8.2. Оптимальное использование теплоты уходящих газов газовых турбин
Термодинамическая оценка
В общем случае энтропия определяется следующим образом: . Изменение энтропии в любом термодинамическом процессе от состояния 1 до состояния 2 определится как интеграл:
. (154)
Из уравнения Клайперона, записанного для состояний 1 и 2, следует, что . После подстановки в (154) данного соотношения получим:
(155)
Поскольку коэффициент избытка воздуха в продуктах сгорания примерно равен 4, их можно считать идеальным газом (воздухом). Рассмотрим цикл газотурбинной установки (рис. 70).
Энтропия является параметром состояния, поэтому изменение энтропии не зависит от вида процесса. Поэтому изменение энтропии в процессах 1-2-3 равно изменению в процессе 4-1, так как в адиабатном процессе расширения газа в турбине энтропия не изменяется.
. (156)
В случае отсутствия утилизатора за газовой турбиной p4 = p1 равенство преобразуется к виду
Рис. 70. Изменение энтропии в цикле ГТУ
, или
,(157)
где – массовая удельная теплоемкость продуктов сгорания перед турбиной, Дж/(кгК); R = 287 Дж/(кгК) – удельная газовая постоянная. При наличии теплообменника давление на выхлопе турбины , а температура. Тогда, откуда
. (158)
Приравнивая левые части уравнений (157) и (158) и р1 на р4, получим
. (159)
Недовыработка удельной (на 1 кг рабочего тела) мощности, связанная с аэродинамическим сопротивлением теплообменника-утилизатора, равна разности энтальпий рабочего тела на выходе из турбины при наличии () и отсутствии (h4) теплообменника [16]:
. (160)
При расчете по этой формуле примем реальную температуру на выхлопе турбины (после регенератора) К, чем приближенно учтем влияние внутреннего относительного КПД турбинына расширение газа отТ3до. Массовая теплоемкость продуктов сгорания за турбиной при температуре 294 ºСкДж/(кгК). Формула (160) даетДж/кг. (161)
При расходе продуктов сгорания (воздуха через компрессор) кг/с потеря мощности составиткВт. Т. е. потеря работы (в процентах от полезной работы турбины), связанная с работой теплообменника на максимальном режиме (с аэродинамическим сопротивлением 467 Па), равна%. Поскольку турбина ГТ-10 имеет регенератор, выполненные расчеты дают лишь ориентировочную оценку. Поэтому оценим влияние теплообменника другим способом.
«Балансовая» оценка
Представим гипотетически, что продукты сгорания расширяются в турбине до атмосферного давления, а сопротивление теплообменника-утилизатора преодолевается специально установленным дымососом с приводом от турбины. При малой степени сжатия газ можно считать несжимаемым, тогда мощность, затрачиваемая на прокачку газов, равна произведению напора на подачу (в реальных, а не нормальных м3/с). Объемный расход продуктов сгорания примем при температуре газов, уходящих из турбины, а не из теплообменника:м3/с, где– плотность уходящих газов (воздуха) при температуре 294 ºС,кг/м3. Напор дымососаПа. Необходимая теоретическая мощностькВт. Это составляет% от мощности ГТУ, что совпадает с результатами «термодинамической» оценки.
Дополнительный расход топливного газа, необходимый для компенсации такой мощности при эффективном КПД ГТУ и теплоте сгорания природного газаМДж/м3,
м3/ч.
Для сравнения укажем, что один котел номинальной мощностью 2 МВт, имеющий КПД 91 %, рассчитан на потребление м3/ч природного газа, что в 10 раз превышает перерасход газа одной турбиной.
- В.А. Мунц Энергосбережение в энергетике и теплотехнологиях
- Глава 1. Вторичные энергоресурсы 15
- Энергоаудит
- Глава 1. Вторичные энергоресурсы
- 1.1. Газообразные горючие вэр
- 4 Кольцевой коллектор; 5 – смеситель;
- 8 Камера догорания; 9 трубчатый теплообменник; 10 горелка
- 1.2. Огневое обезвреживание шламов металлургических производств
- 1 Топка; 2 – барабанная печь; 3 – горелки для сжигания поверхностного масла;
- Глава 2. Утилизация высокотемпературных тепловых отходов
- 2.1. Газотрубные котлы-утилизаторы
- 1 Входная газовая камера; 2 испарительный барабан; 3 барабан сепаратора;
- 4 Сепарационное устройство; 5 трубы основного испарителя; 6 выходная камера;
- 7 Предвключенная испарительная поверхность
- 1 Газотрубная поверхность нагрева; 2 нижний барабан; 3 входная газовая камера;
- 4 Поворотная камера; 5 выходная газовая камера; 6 верхний барабан;
- 7 Пароперегреватель; 8 змеевики для разогрева при пуске
- 2.2. Водотрубные котлы-утилизаторы
- 4 Шламоотделитель; 5 – испаритель II ступени; 6 - балки; 7 - барабан; 8 – обдувочные линии; 9 - испаритель III ступени; 10 – экономайзер
- 2.3. Котлы-утилизаторы за обжиговыми печами серного колчедана
- 1 Печь с кипящим слоем; 2 испаритель, размещенный в кипящем слое;
- 3 Котел-утилизатор
- 1 Барабан; 2 вход газов; 3 труба в трубе;
- 4 Разделительная перегородка; 5 выход газов
- 1 К пароперегревателю, расположенному в кипящем слое;
- 2 От пароперегревателя; 3 испарительный блок; 4 ударная очистка
- 2.4. Установки сухого тушения кокса (устк)
- 2.5. Котлы-утилизаторы сталеплавильных конвертеров
- 1 Циркуляционные насосы; 2 – паровой аккумулятор; 3 — газоплотная юбка; 4 — горелки; 5 — подъемный газоход; 6 — барабан-сепаратор; 7 — конвективный испаритель;
- 12 Дымовая труба; 13, 14 — дымососы; 15смеситель; 16 — конвертер
- Глава 3. Энерготехнологические установки
- 3.1. Энерготехнологическое комбинирование в прокатном производстве
- 1 Проходная печь для нагрева металла; 2 нагреваемый металл; 3 газовые горелки;
- 4 Котел-утилизатор; 5 испарительные поверхности нагрева; 6 пароперегреватель;
- 7 Барабан; 8 водяной экономайзер; 9 воздухоподогреватель
- 3.2. Энерготехнологическое комбинирование в целлюлозно-бумажной промышленности
- 3.3. Энерготехнологическое комбинирование в доменном производстве
- Расчет тепловой схемы
- 3.4. Энерготехнологическое комбинирование при получении водорода
- 3.5. Охлаждение конструктивных элементов высокотемпературных установок
- 1 Теплообменная поверхность; 2 циркуляционный насос;
- Глава 4. Использование отработавшего пара
- 1 Производственная установка;
- 1 Производственный агрегат;
- 2 Пароочиститель; 3турбина мятого пара; 4турбина двойного давления;
- 5, 6 Тепловые аккумуляторы;
- Глава 5. Утилизация низкопотенциальных тепловых отходов
- 5.1. Утилизация теплоты загрязненных стоков
- 5.2. Утилизация теплоты агрессивных жидкостей
- 6 Теплообменники с промежуточным теплоносителем;
- 5.3. Утилизация теплоты вентиляционных выбросов
- 1 Приточный вентилятор; 2 вытяжной вентилятор; 3 пластинчатый теплообменник; 4 сборник конденсата; 5 фильтр наружного воздуха;
- 6 Фильтра удаляемого воздуха; 7 воздухонагреватель;
- 8 Воздухораспределитель
- Глава 6. Глубокое охлаждение продуктов сгорания
- 6.1. Влажный воздух, влажные продукты сгорания
- 6.2. Утилизация теплоты низкотемпературных дымовых газов
- 6.3. Расчет контактного экономайзера
- Глава 7. Парогазовые установки
- 7.1. Основные типы парогазовых установок
- 7.2. Количественные показатели термодинамических циклов пгу
- 7.3. Термическая эффективность парогазовых установок
- 7.4. Соотношения между параметрами газового и парового циклов
- 7.5. Парогазовые установки с впрыском пара
- 7.6. Модернизация котельных в тэц
- Глава 8. Энергосбережение в газовой промышленности
- 8.1. Опытно-промышленная газотурбинная расширительная станция (гтрс) на Среднеуральской грэс
- 8.2. Оптимальное использование теплоты уходящих газов газовых турбин
- 8.3. Теплоснабжение от утилизационных установок компрессорных станций
- Глава 9. Энергосбережение промышленности
- 9.1. Энергосбережение в котельных и тепловых сетях
- 1. Снижение потерь теплоты с уходящими газами
- 2. Потери теплоты с химической неполнотой сгорания
- 3. Потери теплоты в окружающую среду
- 4. Работа котельной установки в режиме пониженного давления
- 5. Температура питательной воды tв
- 6. Возврат конденсата в котельную
- 7. Использование тепловой энергии непрерывной продувки котлов
- 8. Режимы работы котельного оборудования
- 9. Перевод паровых котлов на водогрейный режим
- 10. Оптимизация работы насосного и тягодутьевого оборудования
- 9.2. Тепловые потери трубопроводов
- 9.3. Энергосбережение в компрессорном хозяйстве
- 9.4. Снижение теплопотерь за счет использования двухкамерного остекления
- 9.5. Система инфракрасного обогрева производственных помещений
- 8 Рабочие места в цехе
- Библиографический список
- 620002, Екатеринбург, ул. Мира,19
- 620002, Екатеринбург, ул. Мира,19