background image

Na prawach rĊkopisu

POLITECHNIKA WROCŁAWSKA 

INSTYTUT TECHNIKI CIEPLNEJ I MECHANIKI PŁYNÓW

Raport serii PREPRINTY nr 3/2006 

UKŁAD CHENGA JAKO PROEKOLOGICZNE ħRÓDŁO 

ENERGII ELEKTRYCZNEJ I CIEPLNEJ 

Andrzej CHRZCZONOWSKI 

Słowa kluczowe:  układ Chenga 

układ kogeneracyjny 
siłownia gazowa 
modelowanie numeryczne 

Rozprawa doktorska 

Promotor: dr hab. inĪ. Krzysztof Jan Jesionek, prof. PWr. 

WROCŁAW 2006 

background image

Spis treci 

1.  Wprowadzenie ......................................................................................... 5 

1.1.  Systemy przetwarzania energii......................................................... 5 

1.2.  Modelowanie procesów konwersji energii....................................... 6 

1.3.  Układy siłowni cieplnych ................................................................. 7 

1.4.  Układ Chenga .................................................................................16 

1.5.  Cel, tezy i zakres pracy...................................................................23 

2.  Modele matematyczne czynników roboczych na potrzeby modelu  

układu Chenga................................................................................25 

2.1.  Modele powietrza i gazów spalinowych ........................................25 

2.2.  Modele wody i pary wodnej...........................................................29 

2.3.  Narzdzia programistyczne ............................................................34 

3.  Model matematyczny układu Chenga....................................................37 

3.1.  Spranie ........................................................................................37 

3.2.  Ogrzewanie czynnika .....................................................................42 

3.3.  Rozpranie ....................................................................................46 

3.4.  Produkcja pary w kotle odzyskowym ............................................51 

3.5.  Midzystopniowe chłodzenie spranego powietrza .....................59 

3.6.  Bilans energii układu......................................................................61 

3.7.  Bilans masy komory spalania.........................................................63 

3.8.  Bilans energii komory spalania ......................................................63 

background image

4.  Charakterystyki układu w wersji podstawowej .....................................64 

4.1.  Charakterystyki podstawowe .........................................................64 

4.2.  Wpływ sprawnoci wewntrznej komponentów układu................72 

4.3.  Wpływ temperatury otoczenia........................................................86 

4.4.  Wpływ strumienia masy wytwarzanej pary ...................................90 

4.5.  Układ istniejcy ..............................................................................96 

5.  Rozbudowa układu o dodatkowe elementy ...........................................97 

5.1.  Chłodzenie midzystopniowe.........................................................97 

5.2.  Przegrzew midzystopniowy........................................................106 

5.3.  Przegrzew i chłodzenie midzystopniowe ...................................115 

6.  Obliczenia numeryczne przepływu przez turbin................................120 

6.1.  Parametry czynnika ......................................................................120 

6.2.  Model geometryczny ....................................................................123 

6.3.  Obliczenia numeryczne  ...............................................................131 

7.  Korzyci ekologiczne...........................................................................138 

8.  Propozycje racjonalizacji układu .........................................................150 

9.  Podsumowanie .....................................................................................152 

Literatura ..............................................................................................155 

Załczniki.............................................................................................161

A. Funkcje kanoniczne tablic IAPWS-IF97 ................................161 

B.  Przykład kodu ródłowego modelu układu Chenga ...............175 

C.  Przykład oblicze numerycznych wirnika turbiny .................185 

background image

5

1. Wprowadzenie 

1.1. Systemy przetwarzania energii 

W  wyniku  rozwoju  techniki  i  nauki  w  dziedzinie  energetyki  zawodowej 

obiegi  siłowni  cieplnych  zostały  dalece  usprawnione  [35],  [69].  W  nowocze-
snych siłowniach parowych stosowanych jest wiele wymienników regeneracyj-
nych  oraz  przegrzewacze  pary.  Pozwalają  one  na  pewną  karnotyzacjĊ  obiegu 
siłowni  parowej  i  uzyskiwanie  sprawnoĞci  elektrycznych  netto  na  poziomie 
przekraczającym  40  %.  Dalszy  wzrost  sprawnoĞci  elektrycznej  jest  moĪliwy 
przy  zastosowaniu  siłowni  kombinowanych  gazowo–parowych.  Temperatura 
górnego  Ĩródła  ciepła  leĪy  tu  znacznie  wyĪej  niĪ  w  siłowniach  parowych,          
a temperatura Ĩródła dolnego, znacznie niĪej niĪ w siłowniach gazowych. 

Problemem  pojawiającym  siĊ  na  drodze  w  szybkim  rozwoju  siłowni  ga-

zowo–parowych  są  wysokie  koszty  inwestycyjne.  Musi  byü  tu  zainstalowany 
zarówno turbozespół gazowy jak i parowy, zwykle z dwoma niezaleĪnymi gene-
ratorami. Ponadto paliwem w takich instalacjach musi byü gaz lub odpowiednio 
przygotowane paliwo ciekłe, które to w warunkach polskich są prawie całkowi-
cie towarem importowanym. Pewną nadziejĊ niosą technologie zgazowania wĊ-
gla,  które,  niestety,  nie  zostały  opanowane  w  wystarczająco  wysokim  stopniu, 
aby mogły zostaü zastosowane w elektrowniach komercyjnych [11]. 

Jest jednak technologia konwersji energii umoĪliwiająca uzyskiwanie wy-

sokich sprawnoĞci przy stosunkowo niskich nakładach inwestycyjnych znana od 
wielu  lat.  Jest  nią  kogeneracyjne  wytwarzanie  energii  elektrycznej  i  cieplnej 
[34],  [61],  [79],  [84].  Ostatnio  rozwój techniki ziĊbniczej  pozwolił na powolne 
wprowadzanie  trójgeneracji,  w  której  oprócz  energii  elektrycznej  i  cieplnej 
uzyskiwane jest tzw. ciepło ujemne wykorzystywane w klimatyzacji [61], [81]. 

W naszej strefie klimatycznej najwiĊksze znacznie odgrywa kogeneracja. 

Jak  wykazują badania,  kogeneracyjne  wytwarzanie energii  elektrycznej  i ciepl-
nej pozwala na wykorzystanie o 15 % efektywniej energii chemicznej zmagazy-
nowanej w paliwie, niĪ w systemie rozdzielnej produkcji tych rodzajów energii. 
PoniewaĪ w trakcie przesyłu zarówno energii elektrycznej jak i cieplnej wystĊ-
pują straty, wiĊc korzystne jest stosowanie wielu Ĩródeł tych energii połoĪonych 
w niewielkiej odległoĞci od odbiorców. 

ZbliĪenie  Ĩródeł  energii  do  odbiorców  wymaga  stosowania  technologii, 

które nie są szkodliwe dla zdrowia ludzi bĊdących odbiorcami. Najistotniejszym 
czynnikiem jest tu emisja szkodliwych składników spalin. Nie bez znaczenia są
takĪe takie odpady jak ĪuĪel, popiół, gips czy dwutlenek wĊgla. Coraz ostrzejsze 
wymagania  ekologiczne  najlepiej  są  spełniane  przez  siłownie  gazowe  opalane 
gazem,  którego  spalanie  charakteryzuje  siĊ  małą  emisją  tlenków  azotu  NO

x

        

i tlenku wĊgla CO. W spalinach brak jest związków siarki i pyłów, nie powstaje 

background image

6

popiół ani ĪuĪel, a przy wytwarzaniu jednostki energii emitowana jest mniejsza 
iloĞü CO

2

 niĪ w jednostkach opalanych wĊglem. Ponadto stosowanie nowocze-

snych technik pomiarowych pozwala na utrzymanie parametrów spalania w za-
kresie wartoĞci optymalnych ze wzglĊdów ekologicznych. 

Małe elektrociepłownie gazowe stosowane są od dawna. Zostały one juĪ

w  wysokim  stopniu  przebadane  i  rozpoznane  [2],  [22],  [23],  [26],  [45],  [49], 
[52], [57], [60], [61], [72], [78], [82], [83], [84]. Siłownie pracujące w układzie 
prostym charakteryzują siĊ stałym wskaĨnikiem skojarzenia, definiowanym jako 
stosunek  mocy  elektrycznej  do  cieplnej.  JeĞli  wiĊc  spada  zapotrzebowanie  na 
jeden rodzaj energii, musi nastąpiü takĪe spadek produkcji tej drugiej. Wady tej 
pozbawiony jest układ z wtryskiem pary do komory spalania, zwany w skrócie 
układem STIG (Steam Injected Gas Turbine) lub od nazwiska wynalazcy ukła-
dem  Chenga  [27],  [28],  [34].  JeĞli  spadnie  zapotrzebowanie  na  moc  cieplną, 
nadwyĪka pary wytworzonej w kotle odzyskowym wtryskiwana jest do komory 
spalania, co powoduje wzrost mocy oraz sprawnoĞci elektrycznej. 

Układ  Chenga  jest  wprawdzie  nieco  bardziej  skomplikowany  niĪ  układ 

prosty,  umoĪliwia  jednak  znacznie  lepsze  wykorzystanie  paliwa,  zwłaszcza       
w  systemach  ze  zmiennym  zapotrzebowaniem  na  moc  cieplną  [18],  [27],  [28], 
[33],  [43],  [58],  [64].  NiezaleĪnie  bowiem  od  zapotrzebowania  na  ciepło układ 
pracuje z mocą znamionową w zakresie wysokich sprawnoĞci. 

Dotychczas  na  Ğwiecie  powstało  kilkadziesiąt  układów  STIG.  Najstarsze 

pracują juĪ ponad 20 lat [7]. W Polsce dotychczas nie powstał ani jeden układ. 
NajbliĪsze  siłownie  STIG  pracują  w  Niemczech.  Jedna  z  nich  została  urucho-
miona  w  1997  roku  w  pobliĪu  Monachium  i  zasila  w  ciepło  i  energiĊ  elek-
tryczną  czĊĞü  budynków  Uniwersytetu  Technicznego.  DoĞwiadczenia  z  pracy 
tego  układu  są  publikowane  w  materiałach  konferencyjnych  i  czasopismach 
fachowych. 

Wszystkie  wybudowane  dotychczas  siłownie  STIG  stanowią  tzw.  układ 

prosty. Do ich budowy zostały wykorzystane lotniczopochodne silniki turboga-
zowe [4], [7] z jedną komorą spalania, bez chłodzenia miĊdzystopniowego sprĊ-
Ī

anego  powietrza.  Brak  jest  danych  literaturowych  na  temat  prób  rozbudowa-

nych układów Chenga.  

1.2. Modelowanie procesów konwersji energii 

Dzisiejsza technika komputerowa umoĪliwia wykorzystanie modeli kom-

puterowych do przeprowadzenia symulacji procesów konwersji energii [1], [3], 
[31],  [56].  Modele  takie  obejmują  zarówno  czynniki  obiegowe  jak  i  maszyny     
i  urządzenia  energetyczne  stosowane  w  siłowni.  DziĊki  modelowaniu  moĪliwe 
jest  skrócenie  czasu  realizacji  projektów  energetycznych  i  ograniczenie  liczby 
prototypów,  a  co  za  tym  idzie  zmniejszenie  kosztów  wdraĪania  nowych  ukła-
dów. 

background image

7

W  siłowniach  cieplnych  wykorzystywane  są  róĪne  czynniki  obiegowe.   

W układach gazowych otwartych czynnik obiegowy składa siĊ zwykle z powie-
trza, paliwa i produktów spalania. W układach z wtryskiem wody lub pary wod-
nej duĪą rolĊ w konwersji energii odgrywa para wodna. PoniewaĪ stosowane są
róĪne paliwa gazowe i ciekłe wiĊc konieczne jest dysponowanie modelami gazu, 
którego skład chemiczny jest zmienny w szerokich granicach. 

Najbardziej pracochłonnym składnikiem gazu w budowaniu modeli kom-

puterowych  siłowni  cieplnych  jest  woda  i  para  wodna  z  uwagi  na  moĪliwoĞü
wystĊpowania  obu  faz  i  stosunkowo  niewielkie  oddalenie  od  punktu  krytycz-
nego.  Problemom  obliczania  własnoĞci  wody  i  pary  wodnej  poĞwiĊcono  wiele 
miĊdzynarodowych  konferencji  naukowych.  Badania  nad  tymi  własnoĞciami 
uwieĔczone zostały opublikowaniem w 1997 roku algorytmów matematycznych 
pozwalających  na  obliczanie  podstawowych  parametrów  w  szerokim  zakresie 
temperatur i ciĞnieĔ [70]. WłasnoĞci termodynamiczne pozostałych składników 
czynników obiegowych siłowni gazowych nie nastrĊczają juĪ takich problemów 
i są one mniej wymagające co do mocy obliczeniowej maszyny cyfrowej. 

Modelowanie  przemian  energetycznych,  zachodzących  w  maszynach        

u  urządzeniach  wchodzących  w  skład  siłowni  cieplnych,  polega  na  budowaniu 
równaĔ bilansu masy i energii. Zwykle pierwsze obliczenia przeprowadzane są
dla  przypadków  idealnych,  a  nastĊpnie  obliczenia  korygowane  z  wykorzysta-
niem zaleĪnoĞci poznanych w wyniku pomiarów. 

1.3. Układy siłowni cieplnych 

Podstawowym  układem  siłowni  cieplnej  –  wykorzystywanym  w  naszym 

kraju – jest układ parowy. Posiada on wiele zalet, z których istotną rolĊ odgrywa 
moĪliwoĞü  spalania  dowolnego  rodzaju  paliwa  oraz  uzyskiwanie  wysokich  ci-
Ğ

nieĔ czynnika na wlocie do turbiny. Tak wysokie ciĞnienia mogą byü osiągniĊte 

tylko  przy  pomocy  pomp.  Zastosowanie  pomp  wodnych  jest  moĪliwe  dziĊki 
przemianie  fazowej  zachodzącej  w  skraplaczu.  Jest  ona  jednak  przyczyną
znacznych strat ciepła wyrzucanego do otoczenia, co jest wynikiem bardzo du-
Ī

ej  wartoĞci  ciepła  skraplania  (parowania)  wody  przy  niskich  ciĞnieniach.  Zło-

Ī

ona  budowa  kotłów  parowych  powoduje,  Īe  maksymalne  temperatury  obiegu 

nie mogą byü tak wysokie, jak w siłowniach gazowych. 

Alternatywnym  układem  siłowni  cieplnej  jest  układ  turbogazowy.  Czyn-

nikiem  roboczym  jest  tu  gaz,  a  wiĊc  podnoszenie  ciĞnienia  czynnika  obiego-
wego musi byü realizowane w sprĊĪarkach, co jest bardziej energochłonne. Ci-
Ğ

nienia  te  są  znacznie  niĪsze  niĪ  w  obiegu  parowym.  Dlatego  układy  gazowe 

pracują przy niĪszych ciĞnieniach, ale z uwagi na wykorzystanie komór spalania 
do  przekazywania  ciepła  czynnikowi  roboczemu  moĪliwe  jest  uzyskiwanie 
znacznie wyĪszych maksymalnych temperatur obiegu. 

background image

8

Nowoczesnym  układem  siłowni  pozwalającym  na  uzyskiwanie  obecnie 

najwyĪszych sprawnoĞci jest układ gazowo–parowy. Jest on połączeniem ciepl-
nym  układu  gazowego  z  parowym,  dziĊki  czemu  temperatury  górnego  Ĩródła 
ciepła są takie jak siłowni gazowych, a dolnego – jak  siłowni parowych. Układy 
te  (z  uwagi  na  wysokie  koszty  inwestycyjne)  rozprzestrzeniają  siĊ  stosunkowo 
wolno. Znacznie taĔszym rozwiązaniem jest układ Chenga, w którym obieg ga-
zowy  łączy  siĊ  z  parowym  w  komorze  spalania,  a  w  turbinie  rozprĊĪana  jest 
mieszanina  gazów  spalinowych  i  pary  wodnej.  Para  wodna  wytwarzana  jest      
w kotle odzyskowym kosztem energii cieplnej rozprĊĪonych w turbinie gazów. 
Jak  wykazuje  doĞwiadczenie,  układ  Chenga  ma  wyĪsze  sprawnoĞci  niĪ  trady-
cyjny układ gazowo–parowy w zakresie małych mocy (poniĪej 10 MW) [47]. 

Obieg siłowni parowych 

Obiegiem  porównawczym  siłowni  parowej  jest  obieg  Clausiusa–Ran-

kine’a [9], [24], [39], [46], [66], [68], [69], [74], składający siĊ z dwóch izobar   
i dwóch izentrop, przedstawiony na rysunkach 1.1 i 1.3. Wszystkie przemiany są
przemianami  odwracalnymi.  Izotermy  sprĊĪania  i  rozprĊĪania  są  adiabatami 
odwracalnymi a izobaryczne ogrzewanie czynnika w kotle i chłodzenie w skra-
placzu  odbywa  siĊ  bez  strat.  Obieg  siłowni  rzeczywistej  składa  siĊ  z  przemian 
rzeczywistych.  Obie  adiabaty  obarczone  są  przyrostem  entropii,  a  przemiany    
w kotle i skraplaczu przebiegają ze stratami ciĞnienia [9], [13], [31], [44], [51]. 
Zarówno straty ciĞnienia jak i przyrosty entropii uwidocznione są na rysunkach 
1.2 i 1.4. 

0

100

200

300

400

500

600

700

T [K]

0

1

2

3

4

5

6

7

s [kJ/(kg*K)]

1

2’

K

2“

2

3

4

0

100

200

300

400

500

600

700

T [K]

0

1

2

3

4

5

6

7

s [kJ/(kg*K)]

1

2’

K

2“

2

3

4

p

1

p

4

Rys. 1.1. Obieg Clausiusa–Rankine’a  

na wykresie T–s 

Rys. 1.2. Obieg siłowni parowej  

na wykresie T–s 

Obieg  rzeczywistej  siłowni  parowej  na  wykresach  h–s  i  T–s  przedsta-

wiony  jest  na  rysunkach  1.2  i  1.4.  Punkt  1  na  rysunkach  1.1÷1.4  przedstawia 

background image

9

wlot czynnika do kotła parowego. Przemiana 1–2’ odbywa siĊ w podgrzewaczu 
wody.  Punkt  2’  jest  punktem  pĊcherzyków,  rozpoczyna  siĊ  w  nim  parowanie. 
Odcinek 2’–2” przedstawia proces parowania w parowniku. Punkt 2” jest punk-
tem rosy i w nim koĔczy siĊ proces parowania. Przemiana 2”–2 obrazuje prze-
grzewanie pary. 

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

0

h

[kJ/kg]

1

2’

2“

2

3

4

K

0

1

2

3

4

5

6

7

s [kJ/(kg*K)]

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

0

h

[kJ/kg]

1

2’

2“

2

3

4

K

0

1

2

3

4

5

6

7

s [kJ/(kg*K)]

p

4

p

1

Rys. 1.3. Obieg Clausiusa–Rankine’a  

na wykresie h–s 

Rys. 1.4. Obieg siłowni parowej  

na wykresie h–s 

Para przegrzana – o parametrach przedstawionych punktem 2 – doprowa-

dzona  jest  na  wlot  turbiny  parowej,  w  której  nastĊpuje  zamiana  czĊĞci  entalpii 
pary  na  pracĊ  mechaniczną  słuĪącą  do  napĊdu  generatora  elektrycznego. 
Krzywa  2–3  obrazuje  przemianĊ  zachodzącą  w  turbinie  i  jest  ona  praktycznie 
adiabatą, poniewaĪ wystĊpuje tu bardzo mała wymiana ciepła z otoczeniem. Po 
rozprĊĪeniu para musi zostaü skroplona, aby moĪliwe było wykorzystanie pomp 
wodnych do podniesienia ciĞnienia czynnika do odpowiednio wysokiej wartoĞci. 
Skraplanie  odbywa  siĊ  w  kondensatorze  umieszczonym  zwykle  bezpoĞrednio 
pod turbiną. Do odbioru ciepła od skraplanej pary wodnej wykorzystywany jest 
dodatkowy  obieg  wodny,  przy  pomocy  którego  odprowadzane  jest ujemne  cie-
pło  obiegu  do  otoczenia.  Wysoka  wartoĞü  ciepła  parowania  wody  przy  niskim 
ciĞnieniu  powoduje,  Īe  do  otoczenia  oddawana  jest  duĪa  iloĞü  ciepła,  co  jest 
przyczyną stosunkowo niskiej sprawnoĞci termicznej prostego obiegu parowego. 

SprawnoĞü termiczna obiegu silnikowego definiowana jest zaleĪnoĞcią

+

+

+

=

=

ob

ob

ob

ob

ob

th

Q

Q

Q

Q

L

η

 

 

 

(1.1) 

gdzie:   L

ob

Q

-

ob.

,  Q

+

ob

  –  praca,  ciepło  ujemne  i  dodatnie  obiegu  przedstawione 

graficznie na rysunkach 1.5÷1.7. 

W  celu  podniesienia  sprawnoĞci  siłowni  naleĪy  zwiĊkszyü  pracĊ  obiegu 

lub obniĪyü ciepło ujemne. MoĪe to byü zrealizowane poprzez podnoszenie ci-
Ğ

nienia  w  kotle  i  temperatury  na  wlocie  do  turbiny  oraz  obniĪenie  ciĞnienia       

w skraplaczu. Działania te są ograniczone materiałowo i fizycznie. Podnoszenie 

background image

10

temperatury i ciĞnienia w kotle jest ograniczone wytrzymałoĞcią elementów ko-
tła.  Ciepło  dodatnie  i  ujemne  oraz  pracĊ  obiegu  siłowni  parowej  moĪna  przed-
stawiü jako odpowiednie pola na wykresie T–s (rysunki 1.5, 1.6, 1.7). 

T

1

2’

K

2“

2

3

4

s

T

1

2’

K

2“

2

3

4

s

T

1

2’

K

2“

2

3

4

s

Rys. 1.5. Ciepło dodatnie 

obiegu siłowni parowej 

Rys. 1.6. Ciepło ujemne 

obiegu siłowni parowej 

Rys. 1.7. Praca obiegu siłowni 

parowej 

Przy  stałych  temperaturach  dolnego  i  górnego  Ĩródła  ciepła  podnoszenie 

sprawnoĞci  obiegu  jest  moĪliwe  na  drodze  karnotyzacji  obiegu,  czyli  zbliĪenia 
kształtem  danego  obiegu  do  uogólnionego  obiegu  Carnota.  Obieg  Carnota  ma 
bowiem  najwyĪszą  sprawnoĞü  dla  danych  temperatur  Ĩródeł  ciepła  dolnego        
i górnego.  Najpopularniejszymi  metodami  karnotyzacji obiegu siłowni  parowej 
jest  stosowanie  przegrzewu  wtórnego  pary  i  podgrzewu  regeneracyjnego  wody 
zasilającej. WiąĪe siĊ to wprawdzie z komplikacją układu siłowni, przynosi jed-
nak znaczne przyrosty sprawnoĞci. NajczĊĞciej spotykane są układy siłowni pa-
rowych z jednym przegrzewem wtórnym, rzadziej z dwoma. Liczba podgrzewa-
czy regeneracyjnych waha siĊ w szerokich granicach i jest zaleĪna od wielkoĞci 
bloku  energetycznego.  W  warunkach  polskich  stosowanych  jest  zwykle  6  ÷  9 
podgrzewaczy. 

Obieg siłowni gazowych 

Znacznie  rzadziej  spotykanymi  układami  siłowni  cieplnych  w  naszym 

kraju  są  układy  siłowni  gazowych.  Obiegiem  porównawczym  tych  siłowni  jest 
obieg  Braytona  przedstawiony  na  rys.  1.8.  Składa  siĊ  on,  podobnie  jak  obieg 
Clausiusa–Rankine’a z dwóch izobar i dwóch izentrop. Obieg siłowni rzeczywi-
stej róĪni siĊ od obiegu porównawczego, w myĞl drugiej zasady termodynamiki, 
stratami.  Dochodzi  zarówno  do  spadków  ciĞnieĔ  podczas  przepływu  czynnika 
przez  elementy  siłowni  jak  i  do  przyrostu  entropii  podczas  sprĊĪania  gazu  w 
sprĊĪarce i rozprĊĪania go w turbinie. Obieg siłowni rzeczywistej przedstawiony 
jest  we  współrzĊdnych  h–s  na  rys.  1.9.  Podobnie  jak  w  przypadku  obiegu  si-
łowni  parowej,  ciepło  dodatnie,  ujemne  i  pracĊ  obiegu  moĪna  przedstawiü  na 
wykresie T–s jako odpowiednie pola. Pola te uwidocznione są odpowiednio na 
rysunkach 1.10, 1.11 i 1.12. 

background image

11

200

400

600

800

1000

1200

1400

0

h

[KJ/kg]

1

2

3

4

0

0,2

0,4

0,6

0,8

s [kJ/(kg*K)]

1,0

sprĊĪanie izentropowe
ogrzewanie izobaryczne
rozprĊĪanie izentropowe
chłodzenie izobaryczne

Rys. 1.8. Obieg Braytona na wykresie h–s 

200

400

600

800

1000

1200

1400

0

h

[kJ/kg]

1

2

3

4

0

0,2

0,4

0,6

0,8

s [kJ/(kg*K)]

1,0

p

2

p

3

p

4

p

1

Rys. 1.9. Obieg rzeczywistej siłowni gazowej na wykresie h–s 

background image

12

T

1

2

3

4

s

T

1

2

3

4

s

T

1

2

3

4

s

Rys. 1.10. Ciepło dodatnie 

obiegu Braytona 

Rys. 1.11. Ciepło ujemne 

obiegu Braytona 

Rys. 1.12. Praca  

obiegu Braytona 

Działanie  układu  gazowego,  w  najczĊĞciej  spotykanej  wersji  otwartej, 

polega na zassaniu chłodnego powietrza z otoczenia i sprĊĪeniu go w sprĊĪarce. 
NastĊpnie jest ono ogrzewane w komorze spalania. Proces ten polega na bezpo-
Ğ

rednim  spalaniu  paliwa  w  sprĊĪonym  powietrzu,    w  wyniku  czego  otrzymy-

wany  jest  gaz  spalinowy  o  odpowiedniej  temperaturze.  Ogrzany  czynnik  roz-
prĊĪa  siĊ  nastĊpnie  w  turbinie,  w  wyniku  czego  dochodzi  do  zamiany  czĊĞci 
jego entalpii na pracĊ mechaniczną, przekazywaną na wał wirnika turbiny. Praca 
ta słuĪy zarówno do napĊdu sprĊĪarki jak i generatora elektrycznego. 

Spotykane  są  róĪne  układy  siłowni  gazowych.  W  rozwiązaniu  najprost-

szym  cała  turbina  i  cała  sprĊĪarka  osadzone  są  na  jednym  wale,  który  poprzez 
sprzĊgło połączony jest z wałem generatora elektrycznego. Nie jest to rozwiąza-
nie  optymalne  ze  wzglĊdów  aerodynamicznych.  Nieco  lepszym  rozwiązaniem 
jest połączenie jednym wałem czĊĞci turbiny i całej sprĊĪarki. Ta czĊĞü turbiny 
napĊdza  tylko  sprĊĪarkĊ.  Druga  natomiast  –  generator  elektryczny.  Bywają
takĪe rozwiązania bardziej skomplikowane, np. czĊĞü niskoprĊĪna sprĊĪarki na-
pĊdzana  jest  czĊĞcią ĞrednioprĊĪną  turbiny,  czĊĞü  wysokoprĊĪna  sprĊĪarki  czĊ-
Ğ

cią  wysokoprĊĪną  turbiny,  a  czĊĞü  niskoprĊĪna  turbiny  napĊdza  generator.  Im 

układ siłowni bardziej podzielony, tym wiĊksze jest stopniowanie prĊdkoĞci ma-
szyn. MoĪliwa jest wiĊc praca poszczególnych podzespołów maszyny z prĊdko-
Ğ

ciami obrotowymi bliĪszymi optymalnym, co wpływa korzystnie na sprawnoĞü

układu. WiąĪe siĊ to niestety ze wzrostem kosztów inwestycyjnych. O wyborze 
rozwiązania powinna decydowaü Ğcisła analiza ekonomiczna. 

W  siłowni  gazowej  pracującej  w  układzie  prostym  konwersja  energii 

przebiega  z  niezbyt  wysoką  sprawnoĞcią.  Wprawdzie  nie  ma  tu  koniecznoĞci 
skraplania czynnika, z czym związane jest wyrzucanie do otoczenia duĪych ilo-
Ğ

ci  ciepła,  jednak do  sprĊĪania powietrza zuĪywana  jest  znacznie  wiĊksza  moc 

mechaniczna,  poniewaĪ  czynnik  jest  w  postaci  gazowej.  Tak  wiĊc  do  napĊdu 
sprĊĪarki  zuĪywana  jest  czĊsto  wiĊkszoĞü  mocy  mechanicznej  generowanej      
w turbinie. 

SprawnoĞü siłowni gazowych jak i moc jednostkowa są silnie zaleĪne od 

temperatury  czynnika  na  wlocie  do  turbiny  oraz  od  sprĊĪu  sprĊĪarki.  Istotny 

background image

13

wpływ  ma  takĪe  sprawnoĞü  wewnĊtrzna  sprĊĪarki  i  turbiny  oraz  temperatura 
zasysanego powietrza [9], [10], [12], [16], [17], [22], [26], [30], [40], [42], [57], 
[62],  [67],  [75].  Rys.  1.13  przedstawia zaleĪnoĞü  kształtu  obiegu  siłowni gazo-
wej  (w  układzie  prostym)  od  sprĊĪu.  JeĞli  ma  on  niską  wartoĞü,  obieg  ma 
spłaszczony kształt, a odległoĞü miĊdzy izobarami dolną i górną obiegu porów-
nawczego jest niewielka. W takiej sytuacji moc wewnĊtrzna turbiny jest stosun-
kowo  niewielka,  a  poniewaĪ  róĪnica  temperatur  na  wlocie  i  wylocie  z  komory 
spalania  jest  duĪa,  wiĊc  strumieĔ  ciepła  dostarczony  w  komorze  spalania  musi 
byü duĪy, co powoduje, Īe sprawnoĞü takiego obiegu jest doĞü niska.  

π

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4 s [kJ/kg/K]

T

3

 [

K

]

5

10

15

20

25

30

35

40

45

 Rys. 1.13. Obiegi termodynamiczne układów gazowych prostych dla róĪnych wartoĞci 

sprĊĪu, sprawnoĞü wewnĊtrzna sprĊĪarki Ș

is

 = 0,86, sprawnoĞü wewnĊtrzna turbiny Ș

it

 = 0,90, 

temperatura czynnika na wlocie do turbiny t

3

 = 1200 ˚C 

Z  kolei duĪa  wartoĞü  sprĊĪu sprawia,  Īe  izobary  obiegu porównawczego 

są  mocno  od  siebie  oddalone.  RóĪnica  temperatur  na  wylocie  i  wlocie  komory 
spalania jest niewielka, a wiĊc strumieĔ ciepła doprowadzony w komorze spala-
nia ma niską wartoĞü. Jednak wraz ze wzrostem sprĊĪu roĞnie moc wewnĊtrzna 
sprĊĪarki,  a  poniewaĪ  rozprĊĪanie  przebiega  przy  mniejszych  wartoĞciach  en-
tropii,  róĪnica  mocy  wewnĊtrznych  turbiny  i  sprĊĪarki  (a  wiĊc  i  moc  układu) 
maleje. Nadmierna wartoĞü sprĊĪu bĊdzie wiĊc prowadziła do spadku sprawno-
Ğ

ci. 

Jak  wykazuje  teoria  i  doĞwiadczenie,  dla  kaĪdej  temperatury  spalin  na 

wlocie  do  turbiny  istnieje  pewna  wartoĞü  sprĊĪu,  przy  której  wystĊpuje  maksi-
mum  sprawnoĞci  [9],  [13],  [40].  Zarówno  sprĊĪ  wiĊkszy  jak  i  mniejszy  bĊdzie 
prowadził do jej obniĪenia. Na połoĪenie tego maksimum mają wpływ równieĪ
inne  parametry  układu.  ZaleĪnoĞü  sprawnoĞci  układu  gazowego  prostego  od 

background image

14

temperatury  czynnika  t

3

  i  sprĊĪu  sprĊĪarki  ʌ

c

  przedstawiona  jest  na  rysunkach 

1.14 i 1.15. Na rys. 1.14 zaznaczony jest takĪe przebieg maksimów sprawnoĞci 
dla róĪnych t

3

t

3

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0,35

0,4

0,45

0,5

0

10

20

30

40

50

60

70

80

π

π

π

π

ηηηη

600

800

1000

1200

1400

1600

maxima

Rys. 1.14. ZaleĪnoĞü sprawnoĞci obiegu gazowego prostego od sprĊĪu ʌ

c

  

dla róĪnych temperatur czynnika na wlocie do turbiny t

3

π

c

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0,35

0,4

0,45

0,5

600

800

1000

1200

1400

1600

t

3

η

10

20

30

40

50

Rys. 1.15. ZaleĪnoĞü sprawnoĞci obiegu gazowego prostego od temperatury czynnika  

na wlocie do turbiny t

3

 dla róĪnych wartoĞci sprĊĪu ʌ

c   

background image

15

Siłownie gazowo–parowe 

SprawnoĞü  obiegu  parowego  mogłaby  byü  wyĪsza,  gdyby  temperatura 

pary na wlocie do turbiny była wyĪsza, czyli gdyby Ğrednia temperatura górnego 
Ĩ

ródła  ciepła  była  wyĪsza.  Natomiast  sprawnoĞü  obiegu  gazowego  moĪna  by 

podnieĞü obniĪając Ğrednią temperaturĊ dolnego Ĩródła ciepła. MoĪna takĪe po-
łączyü  oba  rodzaje  obiegów  otrzymując  układ  ze  Ğrednią  temperaturą Ĩródła 
górnego jak w układzie gazowym i dolnego jak w układzie parowym [10], [22], 
[23], [40], [51], [69], [75], [77]. Połączenie obu układów polega na wykorzysta-
niu doĞü wysokiej entalpii spalin opuszczających turbinĊ gazową do wytworze-
nia pary słuĪącej do napĊdu turbiny. Na rys. 1.16 przedstawiony został najprost-
szy  schemat  układu  gazowo–parowego,  a  na  rys.  1.17  połączenie  obiegów  ga-
zowego z parowym. 

6

.6

7

*









SRZ

SDO

7

*









.

6

3:

Rys. 1.16. Uproszczony schemat układu gazowo–parowego:  

S – sprĊĪarka, KS – komora spalania, T – turbina, G – generator elektryczny,  

K – kocioł odzyskowy, PW – pompa zasilająca, S – skraplacz  

Siłownia gazowo–parowa charakteryzuje siĊ wysokimi kosztami inwesty-

cyjnymi,  poniewaĪ  składa  siĊ  ona  z  dwóch  osobnych  turbozespołów.  Rzadko 
spotyka  siĊ  rozwiązania,  w  których  obie  turbiny  napĊdzają  jeden  generator. 
Mimo  wysokich  kosztów  inwestycyjnych  przewiduje  siĊ  ciągły  wzrost  udziału 
siłowni gazowo–parowych w energetyce zawodowej, czego przyczyną jest bar-
dzo  wysoka  sprawnoĞü,  rzĊdu  50  ÷  60  %.  WyĪsze  wartoĞci  odpowiadają  ukła-
dom  bardziej  rozbudowanym,  z  nowoczesnymi  turbinami  gazowymi  i  kotłami 
odzyskowymi dwu– i trójprĊĪnymi. 

background image

16

T

S

Q

Q

Q

1

2

3

OG

OP

Rys. 1.17. Obiegi układu gazowo–parowego. OG – obieg gazowy, OP – obieg parowy,  

Q

1

 – ciepło podgrzania wody, Q

2

 – ciepło odparowania wody, Q

3

 – ciepło przegrzania pary 

1.4. Układ Chenga 

Jak  wykazują  doĞwiadczenia  eksploatacyjne  istniejących  siłowni,  im 

mniejsza moc układu gazowo–parowego, tym niĪsza jest sprawnoĞü moĪliwa do 
uzyskania  [10],  [69].  Rys.  1.18  przedstawia  zaleĪnoĞü  sprawnoĞci  od  mocy 
obecnie  eksploatowanych  układów  gazowych  w  cyklu  prostym,  układów 
Chenga i układów gazowo–parowych [47]. Wynika z niego, Īe w zakresie mocy 
bardzo  małych,  rzĊdu  kilku  megawatów,  sprawnoĞü  elektryczna  układu  ga-
zowo–parowego  byłaby  mniejsza,  niĪ  układu  Chenga.  W  przypadku  siłowni 
wykorzystywanych  do  kogeneracyjnego  wytwarzania  energii  elektrycznej 
istotna jest zarówno sprawnoĞü elektryczna jak i całkowita. Na korzyĞü małych 
układów  przemawia  zmniejszenie  strat  przesyłowych  energii  cieplnej  i  elek-
trycznej  z  powodu  zmniejszenia  odległoĞci  Ĩródła  od  odbiorcy  [61].  Małe 
układy charakteryzują siĊ takĪe mniejszą bezwładnoĞcią, dziĊki czemu moĪliwe 
jest  lepsze  dopasowanie  mocy  Ĩródła  do  zapotrzebowania  odbiorcy  [21],  [27], 
[28], [34]. 

Układ Chenga wykazuje zmienny wskaĨnik skojarzenia definiowany wy-

raĪeniem 

c

N

el

N

=

σ

,   

 

 

 

(1.2) 

gdzie: N

el

 – moc elektryczna układu 

N

c

 – moc cieplna układu. 

background image

17

Wobec tego moĪliwa jest zmiana mocy cieplnej przy utrzymaniu znamionowej 
mocy elektrycznej. 

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.1

1

10

100

1000

Układ prosty

Układ Chenga

Układ gazowo-parowy

Rys. 1.18. ZaleĪnoĞü sprawnoĞci od mocy układów gazowych obecnie eksploatowanych [47] 

Schemat układu Chenga przedstawiony jest na rys. 1.19. Działanie układu 

[10], [18], [27], [28], [33], [34], [41], [43], [50], [51], [58], [62], [63] jest nastĊ-
pujące.  Powietrze  jest  zasysane  z  otoczenia  (1)  i  sprĊĪane  do  ciĞnienia  p

2

.  Na-

stĊpnie  jest  ogrzewane  w  komorze  spalania  poprzez  bezpoĞrednie  spalanie  pa-
liwa.  Ogrzany  czynnik  termodynamiczny  (bĊdący  juĪ  mieszaniną  powietrza       
i gazów spalinowych) ma wysoką entalpiĊ, która jest czĊĞciowo zamieniana na 
pracĊ mechaniczną podczas rozprĊĪania czynnika w turbinie. Praca mechaniczna 
uzyskana  z  rozprĊĪania  gorących  gazów  jest  wiĊksza,  niĪ  zuĪyta  do  sprĊĪenia 
chłodniejszego  powietrza.  Nadmiar  energii  jest  odprowadzany  wałem  do  gene-
ratora. 

Gaz rozprĊĪony w turbinie posiada jeszcze stosunkowo wysoką tempera-

turĊ  a  wiĊc  i  entalpiĊ,  która  moĪe  zostaü  wykorzystana  do  wytworzenia  pary     
w kotle odzyskowym. Para ta moĪe byü nastĊpnie w całoĞci lub czĊĞciowo wtry-
Ğ

niĊta do komory spalania. Połączy siĊ ona wtedy z powietrzem i gazami spali-

nowymi,  powodując  wzrost  strumienia  masy  gazów  rozprĊĪanych  w  turbinie. 
Pociągnie  to  za  sobą  wzrost  mocy  turbiny.  PoniewaĪ  moc  sprĊĪarki  pozostaje 
niezmieniona,  wiĊc  wystąpi  wzrost  mocy  elektrycznej  odprowadzanej  z  zaci-
sków generatora. 

background image

18

S

KS1

T

G

1

2

3

pow

pal

KO

pal

5

6

7

8

para

9

PW

4

Rys. 1.19. Schemat układu Chenga w wersji podstawowej: 1 – wlot powietrza do sprĊĪarki, 2 

– wlot powietrza do komory spalania, 3 – wlot spalin do turbiny, 4 – wlot spalin do kotła od-

zyskowego,  5 – wylot spalin z kotła odzyskowego do otoczenia, 6 – wlot wody  

zasilającej do układu, 7 – wlot wody zasilającej do kotła odzyskowego, 8 – wlot pary  

do komory spalania, 9 – wylot pary do celów grzewczych 

W układzie Chenga para produkowana w kotle odzyskowym jest dzielona 

na dwa strumienie. Jeden – do komory  spalania,  drugi  – do  wymienników  cie-
pła.  Te  ostatnie  wykorzystywane  są  do  celów  grzewczych  bądĨ  technologicz-
nych.  Podział  strumienia  pary  nastĊpuje  w  sposób  płynny  przy  pomocy  zawo-
rów  sterowanych  automatycznie.  MoĪliwe  jest  wiĊc  dokładne  dostosowanie 
mocy cieplnej układu do chwilowego zapotrzebowania, a nadmiar pary jest kie-
rowany do komory spalania, dziĊki czemu ograniczane są straty energetyczne. 

Rysunki 1.20÷1.23 przedstawiają charakterystykĊ układu Chenga, w któ-

rym  zastosowany  jest  silnik  turbogazowy  Allisson  501  KH  [28],  [64].  Punkt  1 
odpowiada minimalnej wartoĞci temperatury spalin na wlocie do turbiny 

t

3

, przy 

której moĪliwa jest praca silnikowa układu. W punkcie tym moc elektryczna jest 
równa 0 a moc cieplna ma wartoĞü wiĊkszą od 0. Wraz ze wzrostem strumienia 
paliwa  podawanego  do  komory  spalania  roĞnie  temperatura  spalin 

t

3

.  RoĞnie 

moc wewnĊtrzna turbiny a wraz z nią moc elektryczna układu. PoniewaĪ wzra-
sta  takĪe  temperatura  spalin  na  wylocie  z  turbiny,  roĞnie  moc  cieplna  układu. 
Punkty  2  i  3  odpowiadają  temperaturze 

t

3

  mniejszej  od  wartoĞci  maksymalnej. 

W punkcie 4 temperatura 

t

3

 osiąga wartoĞü maksymalną. W punkcie tym takĪe 

moc cieplna osiąga maksimum. 

Na rys. 1.21 przedstawiona jest charakterystyka z wtryskiem pary do ko-

mory  spalania.  Im  wiĊkszy  jest  strumieĔ  pary  kierowanej  do  komory  spalania, 
tym  mniejsza jest moc cieplna i wiĊksza moc elektryczna układu. Punkty 5 i 6 

background image

19

przedstawiają  przypadek  czĊĞciowego  wtrysku  pary  do  komory  spalania.  W 
punkcie 7 cały strumieĔ pary wytworzonej w kotle odzyskowym kierowany jest 
do komory spalania. 

Na rysunkach 1.22 i 1.23 przedstawione są punkty czĊĞciowego obciąĪe-

nia  układu.  Punkty  8  i  9  odpowiadają  róĪnym  wielkoĞciom  strumienia  pary 
wtryskiwanej  do  komory  spalania  dla  temperatury  spalin  na  wlocie  do  turbiny 
równej 80 % wartoĞci maksymalnej. Punkt 10 przedstawia czĊĞciowe obciąĪenie 
dla temperatury t

3

 = 0,6 * t

3-max

 i czĊĞciowym wtrysku pary do komory spalania. 

W punkcie 11 cały strumieĔ pary wytworzonej w kotle odzyskowym kierowany 
jest do komory spalania. 

1000

2000

3000

4000

5000

6000

0

0

1000

3000

2000

6000

4000

5000

N

[kW]

N [kW]

1

2

el

c

3

4

1000

2000

3000

4000

5000

6000

0

0

1000

3000

2000

6000

4000

5000

N

[kW]

N [kW]

1

2

el

c

3

4

5

6

7

Rys. 1.20. Charakterystyka układu Chenga,  

bez wtrysku pary do komory spalania,  

punkty 1÷4 odpowiadają zmianie  

temperatury t

3

 w granicach 0÷t

3-max

Rys. 1.21. Charakterystyka układu Chenga,  

punkty 4÷7 odpowiadają zmianie strumienia 

wtryskiwanej do komory spalania pary 

m



p

  

w granicach 0÷

m



pmax

t

3

 = t

3-max

1000

2000

3000

4000

5000

6000

0

0

1000

3000

2000

6000

4000

5000

N

[kW]

N [kW]

1

2

el

c

3

4

5

6

7

8

9

1000

2000

3000

4000

5000

6000

0

0

1000

3000

2000

6000

4000

5000

N

[kW]

N [kW]

1

2

el

c

3

4

5

6

7

8

9

10

11

Rys. 1.22. Charakterystyka układu Chenga, 

 punkty 8 i 9 odpowiadają czĊĞciowemu  

wtryskowi pary do komory spalania, 

t

3

 = 0,8 * t

3-max

Rys. 1.23. Charakterystyka układu Chenga,  

punkt 10 odpowiada czĊĞciowemu a punkt 11

 całkowitemu wtryskowi pary do komory  

spalania, t

3

 = 0,6 * t

3-max

background image

20

Para wodna moĪe byü do komory spalania wtryskiwana w pobliĪu wlotu 

powietrza lub na jej wylocie. JeĞli para jest wtryskiwana na wlocie powietrza, to 
miesza siĊ z nim zmieniając jego własnoĞci fizyczne. NastĊpuje bowiem wzrost 
ciepła  właĞciwego  i  spadek  nadmiaru  tlenu.  Maksymalne  temperatury  spalania 
nie  są  tak  wysokie,  jak  w  przypadku  powietrza  suchego.  DziĊki  temu  w  spali-
nach  wystąpi  znacznie  niĪsze  stĊĪenie  tlenków  azotu,  co  jest  bardzo  korzystne 
ze  wzglĊdów  ekologicznych.  Tlenki  azotu  są  bowiem  uwaĪane  za związki bar-
dzo szkodliwe dla zdrowia ludzkiego i są trudne do usuniĊcia ze spalin. 

Para  wodna  wtryĞniĊta  do  komory  spalania  na  jej  wylocie  nie  ma  juĪ

praktycznie wpływu na powstawanie tlenków azotu. Miesza siĊ ona z gorącymi 
spalinami  chłodząc  je  i  zwiĊkszając  strumieĔ  masy  gazu  kierowanego  do  tur-
biny.  Z  powodu  chłodzącego  działania  pary  naleĪy  podawaü  wiĊkszą  iloĞü  pa-
liwa, aby na wlocie do turbiny utrzymaü moĪliwie wysoką temperaturĊ. Trzeba 
teĪ zaznaczyü, Īe niedokładne wymieszanie chłodniejszej pary z gorącymi spa-
linami moĪe wpływaü niekorzystnie na trwałoĞü łopatek pierwszego stopnia tur-
biny. 

Na rys. 1.24 przedstawione jest stĊĪenie tlenków azotu NO

x

 i tlenku wĊ-

gla  CO  w  spalinach  opuszczających  układ  siłowni  zainstalowanej  na 
Uniwersytecie  Technicznym  w  Monachium  w  zaleĪnoĞci  od  strumienia  masy 
wtryskiwanej  pary  [28].  Naniesione  są  na  nim  równieĪ  dopuszczalne  wartoĞci 
emisji tych składników okreĞlone w dyrektywie Technische Anleitung Luft (TA 
Luft).  Z  rysunku  wynika,  Īe  emisja  tlenku  wĊgla  CO  jest  w  całym  zakresie 
wielokrotnie  mniejsza  od  wartoĞci  dopuszczalnej  i  maleje  początkowo  wraz  ze 
wzrostem  wtrysku  pary,  a  dla  strumienia  masy  pary  powyĪej  5  t/h  emisja  CO 
jest  mniej  wiĊcej  stała.  Emisja  tlenków  azotu  maleje  wraz  ze  wzrostem 
strumienia  pary  w  całym  zakresie,  ale  przy  małych  wartoĞciach  spadek  jest 
wiĊkszy.  StĊĪenie  NO

x

  w  spalinach  przekracza  wartoĞü  dopuszczalną

(okreĞlonej  przez  TA  Luft)  tylko  przy  bardzo  małym  strumieniu  pary.  Wtrysk 
pary  w  iloĞci  0,7  t/h  zapewnia  utrzymanie  emisji  NO

x

  poniĪej  wartoĞci 

granicznej bez stosowania jakichkolwiek systemów oczyszczania spalin. 

Rezultaty  badaĔ  układu  Chenga  pracującego  na  Uniwersytecie 

Technicznym w Monachium posłuĪyły do weryfikacji wyników czĊĞci obliczeĔ. 
Wyniki  obliczeĔ  układu  rozbudowanego  nie  mogą  zostaü  zweryfikowane  z 
uwagi  na  brak  instalacji  tego  typu.  Niektóre  parametry  układu  z  Monachium 
podawane  są  na  stronie  internetowej  Katedry  Maszyn  Cieplnych  Uniwersytetu 
http://www.es.mw.tum.de.  Rys.  1.25  przedstawia  schematycznie  układ  siłowni, 
rys.  1.26  charakterystykĊ  układu  z  zaznaczeniem  wpływu  temperatury 
otoczenia.  Rysunki  1.27  i  1.28  przedstawiają  schemat  cieplny  siłowni  z 
naniesionymi niektórymi parametrami oraz przebieg zmian energii elektrycznej 
pobieranej  z  sieci  energetycznej  (kolor  niebieski),  energii  elektrycznej 
wytworzonej w układzie (kolor Īółty) i energii cieplnej (linia czerwona) w ciągu 
kilkudziesiĊciu godzin przykładowego okresu. 

background image

21

0

40

80

120

160

200

0

2

4

6

8

10

m

p

 [t/h]

E

 [

m

g

/m

3

]

NOx

CO

CO limit (TA Luft)

NOx limit (TA Luft)

Rys. 1.24. ZaleĪnoĞü emisji tlenku wĊgla CO i tlenków azotu NO

x

 od strumienia  

wtryskiwanej pary wraz z granicznymi wartoĞciami dopuszczalnymi dyrektywy  

niemieckiej Technische Anleitung Luft (TA Luft) [28] 

Rys. 1.25. Schematyczny widok układu  

siłowni zainstalowanego na Uniwersytecie 

Technicznym w Monachium [27] 

Rys. 1.26. Charakterystyka układu  

zainstalowanego na Uniwersytecie 

Technicznym w Monachium [27] 

background image

22

Rys. 1.27. Schemat cieplny układu Chenga z Uniwersytetu Technicznego w Monachium 

Rys. 1.28. Przebieg zmian energii elektrycznej pobieranej z sieci energetycznej (kolor  

niebieski), energii elektrycznej wytwarzanej (kolor Īółty) oraz wytwarzanej mocy cieplnej 

(czerwona linia) dla przykładowych kilkudziesiĊciu godzin układu z Monachium 

background image

23

Zastosowanie  układu  Chenga  w  miejsce  wyeksploatowanych  kotłowni 

wĊglowych lub innych, stosunkowo mocno obciąĪających Ğrodowisko naturalne 
układów energetycznych, pociąga za sobą w skali globalnej nastĊpujące korzy-
Ğ

ci ekologiczne: 

–  obniĪenie  emisji  dwutlenku  wĊgla  i  toksycznych  produktów  spalania  oraz 

wzrost stopnia wykorzystania paliwa wynikające ze skojarzonego wytwarza-
nia energii elektrycznej i cieplnej; produkcja energii elektrycznej spowoduje 
spadek mocy elektrycznej wytwarzanej w elektrowniach wĊglowych; 

–  moĪliwoĞü całkowitego wyeliminowania emisji pyłów, związków siarki, po-

piołu, ĪuĪla dziĊki zastosowaniu paliwa gazowego; 

–  obniĪenie emisji dwutlenku wĊgla spowodowane zastąpieniem czĊĞci energii 

elektrycznej  wytwarzanej  z  wĊgla  energią  wytwarzaną  z  gazu;  efekt ten  za-
leĪy  od  rodzaju  gazu  a  spadek  emisji  CO

2

  wywołany  zmianą  paliwa  moĪe 

przekroczyü wartoĞü 40 %;  

–  obniĪenie emisji tlenków azotu NO

x

; lokalne kotłownie wĊglowe nie są zwy-

kle wyposaĪone w palniki niskoemisyjne ani instalacje odazotowania spalin. 
Zastąpienie  takich  kotłowni  układem  Chenga  charakteryzującym  siĊ  niską
emisją NO

x

 wpłynie na znaczne obniĪenie ich emisji; 

–  moĪliwoĞü  krótkotrwałego  obniĪenia  mocy  cieplnej  w  przypadku  spadku 

zapotrzebowania  i  w  efekcie  spadek  całkowitej  produkcji  energii  cieplnej; 
jest to moĪliwe dziĊki wysokiej elastycznoĞci małych silników turbinowych i 
moĪe  prowadziü  do  spadku  emisji  produktów  spalania  i  konsumpcji  paliwa 
oraz wzrostu produkcji energii elektrycznej i obniĪenia mocy elektrowni wĊ-
glowych. 

1.5 Cel, tezy i zakres pracy 

Podstawowym  celem  pracy  jest  przebadanie  numeryczne  układu  Chenga 

w wersji podstawowej pod kątem wpływu najistotniejszych parametrów na jego 
własnoĞci  energetyczne,  przede  wszystkim  na  sprawnoĞü  elektryczną.  Drugim 
celem  jest  wyznaczenie  przyrostów  sprawnoĞci  po  wprowadzeniu  do  układu 
miĊdzystopniowego chłodzenia sprĊĪanego powietrza oraz przegrzewu miĊdzy-
stopniowego rozprĊĪanych spalin we wtórnej komorze spalania. Trzecim celem 
jest  okreĞlenie  korzyĞci  ekologicznych  wynikających  z  zastosowania  układu 
Chenga w energetyce.  

Przeprowadzone rozpoznanie literaturowe, wstĊpna analiza problemu oraz 

konsultacje  przeprowadzone  w  Katedrze  Techniki  Energetycznej  Uniwersytetu 
Technicznego w Monachium pozwoliły na postawienie nastĊpujących tez: 
– 

wtrysk  pary  do  komory  spalania  moĪe  znacznie  podnieĞü  własnoĞci 
energetyczne  w  szerokim  zakresie  parametrów  termodynamicznych 
układu turbiny gazowej