wpływ wtrysku pary do komory spalania na własności energetyczne

MODELOWANIE INŻYNIERSKIE
32, s. 199-204, Gliwice 2006
ISNN 1896-771X
WPŁYW WTRYSKU PARY DO KOMORY SPALANIA
NA WŁASNOŚCI ENERGETYCZNE TURBINY GAZOWEJ
KRZYSZTOF JAN JESIONEK
ANDRZEJ CHRZCZONOWSKI
Wydziałowy Zakład Maszyn Przepływowych, Politechnika Wrocławska
Streszczenie. W pracy przedstawiono zmiany własności energetycznych turbiny
gazowej wywołane wtryskiem pary (wytworzonej w kotle odzyskowym) do
komory spalania turbiny. Rozpatrywane są zarówno sprawność elektryczna instalacji jak i moc jednostkowa. Parametry pary na wyjściu z kotła zależne są od własności termodynamicznych spalin opuszczających turbinę. Te ostatnie zmieniają się
wraz ze strumieniem wtryskiwanej pary. Także strumień masy paliwa podawanego
do komory spalania jest funkcją strumienia masy pary. Technika komputerowa
umożliwia wykonanie skomplikowanych obliczeń takiego układu i przeprowadzenie określonych symulacji. W obliczeniach uwzględniana jest zmiana składu
chemicznego spalin i ich własności termodynamicznych. Z obliczeń wynika, że
układ taki charakteryzuje się bardzo korzystnymi własnościami, zwłaszcza w
zastosowaniu jako mały układ kogeneracyjny.
1. WPROWADZENIE
Zarówno sprawność elektryczna układu turbiny gazowej jak i parowej jest ograniczona
temperaturą dolnego bądź górnego źródła ciepła. Jedną z metod wpływającą na znaczne
podniesienie sprawności jest skojarzenie cieplne układu gazowego z parowym, w wyniku
czego powstaje układ gazowo–parowy. Składa się on zwykle z dwóch bloków: gazowego i
parowego, dwóch generatorów i rozbudowanego kotła odzyskowego oraz wielu urządzeń
pomocniczych. Moce znamionowe są zwykle wysokie, gdyż pozwala to na uzyskanie najwyższych sprawności elektrycznych. Z kolei duże moce utrudniają wprowadzanie kogeneracji,
gdyż konieczna jest silna rozbudowa sieci ciepłowniczych, a znaczna odległości odbiorców od
jego źródła prowadzi do wystąpienia dużych strat ciepła do otoczenia. Taka konfiguracja
elektrowni charakteryzuje się wysokimi kosztami inwestycyjnymi, co skutecznie hamuje rozprzestrzenianie się takich układów.
Układ Chenga – z wtryskiem pary do komory spalania – jest układem gazowo–parowym, w
którym obieg gazowy łączy się z parowym w komorze spalania. W turbinie następuje
rozprężanie zarówno spalin jak i pary wytworzonej w kotle odzyskowym. Układ składa się
tylko z turbiny gazowej, jednociśnieniowego kotła odzyskowego i stosunkowo małej ilości
elementów pomocniczych. Jego specyfika powoduje, że wysokie sprawności elektryczne
osiągane są także w małych systemach [3]. Ponadto spaliny opuszczające komorę spalania
zawierają niewielkie ilości składników toksycznych, dzięki czemu nie jest konieczne in-
200
K. J. JESIONEK, A. CHRZCZONOWSKI
stalowanie kosztownych systemów oczyszczania spalin [2]. Stosunkowo małe moce
znamionowe oraz wysoka czystość spalin umożliwiają instalowanie elektrociepłowni w pobliżu
odbiorców indywidualnych, co skraca drogę przesyłu ciepła i zmniejsza straty przesyłowe, a
duża elastyczność [3] pozwala na realizację szybkich zmian mocy cieplnej i dobre dopasowanie
produkcji do zapotrzebowania, a więc wyeliminowanie zrzutu nadmiaru ciepła do otoczenia.
Schemat układu Chenga przedstawiony jest na rys. 1 [1]. Powietrze zasysane z otoczenia
(1) sprężane jest w sprężarce do ciśnienia p2, po czym następuje jego ogrzanie poprzez spalanie paliwa w komorze spalania. Ogrzany czynnik o temperaturze t3 dopływa do turbiny, w
której następuje jego rozprężanie do ciśnienia p4, w wyniku czego następuje generowanie
mocy mechanicznej odprowadzanej wałem do sprężarki i generatora elektrycznego. Czynnik
rozprężony w turbinie posiada jeszcze stosunkowo wysoką entalpię pozwalającą na uzyskanie
w kotle odzyskowym pary wodnej.
Do układu doprowadzana jest odpowiednio uzdatniona woda (6), przetłaczana przez kocioł
za pomocą pompy wodnej. Jest ona podgrzewana i odparowana, po czym następuje przegrzew
pary. Jednocześnie przepływający po stronie spalinowej czynnik grzewczy ulega schłodzeniu,
po czym zrzucany jest on do otoczenia (5). Jeśli występuje zapotrzebowanie na moc cieplną, z
kotła odzyskowego pobierana jest para nasycona bądź przegrzana i kierowana do
wymienników ciepła (9). Jeśli zapotrzebowanie na moc cieplną maleje, część strumienia pary
może zostać skierowana do komory spalania (8), w której następuje wymieszanie z gazami
spalinowymi. Uzyskana w ten sposób mieszanina rozprężana jest w turbinie, w wyniku czego
następuje zwiększenie strumienia masy rozprężanego czynnika roboczego, a więc i mocy
wewnętrznej turbiny. Ponieważ zmianie ulegają przy tym także własności termodynamiczne
czynnika, więc rośnie rozporządzalny spadek entalpii w turbinie, co dodatkowo zwiększa jej
moc wewnętrzną. W układach tego wzrost mocy elektrycznej (spowodowany wtryskiem pary
do komory spalania) dochodzi do poziomu 60 % i zależy od wielu czynników [2].
5
pal
2
KO
para
KS
S
7
3
9
T
G
4
1
6
8
pal
pow
Rys. 1. Schemat układu Chenga
2. OBLICZENIA UKŁADU
Obliczenia układu zostały przeprowadzone za pomocą modelu komputerowego
zaimplementowanego w ramach pracy doktorskiej na Politechnice Wrocławskiej. Model składa
się z modułów sprężarki, komory spalania, turbiny i kotła odzyskowego. Każdy moduł
wykorzystuje bilansowanie masy i energii. Do obliczeń parametrów powietrza, składników
spalin oraz wody i pary wodnej wykorzystywane są algorytmy wielomianowe własności poszczególnych składników czynnika obiegowego traktowanego jako rzeczywisty.
WPŁYW WTRYSKU PARY DO KOMORY SPALANIA NA WŁASNOŚCI ENERGETYCZNE...
201
Jeśli zostanie wprowadzona umowna osłona bilansowa układu Chenga, przedstawionego na
rys. 1, to bilans energetyczny może zostać zapisany w następującej postaci
m& pal ⋅ (hpal + ech ) + m& pow ⋅ h1 + m& H 2O ⋅ h6 + N pw + N cp = m& sp ⋅ h5 + N el + Q& g ,
gdzie:
m& pow
m& pal
m& H2O
m& sp
hpal
ech
h1
h6
Npw
Ncp
h5
Nel
Q& g
(1)
– strumień masy powietrza doprowadzanego ze sprężarki
– strumień masy paliwa
– strumień masy pary wodnej i wody
– strumień masy spalin odprowadzanych do turbiny
– entalpia paliwa doprowadzonego do komory spalania
– energia chemiczna paliwa
– entalpia zasysanego do układu powietrza
– entalpia doprowadzanej wody
– moc pompy wody zasilającej
– moc sprężarki paliwa
– entalpia spalin odprowadzanych do otoczenia
– moc elektryczna odbierana z zacisków generatora elektrycznego
– moc grzewcza układu.
W układach energetycznych istotną rolę odgrywa sprawność procesu generacji energii
elektrycznej, nazwanej w skrócie dla potrzeb pracy sprawnością elektryczną układu
ηel =
N el − N pw − N cp
,
m& pal ⋅ ech
(2)
oraz sprawność grzejna
Q& g
.
m& pal ⋅ ech
(3)
N el = ( N ti − N ci ) ⋅ ηm ⋅ ηg ,
(4)
ηg =
Moc elektryczna układu wynosi
gdzie: Nti, Nci – odpowiednio moc wewnętrzna turbiny i sprężarki
ηm, ηg – sprawność mechaniczna turbozespołu i elektryczna generatora.
W celu określenia strumienia masy wtryskiwanej do komory spalania pary wprowadzony został
względny strumień pary definiowany zależnością
km =
m& H 2O
.
m& pow
(5)
Specyfika układu Chenga powoduje, że do obliczeń własności energetycznych układu
konieczne jest zastosowanie zaawansowanych metod obliczeniowych umożliwiających iteracyjne wyznaczenie niektórych parametrów. Zmiana strumienia wtryskiwanej do komory spalania pary powoduje zmianę składu chemicznego, a więc i własności termodynamicznych
czynnika rozprężanego w turbinie i dalej chłodzonego w kotle odzyskowym. Jeśli czynnik ma
być traktowany jako mieszanina gazów rzeczywistych, to konieczne jest wykorzystanie do
obliczeń własności termodynamicznych rozbudowanych zależności wielomianowych. Szczególnie duże znaczenie mają tu algorytmy do wyznaczania własności pary wodnej z uwagi na
stosunkowo niewielkie oddalenie parametrów od punktu krytycznego.
202
K. J. JESIONEK, A. CHRZCZONOWSKI
3. WYNIKI OBLICZEŃ
Przy wykorzystaniu wspomnianego modelu komputerowego przeprowadzono obliczenia w
szerokim zakresie zmienności podstawowych parametrów układu. Niektóre wyniki tych
obliczeń przedstawiono poniżej. Przeprowadzono je dla następujących danych wejściowych:
– spręż całkowity sprężarki πc = 2÷80,0
– temperatura czynnika na wlocie do turbiny t3 = 600÷1600 °C
– sprawność wewnętrzna sprężarki ηic = 0,86
– sprawność wewnętrzna obu części turbiny ηit = 0,90
– temperatura powietrza na wlocie do układu t1 = 10,0 °C
– temperatura wody na wlocie do układu t6 = 10,0 °C
– ciśnienie otoczenia p1 = 0,1 MPa
– ciśnienie wody na wlocie do układu p6 = 0,1 MPa
– skład wagowy paliwa: 95 % CH4, 5 % N2
– sprawność mechaniczna turbozespołu ηm = 0,99
– sprawność elektryczna generatora ηg = 0,995
– wilgotność względna powietrza na wlocie do układu φ1 = 60 %
– współczynniki strat ciśnienia w kanale dolotowym sprężarki, komorze spalania, układzie
wylotowym turbiny i kotle odzyskowym wynoszą odpowiednio: ξ1 = 0,007, ξ2 = 0,02, ξ3 =
0,03, ξ4 = 0,035
– straty ciepła w komorze spalania ξks = 0,01.
Założone zostało spalanie całkowite i zupełne, w wyniku czego w spalinach występuje jedynie
dwutlenek węgla, para wodna, azot i tlen.
Rys. 2 przedstawia charakterystykę podstawową układu Chenga dla kilku wybranych
wartości sprężu i temperatury spalin na wlocie do turbiny t3 = 1000 ºC. Dolne krzywe charakterystyki przedstawiają przypadek bez wtrysku pary do komory spalania, a więc cały strumień masy pary wytworzonej w kotle odzyskowym kierowany jest do wymienników ciepła i
służy do celów grzewczych.
Nel 5000
[kW]
4500
4000
3500
πc
3000
5
2500
10
20
2000
30
1500
1000
500
0
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
Nc [kW]
Rys. 2. Charakterystyka podstawowa w zależności od sprężu: t3 = 1000 ºC
Wraz ze wzrostem temperatury spalin na wlocie do turbiny t3 rośnie moc elektryczna i
cieplna. Po osiągnięciu maksymalnej wartości temperatury t3 możliwy jest dalszy wzrost mocy
elektrycznej poprzez skierowanie części pary wytworzonej w kotle odzyskowym do komory
WPŁYW WTRYSKU PARY DO KOMORY SPALANIA NA WŁASNOŚCI ENERGETYCZNE...
203
spalania, co wiąże się ze spadkiem mocy cieplnej. Przypadek ten przedstawiony jest górnymi
krzywymi charakterystyki. Maksymalna moc elektryczna osiągana jest przy skierowaniu całego
strumienia pary do komory spalania. Moc cieplna jest wtedy równa zeru.
Na rys. 3 przedstawiona została zależność sprawności elektrycznej układu Chenga od
strumienia masy wtryskiwanej do komory spalania pary, reprezentowanego względnym
strumieniem pary km. Wpływ wtrysku pary jest wyraźny dla każdej z rozpatrywanych
temperatur t3, a możliwe do uzyskania przyrosty sprawności są tym większe, im wyższa jest
temperatura t3. Wiąże się to z wielkością strumienia masy pary wytwarzanej w kotle
odzyskowym. Im wyższa jest temperatura t3, tym wyższa jest temperatura t4 na wlocie do kotła
odzyskowego, a więc możliwe jest wytworzenie większego strumienia pary o odpowiednich
parametrach. Wobec tego także przyrosty jednostkowej mocy elektrycznej spowodowane
wtryskiem pary do komory spalania będą zależne od temperatury i będą tym większe, im
wyższa jest temperatura t3. Zależność jednostkowej mocy elektrycznej od strumienia
wtryskiwanej do komory spalania pary przedstawiona jest na rys. 4.
ηel 0,45
0,43
0,41
0,39
t3
0,37
800
0,35
1000
0,33
1200
0,31
1400
0,29
0,27
0,25
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
0,3
km
Rys. 3. Zależność sprawności elektrycznej układu Chenga
od względnego strumienia wtryskiwanej do komory spalania pary
Nel 1000
900
800
700
t3
600
800
500
1000
400
1200
300
1400
200
100
0
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
0,3
Rys. 4. Zależność jednostkowej mocy elektrycznej układu Chenga
od względnego strumienia wtryskiwanej do komory spalania pary
km
204
K. J. JESIONEK, A. CHRZCZONOWSKI
4. PODSUMOWANIE
Obliczenia numeryczne układu Chenga wykazują jednoznacznie korzystne pod względem
energetycznym działanie wtrysku pary na własności układu turbiny gazowej. Wtrysk pary
wytworzonej w kotle odzyskowym do komory spalania powoduje wzrost zarówno sprawności
jak i mocy elektrycznej. Przyrosty mocy i sprawności zależne są od wielu parametrów, w
szczególności od temperatury czynnika na wlocie do turbiny. Im jest ona wyższa, tym większy
jest strumień pary wytwarzanej w kotle odzyskowym, a więc większy strumień czynnika
rozprężany w turbinie.
Wysokie wartości sprawności elektrycznej, także dla małych mocy znamionowych,
powodują, że układ Chenga jest idealny do zastosowań jako mały układ kogeneracyjny,
współpracujący z niewielką siecią ciepłowniczą. Niewielkie zmiany temperatury elementów
konstrukcyjnych kotła odzyskowego w przypadku dokonywania zmiany mocy cieplnej od 0 do
100 % są przyczyna dużej elastyczności instalacji tego typu, dzięki czemu minimalizowane są
straty ciepła. Ponieważ kształt charakterystyki układu zależny jest od temperatury t3, więc
istnieje możliwość dobrego dopasowania charakterystyki do konkretnego zapotrzebowania.
Zależność sprawności od temperatury t3 i sprężu całkowitego ma charakter podobny jak w
przypadku tradycyjnej turbiny gazowej. Poszczególne krzywe sprawności posiadają maksimum
dla określonej wartości sprężu, jednak odpowiadają im większe wartości sprawności, niż dla
tradycyjnej turbiny gazowej.
LITERATURA
1. Jesionek K., Chrzczonowski A.: Układ Chenga jako proekologiczne źródło energii
elektrycznej i cieplnej, 4–th International Science–Practical Conference „Energy Saving
Problems”, Lviv Polytechnic National University, Lwów 2003, s. 271–275.
2. Kellerer A., Spangenberg C.: Operating experience with a Cheng–cycle unit, Concept and
technical characteristics, VGB PowerTech., 11/98, s. 16–20.
3. Kwanka K.: Flexible Stromerzeugung mit Gasturbinen. Fachtagung Gasturbinen in der
Praxis. Köln, März 1999.
THE INFLUENCE OF INJECTION OF STEAM INTO COMBUSTION
CHAMBER ON THE GAS TURBINE PROPERTIES
Summary. Some changes in energetic properties occurring in the course of gas
turbine work caused by steam injection into the combustion chamber of a heat
recovery boiler have been discussed. Both the electric efficiency of the installation
as the unit power are taken into consideration. The parameters of steam leaving the
boiler depend on the thermodynamic property of the exhaust gases. The later ones
change simultaneously with the steam. Also the fuel supplied to combustion
chamber depends on the steam state. The computer technique makes possible to
achieve even the most complicated calculations and to realize necessary
simulations. In the calculations some changes in chemical composition and
thermodynamic properties of gases are taken into account. As follows from the
calculations such a system shows very positive properties and specially when a
small cogeneration system is applied.