Топливо и рациональное его сжигание в камерах сгорания ГТУ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
Государственное бюджетное образовательное учреждение высшего
профессионального образования
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ
УНИВЕРСИТЕТ»
Модуль 3 Топливо и рациональное его сжигание
в камерах сгорания ГТУ: элементы топлива,
внешний и внутренний баласт топлива,
теплотехническая оценка элементов топлива
Разработчик: к.х.н., доцент каф. ТХНГ Н.В. Чухарева
Модуль 3 Топливо и рациональное его сжигание в камерах сгорания ГТУ:
элементы топлива, внешний и внутренний баласт топлива, теплотехническая
оценка элементов топлива
Топливо- горючие вещества, которые экономически
целесообразно использовать для получения
значительных количеств теплоты
Факторы, определяющие целесообразность применения тех или
иных горючих веществ в качестве топлива :
•имеющиеся запасы;
•стоимость добычи в транспортировки;
•теплота сгорания;
•реакционная способность,
•влияние на окружающую среду;
•доступность для широкого использование и т.д.
1
Модуль 3 Топливо и рациональное его сжигание в камерах сгорания ГТУ:
элементы топлива, внешний и внутренний баласт топлива, теплотехническая
оценка элементов топлива
Происхождение органического топлива
Искусственное
Естественное
Агрегатное состояние топлива
Твердое
Жидкое
Газообразное
2
Модуль 3 Топливо и рациональное его сжигание в камерах сгорания ГТУ:
элементы топлива, внешний и внутренний баласт топлива, теплотехническая
оценка элементов топлива
Назначение и способ использования
Энергетическое
Вид топлива,
являющийся
источником тепловой
энергии
Технологическое
Вид топлива,
являющийся источником
тепловой энергии и
компонент
технологического
процесса
3
Модуль 3 Топливо и рациональное его сжигание в камерах сгорания ГТУ:
элементы топлива, внешний и внутренний баласт топлива, теплотехническая
оценка элементов топлива
Горючая часть
Элементный состав
топлива
•углерод - С,
Негорючая часть
•водород - Н,
•сера горючая (летучая) - Sл .
•кислород - 0,
•азот – N,
•минеральные вещества (зольность) – А,
• влага - W .
4
Модуль 3 Топливо и рациональное его сжигание в камерах сгорания ГТУ:
элементы топлива, внешний и внутренний баласт топлива, теплотехническая
оценка элементов топлива
5
Компонентный состав топлива
Механическая смесь горючих и негорючих газов
ГОРЮЧАЯ ЧАСТЬ
НЕГОРЮЧАЯ ЧАСТЬ
• окись углерода (СО),
• водород (Н2),
• кислород (O2),
• метан (CH4),
• азот (N2)
• тяжелые углеводорода (CmHn),
• иногда сероводород (H2S).
• двуокись углерода (CO2).
Газообразное топливо принято
характеризовать составом сухой
газообразной части в % по объему:
CH 4 + H 2 + CO + H 2 S + C m H n + O 2 + N 2 + CO 2 = 100
Модуль 3 Топливо и рациональное его сжигание в камерах сгорания ГТУ:
элементы топлива, внешний и внутренний баласт топлива, теплотехническая
оценка элементов топлива
6
Газообразное топливо представляет собой смесь горючих и
негорючих газов. Для определения состава газообразного
топлива широкое применение наши методы хроматографии
Природный газ характеризуется
высоким содержанием (СH4), а
также
небольшого
количества
других УВ: (С2H6), (С3H8), (С4H10),
(С2H4)-этилен, и (С3H6)-пропилен.
В
искусственных
газах
содержание горючих составляющих
(водорода
и
окиси
углерода)
достигает 25…45%, в балласте
преобладают азот и углекислота–
55…75%.
Модуль 3 Топливо и рациональное его сжигание в камерах сгорания ГТУ:
элементы топлива, внешний и внутренний баласт топлива, теплотехническая
оценка элементов топлива
ЭЛЕМЕНТАРНЫЙ СОСТА ГАЗООБРАЗНОГО ТОПЛИВА,
ВЫРАЖЕННЫЙ В % ПО МАССЕ НА РАБОЧЕЕ
ВЕЩЕСТВО, НА ГОРЮЧЕЕ И НА СУХОЕ
C + H + S + O + N + A +W
p
p
р
л
p
p
p
p
C c + H c + S лc + O c + N c + A c = 100
C + H + S + O + N = 100
г
г
г
л
г
г
= 100
7
Модуль 3 Топливо и рациональное его сжигание в камерах сгорания ГТУ:
элементы топлива, внешний и внутренний баласт топлива, теплотехническая
оценка элементов топлива
ПЕРЕСЧЕТ СОСТАВА ТОПЛИВА
8
Модуль 3 Топливо и рациональное его сжигание в камерах сгорания ГТУ:
элементы топлива, внешний и внутренний баласт топлива, теплотехническая
оценка элементов топлива
УГЛЕРОД
Qн=33600 КДж
В газообразном
топливе содержание
углерода, например
в метане составляет
75 % массовых
ВОДОРОД
Qн=119000 КДж
Qв=141500 КДЖ
В
метане
содержание
углерода
25% массовых
СЕРА ЛЕТУЧАЯ
Qн=9000 КДж
Сера топлива состоит из:
• серы органической , входящей в топливо в
виде органических соединений,
• серы колчеданной , входящей в состав
топлива в виде колчедана (FeS2),
• серы сульфатной , входящей в топливо в
виде, например, гипса (CaS04).
Сера органическая и колчеданная образуют серу горючую (летучую)
9
Модуль 3 Топливо и рациональное его сжигание в камерах сгорания ГТУ:
элементы топлива, внешний и внутренний баласт топлива, теплотехническая
оценка элементов топлива
КИСЛОРОД И АЗОТ
•Снижает содержание горючих
элементов
•Кислород связывает часть горючих
элементов топлива, обесценивает
его.
•Азот в топливе способствует
образованию в газообразных
продуктах сгорания окислов азота,
обладающих высокой
токсичностью, значительно
превышающей токсичность
окислов серы
внутренний балласт
10
ЗОЛА И ВЛАГА
•Снижает содержание
горючих элементов
•Снижает тепловую
ценность
внешний балласт
Модуль 3 Топливо и рациональное его сжигание в камерах сгорания ГТУ:
элементы топлива, внешний и внутренний баласт топлива, теплотехническая
оценка элементов топлива
11
ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТОПЛИВА
Теплота сгорания (Q) - количество тепла в кДж, которое
выделяет при полном сгорания 1 кг твердого или жидкого
топлива или 1 м3 газообразного топлива при нормальных
физических условиях
Высшая (Qв)
все тепло, выделившееся при
сгорании единицы топлива,
включая тепло конденсации
водяных паров.
Низшая (Qн)
теплота сгорания, которая не
учитывает тепло конденсации
водяных паров, содержащихся в
продуктах сгорания топлива.
Модуль 3 Топливо и рациональное его сжигание в камерах сгорания ГТУ:
элементы топлива, внешний и внутренний баласт топлива, теплотехническая
оценка элементов топлива
12
Теплота сгорания
молярная
где Qмол, – молярная теплота сгорания топлива,
кДж/моль;
ni – количество молекул i–го продукта горения,
приходящееся на одну молекулу горючего;
НПС , НГВ – теплота образования продуктов горения
и исходных горючих веществ соответственно.
массовая
где µ — молярная масса горючего вещества, кг/кмоль
объемная
где Vµ — объем киломоля газа, который при
стандартных условиях составляет 22,4 м³/ кмоль
Модуль 3 Топливо и рациональное его сжигание в камерах сгорания ГТУ:
элементы топлива, внешний и внутренний баласт топлива, теплотехническая
оценка элементов топлива
Низшая теплота сгорания сухого газообразного
топлива может быть определена в формуле
3):
C
(кДж/м
Q H = 127 CO + 108 H 2 + 358 CH 4 + 234 H 2 S + 590 C 2 H
+ 638 C 2 H
4
+ 915 C 3 H 8 + 1190 C 4 H 10 + 1465 C 5 H 12
13
4
+
Модуль 3 Топливо и рациональное его сжигание в камерах сгорания ГТУ:
элементы топлива, внешний и внутренний баласт топлива, теплотехническая
оценка элементов топлива
14
Для сравнения тепловой ценности различных топлив
пользуются понятием условного топлива, теплота
сгорания которого равна 29350 кДж/кг (7000 ккал/кг)
Для пересчета натурального топлива с теплотой
сгорания в условное топливо служит безразмерный
коэффициент Э, называемый тепловым эквивалентом
данного топлива.
Э
=
Q
29350
P
H
Модуль 3 Топливо и рациональное его сжигание в камерах сгорания ГТУ:
элементы топлива, внешний и внутренний баласт топлива, теплотехническая
оценка элементов топлива
Летучие вещества и кокс
Принято относить горючей массе топлива
Чем геологически моложе топливо, тем больше выход
летучих веществ.
Выход летучих горючих веществ характеризует
способность топлива к воспламенению (чем больше
выход летучих, тем ниже температура их выделения)
15
CO + 0,5O 2 = CO 2 + 10500
Модуль 3 Топливо и рациональное его сжигание в камерах сгорания ГТУ:
элементы топлива, внешний и внутренний баласт топлива, теплотехническая
оценка элементов топлива
16
Горение топлива
Горение – это сложный физико-химический процесс
взаимодействия топлива с окислителем, протекающий при
высоких температурах и сопровождающийся интенсивным
выделением теплоты (экзотермические реакции)
ЦЕЛЬ РАСЧЕТОВ ГОРЕНИЯ
•Определение количества, необходимого
горения воздуха (окислителя);
для
•Определение количества и состава продуктов
сгорания;
•Определение температуры горения.
Модуль 3 Топливо и рациональное его сжигание в камерах сгорания ГТУ:
элементы топлива, внешний и внутренний баласт топлива, теплотехническая
оценка элементов топлива
Горение газообразного топлива
17
Модуль 3 Топливо и рациональное его сжигание в камерах сгорания ГТУ:
элементы топлива, внешний и внутренний баласт топлива, теплотехническая
оценка элементов топлива
18
КОЛИЧЕСТВО ВОЗДУХА ДЛЯ ГОРЕНИЯ
Расход воздуха
теоретический
действительный
Под теоретически необходимым расходом понимают то
минимальное количество воздуха, которое требуется для
полного окисления всех горючих элементов топлива
Модуль 3 Топливо и рациональное его сжигание в камерах сгорания ГТУ:
элементы топлива, внешний и внутренний баласт топлива, теплотехническая
оценка элементов топлива
19
Теоретический расход воздуха
массовый
объемный
G0
L0 =
0,232
L0
V0 =
1,293
Общее количество кислорода,
необходимое для полного сжигания
1 кг топлива:
G0 = GOC + GOH + GOS − GOT
G0 - массовое количество
кислорода в кг,
необходимое для
сжигания 1 топлива
(с учетом содержащегося
кислорода в топливе)
0,232 - массовая доля
кислорода в
атмосферном воздухе
0,232 - массовая доля
кислорода в
атмосферном воздухе
Модуль 3 Топливо и рациональное его сжигание в камерах сгорания ГТУ:
элементы топлива, внешний и внутренний баласт топлива, теплотехническая
оценка элементов топлива
Из уравнения горения углерода :
1 мольC
+ 1 мольO
2
= 1 мольСО
2
12кгС + 32кгО2 = 44кгСО2
1кгС + 8 / 3кгО2 = 11 / 3кгСО2
Из этого следует, что для сжигания 1 кг С требуется
8/3=2,67 кг О2,
G OC
2,67 ⋅ C
=
100
P
20
Модуль 3 Топливо и рациональное его сжигание в камерах сгорания ГТУ:
элементы топлива, внешний и внутренний баласт топлива, теплотехническая
оценка элементов топлива
21
Из уравнения горения водорода
1 мольН
2
2 кгН
+ 0 ,5 моляО
2
2
= 1 мольН 2 О
+ 16 О 2 = 18 кгН
2
О
1кгН 2 + 8кгО 2 = 9 кгН 2 О
Для сжигания 1 кг Н2 требуется 8 кг О2
Для сжигания водорода, содержащегося в 1 кг топлива,
потребуется кислорода, кг:
P
G OН
8⋅H
=
100
Модуль 3 Топливо и рациональное его сжигание в камерах сгорания ГТУ:
элементы топлива, внешний и внутренний баласт топлива, теплотехническая
оценка элементов топлива
22
Из уравнения горения серы
1 мольS + 1 моляО
2
= 1 мольSО
32 кгS + 32 О 2 = 64 кгSО
1 кгS + 1 кгО
2
= 2 кгSО
2
2
2
Для окисления 1 кг S необходимо израсходовать 1 кг О2
Окисление серы, содержащейся в 1 кг топлива,
потребуется кислорода, кг:
P
G OS
S
=
100
Модуль 3 Топливо и рациональное его сжигание в камерах сгорания ГТУ:
элементы топлива, внешний и внутренний баласт топлива, теплотехническая
оценка элементов топлива
Суммарное количество кислорода в кг необходимое для
сжигания 1 кг топлива:
2,67 ⋅ C
8⋅H
S
O
G0 =
+
+
100
100 100 100
P
P
P
P
(
)
(
)
L0 = 0,115C p + 0,345 H p + 0,043 S p л − O p
V0 = 0,089 C p + 0,266 H p + 0,033 S p л − O p
23
Модуль 3 Топливо и рациональное его сжигание в камерах сгорания ГТУ:
элементы топлива, внешний и внутренний баласт топлива, теплотехническая
оценка элементов топлива
ХАРАКТЕРИСТИКА ЭЛЕМЕНТАРНОГО СОСТАВА
ТОПЛИВА Е
Hг
Oг
−
г
г
H
−
0
,
126
⋅
O
32 = 2.979
E = 4.032
Cг
Sг
C г + 0,375 ⋅ S г
+
21.01 32.06
L0 = 0,1151⋅ (1 + E ) ⋅ (C + 0.375 S )
г
г
24
Модуль 3 Топливо и рациональное его сжигание в камерах сгорания ГТУ:
элементы топлива, внешний и внутренний баласт топлива, теплотехническая
оценка элементов топлива
КОЭФФИЦИЕНТ ИЗБЫТКА ВОЗДУХА α
Коэффициент избытка воздуха - отношение
количества воздуха, действительно подаваемого в
камеру сгорания для полного окисления элементов
топлива, к теоретически необходимому расходу
α=
GB
Gтопливного газа ⋅ L0
L∂ V∂
α=
=
L0 V0
где Gвозд и Gгаза – массовый расход воздуха и топливного газа
В газовых ДВС – α = 1,1...1,3,
В карбюраторных ДВС α = 0,8,..1,1
В дизелях α = 1,2...2,0
В ГТУ α = 4...8
25
Модуль 3 Топливо и рациональное его сжигание в камерах сгорания ГТУ:
элементы топлива, внешний и внутренний баласт топлива, теплотехническая
оценка элементов топлива
26
Массовое количество газообразных продуктов сгорания
топлива выражается суммой количества сжигаемого топлива
и количества воздуха, подаваемого для его сжигания.
Количество продуктов сгорания приходящихся на 1 кг
топлива, кг/кг:
М Г = 1 + α ⋅ L0
Полный объем газообразных продуктов полного сгорания
1 кг жидкого и твердого топлива (м3/кг) или 1 м3
газообразного топлива (м3/м3) принято записывать в виде:
V Г = VRO2 + V
0
N2
+ VH 2O + ∆VB
Модуль 3 Топливо и рациональное его сжигание в камерах сгорания ГТУ:
элементы топлива, внешний и внутренний баласт топлива, теплотехническая
оценка элементов топлива
27
Составляющие данного уравнения для газообразного
топлива в м3/м3 рассчитываются по формулам:
объем избыточного воздуха
∆VB = (α − 1) ⋅ V0
объем трехатомных газов
[
VRO2 = 0,01 ⋅ CO + ∑ m ⋅ C m H n + H 2 S + CO2
]
теоретический объем азота
V
0
N2
= 0,79 ⋅ V0 + 0,01 ⋅ N
V H 2O
P
2
объем водяных паров
n


= 0,01 ⋅  H 2 + ∑ ⋅ C m H n + H 2 S  + 0,0161 ⋅ V0
2


Модуль 3 Топливо и рациональное его сжигание в камерах сгорания ГТУ:
элементы топлива, внешний и внутренний баласт топлива, теплотехническая
оценка элементов топлива
ЭНТАЛЬПИЯ ГАЗООБРАЗНЫХ ПРОДУКТОВ
СГОРАНИЯ
h = G ·Сp ·t г = V ·Сp ·t г
г
г
г
г/
(кДж/кг или кДж/м3)
Gг - масса продуктов сгорания на единицу количества топлива, кг/кг или кг/м3;
Vг - объем продуктов сгорания на единицу сжигаемого топлива, м3/кг или м3/м3;
Срг и Срг’ - средняя массовая и объемная изобарные теплоемкости газов
соответственно, кДж/(кг • град) или кДж/(м3• град);
tг - температура продуктов сгорания, °С.
Энтальпия продуктов сгорания топлива :
h г = (VRO2 ·C / CO2 + V 0 N 2 ·C / N 2 + VH 2O ·C / H 2O + ∆VB ·C / B )·t г
Модуль 3 Топливо и рациональное его сжигание в камерах сгорания ГТУ:
элементы топлива, внешний и внутренний баласт топлива, теплотехническая
оценка элементов топлива
28
ТЕМПЕРАТУРА СГОРАНИЯ ТОПЛИВА
Калориметрическая
температуру, до которой нагрелись бы продукты
полного сгорания, если бы вся теплота топлива и
воздуха пошла на нагревание газов
Теоретическая
температура, до которой нагрелись бы продукты сгорания, если бы
на их нагрев пошла вся теплота, введенная в камеру сгорания, за
вычетом потерь от химической (qхим) и физической (qфиз) неполноты
сгорания
Действительная
фактическая температура с учетом всех потерь теплоты, в том числе и в
окружающую среду. Действительная температура может быть
определена путем сложных расчетов с учетом теплоотдачи
Модуль 3 Топливо и рациональное его сжигание в камерах сгорания ГТУ:
элементы топлива, внешний и внутренний баласт топлива, теплотехническая
оценка элементов топлива
Под калориметрической температурой
горения
понимают
температуру,
до
которой нагреваются продукты горения
при соблюдении следующих условий:
1) все тепло, выделившееся в процессе реакции,
идет на нагревание продуктов горения;
2) происходит полное сгорание стехиометрической
горючей смеси, коэффициент избытка воздуха α = 1;
3) в процессе образования продуктов горения не
происходит их диссоциация;
4) горючая смесь находится при
температуре 273К и давлении 101,3 кПа.
начальной
29
Модуль 3 Топливо и рациональное его сжигание в камерах сгорания ГТУ:
элементы топлива, внешний и внутренний баласт топлива, теплотехническая
оценка элементов топлива
ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС КС ПРИ КАЛОРИМЕТРИЧЕСКОЙ
ТЕМПЕРАТУРЕ
QH + hТ + hB = V ·С ·t К = h
г
г
/
Кг
hТ и hB - физическая теплота топлива и воздуха соответственно на
единицу количества топлива, кДж/кг или кДж/м3
QH + hТ + hB
tК =
V г ·С г /
в развернутом виде
tK =
'
VRO2 ⋅ C pmCO
+ VN2
2
QHP + hT + hB
'
'
'
⋅ C pmN
+
V
⋅
C
+
∆
V
⋅
C
H 2O
pmH 2O
B
pmB
2
30
Модуль 3 Топливо и рациональное его сжигание в камерах сгорания ГТУ:
элементы топлива, внешний и внутренний баласт топлива, теплотехническая
оценка элементов топлива
31
Модуль 3 Топливо и рациональное его сжигание в камерах сгорания ГТУ:
элементы топлива, внешний и внутренний баласт топлива, теплотехническая
оценка элементов топлива
ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС КС ПРИ ТЕМПЕРАТУРЕ
СГОРАНИЯ
Q
P
H
100 − q хим − q физ
100
+ hT + h B = V Г ⋅ С Г' ⋅ t T
Если ввести понятие коэффициента тепловыделения:
η =
'
100 − q хим − q физ
100
hT + hB
+
QHP
Теоретическую температуру можно определить по формуле
Q HP ⋅ η '
tT =
V Г ⋅ С Г'
32
Благодарю
за
внимание!
Перечень рекомендуемой литературы
по Модулю 3
Основная:
•Газотурбинные установки: учебное пособие/ А.В. Рудаченко, Н.В. Чухарева, С.С. Байкин.–
Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2008. – 139с.
•Динамика и прочность турбомашин: учебник для вузов. / А.Г. Костюк –3/е идание перераб.
и дополненное.– М.: Издательский дом МЭИ, 2007 – 476с.
•Энергетика трубопроводного транспорта газов: Учебное пособие / А.Н. Козаченко, В.Н.
Никишин, Б.П. Поршаков – М.: ГУП Издательство «Нефть и газ» РГУ нефти и газа им. И.М.
Губкина, 2001. – 400 с.
•Пономарев П.С. Вопросы рациональной эксплуатации газотурбинных установок: учебное
пособие. – Уфа: ГОУ ВПО УГНТУ, 2003. – 88
Дополнительная:
• Газотурбинные технологии. Специализированно-аналитический журнал. Изд-во «Медиа
Гранд»