Материал: 2293

этом температура уходящих газов обусловлена экономической целесообразностью и определена температурным уровнем 393 433 К [3]. В нашем случае при ТУГ = 413 К, принятой при расчете, эксергетический КПД энергоустановки возрастает значительно и составляет 43 %. Это является следствием полезного использования теплоты газов для производства пара.

Существенное снижение температуры газов возможно в напорных утилизаторах теплоты. Принципиальная схема (рис. 2.3, в) и теоретический цикл (рис. 2.3) ГТУ с напорной утилизацией теплоты (ГТУ-НУ) и охлаждением газов до температуры окружающей среды в диаграмме Т-s представлены точками 1-2-3-6-7-1. Напорная утилизация теплоты в такой энергоустановке осуществляется за счет недорасширения продуктов сгорания в газовой турбине, охлаждения потока при повышенном давлении по газовой стороне в утилизаторе теплоты и дальнейшего расширения в турбодетандере до температуры окружающей среды. При этом уменьшение степени расширения потока газов в турбине и снижение температуры газов перед детандером приводят к уменьшению мощности, вырабатываемой установкой. Вместе с тем количество вырабатываемой теплоты и ее эксергетическая ценность увеличиваются, что приводит к повышению КПД до ех = 46 % .

Дальнейшее совершенствование комбинированных ГТУ возможно, если промежуточное охлаждение в напорном утилизаторе теплоты осуществлять до температуры, близкой к температуре окружающей среды с последующим расширением потока до умеренно низких температур (~ 263 К). Принципиальная схема (рис. 2.3, г) и теоретический цикл (рис. 2.3) теплохладоэнергетического агрегата такого типа (ТХЭА-1) в диаграмме Т-s представлены точками 1-2-3-6-8-9-1. При этом происходит дальнейшее снижение вырабатываемой мощности и увеличение производства теплоты. Эксергетический КПД ТХЭА-1 достигает максимума и составляет ех = 51 % , что обусловлено более полным использованием температурного напора и теплоты конденсации водяных паров, содержащихся в продуктах сгорания топлива. Получение холода умеренно низких температур вследствие малой эксергетической ценности дает малую прибавку (0,9 кВт) эксергетическому КПД. Причем до 50 % холодопроизводительности расходуется на вымораживание влаги из продуктов сгорания топлива, что обычно относится к потерям холода [35].

Принципиальная схема (рис. 2.3, д) и теоретический цикл (рис. 2.3) теплохладоэнергетического агрегата (ТХЭА-2) с регенерацией холода на температурный уровень 203 К и ниже в диаграмме Т-s представлены точками 1-2-3-6-8-10-11-9-1. Некоторое перераспределение мощности и теплоты в установке не приводит к росту эксергетического КПД ех = 51 %. В ТХЭА- 2 вырабатывается экономически ценная энергетическая продукция низ-

35

котемпературный холод при сохранении высокого значения эксергетического КПД.

Более глубокое охлаждение продуктов сгорания топлива до температуры кристаллизации диоксида углерода, содержащегося в дымовых газах, позволяет выморозить его непосредственно из газового потока. Принципиальная схема (рис. 2.3, е) и теоретический цикл (рис. 2.3) теплохладоэнергетического агрегата (ТХЭА-3), вырабатывающего твердый диоксид углерода, в диаграмме Т-s представлены точками 1-2-3-6-8-10-12-13-11-9-1. Холод в этом случае производится концентрированно в виде "сухого льда", что существенно облегчает его хранение и использование вне установки. Эксергетический КПД ТХЭА-3 составляет ех = 49 %.

Анализ рассмотренных схем энергоустановок показывает, что повышение их тепловой эффективности осуществляется за счет использования полного температурного напора газового потока и теплоты конденсации водяных паров, то есть использования высшей теплотворной способности топлива. При комплексном производстве теплоты, электроэнергии и холода низких температур, в том числе и при вымораживании СО2 , эксергетический КПД несколько снижается, что связано с увеличением газодинамических потерь в холодильных регенераторах и снижением вырабатываемой мощности. Вместе с тем в ТХЭА обеспечивается комплексное энерготехнологическое использование топлива, позволяющее получить значительный экономический эффект. Следует напомнить, что рассмотренный выше расчет эффективности циклов энергоустановок с газовыми турбинами выполнялся в предположении, что вся выработанная теплота будет использована для получения пара высоких параметров. В связи с тем, что это условие сохранилось при расчете всех вариантов энергоустановок, полученные выводы об эффективности напорной утилизации теплоты при снижении температуры уходящих газов, в том числе и для производства твердого диоксида углерода, не вызывают сомнений. Однако эффективность использования выработанной теплоты в ТХЭА зависит от параметров пара и горячей воды (температура, давление), необходимых потребителю. Например, использование теплоты, выработанной ТХЭА для производства пара (Т = 647 К) и горячей воды (Т = 347 К) в соотношении 2:1 в сравнении с производством только пара более высоких параметров (Т = 808 К), приводит к снижению эксергетического КПД на 8 – 9 % ; при выработке пара и воды в пропорции 1:1 эксергетический КПД снижается на 15 16 %. Поэтому сравнение разных энергетических установок по эксергетическому КПД необходимо производить при условии выработки одинаковых видов продукции.

36

3. РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ ТЕПЛОХЛАДОЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО АГРЕГАТА

3.1. Методика расчета параметров ТХЭА

Методика расчета, приводимая ниже, дает возможность определить основные параметры ТХЭА при оптимальном распределении соотношений давлений в турбомашинах, а также выбирать рабочие режимы для проектируемых ТХЭА.

Методика приводится в виде, предназначенном для расчета схемы ТХЭА, приведенной на рис. 3.1.

Уравнение энергетического баланса турбины и компрессора газотурбогенератора:

где коэффициент, учитывающий утечки воздуха и добавление топлива;

GВ – расход воздуха через компрессор; Кад , Тад , ГМ соответственно адиабатные КПД компрессора, турбины и механический КПД газотурбоге-

нератора; c1P 2 , cP3 4 здесь и в последующем средние изобарные теплоемкости рабочего вещества в соответствующих обозначению на схеме и в цикле процессах; К , Т степени повышения давления в компрессоре и понижения давления в турбине; T1 , T3 здесь и в последующем температура рабочего вещества в соответствующих обозначению точках схемы и цикла; кВ , кГ показатели адиабаты для воздуха и продуктов сгорания.

После преобразования уравнения (3.1) получим

Для удобства расчетов и анализа цикла введем следующие безразмерные комплексы:

Комплекс определяет полезную энергию давления газовоздушной смеси, вырабатываемой в газотурбогенераторе.

Комплекс характеризует соотношение температуры газа в камере сгорания газотурбогенератора к температуре воздуха на входе в компрессор, а также газодинамическое и механическое совершенство газотурбогенератора.

37

Вода 1

НД ЭД

бs

Рис. 3.1. Принципиальная схема (а) и цикл ТХЭА (б): Н – нагнетатель; ТО – теплообменник; К – компрессор; КС – камера сгорания; Т – газовая турбина; Э – экономайзер; ВО – влагоотделитель; Р – блок регенераторов; Д – турбодетандер; С – сепаратор СО2 ; М – мультипликатор; ЭГ – электрогенератор; ЭД – электродвигатель; 0-1’ – сжатие в нагнетателе; 1’-1 – охлаждение в теплообменнике; 1-2 – сжатие в компрессоре; 2-3 – подогрев в КС; 3-4 – расширение в турбине; 4-5 – охлаждение в экономайзере; 5 охлаждение в регенераторе; 6-7 – расширение в детандере; 7-8 – подвод теплоты кристаллизации СО2 ; 8-9 – подогрев в регенераторе

38

После подстановки обозначенных комплексов в уравнение (3.2) получим

, может иметь одно, два или не иметь решения. Особый интерес представляет случай, когда уравнение имеет один корень, что позволяет определить максимальное значение комплекса при заданном значении . Это условие соответствует максимальному перепаду давлений в детандере, а следовательно, максимальной холодопроизводительности ТХЭА.

Для определения экстремального корня уравнения (3.4) обозначим его левую часть через y (функция энергетического баланса компрессора и тур-

определяем экстремальное значение К .

После подстановки уравнения (3.5) в уравнение (3.4) и ряда математических преобразований получим

39