ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ГОРЮЧИХ ВТОРИЧНЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ РЕСУРСОВ

Использование горючих ВЭР на предприятиях связано с большими трудностями. Это объясняется тем, что количество горючих элементов в них ничтожно мало. Теплота сгорания горючих ВЭР, как и традиционных видов топлив, складывается из теплот сгорания горючих элементов, находящихся в составе ВЭР. Такие ВЭР при обычном способе их сжигания могут даже не воспламеняться. Поэтому горючие вторичные энергоресурсы целесообразно смешивать с обычными видами топлива перед их сжиганием в топках или подавать непосредственно в топочное устройство. Жидкие и газообразные горючие ВЭР выгодней сжигать в камерах сгорания газотурбинных установок, твердые горючие ВЭР сжигать в топках паровых котлов.

В качестве примера рассмотрим использование газообразных горючих ВЭР в газотурбинной установке с подводом теплоты при постоянном давлении, работающей на природном газе (рис.53). Эта установка по своей конструкции и принципу действия не отличается от обычной ГТУ, работающей в указанном режиме.

Рис.53. Принципиальная схема ГТУ с подводом теплоты при постоянном давлении и использованием горючих ВЭР:

1-компрессор; 2- камера сгорания; 3 – газовая турбина; 4– узел нагрузки.

Газотурбинная установка работает следующим образом. Сжатый в компрессоре (1) воздух в количестве, необходимом для горения топлива и разбавления продуктов сгорания до необходимой температуры, подается в камеру (2), куда одновременно вводится топливо и горючие ВЭР. В компрессоре воздух сжимается адиабатно (процесс 1-2) (см. рис.54). В камере сгорания при постоянном давлении за счет горения горючих элементов топлива температура повышается до 1800-2300 К. Из зоны горения дымовые газы поступают в зону смешения, куда вводится вторичный воздух. В результате их перемешивания температура газов на входе в турбину понижается до 1000-1200 К. Процесс горения и смешения газов происходит изобарно (процесс 2-3). Газовый поток, обладающий большим запасом потенциальной энергии, поступает на лопатки рабочего колеса турбины, где эта энергия преобразуется в механическую. Одна часть этой механической энергии используется для привода компрессора, а остальная часть передается внешнему потребителю. Процесс 3-4- расширения газа в турбине происходит по адиабате обычно до давления окружающей среды. Затем отработанные газы выбрасываются в атмосферу или используются в других аппаратах.

Рис.54. Термодинамический цикл ГТУ с подводом теплоты при постоянном давлении в Pυ и TS- диаграммах.

РАСЧЕТ ГТУ

Для расчета газотурбинной установки необходимы следующие данные:

1. Состав, массовый или объемный расход горючих ВЭР.

2. Параметры работы установки, работающей в обычном режиме: а) расход топлива; б) состав сжигаемого топлива; в) температура продуктов сгорания.

Общее количество горючей смеси

m_см^т = m_т + m_ВЭР, (10.30)

где m_т – массовый расход газообразного топлива, кг/с;

m_ВЭР – массовый расход горючих ВЭР, кг/с.

Массовое количество элементов в топливе:

, (10.31)

где - массовая доля i –того компонента в топливе;

- масса i –того компонента в топливе, кг/с.

Массовое количество элементов в горючих ВЭР:

(10.32)

где - массовая доля i –того компонента в составе горючих ВЭР; - масса i –того компонента в составе горючих ВЭР, кг/с.

Массы одинаковых элементов в смеси:

(10.33)

Массовая доля компонентов смеси:

, (10.34)

Записывая стехиометрическое уравнение горения горючих элементов в смеси, например 2 H₂ + O₂ = 2 H₂O, и определяется количество кислорода, необходимого для сжигания горючих элементов, а затем количество воздуха:

. (10.35)

Действительное количество воздуха, необходимого для горения:

, (10.36)

где α – коэффициент избытка воздуха.

Количество продуктов сгорания на 1 кг сжигаемой смеси определяется как сумма масс получаемых газов

(10.37)

Массовый состав продуктов сгорания:

, (10.38)

По диаграмме I-t определяется теоретическая температура дымовых газов и рассчитывается теплоемкость каждого компонента в пределах температур от t_н до t^теор

(10.39)

Теплоемкость смеси

, (10.40)

где С_i – удельная теплоемкость i –го компонента в продуктах сгорания, кДж/(кг К); - массовая доля i-того компонента.

Тепловой баланс при смешении продуктов сгорания с вторичным воздухом

m_пр.сг. ∙ С_пр.сг ∙ t^теор + G_возд ∙ С_возд ∙ t₂ = m_пр.сг ∙ С΄_пр.сг ∙ t₃ + G_возд ∙ С_возд∙t₃, (10.41)

где G_возд. – количество вторичного воздуха, кг/с; t₂ – температура воздуха после адиабатного сжатия его в компрессоре, ^оС; С΄_пр.сг. – удельная теплоемкость продуктов сгорания в пределах температур от t_н до t_3, кДж/(кг К); t₃ – температура рабочего тела на выходе из камеры сгорания, ^оС; С_возд – удельная теплоемкость воздуха.

Количество вторичного воздуха

(10.42)

Производительность компрессора

М_компр. = + G_возд (10.43)

Количество газов, поступающих на рабочее колесо турбины

М_г = m_пр.сг. + G_возд (10.44)

Температура газов на выходе из турбины

(10.45)

где К – показатель адиабаты расширения; Р₃ – давление дымовых газов, Па;

Р₄ – атмосферное давление, Па;

Т₃ – температура дымовых газов на входе в турбину, К.

Энтальпия газов

i₃ = С_см∙t₃; (10.46)

i₄ = С΄_см ∙ t₄, (10.47)

где i₃, i₄ – энтальпия газов на входе и выходе из турбины, кДж/кг; С_см, С΄_см – теплоемкость газов на входе и выходе из турбины, кДж/(кг К).

Мощность турбины

N = M_г (i₃ - i₄) (10.48)

Мощность компрессора

N_компр. = M_компр. (i₂ – i₁) (10.49)

где i₁ и i₂ – энтальпия воздуха до и после сжатия в компрессоре, кДж/кг.

Термический коэффициент полезного действия

η = 1-[1 / π^k-1/k], (10.50)

где π = Р₂ / Р₁ – степень повышения давления в компрессоре; К – показатель адиабаты сжатия (для воздуха К = 1,4).

По найденным значениям М_компр, N и π по каталогам подбирают компрессор.