CC BY
65
УДК 621.348.082
В. А. Иванов
ТЕРМОДИНАМИЧЕСКАЯ ОПТИМИЗАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ БИНАРНОЙ ПАРОГАЗОВОЙ УСТАНОВКИ С ГАЗОТУРБИННОЙ УСТАНОВКОЙ СЛОЖНОГО ЦИКЛА
Введение
В [1] показано, что наибольший эффективный КПД парогазовых установок (ПГУ) обеспечивается в бинарном цикле Карно, Т-Б диаграмма которого показана на рис. 1. Как видно из рис. 1, газовая часть цикла соответствует контуру 1-2-3-4я, а паровая - контуру 4я-5-1. Показано также, что эффективный КПД такого бинарного цикла ЦеигУ можно значительно повысить, если уменьшить работу сжатия при небольшом снижении работы цикла. Такое повышение ЦеигУ достигается путем снижения конечной температуры адиабатного сжатия и осуществления частичного подвода тепла по изобаре х-2. В результате в газовой части получается образцовый (наиболее эффективный по экономичности), внутренне обратимый цикл с изотермно-адиабатным сжатием и изобарно-изотермным подводом теплоты 1-а-х-2-3-4я. Полученный таким образом объединенный цикл бинарной ПГУ будет иметь эффективный КПД выше, чем цикл Карно.
Рис. 1. Объединенный наиболее эффективный цикл бинарной ПГУ
Задачей исследований являлась термодинамическая оптимизация параметров бинарной ПГУ, обеспечивающая максимум эффективного КПД ЛеПГУ при замене образцового цикла реализуемым в настоящее время циклом с одноступенчатым промежуточным охлаждением и подогревом. Вопрос является актуальным для транспортных стационарных теплоэнергетических установок.
Методы и результаты решения задачи
В [1] приведена методика нахождения оптимальной конечной температуры в процессе адиабатного сжатия Тх, соответствующей максимуму эффективного КПД Цепгу. Расчетом по приведенной методике найдена зависимость температуры Тхопт от параметра X = 1/(ЛрасЛсж) - 1 для бинарной ПГУ с образцовым циклом в газовой части, который с учетом потерь энергии в процессе сжатия (коэффициент лсж) и расширения (коэффициент лрас) соответствует действительному изотермно-адиабатному циклу 1-а-в-2-3-4, а температура Тх - температуре Тв этого цикла (рис. 1).
Найденная зависимость оптимальной температуры Тхопт и соответствующая ей зависимость оптимальной степени адиабатного сжатия во второй ступени к2х изотермно-адиабатного цикла от параметра X показаны на рис. 2. Последняя зависимость найдена по известной формуле
к2х = \iTJTa - 1)г|к+1]А/(Ы) при Тв = Тх, Г. = 288 К, г\к= Г|сж, показатель адиабаты к = 1,4.
Рис. 2. Зависимость оптимальной температуры и степени адиабатного сжатия во второй ступени образцового и изотермно-адиабатного циклов от параметра X при Тг = 1 700 К
Действительный изотермно-адиабатный цикл 1-а-в-2-3-4 может быть заменен сложным циклом с одноступенчатым промежуточным охлаждением и подогревом 1-1 -а-в-2-2 -3-4 (см. рис. 1), эффективный КПД которого можно повысить и обеспечить его равенство эффективному КПД изотермно-адиабатного цикла за счет регенерации теплоты отработавших в турбине газов, которая повышает (понижает) среднюю термодинамическую температуру подвода (отвода) теплоты. Для этого необходимо часть отведенной в сложном цикле теплоты путем регенерации присоединить к подведенной теплоте на изобарном участке.
Как показано в [2], регенерация теплоты отработавших газов в цикле бинарной ПГУ с высокотемпературной газотурбинной установкой (ГТУ) принципиально необходима, т. к. как за счет регенерации снижаются параметры пара и становится возможной утилизация отбросной теплоты.
На рис. 3 показаны зависимости параметров действительных сложных циклов с одноступенчатым промежуточным охлаждением и подогревом (циклы 2-2) от КПД процессов сжатия и расширения при их равенстве псж = Прас = Л. Там же нанесена зависимость р2х = /(л), соответствующая зависимости р2х = /(X), показанной на рис. 2. Параметры сложных циклов найдены при условии обеспечения равенства эффективных КПД сложных и аналогичных простых циклов (циклы 1-1) ле1-1 = пе2-2, при котором обеспечивается наибольшая работа сложных циклов без уменьшения экономичности по сравнению с простым циклом. Параметры найдены для циклов с идеальным газом (газовая постоянная и показатель адиабаты которого остаются неизменными) при степени повышения давления Л£отпе1-1, оптимальной по эффективному КПД для простого цикла, при которой обеспечивается максимум удельной эффективной работы Ье2-2
(или Ье 2-2 = Ье 2-21(СрТа)) сложных циклов [3].
Рис. 3. Зависимость параметров сложных циклов с промежуточным охлаждением и подогревом от КПД процессов сжатия и расширения (псж = Прас = П, Рхоптпе1-1 = /п), Тг1 = Тг2 = Тг = 1 728 К)
Как видно из рис. 3, зависимость р2х = /(п) практически совпадает с зависимостью степени сжатия и расширения во второй ступени сложного цикла Р2равнпе = /Сп), при которой обеспечивается равенство эффективных КПД пе1-1 = Ле2-2. Заметим, что, как показано на рис. 1, это приводит к совпадению участков адиабатного сжатия а-в и расширения 3-4 во второй ступени сложного и изотермно-адиабатного циклов. Тогда при равенстве эффективных КПД этих циклов для второй ступени сложного цикла в первом приближении могут быть использованы результаты оптимизации параметров Тх и р2х, обеспечивающие максимум эффективного КПД ЛеПГУ. Степень регенерации теплоты отработавших газов, обеспечивающая равенство эффективных КПД циклов сложного и изотермно-адиабатного циклов, в настоящей работе не рассматривается.
Вывод
Максимальный эффективный КПД парогазовой установки, включающей в себя сложный цикл ГТУ с одноступенчатым промежуточным охлаждением и подогревом, обеспечивается при регенерации теплоты отработавших в турбине газов, условии равенства эффективных КПД простого и сложного циклов и общей степени повышения давления, оптимальной по эффективному КПД простого цикла.
СПИСОК ЛИТЕРА ТУРЫ
1. Андрющенко А. И. О термодинамической эффективности сложных циклов ГТУ в парогазовых установках // Теплоэнергетика. - 1998. - № 3. - С. 68-71.
2. Тихоплав В. Ю. Оптимизация термодинамического цикла ГТУ с промежуточной регенерацией // Изв. вузов. Энергетика. - 1990. - № 11. - С. 66-71.
3. Иванов В. А. Оптимизация цикла газотурбинных установок. - Пермь: Изд-во ПГТУ, 2006. - 112 с.
Статья поступила в редакцию 17.09.2009
THERMODYNAMIC OPTIMIZATION OF STEAM-GAS INSTALLATION PARAMETERS WITH GAS-TURBINE INSTALLATION OF THE COMPLEX CYCLE
V. A. Ivanov
The analysis of the complex cycle of gas-turbine installations is made. The results of optimization of parameters of steam-gas installations with gasturbine installations of the complex cycle are stated.
Key words: steam-gas installation, gas-turbine installation, a complex thermodynamic cycle, optimization, effectiveness.
