. М. Хрусталев, А. П. Несенчук, В. Н. Романюк. - Минск: Технопринт, 2004. - Ч. 2.
10. Р а в и ч, М. Б. Эффективность использования топлива / М. Б. Равич. - М.: Наука, 1977.
Представлена кафедрой ПТЭ и Т БНТУ Поступила 28.12.2012
УДК 621
АНАЛИЗ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ МЕТОДОВ СНИЖЕНИЯ ВЫБРОСОВ N0* ПРИ СЖИГАНИИ УГЛЕВОДОРОДНОГО ТОПЛИВА В ТЕПЛОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВКАХ
Канд. техн. наук КАБИШОВ С. М., докт. техн. наук, проф. ТРУСОВА И. А., канд. техн. наук, доц. РАТНИКОВ П. Э., канд. техн. наук МЕНДЕЛЕВ Д. В.
Белорусский национальный технический университет
В последние годы необходимость существенного снижения выбросов вредных веществ в атмосферу теплоэнергетическими установками, по крайней мере, до уровня, регламентированного ГОСТ 30735-2001, привела к использованию как конструктивных, так и технологических методов подавления образования оксидов азота. Почти все технологические методы подавления NOx проверены в промышленных условиях и опубликованы в отечественной и зарубежной технической литературе, например в [1-7]. В частности, по данным Агентства по защите окружающей среды США (EPA US) [1, 5], в некоторых штатах требуется в обязательном порядке внедрять на действующих котлах наилучшие из известных технологий -ВАТ (Best Available Technologies), которые включают:
• снижение избытка воздуха (LEA);
• ступенчатый ввод воздуха, который предполагает не только ступенчатое сжигание (OFA), но также и нестехиометрическое сжигание (BBF) и отключение одной или нескольких верхних горелок (BBOS);
• рециркуляцию дымовых газов FRG (обычно подача газов рециркуляции требует незначительных изменений горелочных устройств);
• ступенчатый ввод топлива, т. е. организацию трехступенчатого сжигания (reburning-process);
• использование малотоксичных горелочных устройств (LNB), которые включают в себя горелки: со ступенчатой подачей воздуха, с рециркуляцией и со ступенчатым вводом топлива (т. е. организация reburning-process в факеле отдельно взятой горелки);
• ввод в рабочее пространство котла водяного пара или аммиачного раствора с целью восстановления оксидов азота.
