POLITECHNIKA ŚLĄSKA W GLIWICACH WYDZIAŁ INŻYNIERII ŚRODOWISKA I ENERGETYKI

Computer Design Systems

Sprawozdanie Nr 5

Temat: Rozbudowa układu gazowo-parowego.

Imię i nazwisko: Marcin Kempny

Kierunek: Mechanika i Budowa Maszyn

Specjalność: Maszyny i Urządzenia Energetyczne

Sekcja: S2

Data zajęć: 11.01.2016

1. Ćwiczenie polegało na budowie układu turbiny gazowej i parowej, oraz jego rozbudowie o układ ORC. Celem analizy układu było badanie wpływu wprowadzonych zmian na sprawność i moc elektryczną, badanego układu, który w najprostszej wersji składa się z:

1. Część gazowa:

- Sprężarki- napędzanej przez turbinę za pośrednictwem wału. Sprężarka ma za zadanie podnieść ciśnienie powietrza doprowadzanego do Komory Spalania.

- Komory Spalania, gdzie do sprężonego powietrza jest wtryskiwane paliwo, następuje zapłon i spalenie paliwa

- Turbina gazowa- Z Komory Spalania są dostarczane gorące spaliny o wysokiej entalpi, które przekazują energię na łopatki turbiny powodując ruch wirnika, następnie są kierowane do części parowej.

1. Część parowa:

- Podgrzewacz wody- zasilany gorącymi spalinami z części gazowej, które po opuszczeniu urządzenia są oddawane do otoczenia.

- Parownik- następuje tu odparowanie wody obiegowej zasilany gorącymi spalinami z części gazowej, które po opuszczeniu urządzenia przekazywane są do podgrzewacza wody.

- Przegrzewacz Pary- następuje tu przemiana pary nasyconej na przegrzaną, dzięki ciepłu dostarczonemu z gorących spalin Turbozespołu, które następnie kierowane są do Parownika.

-Turbina parowa- Następuje tu konwersja entalpii strumienia przegrzanej pary wodnej na energię mechaniczną służącą do napędu wału.

- Skraplacz- Para wodna po opuszczeniu Turbiny zostaje skroplona i za pomocą pomp jest transportowana do podgrzewacza wody.

c) Część ORC:

- Wymiennik ciepła- wymiana zachodzi pomiędzy spalinami, które opuściły wymienniki

części parowej, a organicznym czynnikiem obiegowym np. etanolem. Zachodzi tu zmiana

fazy czynnika obiegowego.

- Turbina- przetwarza entalpię czynnika obiegowego na moc mechaniczną.

- Generator- przetwarza moc mechaniczną na energię elektryczną.

- Skraplacz- Następuje tu skraplanie się pary czynnika obiegowego.

- Pompa kondensatu- transport kondensatu do wymiennika.

2. W obiegu przeanalizowano wpływ zmian: Sprężu w sprężarce na moc części gazowej, parowej, układu ORC(czynnikiem obiegowym jest Oktafluorocyklobutan) i całego układu oraz sprawność poszczególnych części. Analizy dokonano przed i po wprowadzeniu przegrzewacza pary.

3. Schematy badanych obiegów.

1. Prosty układ gazowo- parowy.

Rysunek

1. Układ gazowo- parowy z wprowadzonym wtórnym przegrzewem pary.

Rysunek

1. Układ gazowo-parowy z dobudowanym obiegiem ORC.

Rysunek

4. Parametry czynników w modelu:

- Strumień powietrza doprowadzany do sprężarki $\dot{m} = 100\frac{\text{kg}}{s}$

- Parametry powietrza na wejściu do sprężarki t=15^oC, p=1,01 bar, φ=50%

- Sprzęż (stosunek ciśnienia na wyjściu sprężarki do ciśnienia na wejściu sprężarki β=15)

-Temperatura paliwa doprowadzanego do Komory Spalania t_p=10^oC. Skład paliwa CH₄=88,5%; C₂H₆= 4,7%; C₃H₈=1,6%; C₄H₁₀=0,2%; N₂=5%

- Izentropowa sprawność sprężarki η_i=0,87; sprawność mechaniczna η_m=0,98

- Izentropowa sprawność turbiny gazowej η_i=0,91; sprawność mechaniczna η_m=0,99

- Temperatura za Komorą Spalania t₃=1350^oC

-Parametry wody chłodzącej w skraplaczu: t=10^oC, p=1 bar, za pompą p=1,5bar

-Parametry pary przegrzanej: p₁=65bar (dla części wysokoprężnej), p2= 3bar (dla części

niskoprężnej)

-Izentropowa sprawność turbiny parowej η_i=0,90

5. Otrzymane wykresy zależności.

a) Zależność mocy elektrycznej poszczególnych układów od wartości sprężu.

b) Zależność sprawności poszczególnych układów od wartości sprężu.

1. Zależność mocy elektrycznej i sprawności od temperatury pary świeżej

6. Zalety i Wady układu gazowo-parowej z układem ORC:

1. Wady:

-Wysokie koszty paliwa,

- Część parowa i gazowa uzależnione od części gazowej,

- Duże gabaryty w porównaniu do pojedynczych układów ORC, gazowych czy parowych

b) Zalety:

-Dużo lepsza sprawność w porównaniu do układów gazowych.

- Wykorzystywanie części strat ciepła w części parowej.

- Wykorzystanie ciepła odpadowego w układzie ORC.

6. Uwagi i Wnioski.

a) Krzywe reprezentujące moc elektryczną turbiny gazowej przed i po modernizacji na wykresie 1 pokrywają się, ponieważ wprowadzenie wtórnego przegrzewu pary przed odgazowywaczem niema żadnego wpływu na pracę zespołu turbiny gazowej. Z tych samych powodów na wykresie 2 pokrywają się krzywe sprawności.

b)Wzrost ilości wyprodukowanej mocy elektrycznej po modernizacji (wykres1), wynika z bardziej efektywnego wykorzystanie entalpii spalin z turbiny gazowej. Umieszczenie pomiędzy turbiną wysokoprężną, a średnioprężną wymiennika ciepła zasilanego spalinami wprost z wylotu turbiny gazowej podniesienie entalpii czynnika na wlocie do części średnioprężnej(I₃), a jak wynika z bilansu energetycznego turbiny otrzymujemy wtedy większą moc na wale maszyny.

N_i = I₁ − I₂ + I₃ − I₄ − I₅ + I₆ − I₇

gdzie:

N_i- moc wewnętrzna turbiny parowej, kW

I₁- entalpia pary na wlocie do turbiny wysokoprężnej, kJ

I₂- entalpia pary na wylocie z turbiny wysokoprężnej, kJ

I₃- entalpia pary na wlocie do turbiny średnioprężnej, kJ

I₄- entalpia pary na wylocie z turbiny średnioprężnej, kJ

I₅- entalpia pary na upuście do odgazowywacza, kJ

I₆ −  entalpia pary na wlocie do turbiny niskopreznej,  kJ

I₇- entalpia pary na wylocie z turbiny niskoprężnej, kJ

c) Wzrost sprawności układu gazowo –parowego(wykres 2) wynika z tego iż uzyskujemy większą moc przy takiej samej ilości dostarczanej energii z paliwem.

$$\eta_{e} = \frac{N_{e}}{{\dot{Q}}_{d}}$$

gdzie:

η_e- sprawność energetyczna układu gazowo-parowego

N_e-moc elektryczna układu gazowo-parowego, kW

${\dot{Q}}_{d}$- strumień ciepła dostarczony do układu, kW

1. Z wykresu 3 wynika, że zarówno sprawność, jak i moc obiegu ORC wzrastają wraz ze wzrostem wartości sprężu w sprężarce układu gazowego. Powodem tego zjawiska może być fakt iż podnoszenie ciśnienia przed Komorą Spalania powoduje wzrost gęstości spalin, także za komorą spalania, a spaliny o większej gęstości są w stanie przekazać więcej ciepła na drodze konwekcji omywając rurki z parą czynnika obiegowego układu ORC.

2. Powodem załamania krzywych mocy i sprawności na wykresie 3 może być zjawisko „załamania konwekcji” tzn. chwilowego spadku wartości współczynnika wnikania ciepła w wymienniku, a przez to pogorszenia wymiany ciepła pomiędzy spalinami, a Oktafluorocyklobutanem.