Содержание к диссертации
Введение
1. Современное состояние по применению газотурбинных технологий в промышленной теплоэнергетике
1.1. Требования к энергетике в условиях устойчивого развития 14
1.2. Когенерация и ее роль в решении проблем промышленной энергетики 18
1.3. Энергосберегающие технологии на основе применения газовых турбин 24
1.4. Анализ состояния промышленности по производству теплоэнергетических установок газотурбинного типа 41
1.5. Экологические проблемы вредного воздействия теплоэнергетики на окружающую среду 61
1.6. Постановка задачи исследования 72
2. Системный анализ когенаторных энергетических систем и новое техническое решение на способ и устройство парогазовой ГТУ
2.1. Необходимость прогнозных технологических исследований в энергетике 75
2.2. Классификация когенераторных энергетических систем и их сравнительный анализ 83
2.3. Метод системного анализа когенераторных энергетических систем 94
2.4. Новое техническое решение на способ получения пиковой мощности на парогазовой установке и парогазовая установка для осуществления способа 116
3. Математическое моделирование рабочего процесса теплоэнергетической установки газотурбинного типа
3.1. Применение математических моделей при проектировании тепловых схем теплоэнергетических установок 124
3.2. Математическая модель теплоэнергетического устройства газотурбинного типа 130
3.3. Тепловой расчет и термодинамической анализ теплоэнергетической установки газотурбинного типа с промохлаждением и регенерацией тепла 138
4. Энергоаккумулирующие вещества и их использование в теплоэнергетике
4.1. Использование энергоаккумулирующих веществ в теплоэнергетических установках 147
4.2. Производство ЭАВ и токсилогическая оценка при его производстве 152
4.3. Методика определения выхода пароводорода из реактора .. 156
5. Влияние добавок водорода к углеводородному топ ливу на энергетические и экологические характери стики теплоэнергетической установки
5.1. Перспективы внедрения водородной энергетики 165
5.2. Методика учета добавок водорода на состав и энергетические характеристики углеводородного топлива 173
5.3. Влияние добавок водорода на экономические и экологические характеристики ТЭУ газотурбинного типа 177
6. Влияние вторичного подвода тепла и впрыска водя ного пара на выработку энергии и экономические показатели теплоэнергетической установки
6.1. Использование водяного пара для повышения эффективности выработки энергии ТЭУ газотурбинного типа 184
6.2. Приближенный учет влияния впрыскивания водяного пара при вторичном подводе теплоты на характеристики ТЭУ 194
6.3. Влияние впрыскивания водяного пара при вторичном подводе теплоты на энергетические и экономические характеристики ТЭУ газотурбинного типа 196
7. Новые технологии аккумулирования ядерной энергии и использования каменного угля
7.1. Применение газификации угля в теплоэнергетических установках газотурбинного типа 205
7.2. Концепция водородной энергетики на основе применения газовых турбин и использования энергоаккумулирующих веществ 211
Заключение 220
Список использованных источников
- Когенерация и ее роль в решении проблем промышленной энергетики
- Классификация когенераторных энергетических систем и их сравнительный анализ
- Математическая модель теплоэнергетического устройства газотурбинного типа
- Методика определения выхода пароводорода из реактора
Введение к работе
Наступает переходный период от нефти как главного, наиболее удобного и хорошо освоенного источника энергии к другим, технологически более сложным и более опасным источникам энергии и, прежде всего, к ядерной энергии и каменному углю.
Академик В.И. Субботин
Актуальность. В настоящее время топливно-энергетическая и экологическая проблемы приобретают все большую актуальность и масштабность. Это связано с ограничением запасов органических топлив таких, как природный газ и увеличением их стоимости. Ростом потребления их в других отраслях промышленности. Воздействием процессов сжигания на окружающую среду. Глобальные проблемы энергетики все больше принимают экологическую направленность. Это связано с проблемами ограничения выбросов диоксида углерода, метана и других газов в связи с угрозой повышения температуры атмосферы, защите от радиации, кислотных дождей и выбросов токсичных и канцерогенных веществ. Определены квоты на выбросы С02 отдельными странами. В России обязательным документом, регламентирующим действия для всех газо-потребляющих агрегатов, включая промышленные и отопительные установки, является ГОСТ Р 50591-93 «Горелки газовые промышленные. Предельные нормы концентраций NOx в продуктах сгорания». ГОСТ конкретизирует статью 32 п. 1 Закона РФ «Об охране окружающей среды». Предельно допустимые концентрации NOx пересчитаны на принятый коэффициент избытка воздуха а = 1.4 (02=6%). Например, для паровых котлов мощностью от 3 до 19 МВт предельные концентрации СОг и NOx составляют для вновь разрабатываемых (с 01.01.97): С02 - 150 мг/м3 и NOx - 0.055 г/МДж. Для котлов большей мощности необходимо внедрение одного или нескольких методов по-
давления оксидов азота. К этим методам относятся: упрощенная схема рециркуляции газов и схема двухступенчатого сжигания.
В тепловой электроэнергетике в ближайшие 30 лет должна произойти структурно-топливная перестройка: постепенный отказ от сжигания мазута и газа и повсеместный переход к углю, запасы которого в мире при современном уровне добычи оцениваются в 300-400 лет. В этой связи в оборот введен даже такой термин, как "новая угольная волна". Переход к углю в технологическом, экологическом и экономическом плане вызывает огромные проблемы. Перспективными являются два способа использования угля на ТЭС: прямое сжигание угля в кипящем слое под давлением и газификация угля с последующей его глубокой очисткой для производства искусственного газа.
Появление нетрадиционных энергоисточников невозможно без применения вторичных энергоносителей, так как они не могут непосредственно быть использованы вместо нефтяных топлив. В качестве универсальных энергоносителей рассматриваются синтетические топлива и водород. Синтетические топлива получаются из углей и сланцев. Пониженное содержание полициклических ароматических углеводородов может привести не только к снижению энергетических характеристик, но и к увеличению дымности, токсичности и канцерогенной активности продуктов сгорания. Выходом из решения топливно-экологических проблем энергетики является применение ядерных источников энергии не только для производства электрической и тепловой энергии, но и за счет аккумулирования энергии -производство водорода. В развитых странах мира приняты широкие программы исследований в области водородной энергетики. Общая стоимость этих программ составляет 100 млрд. долларов. Планируется внедрение водородной энергетики и технологии в ряд отраслей промышленности, и в первую очередь в промышленную теплоэнергетику. На первых этапах предполагается применения водорода в качестве дополнительного энерго-
носителя. Водород является вторичным продуктом на многих предприятиях химической промышленности (производство хлора) и получаемого из коксовых газов металлургических производств. Перспектива применения водорода тесно связана с производством метана из углей. Это производство позволит сократить не только транспортные расходы, но и существенно увеличить надежность теплоэнергетического оборудования.
Из этого следует, что разработка применения водорода, как энергоносителя в промышленной теплоэнергетики, является актуальной научной проблемой, имеющей важное научное значение в решении вопросов устойчивого развития общества, связанной со снижением экологической нагрузки на окружающую среду токсичными и канцерогенными веществами, и эффективного использования вторичных энергоресурсов и альтернативных топлив.
Цель диссертационного исследования состоит в теоретическом обобщении и разработки метода системного анализа когенераторных теплоэнергетических установок на основных принципах массо- и энергообмена по повышению энергетической и экологической эффективности на основе применения газотурбинных технологий и использования энергоакку-мулирующих веществ (ЭАВ) для непосредственного получения водорода, как дополнительного энергоносителя при организации двухступенчатой системы выделения тепла.
Основными задачами исследования являются:
Разработка методологических основ системного анализа когенераторных энергетических установок на основных принципах выделения, преобразования и трансформации тепловой энергии.
Теоретическое обоснование и разработка методов применения водорода в когенераторных теплоэнергетических установках для снижения экологического воздействия на окружающую среду.
Разработка термодинамического метода анализа энергосберегающих технологий теплоэнергетических установок газотурбинного типа с учетом теплофизических свойств рабочего тела.
Исследование и разработка методов покрытия пиковых нагрузок теплоэнергетических установок газотурбинного типа при впрыскивании водяного пара в газовый тракт.
Исследование и разработка методов аккумулирования энергии ТЭС и АЭС в период их разгрузки путем применения энергоаккумулирую-щих веществ в качестве дополнительного энергоносителя для покрытия пиковых мощностей и повышения энергетических и экологических показателей.
На защиту выносятся следующие новые научные результаты:
метод систематизации когенераторных энергетических систем на основе анализа процессов выделения энергии, ее преобразования и взаимодействия с массой в образовании рабочего процесса;
новый способ получения пиковой мощности на парогазовой установке и парогазовая установка для осуществления способа;
математическая модель рабочего процесса теплоэнергетической установки газотурбинного типа с двухступенчатой системой подвода теплоты, промежуточным охлаждением воздуха и утилизацией тепла уходящих газов;
результаты анализа энергетических характеристик углеводородного топлива с различными добавками водорода;
результаты исследования влияния добавок водорода на энергетические и экологические показатели теплоэнергетической установки;
результаты исследования впрыска водяного пара при вторичном подводе теплоты на энергетические и экономические показатели теплоэнергетической установки;
метод аккумулирования ядерной энергии и угля посредством приме
нения газотурбинных технологий и использования энергоаккмули-
рующих веществ.
Апробация работы. Основные результаты работы и положения докладывались на:
Ш-ей научно-технической конференции "Применение криогенных топлив в перспективных летательных аппаратах" (Москва, ВВИА им. Н.Е. Жуковского), в 1996;
Научно-методической конференции посвященной 50-летию кафедры "Теории Воздушно-реактивных двигателей".(Москва, МАИ), в 1995 г
XX научных чтений по космонавтике. Симпозиум, посвященный памяти академика Б.С. Стечкина. (Москва. МГУ), в 1996 г.
Семинар «Системный анализ в технике» (Москва, МАИ), в 2001 г.
П-ом Международном совещании по использованию энергоаккуму-лируюших веществ в экологии, машиностроении, энергетике, транспорте и в космосе (Москва, ИМАШ РАН), в 2000 г.
VI-ой научно - технической конференции по применению криогенных топлив в перспективных летательных аппаратах (Москва, ВАТУ им. Н.Е. Жуковского), в 2002 г.
Ш-ем Международном совещании по проблемам энергоаккумулирования и экологии в машиностроении, энергетике и на транспорте (Москва, ИМАШ РАН), в 2002 г.
Достоверность полученных результатов базируется на фундаментальных положениях термо- и газодинамики, теории газотурбинных установок, теории тепломассообмена и подтверждается использованием современных методов математического моделирования и на совпадении расчетных данных с экспериментальными результатами.
Практическая ценность. Результаты работы позволяют обосновать выбор структуры перспективных теплоэнергетических установок на начальном этапе проектирования и перейти на новый уровень технологии использования систем автоматизированного проектирования и расчета технических объектов. Разработанные научно-технические рекомендации по энергосбережению первичных топливных ресурсов и повышению экологической безопасности теплоэнергетических установок газотурбинного типа применимы при разработке перспективных систем когенерации. Предложенные методы математического моделирования позволяют проводить в проектных организациях технико-экономическую оценку перспективных схем теплоэнергетических установок. Результаты работы могут быть использованы в учебном процессе вузов теплоэнергетического профиля в курсах «Тепловые двигатели и нагнетатели», а также в курсовом и дипломном проектировании.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, семи глав и заключения, изложенных на 236 страницах и содержащих 56 рисунков, 26 таблиц, а также приложения на 32 страницах и списка использованных источников из 132 наименований.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обосновывается актуальность и перспективность темы диссертации и дана общая характеристика работы.
В первой главе рассмотрены основные аспекты топливно-экологической проблемы в промышленной теплоэнергетике, исходя из условий повышения эффективности использования и уменьшения объема потребления природных ресурсов за счет когенерации при совместном производстве электрической и тепловой энергии.
Вторая глава посвящена разработке метода системного анализа коге-нераторной энергетической системы, основанного на принципах массо- и энергообмена и новому техническому решению полученному автором на способ получения пиковой мощности на парогазовой установке и парогазовая установка для осуществления способа.
В третьей главе рассмотрены вопросы построения математической модели теплоэнергетической установки газотурбинного типа с промежуточным охлаждением воздуха, двухступенчатым подводом тепла, регенерацией теплоты и утилизацией энергии уходящих газов.
В четвертой главе обобщены результаты использования энергоакку-мулирующих веществ в теплоэнергетических установок для создания экологически чистых технологий получения энергии.
В пятой главе проведен анализ применения водорода в энергетике и выполнены исследования влияния добавок водорода в углеводородное топливо на энергетические и экологические показатели теплоэнергетической установки.
В шестой главе проведен анализ различных способов повышения мощности путем впрыскивания жидкости и выполнены исследования влияния впрыска водяного пара при вторичном подводе теплоты на энергетические и экономические показатели теплоэнергетической установки.
В седьмой главе проведен анализ технологий аккумулирования ядерной энергии и использования угля в ТЭУ газотурбинного типа, на основании которой предложен новый подход аккумулирования ядерной энергии и угля посредством применения газотурбинных технологий и использования энергоаккмулирующих веществ
Когенерация и ее роль в решении проблем промышленной энергетики
Когенерация или теплофикация (отечественная терминология) определяется как совместное производство электрической и тепловой энергии. В настоящее время когенерация получила широкое распространение как в отечественной, так и в зарубежной энергетике, и в первую очередь, благодаря более низкому расходу топлива по сравнению с раздельной выработкой [52].
В настоящее время можно выделить несколько перспективных направлений когенерации электрической и тепловой энергии. К ним относятся: - паротурбинные установки с теплофикационным использованием тепла отработавшего пара; - газотурбинные установки с теплофикационными теплообменниками или котлами-утилизаторами [53]; - поршневые двигатели внутреннего сгорания с утилизаторами теплоты, в том числе газопоршневые установки; - турбодетандерные агрегаты.
Комбинированная выработка электрической и тепловой энергии (теплофикация) - это наиболее эффективный способ экономии топлива, как в жилищно-коммунальном хозяйстве, так и в промышленности [30]. Еще академик Л.А. Мелентьев заметил, что "пока действует второй закон термодинамики, будет существовать разумная область теплофикации". В настоящее время в России комбинированная выработка тепловой и электрической энергии производится практически только на паротурбинных теплоэлектроцентралях (ТЭЦ), которые дают только 36% тепловой энергии, так как применение таких ТЭЦ возможно только в крупных городах, где имеется достаточная плотность тепловых нагрузок. Основная часть тепло 19 вой энергии (46%) производится в котельных, которые не только не производят электроэнергию, но и являются ее крупнейшими потребителями в сфере жилищно-коммунального хозяйства. С другой стороны, при среднем по России КПД тепловых конденсационных электростанций (КЭС) 25% (в США 35%), это означает, что 75% теплоты сгорания топлива выбрасывается в атмосферу через градирни. Исторически это определяется тем, что энергетика всего СССР работала, в основном, на угле. Единственным вариантом использования такого топлива в энергетике были паротурбинные КЭС, при ограниченном использовании ТЭЦ по причине необходимости их размещения в крупных городах для загрузки по тепловой энергии и невозможности их массового строительства в городах из-за отсутствия удаления окислов серы и золы из их выбросов в атмосферу. При использовании в энергетике дешевого бурого угля, добываемого открытым способом, его эффективное сгорание в то время было возможно только в котельных установках большой мощности, что дополнительно ограничивало применение ТЭЦ и приводило к большой протяженности тепловых сетей.1
В послевоенные годы в связи с появлением и развитием газовой отрасли угольные электростанции просто переводились на газ, и строились мощные газовые ТЭЦ и КЭС. Еще в 1962 году Н.И. Сазонов отмечал, что передача газа по газопроводам в 10-12 раз экономичнее передачи электрической энергии по высоковольтным линиям электропередачи. Поэтому электростанции на газе нужно строить в районах потребления тепловой и электрической энергии. При этом добыча природного газа в этот период, включая попутный, составляла всего 47 млрд. м3 (в сравнение РАО. "Газпром" в 2000 году добыто 523, 2 млрд. м3). Удельный вес природного газа составлял 6,8% (сейчас в среднем по России удельный вес природного газа
В настоящее время Россия имеет 42% прогнозных ресурсов и 33% запасов газа от мировых на 2,8% населения и 12,8% территории от мировых и 62% топливного баланса тепловых электростанций обеспечивается природных газом. Предприятия Европейской части России получают электроэнергию от Единой энергосистемы, а тепловую энергию для отопления, горячего водоснабжения и технологических нужд от котельных, работающих, как правило, на газе, либо от ТЭЦ, так же использующих в качестве топлива газ. Транспорт тепловой энергии производится на большие расстояния до 40 км в виде, как правило, двухтрубной теплотрассы с использованием в качестве теплоносителя воды или однотрубной для транспорта пара, часто без возврата конденсата. Нормативные потери в теплосетях -5%, а реальные, в среднем, - 15-16% от передаваемой тепловой энергии. Система использования газа крайне нерациональна. Большая часть топлива идет на получение тепловой энергии, и только 36% - на получение электроэнергии. ТЭЦ дают только 55% электроэнергии. Остальное - конденсационные электростанции (КЭС), обогревающие атмосферу своими градирнями, через которые выбрасывается более 61% теплоты сгорания газа (КПД лучших КЭС 38-39%о). Таким образом, наиболее эффективная комбинированная выработка тепла и электрической энергии применяется очень ограниченно. С другой стороны, только комбинированная выработка
Классификация когенераторных энергетических систем и их сравнительный анализ
Когенерационные энергетические системы (ЭС) состоят из следующих основных частей: Генератор энергии (тепловой двигатель как основной элемент системы); Электрический генератор; Утилизатор тепловой энергии; Модуль управления.
Когенерационные энергетические системы, как правило, классифицируются по типам основного генератора энергии (теплового двигателя) и электрического генератора, а также по типу топлива. В данной работе производиться сравнение между паровыми турбинами, поршневыми двигателями, газовыми турбинами, турбинами комбинированного цикла (парогазовыми установками) и микротурбинами.
Паровые турбины
Паровые турбины используются в качестве основных генераторов энергии промышленных когенерационных систем в течение многих лет. Пар, образующийся в паровом котле, расширяясь, под высоким давлением проходит через лопатки турбины. Турбина вращается и производит механическую энергию, используемую генератором для производства электричества.
Электрическая мощность системы зависит от того, насколько велик перепад давления пара на входе и выходе турбины. КПД паровой турбины в части генерации электроэнергии самый низкий из всех рассматриваемых технологий (от 7 до 20%), но в составе когенерационных систем суммарная эффективность может достигать 80% в расчете на условную единицу израсходованного топлива (по теплотворной способности). Из этого следует, что паровые турбины находят применение в местах, где потребность в тепловой энергии намного выше, чем в электрической. Предлагаемые на рынке системы, как правило, рассчитаны на производство от 500 кВт и более электроэнергии.
Для эффективной работы пар в турбину должен подаваться под вы-сокими давлением и температурой (42 кг/см при 400 С или 63 кг/см при 480С). Такие условия предъявляют повышенные требования к котельному оборудованию, что приводит к росту капитальных расходов и стоимости сопровождения. Преимуществом технологии является возможность использования в котле самого широкого спектра топлив, включая твердые. Однако использование тяжелых нефтяных фракций и твердого топлива снижает экологические показатели системы, которые определяются составом отходящих из котла продуктов горения.-Паровые турбины бывают двух типов: с противодавлением (когда давление пара на выходе турбины выше атмосферного), и конденсационные (когда давление пара на выходе турбины ниже атмосферного). Применение дополнительного (внешнего по отношению к турбине) конденсора в последних позволяет увеличить электрическую эффективность, но практически сводит к нулю последующее использование отходящего тепла. Газовые турбины
Благодаря повсеместному переходу в 90-е годы на использование природного газа в качестве основного топлива для электроэнергетики, газовые турбины заняли существенный сегмент рынка. Несмотря на то, что максимальная эффективность оборудования достигается на мощностях от 5 мвт и выше (до 250 МВт), некоторые производители выпускают модели в диапазоне 1-5 МВт.
Принцип работы газовых турбин состоит в следующем: газ, нагнетаемый в камеру сгорания компрессором, смешивается с воздухом, формируя топливную смесь, и поджигается. Образующиеся продукты горения с высокой температурой (900С-1200С), проходя через несколько рядов лопаток, установленных на валу турбины, приводят к вращению турбины. Механическая энергия вала передается через (понижающий) редуктор электрическому генератору. Тепловая энергия выходящих из турбины газов поступает в теплоутилизатор. Вместо производства электричества, механическая энергия турбины может использоваться для работы насосов, компрессоров и т.п. Наиболее традиционным видом топлива для газовых турбин является природный газ, хотя это не исключает возможности ис пользования других видов газообразного топлива. При этом газовые турбины предъявляют повышенные требования к качеству его подготовки (механические включения, влажность) [115].
Температура исходящих из турбины газов составляет 450С — 550С. Количественное соотношение тепловой энергии к электрической у газовых турбин составляет от 1.5:1 до 2.5:1, что позволяет строить когене-рационные системы, различающиеся по типу теплоносителя: Непосредственное (прямое) использование отходящих горячих газов; Производство пара низкого или среднего давления (8—18 кг/см") во внешнем котле; Производство горячей воды (лучше, когда требуемая температура превышает 140С); Производство пара высокого давления (турбины комбинированного цикла, описание которых приведено ниже).
КПД газовой турбины составляет 25% — 35%, в зависимости от параметров работы конкретной модели турбины и характеристик топлива. В составе когенерационных систем эффективность возрастает до 90% в расчете на условную единицу израсходованного топлива (по теплотворной способности). Газовые турбины обладают хорошими экологическими параметрами (эмиссия NOx на уровне 25 ррт).
Работа турбины сопровождается высоким уровнем шума, поэтому для их установки используются индустриального типа здания (в том числе контейнерного типа), которые также обеспечивают влагозащищенность оборудования.
Математическая модель теплоэнергетического устройства газотурбинного типа
Одним из основных способов повышения эффективности исследования и разработки ТЭУ является математическое моделирование. Все подходы в области автоматизации моделирования таких систем можно условно разделить на три основных направления.
1. Универсальные программы расчета технологических схем некоторого заранее заданного .множества установок. Метод основан на разработке программы расчета максимально насыщенной схемы, из которой любая схема конкретной ТЭУ получается путем отключения ряда неиспользуемых элементов.
2. Системы модульного программирования, в которых элементам схем ставятся в соответствие вычислительные модули, представляющие собой процедуры расчета элементов по заданным алгоритмам. При разработке модулей заранее определяется состав входных и выходных параметров.
3. Системы непроцедурного (декларативного) программирования. В них математические описания отдельных элементов могут быть представлены не только в виде процедур (подпрограмм) с четко заданным составом вычисляемых переменных и исходных данных, но и в виде подсистем уравнений, связывающих параметры.
Из известных методов расчета характеристик ТЭУ газотурбинного типа наиболее точными и распространенными являются методы, основанные на использовании характеристик отдельных элементов, входящих в двигатель, так как они позволяют наиболее полно учесть особенности работы этих элементов в системе двигателя. Поэтому приведенная в работе система программ составлена с учетом особенностей методов расчета характеристик ГТУ по характеристики их отдельных элементов. Процесс расчета характеристик ГТУ по характеристикам их элементов включает в себя: расчет или задание характеристик элементов, входящих в двигатель; определение текущих параметров этих элементов при их совместной работе в системе двигателя; определение параметров рабочего тела в различных сечениях на расчетных и текущих режимах работы; определение эффективных параметров (удельной мощности и удельного расхода топлива) при совместной выработки энергии. Система программ для расчета характеристик когенераторной ТЭУ газотурбинного типа составлена с учетом того, что основными элементами являются входные устройства, компрессоры, камеры сгорания, турбины, камеры смешения, теплообменники-регенераторы, котлы утилизаторы и выходные устройства, и она может быть использована полностью или частично в программах расчета практически любого типа ТЭУ. В предлагаемую систему программ расчета характеристик ТЭУ включены программы: для определения параметров потока воздуха и продуктов сгорания за перечисленными выше элементами ТЭУ; для теплового расчета камер сгорания; для определения мощности и удельного расхода топлива.
Задачи, решаемые при расчете характеристик ТЭУ, в большинстве случаев могут быть сведены к следующим четырем основным типовым задачам. 1. Определение приращения удельного теплосодержания в газе Д/. По заданным начальной Т] и конечной Т2 температурам процессов сжатия, расширения, подвода или отвода тепла. 2. Определение конечной температуры газа Т2 при заданных начальной температуре Ti и приращении теплосодержания Д/ в процессах сжатия, расширения, подвода и отвода тепла. 3. Определение отношения конечного давления р2 к начальному pi в адиабатных процессах сжатия или расширения по заданным начальной Т\ и конечной Т2 температурам. 4. Определение конечной температуры Т2 в адиабатных процессах сжатия или расширения по заданным начальной температуре Ti и отношению конечного давления р2 к начальному pj.
В основе математической модели теплового расчета ТЭУ газотурбинного типа положена методика исследования процессов идеального газа опубликованная в работе проф. А.А. Александрова [1].
Преимущественное распространение этих задач объясняется тем, что параметры потока за различными элементами ТЭУ обычно определяются по соотношениям, описывающим адиабатные процессы, а имеющие место различного рода потери учитываются коэффициентами полезного действия или коэффициентами восстановления давления, которые входят в характеристики элементов двигателей. Для того чтобы получить формулы для решения этих четырех задач с учетом зависимостей Ср(Т, qj) и Re(qr), используются дифференциальные выражения для теплосодержания di = Cp{T,qr)dT и для уравнения адиабаты — = ——L- —. В отличие от Р R(qT) т внутренней энергии и энтальпии, энтропия является функцией двух параметров ds = Cp(T,qr) R(qT)— (здесь qT- отношение расхода топлива к расходу Т Р воздуха, характеризует состав газа) [7,110,122]. На рис. 3.1 представлена схема простейшей ГТУ и идеальный цикл в is координатах, поясняющий принцип ее работы.
В результате анализа цикла простейшей ГТУ получено уравнение для определения эффективного КПД Ч(0-1)-7,+1]- где х - относительное изменение температуры в процессах сжатия и к-\ расширения х = п к , тс - степень повышения давления в цикле, 9 - тепло Т подвод в цикле в - —, гт и гк - адиабатные КПД турбины и компрессора. Графическое решение уравнения эффективного КПД с помощью MathCad в сравнении с термическим КПД идеального цикла для 0 = 6 показано на рис. 3.2,а). На рис. 3.2,6) показано изменение работы сжатия, расширения и полезной работы цикла от степени повышения —х в процессах.
Методика определения выхода пароводорода из реактора
Получение алюминия: Процесс производства первичного алюминия состоит из трёх основных фаз. Сначала осуществляется добыча необходимого сырья - бокситов, нефелинов и алунитов. Затем происходит химическая обработка руды, в результате которой получается очищенный глинозём (А120з). Металлический алюминий получают из глинозёма с помощью электролиза. Обычно для производства одной тонны алюминия необходимо порядка 2 тонн глинозёма. Количество бокситов, необходимое для производства тонны алюминия, сильно зависит от содержания оксида алюминия.
Так, западным компаниям обычно требуется 4-5 тонн бокситов, тогда как отечественного сырья может потребоваться около 7-8 тонн. Наиболее сложной и энергоемкой.является последняя фаза производства первичного алюминия. Для электролиза окись алюминия надо расплавить. Но глинозём плавится при 2000 С. Есть обходной путь - окись алюминия растворяют в криолите (температура плавления криолита менее 1000 С).
Процесс электролиза проводится в больших резервуарах-электролизах, изнутри выложенных углеродом, а снаружи теплоизоляционным защищающим слоем. Угольный слой подключается к отрицатель ному полюсу и образует катод. Электроды, присоединённые к положительному источнику тока - аноды, которые изготавливаются из толстых углеродных пластин.
Оксид алюминия разлагается (диссациирует) на положительно заряженный ион алюминия и отрицательно заряженный ион кислорода. Ион алюминия подходит к положительному электроду - катоду, где разряжается и превращается в целевой продукт - металлический алюминий. Отрицательный ион кислорода подходит к положительному электроду - аноду, отдаёт ему свои электроны и становится свободным газом. Современные заводы при производстве тонны алюминия потребляют порядка 13.5 Мвт-ч электроэнергии, средний расход анодной массы составляет 500-530 кг, используется также дорогостоящий фтористый алюминий. Структура цены производства алюминия представлена в таблице 4.2.
Глинозем - основное сырье для производства алюминия. От продолжительного контакта с пылью глинозема возможны хронические поражения дыхательных путей, приводящие к изменениям в легких (пневмокони-оз, фиброз и пр.). ПДК глинозема в рабочей зоне 6 мг/м , а ориентировочный безопасный уровень воздействия в атмосферном воздухе (ОБУВ) составляет 0,01 мг/м3.
Криолит - один из основных компонентов электролита. При попадании в организм человека ухудшает состав крови, а при систематическом воздействии может вызвать заболевания костей и зубов. ПДК в рабочей зоне 1 мг/м3, а среднесуточное содержание (ПДКсс) в воздухе населенных пунктов - 0,3 мг/м3. Фторид алюминия - компонент электролита. Токсичность его аналогична криолиту, и ПДК в рабочей зоне составляет 1 мг/м3, ПДКсс - 0,03 мг/м3. Фторид натрия - компонент электролита, составная часть криолита. Относится к ядовитым веществам, токсичен, поражает центральную нерв ную систему (протоплазменный яд). При попадании в организм может вызывать тошноту и более тяжелые отравления. ПДК в рабочей зоне составляет 1 мг/м3, а ПДКсс -0,01 мг/м3.
Дифторид кальция - корректирующая добавка к электролиту. Ухудшает состав крови, негативно влияет на белковые вещества в организме. При остром отравлении действует на центральную нервную систему и желудочно-кишечный тракт; на дыхательные пути не действует. ПДК в рабочей зоне составляет 1 мг/м3, ПДКсс - 0,03 мг/м3.
Фторид лития - одна из наиболее эффективных добавок к электролиту. Содержит около 73% фтора.
Установка периодического действия состоит из реактора, который представляет собой цилиндрическую емкость объемом 12,7 дм3 с приварными днищами (рис. 4.4,а).
В верхнем днище имеется четыре штуцера: для засыпки ЭАВ, подачи воды, отвода водорода и размещения термопар. В нижнем днище - один штуцер для выгрузки продуктов реакции. Распределение жидкости в слое порошка обеспечивается разветвленной системой каналов для ее подвода, состоящей из вертикального коллектора диаметром 8 мм, по высоте которого в трех местах установлены по три штуцера диаметром 6 мм, заканчивающиеся наконечниками с цилиндрическими соплами по 9 штук диаметром 5 мм в каждом. Экспериментальный образец прост по конструкции и надежен в эксплуатации. Совмещение емкости ЭАВ с реакционной зоной увеличивает размеры аппарата, находящегося под высоким давлением. В результате расход металла на изготовление реактора возрастает. Нет гарантии также в том, что все слои порошка в достаточной степени смачиваются водой.
