MODELOWAIE IśYIERSKIE ISS 1896-771X 34, s. 43-48, Gliwice 007 POLEPSZAIE WŁASOŚCI UKŁADU SIG POPRZEZ PRZEGRZEW I CHŁODZEIE MIĘDZYSOPIOWE KRZYSZOF J. JESIOEK, ADRZEJ CHRZCZOOWSKI Politechnika Wrocławska Streszczenie. Układ gazowy z wtryskiem ary do komory salania SIG charakteryzuje się interesującymi własnościami energetycznymi. Zarówno jego srawność elektryczna jak i moc jednostkowa są wyŝsze niŝ rostego układu gazowego. Dalsze zwiększanie własności energetycznych moŝe być realizowane orzez rozbudowę układu olegającą n. na zastosowaniu chłodzenia międzystoniowego sręŝanego owietrza jak i rzegrzewu międzystoniowego rozręŝanych w turbinie salin. ajwiększe rzyrosty srawności elektrycznej i mocy jednostkowej moŝna uzyskać, stosując oba te sosoby jednocześnie. W niniejszej racy rzedstawione zostały niektóre wyniki obliczeń układu SIG z chłodzeniem i rzegrzewem międzystoniowym uzyskane na drodze modelowania komuterowego. Przerowadzone obliczenia wykazują moŝliwość znacznego odniesienia własności energetycznych w ewnych zakresach odstawowych arametrów termodynamicznych 1. WPROWADZEIE Prosty układ SIG (Steam Injected Gas urbine) składa się z odstawowego układu turbiny gazowej i kotła odzyskowego. Układ rozbudowany z rzegrzewem międzystoniowym rozręŝanych salin i chłodzeniem międzystoniowym sręŝanego owietrza wyosa- Ŝony jest w dwie komory salania i chłodnicę międzystoniową [], [3]. Chłodnica międzystoniowa umieszczona jest omiędzy częściami nisko- i wysokoręŝną sręŝarki. Między sręŝarką a turbiną umieszczona jest ierwsza komora salania, natomiast druga między częścią wysoko- i niskoręŝną turbiny (rys. 1). W układzie rostym owietrze zasysane jest z otoczenia do sręŝarki (1), w której nastęuje sręŝanie. SręŜone owietrze jest ogrzewane w wyniku salania aliwa w komorze salania. Podczas salania zachodzą reakcje owodujące zmianę składu chemicznego czynnika. Maleje ilość tlenu, a ojawiają się rodukty salania, rzede wszystkim dwutlenek węgla CO i ara wodna H O. Wieloskładnikowy czynnik jednofazowy rozręŝany jest w turbinie, w wyniku czego nastęuje generowanie mocy mechanicznej na ruchomym wirniku turbiny. Moc ta odrowadzana jest do sręŝarki i generatora elektrycznego. Czynnik termodynamiczny o rozręŝeniu w turbinie ma jeszcze stosunkowo wysoką temeraturę, co ozwala na wytworzenie w kotle odzyskowym ary rzegrzanej. W kotle nastęuje więc ochładzanie czynnika rozręŝonego w turbinie (o stronie gazowej) i jednoczesne ogrzewanie wody, arowanie i rzegrzew ary (o stronie wodnej). Wytworzona w kotle odzyskowym ara moŝe być wykorzystana do celów grzewczych, bądź moŝe zostać skierowana do komory salania, w której miesza się ze sręŝonym owietrzem lub gorącymi
44 JESIOEK K. J., CHRZCZOOWSKI A. salinami, zwiększając strumień masy gazu rozręŝanego w turbinie. astęuje takŝe zmiana własności termodynamicznych czynnika wraz ze wzrostem udziału ary. RozręŜanie czynnika ze zwiększonym udziałem ary owoduje, Ŝe w turbinie generowana jest większa moc mechaniczna, co jest sowodowane rzeływem rzez turbinę większego strumienia masy czynnika i większym sadkiem entalii właściwej czynnika. 1 3 CHM al KS 31 3 al KS 1 33 ara KO 5 7 PZ 6 1 S ow S LP HP HP LP 4 G 8 Rys. 1. Schemat układu SIG z międzystoniowym rzegrzewem rozręŝanych salin i chłodzeniem międzystoniowy sręŝanego owietrza: S LP, S HP sręŝarka nisko- i wysokoręŝna, KS 1 i KS komory salania, HP, LP turbina wysoko- i niskoręŝna, G generator elektryczny, KO kocioł odzyskowy, PZ oma zasilająca Działanie układu rozbudowanego jest odobne [4]. RóŜnica olega na wrowadzeniu chłodnicy międzystoniowej i drugiej komory salania. Przy omocy chłodnicy międzystoniowej schładzane jest częściowo sręŝone owietrze. Po schłodzeniu sręŝanie kontynuowane jest w sręŝarce wysokoręŝnej, a dzięki schłodzeniu owietrza moc otrzebna do uzyskania odowiedniego ciśnienia jest mniejsza. Przegrzew międzystoniowy rozręŝanych salin realizowany jest w drugiej komorze salania. astęuje w niej onowne ogrzanie czynnika częściowo rozręŝonego w wysokoręŝnej części turbiny. Salanie dodatkowej ilości aliwa w czynniku częściowo rozręŝonym jest moŝliwe, wówczas gdy jest w nim jeszcze wystarczająca ilość tlenu do rzerowadzenia całkowitego i zuełnego salania. W układach z rzegrzewem wtórnym bez wtrysku ary wystęuje niekorzystne zjawisko olegające na wzroście temeratury salin ouszczających turbinę, co wiąŝe się ze wzrostem straty wylotowej. W układzie z wtryskiem ary wzrost temeratury salin nie jest szkodliwy, oniewaŝ w kotle odzyskowym nastęuje odzysk cieła niesionego rzez saliny. Wzrost temeratury salin będzie owocował wzrostem temeratury ary wtryskiwanej do komory salania, co ma korzystny wływ na własności energetyczne, a do otoczenia zrzucany jest czynnik o stosunkowo niskiej temeraturze.. OBLICZEIA Przeanalizowany został układ SIG z chłodzeniem międzystoniowym sręŝanego owietrza i rzegrzewem międzystoniowym rozręŝanych salin, w którym ara wtryskiwana jest tylko do ierwszej komory salania. Obliczenia układu zostały rzerowadzone w szerokim zakresie sręŝu całkowitego π c, temeratury salin na wlocie do turbiny t 3, wsółczynnika odziału ciśnienia w turbinie k πt i sręŝarce k πc. W obliczeniach rzyjęto nastęujące zakresy zmiennych: całkowity sręŝ sręŝarki,0 < π c < 50,0, temeratura czynnika na wlocie do turbiny 600 < t 3 < 1600 C, wsółczynnik odziału ciśnienia w turbinie 0,0 < k πt < 1,0.
POLEPSZAIE WŁASOŚCI UKŁADU SIG POPRZEZ PRZEGRZEW I CHŁODZEIE 45 wsółczynnik odziału ciśnienia w sręŝarce 0,0 < k πc < 1,0. W obliczeniach załoŝono ustalone wartości nastęujących arametrów: ciśnienie otoczenia 1 = 0,1 MPa, temeratura owietrza na wlocie do układu t 1 = 10 C, temeratura czynnika chłodzącego na wlocie do chłodnicy t w = 10 C, wilgotność względna owietrza na wlocie do sręŝarki ϕ 1 = 60 %, srawność wewnętrzna sręŝarki η ic = 0,86, srawność wewnętrzna turbiny η it = 0,90, srawność mechaniczna turbozesołu η m = 0,99, srawność elektryczna generatora η g = 0,995, wsółczynniki strat ciśnienia na wlocie do sręŝarki, w chłodnicy, w ierwszej i drugiej komorze salania, komorze salania oraz na wylocie z turbiny wynoszą odowiednio: ξ 1 = 0,007, ξ = 0,04, ξ 3 = 0,03, ξ 4 = 0,03, ξ 5 = 0,035, straty cieła w komorze salania ξ ks = 0,01. ZałoŜono takŝe, Ŝe w obu komorach salania realizowane jest salanie całkowite i zuełne, a woda odawana do kotła odzyskowego nie zawiera Ŝadnych dodatkowych składników ani zanieczyszczeń. Paliwem jest gaz ziemny o składzie: metan CH 4 95 %, azot 5 %. Czynnik roboczy został zamodelowany jako gaz rzeczywisty, oisywany równaniem Penga Robinsona: R a( ) = (1) v b v ( v+ b) + b ( v b) gdzie: R K a ( ) = 0,4574 [ 1+ ( 0,37464+ 1,546 ω 0,69 ω ) ( 1 τ )] 0,5 () K b =, 0778 Entalia czynnika oisana jest zaleŝnością [1]: R K 0. (3) i= 1 K h = g c ( ) d, (5) 1 gdzie: g i udziały masowe oszczególnych składników c i cieło właściwe oszczególnych składników. Cieło właściwe rzy stałym ciśnieniu moŝna wyznaczyć z oniŝszej zaleŝności: c = c n i i v 0 d, (6) 0 gdzie: c 0 cieło właściwe rzy ciśnieniu = 0. Własności wody i ary wodnej oisano odowiednimi ochodnymi cząstkowymi równania energii swobodnej Gibbsa g(, ) [5]: (, ) g R ( π τ) = γ, (7) π = (8) *
46 JESIOEK K. J., CHRZCZOOWSKI A. * τ = (9) gdzie: *, * arametry zredukowane, zaleŝne od regionu, R indywidualna stała gazowa: R = 0,461 56 kj/(kg K). W celu jednoznacznego określenia odziału rocesu sręŝania czynnika na część nisko- i wysokoręŝną sręŝarki konieczne było wrowadzenie wsółczynnika odziału rzyrostów ciśnienia k πc, definiowanego jako stosunek rzyrostu ciśnienia w części niskoręŝnej do całkowitego rzyrostu ciśnienia w sręŝarce: 1 1 kπ c = (10) 3 1 gdzie: 1, 1 i 3 ciśnienie czynnika w oszczególnych unktach układu (atrz rys. 1). PoniewaŜ wsółczynnik k πc jest niewygodny rzy rezentowaniu wyników, więc wrowadzony został dodatkowo wsółczynnik odziału rzyrostów entalii k hc, definiowany jako stosunek rzyrostu entalii sręŝanego owietrza w części niskoręŝnej do rzyrostu entalii owietrza w obu częściach sręŝarki: k h clp hc = (11) hclp + hchp gdzie: h clp i h chp rzyrosty entalii w częściach nisko- i wysokoręŝnej turbiny. Intensywność chłodzenia międzystoniowego ma istotny wływ na arametry sręŝanego owietrza oraz na własności całej instalacji. Jest ona tym większa, im niŝsza jest temeratura czynnika chłodzącego oraz im większa jest srawność chłodnicy międzystoniowej. Srawność ta η ch definiowana jest jako stosunek sadku temeratury chłodzonego owietrza do róŝnicy temeratur owietrza rzed schłodzeniem i czynnika chłodzącego: t1 t η ch = (1) t t Analogicznie do wsółczynnika odziału rzyrostu ciśnienia w sręŝarce wrowadzony został wsółczynnik sadku ciśnienia w turbinie k πt, rozumiany jako stosunek sadku ciśnienia w części wysokoręŝnej do całkowitego sadku ciśnienia w turbinie: 1 w 31 3 kπ t = (13) 31 4 gdzie: 31, 3 i 4 ciśnienie czynnika w oszczególnych unktach układu (atrz rys. 1). Dla ułatwienia rezentacji wyników wrowadzony został dodatkowo wsółczynnik odziału sadków entalii k ht, definiowany jako stosunek sadku entalii w części wysokoręŝnej do sadku entalii w całej turbinie: k h thp ht = (14) hthp + htlp gdzie: h thp i h tlp sadki entalii w częściach wysoko- i niskoręŝnej turbiny. ajwaŝniejszymi arametrami wyjściowymi otrzymywanymi jako wynik obliczeń są srawność elektryczna układu η el i jednostkowa moc elektryczna jel, definiowane nastęująco:
POLEPSZAIE WŁASOŚCI UKŁADU SIG POPRZEZ PRZEGRZEW I CHŁODZEIE 47 = & el η el (15) Q f + WP + FC gdzie: el moc elektryczna na zaciskach generatora, [W] Q& strumień cieła dostarczany z aliwem do komory salania, [W], f WP moc omy wodnej, [W], moc sręŝarki aliwa, [W], FC jel el = (16) & m 1 gdzie: m& 1 strumień masy owietrza zasysanego do układu. WYIKI OBLICZEŃ Przy omocy wyŝej omówionego modelu rzerowadzono obliczenia układu dla zmiennych odstawowych arametrów odstawowych. a rysunkach i 3 rzedstawiono niektóre wyniki tych obliczeń jako zaleŝność srawności i mocy jednostkowej wsółczynnika odziału rzyrostu entalii w sręŝarce k hc dla sręŝu odowiednio: π = 10, 30 i 50, dla temeratury salin na wlocie do turbiny nisko- i wysokoręŝnej t 31 = t 33 = 1000 C oraz wsółczynnika odziału sadku entalii k ht = 0,8. Rys.. ZaleŜność srawności elektrycznej η el od wsółczynnika odziału rzyrostu entalii w sręŝarce k hc dla sręŝu całkowitego π c = 10, 30 i 50, temeratura salin na wlocie do turbiny nisko- i wysokoręŝnej t 31 = t 33 = 1000 C Rys. 3. ZaleŜność elektrycznej mocy jednostkowej jel od wsółczynnika odziału rzyrostu entalii w sręŝarce k hc dla sręŝu całkowitego π c = 10, 30 i 50, temeratura salin na wlocie do turbiny nisko- i wysokoręŝnej t 31 = t 33 = 1000 C
48 JESIOEK K. J., CHRZCZOOWSKI A. WIOSKI Przerowadzone analizy numeryczne wykazują, Ŝe istnieją duŝe moŝliwości odniesienia własności energetycznych układu gazowego z wtryskiem ary do komory salania (SIG). Zarówno międzystoniowy rzegrzew rozręŝanych salin jak i międzystoniowe chłodzenie sręŝanego owietrza mają istotny wływ na jego własności energetyczne, szczególnie na elektryczną moc jednostkową jel i srawność elektryczną układu η el. Wływ ten zaleŝny jest od wszystkich rozatrywanych arametrów wejściowych. Jednocześnie okazuje się, Ŝe rzegrzew międzystoniowy ma znacznie większy wływ niŝ chłodzenie międzystoniowe. Jest to sowodowane rosnącym udziałem obiegu arowego w bilansie energetycznym wraz ze wzrostem temeratury salin na wylocie z turbiny gazowej. Podstawowym arametrem, od którego zaleŝy wartość rzyrostu srawności i mocy jednostkowej, jest wsółczynnik odziału sadków entalii w turbinie k πt. Wsółczynnik odziału rzyrostów entalii w sręŝarce k πc ma mniejsze znaczenie, a dokładne wartości tych wsółczynników odowiadające ołoŝeniu maksimów odowiednich krzywych zaleŝą od innych arametrów. iekorzystnym zjawiskiem jest wystęowanie maksimów krzywych srawności i mocy jednostkowych dla róŝnych wartości oszczególnych wsółczynników. W instalacjach energetycznych na ogół riorytetową rolę odgrywa srawność, dlatego wartość oszczególnych wsółczynników owinna umoŝliwiać racę z maksymalną srawnością, rzy ewnej stracie mocy jednostkowej. Przyrost srawności i mocy jednostkowej układu jest zaleŝny zarówno od temeratury salin na wlocie do turbiny t 3, jak i od sręŝu π, rzy czym oba arametry są ze sobą odowiednio owiązane. Dla rozatrywanych wartości temeratury t 3 wzrost racy jednostkowej rzekracza 45 %, natomiast wzrost srawności moŝe wynieść onad 15 % (dla t 3 > 100 C) w stosunku do układu SIG w konfiguracji odstawowej. LIERAURA 1. Badyda K.: Zagadnienia modelowania matematycznego instalacji energetycznych. Warszawa : Oficyna Wyd. Pol. Warsz., 001.. Horlock J. H.: Advanced gas turbine cycles. Cambridge : Elsevier, 003. 3. Jesionek K., Chrzczonowski A.: Imrovement of SIG system energy roerties through interstage gas reheating. W: Stiinta moderna si energia XXVI. Producerea, transortul si utilizarea energiei, Cluj-aoca, Rumunia, 007, s. 17-4. 4. Kail C., Rukes B.: Fortschrittliche Gas- und Damfturbinenrozesse zur Wirkungsgradund Leistungssteigerung bei GUD Kraftwerken. VDI Berichte 1995, nr 118, s. 71 87. 5. Wagner W., Kruse A.: Proerties of water and steam. he Industrial Standard IAPWS IF97 for the hermodynamic Proerties and Sulementary Equations for Other Proerties. Berlin : Sringer Verlag, 1998. IMPROVEME OF SIG SYSEM EERGY PROPERIES HROUGH IERSAGE AIR COOLIG AD GAS REHEAIG Summary. Steam injection in gas turbines is interesting technology with good energetic and ecological roerties of gas turbines. In this alications the heat of exhaust gasses is used to roduce steam, that is injected in the combustion chamber of gas turbine. he steam injection increase the ower and efficiency of the installation. here are some ossibilities to increase the roerties of SIG turbines, for examle air cooling and gas reheating. In this aer is shown some results of calculations of such SIG turbine. here were analyzed the influence of main thermodynamical arameters in the ower and efficiency of the gas turbine.