Термодинамика форсированных ПГУ с утилизацией тепла уходящих газов и высокотемпературным водород-кислородным перегревом пара тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

005007793

Пиралишвили Гиви Шотович

ТЕРМОДИНАМИКА ФОРСИРОВАННЫХ ПТУ С УТИЛИЗАЦИЕЙ ТЕПЛА УХОДЯЩИХ ГАЗОВ И ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫМ ВОДОРОД-КИСЛОРОДНЫМ ПЕРЕГРЕВОМ ПАРА

Специальность 01.04.14 - Теплофизика и теоретическая теплотехника

• АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 6ЯНВ2052

. Рыбинск - 2012

005007793

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Рыбинский государственный авиационный технический университет имени П.А. Соловьева»

Научный руководитель: кандидат технических наук

Гурьянов Александр Игоревич Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Цыбизов Юрий Ильич

доктор технических наук Богданов Василий Иванович

Ведущее предприятие: Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королева (национальный исследовательский университет)" (СГАУ)

Защита диссертации состоится г. в Й часов на заседании дис-

сертационного совета Д 212.210.03 в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Рыбинский государственный авиационный технический университет имени П.А. Соловьева» по адресу: 152934, г. Рыбинск, Ярославская область, ул. Пушкина, 53, ауд.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Рыбинский государственный авиационный технический университет имени П.А. Соловьева»

Г-237.

Автореферат разослан -/3 2012г.

Ученый секретарь диссертационного совета

кавд. техн. наук,

Каляева Н.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Улучшение экологических характеристик и повышение эффективности, организация энергосбережения относятся к основным задачам современного топливо-энергетического комплекса страны. Известно, что экономика страны, жизненный уровень её населения во многом определяются количеством электроэнергии, вырабатываемой на душу населения. Топливно-энергетические комплексы развитых стран вынуждены работать в условиях строжайшей экономии первичных ископаемых углеводородных ресурсов. Это требует внимания к промышленному производству тепла и электричества. Технологические цепочки их производства существенно отстают от современных требований по коэффициенту преобразования первичных энергетических запасов в конечный полезный продукт. С этой точки зрения, разрабатываемые в диссертации задачи относятся к числу актуальных.

Цель работы. На основе имеющегося фактического материала провести термодинамический анализ форсированных ИГУ и перспективных технологий утилизации при производстве тепла и электроэнергии, а также в других энергоемких отраслях (нефте -газо перекачка), проанализировав пути повышения их эффективности за счет внедрения новых технологий перегрева пара и разработки для этих целей оригинальных вихревых противоточных водород-кислородных камер сгорания.

Достижение поставленной цели требует решения ряда задач:

1. Разработать методику термодинамического анализа комбинированных ПГУ с водород-кислородным перегревом водяного пара относительно низкой температуры.

2. Выбрать оптимальный вариант технологической цепочки утилизации тепла уходящих газов.

3. Спроектировать, разработать, изготовить и провести исследование рабочего процесса противоточной водород-кислородной камеры сгорания (КС) с обеспечением температуры перегретого пара 1200 К.

4. Осуществить оценку предельно допустимого подогрева низкопотенциального пара с учетом современной рыночной цены производства водорода.

Методы исследования:

- аналитические, построенные на основных термогазодинамических законах и положениях с учетом реальных теплофизических свойств веществ;

- численные методы с их верификацией;

- методы постановки теплофизического эксперимента.

Научная новизна:

- термодинамический анализ энергосберегающих технологий производства электроэнергии форсированием циклов с утилизацией тепла позволил теоретически обосновать превалирующее значение повышения температуры пара в нижнем паросиловом цикле применением высокотемпературного водород-кислородного перегрева для достижения значений электрического кпд ПГУ 60 % и более;

- технико-экономический анализ процесса форсирования цикла комбинированной энергоустановки за счет роста параметров перед турбинами с учетом существующих цен на производство водорода позволил установить, что эффективная температура перегретого пара не должна превышать 1000 1200 К;

- впервые поставлена задача перегрева пара с использованием горения водород-кислородной смеси в среде низкотемпературного водяного пара и противо-точной схемой течения, решение которой позволило теоретически и экспериментально обосновать критерии надежного запуска, устойчивого горения, эффективного охлаждения теплонагруженных элементов, достижения полноты сгорания г]п с = 0,999 и практически их подтвердить на созданной вихревой противоточной камере сгорания.

На устройство КС подана заявка на выдачу патента РФ.

Достоверность и обоснованность научных положений определяется:

- использованием фундаментальных законов и уравнений теплофизики, технической и химической термодинамики, гидро- и газодинамики с соответствующими граничными условиями, современных методов реализации математических моделей;

- постановкой опытов с использованием современного научного оборудования прошедшего необходимую аттестацию в соответствующих организациях, имеющих право на госпроверку.

Подтверждается адекватным совпадением расчетов с опытными данными и известными результатами других авторов.

Практическая значимость. Разработана методика расчета и термодинамического анализа комбинированных ПГУ с перегревом пара в водород-кислородных вихревых противоточных камерах сгорания. Определен конструктивный облик устройства такой КС и проведены её опытные испытания, подтвердившие надежность рабочего процесса и достижение рассчитанных параметров.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы доложены на шести Российских и международных конференциях: I Международной научно-технической конференции «Энергетические установки: Тепломассообмен и процессы горения», Рыбинск, 2009 г.; пятой Российской национальной конференции по теплообмену (РНКТ-5), Москва, 2010 г.; четвертой международной

конференции «Тепломассообмен и гидродинамика в закрученных потоках», Москва, 2011 г.; ХУП и XVIII международных Школах-семинарах молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А. И. Леонтьева, Жуковский, 2009 г., Звенигород, 2011 г.; международной научно-практической конференции «Проблемы и перспективы развития двигателестроения», Самара 2011 г.

Публикации: ключевые положения опубликованы в 9 научных работах, 3 из них в рецензируемых изданиях по списку ВАК.

Объём работы: диссертация содержит 194 стр. машинописного текста, 65 рис., 12 таб. и состоит из введения, 5-ти глав, заключения, списка литературы из 106 наименований и приложения А.

Значительная часть проведенных исследований выполнялась в рамках государственных контрактов № 02.516.11.6021 от 26 апреля 2007 г., № 02.740.11.0414 от 30 сентября 2009 г.; № 02.516.11.602; № 05-08-33942; гранта Президента МК-4477.2009.8 (договор № 02.120.11.4477-МК); Ведущая научная школа № 02.516.12.0009; ГБ НИР №1.120.08.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении изложена общая характеристика работы и обоснована ее актуальность.

В первой главе выполнен анализ современного состояния газотурбинного, парового и комбинированного привода энергоустановок и возможных путей их совершенствования. Повышение их эффективности возможно формированием высоких параметров рабочих тел перед турбиной, что требует разработки соответствующих систем охлаждения элементов конструкции горячего тракта. Для паровых турбин перспективных 111У целесообразен переход на технологию, использующую водород-кислородный перегрев пара.

Основной вклад в развитие проблемы детально обоснован в работах отечественных и зарубежных исследователей: Фаворский О.Н., Леонтьев А.И., Полежаев Ю.В., Ольховский Г.Г., Мильман О.О., Федоров В.А., Кавтарадзе Р.З., Ма-лышенко С.П., Цыбизов Ю.И., Б. Люис, Г. Эльбе, А. Лефевр, Calvin Р. и ряд других ученых.

Проработка известного материала позволила сформировать цель диссертационной работы и определить круг задач, решение которых необходимо для ее достижения.

Вторая глава посвящена разработке методики термодинамического анализа производства энергии в ПТУ с учетом охлаждения элементов конструкции горячего тракта ГТУ и 111У сжатым воздухом и низкотемпературным паром.

Усовершенствование паросилового цикла достигается заменой промпере-гревов высокотемпературным водород - кислородного перегревом пара, предложенным специалистами ЗАО НПВП «Турбокон» (рис. 1).

Основные затраты тепла в ПТУ вызваны большой величиной теплоты фазового перехода воды в пар. Энергетически целесообразно этот процесс осуществлять сжиганием дешевого низкосортного топлива или использовать утилизацию тепла уходящих после турбины ГТУ газов. Методика позволяет учесть величину работы расширения пара на турбине, подводимого на охлаждение лопаток паровой турбины низкотемпературным паром высокого давления (tn=400±20°C). Установленный за котлом (утилизатором) водород-кислородный пароперегреватель поднимает температуру пара до экономиВ таблице 1 приведено распределение относительных расходов охладителя С* —С /Г1

охл ~ 0X7 ' p.m.

Таблица 1

_Данные по относительному расходу охлаждающего пара

Параметры Ступени турбины

1 СА 1 РК 2 СА 2РК 3 СА ЗРК 4СА 4 РК

То* = 1773К; р0= 10 МПа; Gm= 22% 5% 4,5 % 4% 3% 2,5 % 2% 1% -

Т0* = 1973К; р„= 10 МПа; GM= 38% 6,5% 6% 5,5 % 5% 4,5 % 4% 3,5% 3%

То* = 1773К; р0= 23 МПа; G = * ОХЛ 17,5% 5% 4,5 % 4% 2,5 % 1,5 % - - -

То* = 1973К; р0= 23 МПа; <5га= 27% 6,5 6% 5% 4% 3% 2% 1% -

Т0* = 1773К; р„= 30 МПа; Gm = 15% 5% 4% 3% 2% 1% - - -

Т„* = 1973К; р0= 30 МПа; G^ = 26,5% 6% 5,5 % 5% 4% 3% 2% 1 % -

Рис. 1 Принципиальная схема паровой турбинной установки с кислород - водородным пароперегревателем: 1 - котлоагрегат; 2 - паровая турбина; 3 - генератор; 4 - конденсатор; 5 - питательный насос; б - водород кислородный пароперегреватель чески целесообразной (800-1200 К).

С повышением давления до роп=30 МПа относительный расход охлаждающего пара уменьшается из-за снижения его энтальпии при давлениях больше критического роп > ркрп, что равносильно увеличению удельной холодопроизводи-

тельности. При расчетах задавались: кпд неохлаждаемых ступеней турбины Ппт=0,9, кпд котлоагрегата - г)ка^ 0,92, полнота сгорания в ВПП г)кс=0,99. В охлаждаемых ступенях приняты следующие значения коэффициентов скорости: ср1 = 0,9695; \|/! = 0,94; <р2 = 0,9605; у2=0,94; ср3= 0,968; \|/3= 0,956; ф4= 0,968; = 0,94. На рис.2 приведена сводная диаграмма режимов работы паровой турбины, отражающая перспективу ввода высокотемпературного перегрева.

Анализ паросиловых установок традиционной конфигурации (цикл Ренки-на) подтверждает возможность достижения при использовании пара сверхвысоких параметров рвх=23-30 МПа, температуры Твх>1000 К электрического кпд ■Пэл-52,9%.

Рис. 2 Диаграмма рабочих режимов различных паротурбинных установок

Термодинамический анализ газотурбинных установок проведен на модели, серийно выпускаемой в конвертируемом виде под маркой АЛ-31СТЭ. Исходная электрическая мощность 20МВт, расход воздуха Св=60кг/с, кпд компрессора г|к = 0,84, степень повышения давления я/ = 20, мощность на приводе N = 20 МВт, т|эл = 0,36, Тг* = 1525 К, Тт* = 788 К. Количество пара, в 1,5 раза превышающее расход топлива, вводится в камеру сгорания для подавления выбросов ИОх, что является характерной особенностью цикла ГТД, известного как ЗТГС.

Результаты расчетов (рис. 3) показывают, что эффективность преобразования тепла в полезную работу заметно возрастает при увеличении степени повышения давления и температуры до як* = 40, а максимум вырабатываемой мощности зависит от Тг и достигается при як = 20, Тг* = 1773К и як =30 для Тг* = 1973 К.

Принципиальная схема ПГУ с водород-кислородной камерой перегрева пара представлена на рис. 4.

Рис. 3 Зависимость электрического кпд и мощности ГТУ от тс/ ——— тгмперэтурагаза перед турбиной Тг*=17?ЗК;

— — температурагазаперед турбиной Тг*=1973К

ПГУ с водород-кислородной камерой перегрева состоит из следующих элементов: 1 -газотурбинная установка; 2 - электрогенератор; 3 - котел-утилизатор; 4 - испаритель и пароперегреватель высокого давления; 5 - испаритель и пароперегреватель низкого давления; б - экономайзер-конденсатор низкого давления; 7 - конденсатоочисти-тель; 8 - деаэратор; 9 - питательный насос низкого давления; 10 - фильтр; 11 - отвод сконденсировавшегося из продуктов сгорания ГТУ пара; 12 - выход продуктов сгора-Рис. 4 Схема парогазовой установ- шя „ атмосферу; 13 _ водород-кислородная

ки с водород-кислородной КС тгг, , , г-

* * КС перегрева пара; 14 - паровая турбина;

15 - конденсатор; 16 - конденсационный насос; 17 - подача пара на охлаждение газовой турбины; 18 - подача пара для уменьшения выбросов ЫОх.

Наиболее эффективным является форсирование параметров нижнего паротурбинного цикла, с ростом которых на входе в ПТ температура газа перед ГТ перестает влиять на кпд комбинированной установки. Данные (рис. 5) получены для температуры газа перед турбиной Тг* = 1773 К, давлении пара на входе р0= 30 МПа и температуре пара на входе в ПТ: 1- Т*=1173К; 2 -Т0*=1773К; 3 -Т0* = 1973 К; 4 -Т0* = 1173 К; 5 -Т0* = 1773 К; 6 -Т0* = 1973 К.

«шв«

г

Графики 1-3 приведены для случая с учетом затрат на конверсию водорода из метана, а 4-6 без этого учета. Применение цикла Г1ГУ 8ТЮ с котлом утилизатором существенно повышает электрический кпд (до 60 - 65 %) и мощность установок (в 2,5 раза), а введение перегрева пара перед турбиной дополнительно увеличивает кпд на 12% (рис. 6 и 7).

Максимальное значение кпд ПГУ СПэл= 71,9 % - без учета конверсии водорода и 67,7 % - с учетом) получено при 7гк*=30, ТгГТУ*=1973 К, Тгвых=865 К, давлении и температуре на входе в паровую турбину р0=ЗО МПа и Т0 =1973 К. С ростом давления пара перед турбиной снижается оптимальное значение я* для достижения максимального кпд. Увеличение температуры пара в ПТУ выше 1173 К снижает г|эд. Это вызвано ростом расхода охлаждающего пара, выпуск которого в проточную часть заметно снижает мощность паровой турбины (ПТ).

0,7 -1----

0,5

ОА

-1----- .

О 50 100 150 200 25DN/MBt300 750 1000 1250 1500 1750 Трт,К 2000

Рис. 6 Сравнение энергоустановок (с учетом Рис. 7 Зависимость кпд энергоустановок от затрат на конверсию водорода) температуры рабочего тела (для паровых и

парогазовых установок от начальной температуры пара)

В третьей главе обоснован выбор конструкции водород-кислородной КС перегрева пара. _______ ____________ ..

Рис. 5 Зависимость электрического кпд парогазовой установки с водород-кислородной КС перегрева пара.

ь/Ш VSTÍS+' -é ¡¡'

nyí UGT.25 Tffl 00S2 ~—ПГ ni^-iso •nry< <3 70 ■ • PG7251

i а ¡f^x/J » F ПТУ+Н ПТУ пгуиет 11MOOCC2 /О,

TTYSTI k=15 f^. ГТУ"! ' UOT2 одолей" OOOS2A

За основу конструкции принята схема течения компонентов, реализуемая в противоточных вихревых горелочных устройствах, которые позволяют организовать самопроизвольное конвективно -пленочное охлаждение поверхности огневой камеры, осуществить процесс качественного смесеобразования и горения водород-кислородной смеси в среде низкотемпературного водяного пара, как нейтрального разбавителя (рис 8).

Для предотвращения наличия в рабочем теле неконденсирующихся газов соотношение О2-Н2 берется стехиометрическим. Тепловой расчет базируется на известных уравнениях сохранения вещества и энергии: стехиометрия

сохранение энергии

Ак = <Уп.вх + Со А + ЧК + Сн^п-с);

1вых = (сп + + ;

сохранение количества вещества

Спп = + С02 + СН2.

Требуемый расход водорода Н2 определяется тепловой мощностью КС перегрева пара

N =

Расчетные значения расхода пара несколько завышены из-за отсутствия учета химического равновесия компонентов при высокой температуре с диссоциацией продуктов сгорания. Несколько снизить погрешность позволяет использование низшей теплоты сгорания. Геометрия КС легко рассчитывается по известным расходам и параметрам реагирующих компонентов и низкотемпературного пара.

Четвертая глава посвящена численному моделированию рабочего процесса КС, поиску условий устойчивого горения стехиометрической водород-

Пар на охлаждение

Рис. 8 Расчётная схема водород-кислородной КС.

кислородной смеси в среде перегреваемого водяного пара, сравнительному анализу распространенных схем организации горения по полноте сгорания.

Результаты приведены на рис. 9 - 10. Исследования интегральных характеристик горения водорода в кислороде, с использованием в качестве инертной примеси водяного пара подтверждает преимущество противоточных течений. Зависимость температуры от относительного радиуса канала на расстоянии 10 калибров от сечения подачи водорода и кислорода показана на рис. 9.

Коэффициент неравномерности тем-

♦ ( у —43= V ш в 3 ■v« »v-Ч ■ \ 1

4 -\ . / •М- у Wv \ f

mi 6 ч * V а • i / о jk Wb \ ^ ^ "

А * f t V l is

f У \ ll

1 f X \

■ji

пературы определялся как

0=/(г), 9=-

Т -Тс

ср

Рис. 9 Зависимость температуры от относительного радиуса канала: 1) прямоточное течение без закрутки; 2) поток с закруткой течения; 3) горение в условиях с закруткой и противотоком течения; 4) горение с закруткой и противотоком течения с профилированной геометрией канала

Т

'ср

где Т —температура в рассматриваемой точке, К; Тср — средняя по сечению температура, К; г - относительный радиус г = rjr.

Степень равномерности температуры по сечению зависит от интенсификации перемешивания реагирующей смеси с инертной примесью (паром). Наиболее равномерное поле температуры наблюдается в третьем и четвёртом вариантах (при горении в противотоке). Разность коэффициентов неравномерности температуры у стенки и на оси трубы не превышает 0,1 - 0,15. Это обусловлено формированием противоположно перемещающихся в осевом направлении вдоль оси канала вихрей, обеспечивающих эффективное смешение инертной среды и высокотемпературных продуктов сгорания водорода в кислороде в максимально короткой и теплонапряженной зоне горения. Зависимость полноты сгорания топлива от относительной длины канала показана на рис. 10.

Наиболее низкая полнота сгорания наблюдается при горении без закрутки потока и достигает значения 0,995 на I — 20 (в выходном сечении). В закрученном потоке зависимость r)n.c=f(I) имеет подобный вид, но полнота сгорания составляет 0,995 - 0,997 на длине 1=6-8. При горении в условии противотока полнота сгорания достигает значения 0,999 уже на расстоянии I =6. Полученные результаты подтвердили преимущество применения противоточных схем горения для сокращения длины выгорания топлива и использованы при создании пилотного образца КС.

1

0,99 0,98 0,97 0,96

0 2 4 6 8 10 12 14 16 I 20 Рис. 10 Зависимость полноты сгорания от относительной длины: 1) горение в прямоточном течении; 2) горение в потоке с закруткой течения (прямоток); 3) горение в условиях с закруткой и противотоком течения; 4) горение с закруткой и противотоком течения с профилированной геометрией канала

А- "У / г if — -----

з_ > ) 1 * , / А г

, i Ä V

♦ /1 ♦ \i

Двумерные расчеты и их анализ позволил осуществить трехмерный расчет течений однофазного потока в КС с применением расчетного комплекса AN-SYSCFX. Трехмерная модель расчетной области построена в среде CAD/CAM системы Unigraphics.

Конечно-элементная модель создана в программе ICEM-CFD с помощью стандартного алгоритма построения тетрагональной сетки. Объем сеточной дискретизации (рис. 11) составляет 1 060 ООО элементов. Горение описывается моделью EDM. На основе проведенного численного моделирования удалось модифицировать геометрию проточной части КС, позволившую создать устойчивую тороидальную вихревую структуру, обеспечивающую конвективное охлаждение элементов конструкции вблизи зоны горения и эффективное смешение потоков пара различной температуры. На границах этой структуры формируется геометрическое место точек, в области которых выполняется равенство скоростей течения смеси и турбулентного горения, что необходимо для обеспечения квазистационарного положения фронта волны реакции горения.

Численное моделирование определило мероприятия по тепловой защите выходной кромки стабилизатора (рис. 12) и требуемой равномерности температурного поля в проточной части КС. Модификация конструкции проточной части позволила снизить градиент температуры в близости от стенок огневой трубы и стабилизатора пламени за счет эффективного управления газодинамикой изменением интенсивности закрутки потока на выходе из зоны смешения пара с кисло-

Рис. 11 Конечно-элементная модель для трехмерного расчета КС

родом и сместить положение максимума температуры в приосевую область, оттеснив от стенок зону химической реакции.

Полнота сгорания по длине проточной части в различных поперечных сечениях КС (рис. 13) приведена для наглядности на фоне поля массовых долей кислорода и водорода. Требуемая полнота сгорания т|пх=0,999 достигается при относительной длине проточной части КС ¿=8,5 калибров.

Рис.12 Поле температуры в проточной части КС (модифицированная конструкция)

Рис. 13 Зависимость полноты сгорания от относительной длины проточной части КС

В пятой главе приведены результаты опытного исследования характеристик пилотного образца КС. Оптимальное значение относительного диаметра выходного сопла форсунки (отнесенного к площади КС в сечении соплового ввода), обеспечивающее требуемую устойчивость факела горения, равно 0,15. Скорость истечения на режимах максимальной тепловой мощности равна 100 м/с, что превышает скорость турбулентного горения водород-кислородной смеси, и позволяет предотвратить проскок пламени и обеспечить устойчивость процесса. При меньших значениях диаметра сопел горение не устойчиво, а взаимодействие факела с потоком пара приводит к срыву фронта пламени за счет действия теплового и механического механизмов срыва.

Рис. 14 Горение водород-кислородной смеси в среде водя- вают достижение необходи-ного пара м0- величины перегрева при

соответствующей тепловой мощности.

1275 Т,К

1245

1230

1215

1

^-О-о. > / 1 -е.-

А 5

и. ■ф' *

0 0,2 0,4 .0,6 0,8 г 1 Рис. 15 Распределение температуры перегретого пара в выходном сечении водород-кислородной камеры сгорания (1-эксперимент; 2-численный расчет)

Исследование водород-кислородной КС показало, что разница температуры на оси и у стенки в выходном сечении не превышает 55 °С (рис. 15). Для сравнения приведена зависимость температуры от относительного радиуса по данным численного расчета в адиабатной постановке. Результаты опытных исследований водород-кислородных камер сгорания подтвердили возможность их применения для решения поставленных в работе задач.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Расчетно-теоретические исследования показывают, что при уровне мощностей N > 50 МВт высокотемпературные парогазовые энергоустановки более эффективны, чем традиционные комбинированные установки, а их электрический кпд может достигать 60 - 65 %.

2. Для перегрева пара разработана эффективная вихревая водород-кислородная камера сгорания стехиометрической смеси водорода и кислорода, обеспечивающая необходимую пожарную и взрывобезопасность в сочетании с эффективностью и устойчивостью рабочих процессов, возможность работы при переменных режимах и высокой надежности.

3. Наиболее рациональной технологией производства механической энергии в ПТУ является форсирование параметров рабочих тел перед турбинами за счет эффективного охлаждения (в том числе и низкотемпературным перегретым паром), утилизации тепла уходящих газов и введения в цикл перегрева рабочего пара в водород-кислородной КС.

4. Разработанные пилотные образцы вихревых противоточных КС перегрева пара, позволяют организовать надежный запуск и устойчивое горение водород-кислородной смеси в среде разбавляющего нейтрального потока подогреваемого пара с выделением для этой цели тепловой мощности, регулируемой расходом горючей смеси, а также осуществить надежное охлаждение стенок.

5. Для предотвращения проскока пламени и обеспечения устойчивости горения при условии подачи стехиометрической смеси, необходимо отношение площади сопла форсунки подвода горючей смеси к площади КС в сечении соплового ввода выбирать равным 0,15, а относительную длину огневой камеры 1=9^.

6. Анализ термодинамической эффективности комбинированных установок и рационального перегрева пара в водород-кислородной камере сгорания с учетом стоимости производства водорода дают величину перегрева пара 1100 - 1200 К.

7. Проведенные исследования показали, что созданный пилотный образец камеры сгорания с противотоком обеспечивает на выходе полноту сгорания 0,999, содержание неконденсирующихся газов (водорода и кислорода) не будет превышать 0,01 %.

8. Разработана методика проектирования вихревых противоточных водород-кислородных камер сгорания, позволяющая рассчитать геометрию и режим работы с учетом заданных параметров и обеспечить на реальном объекте требуемую точность с предельном расхождением, не превышающим 10 %.

9. Испытания разработанного пилотного образца водород-кислородной камеры сгорания подтверждают возможность перегрева водяного пара до температуры 1300°С, при этом температура ограждающих наружных поверхностей не превышает 260°С.

Основные публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 10 работах, три из которых в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК:

1. Пиралишвили, Г.Ш. Термодинамический анализ схем энергоустановок [Текст] / Г.Ш. Пиралишвили, С.В. Веретенников - Рыбинск: Вестник РГАТУ имени П.А. Соловьёва. - 2011.- №2 (20). - С. 154 - 160.

2. Гурьянов, А.И. Высокотемпературный перегрев водяного пара в вихревых водород-кислородных пароперегревателях [Текст] / А.И. Гурьянов, Г.Ш. Пира-лишвили.-М.: Авиакосмическое приборостроение. - 2009. - №11. - С. 28 - 34.

3. Гурьянов, А.И. Тепломассообмен и горение в водород-кислородной камере сгорания [Текст] / А.И. Гурьянов, Г.Ш. Пиралишвили, И.М. Верещагин. - Рыбинск: Вестник РГАТУ имени. П.А. Соловьёва. - 2011- №2 (21).- С. 3 -10.

4. Гурьянов, А.И. Исследование малоразмерной вихревой водород-кислородной камеры сгорания [Текст] / А.И. Гурьянов, Г.Ш. Пиралишвили-Материалы I Международной научно-технической конференции «Энергетические установки: Тепломассообмен и процессы горения». - Рыбинск, 2009. - С. 127-143.

5. Гурьянов, А.И. Теплофизика водород-кислородных пароперегревателей высокотемпературных турбин комбинированных ПГУ [Текст] / А.И. Гурьянов, Г.Ш. Пиралишвили, И.М. Верещагин - Труды пятой Российской национальной конференции по теплообмену (РНКТ-5). М.: изд-во МЭИ, 2010. - С. 180 - 183.

6. Гурьянов, А.И. Исследование горения водород-кислородной смеси в среде водяного пара применительно к проблеме создания высокотемпературных пароперегревателей [Текст] / А.И. Гурьянов, Г.Ш. Пиралишвили, И.М. Верещагин-VII Всероссийская научно-техническая конференция «Процессы горения, теплообмена и экология тепловых двигателей»^С, 12 —_43.

7. Гурьянов, А.И. Водородная камера сгорания для перспективной энергетики [Текст] / А.И. Гурьянов, Г.Ш. Пиралишвили, И.М. Верещагин.- Тезисы докладов IV международной конференции «Тепломассообмен и гидродинамика в закрученных потоках». - М.: изд-во МЭИ, 2011. - С. 269.

8. Гурьянов, А.И. Водород-кислородная вихревая камера сгорания для перспективных энергоустановок [Текст] / А.И. Гурьянов, Г.Ш. Пиралишвили, И.М. Верещагин - Тезисы докладов международной молодежной научной конференции ХГХ Туполевские чтения. - С. 5 - 37.

9. Гурьянов, А.И. Теплофизика водород-кислородных камер сгорания высокотемпературных турбин комбинированных ПГУ [Текст] / А.И. Гурьянов, Г.Ш. Пиралишвили, И.М. Верещагин - Материалы докладов международной научно-технической конференции «Проблемы и перспективы развития двигателестрое-ния». - Самара, 2011. - С. 223-224.

Зав. РИО М. А. Салкова Подписано в печать 11.01.2012. Формат 60x84 1/16. Уч.-изд.л. 1. Тираж 100. Заказ 18.

Рыбинский государственный авиационный технический университет имени П. А. Соловьева

(РГАТУ вмени П. А. Соловьева)

Адрес редакции: 152934, г. Рыбинск, ул. Пушкина, 53

Отпечатано в множительной лаборатории РГАТУ имени П. А. Соловьева

152934, г. Рыбинск, ул. Пушкина, 53

61 12-5/1674

ФГБОУ ВПО «Рыбинский государственный авиационный технический

университет имени П.А. Соловьева»

ТЕРМОДИНАМИКА ФОРСИРОВАННЫХ ПГУ С УТИЛИЗАЦИЕЙ ТЕПЛА УХОДЯЩИХ ГАЗОВ И ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫМ ВОДОРОД-КИСЛОРОДНЫМ ПЕРЕГРЕВОМ ПАРА

Специальность 01.04.14 - Теплофизика и теоретическая теплотехника

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель канд.техн.наук, Гурьянов А.И.

Рыбинск-2012

СОДЕРЖАНИЕ

Условные обозначения и сокращения - 4

Введение 5

Глава 1. Тенденции развития энергетических установок при

производстве тепла и электроэнергии 12

1.1. Энергосберегающие принципы генерации электроэнергии 12

1.2. Комбинированные газо-паротурбинные и паротурбинные установки 15

1.3. Высокотемпературные комбинированные установки с водородным перегревом пара 21

1.4. Перспективные технологии водородной энергетики 28

1.5. Водород-кислородные технологии производства высокотемпературного пара 34 Выводы по главе ^ 43

Глава 2. Термодинамический анализ цикла высокотемпературных

комбинированных установок 45

2.1. Термодинамический анализ простого паротурбинного цикла (цикл Ренкина) 45

2.2. Термодинамический анализ простого газотурбинного цикла (цикл Брайтона) 54

2.3. Анализ цикла комбинированной ИГУ . 58 Выводы по главе 72

Глава 3. Вихревая высокотемпературная водород-кислородная

камера сгорания 73

3.1. Обоснование выбора конструкции вихревой водород-кислородной камеры сгорания-пароперегревателя 73

3.2. Методика расчета камеры сгорания 80 Выводы по главе 86

Глава 4. Численное моделирование термогазодинамики водород-

88

кислородной камеры сгорания

4.1. Исследование влияния закрутки течения на горение водород-кислородной смеси в среде водяного пара 88

4.2. Численное моделирование аэродинамики малоразмерной водород-кислородной камеры сгорания • 99

4.3. Численное моделирование камеры сгорания в двухмерной постановке 103

4.4. Численное моделирование камеры сгорания в трехмерной постановке 107 Выводы по главе 112

Глава 5. Опытное исследование водород-кислородной камеры

сгорания 114

5.1. Схема экспериментальной установки 114

5.2. Методика обработки экспериментальных данных 118

5.3. Метрологическое обеспечение эксперимента и -оценка погрешностей измерений 120

5.4. Результаты экспериментальных исследований и их анализ 126 Выводы по главе 136

Основные результаты и выводы 137

Список использованных источников 139

Приложение А 150

СПИСОК УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

р - давление, Па; м> - скорость, м/с;

л

р - плотность, кг/м ; Т- температура, К;

ср- удельная изобарная теплоёмкость, Дж/(кг-К);

0,1 - низшая теплота сгорания, кДж/кг; 8 - толщина стенки жаровой трубы, м; г] - полнота сгорания топлива; ''

Я - индивидуальная газовая постоянная, Дж/(кг-К); Ар - гидравлические потери полного давления, Па; к - высота, м;

/ - удельная энтальпия, Дж/(кг-К);

Ст - удельная теплоемкость ,Дж/(кг-К);

Д^/ - потери эксэргии, Дж/кг; диаметр, м; Е - эксэргия, Дж; е - удельная эксэргия, Дж/кг;

(7 - массовый расход, кг/с; ■

С - относительный расход;

7- 2

г- площадь, м ; к - показатель адиабаты; € - удельная работа, Дж/кг; Ы- мощность, Вт;

- тепловой поток, Вт;

- относительный расход топлива; 5 - энтропия, Дж/(кг-К);

АТ - разность температур, К; <

Н- перепад энтальпии, Дж;

а - коэффициент избытка воздуха;

тск - степень повышения давления;

а - коэффициент восстановления полного давления;

ПОДСТРОЧНЫЕ ИНДЕКСЫ

в - параметр входного устройства;

вх - параметр входа;

вых - параметр выхода;

г - параметр газа;

к - параметр в компрессоре;

кс - параметр в камере сгорания;

п - параметр пара;

ред - параметр в редукторе;

ву - параметр выходного устройства;

с.а - параметр соплового аппарата;

тк - параметр в турбине компрессора;

тс - параметр в силовой турбине;

ут - параметр утечки;

ку - параметр на выходе из котла-утилизатора, см. - параметр смешения; О - начальное значение параметра; £ - суммарное значение. НАДСТРОЧНЫЕ ИНДЕКСЫ * - параметры торможения. СОКРАЩНИЯ

ГТУ - газотурбинная установка;

ПТУ - паротурбинная установка;

ПТУ - парогазовая установка;

ВКПП - водород - кислородная камера сгорания;

КС - камера сгорания; ТЭС - тепло электростанция; ТЭЦ - тепло электроцентраль; ГЭС - гидроэлектростанция; ГТД - газотурбинный двигатель.

ВВЕДЕНИЕ

Состояние мировой энергетики, экономический, энергетический и экологический кризисы подчеркивают необходимость повышения производства энергии при неукоснительном соблюдении экономии первичных ископаемых энергоресурсов и снижении выбросов, загрязняющих окружающую среду. Это подчеркивается многими нормативными документами, относящимися к топливно-энергетическому комплексу страны

V1

[1 - 5] и к наиболее энергоемкой ее отрасли, связанной с транспортировкой газа и нефти [6-15].

В развитых странах, как отмечается в публикации [16], до 35 - 40% тепла энергоресурсов преобразуется в электрическую энергию. Пока еще более 50% производства энергии приходится на долю углеводородных ископаемых: нефть, газ, уголь. Это объясняет то пристальное внимание, которое уделяется мировой научной общественностью развитию имеющихся теплосиловых циклов и перспективам создания новых, с использованием альтернативных рабочих сред.

Анализируя появляющиеся в печати публикации, цожно сделать вывод о том, что в настоящее время развитие теплоэнергетики направлено на широкое внедрение газотурбинных и комбинированных энергетических установок [16 - 28]. Нельзя не согласиться с авторами [23], что при создании новых энергетических мощностей необходимо особое внимание уделять стоимостным факторам, определяемых величиной удельных показателей (удельная стоимость, удельная мощность), роль которых возрастает при нерациональной эксплуатации энергоустановок. Необходимо помнить об экологических проблемах и о тепловом «загрязнении» окружающей среды. При создании энергоустановок необходимо предусматривать предельно возможную утилизацию выбрасываемой энергии в форме тепла, не забывая при этом основополагающую цель - выработка наибольшего количества

электроэнергии или механической мощности с единицы затрачиваемой теплоты сгорания используемого органического топлива.

В настоящее время промышленный диалог сконцентрирован вокруг установок ПГУ бинарного цикла, у которых верхний цикл ГТУ с продуктами сгорания в качестве рабочего тела, а нижний - паровая турбина, пар для которой производится в парогенераторе за счет использования тепла уходящих газов из газотурбинной части установки. При этом нижний цикл содержит всю необходимую атрибутику паросиловой, что заметно повышает затраты [16 - 28].

Повышение эффективности комбинированных парогазовых установок за счет роста параметров пара на входе в турбину, включения в схему водород -кислородного перегрева пара до экономически целесообразной температуры (1000 - 1200°С) и использование высокого давления до 35 МПа. При этом пар низких параметров рационально получать за счет теплоты сжигания дешевых низкокалорийных сортов топлива либо утилизируя тепло выхлопных газов ГТУ комбинированной установки [28 - 39].

Проблема роста экономичности паровых и комбинированных циклов сводится к необходимости повышения температуры и давления пара перед турбиной при предельно допустимой степени утилизации ' химической энергии используемого топлива, актуальность которой на современном этапе развития энергетики, промышленного производства и Экологических задач неуклонно растет [1-45].

Актуальность проблемы. Улучшение экологических характеристик и повышение эффективности, а следовательно и организация энергосбережения относятся к основным задачам современного топливно-энергетического комплекса страны и неразрывно связанного с ним энергомашиностроения.

Известно, что экономика страны, жизненный уровень её населения и средняя продолжительность жизни в ней во многом определяются количеством электроэнергии, вырабатываемой на душу населения.

Топливно-энергетические комплексы практически всех развитых стран вынуждены работать в условиях строжайшей экономии • первичных ископаемых углеводородных ресурсов. Это требует в первую очередь самого строгого внимания по отношению к промышленному производству тепла и электричества. Технологические цепочки производства энергии в нашей стране существенно отстают от современных требований по коэффициенту преобразования первичных энергетических запасов сжигаемого углеводородного топлива в конечный полезный продукт.

В связи с этим, разрабатываемые в диссертации задачи актуальны. Цель работы. На основе имеющегося фактического материала провести термодинамический анализ форсированных ПТУ и перспективных технологий утилизации при производстве тепла и электроэнергии, а также в других энергоемких отраслях (нефте-газо перекачка), проанализировав пути повышения их эффективности за счет внедрения новых тёхнологий перегрева пара и разработки для этих целей оригинальных вихревых противоточных водород-кислородных камер сгорания.

Достижение поставленной цели требует решения ряда задач:

1. Разработать методику термодинамического анализа комбинированных ПТУ с водород-кислородным перегревом водяного пара относительно низкой температуры.

2. Выбрать оптимальный вариант технологической цепочки утилизации тепла уходящих газов.

3. Спроектировать, разработать, изготовить и провести исследование рабочего процесса противоточной камеры сгорания водород-кислородной смеси с обеспечением температуры перегретого пара 1200 К.

4. Осуществить оценку предельно допустимого подогрева низкопотенциального пара с учетом современной рыночной цены производства водорода.

Методы исследования:

- аналитические, построенные на основных термогазодинамических законах и положениях с учетом реальных теплофизических свойств веществ

- численные методы с их верификацией;

- методы постановки теплофизического эксперимента.

Научная новизна:

термодинамический анализ энергосберегающих технологий производства электроэнергии форсированием циклов с' утилизацией тепла позволил теоретически обосновать превалирующее значение повышения температуры пара в нижнем паросиловом цикле применением высокотемпературного водород-кислородного перегрева для достижения значений электрического кпд ПГУ 60 % и более;

- технико-экономический анализ процесса форсирования цикла комбинированной энергоустановки за счет роста параметров перед турбинами с учетом существующих цен на производство водорода позволил установить, что эффективная температура перегретого пара не должна превышать 1000- 1200 К;

- впервые поставлена задача перегрева пара с использованием горения водород-кислородной смеси в среде низкотемпературного водяного пара и противоточной схемой течения, решение которой позволило теоретически и экспериментально обосновать критерии надежного запуска, устойчивого горения, эффективного охлаждения теплонагруженных элементов, достижения полноты сгорания г]П С = 0,999 и практически их подтвердить на созданной вихревой противоточной камере сгорания.

На устройство КС подана заявка на выдачу патента РФ.

Достоверность и обоснованность научных положений определяется:

- использованием фундаментальных законов и уравнений теплофизики, технической и химической термодинамики, гидро- и газодинамики с соответствующими граничными условиями, современных методов реализации математических моделей;

- постановкой опытов с использованием современного научного оборудования прошедшего необходимую аттестацию в соответствующих организациях, имеющих право на госпроверку.

Она подтверждается адекватным совпадением расчетов с опытными данными и известными результатами других авторов.

На защиту выносятся:

- методика термодинамического анализа комбинированных ПТУ с водород-кислородным перегревом низкотемпературного водяного пара;

- результаты расчетных и экспериментальных исследований рабочего процесса противоточной камеры сгорания водород-кислородной смеси;

результаты оценки предельно допустимого подогрева низкопотенциального пара с учетом современной рыночной цены производства водорода.

- методика расчета и конструкция вихревой противоточной водород-кислородной камеры сгорания.

Практическая значимость.

Разработана методика расчета и термодинамического анализа комбинированных ПТУ с перегревом пара в водород-кислородных вихревых противоточных камерах сгорания.

Определен конструктивный облик устройства такой КС и проведены её опытные испытания, подтвердившие надежность рабочего процесса и достижение рассчитанных параметров.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы доложены на шести Российских и международных конференциях.

Публикации: ключевые положения опубликованы в 10 научных работах, 3 из них в рецензируемых изданиях.

Объём работы: диссертация содержит 194 стр. машинописного текста, 66 рис., 12 таб. и состоит из введения, 5-ти глав, заключения, списка литературы из 106 наименований и Приложения А.

Значительная часть проведенных исследований выполнялась в рамках государственных контрактов № 02.516.11.6021 от 26 апреля 2007 г., № 02.740.11.0414 от 30 сентября 2009 г.; № 02.516.11.602; №05-08-33942; гранта Президента МК-4477.2009.8 (договор № 02.120.11,4477-МК); Ведущая научная школа № 02.516.12.0009; ГБ НИР №1.120.08.

ГЛАВА 1. ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ ТЕПЛА И ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ

V'

1.1 Энергосберегающие принципы генерации электроэнергии

Энергетика является базовой отраслью экономики. От ее состояния и уровня развития зависят соответствующие темпы роста других отраслей хозяйства. Она создает предпосылки для применения новых технологий, обеспечивает требуемый современностью уровень жизни населения государства [16, 17], оказывает заметное влияние на окружающую среду, являясь одним из основных потребителей первичных энергоресурсов. Во всех странах отмечается непрекращающийся рост производства электроэнергии. В предстоящие 30 лет прогнозируется удвоение электрогенерирующих мощностей. Источники широко используемого органического топлива - угля, нефти, природного газа - практически невосполнимы, и человечество начинает осознавать опасность глобального энергетического кризиса. Поэтому в развитых странах выделяются большие средства на научно-технические исследования в области энергосберегающих технологий [18]. Россия располагает значительными запасами энергетических ресурсов и мощным топливно-энергетическим комплексом, который является базой развития экономики, инструментом проведения её внутренней и внешней политики.

Основными направлениями развития энергетики являются:

- повышение кпд и мощности эксплуатируемых и перспективных энергетических установок [19];

- надежное обеспечение населения и экономики страны необходимым уровнем и качеством энергоресурсов по доступным и стимулирующим энергосбережение ценам;

- снижение рисков и предотвращение развития кризисных ситуаций в энергообеспечении страны;

снижение удельных затрат на производство и использование энсргоресурсов за счет рационализации их потребления, применения энергосберегающих технологий и оборудования, сокращения потерь при добыче, переработки, транспортировке и реализации продукции ТЭК; - минимизация техногенного воздействия энергетики на окружающую среду на основе применения экономических стимулов, совершенствования структуры производства, внедрения новых технологий добычи, переработки, транспортировки, реализации и потребления продукции [18].

На Рис. 1.1 приведена диаграмма, отражающая долю, приходящуюся

на различные типы электростанций в энергетике России на 2004 год.

% 2

\ 1

ГЭС "АЭС "ТЭС "Другое ■ Гзз «Уголь "Мазут

Рис. I. I - Выработка электроэнергии в России за 2004 год по типам станций и топлива, %

[20,21]

Электроэнергия, вырабатываемая на ГЭС, считается самой дешевой. Строительство ГЭС требует затопления огромных территорий плодородных земель, а большинство рек в густонаселенных областях планеты уже перегорожены плотинами. Ядерная энергетика спасает нашу планету от 2,3 млрд. т выбросов парниковых газов. Однако до сих пор полностью не разрешены вопросы размещения, переработки и захоронения ядерных отходов. Солнечные и ветряные электростанции имеют неоспоримые экологические преимущества, но зависят от сезонных и суточных колебаний, а также от изменений погоды. Биоэнергетика, несмотря на наличие

огромного количества органических отходов, представлена лишь опытными образцами по производству биогаза [17, 46].

Наибольшая доля в российской энергетике приходится на тепловые электростанции, среди которых лидирующее положение, около 40%, занимают технологии, использующие в качестве энергоресурсов природный газ, Рис. 1.1 [20,21].

Главной целью технического перевооружения электроэнерге