Determination of the optimal conditions of implementing the process of thermochemical recuperation for using the heat of exhaust gases of a gas-turbine plant

The problem of the use of thermal secondary energy resources, being formed in gas-turbine plants working on natural gas, is 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 w...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2015
Автор:	Шрайбер О.А.
Формат:	Стаття
Мова:	Українська
Опубліковано:	General Energy Institute of the National Academy of Sciences of Ukraine 2015
Теми:	thermochemical recuperation reformed fuel exhaust gases gas-turbine plant optimal scheme.
Онлайн доступ:	https://systemre.org/index.php/journal/article/view/71
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	System Research in Energy
Завантажити файл:

Репозитарії

System Research in Energy

_version_	1871103141317967872
author	Шрайбер О.А.
author_facet	Шрайбер О.А.
author_institution_txt_mv	[ { "author": "Шрайбер О.А.", "institution": null } ]
author_sort	Шрайбер О.А.
baseUrl_str	https://systemre.org/index.php/journal/oai
collection	OJS
datestamp_date	2026-07-18T12:57:31Z
description	The problem of the use of thermal secondary energy resources, being formed in gas-turbine plants working on natural gas, is 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 4 schemes of thermochemical recuperation for using the heat of exhaust gases and carried out thermodynamic calculations of their efficiency. We have established that the highest efficiency can be obtained by using scheme G4, where the process of fuel reforming as well as the heating of air spent for fuel combustion and ballast (a certain part of exhaust gases), providing the cooling of the working medium after combustion chamber to an acceptable temperature, are realized in the reactor-heat exchanger. We have revealed and explained a paradoxical, on the face of it, dependence of the efficiencies of different schemes on the initial pressure. We have found the optimal conditions of the scheme G4, under which its efficiency reaches 60 %. In addition to fuel economy, this scheme enables one to decrease the emission of harmful substances to the atmosphere.
doi_str_mv	10.15407/pge2015.03.036
first_indexed	2026-03-24T02:00:50Z
format	Article
fulltext	36 ISSN 1562-8965. Проблеми загальної енергетики, 2015, вип. 3 (42) УДК 536.7 О.А. ШРАЙБЕР, д-р техн. наук, проф., Інститут загальної енергетики НАН України, вул. Антоновича, 172, м. Київ, 03680, Україна ВИЗНАЧЕННЯ ОПТИМАЛЬНИХ УМОВ РЕАЛІЗАЦІЇ ПРОЦЕСУ ТЕРМОХІМІЧНОЇ РЕГЕНЕРАЦІЇ ДЛЯ ВИКОРИСТАННЯ ТЕПЛОТИ ВІДПРАЦЬОВАНИХ ГАЗІВ ГАЗОТУРБІННОЇ УСТАНОВКИ На основі широких числових досліджень визначено оптимальну схему термохімічної регенерації для використання теплоти відпрацьованих газів газотурбінної установки, а також знайдено оптимальні умови її роботи. При цьому ККД схеми сягає майже 60 %, а її реалізація дозволяє знизити викиди шкідливих речовин в атмосферу. К л ю ч о в і с л о в а: термохімічна регенерація, конвертоване паливо, відпрацьовані гази, газотурбінна установка, оптимальна схема. Сучасні газотурбінні установки (зокрема, ті, що працюють на газоперекачувальних стан- ціях) мають дуже низький ККД (25 – 30 %), так що пошук шляхів підвищення їх ефективності є актуальною задачею. Як показано в [1], най- кращим способом використання теплоти від- працьованих газів різних теплових установок і, отже, підвищення їх ККД є термохімічна реге- нерація (ТХР), що ґрунтується на ендотерміч- ній реакції вихідного палива з продуктами зго- ряння (ПЗ). Необхідно зазначити, що ТХР не тільки призводить до економії палива, а і змен- шує викиди шкідливих речовин за рахунок переходу до спалювання СО і Н2. При використанні технології ТХР для газо- турбінних установок (ГТУ) виникають дві про- блеми: низька температура відпрацьованих газів ГТУ знижує ступінь конверсії; крім того, традиційні ГТУ працюють із дуже великим кое- фіцієнтом надлишку повітря, а кисень у реагенті теж гальмує конверсію. Згідно з [2] ці труднощі можна подолати за рахунок розмі- щення реактора між циліндрами високого і низького тиску, а також заміни баласту-повітря певною кількістю продуктів згоряння. У [2] розроблено метод термодинамічного розрахунку схем ТХР для ГТУ, а також наведе- но приклади числових результатів. Але до цього часу не було проведено систематичні дослід- ження характеристик схем ТХР з метою їх оптимізації та пошуку оптимальних режимів роботи. Спробу розв’язати таку задачу описано у цій статті. Розглядаються тільки ГТУ на при- родному газі, і для спрощення вважається, що він складається із чистого метану. Розглянемо спочатку найпростішу схему G1 термохімічної регенерації для ГТУ, зображену на рис. 1. Для розрахунку цієї схеми треба зада- ти такі величини: тиски pc i pd та температури Ta, Tc, Tg, Ti, Tk (індекси відповідають цифрам у кружечках на рис. 1; величини Tb, Td, Te, Tf, Th i Tm є результатом термодинамічного розрахун- ку). Але параметри робочого тіла перед турбі- ною (pc, Tc), а також температури повітря перед компресором Ta та вихідного палива Ti слід вва- жати заданими, отже, не можна їх міняти довільно. Тоді, на перший погляд, із 7 величин, що задаються, міняти можна 3: pd, Tg і Tk. Проте більш детальний аналіз свідчить про те, що на вибір цих величин слід накласти ще два обме- ження, а саме, треба враховувати температурні напори на холодному і гарячому кінцях реакто- ра-теплообмінника ΔT1 = Te – Tm та ΔT2 = Td – – Tk. Проведені розрахунки показали, що у широкому діапазоні режимів величина ΔT1 порядку 300 К, і, отже, «критичним» є напір ΔT2. Звичайно, щоб коректно порівнювати різні режими, необхідно зафіксувати ΔT2 на© О.А. ШРАЙБЕР, 2015 37ISSN 1562-8965. Проблеми загальної енергетики, 2015, вип. 3 (42) Рис. 1. Схема G1 газотурбінної установки з ТХР: 1 – циліндр низького тиску (ЦНТ); 2 – холодильник; 3 – компресор для ПЗ; 4 – повітряний компресор; 5 – циліндр високого тиску (ЦВТ); 6 – змішувач; 7 – реактор-теплообмінник; 8 – камера згоряння певному рівні, наприклад, 20 К, тобто після визначення температури ПЗ за циліндром високого тиску треба прийняти Tk = Td – ΔT2. Таким чином, залишилось дві величини: Tg і pd. Зрозуміло, що температуру Tg слід вибирати якомога нижчою, щоб зменшити роботу ком- пресора 3 (інші енергетичні характеристики схеми від Tg залежать слабо). На рис. 2 наведено залежність енергетичних характеристик схеми від pd при pc = 1,5 МПа, Tc = 1600 К, Tg = Ta = = Ti = 300 К (базовий варіант режиму). Для подальшого позначимо через Ар роботу елемен- тів схеми (індекс р відповідає номеру лінії на рис. 2). Рис. 2. Енергетичні характеристики схеми G1: 1, 2 – робота циліндрів високого і низького тиску; 3 – сума цих робіт; 4, 5 – робота компресорів для ПЗ і повітря; 6 – корисна робота схеми Визначення оптимальних умов реалізації процесу термохімічної регенерації для використання теплоти відпрацьованих газів газотурбінної установки 38 ISSN 1562-8965. Проблеми загальної енергетики, 2015, вип. 3 (42) О.А. ШРАЙБЕР Як видно, функція А6(pd) має пологий, але виражений максимум, що відповідає опти- мальному тиску pd op при заданих значеннях pc, Tc, Tg, Ta та Ti. Немонотонний характер цієї залежності пояснюється таким. Зі збільшенням тиску pd зменшується робота ЦВТ і зростає робота ЦНТ, а їх сума помітно збільшується при невеликих тисках і майже стала при pd > 0,3 МПа. У той самий час робота, що витрача- ється на стиснення ПЗ, у правій частині інтер- валу pd продовжує зростати, що можна поясни- ти таким чином. Рівняння теплового балансу камери згоряння 8 (рис. 1) має вигляд (1) де I – ентальпія; J – повна ентальпія (J = I + Q, Q – калорійність); величини з тільдою відпові- дають питомій ентальпії (віднесеній до «стан- дартного набору» ПЗ метану СО2 + 2Н2О + 7,52N2); β та β° – безрозмірна витрата реагенту і баласту (β = 1 відповідає стехіометричній реалі- зації процесу конверсії (спалювання тут і нижче теж вважається стехіометричним)). Якщо тиск pd зростає, то збільшується і темпе- ратура Td, а також температура конвертованого палива та його повна ентальпія. Тоді, як випли- ває з рівняння (1), буде зростати β° і, відповід- но, робота компресора (крива 4 на рис. 2). Для ілюстрації наведемо кілька значень β°: Ефективність схеми ТХР визначається її ККД, що можна обчислити за формулою η = А6/Ji. (2) Як видно з рис. 2, у даному варіанті макси- мальна ефективність схеми G1 досягається при pd op = 0,25 МПа; тут ηop = 48,7 %. Наведемо ще дані для двох режимів: якщо pc = 1,5 МПа, Tc = 1400 К, маємо pd op = 0,3 МПа, ηop = 44,36%; при pc = 2,5 МПа, Tc = 1600 К параметри оптималь- ної точки такі: pd op = 0,4 МПа, ηop = 50,9%. Цікаво, що при інших рівних умовах ККД схеми зростає зі збільшенням початкового тиску pc. Отже, схема G1 характеризується гіршими показниками, ніж результати розрахунків у [2]. Тому розглянемо іншу схему (G2), зображену на рис. 3. Вона відрізняється від G1 тим, що в реакторі 7, поряд із реакцією конверсії, нагрі- вається повітря. Рівняння теплового балансу камери 8 тут відрізняється від (1) тільки тим, що Ib заміняється на Il – ентальпію повітря після нагрівання в реакторі. При цьому, як і в [2], приймається, що обидві речовини нагрі- ваються в реакторі до однакової температури – Рис. 3. Схема G2 (позначення за рис. 1) 39ISSN 1562-8965. Проблеми загальної енергетики, 2015, вип. 3 (42) Визначення оптимальних умов реалізації процесу термохімічної регенерації для використання теплоти відпрацьованих газів газотурбінної установки Tl = Tk (якщо Tl ≠ Tk, але сума повних ентальпій цих речовин за реактором така сама, як і у випадку Tl = Tk, характеристики схеми відріз- няються дуже мало). Контрольовані темпера- турні напори на кінцях реактора тут такі самі, як і для попередньої схеми, і ΔT2 є критичним. Взагалі метод розрахунку принципово не від- різняється від схеми G1. Приклад числових результатів для базового режиму наведено у табл. 1. Як і раніше, залежність η(pd) має максимум. Порівняння цих даних із показниками схеми G1 свідчить про те, що додатковий підігрів повітря істотно збільшує ефективність схеми (майже на 4%). Якщо початковий тиск дорів- нює 2,5 МПа, то параметри оптимальної точки становлять pd op = 0,4 МПа, ηop = 53,23%, отже, і тут η зростає з pc. Далі розглянемо схему G3, де конверсія палива і підігрів повітря реалізуються у різних апаратах, розташованих послідовно (зрозуміло, що по ходу ПЗ термохімічний реактор повинен іти раніше). Схема зображена на рис. 4. На від- міну від двох попередніх схем, тут можна довільно міняти не тільки pd, а і температуру гарячого повітря Tl. До контрольованих темпе- ратурних напорів, крім ΔT1 і ΔT2, тут належать також різниці температур на холодному ΔT3 = = Tn – Tb та гарячому ΔT4 = Te – Tl кінцях нагрі- вача 9. Розрахунки показали, що критичними є Таблиця 1 – Параметри роботи схеми G2 Рис. 4. Схема G3 (позначення 1 – 8 за рис. 1; 9 – нагрівач повітря) 40 ISSN 1562-8965. Проблеми загальної енергетики, 2015, вип. 3 (42) напори ΔT2 і ΔT4. Як і раніше, задаємо Tk = Td – 20 і, крім того, підбираємо Tl так, щоб напір ΔT4 також дорівнював 20 К (позначаємо цю темпе- ратуру повітря через Tl °). Наведемо дані розрахунку напору ΔT4 для різних Tl при pc = 2,5 МПа, Tc = 1600 К: Зі збільшенням температури повітря ККД схеми зростає від 49,92 до 50,8%. У табл. 2 наведе- но залежність температури Tl ° та ККД схеми від pd при Tc = 1600 К. Якісний характер поведінки характеристик цієї схеми не відрізняється від попередньої, але ефективність нижча на 1,3 – 2%. Таким чином, аналіз трьох схем свідчить про те, що додатковий підігрів повітря покращує ефективність ТХР. Тому доцільно розглянути ще одну схему (G4), що відрізняється додатко- вим підігрівом баласту, який скидається у камеру згоряння. Із порівняння схем G2 і G3 випливає, що теплообмінні поверхні слід роз- ташовувати паралельно; схему G4 наведено на рис. 5. Тут можна міняти тільки pd, як у схемах G1, G2. Таблиця 2 – Характеристики схеми G3 Рис. 5. Схема G4 (позначення за рис. 1) О.А. ШРАЙБЕР 41ISSN 1562-8965. Проблеми загальної енергетики, 2015, вип. 3 (42) Визначення оптимальних умов реалізації процесу термохімічної регенерації для використання теплоти відпрацьованих газів газотурбінної установки Для базового варіанта розрахунків опти- мальний тиск pd op дорівнює 0,38 МПа, а ефек- тивність – ηop = 58,48%; отже, схема G4 набага- то краща за попередні. Тому було проведено більш детальне числове дослідження характе- ристик цієї схеми. Виявилось, що на всіх режи- мах залежність η(pd) має максимум. У табл. 3 наведено залежності η( pd) для широкого діапа- зону початкових тисків при Tc = 1600 К. Зі збільшенням початкового тиску значення pd op зростає, а ККД схеми – навпаки, зменшу- ється, на відміну від схем G1–G3. Цю законо- мірність можна пояснити таким чином. Взагалі залежність ККД від pc визначається трьома факторами: 1) як випливає з термодинамічних мірку- вань, ефективність будь-якої ГТУ зростає зі збільшенням початкового тиску; 2) ступінь конверсії помітно знижується при високих тисках; 3) у схемах G1–G4 різні режими відпові- дають різним витратам робочого тіла, які без- посередньо залежать від параметра β°, що визначається тепловим балансом реактора- теплообмінника (відповідне рівняння легко отримати з (1)). При Tc = 1600 К оптимальний режим для схеми G1 відповідає β° = 4,50 і 4,95 при pc = 1,5 і 2,5 МПа, у той час, як для схеми Таблиця 3 – Характеристики схеми G4 42 ISSN 1562-8965. Проблеми загальної енергетики, 2015, вип. 3 (42) О.А. ШРАЙБЕР G4 – β° = 9,84 і 9,05. Отже, при переході від тиску pc = 1,5 до 2,5 МПа для схеми G1 фактори 1 і 3 сприяють підвищенню її ефективності і переважають вплив фактора 2, у той час, як для схеми G4 вже фактори 2 і 3 призводять до зни- ження ККД. Досліджено також вплив початкової темпе- ратури Tc і «стандартного» температурного напору ΔT2 на характеристики схеми. Виявлено, що зростання Tc і зниження ΔT2 сприяють покращенню характеристик схеми. Розроблене програмне забезпечення дозволяє знайти оптимальну точку для будь-яких режи- мів роботи схеми. ВИСНОВКИ Розглянуто чотири схеми термохімічної регенерації для використання теплоти від- працьованих газів ГТУ, розроблено методи їх термодинамічного розрахунку, та проведено числові дослідження їх ефективності у широко- му діапазоні тисків і температур. Встановлено, що найкращі результати забезпечує схема G4, де у реакторі-теплообміннику реалізується процес конверсії палива та нагрівання повітря, що іде на спалювання, і баласту (ПЗ), який забезпечує охолодження робочого тіла після камери згоряння до прийнятної температури. Встановлено, що залежність ККД схеми від тиску pd між ЦВТ і ЦНТ завжди має виражений максимум. Це пояснюється тим, що сумарна робота обох циліндрів помітно збільшується при невисоких pd і майже стала при високих, у той час, як робота на стиснення баласту зростає у всьому діапазоні значень pd. Встановлено парадоксальну, на перший погляд, залежність ККД різних схем від початкового тиску pc: якщо ККД схеми G4 зменшується зі зростан- ням pc, то для інших схем він збільшується через складний характер залежності питомої витрати баласту від pc. Знайдено оптимальні умови роботи схеми G4 (pc = 1 МПа; pd = 0,27 МПа; Tc = 1600 К), при яких її ККД сягає 60%. Крім істотної економії палива, схема дозволяє зменшити викиди шкідливих речовин в атмо- сферу. 1. Шрайбер О.А. Використання теплових вторинних енергоресурсів методом термохі- мічної регенерації. Розрахунок конверсії палива / О.А. Шрайбер // Проблеми загаль- ної енергетики. – 2013. – № 2(33). – С. 39– 42. 2. Шрайбер О.А. Використання теплових вторинних енергоресурсів методом термохі- мічної регенерації. Метод розрахунку газо- турбінної установки // Проблеми загальної енергетики. – 2013. – № 3(34). – С. 47 – 51. Надійшла до редколегії 22.09.2015 43ISSN 1562-8965. The Problems of General Energy, 2015, issue 3 (42) UDC 536.7 О.А. SHRAIBER, Dr. Sc. (Eng.) Institute of General Energy, NAS of Ukraine, 172, Antonovycha str., Kyiv, 03680, Ukraine DETERMINATION OF THE OPTIMAL CONDITIONS OF IMPLEMENTING THE PROCESS OF THERMOCHEMICAL RECUPERATION FOR USING THE HEAT OF EXHAUST GASES OF A GAS-TURBINE PLANT Based on extensive numerical studies, we have determined the optimal scheme of thermo- chemical recuperation for using the heat of exhaust gases of a gas-turbine plant and its opti- mal operating conditions. In this case, the efficiency of the scheme reaches almost 60%, and its implementation enables one to reduce harmful emissions to the atmosphere. K e y w o r d s: thermochemical recuperation, reformed fuel, exhaust gases, gas-turbine plant, optimal scheme. Modern gas-turbine plants (especially those operating at gas-pumping stations) have very low efficiency (25 – 30%), and, hence, finding the ways to improve their efficiency is a crucial task. As shown in [1], the best way to use the heat of exhaust gases of different heating plants and thus to improve their efficiency is thermochemical recuperation (TCR), based on the endothermic reaction of initial fuel with combustion products (CP). It should be noted that TCR gives not only fuel saving but also reduces harmful emissions owing to transition to the combustion of СО and Н2. The use of TCR technology for gas-turbine plants (GTPs) is connected with two difficulties: the low temperature of GTP exhaust gases reduces the degree of reforming; in addition, conventional GTPs operate with very large excess-air coeffi- cients, and oxygen in the reagent also inhibits reforming. According to [2], such difficulties can be overcome due to placing the reactor between high- and low-pressure cylinders as well as by the replace- ment of ballast-air with a certain amount of com- bustion products. In [2], the method of thermodynamic calcula- tion of TCR schemes was developed for GTPs, and some examples of numerical results were provided. But so far no systematic study of the characteristics of TCR schemes was made for their optimization and search for the optimal modes of their work. This article describes an attempt to solve such prob- lem. Only those GTPs are considered which work on natural gas, and it is assumed for simplicity that it consists of pure methane. First, consider the simplest scheme G1 of thermo- chemical recuperation for GTPs, shown in Fig. 1. To calculate this scheme, it is necessary to assign the following quantities: pressures pc and pd, tem- peratures Ta, Tc, Tg, Ti, and Tk (subscripts corre- spond to numbers in the circles in Fig. 1; the values of Tb, Td, Te, Tf, Th, and Tm are the result of thermo- dynamic calculation). However, the parameters of the working medium before the turbine (pc, Tc) and the temperatures of air before the compressor Ta and initial fuel Ti should be considered as given, therefore, they cannot be arbitrarily varied. Then, at first sight, 3 of 7 quantities to be given can be var- ied: pd, Tg, and Tk. However, more detailed analysis shows that two additional constraints should be imposed on the choice of these variables, namely, it is necessary to take into account temperature differ- ences at the cold and hot ends of the reactor-heat exchanger ΔT1 = Te – Tm and ΔT2 = Td – Tk. Our calculations showed that, over a wide range of con- ditions, the value of ΔT1 is about 300 К, so, the dif- ference ΔT2 is “critical”. Of course, to properly compare different modes, it is necessary to fix ΔT2 at a certain level, for example, at 20 К, i.e., after determining CP temperature after the high-pres-© О.А. SHRAIBER, 2015 sure cylinder, it should be taken Tk = Tf – ΔT2. Thus, two values remain: Tg and pd. It is clear that the temperature Tg should be selected as low as possible to reduce the work of compressor 3 (other energy characteristics of the scheme have a weak dependence on Tg). Figure 2 shows the dependence of energy characteristics of the scheme on pd at pc = 1.5 MPa, Tc = 1600 К, Tg = Ta = Ti= 300 К (base variant of the mode). In what follows, we denote by Ap the work of elements of the scheme (subscript p corresponds to the num- ber of line in Fig. 2). 44 ISSN 1562-8965. The Problems of General Energy, 2015, issue 3 (42) Figure 1. Scheme G1 of gas-turbine plant with TCR: 1 – low-pressure cylinder (LPC); 2 – cooler; 3 – CP compressor; 4 – air compressor; 5 – high-pressure cylinder (HPC); 6 – mixer; 7 –reactor-heat exchanger; 8 – combustion chamber Figure 2. Energy characteristics of scheme G1: 1, 2 – work of high- and low-pressure cylinders; 3 – sum of these works; 4, 5 – work of compressors for CP and air; 6 – useful work of the scheme О.А. SHRAIBER 45ISSN 1562-8965. The Problems of General Energy, 2015, issue 3 (42) Determination of the optimal conditions of implementing the process of thermochemical recuperation for using the heat of exhaust gases of a gas-turbine plant As is obvious, the function А6(pd) has a gently sloping but pronounced maximum corresponding to the optimal pressure pd op at given values of pc, Tc, Tg, Ta and Ti. The nonmonotonic nature of this dependence is explained as follows. With increase in the pressure pd, the work of HPC decreases, the work of LPC grows, and their sum considerably increases at low pressures but is almost constant if pd > 0.3 MPa. At the same time, the work of CP compression in the right part of pd range continues to grow that can be explained as follows. The heat balance equation of combustion chamber 8 (Fig. 1) is given by (1) where I is the enthalpy; J is the total enthalpy (J = = I + Q, Q is the calorific value); quantities with tilde correspond to the specific enthalpy (classified as the "standard set" of the CP of methane СО2 + 2Н2О + 7.52N2); β and β° are the dimensionless reagent and ballast consumptions, respectively (β = 1 corresponds to stoichiometric reforming process (combustion hereinafter should be deemed as stoichiometric)). If the pressure pd grows, then the temperature Td and also the temperature of reformed fuel and its total enthalpy increase as well. Then, according to Eq. (1), β° and, corresponding- ly, the work of compressor will increase (curve 4 in Fig. 2). To illustrate it, we provide some values of β°: The perfection of a scheme of TCR is deter- mined by its efficiency that can be calculated by the formula η = А6/Ji (2) As shown in Fig. 2, the maximal efficiency of scheme G1 in this variant can be reached at pd op = = 0.25 MPa; here, ηop = 48.7%. We give also the data for two modes: if pc = 1.5 MPa and Tc = 1400 К, then pd op = 0.3 MPa, ηop = 44.36%; at pc = = 2.5 MPa and Tc = 1600 К, the parameters of the optimal point are: pd op = 0.4 MPa, ηop = 50,9%. Interestingly, the scheme efficiency increases with increasing the initial pressure pc, other conditions being equal. Thus, scheme G1 is characterized by worse characteristics as compared with the results of cal- culations in [2]. Therefore, consider another scheme (G2) shown in Fig. 3. It differs from G1 only by the fact that air is heated in reactor 7 along with the reforming reaction. Here, the heat balance Figure 3. Scheme G2 (designations according to Fig. 1) equation of chamber 8 differs from (1) by the fact that Ib is replaced by Il, i.e., air enthalpy after heat- ing in the reactor. By analogy with [2], it is assumed that both sub- stances are heated in the reactor to the same tem- perature: Tl = Tk (if Tl ≠ Tk, but the sum of total enthalpies of these substances after the reactor is the same as in the case Tl = Tk, the characteristics of such schemes differ very little from each other). The controlled temperature differences at the ends of reactor are the same as for the previous scheme, and ΔT2 is critical. In general, the method of calcu- lation does not differ in the main from scheme G1. An example of numerical results for the base mode is given in Table 1. As earlier, the dependence η(pd) has a maxi- mum. Comparing these data with the characteris- tics of scheme G1 shows that the additional heating of air considerably increases the efficiency of scheme (almost by 4%). If the initial pressure is 2.5 MPa, the parameters of the optimal point are pd op = 0.4 MPa, ηop = 53.23 %, and, hence, η here again increases with pc. Further, consider scheme G3, where fuel reforming and air heating are performed in different apparatus arranged in series (obviously, along the flow of CP, the thermochemical reactor should be placed first). 46 ISSN 1562-8965. The Problems of General Energy, 2015, issue 3 (42) О.А. SHRAIBER Table 1 – Parameters of the work of scheme G2 Figure 4. Scheme G3 (designations 1–8 according to Fig. 1; 9 – air heater) 47ISSN 1562-8965. The Problems of General Energy, 2015, issue 3 (42) Determination of the optimal conditions of implementing the process of thermochemical recuperation for using the heat of exhaust gases of a gas-turbine plant This scheme is shown in Fig. 4. Unlike two pre- vious schemes, one can arbitrarily vary here not only pd, but also the temperature of hot air Tl. Along with ΔT1 and ΔT2, the temperature differences at the cold ΔT3 = Tn – Tb and hot ΔT4 = Te – Tl ends of heater 9 belong to the controlled temperature differences. Calculations showed that the differ- ences ΔT2 and ΔT4 are critical. As earlier, we take Tk = Td – 20, and, in addition, select Tl so that the difference ΔT4 be also 20 К (let the temperature of air be denoted by Tl°). We now give some data of calculation of the dif- ference ΔT4 for different Tl at pc = 2.5 MPa, Tc = 1600 К: With increase in the air temperature, the effi- ciency of scheme increases from 49.92 to 50.8%. Table 2 shows the dependence of temperature Tl° and efficiency of the scheme on pd at Table 2 – Characteristics of scheme G3 Figure 5. Scheme G4 (designations according to Fig. 1) 48 ISSN 1562-8965. The Problems of General Energy, 2015, issue 3 (42) О.А. SHRAIBER Table 3 – Characteristics of scheme G4 Tc = 1600 К. The qualitative behavior pattern of characteristics of this scheme does not differ from the previous one, but the efficiency is lower by 1.3 – 2%. Thus, the analysis of three schemes demon- strates that additional air heating improves the TCR efficiency. It is therefore a good reason to consider one more scheme (G4) that is character- ized by the additional heating of ballast fed to the combustion chamber. It follows from the compar- ison of schemes G2 and G3 that the heat exchange surfaces should be placed in parallel; scheme G4 is given in Fig. 5. Here, only pd can be varied as in schemes G1 and G2. For the base variant of calculations, the optimal pressure pd op is 0.38 MPa, and efficiency is ηop = 58.48 %; therefore, scheme G4 is much better than the previous ones. Hence, a more detailed numeri- cal study of the characteristics of this scheme was carried out. It was found that, under all conditions, the dependence η(pd) has a maximum. Table 3 shows the dependence η(pd) for a wide range of ini- tial pressures at Tc = 1600 К. With increase in the initial pressure, the value of pd op grows, and the efficiency of this scheme, on the contrary, decreases unlike schemes G1–G3. This 49ISSN 1562-8965. The Problems of General Energy, 2015, issue 3 (42) Determination of the optimal conditions of implementing the process of thermochemical recuperation for using the heat of exhaust gases of a gas-turbine plant feature can be explained as follows. In general, the dependence efficiency vs. pc is determined by three factors: 1) as follows from thermodynamic considera- tions, the efficiency of any GTU increases when the initial pressures grows; 2) the degree of reforming is considerably reduced at high pressures; 3) in schemes G1–G4, different modes corre- spond to different consumptions of the working medium, which are directly dependent on the parameter β° that is determined by the heat balance of the reactor-heat exchanger (the corresponding equation can be easily obtained from (1)). At Tc = 1600 К, the optimal mode for scheme G1 corre- sponds to β° = 4.50 and 4.95 at pc = 1.5 and 2.5 MPa, respectively, whereas we have β° = 9.84 and 9.05 for scheme G4. Thus, in going from pres- sure pc = 1.5 to 2.5 MPa, factors 1 and 3 enhance the perfection of scheme G1 and prevail over the influence of factor 2, whereas, for scheme G4, already factors 2 and 3 lead to a decrease in the effi- ciency. The influence of initial temperature Tc and "standard" temperature difference ΔT2 on the char- acteristics of scheme was also studied. It was found that an increase in Tc and a decrease in ΔT2 improve the characteristics of scheme. The developed soft- ware enables one to determine the optimal point for any mode of the work of scheme. CONCLUSIONS We have considered four schemes of thermo- chemical recuperation for the use of heat of the exhaust gases of GTP, developed the methods of their thermodynamic calculation, and carried out numerical studies of their efficiency over a wide range of pressures and temperatures. It has been found that the best results are provided by scheme G4, where, in the reactor-heat exchanger, the fuel reforming is realized, and heating of the air intend- ed for combustion and ballast (CP) that provides cooling of the working medium after combustion chamber to the acceptable temperature is carried out. It has been established that the dependence of scheme efficiency on the pressure pd between HPC and LPC always has a pronounced maximum. This is explained by the fact that the total work of both cylinders considerably increases at low pd and is almost stable at its high values, whereas the work of ballast compression increases over the entire range of values of pd. It was found a paradoxical, at first glance, dependence of the efficiency of different schemes on the initial pressure pc: if the efficiency of scheme G4 decreases with increasing pc, then, for the other schemes, it increases due to the com- plex nature of dependence of the specific con- sumption of the ballast on pc. The optimal condi- tions of the work of scheme G4 (pc = 1 MPa; pd = 0.27 MPa; Tc = 1600 К), where its efficiency reaches 60 %, have been determined. In addition to significant fuel saving, this scheme enables one to reduce the emissions of harmful substances to the atmosphere. 1. Шрайбер О. А. Використання теплових вторинних енергоресурсів методом термохі- мічної регенерації. Розрахунок конверсії палива / О.А. Шрайбер // Проблеми загаль- ної енергетики. – 2013. – № 2(33). – С. 39– 42. (Shaiber O.A. Use of thermal secondary energy resources by the method of thermochem- ical recuperation. Computation of fuel conver- sion / О.А. Shraiber // The Problems of General Energy. – 2013. – No 2(33). – Pages 39–42). 2. Шрайбер О. А. Використання теплових вторинних енергоресурсів методом термохі- мічної регенерації. Метод розрахунку газо- турбінної установки / О.А. Шрайбер // Проблеми загальної енергетики. – 2013. – № 3(34). – С. 47 – 51. (Shaiber O.A. Use of thermal secondary energy resources by the method of thermochemical recuperation. A method for the calculation of a gas-turbine plant / O.A. Shraiber // The Problems of General Energy. – 2013. – No. 3(34).– Pages 47 – 51). Submitted to editorial board 22.09.2015
id	systemreorg-article-71
institution	System Research in Energy
keywords_txt_mv	keywords
language	Ukrainian
last_indexed	2026-07-19T01:03:29Z
publishDate	2015
publisher	General Energy Institute of the National Academy of Sciences of Ukraine
record_format	ojs
resource_txt_mv	systemreorg/e9/f0aef22c771628bd9731992286271ee9.pdf
spelling	systemreorg-article-712026-07-18T12:57:31Z Determination of the optimal conditions of implementing the process of thermochemical recuperation for using the heat of exhaust gases of a gas-turbine plant Визначення оптимальних умов реалізації процесу термохімічної регенерації для використання теплоти відпрацьованих газів газотурбінної установки Шрайбер О.А. thermochemical recuperation, reformed fuel, exhaust gases, gas-turbine plant, optimal scheme. термохімічна регенерація, конвертоване паливо, відпрацьовані гази, газотурбінна установка, оптимальна схема. The problem of the use of thermal secondary energy resources, being formed in gas-turbine plants working on natural gas, is 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 4 schemes of thermochemical recuperation for using the heat of exhaust gases and carried out thermodynamic calculations of their efficiency. We have established that the highest efficiency can be obtained by using scheme G4, where the process of fuel reforming as well as the heating of air spent for fuel combustion and ballast (a certain part of exhaust gases), providing the cooling of the working medium after combustion chamber to an acceptable temperature, are realized in the reactor-heat exchanger. We have revealed and explained a paradoxical, on the face of it, dependence of the efficiencies of different schemes on the initial pressure. We have found the optimal conditions of the scheme G4, under which its efficiency reaches 60 %. In addition to fuel economy, this scheme enables one to decrease the emission of harmful substances to the atmosphere. Проблему утилізації теплових вторинних енергоресурсів, що утворюються у газотурбінних 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 4 схеми термохімічної регенерації для використання теплоти відпрацьованих газів, та проведено термодинамічні розрахунки їх ефективності. Встановлено, що найвищий ККД можна отримати при використанні схеми G4, де у реакторі-теплообміннику реалізується процес конверсії палива та нагрівання повітря, що іде на спалювання, і баласту (певна частина ПЗ), який забезпечує охолодження робочого тіла після камери згоряння до прийнятної температури. Виявлено та пояснено парадоксальну, на перший погляд, залежність ККД різних схем від початкового тиску. Знайдено оптимальні умови роботи схеми G4, при яких її ККД сягає 60%. Крім істотної економії палива, схема дозволяє зменшити викиди шкідливих речовин в атмосферу. General Energy Institute of the National Academy of Sciences of Ukraine 2015-11-05 Article Article application/pdf https://systemre.org/index.php/journal/article/view/71 10.15407/pge2015.03.036 System Research in Energy; No. 3 (42) (2015): The problems of general energy ; 36-49 Системні дослідження в енергетиці; № 3 (42) (2015): Проблеми загальної енергетики; 36-49 2786-7102 2786-7633 uk https://systemre.org/index.php/journal/article/view/71/56 Copyright (c) 2015 Шрайбер О.А. https://creativecommons.org/publicdomain/zero/1.0
spellingShingle	thermochemical recuperation reformed fuel exhaust gases gas-turbine plant optimal scheme. Шрайбер О.А. Determination of the optimal conditions of implementing the process of thermochemical recuperation for using the heat of exhaust gases of a gas-turbine plant
title	Determination of the optimal conditions of implementing the process of thermochemical recuperation for using the heat of exhaust gases of a gas-turbine plant
title_alt	Визначення оптимальних умов реалізації процесу термохімічної регенерації для використання теплоти відпрацьованих газів газотурбінної установки
title_full	Determination of the optimal conditions of implementing the process of thermochemical recuperation for using the heat of exhaust gases of a gas-turbine plant
title_fullStr	Determination of the optimal conditions of implementing the process of thermochemical recuperation for using the heat of exhaust gases of a gas-turbine plant
title_full_unstemmed	Determination of the optimal conditions of implementing the process of thermochemical recuperation for using the heat of exhaust gases of a gas-turbine plant
title_short	Determination of the optimal conditions of implementing the process of thermochemical recuperation for using the heat of exhaust gases of a gas-turbine plant
title_sort	determination of the optimal conditions of implementing the process of thermochemical recuperation for using the heat of exhaust gases of a gas-turbine plant
topic	thermochemical recuperation reformed fuel exhaust gases gas-turbine plant optimal scheme.
topic_facet	thermochemical recuperation reformed fuel exhaust gases gas-turbine plant optimal scheme. термохімічна регенерація конвертоване паливо відпрацьовані гази газотурбінна установка оптимальна схема.
url	https://systemre.org/index.php/journal/article/view/71
work_keys_str_mv	AT šrajberoa determinationoftheoptimalconditionsofimplementingtheprocessofthermochemicalrecuperationforusingtheheatofexhaustgasesofagasturbineplant AT šrajberoa viznačennâoptimalʹnihumovrealízacííprocesutermohímíčnoíregeneracíídlâvikoristannâteplotivídpracʹovanihgazívgazoturbínnoíustanovki

Determination of the optimal conditions of implementing the process of thermochemical recuperation for using the heat of exhaust gases of a gas-turbine plant

Репозитарії

Схожі ресурси