Регенеративное теплоиспользование в ГТУ с изобарным подводом теплоты Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 621.438 + 621.311.22.002.5

РЕГЕНЕРАТИВНОЕ ТЕПЛОИСПОЛЬЗОВАНИЕ В ГТУ С ИЗОБАРНЫМ ПОДВОДОМ ТЕПЛОТЫ

Асп. БЕГЛЯК А. В.

Белорусский национальный технический университет

В работе выполнен анализ повышения эффективности использования газообразного топлива с помощью применения регенерации для цикла газотурбинной установки с изобарным подводом теплоты (p = const).

Рабочее тело (атмосферный воздух) поступает в компрессор К, в котором происходит его сжатие. Этот процесс характеризуется степенью сжатия в и адиабатным внутренним КПД компрессора п«, отражающим процесс необратимости. Далее рабочее тело направляется в камеру сгорания КС, где к нему подводится топливо (природный газ или жидкие нефтепродукты). Процесс сгорания в КС характеризуется степенью повышения давления р и температурой за камерой сгорания Т3, а также расходом топлива Ьт. Рабочее тело затем поступает в газовую турбину ГТ, где происходит его расширение. В этом процессе производится работа, которая потребляется на привод компрессора и генератора. Процесс расширения в ГТ характеризуют температурой на выходе из нее Т4д, адиабатным внутренним КПД

турбины Пог, а также расходом рабочего тела GFX.

На рис. 1 приведен реальный термодинамический цикл ГТУ с необратимыми процессами сжатия в компрессоре и расширения в турбине.

Если в идеальном цикле ГТУ сжатие и расширение происходят в адиабатном процессе (сжатие 1-2 и расширение 3-4), то в реальном - политропном -с повышением температуры в точках 2д и 4д, в результате наличия трения кинетическая энергия движения тратится на увеличение температуры рабочего тела.

Выполним расчет эффективности ГТУ [1, 2]. Абсолютный внутренний КПД цикла

T4 T2

Рис. 1. Изображение в Г-.5-диаграмме цикла ГТУ с необратимыми процессами сжатия и расширения рабочего тела

п, = i -

qi

Теплоту, подводимую в реальном цикле ГТУ, рассчитаем

д = ср (Тз - Т2д), а температуру процесса необратимого сжатия

Тд = Т

с к-1 рк -1

1

По

(3)

Подставляя реальную температуру для точки 2 (рис. 1) в (2), запишем

( к-1 \

д = СрТ

Тк

Т1

1

в к -1 пО

(4)

При этом теплота, отводимая в реальном цикле:

д2 = Ср (Т4д - Т1).

(5)

Расчет действительной температуры процесса необратимости Т4д при расширении выполним по формуле

Т4д = Т3

1+пт

1

к-1 в к

- 1

(6)

Используя (6) и (5), получим количество отведенной теплоты

д2 = срТ <

Тз

Т

(

1+пО

1

к-1 в ~Г

- 1

- 1

(7)

В результате подстановки (4) и (7) в (1) имеем

ср <

П = 1 --

Тз

Т

(

1+пт

1

к-1 в к

- 1

- 1

Т пЪпг —

СрТ

Т3

Т

к-1 ^ в ~Г - 1 пО

= 1 -

к-1 в к

- 1

по

к-1 в к - 1

(8)

-1

Очевидно, что при наличии конкретной конструкции турбины определяющее значение для эффективности необратимого процесса ГТУ имеют параметры окружающей среды Т1 и нагрузка установки.

Для проведения дальнейшего анализа были взяты исходные данные (табл. 1) [3-5].

В условиях работы промышленного предприятия важное значение имеет производство тепловой энергии (пара или горячей воды), которое необходимо для многих теплотехнологических процессов нагрева. В условиях цикличности производственных технологий (в зависимости от времени

суток, поры года и т. д.) на многих предприятиях не существует постоянных потребителей тепловой энергии. Поэтому для работы газовой турбины на промышленном предприятии в качестве источника энергоснабжения (производство тепловой и электрической энергии) при расчете эффективности работы установки необходимо учитывать переменные режимы.

Таблица 1

Исходные данные работы газовой турбины при Тос = 10 °С и различных режимах нагрузки

Параметр Нагрузка, %

100 90 75 50

Т4д, K 815,2 792 791 783

в 13,89 13,28 11,63 9,02

С 0,85 0,85 0,85 0,85

Пы 0,8 0,8 0,8 0,8

к 1,4 1,4 1,4 1,4

Пм 0,99 0,99 0,99 0,99

Пм 0,97 0,97 0,97 0,97

Рассмотрим в качестве примера работу газовой турбины, характеристики которой даны в табл. 1. Предположим, что потребление тепловой энергии может колебаться в диапазоне 65-100 % от номинальной тепловой мощности ГТУ. На рис. 2 приведен график зависимости электрического КПД от тепловой мощности ГТУ при фиксированной температуре окружающей среды Тос = 10 °С.

Тепловая мощность, МВт

Рис. 2. Зависимость электрического КПД от тепловой мощности при Тос = 10 °С

Точками на графике отмечны режимы загрузки 100; 90; 75 и 50 %. Таким образом, падение электрического КПД при снижении тепловой мощности ГТУ от 14,36 МВт (100 % загрузки) до 9,17 МВт (50 % загрузки) составляет более 5 %.

На рис. 3 для тех же режимов загрузки приведена зависимость электрической мощности ГТУ от тепловой.

Как видим, снижение электрической мощности в том же диапазоне тепловых мощностей составляет 3932 кВт (50 % загрузки). В условиях промышленного предприятия, где потребность в электрической энергии от ГТУ может быть востребованной постоянно, такое снижение обычно является экономически нецелесообразным.

га

и

р

я

ч т

7900

5900

3900

75 % 90 %„,-

50

9,00 10,00 11,00

12,00 13,00 14,00 15,00 Тепловая мощность, МВт

Рис. 3. Зависимость электрической мощности ГТУ от тепловой при Тос = 10 °С

Рис. 4. Принципиальная схема ГТУ: Г - генератор; К - компрессор; ГТ - газовая турбина; КС - камера сгорания; РП - регенеративный подогреватель

Повысить эффективность цикла, а также снизить зависимость электрического КПД от температуры окружающей среды и нагрузки можно, влияя на регенеративную составляющую. С этой целью на рис. 4 приведена принципиальная схема ГТУ с изобарным подводом теплоты и регенерацией. В отличие от диаграммы ГТУ (рис. 1) в цикле рис. 4 (регенерация теплоты дымовых газов) присутствует регенеративный подогреватель рабочего тела перед камерой сгорания. Это мероприятие позволит сократить количество теплоты, которое необходимо подвести с топливом дь а также уменьшить количество теплоты, отводимое в цикле ГТУ д2.

На рис. 5 изображен такой процесс в термодинамической T-s-диаг-рамме. Температура дымовых газов на входе в РП определяется температурой за ГТ Т4, а температура дымовых газов на выходе из РП и температура рабочего тела на входе в камеру сгорания - степенью регенерации о. В случае, если температура на выходе из РП соответствует температуре на входе, регенерацию называют предельной.

Важное значение также имеет такой показатель, как коэффициент полезного действия регенеративного подогревателя, который определяет эффективность процесса теплообмена между дымовыми газами и сжатым воздухом после компрессора. Разница температур между средами (в соответствии с выполненными расчетами) составляет 70-200 °С. Так как теплообмен происходит между двумя газообразными средами, коэффициент полезного действия регенератора составляет около пр = 80 %.

На рис. 5 показан процесс регенерации в термодинамической Т-5-диаграмме для цикла ГТУ с изобарным подводом теплоты. На нем наглядно можно видеть эффект от внедрения регенерации.

т

Тз

Т4

Т2

Рис. 5. Изображение в Т-з-диаграмме цикла ГТУ с регенерацией и необратимыми процессами сжатия и расширения рабочего тела

Теплоту регенерации можно определять по формуле

<?рег = оерПр (Т4д - Т2д) = ОСрТЦр <

(

1 + П

1

к-1 в к

- 1

к-1 в ^ - 1

пО-

(9)

Запишем абсолютный внутренний КПД п цикла с регенерацией

1 42 - 4рег

П = 1 —--•

41 4рег

Электрический КПД пэл рассчитаем

Пэл = ППмПг •

(10)

(11)

При внедрении регенерации на газовой турбине в соответствии рис. 2 и 3 возможно повысить эффективность работы ГТУ при снижении производства тепловой энергии. В проведенном анализе предлагается это сделать путем изменения степени регенерации.

На рис. 6 показана зависимость электрического КПД от тепловой мощности при снижении потребности завода в тепловой энергии Тос = 10 °С. Точки, отмеченные на графике, отражают следующие режимы работы: без регенерации; со степенью регенерации 100; 75; 50 и 25 %.

0,39

100 %

0,37

С

и

>я я и о

а 0,35

Я £

ц т

0,33

0,31

75 %

50 %

25 %

0

11 12 13

Тепловая мощность, МВт

Рис. 6. Зависимость электрического КПД от тепловой мощности при увеличении степени регенерации при Тос = 1 0 °С

9

Полученная зависимость показывает следующую особенность, которая имеет исключительно важное значение для промышленного предприятия, при снижении потребности в тепловой энергии с 14,36 МВт (100 % загрузки) до 9,97 МВт (70 % загрузки) происходит рост электрического КПД практически на 7 %.

Эффективность регенерации достигается за счет уменьшения расхода природного газа на нагрев рабочего тела после компрессора.

На рис. 7 показана зависимость электрической мощности ГТУ от тепловой при снижении теплового потребления завода Тос = 10 °С.

8000

н

га

я &

ц m

7800

7600

100 % 75 % 50 % 25 % 0

10 11 12 13

Тепловая мощность, МВт

14

15

Рис. 7. Зависимость электрической мощности от тепловой при увеличении степени регенерации при Тос = 10 °С

9

В Ы В О Д Ы

1. При внедрении регенерации и наличии возможностей регулировать степень регенерации достигается необходимая гибкость работы ГТУ с уменьшением теплового потребления промышленного предприятия.

2. Снижается зависимость электрического КПД и электрической мощности ГТУ от тепловой.

3. Повышается величина прибыли от работы электростанции за счет увеличения производства продукции (электрической энергии) при работе на 100%-й нагрузке.

4. Снижение энергетической составляющей себестоимости продукции происходит за счет увеличения выработки собственной электрической энергии.

5. Внедрение регенеративного подогрева для ГТУ требует дополнительного изучения экономической целесообразности данного мероприятия, натурных испытаний схем работы регенеративных подогревателей, обеспечивающих изменение степени регенерации.

Л И Т Е Р А Т У Р А

1. Х р у с т а л е в, Б. М. Техническая термодинамика / Б. М. Хрусталев, А. П. Несенчук, В. Н. Романюк. - Минск: Технопринт, 2004. - Ч. 2.

2. Г а з о т у р б и н н ы е и парогазовые установки тепловых электростанций: учеб. пособие для вузов; под ред. С. В. Цанева. - М.: Изд-во МЭИ, 2002.

3. S i e m e n s Power Generation [Электронный ресурс] / Каталог продукции газовых турбин. - Режим доступа: www.energy.siemens.com - Дата доступа: 20.12.2009.

4. Т р и г е н е р а ц и я [Электронный ресурс] / Каталог газовых турбин. - Режим доступа: www.combienergy.ru - Дата доступа: 10.12.2009.

5. К о г е н е р а ц и я. Ру [Электронный ресурс] / Каталог газовых турбин. - Режим доступа: www.cogeneration.ru - Дата доступа: 5.12.2009.

Представлена кафедрой ПТЭ и ТТ Поступила 02.02.2010