Термохимическая рекуперация теплоты в газотурбинной установке
Ключевые слова:
природный газ, топливоиспользование, повышение эффективности, термическая рекуперация, математическая модель, реактор конверсии, 3D-модельАннотация
Природный газ с каждым годом завоевывает все большую долю в общемировом топливном балансе. Страны, в которых доступен дешевый природный газ, стремятся повысить эффективность его использования с целью повышения объемов его использования. Одним из наиболее перспективных методов повышения эффективности природного газа является рекуперация теплоты газовых отходов. Предметом исследования является газотурбинная установка в силу того, что количество электростанций с газовыми турбинами имеет тенденцию к росту. В данной работе исследованы варианты повышения эффективности использования природного газа в газотурбинной установке при неизменном его расходе. Рассмотрены варианты внедрения термохимической рекуперации теплоты газовых отходов на основе паровой конверсии метана и термической рекуперации теплоты газовых отходов на основе генерации пара. Приведены результаты исследования, основанного на математической модели газотурбинной установки с применением термической и термохимической рекуперации теплоты газовых отходов.
Проведен конструктивный расчет реактора паровой конверсии природного газа. Определены конструктивные и режимные параметры теплообменника. Разработана 3D-модель реактора конверсии, обеспечивающая высокую газоплотноть и возможность температурного удлинения теплообменных труб.
Метрики
Библиографические ссылки
ГОСТ
1. 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. EDN: YKMINH .
2. Дзюба А.П. Роль сжиженного природного газа в мировом энергетическом балансе // Инновационная экономика. 2021. № 1. С. 59–74.
EDN: LPLYXQ.
3. Носач В.Г., Шрайбер А.А. Повышение экономичности и экологических характеристик газотурбинных установок за счет термохимической регенерации // Промышленная теплотехника. 2011. Т. 33. № 1. С. 46¬–50. URL: http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/60300
4. Носач В.Г. Энергия топлива. Киев: Наукова думка, 1989. 148 с.
5. Носач В.Г., Шрайбер А.А. Повышение эффективности использования биогаза в теплоэнергетических установках с помощью термохимической регенерации // Промышленная теплотехника. ¬ 2009. ¬Т. 31. № 2. С. 57–¬63.
6. Transient performances of the gas turbine recuperating waste heat through hydrogen rich fuels / F. Pan, X. Cheng, X. Wu and oth. // International Journal of Hydrogen Energy. 2019. Vol. 44, № 56. P. 29743–29751.
DOI: 10.1016/j.ijhydene.2019.02.099.
7. Галин А.К. Оценка состояния рынка газотурбинных установок // Инновации. Наука. Образование. 2021. № 36. С. 1307–1311.
8. Cappelletti A., Martelli F. Investigation of a pure hydrogen fueled gas turbine burner // International Journal of Hydrogen Energy. 2017. Vol. 42, № 15. P. 10513–10523. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2017.02.104.
9. OH*-chemiluminescence during autoignition of hydrogen with air in a pressurised turbulent flow reactor / A. Schönborn, P. Sayad, A.A. Konnov, J. Klingmann // International Journal of Hydrogen Energy. 2014. Vol. 39, № 23. P. 12166–12181. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2014.05.157.
10. Preliminary study on lean premixed combustion of ammonia-hydrogen for swirling gas turbine combustors / A. Valera-Medina, D.G. Pugh, P. Marsh and oth. // International Journal of Hydrogen Energy. 2017. Vol. 42, № 38. P. 24495–24503. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2017.08.028.
11. Носач В.Г., Шрайбер А.А. Повышение эффективности использования природного газа в теплоэнергетике с помощью термохимической регенерации // Промышленная теплотехника. ¬2009.¬ Т. 31. № 3. С. 42–¬50. URL: http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/60782.
12. Носач В.Г., Шрайбер А.А. Повышение эффективности газотурбинных установок за счет совместного использования термохимической и паровой регенерации // Промышленная теплотехника. 2011. Т. 33. № 2. С. 46–¬49. URL: http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/ 123456789/60317.
13. Pashchenko D. Energy optimization analysis of a thermochemical exhaust gas recuperation system of a gas turbine unit // Energy Conversion and Management. 2018. Vol. 171. P. 917–924. DOI: 10.1016/j.enconman.2018.06.057.
14. Pashchenko D. Performance evaluation of a combined power generation system integrated with thermochemical exhaust heat recuperation based on steam methane reforming //International Journal of Hydrogen Energy. 2023. Т. 48. №. 15. С. 5823-5835. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2022. 11.186.
15. Verkhivker G., Kravchenko V. The use of chemical recuperation of heat in a power plant // Energy. 2004. Vol. 29. P. 379–388. DOI: 10.1016/j.energy.2003.10.010.
16. Свистунов И.Н. Повышение энергетической эффективности плавильных и нагревательных установок на основе конверсии природного газа: Автореферат дис. … канд. техн. наук: 05.14.04. М., 2017. 20 с.
17. Поляков М.В., Попов С.К. Повышение эффективности использования природного газа в газотурбинных установках посредством термохимической рекуперации // Промышленная энергетика. 2023. № 2. С. 23–31. EDN: JGCSDO. DOI: 10.34831/EP.2023.44.76.004.
18. Olmsted J.H., Grimes P.G. Heat engine efficiency enhancement through chemical recovery of waste heat // 7th Intersociety Energy Conversion Engineering Conference. San Diego: ACS, 1972. P. 241–248.
19. Тебеньков Б.П. Рекуператоры для промышленных печей. М.: Металлургия, 1975. 296 с.
20. Тепловой расчёт котельных агрегатов. Нормативный метод / Под ред. Н. В. Кузнецова и др. М.: Энергия, 1973. 295 с.
21. Бажан П.И., Каневец Г.Е., Селиверстов В.М. Справочник по теплообменным аппаратам. М.: Машиностроение, 1989. 368 с.
22. Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел А.С. Теплопередача. Учебник для вузов. Изд. 3-е перераб. и доп. М.: Энергия. 1975. 488 с.
23. Расчет кожухотрубных теплообменных аппаратов: Учеб. пособие / А.Б. Гаряев, Е.П. Валуева, А.Ю. Маскинская, О.Е. Прун. М.: Изд-во МЭИ, 2019. 84 с.
24. Мочан С.И. Аэродинамический расчет котельных установок (нормативный метод). М.: Энергия, 1977. 256 с.
APA
1. Bessel, V. V., Kucherov, V. G., Lopatin, A. S., & Martynov, V. G. (2017). Smena paradigmy na mirovom energeticheskom rynke [A paradigm shift in the global energy market]. Gazovaya promyshlennost, 4(751) , 28¬–33. [In Russian]
2. Dzyuba, A. P. (2021). Rol szhizhennogo prirodnogo gaza v mirovom energeticheskom balance [The role of liquefied natural gas in the global energy balance]. Innovacionnaya ekonomika, 1, 59–74. [In Russian]
3. Nosach, V. G., & Shrajber, A. A. (2011). Povyshenie ekonomichnosti i ekologicheskih harakteristik gazoturbinnyh ustanovok za schet termohimicheskoj regeneracii [Improving the efficiency and environmental performance of gas turbine plants due to thermochemical regeneration]. Promyshlennaya teplotekhnika, 33(1) , 46¬–50. [In Russian]
4. Nosach, V. G. (1989). Energiya topliva [Fuel energy] . Izd-vo Naukova dumka. [In Russian]
5. Nosach, V. G., & Shrajber, A. A. (2009). Povyshenie effektivnosti ispolzovaniya biogaza v teploenergeticheskih ustanovkah s pomoshchyu termohimicheskoj regeneracii [Increasing the efficiency of biogas use in thermal power plants using thermochemical regeneration]. Promyshlennaya teplotekhnika, 31(2) , 57¬–63. [In Russian]
6. Pan, F., Cheng, X., Wu, X., Wang, X., & Luo, P. (2019). Transient performances of the gas turbine recuperating waste heat through hydrogen rich fuels. International Journal of Hydrogen Energy, 44(56) , 29743-29751. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2019.02.099.
7. Galin, A. K. (2021). Ocenka sostoyaniya rynka gazoturbinnyh ustanovok [Assessment of the state of the gas turbine market]. Innovacii. Nauka. Obrazovanie, 36, 1307–1311. [In Russian]
8. Cappelletti, A., & Martelli, F. (2017). Investigation of a pure hydrogen fueled gas turbine burner. International Journal of Hydrogen Energy, 42(15) , 10513¬–10523. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2017.02.104.
9. Schönborn, A., Sayad, P., Konnov, A. A., & Klingmann, J. (2014). OH*-chemiluminescence during autoignition of hydrogen with air in a pressurised turbulent flow reactor. International journal of hydrogen energy, 39(23) , 12166-12181. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2014.05.157.
10. Valera-Medina, A., Pugh, D. G., Marsh, P., Bulat, G., & Bowen, P. (2017). Preliminary study on lean premixed combustion of ammonia-hydrogen for swirling gas turbine combustors. International Journal of Hydrogen Energy, 42(38) , 24495¬–24503. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene. 2017.08.028.
11. Nosach, V. G., & Shrajber, A. A. (2009). Povyshenie effektivnosti ispolzovaniya prirodnogo gaza v teploenergetike s pomoshchyu termohimicheskoj regeneracii [Increasing the Efficiency of Using Natural Gas in the Heat and Power Industry Using Thermochemical Regeneration]. Promyshlennaya teplotekhnika, 31(3) , 42¬–50. http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/60782. [In Russian]
12. Nosach, V. G., & Shrajber, A. A. (2011). Povyshenie effektivnosti gazoturbinnyh ustanovok za schet sovmestnogo ispolzovaniya termohimicheskoj i parovoj regeneracii [Improving the efficiency of gas turbine plants through the combined use of thermochemical and steam regeneration]. Promyshlennaya teplotekhnika, 33(2) , 46¬–49. http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/ 60317. [In Russian]
13. Pashchenko, D. (2018). Energy optimization analysis of a thermochemical exhaust gas recuperation system of a gas turbine unit. Energy Conversion and Management, 171, 917-–924. http://dx.doi.org/10.1016/j.enconman.2018.06.057
14. Pashchenko, D. (2023). Performance evaluation of a combined power generation system integrated with thermochemical exhaust heat recuperation based on steam methane reforming. International Journal of Hydrogen Energy, 48(15) , 5823¬–5835. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene. 2022.11.186.
15. Verkhivker, G., & Kravchenko, V. (2004). The use of chemical recuperation of heat in a power plant. Energy, 29(3) , 379¬–388. https://doi.org/10.1016/j.energy.2003.10.010
16. Svistunov, I. N. (2017). Povyshenie energeticheskoj effektivnosti plavilnyh i nagrevatelnyh ustanovok na osnove konversii prirodnogo gaza [Increasing the Energy Efficiency of Melting and Heating Plants Based on Natural Gas Conversion]. Extended abstract of candidate’s thesis. MPEI. [In Russian]
17. Polyakov, M. V., & Popov, S. K. (2023). Povyshenie effektivnosti ispol'zovaniya prirodnogo gaza v gazoturbinnyh ustanovkah posredstvom termohimicheskoj rekuperacii [Increasing the Efficiency of Natural Gas Use in Gas Turbine Plants through Thermochemical Recovery]. Promyshlennaya energetika, 2, 23–31. http://dx.doi.org/10.34831/EP.2023.44.76.004. [In Russian]
18. Olmsted, J. H., & Grimes P. G. (1972). Heat engine efficiency enhancement-through chemical recovery of waste heat. In Proc. of the Seventh Intersociety Energy Conversion Engineering Conference (pp. 241-248). ACS.
19. Tebenkov, B. P. (1975). Rekuperatory dlya promyshlennyh pechej [Heat exchangers for industrial furnaces] . Metallurgiya. [In Russian]
20. Kuznecov, N. V. et al (Eds.). (1973). Teplovoj raschet kotel'nyh agregatov [Thermal calculation of boiler units] . Energiya. [In Russian]
21. Bazhan, P. I., Kanevec, G. E., & Seliverstov, V. M. (1989). Spravochnik po teploobmennym apparatam [Handbook of heat exchangers] . Mashinostroenie. [In Russian]
22. Isachenko, V. P., Osipova, V. A., & Sukomel, A. S. (1975). Teploperedacha. Uchebnik dlya vuzov [Heat transfer. Textbook for universities] (3rd ed.). Energiya. [In Russian]
23. Garyaev, A. B., Valueva, E. P., & Maskinskaya, A. U. (2019). Raschet kozhuhotrubnyh teploobmennyh apparatov: Ucheb. posobie [Calculation of shell-and-tube heat exchangers: Tutorial] . MPEI. [In Russian]
24. Mochan, S. I. (1977). Aerodinamicheskij raschet kotelnyh ustanovok (normativnyj metod) [Aerodynamic calculation of boiler plants (normative method)] . Energiya. [In Russian]
Загрузки
Опубликован
Как цитировать
Выпуск
Раздел
Категории
URN
Лицензия
Copyright (c) 2023 Поляков М.В., Попов С.К.
Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution-NonCommercial-NoDerivatives» («Атрибуция — Некоммерческое использование — Без производных произведений») 4.0 Всемирная.
