А.В. Птахин, М.И. Супельняк, В.С. Крылов О+CО

А.В. Птахин, М.И. Супельняк, В.С. Крылов
РАСЧЕТ СТУПЕНИ ТУРБОМАШИНЫ НА СМЕСИ Н2О+CО2
На сегодняшний день возможности повышения эффективности паротурбинных установок за счет усложнения тепловых схем являются практическими
исчерпанными, а дальнейший прогресс в этом направлении видится в значительном увеличении температуры пара перед турбиной. Препятствием для этого является конструкция традиционных парогенераторов, основанных на внешнем сжигании топлива, отчего максимальная температура пара лимитирована
механическими свойствами сплавов поверхностей нагрева. Данная проблема
может быть решена путем перехода к внутреннему сжиганию топлива в среде
воды или низкотемпературного водяного пара. В связи с этим естественен интерес разработчиков энергоустановок к использованию в качестве топлива Н2 и
О2, продуктом сгорания которых является лишь Н2О.
Однако водород в природе находится лишь в связанном состоянии и его
выделение из химических соединений связано с затратами энергии, которые в
значительной мере ослабляют положительный термодинамический эффект от
повышения максимальной температуры цикла. Энергозатратным является и
процесс выделения О2 из воздушной атмосферы.
Анализ тепловых схем энергоустановок с водород-кислородным перегревом водяного пара, получаемого в котле, с учетом затрат энергии на производство и сжатие Н2 и О2 показал, что заметный прирост КПД может быть получен
только в том случае, когда процессы производства Н2 и О2 и выработки электроэнергии увязаны в единый оптимально организованный технологический
процесс. Однако и в этом случае такие установки оказываются менее эффективными, чем парогазовые, а дальнейшее повышение их КПД представляется
проблематичным. Альтернативой Н2 в качестве топлива может быть СН4 или
синтез-газ, являющийся продуктом газификации угля. Как показывают исследования [1], энергоустановки, в которых реализовано внутреннее сжигание
СН4, могут по ряду показателей составить конкуренцию ПГУ, работающих на
продуктах газификации угля.
В состав парогазовой смеси, получаемой в результате сжигания СН4 непосредственно в среде пара или питательной воды, входят неконденсирующиеся
газы (преимущественно СО2), составляющие от 4 до 20% массы смеси. В связи
с этим к конструктивному облику конденсирующих устройств и методам их
расчета предъявляются особые требования. Помимо этого при проектировании
турбины должны быть учтены изменения термодинамических свойств смесевого рабочего тела по сравнению с чистым водяным паром. Это достигается выбором соответствующего уравнения состояния реального газа. При этом нужно
учитывать, чтобы уравнение состояния имело достаточно простую форму и было удобным для проведения расчетов на ЭВМ. Среди них можно выделить
двухпараметрическое уравнение Редлиха-Квонга и его модификации, трехпараметрическое уравнение Пенга-Робинсона, использующееся для описания
нормальных углеводородов, восьмипараметрическое уравнение БенедиктаВебба-Рубина, хорошо описывающее свойства легких углеводородов и их смесей, и некоторые другие.
Оптимизация проточной части современных турбин проводится с помощью таких CFD пакетов, как ANSYS CFX, ANSYS FLUENT, STAR-CD, NUMECA FINE Turbo и др., в которые включены наиболее употребительные в инженерных расчетах уравнения состояния реальных газов. При использовании
ANSYS CFX можно проводить расчеты по стандартному уравнению РедлихаКвонга, его модификации Аунгера, уравнению Пенга-Робинсона и уравнениям
IAPWS-IF97 для воды и водяного пара. Если принять, что для окисления СН 4 в
камере сгорания используется О2, подаваемый в стехиометрическом соотношении, то рабочим телом в турбине будет смесь Н2О и CО2. Расчет ее термодинамических свойств целесообразно проводить либо по уравнению РедлихаКвонга, являющегося наиболее удачным двухпараметрическим уравнением состояния, либо по уравнению Редлиха-Квонга-Аунгера, представляющего собой
четырехпараметрическое уравнение.
Чтобы определить допустимые границы использования данных уравнений,
необходимо провести сравнение результатов с достоверными данными. Поскольку наибольшую долю смеси составляет Н2О, то можно ожидать, что ее
термодинамические свойства будут близки к свойствам водяного пара. Поэтому
выбранное уравнение состояние должно хорошо описывать свойства водяного
пара, которые точно рассчитываются по уравнениями IAPWS-IF97. Для этого
были рассчитаны располагаемые теплоперепады h0*  pк   h p0* , T0*  h pк , s0  ,




удельные объемы v0*  v p0* ,T0* , vк  v pк , s0  и температура Tк  T  pк , s0  для
p0*  13,58 МПа и T0*  850 C . Как показали результаты расчетов, уравнение
Редлиха-Квонга и его модификация Аунгера хорошо описывают свойства водяного пара вплоть до pк  100 кПа (табл. 1), с дальнейшим понижением давления расхождение быстро увеличивается, достигая 50 % при pк  10 кПа . Отсюда был сделан вывод о допустимости применения данных уравнений для расчета смеси при pк  100 кПа . Проведенный расчет смеси показал, что массовая
доля CО2 составляет порядка 5 %, а отличие ее свойств от водяного пара составляет порядка 3 %, т.е. вполне допустимо проводить расчет для Н2О.
Таблица 1
Сравнение уравнений состояния для водяного пара
Уравнение
IAPWS-IF97
Редлих-Квонг
Аунгер
pк , кПа
100
100
100
v0* , л/кг
37,436
36,887
36,596
h0* , МДж/кг
vк , м3/кг
Tк , К
1,544
1,703
374,541
1,531
1,692
369,242
1,539
1,691
369,989
Список литературы
1. Газопаровая установка со сжиганием топлива в кислороде // Теплоэнергетика. − 2010. − № 2. − С.75−77.