Теплоты и твердого диоксида углерода

Установка состоит (рис. 2.28) из газотурбогенератора I, теплоутилизационной части II и холодильной части III [2]. Газотурбогенератор предназначен для получения газовоздушной смеси с высокой температурой и избыточным давлением, теплоутилизационная часть – для получения пара и горячей воды за счет тепловой энергии газовоздушной смеси, холодильная часть – для получения твердого диоксида углерода при расширении продуктов сгорания топлива, имеющих избыточное давление.

а	б
Рис. 2.28. Принципиальная схема (а) и цикл (б) теплохладоэнергетического агрегата: Н – нагнетатель; ПХ – промежуточный холодильник; К – компрессор; КС – камера сгорания; ГТ – газовая турбина; Э – экономайзер; ВО – влагоотделитель; Р - регенеративный теплообменник; ТД – турбодетандер; С – сепаратор СО2; ЭД - электродвигатель

Засасываемый из атмосферы воздух сжимается турбонагнетателем Н и через водяной промежуточный холодильник ПХ (процесс 1-2-3) подается в компрессор К, где сжимается (процесс 3-4). Сжатый воздух нагнетается в камеру сгорания КС и подогревается (процесс 4-5) до температуры 1000 – 1200 К при сжигании жидкого или газообразного топлива. Высокотемпературная газовоздушная смесь поступает на частичное расширение в газовую турбину ГТ (процесс 5-6), мощность которой используется для привода компрессора, и затем в экономайзер Э, где благодаря теплообмену с питательной водой (процесс 6-7) вырабатывается пар или горячая вода. Далее газовый поток, пройдя влагоотделитель ВО, направляется в холодильную часть, где охлаждается (процесс 7-8) обратным потоком в регенераторе Р.

При расширении продуктов сгорания топлива (ПСТ) в турбодетандере (процесс 8-9) температура потока снижается ниже температуры насыщения твердого диоксида углерода (СО₂) и происходит выпадение твердой фазы СО₂, которая затем отделяется в сепараторе С. Обратный поток газов направляется в блок регенераторов, охлаждает прямой поток (процесс 10-11) и затем выбрасывается в атмосферу. Работа расширения парогазовой смеси в турбодетандере используется для частичной компенсации энергии, потребляемой нагнетателем от асинхронного электродвигателя ЭД.

Таким образом, сущность работы установки заключается в поэтапном охлаждении ПСТ, вырабатываемых газотурбогенератором при повышенном давлении и температуре в экономайзере, для получения пара или горячей воды, и дальнейшем охлаждении в регенеративном теплообменнике и турбодетандере.

В рассматриваемой схеме ПСТ не только совершают работу в газовой турбине и турбодетандере, но и являются холодильным агентом. Это приводит к снижению энергетических потерь, связанных с преобразованием энергии, имеющих место в обычных теплосиловых и холодильных установках. Повышение давления газа в теплоутилизационной части и конденсация водяных паров, присутствующих в ПСТ, увеличивает коэффициент теплопередачи и позволяет уменьшить поверхность теплообменных аппаратов и их металлоемкость.

Важной особенностью процесса охлаждения в экономайзере является использование теплоты конденсации водяных паров продуктов горения. В рабочем процессе цикла используется высшая теплотворная способность топлива. Известно, что разность между высшей и низшей теплотворной способностью, например, для природного газа, составляет 12 %, вследствие чего утилизация этой низкопотенциальной теплоты в цикле обеспечивает значительное повышение теплового эффекта.

Следует отметить, что высокий экологический эффект установки связан с уменьшением загрязнений окружающей среды вследствие снижения теплопотерь и выбросов СО₂ и токсичных окислов азота и серы в атмосферу с отработавшими ПСТ. Совместная конденсация окислов азота и серы с водяными парами происходит в теплоутилизационной части установки.

Контрольные вопросы

1. Как практически осуществляется регенерация теплоты в паросиловых установках? Изобразите для примера принципиальную схему такой установки с одним регенеративным отбором и объясните, почему термический КПД цикла в этом случае выше, чем у цикла Ренкина при тех же параметрах пара?

2. Почему применение цикла Карно в паросиловых установках технически неосуществимо? Какие преимущества по сравнению с ним имеет цикл Ренкина?

3. Изобразите в р-v- и Т-s-диаграммах цикл Ренкина и поясните, что представляет собой отдельные процессы, из которых он состоит. В каких элементах паросиловой установки протекают эти процессы?

4. Что такое коэффициент использования теплоты теплофикационной установки? Чему равно предельно высокое значение этого коэффициента для идеальной паросиловой установки, и каких значений он может достичь в действительности?

5. Покажите в р-v-диаграмме цикла Ренкина работу, затрачиваемую на привод насоса. Почему при низких и средних давления пара этой работой можно пренебречь? Как отражается это упрощение на формуле для определения термического КПД цикла Ренкина?

6. Изобразите в Т-s-диаграмме цикл Ренкина с учетом работы насоса. Как изменится температура воды при адиабатном повышении ее давления в насосе?

17. Изобразите в Т-s-диаграмме цикл паросиловой установки с промежуточным перегревом пара. Покажите на графике дополнительную по сравнению с циклом Ренкина затрату теплоты и добавочную полезную работу цикла. Составьте выражение для определения термического КПД цикла.

8. Приведите принципиальную схему паросиловой установки, работающей по циклу Ренкина, и изобразите этот цикл в р-v- и Т-s-диаграммах.

9. Как влияют начальные параметры пара на термический КПД цикла Ренкина?

10. Составьте уравнение теплового баланса смешивающего регенеративного подогревателя паросиловой установки с одним регенеративным отбором и напишите выражение для определения ее термического КПД.