УДК 536.7

Ексергетичний аналіз простого, регенеративного циклів ГТУ та «Водолія»

Крушневич С.П., аспірант
П’ятничко О.І., к.т.н., с.н.с. Інститут газу Національної академії наук України.
03113, м. Київ, вул. Дегтярівська, 39.

---

Проведено порівняльний аналіз ексергетичних діаграм простого, регенеративного циклів та «Водолія». Запропоновано методи підвищення термодинамічної ефективності циклів газотурбінних установок.
Ключові слова: ексергія, аналіз, ГТУ, ГТД, простий цикл, регенеративний цикл, Водолій.

Выполнен сравнительный анализ эксергетических диаграмм простого, регенеративного циклов и «Водолея». Предложены методы повышения термодинамической эффективности циклов газотурбинных установок.
Ключевые слова: эксергия, анализ, ГТУ, ГТД, простой цикл, регенеративный цикл, Водолей.

The papers show a comparative analysis exergetic diagrams simple, regenerative cycles and "Aquarius" Methods for increasing the thermodynamic efficiency of gas turbine cycles.
Keywords: exergy, analysis, GTU, simple cycle, regenerative cycle, Aquarius.

---

Вступ

Ексергія - максимальна робота, яку може виконати термодинамічна система при переході від початкового стану до стану рівноваги з навколишнім середовищем. Використання поняття ексергії дає можливість кількісно визначити вплив нерівноважності термодинамічних процесів на ефективність перетворення енергії, тобто дозволяє врахувати особливості другого закону термодинаміки: виділити ту частину енергії, яка не може бути використана через газодинамічні явища, таких як тертя та теплообмін. Такий підхід дозволяє аналізувати ступінь термодинамічної досконалості того чи іншого елемента установки і не вимагає попередньої оцінки працездатності всієї установки в цілому [1]. Завдяки використанню поняття ексергії можна визначити елементи термодинамічної системи, де існують великі втрати потенційної роботоздатності системи.

 

Розрахунок ексергії

Ексергія, що віднесена до нульового стану, представляє собою максимальну роботу речовини, яка переводиться з початкового стану в стан рівноваги з оточуючим середовищем [2]:

Р•=(I_i - I₀) - T₀∙(S_i - S₀), кДж

де:     I_i, S_i      - ентальпія та ентропія потоку при його початкових параметрах, кДж і кДж/К відповідно;

В В В В В В В В  I₀, S₀В В В В  - РµРЅС‚альпія та ентропія потоку РїСЂРё температурах навколишнього середовища, кДж С– кДж/Рљ РІС–РґРїРѕРІС–РґРЅРѕ.

В В В В В В В В  Рў₀В В В В В В В В  - температура навколишнього середовища, Рљ.

Виходячи з визначення ексергії, хімічна ексергія палива може бути прийнята як теплота згоряння палива та енергія самого потоку:

Е_пг=(Q_н·q_пг + E_{пг.вх.}), кДж (1)

де:     Q_н        - нижча теплота згоряння палива (природного газу), кДж/кг;

         q_пг        - витрата палива, кг;

         Е_{пг.вх.}    - Ексергія потоку палива, кДж;

Р С–РІРЅСЏРЅРЅСЏ (1) може дати лише наближене значення ексергії палива. РЇ. РЁР°СЂРіСѓС‚ РІ [2, СЃС‚. 75; 3] приводить табличні значення нормальної хімічної ексергії газоподібних вуглеводнів для СѓРјРѕРІ t_Рї=25 В°РЎ, p_Рї=101,325 РєРџР° (РІ таблиці 1 РїСЂРёРІРµРґРµРЅС– параметри найбільш розповсюджених вуглеводнів).

 

Таблиця 1. Стандартна ентальпія та ексергія для органічних речовин РїСЂРё t_Рї=25 В°РЎ, p_Рї=101,325 РєРџР°.

 

Для іншої температури оточуючого середовища Рў₀ ексергія палива розраховується Р·Р° РґРѕРїРѕРјРѕРіРѕСЋ наступної формули [4]:

, кДж/кг

де:            - нормальна хімічна ексергія палива, кДж/кмоль;

В В В В В В В В  ΔH^{0В В В В В В В В В}  - РІС–Рґ'ємна вільна ентальпія реакції, кДж/кмоль;

         М         - молярна маса, кг/кмоль.

 

В залежності від типу газів використовується поправочний коефіцієнт j_ch, таблиця 2 [4].

 

Таблиця 2. Типові значення поправочного коефіцієнта для хімічної та фізичної ексергії.

 

РЈ РІСЃС–С… розрахунках параметри прийняті Р·РіС–РґРЅРѕ ISO-2314 T₀=15°С, Р·РІС–РґСЃРё питома хімічна ексергія РїСЂРёСЂРѕРґРЅРѕРіРѕ газу становить:

кДж/кг

 

Важливою характеристикою ексергетичного аналізу являється значення втрат ексергії по вузлам.

Втрати ексергії для компресора та турбіни виражається в тому, що прийнята чи віддана робота «на валу» не відповідає різниці ексергій між входом та виходом вузла і виражається наступною формулою:

Рџ=(E₂ - E₁) - N, кДж

РґРµ:В В В В  Р•₁, Р•₂В В  - ексергії потоків РЅР° РІС…РѕРґС– та РІРёС…РѕРґС– вузла, кДж.

         N          - корисна робота, кДж.

 

Для теплообмінника втрата ексергії виражається в тому, що різниця ексергій між входом і виходом одного потоку не дорівнює різниці ексергій між входом і виходом другого потоку:

П=(Е_гр1 - Е_гр2) - (Е_{нагр1} - Е_{нагр2}), кДж

де:     Е_гр1, Е_гр2           - ексергія першого потоку на вході та виході з теплообмінника, кДж.

         Е_{нагр1}, Е_{нагр2}      - ексергія другого потоку на вході та виході з теплообмінника, кДж.

Вибір схем для аналізу

Для аналізу було вибрано такі термодинамічні цикли ГТУ: простий, регенеративний та «Водолій».

Схема ГТД простого відкритого циклу (циклу Брайтона) представлена на рис. 1. Компресор стискає повітря і подає його в камеру згоряння, в яку також подається паливо. Під час горіння відбувається інтенсивне виділення тепла, що призводить до збільшення об’єму газоподібних продуктів згорання. Продукти згорання подаються на турбіну, де вони розширюються і приводять в рух компресор. На турбіні виникає надлишок потужності, який використовується для виконання корисної роботи, наприклад, привод електрогенератора, компресора газоперекачуючого агрегату та інше.

Рисунок 1. Схема ГТД простого циклу

К – компресор; Т – турбіна; Г – генератор; КС – камера згоряння

 

Основою для моделі ГТД простого циклу прийнято двигун UGT10000 [3], який представляє собою ГТД простого циклу на базі двигуна ДН70 з основними характеристиками, що вказані в таблиці 1.

 

Таблиця 1. Зведені характеристики ГТУ.

Примітка: *. Розрахункові данні.

 

Суть регенеративного циклу полягає в тому, що димові гази з виходу турбіни використовуються для додаткового нагрівання повітря після компресора.

 

Рисунок 2. Схема регенеративного циклу ГТД

РТО – регенеративний теплообмінник.

 

Завдяки підігріву повітря перед камерою згорання знижується необхідна кількість палива для досягнення тієї ж температури на виході камери згорання, що і без регенерації тепла. Це призводить до підвищення ефективності ГТУ.

РћСЃРЅРѕРІРѕСЋ для моделі регенеративного циклу прийнято ГТК-10Р  [5] (табл. 1).

ПГТУ «Водолій» представляє собою цикл STIG (впорскування пари в камеру згорання) з утилізацією водяної пари, що викидається в атмосферу з продуктами згорання (рис. 3). В залежності від температури оточуючого середовища це дозволяє майже повністю забезпечити ГТД живильною водою, а у холодний період року навіть з'являється надлишок води.

Рисунок 3. Схема циклу «Водолій».

ДА – деаератор; Н – насос; С – сепаратор; КУ – котел-утилізатор; КТ – контактний теплообмінник.

 

Основою для моделі циклу «Водолій» прийнято ГПТУ «Водолій -16» [3] (таб.1).

 

Діаграми ексергетичного балансу циклів ГТУ

РќР° РѕСЃРЅРѕРІС– даних таблиці 1 Р· використанням методики [6] побудовано моделі термодинамічних циклів Р·Р° РґРѕРїРѕРјРѕРіРѕСЋ програмного комплексу ГазКондНафта [7], що дозволило отримати значення ентропії та ентальпії РїРѕ ключовим потокам С– визначити перетворення ексергії РїРѕ РІСЃС–Рј вузлам циклу. РќР° РѕСЃРЅРѕРІС– цих даних побудовані діаграми перетворень ексергії: простого циклу (СЂРёСЃ. 4), регенеративного циклу (СЂРёСЃ. 5) та «Водолій» (СЂРёСЃ. 6).

Рисунок 4. Діаграма ексергетичного балансу ГТД простого циклу

 

Рисунок 5. Діаграма ексергетичного балансу ГТД регенеративного циклу

 

Рисунок 6. Діаграма ексергетичного балансу ГТД «Водолій»

 

РЇРє РІРёРґРЅРѕ Р· діаграм, втрати ексергії РІ камері згорання зростають РїСЂРё знижені температури початку циклу внаслідок змішування холодного повітря та пари Р· гарячими продуктами Р·РіРѕСЂСЏРЅРЅСЏ, що виникають РїС–Рґ час РіРѕСЂС–РЅРЅСЏ РІ первинному факелі камери згорання. Серед представлених моделей найвища температура РЅР° РІРёС…РѕРґС– Р· камери згорання РІ установці простого циклу – 1200 °С, РїСЂРё цьому втрати ексергії РІ камері Р·РіРѕСЂСЏРЅРЅСЏ становлять 25,4 % РІС–Рґ ексергії палива. РЈ «Водолія» - 30,9 % РїСЂРё температурі початку циклу 1093 °С. Р’ установці регенеративного циклу - 31,7 % РїСЂРё 810 В°C.

Порівнюючи моделі простого циклу та «Водолія» можна помітити, що ексергія продуктів згорання на виході з турбіни у «Водолія» (потік № 12) має відносну ексергію вищу, ніж у простому циклу, при тому, що базовий двигун один і той-же. Це пов’язано з тим, що в потоці продуктів згорання «Водолія» додатково присутня пара, що має порівняно високу енергоємність.

Відносно низький ККД регенеративного циклу, що приведений у цій статті, пов’язаний з тим, що базовий двигун сам по собі мав низький ККД і працював при низькій температурі початку циклу (810 °С), тоді як на сьогоднішній день вже серійно випускаються ГТД з температурою початку циклу вище 1200 °C, при цьому в деяких моделях температура може досягати 1600…1700 °С [8, 9, 10].

Як видно з діаграм, досить велика частина палива (40-50 %) витрачається на привід повітряного компресора і тому варто звернути особливу увагу на зниження цієї потужності. Знизити затрати на привід компресора можна за рахунок зниження витрати повітря, і як наслідок підвищення температури на виході з камери згоряння.

Відомі й інші методи зниження витрат на роботу компресора – це охолодження повітря між ступенями компресора за рахунок впорскування води [11] або охолодження повітря на вході в компресор.

Інший шлях зниження витрати повітря через компресори - використання пари замість повітря для охолодження лопаток турбін [12]. В моделі простого циклу ексергія потоку, що подається на охолодження лопаток турбін, становить 6,3 %, регенеративний – 2,1 %, «Водолія-16» - 5,4 %. Завдяки тому, що питома теплоємність пари вища, ніж у повітря, для охолодження лопаток витрачається менше пари, ніж повітря.

На ексергетичних діаграмах також видно, що з двигуна викидається велика кількість низькопотенційного тепла:

• Простий цикл - 29 % ексергії РїСЂРё температурі продуктів Р·РіРѕСЂСЏРЅРЅСЏ 500 °С;
• Регенеративний цикл - 24 % РїСЂРё 275 °С;
• «Водолій» - 10 % РїСЂРё 180 В°C.

За попередніми підрахунками при використані пентанового циклу для утилізації тепла продуктів згорання, що викидаються у атмосферу [13], можна додатково отримати:

• Простий цикл - 3 РњР’С‚ (+30 %) електричної енергії;
• регенеративний - 2 РњР’С‚ (+20 %);
• «Водолій-16В» - 0,9 РњР’С‚ (+ 6 %).

У випадку «Водолія» додатковий теплообмінник низькопотенційного утилізатора тепла встановлюється за котлом-утилізатором перед контактним теплообмінником. При цьому помітно знижується навантаження на контактний теплообмінник, так як температура продуктів згорання на виході низькопотенційного утилізатора становить біля 80 °С.

 

Р’РёСЃРЅРѕРІРєРё

Проведені розрахунки та побудовані ексергетични діаграми термодинамічних циклів дозволили виявити РѕСЃРЅРѕРІРЅС– місця та масштаби втрат ексергії палива. Проведено аналіз літературних джерел С– запропоновано варіанти підвищення ефективності термодинамічних циклів. Використання пари замість повітря для охолодження лопаток турбін може знизити витрати ексергії палива РЅР° РїСЂРёРІС–Рґ компресора РґРѕ 6 %. Утилізація низькопотенційного тепла дозволяє отримати додаткову електричну енергію РґРѕ 6 % для «Водолія», РґРѕ 20 % для регенеративного циклу С– РґРѕ 30 % для простого циклу. Зволоження повітря Сѓ компресорах або міжступеневе охолодження також дозволяють знизити затрати роботи РЅР° РїСЂРёРІС–Рґ компресора С– тим самим підвищити загальний РљРљР” установки. Підвищення температури РЅР° РІС…РѕРґС– РІ турбіну можливо лише для РЅРѕРІРёС… моделей РґРІРёРіСѓРЅС–РІ С– РїСЂРё температурах вище 1200…1300 В°РЎ пов’язане Р· суттєвим ускладненням схеми охолодження лопаток турбін та використанням більш РґРѕСЂРѕРіРёС… елементів конструкції. РўРѕРјСѓ це практикується переважно для ГТД великої потужності (понад 100…200 РњР’С‚).

 

Література

1. Самсонов А.�. Эксергетический анализ работы тепловых машин. Противоречия и неточности в учебниках по технической термодинамике [Текст] / А.�.Самсонов // Кораблестроение, океанотехника, вопросы экономики. Выпуск 25. – Владивосток, 2002. - С. 21-22

2. Эксергетический метод и его приложения [Текст] / под ред.. В.М. Бродянского. – М. : Мир, 1967. - 248 с.

3. Газотурбинные двигатели для использования в газотранспортных сетях [Текст] // Рекламный проспект НПО Зоря-Машпроект, 2004.

4. Somkiat Boonnasa. Exergy Evaluation of the EGAT (Block 1) Combined Cycle Power Plant [Текст] / Somkiat Boonnasa, Pichai Namprakai // Department of Energy Technology, King Mongkut’s University of Technology Thonburi, Bangkok, Thailand. The Joint International Conference on “Sustainable Energy and Environment (SEE)” 1-3 December 2004, Hua Hin, Thailand. #4-004 (O), p. 437-441.

5. Технико-коммерческое предложение на ремонт с восстановлением технических характеристик турбоблоков газоперекачивающих агрегатов ГТК-10 [Електронний ресурс]// Санкт-Петербург. Режим доступу: www.nzl.spb.ru/production/turbines/tkp_gtk-10.doc

6. Денисов, �.Н. К анализу табличных данных проспектов ПГУ методом термодинамического анализа [Текст] / �.Н. Денисов, А.В. Зюганов // Газотурбинные технологии. - Октябрь 2008. - С. 1-3

7. Программный комплекс ГазКондНефть [Электронный ресурс] // Режим доступа: http://gascondoil.com/

8. Елисеев Ю. Перспективные технологии производства лопаток ГТД [Електронний ресурс] / Елисеев Ю. // Режим доступу: http://engine.aviaport.ru/issues/17/page04.html

9. В ITO Shoko. Conceptual design and cooling blade development of 1700В°C class high-temperature Gas Turbine / ito Shoko, saeki Hiroshi, inomata Asako, ootomo Fumio, yamashita Katsuya, fukuyama Yoshitaka, koda Elichi, Takehashi Toru, Sato Mikio, Koyama Miki, Ninomiya Toru. // Japon Journal of engineering for gas turbines and power. ISSN 0742-4795 ITO Shoko 2005, vol. 127, #2, pp. 358-368.

10. EISAKU ITO. Development of Key Technology for Ultra-high-temperature Gas Turbines / Eisaku Ito, Keizo Tsukagoshi, Akimasa Muyama, Junichiro Masada, Taiji Torigoe // Mitsubishi Heavy Industries Technical Review Vol. 47, #1 March 2010. pp.: 19-25.

11. Беляева С.О. Современные методы повышения эффективности парогазовых установок /  С.О. Беляева, В.А. Коваль // Вестник национального технического университета «ХП�». – 2008. - № 35. - С. 8-13.

12. Цирков М. Б. Совершенствование утилизационных пгу за счет использования парового охлаждения газовых турбин [Текст] : автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. / Цирков М. Б. М:., 2007.

13. Пятничко В.А. Утилизация низкопотенциального тепла для производства электроэнергии с использованием пентана в качестве рабочего тела [Электронный ресурс] / Пятничко В.А., Крушневич Т.К., Пятничко А.�. // Режим доступа: http://sergeyk.kiev.ua/tech/n-pentan/

24.02.2010