Повышение экономичности и экологических характеристик газотурбинных установок за счет термохимической регенерации
Предложена новая схема газотурбинной установки с комбинированной системой термохимической и воздушной регенерации. В сравнении с воздушной регенерацией новая схема позволяет повысить КПД установки на 4,5…5,5 % и снизить выбросы вредных веществ. Запропоновано нову схему газотурбінної установки з комб...
Збережено в:
| Опубліковано в: : | Промышленная теплотехника |
|---|---|
| Дата: | 2011 |
| Автори: | , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Russian |
| Опубліковано: |
Інститут технічної теплофізики НАН України
2011
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/60300 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Повышение экономичности и экологических характеристик газотурбинных установок за счет термохимической регенерации / В.Г. Носач, А.А. Шрайбер // Промышленная теплотехника. — 2011. — Т. 33, № 1. — С. 46-50. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-60300 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Носач, В.Г. Шрайбер, А.А. 2014-04-13T20:13:41Z 2014-04-13T20:13:41Z 2011 Повышение экономичности и экологических характеристик газотурбинных установок за счет термохимической регенерации / В.Г. Носач, А.А. Шрайбер // Промышленная теплотехника. — 2011. — Т. 33, № 1. — С. 46-50. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. 0204-3602 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/60300 536.7 Предложена новая схема газотурбинной установки с комбинированной системой термохимической и воздушной регенерации. В сравнении с воздушной регенерацией новая схема позволяет повысить КПД установки на 4,5…5,5 % и снизить выбросы вредных веществ. Запропоновано нову схему газотурбінної установки з комбінованою системою термохімічної та повітряної регенерації. У порівнянні з повітряною регенерацією нова схема дозволяє підвищити ККД установки на 4,5…5,5 % та знизити викиди шкідливих речовин. We propose a new scheme of gas-turbine plant with a combined system of thermochemical and air recuperation. As compared to air recuperation, the new scheme enables one to enhance the efficiency of the plant by 4.5…5.5 % and to decrease the emission of harmful substances. ru Інститут технічної теплофізики НАН України Промышленная теплотехника Теплоэнергетические установки Повышение экономичности и экологических характеристик газотурбинных установок за счет термохимической регенерации Enhancement of the efficiency and ecological characteristics of gas-turbine plants by means of thermochemical recuperation Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Повышение экономичности и экологических характеристик газотурбинных установок за счет термохимической регенерации |
| spellingShingle |
Повышение экономичности и экологических характеристик газотурбинных установок за счет термохимической регенерации Носач, В.Г. Шрайбер, А.А. Теплоэнергетические установки |
| title_short |
Повышение экономичности и экологических характеристик газотурбинных установок за счет термохимической регенерации |
| title_full |
Повышение экономичности и экологических характеристик газотурбинных установок за счет термохимической регенерации |
| title_fullStr |
Повышение экономичности и экологических характеристик газотурбинных установок за счет термохимической регенерации |
| title_full_unstemmed |
Повышение экономичности и экологических характеристик газотурбинных установок за счет термохимической регенерации |
| title_sort |
повышение экономичности и экологических характеристик газотурбинных установок за счет термохимической регенерации |
| author |
Носач, В.Г. Шрайбер, А.А. |
| author_facet |
Носач, В.Г. Шрайбер, А.А. |
| topic |
Теплоэнергетические установки |
| topic_facet |
Теплоэнергетические установки |
| publishDate |
2011 |
| language |
Russian |
| container_title |
Промышленная теплотехника |
| publisher |
Інститут технічної теплофізики НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
Enhancement of the efficiency and ecological characteristics of gas-turbine plants by means of thermochemical recuperation |
| description |
Предложена новая схема газотурбинной установки с комбинированной системой термохимической и воздушной регенерации. В сравнении с воздушной регенерацией новая схема позволяет повысить КПД установки на 4,5…5,5 % и снизить выбросы вредных веществ.
Запропоновано нову схему газотурбінної установки з комбінованою системою термохімічної та повітряної регенерації. У порівнянні з повітряною регенерацією нова схема дозволяє підвищити ККД установки на 4,5…5,5 % та знизити викиди шкідливих речовин.
We propose a new scheme of gas-turbine plant with a combined system of thermochemical and air recuperation. As compared to air recuperation, the new scheme enables one to enhance the efficiency of the plant by 4.5…5.5 % and to decrease the emission of harmful substances.
|
| issn |
0204-3602 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/60300 |
| citation_txt |
Повышение экономичности и экологических характеристик газотурбинных установок за счет термохимической регенерации / В.Г. Носач, А.А. Шрайбер // Промышленная теплотехника. — 2011. — Т. 33, № 1. — С. 46-50. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT nosačvg povyšenieékonomičnostiiékologičeskihharakteristikgazoturbinnyhustanovokzasčettermohimičeskoiregeneracii AT šraiberaa povyšenieékonomičnostiiékologičeskihharakteristikgazoturbinnyhustanovokzasčettermohimičeskoiregeneracii AT nosačvg enhancementoftheefficiencyandecologicalcharacteristicsofgasturbineplantsbymeansofthermochemicalrecuperation AT šraiberaa enhancementoftheefficiencyandecologicalcharacteristicsofgasturbineplantsbymeansofthermochemicalrecuperation |
| first_indexed |
2025-11-24T21:03:23Z |
| last_indexed |
2025-11-24T21:03:23Z |
| _version_ |
1850497339187265536 |
| fulltext |
ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2011, т. 33, №146
ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ
УДК 536.7
Носач В. Г.1, Шрайбер А. А.2
1Институт технической теплофизики НАН Украины
2Институт общей энергетики НАН Украины
ПОВЫШЕНИЕ ЭКОНОМИЧЕСКИХ И ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК
ГАЗОТУРБИННЫХ УСТАНОВОК ЗА СЧЕТ ТЕРМОХИМИЧЕСКОЙ РЕГЕНЕРАЦИИ
Запропоновано нову схему
газотурбінної установки з ком-
бінованою системою термохіміч-
ної та повітряної регенерації.
У порівнянні з повітряною
регенерацією нова схема дозволяє
підвищити ККД установки на
4,5…5,5 % та знизити викиди
шкідливих речовин.
Предложена новая схема газо-
турбинной установки с комбиниро-
ванной системой термохимической
и воздушной регенерации. В сравне-
нии с воздушной регенерацией но-
вая схема позволяет повысить КПД
установки на 4,5…5,5 % и снизить
выбросы вредных веществ.
We propose a new scheme of gas-
turbine plant with a combined system of
thermochemical and air recuperation.
As compared to air recuperation, the
new scheme enables one to enhance the
efficiency of the plant by 4.5…5.5 %
and to decrease the emission of harmful
substances.
A – работа;
I – энтальпия;
J – полная энтальпия;
P – давление;
Q – теплотворная способность;
T – температура;
β – коэффициент;
η – КПД;
ВР – воздушная регенерация;
ГТУ – газотурбинная установка;
КТ – конвертированное топливо;
ПГ – природный газ;
ПС – продукты сгорания;
ТХР – термохимическая регенерация.
В последнее время наблюдается устойчивая
тенденция к быстрому росту цены природно-
го газа. Поэтому изыскание путей повышения
эффективности его использования в различных
теплоэнергетических установках привлекает
внимание исследователей в разных странах.
Кроме того, все более жесткие экологические
требования приводят к необходимости сниже-
ния количества вредных веществ (в частности,
оксидов азота), выбрасываемых в атмосферу.
Для повышения эффективности использо-
вания природного газа в теплоэнергетической
установке необходимо тем или иным спосо-
бом утилизировать физическое тепло продук-
тов сгорания на выходе из установки. Один из
возможных вариантов здесь связан с нагревом
природного газа (мы ниже предполагаем, что
он состоит из чистого метана), но его количе-
ство невелико и, кроме того, он начинает раз-
лагаться при достаточно низких температурах.
Другая возможность связана с нагревом возду-
ха, подаваемого на горение, но этот путь также
имеет два недостатка: во-первых, количество
воздуха и его удельная теплоемкость ниже, чем
соответствующие параметры ПС, и, во-вторых,
с повышением температуры воздуха суще-
ственно возрастает эмиссия NOx.
В то же время существует принципиаль-
но отличный способ повышения эффектив-
ности использования природного газа, ко-
торый лишен отмеченных недостатков: это
конверсия метана за счет физического тепла
ПС (термохимичеcкая регенерация) [1]. В этом
случае получается новое топливо с более вы-
сокой теплотворной способностью, чем метан,
и значительным количеством молекулярного
водорода и моноксида углерода, сжигание ко-
торых сопровождается достаточно малой эмис-
сией NOx [2]. Следовательно, термохимическая
регенерация (ТХР) позволяет также решить и
экологические задачи.
Как известно, КПД современных газотур-
бинных установок (ГТУ) порядка 36…38 %.
Вероятно, наиболее целесообразный путь по-
вышения их эффективности связан с ТХР. Од-
нако здесь возникают две трудности: во-первых,
ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2011, т. 33, №1 47
ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ
степень конверсии метана уменьшается со сни-
жением температуры ПС, используемых в ка-
честве теплоносителя в термохимическом ре-
акторе, но температура уходящих газов ГТУ
обычно достаточно низка; во-вторых, ГТУ
работают с высоким коэффициентом избытка
воздуха, но степень конверсии резко падает,
если реагирующая смесь, которая подается в
термохимический реактор, содержит кислород.
Вместе с тем эти трудности можно преодолеть
за счет применения следующих мер, предло-
женных в Институте технической теплофизики
НАН Украины:
(а) термохимический реактор располагает-
ся не за турбиной, а в рассечку, т.е. между ее
цилиндрами высокого и низкого давления (т.
наз. промежуточная регенерация);
(б) коэффициент избытка воздуха уменьша-
ется до единицы, но для снижения температу-
ры ПС перед турбиной до приемлемого уровня
определенная часть их подается в камеру сгора-
ния. Кроме того, для более полной утилизации
физического тепла ПС представляется целесоо-
бразным использовать здесь комбинированную
регенеративную систему: ТХР + нагрев воз-
духа. В настоящей работе описаны некоторые
результаты разработки комбинированной реге-
неративной системы для ГТУ и термодинами-
ческих расчетов ее эффективности.
Принципиальная схема ГТУ с ТХР пред-
ставлена на рис. 1. Основным элементом этой
системы является реактор – теплообменник
4, где ПС после цилиндра высокого давления
3 служат горячим теплоносителем. После рас-
ширения ПС в цилиндре низкого давления 5
соответствующая часть их выбрасывается в ат-
мосферу, а остальные, после охлаждения в теп-
лообменнике 6, сжимаются в компрессоре 7 до
начального давления р1 (здесь и ниже индексы
соответствуют номерам точек на рис. 1). Далее
поток сжатых продуктов сгорания разделяет-
ся на две части, отмеченные буквами А и В на
рис. 1. Поток А, представляющий собой сте-
хиометрическое количество ПС в реакции кон-
версии метана, т.е. (СО2 + 2Н2О + 7,52N2)/3,
смешивается с метаном в смесителе 8 и затем
поступает в реактор – теплообменник 4, где и
реализуется реакция конверсии. Другой поток
ПС (В), состоящий из β(СО2 + 2Н2О + 7,52N2)/3,
направляется в аппарат 4. Кроме того, стехио-
метрическое количество воздуха (2О2 + 7,52N2)
после компрессора 2 также нагревается в ре-
акторе – теплообменнике. После этого указан-
ные три потока подаются в камеру сгорания 1.
Естественно, коэффициент β выбирается так,
чтобы температура ПС перед цилиндром 3
была равна заданному значению.
Из рис. 1 следует, что полезная работа этой
установки равна сумме работ цилиндров 3 и 5
(А3, А5) за вычетом суммы работ компрессоров
2 и 7 (А2, А7). КПД установки составляет
η = (А3 + А5 - А2 - А7)/Q, (1)
где Q – теплотворная способность метана.
В проведенных расчетах варьировались
значения р1, Т1 и Т7 (во всех вариантах прини-
малось, что температуры трех потоков после
нагрева в аппарате 4 равны, т.е. Т8 = Т10 = Т7).
Рис. 1. Схема газотурбинной установки
с термохимической регенерацией:
1 – камера сгорания; 2 – воздушный
компрессор; 3 – цилиндр высокого давления;
4 – реактор – теплообменник; 5 – цилиндр
низкого давления; 6 – охладитель;
7 – компрессор для ПС; 8 – смеситель.
Цифры в кружочках соответствуют
номерам точек в табл. 1.
ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2011, т. 33, №148
ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ
Табл. 1. Параметры рабочих тел
№ точки
на рис. 1 Параметры № варианта
1 2
1
Давление p, MPa 1,5 2
Температура Т, К 1600 1600
Энтальпия I, MДж/кмоль СН4 1852,3 1826,5
2
Давление p, MPa 0,25 0,333
Температура Т, К 1130 1130
Энтальпия I, MДж/кмоль СН4 1129,2 1113,6
3
Температура Т, К 702,6 759,4
Энтальпия I, MДж/кмоль СН4 523,1 592,1
4
Давление p, MPa 0,1 0,1
Температура Т, К 570,2 579,5
Энтальпия I, MДж/кмоль СН4 348,5 355,4
5
Температура Т, К 649,3 699,8
Энтальпия I, MДж/кмоль СН4 332,3 374,4
6
Состав реагирующей смеси,
кмоль/кмоль СН4
СН4 1 1
CO2 0,333 0,333
H2O 0,667 0,667
N2 2,507 2,507
Калорийность, Q, MДж/кмоль СН4 802,3 802,3
Полная энтальпия J, MДж/СН4 842,5 848,4
7
Состав конвертируемого топлива,
кмоль/кмоль СН4
СН4 0,578 0,625
N2 2,507 2,507
H2 1,155 1,030
СО2 0,222 0,239
CO 0,533 0,469
Н2О 0,355 0,386
Температура Т, К 1010,2 1009,3
Калорийность Q, MДж/кмоль СН4 893,9 883,4
Энтальпия I, MДж/кмоль СН4 130,3 129,3
Полная энтальпия J, MДж/кмоль СН4 1024,2 1012,7
ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2011, т. 33, №1 49
ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ
9 Температура Т, К 682,6 739,3
Коэффициент β 7,323 7,165
Работа турбин, MДж/кмоль СН4:
А3
А5
723,1
174,6
712,9
236,6
Работа компрессоров, MДж/кмоль СН4:
А2
А7
109,2
326,1
126,1
368,2
Полезная работа установки А∑, MДж/кмоль СН4 462,4 455,2
КПД установки, % 57,63 56,74
Для упрощения использовались следующие ги-
потезы:
(і) время пребывания реагирующей смеси
в реакторе – теплообменнике достаточно для
достижения равновесного состава конвертиро-
ванного топлива (КТ);
(іі) потери тепла и давления во всех аппара-
тах и трубопроводах пренебрежимо малы.
Все параметры конвертированного топлива
(состав, теплотворная способность, энтальпия)
рассчитывались по методике, описанной в [3,
4]. Для каждого варианта расчета давление p2
выбиралось так, чтобы температура ПС после
цилиндра 3 была одинакова: T2 = 1130 К. Вну-
тренний КПД обоих цилиндров турбины при-
нимался равным 0,92, а компрессоров – 0,88.
Очевидно, КПД рассматриваемой схемы воз-
растает с увеличением T7 , но при этом снижа-
ется температура T3 после реактора – теплооб-
менника. Поэтому в каждом варианте расчета
накладывались следующие ограничения на T7:
min {T3 – T5 , T3 – T6 , T3 – T9} ≥ 20 К. (2)
Значение T7, соответствующее равенству
в (2), обозначается через T'7 (естественно, это
максимально возможное T7).
Некоторые результаты двух вариантов рас-
чета представлены в табл. 1 (здесь p1= 1,5 и 2
МПа, T'7 = 1010,2 и 1009,3 К). Видно, что при
Примечание: давления в точках 5 – 10 те же, что и в точке 1; температуры в точках 8 и 10 те
же, что и в точке 7.
достаточно высоких T7 предлагаемая схема по-
зволяет получить очень высокий КПД газотур-
бинной установки. В табл. 2 приведена зависи-
мость КПД η, рассчитанного по формуле (1),
от значений T1 и T7 при p1= 1,5 МПа (два по-
следних столбца здесь соответствуют T'7). Зна-
чения T'7 для различных p1 и T1 представлены в
табл. 3.
Для определения эффективности исполь-
зования метода ТХР были проведены также
расчеты КПД ГТУ с регенеративным нагревом
только воздуха при тех же температурах Т1 и Т2
(КПД такой схемы обозначается через η°). За-
висимость Δη = η - η° от p1, Т1 и Т7 представлена
на рис. 2. Видно, что при прочих равных усло-
виях значение Δη заметно возрастает с умень-
шением начального давления p1 или с увеличе-
нием температуры Т1. Максимальное значение
Δη соответствует варианту 1 в табл. 1 (p1 = 1,5
МПа; Т1 = 1600 К; Т7 = T'7 = 1010,2 К) – здесь
Δη = 5,53 %. В то же время низкая начальная
температура дает максимальное значение Δη =
= 3,67 %, а средняя – Δη = 4,72 %. Максимально
Табл. 2. КПД газотурбинной установки (%)
Т1, К
Т7, К
900 950 1000 1010,2 1021
1500 48,4 51,0 54,3 55,9
1600 50,0 53,0 56,8 57,6
ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2011, т. 33, №150
ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ
возможные значения Δη для различных p1 и Т1
показаны на рис. 3.
Представляется также интересным срав-
нить ГТУ-ТХР и ГТУ с воздушной регенераци-
ей (ГТУ-ВР) при условии равных КПД обеих
схем η = η° (очевидно, при этом следует при-
нять более высокое значение Т1 для ГТУ-ВР).
Если, например, р1 = 1,5 МПа; Т1(ГТУ-ТХР) =
= 1400 К и Т7 = 1000 К, необходимо взять Т1
(ГТУ-ВР) ≈ 1520 К, т.е. прирост начальной тем-
пературы здесь составляет δТ ≈ 120 К. Для бо-
лее высокого температурного уровня значение
δТ должно быть еще больше. Таким образом,
ТХР позволяет получить высокий КПД ГТУ
без увеличения начальной температуры цикла,
что очень важно с точки зрения стоимости ма-
териалов для установки.
Табл. 3. Максимальные значения Т7
Т1, К
р1, МПа
1,5 2 2,5
1400 1033,2 1030,2 1027,8
1500 1021 1019,3 1017,7
1600 1010,2 1009,3 1008,5
Рис. 2. Прирост КПД ГТУ в зависимости
от Т7 : 1 – 3 – Т1 = 1400 К; 4 – 6 – Т1 = 1500 К;
7 – 9 – Т1 = 1600 К; 1, 4, 7 – р1 = 2,5 МПа;
2, 5, 8 – р1 = 2 МПа; 3, 6, 9 – р1 = 1,5 МПа.
Рис. 3. Максимальный прирост КПД ГТУ
в зависимости от Т1 :
1 – р1 = 2,5 МПа; 2 – р1 = 2 МПа;
3 – р1 = 1,5 МПа.
Выводы
Разработана новая схема газотурбинной
установки с комбинированной системой тер-
мохимической и воздушной регенерации. Для
повышения степени конверсии топлива термо-
химический реактор размещается не за турби-
ной, а в рассечку, между цилиндрами высокого
и низкого давления. Схема позволяет суще-
ственно (до 5,5 %) повысить КПД установки и
уменьшить выбросы вредных веществ в атмос-
феру.
ЛИТЕРАТУРА
1. Носач В.Г. Энергия топлива. – К.: Наук.
думка, 1989. – 148 с.
2. Сигал И.Я. Защита воздушного бассей-
на при сжигании топлива. – Л.: Недра, 1988. –
312 с.
3. White W.B., Johnson S.M., Dantzig G.B.
Chemical equilibrium in complex mixtures// J.
Chem. Phys. – 1958. – V. 28, No. 5. – P. 751 – 755.
4. Носач В.Г., Шрайбер А.А. Повышение
эффективности использования биогаза в теп-
лоэнергетических установках с помощью тер-
мохимической регенерации // Пром. теплотех-
ника. – 2009. – Т. 31, № 2. – С. 57 – 63.
Получено 24.06.2010 г.
|