автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.06, диссертация на тему:Научные основы создания теплохладоэнергетических агрегатов на базе турбокомпрессорных машин

ШСШй ГОСУДАРСТВЕННОЙ ТШШСШ УНШЕРСШТ

РГБ

ОД На правах рукописи

- саг

ГРИЦЕНКО Виталий Иванович

НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ СОЗДАНИЯ тшюхадоэнЕгптг-шских АГРЕГАТОВ НА БАЗЕ ТУРБОХОШРЕССОРНЫХ МАШИН

Специальности: 05.04.06 - Вакуумная^ компрессорная техяика и шевмосистеш? 05.04.03 - Машины и аппарата холодильной и криогенной техники и скотем кондиционирования

Автореферат

диссертации, на соискание ученой степени доктора технических наук

Омск - 1934

Работа выполноца ь Омский госуларсгвопнси техническом университете.

Официальше оилонеити: доктор технических паук,

Защита состоится 21 октября 1934 г. в 10.00 час утра в аудитории 6-340 на заседании диссертационного Совета Д 063.23.02 при Омском государственной техническом университете по ад-расу: с440о0, 0мск-50, пр. Мира, II.

С диссертацией ыокно ознакомиться в библиотеке ОийТУ.

Автореферат разослан " " ^^___1034 г.

Ученый секретарь ;

диссертационного Совета, .. ¿Р

д.т.п., профессор

ггрофеосор il.ll. Бухарин;

доктор технических наук профессор В.И. Кузнецов

доктор технических наук, профессор А-II. Го.рлш

Вед/иин организация: НПО "Сибкрнотехника", г. Олек.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИК РАБОТЫ

Актуальность пробном. Известно, что комбинированное энерго -снабжение промышленных предприятий существенно скигае? удельные за -траты топлива и электроэнергии, а з рядо случаев значительно улуч -шает экологические характеристики энергоисточников.

К такому оборудованию следует отнести теплохладоэнергетпческиа агрегаты (ТХЭА), одновременно вырабатывающие теплоту, электроэнергию и холод дли твердый диоксид углерода (СО<>). 3 сущности ТХЭА. является результатом синтеза в едином термодинамическом цикле газотурбинной п холодильной установок, главными элементами которых являются турбо-компреесорняо и расширительные мааганы.

Комплексное производство теплоты, электроэнергии и холода хаи твердого диоксида углерода в ТХЭА по сравнении с раздо.шшм, как показал анализгдает экономии условного топлива 30-40 % прг оначитель -ном сокращении выбросов вредных веществ в атмосферу. Ира этом наи -большую эффективность работы ТХЭА тлеет при создании на баз® турбо -машин.

Все это в совокупности определяет необходимость и целеоообраз -тесть разработки научных основ создания ТХЭА на базе турбоксмцре'о -горных капин, которые выполнялись на основании ряда государственных ропеяий и программ:

- целевой комплексной научно-технической программ ГКНТ СССР, Госплана СССР и АН СССР от 12.12.1980 й 474/250/132 0.Ц.002. Созда -то новых видев оборудования для производства электрической п топло-10:3 энергии П.Н2;

- комплексной программы Минвуза РСЗСР "Человек а скрунавпая :реда. Проблемы охраны природа". КоординацгоннкЗ план проблемного ¡овета "Экологическая технология" на 1381-1585 г.г.; •

- постановления Совета Министров РСФСР й 603 от 03.11.81 г.;

- государственной научио-техническоЗ программ "Экологически 'петая электростанция" в соответствия о постановлениями ГККТ

<т 23.07.S0 й 710 а от 15.10.91 № 1267.

Предложенная разработка научных основ создания ТХЭА ж база урбоко&шроссорнах машин может бить квалифицирована как научный труд, котором на основании внполнвкяих исследований и разработок, ооувд-твлэно решекпэ научной проблема, шевдеЗ вааное народно-хозяЯствоч-оз значение.

Используя выполненные научные разработки,впервые в мировой практике Си к разработан г. создан опытно-промышленный ТХЭА в ШО "Скбкраогехника" (г, Омск).

Кета к задачц исследования. Основной долю исследований явля -дсоь разработка научных основ создания ТХЭА на базо турбокошгрессор-ке машин,, разработка и создание первого опытно-промышленного ТХЭА а разработка практических рекомендаций для проектшч организаций по выбору параметров,, расчету и конструированию комплексная внергоуста-

коэохо

Для достижения основной доли работы были поставлено следующие аадачи исследований.

В таолтт;

- вашшшгь термодинамический анализ циклов ааергоуогановок с газовыми турбинами для комплексного производства теплоты, олектро -*чоргии и холода; о проявлять критерии и оценить экономическую эффективность комплексного энергоснабжения по сравнению с раздольным}

- разработать физическую и математическую модели а выполнить гоорвгичзскай анализ процессов расширения продуктов сгорания топлива в проточной чести осевого турбодетандера? .

разработать математические модели для расчета основных про -цьсоов ТХЭА и выполнить исследования рекшов ах работы при оптимальном распределении основных термодинамических параметров в турбомаши-нах|

~ разработать мотоды расчета реаичов ТХЭА о использованием га -водхнамкчеоких характеристик турбонагнетателя и турбодетандера, вы -полнеишч с использованием лопаточных аппаратов серийных ГТД, применительно к условиям работы в ТХЭА;

- определить осиовкчо характеристики и оценить теашко-экономи-чэокие показатели ТХЭА £ их экономическую эффективность;

- разработать практические рекомендации по выбору параметров, расчету а конструирование ТХЭА на базе турбокомпрессорах машин.

В этеоперяцентр:

- разработать и создать первый опытно-промышленный ТХЭА;

- выполнить эксвэршоптальное исследование процеосов в турбо -нагнетателе, турбодетандерв и газотурбогенераторе, разработанных

с использованием »лементов ГТД транспортного типа;

выполнить експериментальвое исследование и на основе выбранного критерия оценить эффективность работы опытно-промышленного ТХЭА в ражгмах коишгеясь'ого производства теплоты, холода и твердого даок -сада углерода. 4

Методы доследований. В работе использован комплоксный подход к решении рассматриваемой проблемы, включающий обобцошм я алалйз литературных материалов и дальнейшее развитие физики процессов глубокого охлаждения продуктов сгорания топлива гнгл вх расширении в турбомашинах. Теоретические исследования проводились с яслользова -пием фундаментальных законов физики, термодинамики и газодинамики, современных методов чиеаенного решения задач на ЭВД. Ддк проверки достоверности математических моделей выполнены экспериментальные исследования процессов как в отдельных узлах ТХЭА на специальных стендах, оборудованных новейтат приборами, так и в комплекса непосредственно на первом онытно-промышлекком ТХЭА.

Научная; новизна работа.

1. Получеян основные зависимости для определения оптимальных термодинамических параметров, в частности- степеней повышения и по-нияения давлений в турбомазп'лах на различных регклах работы ТХЭА.

2. Еыполнсп термодинамический анализ циклов энергоустановок

с газовыми турбинами и дана оценка экономической эффективности ко:,*» плексного производства теплоты, электроэнергии и холода. Показано, что комплексное производство теплоты, электроэнергии и холода или С02 в ТХЭА, в сравнешш с 'раздельным, приводит к существенному повышении термодинамической эффективности энергоустановок и экопоиша топлива.

. 3. Разработана математическая модель, выполнено теоретическое исследование и анализ процессов расширения' продуктов сгорания в проточной части осевого турбодетандера. Определены основные закономер -ности процесса расширения.

4. Разработаны методики инженерного расчета газодинамических характеристик осевого турбодетавдера а турбонагнетателя применительно к условиям работы в ТХЭА. ■

5. Выполнено теоретическое исследование и разработана методика расчета режимов ТХЭА о .использованием газодинамических характеристик гурбомашпн.

6. Впервые в мировой практике на баз о турбошаш разработан и создан опытно-прошшленкнй ТХЭА для комплексного производства теп -поты, холода а"диоксида углерода.

7. Получена новые результаты экспериментального исследования турбонагнетателя, турбодотандера и газотурбогонератора, созданная з использованием олментов серийных ГТД, применительно к условиям заботы в ТХЭА.

8. Впервые подучены результаты экспериментального иоследойаняя ТХЗА при комплексном производство топлоты, холода и С02. показавшие его нксокуе эффективность.

Э. На основании выполненных исследований разработай» практические рокомондации по вибору параметров, расчету и конструировании энергоустановок с турбокомпрессорными и расширительными машинами даш комплексного производства теплой:, холода, диоксида углерода и электроэнергии. Выработан» критерии и дани оценки техша:о-эксноии -чошеих показателей к экологической эффективности промышленных ТХЭА.

X» Научнив основы создания теплохладоэнергетических агрегатов на базе турбско.\шреосорних к расширителышх машин, показивашие • значительное нозишение их эффективности при комплексном производство теплоты, холода и твердого диоксида углерода,

.2. Расчетную характеристики основных элементов ТХЭА, в частности турбонагнетателя, хурбодетандера, а такке ТХЭА в целом при комплексном производство теплоты, холода и С0о.

3, Результаты экспериментального исследования первого оштно-промышленнего ТХЭА.

4. Практические рекомендации по выбору основных параметров при расчете и коч^руирования энергоустановок с турбощаяанама для комплексного производства теплоты, холода и твердого диоксида углерода.

Практическая ценность тк'бту; состоит:

- в создании первого олатно-промкшленного ТХЭА и результатах его ахспбрииолтплшогс исследования;

~ в разработке научных основ и методов расчета отдельных еле -тентов к ТХЭА в попои;

- в разработке на основе теоретических и экспериментальных исследований практических рекомендаций по выбору параметров, расчету у. конструирования энергоустановок для комплексного производства теплоты, холода в твердого диоксида углерода;

~ в использовании результатов исследований в учебном процессе при подготовке ишзивров по специальности 0702 "Техника и физика низких температур".

Резлизащ'л, г, птюмщенноотк. Результаты исследований использованы ири создании и ссвозаиа первого очьтио-црол ¡шлейного ТХЭА в НПО "Сибкриотехника", в (люком моторостроительном конструкторском <йтро при разработке установок для нотлг&иих систем и агрегатов ГТД,

в ШШИЭпергопрогло и ШО ЩСГИ при проектировании крушотасжабиого стенда для котяшехсного производства электроэнергии, гепиоти, холода а твердого диоксида углерода, а также при разработке концепции соз -дания экологически чистой электростанции на базе ЛГУ с ¡ксокопапор ~ ншл парогенератором и внутрицикловой газификацией твердого топлива с осуществлением па последней этапе значительного сокращения внбро -сов С02 в окружающую среду.

Апробация щботн. Основные положения и результаты диссертационной работы доложены и обоуздались на 'Всесоюзных научко-технгггэских конференциях по производству и применении холода (Ташкент, 1977, Ленинград 1281, 1386; Одесса, IS82); Всесоюзной'паучно-толппескоЗ конференции "Лозкиенио оффоктшзкости и совершенствование компрессорных машин и установок", Москва, 1978; Всесоюзной Mearaysoscncä копфч-ренции по газотурбинным л комбшировашпм установкам, Москва, [979; Республиканской конференция "Дробломя охрани pigjyjtawjrtt среда з районах с интенсивно раззввавдейся прошаленностьв'', Кемерозо, [932; Всесоюзных научно-технических семинарах "Запета воздушного Зассейна от выбросов вредных веществ в атмосферу (ВДНХ СССР, 1932, 1елЕбинск„ 1903); Республиканской.научно-технической конференции 'Научно-технические цроблекя энергомашиностроения у. дута их рзпг-~ п*л"; Санкт-Петербург, 1992; на 3-й и 4-и школах-семлгарах "Эхсор-геготаокий истод анализа и его применение в технических и зконош -геских задачах'', Научный совет ЛЕГ УССР по комплексной проблема Теплофизика и теплоэнергетика"». Киев, I9S8, Николаев, 1990; га пятом семинаре по ко:.шлексно2 проблеме "Теплофизика я теплоэнергетика СО MI СССР", 'Кемерово, 1966; на научно-технических ссвещаии-к "Наземное применение авиадвигателей в народном хозяйстве", ЦЩ СССР, 1976, IS8I; на Всесоюзных научно-технических совещаниях :о экономии топлива а разработке новых типов энерготехнодегических •стансвок, Гомель, 1977, Ленинград, 1981; на метиуйаредной научно-'охнической конференции "Актуальнее проблеш фуидамектальних наук", ■осква, ЮТУ, 1291; на мевдународиой- научно-практической конфорен-;ии "Индустриальные тенденции современной эпохи и гуманитарное об~ азозание", Омск, IS92; па первом международном симпозиуме "Зизн -еские проблема Экология, природопользования и ресурсосбережения", яепск, 1992.

Публикации. Основные материалы диссертации пзяо'хегги в 57 пуб-икациях, среди которых 16 авторских свидетельств СССР и 3 учебн-гх особия.

Рруттурп работп. диссертация состоит из введения,

нити глав основного текста, заключения и выводов по работе, црило-аонпй, в которых приведена акты о реализации результатов работы. OGüpü! объем диссертации 310 страниц, в том числе 251 страница машинописного текста, 81 рисунков, 17 таблиц. Список использованной лоте ~ ратурп содерашт 303 наименования,

Содарг.^ицо работы. Во введении дана краткая характеристика ис -следований, о плечона их актуальность, направленность и приведены некоторой сбу'ш результата.

ü гервсП главе рассмотрены осьошше кет ода повышения тепловой и экологической эффективности комбинированных энергоустановок с тур-бс.лашкнам«.

Начало разработкам и исследования;;! энергоустановок с глубоким охлаждением улоджцгас дчмових газов било положено в Ленинградском технологическом института холодильной иромшмшшости на кафедрах "Лрс,'.&!шлонлая теплотехника" под руководством профессора Лоякина Д.Н, п "Холодильные нашпда" под руководством профессора Кошкина H.H. 2 1371 году оилл начаты работы по исследованию отдельных элементов и ТХЗЛ а целом в Олскш политехническом институте ((МШ) под руко -водстиом автора, Б итог ко период под руководством А.Н. Лсккша в В.Б. Грибсва также были начаты работа по исследованию парогазовых установок о впссконапорннм парогенератором и глубоким охлаждением уходящих дамозих газов в Северо-Западном отделении ВПИШэнергопрсма (г. Ленинград'!.

£ дадые'ллсм кш совместно с профессором Локкшим А.Н.были. продгг«.:«»ы ¡¡ервно схекты теплофикационных ГГУ с напорной утилизацией теплота п глубоким охлаждением уходшшх домових газов, одна из ко -i'op.JX показана да рис. I. iipn этом било выявлено существенно© сни ~ кекпе г.ощюсти газовой турбшш, что мокет компенсироваться увеличением мощности парсьоЛ турбпни. Gin о отмочено, что установки рассматриваемого типа с;ез паровой ступени представляют собой, по сущоетьу» ьнергетический агрегат для комплексного производства тен-лот» (пар, гоготал вода), холода, диоксида углерода и элоктрпче cKoii энергии, необходимой для обеспечения собственных нужд. Такие установки были назвали тешюхдадоэнергвтическши агрегатами (ТХМ), lürpaoaxuüaei/tjfi п то кал агрегате диоксид углерода является цешшм технологическим продуктом, находящем все более широкое применение е различных отраслях народного хозяйства страну. Потребность тз диоксиде углерода постоянно растет.

теплообменник; К - компрессор; КС - камера сгорания; ГТ - готовая турбина; ВЭ - напорный утилизатор теплоты; 30 - сепаратор кглельной влаги; Р - регенераторы; Д - турбодетандер; М - мультипликатор; ЭД - электродвигатель; X - холодильная камера (циклон)

Содеркание COg в уходящих газах имеет существенное значение ■ и для оценки экологической эффективности ТХЭА. Известно, что новы -шение содертания COg в атмосфере крупных городов и промышленных центров приводит к заметному увеличению температуры окруяадудего воздуха - возникает так называемый "парниковый эффект". Согласно, имеющимся данным концентрация COg возрастает на 0,5 % в год. Ле-раочетам специалистов предотвращение вредных последстаиа возможно только при сникении мировых выбросов COg в атмосферу к 2005 г. на 20 % и к 2050 году - в 1,5 раза. Поэтому создание ТХЭА решает задачу не только получения С02 наиболее дешевим способом, что' позволяет снизить производство COg на базе специального скитания топлива, но а резко снижает выбросы COg в атмосферу.

Учитывая, что ТХЭА обладают высокой тепловой и экологической эффективностью, они могут найти широкое применение для производства теплоты вместо, традиционных котельных.

При созданий первого опытно-промышленного ТХЭА и ого элементов решался целый комплекс слошшх и малоизученных вопросов, связанных о выбором конструкции, теоретическим обоснованием с хеш» изучением процессов в основных элементах, согласованней совместной работы гурбомашин и других. Решение указаниях вопросов стало возможным

при испольэовации трудов известных ученых и специалистов: А.Н. Лок -кша„ H.H. Кошкина, К - II, Селезнева, Ю.Б. Гадеркша, Л.П. Гофяпка, Г.Н, Дона, H.H. Бухарина, E.H. Прутковского, А.IL Андцшцешсо, Л.И. Попова, В.И. Епифановой, В.О, Мартыновского, В.М. Бродянского, В.й, Кузнецова, Е.И. Литовского и др.

Однако, несмотря на имешаася работы, до настоящего времени отсутствовали обобщайте материала но тепловой и экологической эф -фс.ташнооти ТХЭА , наложные метода расчета и согласования рекимов его работы, не били иайдени критерии оценки технико-эконогличеоких показателей, не сформулированы основные рекомендации по выбору параметров, расчету и конструированию ТХЭА на базе турбомашш.

На основе изложенного сделан вывод о необходимости разрабстки ■ научных основ создании ТХЗА, что требует проведения теоретических а экспериментальных исследований как отдельных элементов, так и ТХЭА о долом, выполнение которых позволит разработать практические реко -мендадан для конструирования ТХЭА на базе турбоиашин о одновромен -ным производством теплота, холода и С02.

¿о второй главе налокеш научные основы создания ТХЗА на базо rypooxo,-,mpeocopmjx к раашфитолышх мета. При этом рассматриваются условна совместной работы гурбомашин для определения оптимальных oxtiiortcü отношений давлений в цикле, вибраны критерии оценки и приведены р'сзультах'-j . .рмодинашчоского аналгза циклов энергоустановок о газовыми турбинами. Дана оценка' экономической эффективности ком -пдйксного энергоснабжения па сравнении с раздельнш:, а также выяв -основные закономерности процессов расширения продуктов сгора -я\ш гопляш в осо-зом турбодатакдере. Показано, что изменение регш -

рабом ТХЭА моьсот осуцйствдятьса за счет регулирования подачи топлива и камеру сгорания и, соответственно, температуры Тг (рас. I).

Учитывая, что оеновнш назначением ТХЭА яеляется производство твадоуоц энергии я твердого диоксида углерода, приведена методика рао'хсч'д параметров нри оптимальном распределении степеней соотношения давлений з турбомашвдах при условии равенства мовдсс'л'йА в ком -проссорэ - тюбике л нагнетателе-детандере, соогветстлснаю:

у* ^ ,\Jr; -л/i. • ■JW-Ü"'-:^ Тё ; до

еда сГ - доэф^одвсят, учататаадий отноечтельнуи величину псторь :гавлан:вг в газолоадуинои тракте ТХЭА.

31Язл&ыо, что ааракзтра рабочего тола в узловых точках дшага а igjoaaccas ежггия и рдтчршяе могут бьягь опроде-леии но величинам ооегкоиекен дамедшй в кях. ГО

Для определения оптимальных отношений давлений в турбомачл-дах п функции цели,единый термодинамический цикл ТХЭА 0-1'-1-2-3-4-5-О-7-8-&-0 (рис. I) условно раздолен на два: ярят"? й'-2-3-4-2' и обратный - 0-1' -1-2'-5~6-?-8~9-0, Работа прямого цикла при этом используется л обратном на производство твердого диок ~ сида углерода. В этих условиях шкскмуму работы прямого цикла ¿,т "будет соответствовать наибольшая работа, потрабхяагая сдратша цдагш 1р.о при заданной температурном розгам. Робота прямого дгауга в этом случае является функцией только двух пере««янчх Для опредэггоптя п $2 составляем функцию Яаграяаа я пржтнп тод пюжлтзлбй, шес:л систему.

/ Хо) , гдо 'Л -- ЕспсмогатэлышЗ мкоеттелъ.

Решая систему уравнений (2) с учетом условий (I) при 2 » х 0 я используя безразмерные параметры, получим следуйте от ~ непенш давлений з турбсмапигах:

\1 тТ '

Поело чего отношения давлений в детандере з натаэтатеда опредежп-ся из уравнений: ^ ^ ./__

"Л . 7 4 ¡,-.1

П. -ГС-^.*!.

™ : • rir.fi ; ' —

77,- '".V ■ .¿V

7} ■ /Щ- • к//с ' гт

Здесь Л , - коэффициенты, характеризующие относительную величину утслок рабочего тела, соответственно в гаостурОогонораторе и по тракту мезду нагнетатолем и турбодетандером с учетом добавления топлива.

Теоретическое исследование реаимов с оптимальным распределением степеней повышения к понижения давлений в турбошпинах сводилось к исолздованию влияния безразмерных комплексов дл , , определяющее рею.: работы газотурбогенератора и холодильной части 1X.dk.

Было выявлено, «то для обеспечении работы холодильных регенераторов при мшппаяыгих энергетических затратах на нроизвсдство диоксида углерода степень расширения продуктов сгорания в турбодетандере долкна находиться в пределах 'Ль ~ 3-3. Расчеты проводились для рй-кимов ИЗА о изменением комплекса вп при фиксированном значении комплекса О* , что соответствовало изменению то!.шературн 7} в камора сгорания газотурбогонератора. 1(ри расчете били приняты еле -дующие исходные данные: = ,•/?„ и тд «* 0,280; г»г - 0,248;

- - П,.«* " = 0,95; Тс » 173 К; 7, = То

« 300 К; ■Се = 0,207 кДп/(кг.К); 0,285 кЦд/(кг.К); = 0,98;

- 0,97. Адиабатные и механические КПД турбомашин щ>шшти постоянными, не зависящий от изменения комплексов 7Г , и .

Расчетные зависимости отношений давлений в компрессоре газо •• турбогенератора 'Лх , турбина Лг , детандере 'Л/, и нагнетателе Л*/ ТХЗА от кимпло/.оа 8/> приведены на рис. 2. Откуда вши, что для Т.ЧЭА с турбонагнетателе;.! (риз. 2а) ьфишлоэ условие 2 -- '■*■<> 3 выдергивается. при изменении Вл от 2,5 до 2,75, При повышении 6г, > 2,75 кий/точную энергию прямого цикла целесообразно ионользо-ваЕЬ для выработки элйгтроэчергпи. Дня ТХЭА без турбонагнетателя (рис. 26) лрднчтоо условие 2 ^ <3,0 обеспечивается при измене -нил в:1 а лредэтах 2,6 - 3.2. При этом,степень повышения давления в косогоэссоре газотурбогенератора составляет 7,0. С повышением

2 избыточную энергию прямого цикла и ел езо образно использо -вать для выработки электроэнергии.

Ранее будо отмечено, что введение напорной утилизации теплоты опишет ¡д-эдность газовой турбаш, по при этом поэигаается тепловая эффективность ТХЗА. В связи о этим целесообразно оценить термедлна-хзяеевую и зхэкомвчеоиу» э^окгпвноеть ТХЭА при комплексном прояз -водство тонлотя, электроэнергии и холода или С02 в сравнении с раздольным..

т

- А "И

!

A¿-

?н—1

3$ ! ~Т

-ZJ__!_L

&& Я ¿8 ¿31$ .?/

а

геи s.üja' j.¿

Рас. 2. Зависимость отношений дквяшаЗ в турбсмшкнах ТХЭА коглглекса „ а - ТХЭА о тувбояэгазгатеязм; б - ТХЭА без турбонагнетателя *

Так как в ТХЭА вырабатывается различная энергетическая продукция (теплота» электроэнергия, холод а С02) было цредлогено оско?кнм методом термодинамического анализа принять- гксергвгачеаяяЗ s s кг -чествэ критерия оценки эффективности работа агрегата забрать эксер-гетяческиЗ КПД, которн! для ТХЭА равен

1Г<

где см - эксергия электрической энергии; с^ ~ эксергия тепловой энергии; - зксэргия холода; эксергия диоксида углерода;

В*.г - эксергия топлива,

При этом оценка экснсотчэокой эф$вкгквкосга кшяяехсаого вронэ-водства различных видов энергетической з технологической, продукт в ТХЭА выполнялась а сравнении с раздельным производством теплоты, электроэнергии, холода к 002 в замеплечнх установкам по эколиан условного топяива8 как основного состазляшего элемента ькспкучташ,~ окных затрат

л 5-,

ГШ

/у

Оь'-г

- С 0-Г ■* Л* • Ос ,

(8)

у-г

где ¿г 0 , - удельные (нормированные) затраты топлива на производство теплоты, электроэнергии и холода в замещаемых установках,,

кг/кВт,.

Б случае производства твердого диоксида углерода уравнение (8) примет аид

£у.г ~ £г-@г , (9)

х'до удельные (нормируемые) затраты 'топлива на производство С0а кг/кг.

Цриидяняальаые схемы в теоретические циклы сравниваемых энергоустановок покозанк на рис. 3. Результаты расчетов приведены в табл.1.

3 качестве исходной модели для расчетов выбран ГГД, вырабатывающий электрическую энергию. Его эксергетический КПД % = 28 %„ что соответствует существующих "ГТД. Энергетическая эффективность ГТД невысока,; вследствие больших потерь теплоты с уходящими газами,, температура которых Ты « 664 К. Цроизаодство электроэнергии в этом ояучао менее эффективно, чем в тепловых едектростанциях.

д)тт е)гт

Рис» 3„ Схема в цикли щергоустановок: К - ког.шрессор; КС - сгорания; Т » газовая турбина; Г - электрогене-

ратор; ТО-теплосбменник; Д - детандер; Р - блок регенераторов; Ц - сепаратор С02

Таблица J

Эффективность циклов энергоустановок в' зависимости от температура охлажденных продуктов сгорания

» Параметры 5 Ед» | 331 Температуре потока газов . °С

взмо I4G 15 -10 «70 -150

Температура газов за турбиной К 554 86? 828 829 ЗоЗ 833

Вырабатываемая мощность кВт ISS 183 34 52 38 24

Теплота, отведенная в теплоутилизаторв кВт - 392 551 $45 651 651

Зксергия пара кВт - 1X2 267, 308,3 310 310

Холсдогаоизводнтзяь -ность кВт - ~ 34 ■íQ -

Эксергм хожода кВт _ - - 0.S 10,9 -

Выход диоксида углерода кг/ч - - - „ 59

Эксергия дзоксяда углерода пБз „ - - - 13,6

ЭкоаргетичвсквЗ КПД % 2В 43 46 51 50,7 49, Ü

Экономия гсплЕза % -16 38 25 '33 35

йзвво?йо8 что утилизация ssikoxh jxq&ehsx. газов ярд .вавгеяга, близком к атмосферному, эяонсяотэсхн целесообразна до землер&туркс-го уровня порядка 140 °СР что еущеггвеннс •ясзыаавг знергсгяческзгэ эффективность и экономно тсшшза' по сргЕненпа з раздзльнжл гтрозз -еодстео'л гнергаа» ЭксергетическаЗ КПД в этом csycae соогавжяе'г -48 а экономия топлива 29

Цра сравнения энергоустановок заявлено» что ¡иансикальнай eesp-ггтэтеская зффсхстазнсоть ТХЭА 51 % аосгпгаэгек nps икааяеажА продуктов сгорапня топлпза з детандере до -10 °ö СТХЭА-1)о Б этом случае используется не только пошшй гзкперагурпкй капор гагоэоге потока а теплота конденсации- зодянах. паров,, но а гыргйангвэется хсяод. Эконшлз гошшва повышается до 33 %»

Прлглоиепге ss раггнерацаи голода СТ2ЭА-2) ¡jossosssí? енззкть температуру в жолодадшой камзра до -70 °0 я Экоаргетаческай КЦД цра этогл практвчзскз по заменятся » 51 & яо эксяагш ?оа -лива узслнчшзгтся до 33

ДальноВпеэ охлатааав потока газов до гемперагурн вгокоь'эллаза-цда COg 0 содержащегося а продуктах сгорания топлива, позволяет заморозить его аз газового потока (ТХЭА-3). Пра этом засергетзчгеский

15

несколько снимается и составляет в 49 %, а экономия топлива достигав* 52 Некоторое снижение гксарготшеского КПД происходи" а ояяик 8 увеличением потерь по газозолу тракту к уменьшением вырабатываемой мощности.

Выполненный анализ показывает, что «.шале«снов производство электроэнергии,, теплоты,, холода или С02 позволяет значительно повысить зксергетшеский КПД и экономическую эффективность эиергсуста -аозох, которая, з первую очередь, обуславливается экономией топлива.

Лиилвз промышленных способов отделения С02 из дымовых газов энергоустановок показывает» что одним из перспективных может стать опосос5 быморакшшия СОр в объема потока, расширяющегося в турбоде-таадерОв Особенностью этого способа является работа детандера в * условиях фазового проврацения части рабочего вещества с возможно -стью образования в проточной части кристаллов СО^, способных цриве-С"Е й поэиасн.'шм газо- и термодинамическим потерд,!,, неустойчивой работе к эрозионному износу дотавдера. Поэтому вопросы, связанные ■ й опредьлиысу газодинамических параметров потока в проточной части тургюдетандера и оценка области образования выпадания количества а размеров зародыаей твердой.фазы СО^, относятся к числу наиболее олоиых„

Для решения ятих вопросов были рассмотрены два возыокгах дре -дальних случая расчетной модели процесса г

-- керзохлавданпа потока продуктов сгорания достигает крятдае -окоте значения за рабочим колесом турбедетандера, где и начинается процесс кристаллизации 00^;

•• перзохдавдеяза потока достигает крвтвческого значения в проточной части ^урбодетацдера, аде начинается процесс кристаллизации С02 и, овязанноа с ота.1, выделение скрытой теплота фазового перехода при образовать, твердая частиц СС^.

Басчет процесса раепщренпя продуктов сгорания проведан при условие что кристаллизация начинается за рабочим колесом и заказ -чизаетоя а состоянии тармодкиампческого равновесия, т.е. является предельно керавновоснойо При кристаллизации С0% выделяется теплота6 которая передается газус Равновесная температура и концентрация С02 ыогуз быть определены по состоянию обратного потока, т.е. цри теи -пераяурв ТР - 7} (рис. I). Температура на входе Тс может бить определена по таблице насыщенных паров, а температура Т? в конце расширения а учетом величины ^ и .

< /¡.аЛ

Количество теплоты, передаваемое кристаллами смеси газов, онрэ -яеяяаюсь по изменению концентрации С02 от начальной £ до рвшсвоо-ной при условпп:

Cffc-^)

Равновесная температура при адристаллизация С02 считалась ~:ера -менной, так кап изменяется концентрация.

Лил определения этой зависимости применялся закон смещения равновесия прп изменении температуры, давления и масс компонентов, входящих в термодинамическую систему.'

j

После преобразования в интегральную форму уравнение (II) запишется, так

у, ^¿f, _ 'ifr^-rp)

где T» ~ температура начала кристаллизации С03; ~ молекулярная масса С02; - молекулярная шсса продуктов сгорания? - уни ~ версальная газовая постоянная.

Это уравнение определяет - связь температуры парогазовой смеси С равновесной концентрацией COg.

Таким образом, основные закономерности процесса ¡кристаллизации С02 определяются системой уравнений (10) и (II)» которыэ дают зоз -мощность теоретически исследовать процесс 'кристаллизации СС.-,, уча -тызая изменение температуры и концентрации.

Процесс расширения потока в детандере протекает црл больших скоростях, сопровождается тепло- и массообмеисм а равновесный про -цесс криоталлизацип может но реализоваться. Если перзсоигаадекЕе потока достигнет критического значения в проточной часта турбодотан -дера начинается кристаллизация COg с соответствующая выделением теплоты фазового перехода» В эта», случае да полного описания процесса кристаллизация целесообразно попользовать моле^дярго-кинеташскув теорию. Скорость образования зародкаей критического размера определялась по формуле ©решселя-Зельдовича, которая дня твердого GOg-имеет вид •

i P/J/'ír/n) ¿sptUól / т-

Z r)[ % / fo'T.1. / 7] • ÍI3)

Рост кристаллических зародышей определялся отношением ддвш свободного пробега молекулы в смеси к радиусу частицы Л* ( ¿л = г ) в соответствии о уравнениями

¿г /Ь>-*)*> \/Ж . Гг-Г. и ч у (14)

с1ет/>г' У ¿Я ' /-/К'Длг^У' //« '

¿¿у

_«21--^___при (15)

¿X - - г ^

где - скорость истока; ¿7> ~ свободная поверхностная энергия образования зародышей; Тг - температура частицы; Я - коэффициент теплопроводности парогазовой смеси; £ - газовая постоянная смеси газов.

В случае, если частицы твердой фазы весьма малы ш скорооть их близка. к скорости потока, то уравнение неразрывности пршшало вай'

с*х Я а К *-рг а , иь;

где £ - площадь поперечного сечения элемента проточной части;

¿С ~ расстояние, проходимое потоком; V/ - относительная скорооть потока; {'г - массовая концентрация твердой фазы. Состояние реального газа определялось по уравнению Батти-Еридамена о тремя коэффициентами .

где а , в , е - коэффициенты, зависящие от ^ , 7" и концентрации компонентов в смеси.

■Уравнение количества движения для этого случал принимало вид.

л ¿с + ¿¿2 _

■ <- ах р сУХ с(х «V

а уравнение сохранения анергии, с учетом теплоты трения ^ :

• 1 л'у ?г) а* ¿г а-х /> с/Г си ¿£г' '

Здесь (.п,с , 4, , ¿г ~ соответственно энтальпия едшгапи массы про -дуктоз сгорания= паровой и твердой фазы; ^ - теплота кристалли -зации.

При условии, что дробление и коагуляция ¡фисталлов не происходит , £ - в сечении и определим, гак

где Р1 ( /,•»У ) - масса частиц критического размера в сечении X , возникших в сечении X¿ ; Хо - координата образования первых заро ~ датой.

Уравнения (16) - (20) с учетом (13) - (15) при известном F ( Хс) составляют зашяутув математическую .систему, описываущую одномерное течение парогазовой сгдеся с частичной кристаллизаикей одного из компонентов. Решение стой системы производилось на ЭВМ методом ЗЯ л opa. Основные результаты расчета приведены на рис.» 4 и 5.

Анализируя зависимость удельного выхода COg с.§с при начальной концентрации fr (рис. 4),.ucafo отметить, выход COg возрастает с повышением степени расширения в детандера -U . При -Ь - 2, (>3,0* л ffc - 0,06 (соответствует продуктам сгорания при = 3), age возрастает с 0,018 до 0,029 кг/кг п.о.

Результаты расчета параметров потока б проточной части турбоде--такдера (рио. 5) показывают, что щщ расширении потока его тегтора -тура Т снижается в большей степени, чем температура насыщения 7> ,.' При малом л Т количество образующихся зародышей невелико. Со снижением Т по ходу потека пере охлаждение возрастает и при & 7"= » (12 - 13) К количество зародышевых частиц резко увеличивается. Происходит бурная, спонтанная кристаллизация COg, рост твердых чао -тиц дт и резкое повышение температуры потока Г , т.е. каблящается скачок кристаллизации. За зоной скачка кристаллизации процесс расширения потока продолжается, вследотвие чего переохландение колюстью не снимается. Переохлакдениз на выходе из детандера составило ОД К. Следовательно, процесс кристаллизации практически заканчивается з проточной части детандера. Незначительное количество тверда?, частиц, зародившихся в сопловом аппарате по мера движения достигает 0,4 шал на выходе из детандера. Эти кристаллы являются наиболее 1фупкшя. Зона скачка кристаллизации определяется в основном числом зародыше -внх частиц и их сродним радиусом. Размер частиц, образовавшихся в этой зона, на выходе из рабочего колеса составляет .0,034 мкм. Результаты расчетов позволили оделать вывод о возможности работы осевого турбодатаадэра в условиях чаотичноЗ криоталяззацгщ С02 без заметного эрозионного износа. Прсцесо узерупнения частиц продолжается и за проточной часть» турбодетаядора за счет коагуляции. .Внполнея -¡ше расчеты такке показывает, что за счет коагуляции размер кристаллов увеличивается до 15-17 мкм, что дает возможность для их отделения из потока газов использовать ценгробенныв сепараторы.

> иг

32 %

24 20 /6

в

-

Ф-аоа

г

У

и го г4 гз з,2

Рио„ 4* Зависимость выхода СО? от степени

расширения & и концентрации

«/с

ол

Г икщ а «Т 7*1 л1

о,с& №

0,5 11,От ¡¡1-

0,2 0,01

О

О ■

Р пь

ОЛ

¡а £0

у * N

н .ИИ* X.. V

У

СйПКо^с-а сКЫс^&г ке.'.'гес

1 ' щ. 1. щш

1 к V

-- У \Л

я- л и

I- \ п

/ > V

О $ /С 39 Ш ^

Рис. 5« Расчеши параметры потека продуктов

сгорания з проточной части турбодетаядера

Третья глава посвяяюна разработке методов расчета терг.годшгли -ческих параметров ТХЭА, согласования режимов совместной работа тур-ботлашин и выберу оптимального река.'л.

При создании ТХЭА с использованием серийно изготавливашлых тур-бомашн необходимо разработать основные метода подбора элемектоз осевых турбин и ступеней турбокомпрессоров, чтобы использовать их в качестве турбодэтаздероь и турбонагнетателе!!, Л этой главе раз-работапы методы расчета их газодинамических характеристик, дана оденет энергетического баланса турбсаэшин и разработана ютодига расчета харахсторпстик ТХЭА с использованием газодшгл.аческих харак -теристик турбомашин.

Было отшчоно, что при работе ТХЗА важную роль и,тоет подкорка -нив на расчетных режимах энергетического баланса турбоглашлии Тогда дая согласования работы турбсмашин мокет быть выделено три возмопшх варианта энергетического баланса.

Пзрвый вариант - мощность турбодетандера недостаточна для при -¿ода турбонагнетателя и необходим подвод мощности от электродвигателя С ), установленного на одном валу.

Второй вариант - работа прямого цикла газотурбогенератора обе -спечивает Ан е продолах <3.

Третий вар/ант - работа прямого цикла г&зстурбогенератора пре -Еышаст необходимую, для обеспечения 7(~г ~ 3, величину» поэтому оа избыток монет быть полезно использован,,

Для получения расчетных зависшостей была использована поденная ранее система давлений (3) » (6).

С учетом газодинамического баланса мощностей турбсмашш эта система била преобразована к виду:

( /1н'!!«'Пгаё-Г-1 « о

где а/з - относительная электрическая мощность.

Главной задачей анализа этого энергетического баланса турбсма -шик зшдаиалос" в нахождении влияния безразмерных параметров 0л а

$а о характеризующих температура в прямом и обратном циклах» зга величина отношения давлений и определении ах пределов „ характеризующих варианты энергетического баланса,, а такао в выявлении значения температуры 7} и мощностей электродвигателя а электрогенератора г/эг.

йзкомыо характеристики определялись в зависимости от изменения

Bit * 1,8-4,2 (соответствует примерному изменению 7j = 650-1500 К) для фиксирована» значений = 2055-1,74 (соответствует изменен® Тй м 173-253 К) о

Результата расчетов представлены на рис. 6» 7, 8.

Ш графических зависимостей,, показанных на рис. 6, видно, что о повышением ¿^одновременно возрастает степень повишеяия давления в компрессоре Л и стапень расширения в турбодетандере » В свою етередь Tk нэ зависит от до , а степень расширения в турбине J¡r возрастает с понижением $0. Различный характер изменения значений егаяаки повышения давления в нагнетателе &Í, п .степени расширения в гурбодегандэре по разным вариантам энергетического, баланса при ~ 1 аедэн на рис» 7. Здесь мояно ваделить определенные зоны изменения' Так, в Нарвой зоне9 при постоянном mj наблвдаотся сникендо с ростом , Во второй зоне ÍV возрастает с увеличением Ä , соответственно возрастает и При повышении значение ж сшша-югся„ Область второй зоны л вп - в»м -<$»> с повышением &с расширяется а шзвдэтся в сторону больших значений в л . в третьей зоне 7£г м ■£// не sasEöHT да величина , а Й не зависит от во, тогда как X/ возраста от о уменьшением 0 На рис, 8 виден обратно пропорциональный характер изменения ^sJ п первой зоне. Во второй и третьей sosas - О* В третьей еояо Жг прямопропорциональна &п .

йрактичоскЕМ результатом выполненного анализа является вавод о soEMOsaocsE шюльзовашш полученных графиков в начальной стадии про-загаровашш Т£ЗА с пспользоааниегл турбомапшн, сарайно вапускаеьш; щ>сьаиибнносгьэ. . . ..

В sties случаях расчет основных.показателей ТХЗЛ целесообразно овукакгвнкь е использозаапегл газодинамических характеристик турбома -sus» Заработанная методика расчета ршслов ТХЭЛ дает возможность по-аутазъ на&бояэо достоверные данные в пщрокш диапазоне переменных ро-saioa. Bso видно из ряс. В, где приведены газодинамические характеристики турбокомпрессора при совместной работе турбсмадгЕН п нанесена эксперше&гаиьше wira этой зависимостЕ» В методаке учтена связи яермодппеиаческпх параметров иезду турботшппаша а такяе изменении гидравлического сопротивления аппаратов в коммуникаций на нерасчетных рекшаХо Раочег параметров рабочего рекиш начинается с выбора рабо -4SI? гсгзка на характеристик® турбонагнетателя. При зтш в начале определяется р a. Частота вращения ротора газотурбогенера » sopa СИТ) а WPбокгаапрэесора и %^щ>еяэяашяь по зсарактера-отлкз «урбокое.щреейора§ рабочая точка выбирашсь на яшии совместной 22

V" >

л N

л.

CS. s ч s

*

s

as

§$$s* s***

H ^ -

— , s*

ч kl < л\

LS Й ;\ч>

SI

s*

bf

&

д,1

Я г

Ш s

и И -Л

gâ4 oto Pi

a t=t-» >. <

, -я4 СО ная о со «он

Дом

я и о о

о H

9 8

|Ц

ё « S г»

о

s

о

»

ц

Ч?

1 i

'■S 4M y

ч! \

4 \

\ \

1 M

^ ч ^ ^ ^ ^ 4

Ш ч

^ is

^ Iя ^ Л*

S i®

В

СЧ { м<

с**

Ci -M

•ft iß ' of"

л 8

I I м О

работы турбокомпрессора и турбины в зависимости от приведенного расхода воздуха через турбокомпрессор G*.»p (рис. S). Давление газов перед турбиной рассчитывалось с учетом коэффициента восстановления полного напора в камере сгорания. Для подтверждения принадлежности выбранной рабочей точки по характеристике турбоде'гавдора выбирались Т/ж 6г.м и затем определялась температура £ перед турбодетандером. По величине h кошо судить о соответствии выбранного режима работы турбонаг -нетатоня области рабочего рзюзма ТХЭА. Степень понижения давления в ■гурбине х-азотурбоганоратора ¿г определялась в зависимости от давле -ней газов пзрод турбиной Рз и Л с учетом потерь давления по тракту. Далее производился расчет температуры перед газовой турбиной 7} и расхода гошшва. Расчет выполнялся- методом последовательных приближений до ¡жоджост:: л(1-2) К.

Для решения практических задач, связанных с созданием турбона - ; пзетагеяей а турбодетандеров на базе лопаточных аппаратов ГТД, были разработаны метода расчета их характеристик з широком диапазоне работы.

Б основе метода расчета газодинамических характеристик турбонагнетателя лева» характеристики ступеней осевого компрессора, полученные пут*. статистического обобщения данных. Обобщенные характеристики позволяют определить характеристики отдельных ступеней и путем последовательного расчета от ступени к ступени вычислить суммарныо характе -рксткки яурбояагает'-^ая. За основу расчета газодинамических хараето-риета: атрбодегандера принята методика расчета характеристик осевых торбан. g целью повышения точности расчета дополнительно учитывались ирофпяыыа s Еолновые потери при нерасчетном обтекании лопаток и по - , тари знергиа в радиальном зазоре.

Б четвертой главе приведена результаты создания и экспериментальном исследования ошгко-проштенного ТХЗА. Принципиальная схема ТХЭА цредставяена на рис» I»

3 качестве газ с-турбогеиоратора (ГГГ) испояьзозана турбокомпрес -сорная часть малоразмерного ГТД транспортного типа. Напорный утилиза-sop геялогы змеевикозого типа изготовлен в НПО "Сибкриотсхника". Тур-йодехакдвр (Д) применен осевой одноступенчатый. Турбонагнетатель (Н) -ocesoiL Электродвигатель £ЭД), установленный на одном валу с турбона -гнахагеяэм, позволяет производить запуск ПТ от воздушого потока,, а •юкке компенсировать петерэ мощности "турбодетандера. при сшшзииа тем •-лерагуры потоке перед вш„ Турбонагнетатель, гурбодетаидер» регеяера -тори (Р), цдкжш цзетробекЕОГо типа (X) и вяагооадедатеяь (BP) подоб -раны кз числа серийно .анпускасиах'пршшлеашосеьа» Регулирование реки-

2,8 %

0,7 0 0,9- // //

—

Рис. 3. Газодинамическая характеристика турбокомпрессора с расчотпита линиями совместной работы турбс,машин:

экспериментальные точки в зависимости от проходного сечения турбодатандера

.ион ТХЗА осуществлялось изменением подачи топлива в камеру сгорания газотурбогоператора и изменением угла лопаток соплового аппарата турбодотандера ТХЭА,

Для проверки работоспособности л получения газодинамических характеристик предварительно были проведены аксперимекталыше исследования основных элементов ТХЭА: газотурбогенератора, турбодетаздера и турбонагнетателя и получены юс характеристики. Для проведения ис -следований были разработаны специальные стенда, оборудованные современными коктрош1о-йзмерито<ш:иш приборами. При испытаний газотур -богончратора на номинальном ретамэ ( 'Л- » 49500 об/пая) температура в камере сгорания, определяемая расчетным путем, составила 940 К. отнесение лппяеняР 1»27. Увеличение нагрузка производилсюь

уменьшением проходного сечения в турбодетаядере, которое приводило к увеличений 7} до расчетной 1175 К (1150-1200 К) и повыййито до 1,65.

В результате экспериментальных исследований турбодетандера вы -явлено, что хятактер изменения и осногишо экспериментальный величин« совпадают с расчетными характеристиками. Адиабатный КПД турбойотан -дера составил 0,8-0,89. Максимальное расховдячие меяду расчетными и

'ако11Ь1»ыац?алькь'ми значениями КПД составило не более 5 %. Это позволяет использовать расчетные характеристики для выбора основных рекп-J.50E совместной работы турбсмашш и ТлЗЛ. Было проведено испытание турбодетандера np:i относительной влажности воздуха на входе до 100 % которое показало, что выпаденко влаги и вымораживание ее в потоке не влияет ка его КПД. Следовательно, результаты испытаний турбодетандера на сухом газе могут быть использованы для расчета работы на вяак-ном. Били тик&е прозадены экспериментальные исследования режимов работы турбодетандера при различных выходных углах лопаток сопло -ного аппарата, которые показали, что изменение утла </,( является еф-фокпшшж средством регулирования производительности турбодетандера, позволяющее изменять его пропускную способность более.чем в 2 раза при сохранении постоянной величина срабатываемого теплоперепада и изменении КГЩ турбодетандера в пределах 15

Бклк выполнены экспериментальные исследования турбонагнетателя, Испытания проводились на оборотах.от 0,65 до 1,0 номинальных С 26000 об/мин). При этом изменялся от 1,0 до 2,3 кг/с, 7ы от 1,3 до 2,4. Адиабатный КПД составлял: 0,8-0,83. Максимальное расхоздшие мэкду расчетными я экспериментальными значениями составляет не более 5 %> Это позволяет- использовать расчетные характери ~ стеки для выбора режима совместной работы турбонагнетателя,, компрессора газогуроогоноратора .в турбодетандера в 'ТХЭЛ. Основные результаты экспериментального ксслодозанля TXSA при комплексном производство теплоты, холода (-50 °С) и твердого диоксида углерода приведены в табл. 2, Температура продуктов сгорания топлива в камере .сгорания, полученная пересчетом по 7* н ¿г составляла 7} =1100 К.- Гвдрашш -чесано потери на участке от газовой турбинк до турбодетандера были равны в среднем 0,009 Ша, пршасгш'расчемие значения ка 0,002 Ша. Обиео гидравлическое сопротивление регенераторов и циклона составило 0,01 lilla. Гидравлическое соцрохкэленив регенераторов при испыта -кии оставалось практически постоянным, следовательно регенератора' в период проведения испытаний водным льдом ко забивались. Иедорекупе -рация ка теплом конце регенераторов составляла ¿ Гр « 5 К. При про -ведения испытания вода подогревалась до 70 °С. При этом теплота конденсации водяных паров sis продуктов сгорания топлива полезно испояь-зоошког.. Несовпадение. баланса подведенной в отведенной теплоты ке ПрОШЗШО а %.

Таблица 2

Параметр

Петмератутг п хапТРГЗТмора-

ЕД. ? дипьноД камера_?. кдр^ит.й

изм. } С0°С1 3 С30

Холодопроизводптедьность

Производительность по твердому диоксиду углерода

Теплопроизводиталыюсть

Расход воздуха

Расход топлива

Степень повышения давления:

в нагнетателе

в компрессоре

Степень понижения давления: в турбине в детандере Температура газов: в камере сгорания за турбиной

Дополнительный подвод мощности к 'ГШ

. Экономия условного тоияюа

кВт

кг/ч

М3т

кг/о

кг/ч

к к

кВт

85

1.4 1,81 124

1,65

3.5

1,Э 2,49

1100 960

20,15

16,8

180

1.4 1,81 12-1

Х,6Ь

3.5

1,0 2,43

1100 550

01,3

26,1

На вход в турбодетандер поступали продукты сгорания топлива, содержите пары поды в насыщенном состоянии. За турбодегандерои, визуально через смотровые окна наблюдалось образование тумана. Лальней-шее охлаадениэ потока приводит к тому, что зона кристаллизации водяных паров леремшаотся в регенераторы.

При снижении температуры потока перед турбодетаздэрш до температуры, соответствующей насыщению С0о, визуально наблюдалось образование тукана, которой по мере умекьыепая тетллературц потока отако -пился вое болае плотным. Снижение скорости потока в центробеяюм циклоне щлшодипо I? 1,-¡паданию СО-, в вида мелкодисперсной снегообразной массч.

Массовая концентрация С02 з продуктах сгорания при испытании составляла 6,3 С цетоо «овкшения концентрации С02 до 10 % осущо -ствлялась рециркуляция продуктов сгорания частотным перепуском с выхлопа га ЕспсыБание-дл 13 % добавлением СО^ в продукты сгорания.

Зглгтер;п1знталънпя зависимость выхода С0Р от массовой концентрации приведена на риз. 10, откуда видно, что относительная яогроа-

го

/9

/в .......

'6 8 Ю /2 Я /6 0

Рио. ХО. Зависимость выхода твердого диоксида углерода л 6 от концентрации : - - расчетные значения; о - результаты экспериментов

но'сть результатов эксперимента и расчета не превышает 5 %. При неоднократном вскрытии и осмотре турбодетаидера после работы в режимах вкморакпвання СС2, его отложений в проточной части не обнаружено. Это подтверждает высокую работоспособность выбранных турбомашш и ТХЗЛ в целом. Вывод С0о из циклона осуществлялся шнековнм прессовате-

ы

лем, позволяющим непрерывно отводить и прессовать накапливающуюся массу.

В целом за период освоения агрегат наработал более 5000 часов, в том числе более 600 часов в режимах выыоракивания С02. После ука -ванной наработки произведено отсоединение газопроводов и осмотр ос -новиых аппаратов. В результате осмотра выявлено, что внутренние поверхности теплообкенных аппаратов, а такне лопаточные аппараты турбояз -гнетахеля„ турбодетакдера а газотурбогенератора, находятся в удовяет -верительном состоянии.

В пятой главе обсуждаются результаты комплексных исследований, на основе которых разработали рекомендации по выбору основных пара -метров, расчету и конструированию ТХЗА. Приводится оценка тэхнико-э кон омических показателей промышленного ТХЗА, спроектированного для ТЭЦ & 2 г. Омска.

йило показано, что одним из условий эффективной и наложной рабсь-ти ТХЗА является обеспечение стенони расширения в детандере в предо -

0 0" ■ ■

о О

лах 2 < Л* =5 3, что соответствует минимальной работе на вымораживание 00% и условия?/ надежной работа холодильных регенераторов, принятых нами ранее. Поэтому, при создании ТХЭА малых тепдоирокзводитзлъно -стой ( ~ 1-1 МВт) для обеспечения М 2,мощность, развиваемо тур-бодетандером, необходигло использовать для привода турбонагнетателя, обеспечивающего необходимый наддув на входе в газотурбогенератор. В отдельных случаях,для обеспечения указанных условий требуется дополнительный подвод знергш к турбонагнетателю из вне. Применение в ТХЭА газотурбогенераторов с 'Лк « 7 и более показывает,что прямой вдет обеспечивает работу холодильной части, что значительно упрощает со -гласованио рекимов работы турбомашин и компоновку ТХЭА в делом.

Дшг расчета процесса внморанивания 002 в объеме расширяющегося потока быка разработана инконьрная методика. При этом принималось, что переохлакдение потока продуктов сгорания достигает критического за рабочим колесом турбодетандера, где и начинается процесс кристаллизации СО,,, который заканчивается в состоянии термодинамического равновесия. Применение этого метода расчета в сравнении о экспери ментальными дашшми дает погрешность но более 6 %, что позволяет рекомендовать его для инженерных расчетов.

Било выявлено, что в случае, если переохлаждение потока продуктов сгорания достигает критического в проточной части турбодетандв -ра, также начинается и процесс кристаллизации С0£ и, связанное с нем, выделение скрытой теплота разового перехода. Образуются твердые частицы С02. Для определения размеров твердых частиц СО^, а также параметров потока в проточной части,была разработала матвматяческая мо -дель процессов расипрения продуктов сгорания в проточной части с использованием молекулярно-кинетической теории. В результате чполэгаго-го решения были определены основные параметры процесса в проточной части. Показано, что размер частиц, образовавшихся в проточной части на выходе из рабочего колеса,составляет 0,034 мил. В дальнейшем, рост кристаллов в результата коагуляции продолжается и увеличивается до 16-17 мил. Отсюда следует, что образование кристаллов СО2 на работу турбодетандера влияния не оказывает, износа проточной части и повышения вибрации не обнаружено. За протечной частью рсот кристаллов монет достигнуть величина 16-17 мкм, что дает возмотдоелч, для отделеления СОо использовать центробежные сепараторы.

Выполненный термодинамический анализ эффективности комплексного производства энергетической продукции в энергоустановках и оценка экономической эффективности ка базе принятого критерия оценки иона -зыпаэт, что иэкоямэльпый экоэрготич-зский КГЦ и экономия тошлша

достигает при производство теплоты и холода на уровне -70 °С < « 51 %, л8гв 35 %). При производство теплоты и СО2 "7а снижается до 49 %, что сбязвно с увеличением потерь по газовому тракту п уменьшением мощности турбодотапдера, однако экономия ^оплиез достигает 52 %. Следует также отмстить, что ТХЭЛ шеет повышенную экологическую эффективность и наиболее эффективны при межотраслевом кспользо -валик . Результаты этих исследований легли в основу разработки ПТУ <5 БИТ третьего кокояепвя, т.о. с отделением С02 из уходяоих газов но проекту "Экологически чистая электростанция". Для создания ТХЭА разработаны основные принципы выбора основного оборудования и реата совместной работа турбомалшн.

Разработанные практические рекомендации использовались ВИШИ -онергопромом и НПО ЦКГИ при разработке проекта промышленной ьнерго -установки для производства теплоты, холода и СС^, создаваемой на Омской ТЭЦ-2. Б качество газотурбогенератора принята турбокомпрессор-ная часть агрегата ГП1-16 с 7} а 1220 К к С-с - 90 кг/с. Мощность установки составят г'по теплу 65 МВт, по электроэнергии 2 МВт, по производству С02 б т/ч. Схема устаноэга предусматривает моделирование условий эксплуатации о максимальным приближением показателей процесса к условиям ИГУ. К этим решениям относятся: рециркуляция части га -зов ка всасывании компрессора; впрыск конденсата в камеру сгорания а ввод ¡жидкого СОо на всасывании в компрессор или в газовый тракт носко ГГГ.

Осуществление этих решений позволят:

г обеспечить увеличение электрической мощности ТЭЦ ца 2 МВт, тепловой мощности на 57 Гкая/ч и производство диоксида углерода в количестве 6 т/ч;

- обеспечить экономию топлива 54 тыо.у.т./год; рентабельность производства - 63,3 %; срок окупаемости - 1,7 г.;

- сократить валовые выбросы'оксидов азота на 157 т/год, водяного пара на 80 тыс. т/год и диоксида углерода ка 58 тыс. т/год с со -ответст'вушим оздоровлением окруяавдей среда.

К бпекым решениям по установке следует отнести комплектацию ео устройствами по переводу кристаллического диоксида углерода в кидкую и газообразную фазы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ШОЛЦ

Оснознне научные и практические результаты диссертационной работы заключаются в слеДуисшм.

I. По результатам лотературпего обзора а анализу • комбиндротшпчх

энергоустановок ка базе турбомашин выявлена принципиальная возмок -ность создания новых теплохтадозиергетических агрих-атов с повышенной тепловой и экологической эффективность» за счет осуществления запорной утилизации теплоты, обеспечивающей полезно? использование теплоты конденсации водяных паров, находящихся в продуктах сгорания, вы -мора&ивашш твердого диоксида углерода в объеме рьситряюяогоея я еурбодегапдере потока, а также снизониэ теплопотерь с уходтцшти газами.

2. Выполнен анализ термодинамических циклов и нсследсвглшо па -раметров ТХЭА при оптимальном распределении степеней отношения давлений в турбомашинах. Показано, что при создании ТХЭА на базе малоразмерных ГТД для обеспечения степеней расширения потока лг ? 2. , мощность, развиваемую турбодетавдером, необходцю использовать для привода турбонагнетателя, повышающего давление ка входе в газотурбот-

геяератор. При использовании в ТХЭА газотурбогенераторов со отоленью повышения давления за компрессором Х«^ ? работа пряного цикла обе -опочивает 2 -г- 3, В этом случае мощность турбодэтандера может быть использована для привода электрогенератора.

3. Впорвне разработана методика расчета и выполнен анализ термодинамической эффективности энергоустановок с газовыми турбинами и определена экономическая эффективность комплексного производства энергетической продукции. В результате анализа внявлеяо, что при прочих равных условиях, снижение температуры продуктов сгорания топ -лива з напорном утилизаторе теплоты и турбодетаядере п использование их в качестве хладагента приводит к значительному пэвмыонию зйфекпш-ности энергоустановок. При комплексном производство теплоты (пар)

и твердого диоксида углерода оксергзтическкй КПД достигает = 49 %. При этом экономия топлива по сравнении с разделышм производством теплоты и СО2 составляет 52 %.

4. Впорвне разработаны метода термодинамического расчета процесса внморзкаваная СО-, в объеме расширяющегося потока. Установлено, что энергетические затраты при производстве СС>2 тлеет минимум при степени распадения в турбодотандоре 2-2,5. Оптимальная яонцентрагоя СО^ при ого нтаорахшшпяа находится в пределах 10-14 %. Степень из -влечения С02 при степени расширения в турбодетандаро 2,0 и ьчяцен -грация 4 % составдчэт 43 При концентрации .12 % степень извлечения СО? составляет 17 Ддя определения параметров потока в проточней ■тети осевого турбодетапдера разработана математическая модель одно-■лерного течения парогазовой смесп с учетом глоленуднрас-кинетлч&окой георг.и. В результате теоретического анализа установлено, что процесс

расширения метастабялен, скачок одисталлизации происходит на относи-тольяо малой длине и заканчивается в пределах проточной части турбо-детандера. Размер частиц С02 на выходе из рабочего колеса не превы -тает I мкм, что меньше допустимых размеров по условия»т износа. В дальнейшем, вследствие коагуляции, размер кристаллов увеличивается до 16-17 мкм, что дает возможность для их отделения использовать центробежные сепараторы,

5. Впервые разработаны принципиальные основы использования се -рийно выпускаемых турбомашин при создании ТХЭА и методы расчета ре -йимов при их совместной работе. Разработана методика расчета поре -мешшх режимов ТХЭА с использованием газодинамических характеристик турбоыапкл, которая была использована для расчетов режимов работы первого опитно-прсмыютеакого ТХЭА. Разработаны методики расчета га -задшамичесних характеристик турбонагнетателя и турбодетандера, вы -нояненкьгх с использова1шом лопаточных аппаратов малоразмерннх ГТД.

6. Впервые в мировой практике на базе турбокомпрессорных машин и моментов малоразмерного ГТД создан первый опытно-промышленный ТХЭА с высокойекаиомическсй и экологичоской эффективностью. За не -риод освоения агрегат наработал более 3000 часов, в том числе более 600 часов в решшах вымораживания С02. По результатам испытаний экономия топлива при производстве теплоты и холода составила 16,8 %, а при производстве тшлоты и С02 ~ 36,1 %. Кроме этого, достигается значительный экологический эффект» связанный с уменьшением вредных выбросов в атмосферу, определяемых меньшим расходом топлива, снике -нием выбросов С02, возможностью подавления образования окислов азота п практически отсутствием выбросов теплоты и водяного пара. Вое ато определяет минимальность ущерба гафукалаей среде при работе ТХЭА, особенно при их комплексном межотраслевом использовании.

7» Впервые разработшш практически о рекомендации по выбору ос -ионных параметров при расчете и конструировании ТХЭА. Рекомендации использовались ШШИшшргопромом и НПО ЦКГЙ при разработке проекта кругашулсотабной промышленной энергоустановки дал комплексного производства электроэнергии, теплоты, холода и С02, создаваемой на ТЭЦ-2 г. Омска, а такко при разработке концепции создания экологически чистой электростанции на базе ПТУ с вкутрицикловоЯ газификацией твердого топлива и осуществлением на последнем этапе значительного оо -краионмя выбросов С02 в окруяащую среду.

' УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ'

fit - мощность; & - массовый расход; Р, Т ,f> - соответственно давле -низ, теш ера тура, плотность газа; £ - газовая постоянная; И - показатель адиабаты; ^ - коэффициент полезного действия; & - относитель-1ше потерн давления; степень скатия (расширения); -Lf- молекулярная масса, кг/кмоль; £ - массовое содержание компонента в смеси, отнесенное к двухатомным газам; ъ - теплота кристаллизации С02 (тесовая) кДя/кг; К - объемная концентрация С02; $ - масовое содержание компонента в смеси, отнесенное ко всей масса газа; Я - коэффициент теплопроводности смеси; Ф- теплоемкость при постоянном давлении.

ШДЕЖСУ

К,г, н. , д - компрессор, турбина, нагнетатель, турбодетандвр; а!> ~ адиабатический; £ - воздух; продукты сгорания; п ~ прямой цикл; О - обратный цикл; т - твердая фаза COg; с - паровая фаза СО.,; $ - насыщение.

Основными публикациями по теме диссертации являются:

1. -Гриценко В.И. Исследование работы центростремительного реактивного детандера на влажном воздухе // Холодильная техника; Сб. докл. науч. конф. - Л., IS70. - С. 43-51.

2. Гриценко В.И., Губайдулин II.Л., Локкпн А.Н. Теплохладоэнер -готические агрегаты с авиационными газотурбинными двигателями

// Наземное применение авиадвигателей в народном хозяйстве. - М., 1976. - Ban. 2. - С. 145-149.

3. Гриценко В.И. Энергетические установки для совместного про -изводства тепла и холода: Учеб. пособие. - Омск, 1980. - 80 с.

4. Гриценко В.И., Терентьев Ю.Д. Определение выхода твердой двуокиси углерода в теплохладоэнергетичзском агрегате, выполненном на базе авиационных ГТД // Повышение эффективности холодильных машин: Ыеязуз. сб. науч. тр. - Л., 1951. - 0. 67-71.

5. Гриценко Б.И., Панин Ю.Н., Телевной.А.А. Оценка зкологкче ~ скоЗ эффективности теплохладоэнергетического агрегата // Повышение эффективности холодилышх и компрессорных мл шин: Иеявуз. сб. науч. тр. Омск, 1982. - С. 12-17.

6. Гриценко В.И., Приходченко А.В. Методика расчета рояима работы турбомашш а составе теплохладоэнергетическоЗ установки // Тез. докл. И Всесоюз. науч.-техн. конф. по холодильному машиностроению.

- М., 1932. - С. 54-55.

7. Гриценко В.И., Приходченко А.В. Определение рациональных соотношения давлений в турбомаишах тедлохяадознергатическях у стан о-

3S

ROK // Повышение эффективности холодальшх машин: Межвуз. crf» науч. гр. - Л., КОЗ. - С." 106-114.

8. Грицещ;о В.И., Панин Ю.Н. Исследование эколоплеской эффективности энергоустановок с глубок:»! охла«ишкем уходшаих газоз

// Тез. докл. Всесоюз, науч.-техн. семинара "Закгата воздушного бас -сейна от вредных выбросов предприятий машиностроения". - М,, IS82. - С. 54-55,

9. Гриценко В.И. Опыт создания первого теплохладоэнергетического агрегата с газовой турбиной авиационного типа // Наземное применение авиадвигателей в народном хозяйстве. - M., IS82. - С, 88-92.

10. Гриценко В.И. Энергетический агрегат для комплексного производства теплоты и диоксида углерода // Совершенствование холодильных

и компрессорных кагш: Межвуз. сб. науч. тр. - Омск, 1984. - С. 24-29,

11. Гриценко В.И. Экологическая эффективность теплохладоэнерге -тических установок: Текст лекций: - Омск, 1986. - 50 с.

12. Гриценко В.И., Галдин Б.Д. Результаты теоретического иссле -довапия двухфазного потока в осевом турбодетандэре // Процессы переноса в системах кондиционирования воздуха в холодильных и криогенных установках: Ыеквуз. сб, науч. тр. - Д., 1987. - С. 45-50.

13. Гриценко В. И. Энергоустановка для комплексного Производства электроэнергии, теплоты и холода с повышенной экологической эффек -тивностью // Индустриальные тенденции современной эпохи и гуманитарное образование: Тез. докл. международной науч.-практ. конф.:

в 3-х т. - Омск, 1992. - Т. 2. - С. 85-87.

14. Губайдулин Н.Л., Гриценко В.И. Характеристики ту^бонагнета -теля осевого типа на базе авиационного ГТД // Наземное применение авиадвигателей в народном хозяйстве. - M., 1975. - С. 178-183.

15. Ден Г.Н., Гриценко В.И. Исследование возможности использования турбины авиационной ПУ в качестве детандера воздушной холодильной машины // Холодильная техника. - IS70. - й 6. - С. 28-31.

16. Дэн ГЛ., Грицзнкс В.И. Экспериментальное исследование ра -боты центростремительного детандера на влажном воздухе // Изв. ву -оов. Энергетика. - 1972. - Л 2. - С, 57-61.

17. Кошшексноэ использование знмовчх газов котельных агрегатов для получения двуокиси углерода и тепла / В.Б. Грибов, В.И, Гриценко, В.IL Суетииов и др. // Разработка и исследование новнх типов г,копгог(Шюлогйческих установок с глубоким использованием энергоре-сурсев. - M.» IS83. - С. I03-II6.

18. Экономические н энергетические аспекта внедрения в энергетику ПГУ о ВИГ третьего поколения / E.H. Пруткове;^*, B.C. Варвар -екзй, В.И. Гриценко п др. // Теплоэнергетика. - 1992. - & II. - С. 18-22.

IS. Энергоустановка с глубоким охлаждением .щыовнх газоп па базе стационарных ГГУ / Гриценко В.И., Грибов В.Б., Ксгшссарчик Т.Н., Фипсельштсйн Б. И. // Повышение эффективности холодильных и компрессорных каишк. - Омск, 1203. - С. IC2-I03.

2Q.ötct}' £/Jt'c'e/icy о/ ce/Hf>fitX £>'i

etedvcticn Ul f*S- ЫЬ'МС /?tbvtr£ J' rCtst Jys'i-¡>f ^

'fifit/sScae ¿¡¿¿fe/t/r Stefjpy, /га/fif /»Merfew? it/su^fes eiwaUen . - ~P-

21. A.c. 703549 СССР, 'МКИ3 F 01 К 25/00. Комплексная парогазовая установка / В.И. Гриценко, А.Н. Ложкин (СССР) // Открытия. Изобретения. - 1973. - .'Б 48.

22. A.c. 851027 ССОР, ШШ3Р 25 В 29/ОС; Г 25 В Il/OO; Г 01 К 25/10. Теплохладоэнерготическай агрогат / Ю.Д. Торонтьов,

З.И. Гриценко, З.Д. Галдин, А.П. Ботагянокий (СССР) // Открытия. Изобретения. - 1081. - 28.

23. A.c. 909323 СССР, ШНа F 04 Л. 27/02. Компрессораня установок / ¡O.A. Потапов, В.И. Гриценко, В.Г. Бодунов (СССР) // Открэтш, 5зобретенпя. - 1902. - !Ь 8.

24. A.c. 918727 СССР, МХИ3 F 25 В 29/00; F 25 В II/00;

1 01 К 25/10. Энергетическая установка для производства тепла и ■вердой двуокиси углерода / В. И. Гриценко, В.Д. Терентьев, ..В. Прпходчепко и др. (СС№) // Открытия. Изобретения. - 1982. • Й 13.

25. A.c. 966452 СССР, МКИ3 Г 25 В 29/СО; Р 25 В 11/00;

' 01 К 25/Ю. Установка для совместного производства тепла п угле-иелоты •/ В.II. Гриценко, D.H. Панин, A.A. Телэвной, Ю.Д. Теронтьав СССР) // Открытия, Изобретения. - IS82. - .Ш 33.

26. A.c. 979307 СССР, Ш013 F 25 В 29/00; Г 25 3 11/00;

01 К 25/00. Комплексная парогазовая установка для производства апла,холода и электроэнергии / В.И. Гриценко, A.B. Дриходченко, .Н. Панин (СССР) И Открытия. Изобретения. - 1982. - № 45.

27. A.c. 1033358 СССР, UKIi'p 25 В 29/00; Р 01 К 25/10. Комплек-ная теплохладоэнергоустанопка / В.Й. Гриценко, В.В. Грибов,

.И. Ложкин (СССР) // Открытия. Изобретала*. - IS83. - й 30.

28. A.C.II9S628 СССР, МКИ4 Г 25 В 29/00. Теплохладоагрегат / Е.Я„ Борочин, A.B. Браков, Я.В. Гааг, В.И. Гриценко (СССР)

// Открытия. Изобретения. - 1985. - № 45.

29. A.c. 1229529 СССР, МКИ4 F 25 В 11/00, 29/00. Способ получения топла, холода и твердой углекислоты /-Е.Я. Борочин, Я.В. Гааг, В.Д. Галдин, В.И. Гриценко (СССР) // Открытия. Изобретения.

- 1986. - ß 1?.

SO. A.Co 1257379 СССР, МКИ4 F 25 В 29/00, 11/00. Теплохладоагрегат / Б.Я. Борочин,, В.И. Гриценко, C.B. Растворов, Ю.Д. Теректьев /(СССР) // Открытия. Изобретения. - 1986. - № 34, 31. А-о. I44II39 СССР, МКИ* Г 25 В II/00;.29/00. Установка для производства тепла, холода и двуокиси углерода / Е.Я. Борочин, В.И» Гриценко (СССР) // Открытия. Изобретения. - 1989. - И 44.

32„ АаС, 973884 СССР, МКИ3 F 01 К 25/10; F 25 В 29/00. Способ скитания топлива в кал ере сгорания хладозкергетической установки / Во К» Гриценкоs A.B. Приходченко, Ю.Н. Панин (СССР) // Открытия. Изобретения. » IS82. - Jê 42.

Лицензия

на издательскую деятельность ЛР # 020321 от 28.11.91 г» Министерства печати и массовой информации РСФСР

Подписано к печати 12.09.94. Формат 60 х 84 1/16. Бумага писчая. Оперативный способ печати. Усл. поч. л. 2,25. З-ч.-пэд. л. 2,25. Тираж 100 экз. Заказ 3? .

Редакцнонно-яздательский отдел ОмПУ. 644050, пр. Мира,II Типография ОмПУ