Влияние свойств рабочего тела газотурбинной установки на термодинамическую эффективность парогазового цикла

Abstract

Использование различных видов топлива в цикле газотурбинной установки изменяет состав продуктов сгорания, в частности соотношение между количествами двух- и трехатомных газов. Это, в свою очередь, приводит к изменению теплоемкостей, показателей адиабаты и удельных работ, затрачиваемых на сжатие и расширение рабочего тела, а также тепловой мощности котла-утилизатора. Проанализировано влияние изменения свойств рабочего тела при использовании различных видов топлива - метана, оксида углерода и водорода, что приводит к различному содержанию трехатомных газов в продуктах сгорания. Рассматривается также изменение расходов и свойств рабочего тела при дополнительном нагреве циклового воздуха перед камерой сгорания газотурбинной установки. Целью работы является сравнительный анализ термодинамической эффективности циклов газотурбинных установок при различном содержании в продуктах сгорания трехатомных газов, количество которых зависит от свойств используемого в цикле топлива, а также от дополнительного нагрева циклового воздуха перед камерой сгорания. Исследования выполнены расчетным методом по модели, в которой учитывается зависимость теплоемкостей, а следовательно, и показателей адиабаты сжатия воздуха и топлива в компрессорах и расширения продуктов сгорания в турбине от температуры; предусмотрен дополнительный нагрев воздуха в воздушном котле, но не учитываются расходы воздуха после компрессора на охлаждение первых ступеней турбины. Выяснено, что предварительный нагрев воздуха в воздушном котле независимо от схемы использования дымовых газов воздушного котла уменьшает значение термического КПД парогазовой установки, причем использование уходящих газов для нагрева дутьевого воздуха воздушного котла увеличивает удельные расходы и мощности воздушного компрессора и турбины, но не так сильно сказывается на уменьшении КПД ПГУ, как подвод теплоты дымовых газов воздушного котла к рабочему телу паротурбинного цикла.

The use of different fuels in the gas-turbine unit alters the combustion products composition, in particular the ratio between the amounts of diatomic and triatomic gases. In turn this fact leads to a change in heat capacity, adiabatic index and specific costs of working medium compression and expansion and the recovery boiler thermal capacity. The article analyzes the impact of working medium properties changes with different fuels - methane, carbon monoxide and hydrogen, which leads to different triatomic gases content in the combustion products. We also consider the costs and the working fluid properties changes, with additional cyclic air heating before the combustion chamber of gas turbine unit. The purpose of this paper is a comparative analysis of the gas turbines cycle thermodynamic efficiency with different contents of triatomic gases in the combustion products, the amount of which depends on the used fuel properties, as well as on additional cyclic air heating before the combustion chamber. The studies were performed by the calculation method with the model, which takes into account the dependence of the specific heats and the performance adiabatic compression of air and fuel in the compressor and the expansion of the combustion products in the turbine on temperature. Besides there is an additional air heating in the air heater, but the air flow after the compressor for the first turbine stage cooling is not included. Found that the air pre-heating in the air heater decreases the thermal efficiency of the combined cycle power plant, regardless of the usage pattern of the air heater flue gas. Moreover, the exhaust gases use for heating the combustion air of air heater increases cost and capacity of the air compressor and the turbine, but not as much impact on efficiency CCP reducing as flue gas heat input to the working fluid of steam turbine cycle.