CC BY
12УДК 620.9
Технические науки
Ильичев Владимир Юрьевич, к.т.н., доцент кафедр «Тепловые двигатели и
гидромашины» и «Мехатроника и робототехнические системы» Калужский филиал ФГОУ ВО «Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (национальный исследовательский
университет), г. Калуга, Россия Медов Данила Сергеевич, студент кафедры «Тепловые двигатели и гидромашины», Калужский филиал ФГОУ ВО «Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет), г. Калуга, Россия
РАЗРАБОТКА ПРОГРАММЫ ДЛЯ РАСЧЁТА ЦИКЛОВ ПАРОГАЗОВЫХ
УСТАНОВОК И ЕЁ АПРОБАЦИЯ
Аннотация: Описываемая работа посвящена обоснованию применения парогазовых установок (ПГУ) в энергетике. Главным их достоинством является большая полнота использования теплоты сжигаемого топлива и более высокий КПД, чем отдельно у газотурбинных и паротурбинных установок. Был сделан вывод, что для существенного ускорения оптимизации таких установок необходима разработка специального программного продукта; в качестве среды разработки выбран современный широко распространённый язык программирования Python с библиотеками специальных функций (CoopProp для расчёта теплофизических параметров рабочих тел и Matplotlib для изображения цикла ПГУ на i-s диаграмме). В результате был составлен алгоритм и написан код программы, апробированный при расчёте ПГУ с заданными исходными параметрами. По результатам работы сформулированы выводы и рекомендации.
Ключевые слова: парогазовая установка, КПД, программирование, язык Python, библиотека CoolProp, модуль Matplotlib.
Annotation: The described work is devoted to the justification of the use of steam-gas plants (PSU) in the energy sector. Their main advantage is the greater completeness of the use of the heat of the burned fuel and higher efficiency than separately for gas turbine and steam turbine plants. It was concluded that in order to significantly accelerate the optimization of such installations, it is necessary to develop a special software product; as the development environment, the modern widespread Python programming language with libraries of special functions (CoopProp for calculating the thermophysical parameters of working bodies and Matplotlib for depicting the CCP cycle on the i-s diagram) was chosen. As a result, an algorithm was compiled and the program code was written, tested during the calculation of the CCP with the specified initial parameters. Based on the results of the work, conclusions and recommendations were formulated.
Keywords: steam-gas installation, efficiency, programming, Python language, CoolProp library, Matplotlib module.
Введение
Энергетика является основой развития индустриального общества. Большинство отраслей народного хозяйства стран напрямую зависят от состояния их энергетической отрасли. Особенно это стало заметно в 2022 г., когда многие государства лицом к лицу столкнулись с энергетическим кризисом [1].
Традиционный путь получения электрической энергии состоит в сжигании ископаемого топлива (природного газа, нефтепродуктов, каменного угля) и многостадийного преобразования получаемой при этом энергии [2]. Так как такие виды топлива становятся всё дороже, особенную актуальность приобретает задача повышения КПД энергоустановок.
Одним из наиболее перспективных направлений совершенствования процесса получения электроэнергии и повышения его эффективности является наиболее полное использование тепла уходящих из энергетических котлов или
камер сгорания газов в дополнительных теплообменных аппаратах, чаще всего называемых котлами-утилизаторами [3]. Например, на газоперекачивающих станциях всё чаще применяют такие котлы для утилизации тепла газов, ранее выбрасываемых из газовых турбин в атмосферу. Котёл-утилизатор при этом играет роль парогенератора, работающего на воде или низкокипящем рабочем теле и подающего пар в дополнительную паровую турбину. В этом случае значительная часть тепла не сбрасывается, а идёт на выработку энергии. Коэффициент полезного действия получающейся при этом парогазовой установки может доходить до 60% и выше, тогда как у газотурбинной установки он значительно ниже [4].
К валам двигателей присоединяются электрогенераторы, которые в свою очередь вырабатывают ток [5]. В некоторых случаях двигатели (особенно в паротурбинной части) приводят во вращение другие установки (компрессоры, насосы).
Таким образом, парогазовые установки (ПГУ) позволяют достичь значительной экономии энергоресурсов [6]. Так как в ПГУ на единицу вырабатываемой мощности потребляется гораздо меньше топлива, то в окружающую среду поступает меньше вредных продуктов сгорания (в этом состоит ещё одно, экологическое, преимущество ПГУ).
Благодаря рассмотренным преимуществам применения комбинации газотурбинных и паротурбинных установок (ГТУ и ПТУ), к всё большему количеству энергоблоков с ГТУ осуществляют пристройку дополнительного блока ПТУ.
Если рассматривать термодинамический цикл ПГУ, то он состоит из двух циклов - газотурбинного и паротурбинного (обычно отличающихся по типу рабочих тел и виду составляющих щикл термодинамических процессов). При этом более высокими температурами входа и выхода рабочего тела (продуктов сгорания органического топлива) в турбину, как правило, в современной энергетике характеризуются газотурбинные установки (ГТУ).
Расчёт таких сложных комбинированных циклов вручную является
слишком трудозатратным, поэтому имеет смысл прибегнуть к автоматизации [7] (особенно при современном высоком уровне развития вычислительных ресурсов и программных средств), при которой решаются следующие задачи:
- быстро и точно определяются и выводятся на экран компьютера необходимые параметры;
- корректно и наглядно визуализируются циклы на диаграммах;
- стадия проектирования установки (особенно при надстройке ПТУ над ГТУ) существенно удешевляется, а значит, становится дешевле и сама комбинированная установка.
Поэтому в качестве цели описываемой работы была определена разработка программных средств автоматизации расчета цикла ПГУ.
Материал и методы исследования
В качестве языка программирования для создания расчёта цикла ПГУ был выбран Python - высокоуровневый, очень широко распространённый благодаря своей универсальности язык [8]. Универсальность его достигается за счёт загрузки необходимого набора дополнительных для решения конкретной задачи библиотек функций (модулей). Также данный язык является лёгким для освоения.
Для рассматриваемой в данной статье методики расчёта цикла ПГУ особенно ценными являются такие модули Python как CoolProp (содержащий базу теплофизических свойств по рабочим телам [9], применяемым в ГТУ и в ПТУ) и Matplotlib (позволяющий выводить рассчитанные циклы в графической форме для их анализа в выбранных системах координат).
Рассматриваемый комбинированный цикл ПГУ состоит из двух циклов -ГТУ (цикл Брайтона) и ПТУ (цикл Ренкина), причём теплота для организации цикла Ренкина отбирается от рабочего тела из цикла Брайтона [10]. Пример цикла ПГУ в T-s координатах (зависимость температуры от энтропии) со всеми характерными точками изображён на рис. 1.
->■
Рис. 1. Цикл парогазовой установки в Т-б координатах.
Цикл состоит из нескольких процессов, обозначаемых линиями, соединяющими отдельные точки:
1-2 - сжатие воздуха в компрессоре;
2-3 - горение топлива (подвод теплоты в цикл ГТУ);
3-4 - расширение продуктов сгорания в газовой турбине;
4-5 - отвод тепла от продуктов сгорания в котле-утилизаторе ПТУ;
5-1 - выброс в атмосферу газов после котла-утилизатора с потерей части тепла цикла ГТУ;
6-7 - расширение пара в паровой турбине;
7-7 ' - превращение пара в воду в конденсаторе;
7 ' -8 - повышение давления воды в конденсатном насосе;
8-6 - нагрев воды, её вскипание и перегрев в парогенераторе ПТУ. Каждый из обозначенных процессов характеризуется своими
особенностями (может быть изотермическим, адиабатным, изобарным и т.д.). Расчёты отдельных линий рис. 1 хорошо известны и описаны в курсах по теплофизике, что при их компиляции позволяет создать методики расчёта циклов (в данном случае для ГТУ и ПТУ).
В частности, расчёт парогазовой установки с помощью разработанной
программы на Python состоит из следующих этапов:
1. Импорт блока функций PropSI (для дальнейшего определения теплофизических свойств рабочих тел) из модуля CoolProp, а также библиотеки функций Matplotlib [11] для вывода графиков циклов, полученных в результате расчётов.
2. Задаются переменные, означающие некоторые ключевые параметры рабочего тела в двух циклах: температура и давление на входе в компрессор, давление на выходе из компрессора, температура на входе в газовую турбину и на выхлопе котла-утилизатора, а также параметры пара на входе в паровую турбину и давление в конденсаторе. Далее необходимо определить координаты промежуточных точек циклов.
3. Расчёт параметров точек цикла ПТУ с использованием команд CoolProp для рабочего тела «вода» (water) и свойств отдельных процессов, из которых состоит данный цикл. Таким образом, находятся координаты точек 68.
4. Вычисление термического КПД цикла Ренкина, равного отношению работы в паровой турбине (за вычетом работы питательного насоса) к подводимой в котле-утилизаторе теплоте.
5. Расчёт координат точек цикла ГТУ с использованием команд CoolProp для рабочего тела «воздух» (air), так как считается, что топлива в камере сгорания сжигается намного меньше по объёму, чем подаётся воздуха. При этом также используются связи параметров в отдельных термодинамических процессах в газотурбинном цикле.
6. Вычисление термического КПД цикла Брайтона, равного отношению работы в газовой турбине (за вычетом работы компрессора) к теплоте, подводимой в камере сгорания.
7. Объединённый расчёт характеристик парогазового цикла, включающий в себя вычисление удельной доли продуктов сгорания, необходимой для выработки одного килограмма пара заданных параметров (на выходе из котла-утилизатора). Также определяется полезная работа двух циклов и термический
КПД всей парогазовой установки [12].
8. Формируются массивы h-s (зависимость энтальпии от энтропии) координат характерных точек циклов ГТУ и ПТУ.
9. С помощью команд модуля Matplotlib формируется визуализация циклов, включающая в себя численные обозначения точек, соединяющие точки линии, подписи осей, сетки графиков и т.д. Затем созданная графика выводится на экран - отдельно для циклов ГТУ и ПТУ.
При расчётах все вычисляемые параметры также выводятся на экран. Пример расчёта
В качестве примера рассмотрим расчёт с помощью созданной программы цикла ПГУ при следующих исходных данных:
1. для цикла ПТУ: p6=8.8 МПа, T6=773 К, p7 = 5 кПа;
2. для цикла ГТУ: pi = 100 кПа, Ti = 293 К, p2 = 800 кПа, Тз = 1423 К.
Графическое изображение получившегося при расчёте цикла ПТУ приведено на рис. 2.
Цикл Ренкина паротурбинной установки
3500
3000
2 500
* 2 000 i
х 1500 1000 500
Рис. 2. Графическое изображение рассчитанной части комбинированного цикла - цикла ПТУ
(Ренкина).
S, кДж/(кг*К)
Отличие от рис. 1 заключается в том, что вместо оси температуры Т
сформирована ось энтальпии Н. В данном случае это сделано для того, чтобы показать, что процесс расширения пара в турбине 6-7 проходит без теплообмена с внешней средой, т.е. является изоэнтропным (изменение 8=0).
Появившаяся точка 9 является точкой перехода воды в парообразное состояние (точкой вскипания) - на рис. 1 она тоже есть, но цифрой не обозначена.
На следующем рис. 3 приведено графическое изображение получившегося при расчёте второго цикла комбинированной установки - цикла ПТУ.
Рис. 3. Графическое изображение рассчитанной части комбинированного цикла - цикла ГТУ
(Брайтона).
В данном случае благодаря выбранной системе координат наглядно видно, что процессы сжатия воздуха в компрессоре 1-2 и расширения продуктов сгорания в турбине также являются изоэнтропными.
От точки 4 до точки 5 тепло уходящих из газовой турбины газов отдаётся воде (пару) в котле-утилизаторе, а далее, на участке 5-1 оставшаяся, относительно небольшая, часть тепла выбрасывается в атмосферу.
Также в результате расчёта получены следующие основные параметры
цикла ПГУ, характеризующие его совершенство: термический КПД цикла ПТУ: 41.53 %, термический КПД цикла ГТУ: 42.28 %, термический КПД парогазового цикла: 61.69 %. То есть, можно сделать вывод, что в данном случае применение паровой надстройки позволяет увеличить КПД цикла газотурбинной установки (несмотря на то, что он и так высок благодаря высоким параметрам продуктов сгорания перед турбиной) примерно в 1.5 раза, что является отличным показателем для энергетических комплексов [13].
Заключение
Разработанная программа позволяет производить расчёт, а также производить анализ влияния различных нсходных параметров циклов парогазовых установок на их эффективность на начальном этапе проектирования. Таким образом, цель работы была полностью достигнута.
Разобраны все укрупнёные блоки созданного алгоритма, а также приведён расчёт одного из примеров. Результаты работы программы представлены в виде наглядных графических изображений циклов газотурбинной и паротурбинной установок. Также приведены полученные численные значения термических КПД ГТУ и ПТУ, входящих в комбинированный цикл, и термический КПД цикла ПГУ, позволяющие наглядно показать намного большую его эффективность при выработке энергии.
Код разработанной программы может встраиваться в более сложный алгоритм на Python для детального расчёта элементов ПГУ [14], а также может служить для подбора ПТУ, надстраиваемой над существующую ГТУ. Данный код также является демонстрацией применения команд, функций и специальных модулей Python при разработке прикладных программ в энергетической области.
Библиографический список:
1. Новак А. Мировой энергетический кризис: кто виноват и что делать? // Энергетическая политика. 2022. № 2 (168). С. 4-11.
2. Джумалиев М.М., Садыкова Л.А. Проблемы развития традиционной энергетики в современных условиях. // В сборнике: Актуальные проблемы энергетики АПК. Материалы X национальной научно-практической конференции с международным участием. Под общ. ред. Трушкина В.А. 2019. С. 72-75.
3. Маслов К.А Котел-утилизатор для охлаждения конверторных газов. // В сборнике: Международная научно-техническая конференция молодых ученых. Белгород, 2020. С. 4264-4267.
4. Ильичев В.Ю., Чухраев И.В., Чухраева А.И. Решение задачи перераспределения потоков газа на магистральных газопроводах методами линейного программирования. // Наукоемкие технологии. 2020. Т. 21. № 1. С. 11-17.
5. Осинцев В.В., Осинцев К.В., Дудкин М.М. Совершенствование системы паротурбинного привода электрогенераторов ТЭС. // Тяжелое машиностроение. 2019. № 3. С. 38-42.
6. Кондратенко С.С., Сидельников В.И. Принципиальные особенности ПГУ. // Инновационная наука. 2020. № 6. С. 47-48.
7. Ilichev V.Y. Creation of software for research of Rössler attractor. // International Journal of Humanities and Natural Sciences. 2021. № 5-1 (56). С. 3135.
8. Ильичев В.Ю., Качурин А.В. Создание программ на языке Python для исследования множества Мандельброта. // E-Scio. 2021. № 5 (56). С. 362-371.
9. Ильичев В.Ю. Разработка программных продуктов с использованием модуля Python CoolProp для исследования эффективности утилизации тепла продуктов сгорания газообразных топлив. // Системный администратор. 2020. № 11 (216). С. 80-83.
10. Каршакова Е.С. Исследование эффективности ПГУ с утилизацией отходящего тепла с использованием органического цикла Ренкина. // В сборнике: Наука. Технологии. Инновации. XV Всероссийская научная конференция молодых ученых, посвященная Году науки и технологий в
России. Новосибирск, 2021. С. 239-242.
11. Ilichev V.Yu. Development of procedure for determination of characteristics of heated polycarbonate greenhouses. // International Research Journal. 2021. № 2-1 (104). С. 132-135.
12. Худяков Д.С., Филиппов П.С., Гордеев С.И., Левин Е.И. Анализ экономических показателей перспективной ПГУ-ВЦГ. // В сборнике: Труды второй научно-технической конференции молодых ученых Уральского энергетического института. 2017. С. 59-61.
13. Агеев А.В., Балашов Ю.А. Преодоление порога КПД ПГУ 60%. // Энергетика за рубежом. Приложение к журналу «Энергетик». 2011. № 6. С. 3142.
14. Муравьев И.К., Тверской Ю.С. Математическая модель энергоблока ПГУ-325 и ее использование для расчета КПД установки. // Вестник Ивановского государственного энергетического университета. 2011. № 5. С. 1218.
