Лабораторная работа №3 Цель: Изучить работу турбин, их внутренние свойства, КПД. Ход работы: На рисунке 1 показана схема доменной печи с использованием ВЭР избыточного давления в ГУБТ (газовая утилизация бескомпрессорная турбина). Используется напор доменного газа с мокрой очисткой. Для повышения температура доменного газа, подводимого к турбине, сжигается часть дельтаn потока газа. Полученные продукты сгорания смешиваются с основной частью доменного газа. Установка вырабатывает электрическую энергию с отпуском ее в энергосистему. а- мокрая газоочистка; в - камера сгорания; с - смеситель; d- газовая утилизационная бескомпрессорная турбина(ГУБТ) Рисунок 1 - Схема установки ГУБТ с утилизацией избыточного давления доменного газа Вычислить: 1) Относительная потребление доменного газа ∆n n ; 2)Электрическую мощность турбоагрегата; 3) Экономию химической энергии Eхим топлива в большой энергетической системе, полученную при стабильном действии установки; 4) Коэффицент Eхим использования химической энергии отношению к единице выработанной электрической энергии. Таблица 1 – Исходные данные СО2 СО N2 n t1 t2 P1 φ1 Р3 t4=tокр % % % кмоль/с °С °C бар % бар °C 13,5 27,5 56,7 2,2 27 102 1,8 100 0,9 12 Вариант 3 Также необходимо учесть: Р2=Р1 а) потери тепла в окружающую среду пренебрежимо малы; б) сгорание полное и при коэффициенте избытка воздуха авоз =1,0; c) внутренний относительный КПД турбины nТoi =0,8 , механический КПД турбоагрегата nТМ =0,98, электрический КПД генератора nГэл =0,97; д) термический КПД замещающей КЭС в энергосистеме nзст =0,34; е) электроэнергия, производимая в исследуемой установке, используется непосредственно на металлургическом заводе; КПД транспорта электроэнергии, поставляемой на завод из энергосистемы, составляет nтр =0,96, влагой, вносимой с потоком сжатого воздуха f можно пренебречь. Решения задачи: Чтобы правильно определить данные, необходимо значение: v”CO2 умножить на 3,216 v”N2 умножить на 0,99 Остальное принять, как в примере решения задачи. Qнр=30 МДж/кг Потребление доменного газа в камере сгорания следует из баланса энергии для системы, включающей КС и смеситель: ∆nQH +n∙hg1 +∆n∙v`воз ∙h4 =(n-∆n)hg2 +∆n ∑ v`i hi2 , (1) i где QH — теплота сгорания сухого доменного газа при температуре окружающей среды, КДж/кмоль; hg1, hg2— энтальпия доменного таза в состоянии 1 и 2 (вычисленная от состояния окружающей Среды) кДжикмоль; hi2, - энтальпия компонента доменного газа, КДж/кг; v`воз — число киломолей сжатого воздуха на 1 кмоль сжигаемого сухого газа; h4 — энтальпия сжатого воздуха, кДж/моль; v``— мольная доля компонента продуктов сгорания доменного газа hg2 -hg1 ∆n = P , n QH +v`c ∙h4 +hg2 - ∑i v``i hi2 (2) Электрическая мощность турбоагрегата следует из выражения: Nэл =n(h2 -h3 )∙nTM ∙nГэл , (3) где h1, h2— энтальпия смеси доменного газа и продуктов сгорания, отнесенная к 1 кмоль сухого доменного газа, питающего турбину,Дж/кмоль с газа. Величина h3 в соответствии с выражением: h3 =h2 -nToi (h2 -h3s ), (4) где h3s - энтальпия, определенная по изоэнтропе расширения. Температура `t3s по изоэнтропе расширения вычисляется из условия постоянства энтропии: Sp2 -Sp3s =Rm ln P2 , P3 [Cp ln T2 P2 =R ln ] , T3s m P3 (5) Изобарные приросты энтропии смеси газов и продуктов сгорания Sр, определяются по таблицам. Уравнение (5) решается методом проб, принимая несколько значений величины t3s: h2 = (1- ∆n ∆n ) ∙hg2 + ∑ v``i hi2 =2347 кДж/кмоль сух.газа, n n i Sp2 = (1- ∆n ∆n ) ∙Spg2 + ∑ v``i Spi2 =14,783 кДж/кмоль∙К, n n i Из уравнения (5) после подстановки и решения получена t3s = 52 °С. После вычисления h3s, при использовании таблиц теплоемкости из уравнения (4) следует: h2 -h3 =1561 кДж/(1+Хдг) кмоль вл.газа. Подставляя полученные значения в уравнение (3), получим Nэл=3,18 МВт Экономия химической энергии топлива в народном хозяйстве (в большой энергетической системе) выражена уравнением Ехим =Ехим1 -Ехим2 , (6) Ехим =10,17-2,46=7,71 Мвт, где Ехим1— потребление химической энергии, которое было бы на замещающей станции в энергосистеме, если бы не было продукции электроэнергии на ГУБТ; Ехим2 потребление - химической энергии доменного газа в рассматриваемой установке. В уравнении (4.6) обозначено Ехим1 = Ехим1 = 1 ∙n∙(h2 -h3 )∙ηTM ∙ηгэл , ηзст ∙ηтр (7) 1 ∙2,2∙1561∙103 ∙0,98∙0,97=10,17 Мвт, 0,34∙0,96 Ехим2 =∆nQPH , (8) Ехим2 =0,0822∙30∙106 =2,46 Мвт, Показатель использования химической энергии по отношению к единице произведенной электрической энергии определяется в соответствии с уравнением eхим2 = eхим2 = 2,46∙106 2,67∙106 Ехим2 , Nэл (9) =0,921, Для схемы, рассмотренной в предыдущей задаче, определить зависимость экономии химической энергии Ехим от температуры t2 подогревания доменного газа в интервале температур 100 °С ≤ t2, 250 °С. Решение: Задача решается при помощи уравнений, представленных в предыдущей задаче, принимая несколько значений температуры t2 в рассматриваемом интервале 100 °С ≤ t2, 250 °С. Полученная зависимость экономии химической энергии от температуры подогрева доменного газа уменьшается с приростом температуры подогревания доменного газа. Доменный газ, таким образом, следует подогревать ровно настолько, чтобы в выхлопе газовой турбины не наблюдались температуры ниже точки росы. 9 Eхим, МВт 8 7 6 5 4 3 2 1 0 0 50 100 150 200 t2, C Рисунок 2 – Зависимость экономии химической энергии от температуры подогревания доменного газа Вывод: Была рассмотрена схема газовой утилизационной безкомпрессорной турбины с утилизаций избыточного давления доменного газа. Произведено расчет по которым были вычислены экономия химической энергии Ехим топлива с большой энергетической системе, коэффициент Ехим использования химической энергии по отношению к единице выработанной электрической энергии. Построен график зависимости экономии химической энергии от температуры подогревания доменного газа.
