Use of thermal secondary energy resources by the method of thermochemical recuperation/ A method for the calculation of a gas-turbine plant
The problem of the use of thermal secondary energy resources, being formed in various thermal facilities working on natural gas, is quite important from the viewpoint of energy saving. The most efficient way of its solution is connected with the technology of thermochemical recuperation, based on fu...
Saved in:
| Date: | 2013 |
|---|---|
| Main Author: | |
| Format: | Article |
| Language: | Ukrainian |
| Published: |
General Energy Institute of the National Academy of Sciences of Ukraine
2013
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://systemre.org/index.php/journal/article/view/499 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | System Research in Energy |
| Download file: |  |
Institution
System Research in Energy| _version_ | 1871103927117676544 |
|---|---|
| author | Shraiber O.A. |
| author_facet | Shraiber O.A. |
| author_institution_txt_mv | [
{
"author": "Shraiber O.A.",
"institution": null
}
] |
| author_sort | Shraiber O.A. |
| baseUrl_str | https://systemre.org/index.php/journal/oai |
| collection | OJS |
| datestamp_date | 2026-07-18T12:57:40Z |
| description | The problem of the use of thermal secondary energy resources, being formed in various thermal facilities working on natural gas, is quite important from the viewpoint of energy saving. The most efficient way of its solution is connected with the technology of thermochemical recuperation, based on fuel reforming with exhaust gases. We have developed a scheme of gas-turbine plant with a combined system of thermochemical and air recuperation, based on two technical decisions: 1) the thermochemical reactor is placed not after the turbine (where the temperature of exhaust gases is quite low) but between its high- and low-pressure cylinders; 2) the excess-air coefficient is equal to unity, and, for decreasing the temperature of exhaust gases before the turbine, a certain part of them is fed to the combustion chamber. Furthermore, we have proposed a method for the calculation of a gas-turbine plant with combined recuperation system and developed the corresponding software. Numerical calculations show that this scheme ensures a very high efficiency (up to 57.6 %) and decreases the emission of harmful substances. |
| first_indexed | 2026-03-24T02:01:59Z |
| format | Article |
| fulltext |
47ISSN 1562-8965. Проблеми загальної енергетики, 2013, вип. 3 (34)
УДК 536.7 О.А. ШРАЙБЕР, д-р техн. наук
Інститут загальної енергетики НАН України, м. Київ
ВИКОРИСТАННЯ ТЕПЛОВИХ ВТОРИННИХ ЕНЕРГОРЕСУРСІВ МЕТОДОМ ТЕРМОХІМІЧНОЇ
РЕГЕНЕРАЦІЇ. МЕТОД РОЗРАХУНКУ ГАЗОТУРБІННОЇ УСТАНОВКИ
Запропоновано перспективну схему газотурбінної установки з комбінованою системою
повітряної і термохімічної регенерації, та розроблено метод її термодинамічного розра-
хунку. Показано, що схема забезпечує дуже високий (до 57,6%) ККД та дозволяє знизи-
ти викиди шкідливих речовин в атмосферу.
К л ю ч о в і с л о в а: газотурбінна установка, термохімічна регенерація, термодинаміч-
ний розрахунок, відпрацьовані гази, конвертоване паливо.
Як показано в [1], єдиним реальним способом
використання фізичної теплоти відпрацьова-
них газів різноманітних теплоенергетичних і
теплотехнологічних установок, що працюють
на природному газі, є термохімічна регенерація
(ТХР). Вона ґрунтується на ендотермічній
реакції вихідного палива (вважаємо, що воно
складається з чистого метану) з відповідним
окислювачем (краще за все – з продуктами зго-
ряння). Якщо ця реакція іде до кінця, то кало-
рійність конвертованого палива перевищить
калорійність метану на 27,4%, але це можливо
лише за дуже високих температур. На практиці
можна сподіватись на підвищення калорійно-
сті палива на 10–15%, що теж дасть значну еко-
номію природного газу. Необхідно відзначити,
що ТХР, результатом якої є збагачення палива
молекулярним воднем, приведе також до зни-
ження обсягу викидів шкідливих речовин
(зокрема, оксидів азоту) в атмосферу.
Для розробки ефективних схем використан-
ня ТХР для теплових установок та оптимізації
відповідних параметрів необхідні методи їх тер-
модинамічного розрахунку. Тут першим кроком
є визначення рівноважного хімічного складу
продуктів реакції. Ця задача була розглянута в
[1], де розроблено алгоритм пошуку мінімаль-
ної вільної енергії суміші реагуючих речовин
методом крутого спуску [2] та відповідні про-
грами EQCO4 i EQCO6. Наступний крок – це
побудова методів розрахунку схем ТХР для різ-
них теплових установок; у цій роботі такий
метод розробляється для газових турбін.
Перш за все необхідно вибрати схему газо-
турбінної установки (ГТУ) із ТХР. Тут вини-
кають дві труднощі:
1) температура відпрацьованих газів ГТУ
звичайно досить низька, що призведе до змен-
шення ступеня конверсії палива;
2) ГТУ працюють із дуже високим
коефіцієнтом надлишку повітря (α~3 і більше),
але ступінь конверсії значно знижується, якщо
реагент містить значну кількість кисню. Як
показано в [3], ці перешкоди можна подолати
за рахунок таких заходів:
а) термохімічний реактор розташовується не
за турбіною, а в розсічку, тобто між циліндрами
високого і низького тиску (так звана проміжна
регенерація);
б) приймаємо α = 1, але для зниження тем-
ператури продуктів згоряння (ПЗ) перед турбі-
ною до прийнятного рівня певна частина охо-
лоджених ПЗ подається у камеру згоряння.
Далі, поряд із ТХР, використовуємо також тра-
диційну повітряну регенерацію для більш
повного використання теплоти відпрацьованих
газів.
Один із варіантів схеми ГТУ із ТХР, що ґрун-
тується на вказаних технічних рішеннях, наве-
дено на рис. 1. Основним елементом схеми є
реактор-теплообмінник 7, де продукти згорян-
ня після циліндра високого тиску 5 служать
гарячим теплоносієм. Потім ПЗ надходять у
циліндр 1 і після розширення розділяються на
два потоки: речовина А викидається в атмосфе-
ру, а залишок (потік В) після охолодження в
теплообміннику 2 стискується в компресорі 3
до початкового тиску pc (тут і далі нижні індек-© О.А. ШРАЙБЕР, 2013
си відповідають позначенням точок на рис. 1).
Продукти згоряння після компресора знову
розділяються на два потоки, позначені літера-
ми С і D. Потік С – це стехіометрична кількість
реагенту (ПЗ) в реакції конверсії, тобто (СО2 +
+ 2Н2О + 7,52N2)/3 [1]. Він змішується з мета-
ном в апараті 6 і надходить у реактор-тепло-
обмінник, де відбувається процес конверсії
палива. Другий потік ПЗ (D, його склад –
β(СО2+ 2Н2О + 7,52N2)/3), а також стехіомет-
рична кількість повітря (2О2 + 7,52N2) після
компресора 4 теж надходять в апарат 7, де
нагріваються за рахунок теплоти ПЗ у точці d.
Далі ці три потоки подаються у камеру згорян-
ня 8. Зрозуміло, що коефіцієнт β вибирається
так, щоб температура ПЗ перед циліндром 5
дорівнювала заданій величині.
Під час розробки методу розрахунку схеми,
наведеної на рис. 1, було прийнято такі спро-
щуючі передумови:
– втратами теплоти та тиску в усіх апаратах і
трубопроводах можна нехтувати;
– температури трьох потоків на вході в каме-
ру згоряння однакові (Tj = Tk = Tl);
– щоб більш коректно порівнювати варіанти
розрахунків, для кожного з них тиск між
циліндрами турбіни (pd = pe) вибирається так,
щоб температура Td була незмінною;
– тиск після циліндра 1 (див. рис. 1) дорів-
нює pf = 0,1МПа (=pa).
Вводимо такі позначення: І – ентальпія; Q –
калорійність; J – повна ентальпія (МДж /кмоль
СН4); X = {x1, x2, …, xn, …, x7} – склад суміші
газів у певній точці схеми (верхнім індексам 1 –
7 відповідають СН4, N2, H2, CO2, CO, H2O та
O2). Для кожного варіанта розрахунку вводять-
ся такі вихідні дані: pc, Ta, Tc, Tg, Ti, ΔT(= Td – Tl),
Xk, Jk. Задаються значення внутрішнього ККД
циліндрів турбіни ε1 та компресорів ε2. Крім
того, вводяться коефіцієнти у тричленних фор-
мулах [4] для істинної теплоємності семи
згаданих вище речовин:
q1 = φ1 + χ1T + ψ1T2; qn = φn + χn T + ψn/T2
(n=2–7).
Розрахунок складається із семи блоків. У
першому з них обчислюються параметри ком-
пресора 4 (тут, очевидно, xa
2 =7,52; xa
7 = 2; інші
xa
n = 0). Перш за все знаходимо ентальпію
(1)
де Tr = 298 К – відлікова температура; ca
n –
середня теплоємність речовини n в інтервалі
температур Тr – Ta:
Рис. 1. Схема газотурбінної установки з ТХР: 1 – циліндр низького тиску;
2 – холодильник; 3 – компресор для ПЗ; 4 – повітряний компресор;
5 – циліндр високого тиску; 6 – змішувач; 7 – реактор-теплообмінник;
8 – камера згоряння; КП – конвертоване паливо
О.А. ШРАЙБЕР
ISSN 1562-8965. Проблеми загальної енергетики, 2013, вип. 3 (34)48
ca
1 = φ1 + 0,5χ1 (Та + Tr) + ψ1(Ta
2 + Ta Tr +
+ Tr
2)/3;
ca
n = φn + 0,5χn (Та + Tr) + ψn /(Та Tr)
(n = 2–7).
Далі, задаємо початкове значення
температури повітря у точці b Тb
(1) (наприклад,
2Та) і таким самим чином обчислюємо Ib
(1)
(верхній індекс у дужках – це номер ітерації).
Тепер знаходимо середню теплоємність газової
суміші (повітря у даному випадку) в інтервалі
Та – Тb
(1) при сталому тиску:
(2)
показник степеня
m = R/C (3)
у відомому рівнянні для адіабатного процесу
(гази вважаємо ідеальними)
T/T* = (p/p*)m (m=(γ –1)/γ)
і, нарешті, друге наближення до Тb:
Тb
(2) = Та (pb/pa)m. (4)
Тут R – універсальна газова стала; γ – показник
адіабати. Якщо
|Тb
(2) – Тb
(1)|< δ (5)
(δ – задана похибка), то ітераційний процес
закінчено. В іншому випадку повторюємо
весь ланцюжок обчислень (2) – (5) із Тb
(2) і
т.д. В результаті знаходяться значення Тb та
Ib, але у цьому розрахунку не враховується
внутрішній ККД компресора ε2. Тому обчис-
люємо нове значення ентальпії I'b з урахуван-
ням цього фактора і роботу компресора 1:
I'b= Ia + (Ib – Ia)/ε2;
A4 = I'b – Ia. (6)
Звичайно, ентальпії I'b буде відповідати нове
значення температури повітря T'b ≠ Tb. Щоб
знайти його, організуємо відповідний ітерацій-
ний процес: задаємо на першій ітерації T'b(1),
обчислюємо необхідні середні теплоємності
для цієї температури, із формули
(7)
що випливає із (1), знаходимо Тb
(2) і т.д.
Другий блок присвячено розрахунку цилінд-
ра 5. Тут температура Tc відома, і треба знайти
параметри робочого тіла в точці d. Вся послі-
довність обчислень подібна до (2) – (7) з тією
тільки різницею, що витрата робочого тіла
через циліндр 5 заздалегідь невідома. Тому для
точок c і d обчислюємо питому ентальпію I,
розраховану на «стандартний» набір продуктів
згоряння метану (СО2+ 2Н2О + 7,52N2). Тоді
замість (4) та (6) необхідно записати
Компресор для ПЗ розраховується таким
самим чином, як і попередній, що дає можли-
вість знайти параметри в точці h. Наступний
блок пов’язаний із розрахунком камери зго-
ряння 8 (див. рис. 1). Тепловий баланс камери
можна записати як (температура Tl вже відома
– Tl = Td – ΔT)
(8)
Із рівняння (8) легко знаходиться β і, отже,
витрати суміші газів у точках j, c, d та відповід-
У п’ятому блоці розраховуються параметри
реактора 7. Ентальпії речовин у точках j, k, l
було обчислено при розрахунку камери згорян-
ня. Відомі також ентальпії гарячого повітря
(див. (6)) та потоків С і D. Тоді з очевидного
рівняння теплового балансу реактора знахо-
дяться Іе і подібно до (7) Те. Далі, треба переві-
рити, чи задовольняють задані температури
очевидні умови на холодному кінці реактора 7:
Те – Тb > ΔT1; Те – Тh > ΔT2. (9)
Тут ΔT1, ΔT2 – задані мінімальні перепади тем-
ператур. Якщо умови (9) не виконуються,
необхідно змінити значення ΔT (отже, і Тl) і
повторити розрахунки.
У шостому блоці розраховується циліндр
низького тиску 1 (послідовність обчислень
подібна до (2)–(7)). І, нарешті, ККД установки
(сьомий блок) дорівнює
η = (А1 + А5 – А3 – А4)/Qi ,
де Qi – калорійність метану; Аm – робота еле-
мента схеми m.
Описаний метод розрахунку було реалізова-
но у програмі GTU4. З її допомогою було про-
Використання теплових вторинних енергоресурсів методом термохімічної регенерації. Метод розрахунку газотурбінної установки
ISSN 1562-8965. Проблеми загальної енергетики, 2013, вип. 3 (34) 49
Рис. 2. Залежність T°k (pc): 1 – Tc = 1400 К; 2 – Tc = 1500 К; 3 – Tc = 1600 К
О.А. ШРАЙБЕР
ISSN 1562-8965. Проблеми загальної енергетики, 2013, вип. 3 (34)50
ведено широкі числові дослідження особливо-
стей роботи схеми. Очевидно, її ККД повинен
зростати зі збільшенням температури Tk (отже,
і ступеня конверсії), але при цьому знизиться
температура Те після реактора-теплообмінни-
ка, що приведе до порушення нерівностей (9).
Позначимо через T°k максимально можливе
значення Tk, що відповідає рівності в якомусь із
виразів (9). Залежність T°k від температури та
тиску робочого тіла перед турбіною при ΔТ1 =
= ΔТ2 = 20 К наведено на рис. 2.
Деякі результати обчислення ККД установ-
ки наведено в таблиці (тут прийнято Td =
= 1130 К; Ti = Tg = 300 К). Для порівняння було
проведено аналогічні розрахунки ефективності
повітряної регенерації; відповідний ККД
позначено через ηar, а різницю між η та ηar
(тобто внесок ТХР) через Δη. Із цих даних
видно, що ефективність схеми на рис. 1 дійсно
досить швидко зростає зі збільшенням темпе-
ратури конверсії – на 5–7% при зростанні Tk на
110 – 130 К. На величину η також позитивно
впливає підвищення температури робочого тіла
перед турбіною. Залежність ефективності
запропонованої схеми від тиску pc більш склад-
на: при низькій температурі конверсії (900 К) η
збільшується зі зростанням тиску, а при висо-
кій – спадає. Це можна пояснити впливом двох
протилежних факторів: з одного боку, ККД
газотурбінної установки, як відомо, збільшу-
ється з початковим тиском, а з іншого боку,
підвищення тиску призводить до зниження
ступеня конверсії [1]. При низьких Tk домінує
перший фактор, а при високих – другий.
Ефективність повітряної регенерації зростає з
pc, за винятком випадку Tc = 1400 К, Tk = T°k, де
«працює» більш сильна залежність T°k від pc
при низькій температурі Tc (див. рис. 2).
Максимальне значення Δη досягається при
Tc = 1600 К, pc = 1,5 МПа і T°k = 1010,2 К – тут
Δη = 5,5%, а η = 57,6%. У той самий час низька
початкова температура дає лише Δη = 3,7%, а
середня – 4,7%.
Тепер порівняємо параметри обох схем інак-
ше: якій різниці початкових температур Tc
відповідає рівність η = ηar? Із таблиці видно,
що при цьому значення Tc у схемі повітряної
регенерації повинно бути на 150 – 200 К вище,
ніж при комбінованій. Отже, при інших рівних
умовах ТХР забезпечує високий ККД газотур-
бінної установки при помірній початковій тем-
пературі, і це важливо з точки зору вартості
матеріалів для ГТУ. Необхідно відзначити, що
розроблений метод дозволяє поставити задачу
оптимізації режиму роботи схеми на рис. 1, а
також (з певною доробкою) розраховувати
подібні схеми.
ВИСНОВКИ
Розроблено ефективну схему газотурбінної
установки з комбінованою системою регенера-
ції (ТХР і підігрів повітря), а також метод її тер-
модинамічного розрахунку і відповідну програ-
му. Проведено широкі числові дослідження
залежності ефективності схеми від параметрів
робочого тіла перед турбіною та температури
конверсії. Показано, що схема забезпечує дуже
високий (до 57,6%) ККД та дозволяє знизити
викиди шкідливих речовин в атмосферу.
1. Шрайбер О.А. Використання теплових
вторинних енергоресурсів методом термохі-
мічної регенерації. Розрахунок конверсії
палива / О.А. Шрайбер // Проблеми
загальної енергетики. – 2013. – № 2(33). –
С. 39–42.
2. White W.B. Chemical equilibrium in complex
mixture / W.B. White, S.M. Johnson,
G.B. Dantzig // J. Chem. Phys. – 1958. – V. 28,
No. 5. – P. 751 – 755.
3. Носач В.Г. Повышение экономичности и
экологических характеристик газотурбин-
ных установок за счет термохимической
регенерации / В.Г. Носач, А.А. Шрайбер //
Промышленная теплотехника. – 2011. –
Т. 33, № 1. – С. 46 – 50.
4. Равдель А.А. Краткий справочник физи-
ко-химических величин / А.А. Равдель,
А.М. Пономарева. – Л.: Химия, 1974. –
200 с.
Надійшла до редколегії 09.09.2013
Рецензент
Зав. відділу прогнозування розвитку
та управління функціонуванням
електроенергетикий ІЗЕ НАН України,
д-р техн. наук, ст. наук. співр.
С.В. Дубовський
Т
аб
ли
ц
я
–
Р
ез
ул
ьт
ат
и
р
оз
ра
ху
н
кі
в
еф
ек
ти
вн
ос
ті
к
ом
бі
н
ов
ан
ої
т
а
п
ов
іт
ря
н
ої
р
ег
ен
ер
ац
ії
(
%
)
Використання теплових вторинних енергоресурсів методом термохімічної регенерації. Метод розрахунку газотурбінної установки
ISSN 1562-8965. Проблеми загальної енергетики, 2013, вип. 3 (34) 51
|
| id | systemreorg-article-499 |
| institution | System Research in Energy |
| keywords_txt_mv | keywords |
| language | Ukrainian |
| last_indexed | 2026-07-19T01:15:58Z |
| publishDate | 2013 |
| publisher | General Energy Institute of the National Academy of Sciences of Ukraine |
| record_format | ojs |
| resource_txt_mv | systemreorg/33/e24f959c573e981ac2e015b6e11de033.pdf |
| spelling | systemreorg-article-4992026-07-18T12:57:40Z Use of thermal secondary energy resources by the method of thermochemical recuperation/ A method for the calculation of a gas-turbine plant Використання теплових вторинних енергоресурсів методом термохімічної регенерації. Метод розрахунку газотурбінної установки Shraiber O.A. gas-turbine plant, thermochemical recuperation, thermodynamic calculation, exhaust gases, reformed fuel. газотурбінна установка, термохімічна регенерація, термодинамічний розрахунок, відпрацьовані гази, конвертоване паливо. The problem of the use of thermal secondary energy resources, being formed in various thermal facilities working on natural gas, is quite important from the viewpoint of energy saving. The most efficient way of its solution is connected with the technology of thermochemical recuperation, based on fuel reforming with exhaust gases. We have developed a scheme of gas-turbine plant with a combined system of thermochemical and air recuperation, based on two technical decisions: 1) the thermochemical reactor is placed not after the turbine (where the temperature of exhaust gases is quite low) but between its high- and low-pressure cylinders; 2) the excess-air coefficient is equal to unity, and, for decreasing the temperature of exhaust gases before the turbine, a certain part of them is fed to the combustion chamber. Furthermore, we have proposed a method for the calculation of a gas-turbine plant with combined recuperation system and developed the corresponding software. Numerical calculations show that this scheme ensures a very high efficiency (up to 57.6 %) and decreases the emission of harmful substances. Проблему утилізації теплових вторинних енергоресурсів, що утворюються у різних теплових установках, які працюють на природному газі, необхідно вважати дуже актуальною з точки зору енергозаощадження. Найбільш доцільний шлях її розв’язання пов’язаний із технологією термохімічної регенерації, що ґрунтується на конверсії палива з продуктами згоряння. Розроблено схему газотурбінної установки з комбінованою системою термохімічної та повітряної регенерації, що ґрунтується на двох технічних рішеннях: 1) термохімічний реактор розташований не за турбіною (де температура продуктів згоряння досить низька), а між її циліндрами високого і низького тиску; 2) коефіцієнт надлишку повітря дорівнює одиниці, і для зниження температури продуктів згоряння перед турбіною певна частина їх подається у камеру згоряння. Крім того, запропоновано метод розрахунку газотурбінної установки з комбінованою системою регенерації, і розроблено відповідну програму. Числові розрахунки показали, що ця схема забезпечує дуже високий ККД (до 57,6%) та знижує викиди шкідливих речовин. General Energy Institute of the National Academy of Sciences of Ukraine 2013-11-12 Article Article application/pdf https://systemre.org/index.php/journal/article/view/499 System Research in Energy; No. 3 (34) (2013): The Problems of General Energy; 47-51 Системні дослідження в енергетиці; № 3 (34) (2013): Проблеми загальної енергетики; 47-51 2786-7102 2786-7633 uk https://systemre.org/index.php/journal/article/view/499/433 Copyright (c) 2013 Shraiber O.A. https://creativecommons.org/publicdomain/zero/1.0 |
| spellingShingle | gas-turbine plant thermochemical recuperation thermodynamic calculation exhaust gases reformed fuel. Shraiber O.A. Use of thermal secondary energy resources by the method of thermochemical recuperation/ A method for the calculation of a gas-turbine plant |
| title | Use of thermal secondary energy resources by the method of thermochemical recuperation/ A method for the calculation of a gas-turbine plant |
| title_alt | Використання теплових вторинних енергоресурсів методом термохімічної регенерації. Метод розрахунку газотурбінної установки |
| title_full | Use of thermal secondary energy resources by the method of thermochemical recuperation/ A method for the calculation of a gas-turbine plant |
| title_fullStr | Use of thermal secondary energy resources by the method of thermochemical recuperation/ A method for the calculation of a gas-turbine plant |
| title_full_unstemmed | Use of thermal secondary energy resources by the method of thermochemical recuperation/ A method for the calculation of a gas-turbine plant |
| title_short | Use of thermal secondary energy resources by the method of thermochemical recuperation/ A method for the calculation of a gas-turbine plant |
| title_sort | use of thermal secondary energy resources by the method of thermochemical recuperation/ a method for the calculation of a gas-turbine plant |
| topic | gas-turbine plant thermochemical recuperation thermodynamic calculation exhaust gases reformed fuel. |
| topic_facet | gas-turbine plant thermochemical recuperation thermodynamic calculation exhaust gases reformed fuel. газотурбінна установка термохімічна регенерація термодинамічний розрахунок відпрацьовані гази конвертоване паливо. |
| url | https://systemre.org/index.php/journal/article/view/499 |
| work_keys_str_mv | AT shraiberoa useofthermalsecondaryenergyresourcesbythemethodofthermochemicalrecuperationamethodforthecalculationofagasturbineplant AT shraiberoa vikoristannâteplovihvtorinnihenergoresursívmetodomtermohímíčnoíregeneracíímetodrozrahunkugazoturbínnoíustanovki |