WPŁYW WTRYSKU PARY DO KOMORY SPALANIA NA WŁASNOŚCI ENERGETYCZNE TURBINY GAZOWEJ

MODELOWANIE INŻYNIERSKIE ISNN 1896-771X 32, s. 199-204, Gliwice 2006

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 instala- cji jak i moc jednostkowa. Parametry pary na wyjściu z kotła zależne są od własno- ści 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 przeprowa- dzenie 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 najwyż- szych 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 roz- przestrzenianie 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-

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 spala- nie 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].

S

KS

T

G 1

2 3

4 pow

pal KO

pal 5

6 7

8 para

pal

9

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 po- szczególnych składników czynnika obiegowego traktowanego jako rzeczywisty.

Jeśli zostanie wprowadzona umowna osłona bilansowa układu Chenga, przedstawionego na rys. 1, to bilans energetyczny może zostać zapisany w następującej postaci

(

)

pal h e m h m h N N m h N Q

m& ⋅ + + & ⋅ 1+ & 2 ⋅ 6+ + = & ⋅ 5+ + & , (1) gdzie: m& ^pow – strumień masy powietrza doprowadzanego ze sprężarki

m& pal – strumień masy paliwa

m& ^H2O – strumień masy pary wodnej i wody

m& sp – strumień masy spalin odprowadzanych do turbiny hpal – entalpia paliwa doprowadzonego do komory spalania ech – energia chemiczna paliwa

h1 – entalpia zasysanego do układu powietrza h6 – entalpia doprowadzanej wody

Npw – moc pompy wody zasilającej Ncp – moc sprężarki paliwa

h5 – entalpia spalin odprowadzanych do otoczenia

Nel – moc elektryczna odbierana z zacisków generatora elektrycznego

Q&g – moc grzewcza układu.

W układach energetycznych istotną rolę odgrywa sprawność procesu generacji energii elektrycznej, nazwanej w skrócie dla potrzeb pracy sprawnością elektryczną układu

ch pal

cp pw el

el m e

N N N

⋅

−

= −

&

η , (2)

oraz sprawność grzejna

ch pal

g

g m e

Q

= ⋅

&

&

η . (3)

Moc elektryczna układu wynosi

(

)

el N N η η

N = − ⋅ ⋅ , (4)

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

pow O H

m m

k m

&

& 2

= . (5)

Specyfika układu Chenga powoduje, że do obliczeń własności energetycznych układu konieczne jest zastosowanie zaawansowanych metod obliczeniowych umożliwiających itera- cyjne wyznaczenie niektórych parametrów. Zmiana strumienia wtryskiwanej do komory spa- lania 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. Szcze- gólnie duże znaczenie mają tu algorytmy do wyznaczania własności pary wodnej z uwagi na stosunkowo niewielkie oddalenie parametrów od punktu krytycznego.

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 cha- rakterystyki przedstawiają przypadek bez wtrysku pary do komory spalania, a więc cały stru- mień masy pary wytworzonej w kotle odzyskowym kierowany jest do wymienników ciepła i służy do celów grzewczych.

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 ^{Nc [kW]}

Nel

[kW]

5 10 20 30 πc

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

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.

0,25 0,27 0,29 0,31 0,33 0,35 0,37 0,39 0,41 0,43 0,45

0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 k_m

η_el

800 1000 1200 1400 t₃

Rys. 3. Zależność sprawności elektrycznej układu Chenga od względnego strumienia wtryskiwanej do komory spalania pary

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 km

Nel

800 1000 1200 1400

t3

Rys. 4. Zależność jednostkowej mocy elektrycznej układu Chenga od względnego strumienia wtryskiwanej do komory spalania pary

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.