Повышение эффективности использования природного газа в газотурбинных установках посредством термохимической рекуперации

М. В. Поляков; С. К. Попов

doi:10.34831/EP.2023.44.76.004

Повышение эффективности использования природного газа в газотурбинных установках посредством термохимической рекуперации

М. В. Поляков, С. К. Попов

Аннотация

Выполнен анализ исследований в области повышения эффективности топливоиспользования в газотурбинных установках посредством термохимической рекуперации теплоты продуктов сгорания на основе паровой конверсии природного газа. Выделен ряд газотурбинных установок с температурой газов на входе в турбину не ниже 1400 °С, что создает благоприятные предпосылки для термохимической рекуперации. Разработаны и исследованы в среде Aspen HYSYS модель газотурбинной установки без рекуперации теплоты продуктов сгорания (базовый вариант), а также ряд моделей с термохимической и термической рекуперацией. Установлено, что по сравнению с базовым вариантом переход на термохимическую рекуперацию может обеспечить прирост выработки электрической мощности на 8,62 % и снижение удельного расхода условного топлива на 7,9 %. Полученные результаты подтверждают целесообразность реализации термохимической рекуперации в газотурбинном цикле.

Ключевые слова

газотурбинная установка, термохимическая рекуперация, паровая конверсия природного газа, энергетическая эффективность

Полный текст:

PDF

Литература

Бессель В. В. Смена парадигмы на мировом энергетическом рынке / В. В. Бессель, В. Г. Кучеров, А. С. Лопатин, В. Г. Мартынов // Газовая промышленность. — 2017. — № 4 (751). — С. 28 – 33.

Дзюба, А. П. Роль сжиженного природного газа в мировом энергетическом балансе / А. П. Дзюба // Инновационная экономика. — 2021. — № 1. — С. 59 – 74.

Носач, В. Г. Повышение экономичности и экологических характеристик газотурбинных установок за счет термохимической регенерации / В. Г. Носач, А. А. Шрайбер // Промышленная теплотехника. — 2011. — Т. 33. — № 1. — С. 46 – 50.

Носач, В. Г. Энергия топлива / В. Г. Носач. — Киев: Наукова думка. — 1989. — 148 с.

Pashchenko, D. Natural gas reforming in thermochemical waste-heat recuperation systems: A review / D. Pashchenko // Energy. — 251 (2022) 123854. — DOI: 10.1016/j.energy.2022.123854.

Tartakovsky, L. Fuel reforming in internal combustion engines / L. Tartakovsky, M. Sheintuch // Progress in Energy and Combustion Science. — 67 (2018) 88 – 114. — DOI: 10.1016/j.pecs. 2018.02.003.

Носач, В. Г. Повышение эффективности использования биогаза в теплоэнергетических установках с помощью термохимической регенерации / В. Г. Носач, А. А. Шрайбер // Промышленная теплотехника. — 2009. — Т. 31. — № 2. — С. 57 – 63.

Попов, С. К. Термохимическая рекуперация в высокотемпературной теплотехнологии / С. К. Попов. — М.: Издательство МЭИ. — 2018. — 104 с.

Pan, F. Transient performances of the gas turbine recuperating waste heat through hydrogen rich fuels / F. Pan, et al. // International Journal of Hydrogen Energy. — 44 (2019), 56, 29743 – 29751. — DOI: 10.1016 / j.ijhydene.2019. 02.099.

Maruoka, N. Feasibility Study for Recovering Waste Heat in the Steelmaking Industry Using a Chemical Recuperator / N. Maruoka, T. Mizuochi, H. Purwanto, T. Akiyama // ISIJ International. — 44 (2004), 2, 257 – 262.

Verkhivker, G. The use of chemical recuperation of heat in a power plant / G. Verkhivker, V. Kravchenko // Energy. — 29 (2004) 379 – 388. — DOI: 10.1016/j.energy.2003.10.010.

Галин, А. К. Оценка состояния рынка газотурбинных установок / А. К. Галин // Инновации. Наука. Образование. — 2021. — № 36. — С. 1307 – 1311.

Cappelletti, A. Investigation of a pure hydrogen fueled gas turbine burner / A. Cappelletti, F. Martelli // International Journal of Hydrogen Energy. — 42 (2017),15, 10513 – 10523. — DOI: 10.1016/j.ijhydene.2017.02.104.

Schönborn, A. OH*-chemiluminescence during autoignition of hydrogen with air in a pressurised turbulent flow reactor / A. Schön¬born, P. Sayad, A. A. Konnov, J. Klingmann // International Journal of Hydrogen Energy. — 39 (2014), 23, 12166 – 12181. — DOI: 10.1016/j.ijhydene. 2014.05.157.

Valera-Medina, A. Preliminary study on lean premixed combustion of ammonia-hydrogen for swirling gas turbine combustors / A. Valera-Medina, D. G. Pugh, P. Marsh, G. Bulat, P. Bowen // International Journal of Hydrogen Energy. — 42 (2017), 38, 24495 – 24503. — DOI: 10.1016/ j.ijhydene.2017.08.028.

Носач, В. Г. Повышение эффективности использования природного газа в теплоэнергетике с помощью термохимической регенерации / В. Г. Носач, А. А. Шрайбер // Промышленная теплотехника. — 2009. — Т. 31. — № 3. — С. 42 – 50.

Носач, В. Г. Повышение эффективности газотурбинных установок за счет совместного использования термохимической и паровой регенерации / В. Г. Носач, А. А. Шрайбер // Промышленная теплотехника. — 2011. — Т. 33. — № 2. — С. 46 – 49.

Pashchenko, D. Energy optimization analysis of a thermochemical exhaust gas recuperation system of a gas turbine unit / D. Pashchenko // Energy Conversion and Management. — 171 (2018) 917 – 924. — DOI: 10.1016/j.enconman. 2018.06.057

Свистунов, И. Н. Повышение энергетической эффективности плавильных и нагревательных установок на основе конверсии природного газа: Автореферат дис. … канд. техн. наук: 05.14.04 / И. Н. Свистунов. — М., 2017. — 20 с.

Isentropic Efficiency of Rotary Screw Air Compressors, [Electronic resource]. — URL: https://www.airbestpractices.com/standards/iso-and- cagi/isentropic-efficiency-rotary-screw-air-comp- ressors.

Комаров, О. В. Тепловые и газодинамические расчеты газотурбинных установок / О. В. Комаров, В. Л. Блинов, А. С. Шемякинский. — Екатеринбург: УРФУ. — 2018. — 163 с.

Булкин, А. Е. Паровые и газовые турбины для электростанций / А. Е. Булкин, А. Г. Костюк, А. Д. Трухний. — М.: Издательство МЭИ. — 2016. — 556 с.

Цанев, С. В. Газотурбинные и парогазовые установки тепловых электростанций / С. В. Цанев, В. Д. Буров, А. Н. Ремезов. — М.: Издательство МЭИ. — 2002. — 579 с.

Gutakovskis, V. Performance Assessment of the Thermodynamic Cycle in a Multi-Mode Gas Turbine Engine / V. Gutakovskis, V. Gudakovskis // Gasification. — IntechOpen, 2021. — DOI: 10.5772/intechopen.97458.

Lugo-Leyte, R. Methodology to determine the appropriate amount of excess air for the operation of a gas turbine in a wet environment / R. Lugo-Leyte, J. M. Zamora-Mata, M. Toledo-Velázquez, M. Salazar-Pereyra, A. Torres-Aldaco // Energy. — 35 (2010), 2, 550 – 555. — DOI: 10.1016/ j.energy.2009.10.023.

Fuels — Higher and Lower Calorific Values [Electronic resource]. — URL: https://www.engineeringtoolbox.com/fuels-higher-calorific-values-d 169.html.

Catalog GE 9HA Gas turbine, [Electronic resource]. — URL: https://pdf.directindustry.com/pdf/ ge-gas-turbines/9ha-gas-turbine/34155-584136.html.

Olmsted, J. H. Heat engine efficiency enhancement through chemical recovery of waste heat / J. H. Olmsted, P. G. Grimes // 7th Intersociety Energy Conversion Engineering Conference. — 1972.

DOI: http://dx.doi.org/10.34831/EP.2023.44.76.004