Proračun plinskog ciklusa kogeneracijskog sistema

Da bi smo započeli proračun zadatog ciklusa prema projektnom zadatku najprije moramo da proračunamo i usvojimo vrijednosti koje su nam ostavljenje za slobodan izbor a to su stepeni iskorištenja svih dijelova ovog ciklusa, količina gasova dobivena sagorijevanjem,plin sa svojom energetskom moći, masa zraka potrebna za sagorijevanje, pritiske i temperature gasova na izlaza kopresora i ulazu u utilizator .

Za početak usvajamo da je plin koji sagorijeva zajedno sa vazduhom u komorama Metan CH4 čije su kakteristične fizičke veličine date u Tabeli 1:

RE.BR. KARAKTERISTIKA JEDINICA METAN1 Gustina na 15 ° C kg/m3 0,71682 Tačka ključanja ° C -1823 Oktanski broj MOB >1004 Donja toplotna moć MJ/ kg 35,85 Donja toplotna moć MJ/ m3 25,666 Stehiometrijska količina vazduha m3

vaz / m3 9,52

Kao što vidimo iz Tabele 1 minimalna količina vazduha koja je potrebna za

sagorijevanje 1 kg metana V min=9,52 m3. Na osnovu ovoga podatka možemo proračunati

masu zraka koja je potrebna za sagorijevanje jednog kilograma gasa i masu gasova koja se proizvodi po jedinici vremena u komorama za sagorijevanje:

m=V min ρzr .=11,434 [ kg/ kggoriva ]

Pri čemu je:

m-masa zraka koju kompresor mora koprimiratiVmin-količina zraka potrebna za sagorijevanje ρzr.-gustina zraka (usvajamo da je za normalne uslove ρzr.-1,2 kg/ m3)

Idealni omjer sagorijevanja zraka i metana je 14,7:1 1. Pošto je postavkom zadatka naglašeno da se radi o realnom procesu pretpostaviti ćemo da je omjer prilikom sagorijevanja zraka i metana 11,4:1, te na taj način možemo dobiti masu produkata sagorijevanja po jednoj komori.

Masu produkata sagorijevanje u prvoj komori dobivamo tako sto ćemo sabrati gasifikacionu masu goriva i minimalnu količinu vazduha po kilogramu goriva potrebna za sagorijevanje. Gasifikaciona masa goriva je jednaka proizvodu stepena gasifikacije koji smo usvojili i on je jednak jedinici jer je riječ o gasovitim gorivima te mase jednog kilograma goriva koji sagori po jedinici vremena.

1

Bg=ηg∗1 kg /s=1 [ kg /s ]

tako da na osnovu toga slijedi:

m ps 1=Dz 1=Bg+ Vminkg

=1+11,424=12,424 [ kgs ]=44,72103 [ kg

h ]na isti način dobivamo masu produkata sagorijevanja u drugoj komori uz dodatak mase gasovaD z 1 :

m ps 2=D z 2=Bg+ Vminkg

+D z 1=1+11,424+12,424=24,848 [ kgs ]=89,452 103[ kg

h ]Masu produkata sagorijevanja na ulazu u plinsku turbinu dva je ustvari masa gasova koja ulazi u utilizator i ona je jednaka :

m ps¿ D z=88,452103[ kgh ]

Nakon proračuna mase produkata sagorijevanja, usvojiti ćemo ostale potrebne veličine (parametre) koje su prikazane u Tabeli 2.:

REDNI BROJ

PARAMETRI (ZADANI I USVOJENI) VRIJEDNOST

1 ηkomp .-stepen iskoristenja kopresora 0,92 ηkom.-stepen iskorištenja komore 0,98 3 ηu-unutrašnji stepen iskorištenja 0,94 ηg-stepen gasifikacije goriva 15 Specifična toplota Cps 1,005 kJ/kgK6 Dz- količina gasova dobivena sagorijevanjem 88,452 10 3 [ kg /h ]7 Pritisak na ulazu u kompresor 1 bara8 Pritisak na izlazu kompresora 10 bara9 Pritisak na ulazu u utilizator 5 bara10 Temperatura na ulazu u utilizator 1350 K

Sada možemo započeti proračun od prvog dijela ovog ciklusa to jeste od kopresora koji vrši politropsko sabijanje zraka. Prvo ćemo proračunati temperature zraka nakon kompresije a računamo je na osnovu politropskog sabijanja kako je i predstavljeno dijagramom kompresije:

T2

T1

=( p2

p1)

n−1n

Iz jednačine slijedi

T 2=T1( p2

p1)

n−1n =798,8 [ K ]=525,66 [ °C ]

Jedinični rad kompresora koji se utroši za sabijanje zraka izračunavamo usljed razlike entalpija i dobivamo:

E k=c p ( t2−t 1 )=553,95 [ kJ /kg ]

Kao što smo već usvojli da je riječ o politropskoj kompresiji tako dakle na osnovu toga izračunat ćemo potrebnu snagu kopresora:

N komp .=n

n−1mR¿

Gdje je:m-masa zraka koja se komprimuje 22,844 kg/sn-eksponent politrope 1,3R-gasna konstanta 287,2 J/kgK

Slika 3.2. p-v dijagram kompresije

Slika 3.3 Ulazni i izlazni parametri kompresora

Ulazni i izlazni parametri kompresoraMaseni protok na izlazu mizlaza 23,884 kg/sTemperatura ulaza Tul 297 KTemperatura na izlazu Tiz 510 KSpecifična toplota Cps 1,005 kJ/kgKPritisak na ulazu p1 1 baraPritisak na izlazu p2 10 bara

Tabela 3.2 Parametri kompresora

Sledeći dio kongenracijskog sistema su plinske turbine sa komorama za sagorijevanje kako je predstavljeno na slici 4.

Slika 3.4. Plinske turbine sa svim radnim parametrima

Ulazni i izlazni parametri turbine potrebni za proračunMaseni protok zraka na ulazu u komoru 1 mzraka 1 11,250 kg/sMaseni protok zraka na ulazu u komoru 1 mzraka 2 11,250 kg/sMasa produkata sagorijevanja mPS1 12,250 kg/sMasa produkata sagorijevanja mPS2 25,382 kg/sSpecifična toplota Cps 1,005 kJ/kgKPritisak na ulazu p1 1 baraPritisak na izlazu p2 10 baraPritisak u komorama p=const. 10 bara

Tabela 3.3. Parametri turbine

Jedinični rad turbina:

ET=c p (t 3−t 4 )+c p (t 5−t6 )=941 , 685 [ kJ /kg ]

Dakle kada jedinični rad turbina pomnožimo sa masenim protokom kroz njih dobivamo snagu turbine, iz toga slijedi da je snaga turbine jedan za maseni protok m ps 1 :

NT 1=m ps1 c p ( t3−t 4 )=6401 , 85 [ kW ]

Snaga turbine dva za maseni protok m ps 2:

NT 2=m ps2 c p ( t5−t4 )=10637 , 215 [ kW ]

Stvarna snagu turbine dobivamo kada saberemo ove dvije snage i pomnožimo sa unutrašnjim stepenom iskorištenja:

NT stv=( N T 1+NT 2 ) ηu=17039 , 065 [ kW ]

U nastavku ćemo kongeneraciski ciklus predstaviti toplotnim T-s i radnim p-v dijagramom kako nam je i zadano u postavci zadatka, te na osnovu njih proračunati dovedenu količinu toplote te potrošnju goriva u ovom ciklusu.

Slika 3.5 T-S dijagram predstavljenog ciklusa

Slika 3.6 p-v dijagram predstavljenog ciklusa

Jedinična količina dovedene toplote jedanka je razlici entalpija kao sto je predstavljeno sa dijagrama ii z toga slijedi:

qdov=c p (t 3−t 2 )+c p (t5−t 4 )=667 ,66 [kJ /kg ]

Ukupna količina dovedene toplote po satu jednaka je proizvodu razlike entalpija koju množimo sa masenim protokom:

Qdov=D z 1c p (t3−t2 )+D z 2 c p (t 5−t 4 )=37789,675115∗106 [ kJ /h ]

Raspoloživa jedinična energija u ovom dijelu ciklusa je:

Er=Et−Ek=387 ,735 [ kJ /kg ]

Da bismo dobili potrošenu količinu goriva Dovedenu količinu toplote dijelimo sa donjom energetskom moći goriva pomnoženom sa stepenom iskorištenja komore i iz toga slijedi:

D g=Qdov

Hd∗ηkom.

=1241 , 165 [ kg/h ]

4. Proračun parnog ciklusa

4.1 Proračun masenog protoka produkata sagorijevanja Drugi dio proračuna se odnosi na iskorištenje otpadne topline plinskog ciklusa, tj. Toplote produkata sagorijevanja parametara mps, Tps i ips u svrhu dobivanja pregrijane pare parametara mp,Tp i ip. Transfer topline ostvaruje se u utilizatoru stepena iskorištenja ηu , konfiguracije:

Pozicija 1 - isparivački cijevni izmjenjivač topline, Pozicija 1.1 – seperator faza – isparivački bubanj Pozicija 2 - pregrijač pare, Pozicija 3 - međupregrijač, Pozicija 4 - zagrijač napojne vode.

Usvaja se stepen iskorištenja utilizatora ηu:

η u=0 , 89 ( 8 9%)

Potrošnja goriva BCH4 (metan CH4), iz proračuna plinskog ciklusa , iznosi:

BCH 4=3596 kg/h=0,9989[kg /s ]

Uzimajući u obzir da se kao primarno gorivo koristi metan – gas ( ukapljen i skladišten pod pritiskom pu- tečna faza, sagorijevanje u gasovitom obliku ) , smatra se da je gasifikacija goriva - promjena faza potpuna i usvaja se stepen gasifikacije ηg=1.

Gasifikovana količina goriva iznosi:

Bg=B ch 4 · η g=0,9989[kg /s ]

Minimalna količina vazduha potrebna za sagorijevanje 1 kg goriva, prema usvojenim podacima iz plinskog ciklusa, iznosi:

V min=9,52[m3/ kg]

Gustina vazduha iznosi 1,2 m3/kg, dakle:

Vmin/kg=Vmin· ρ=9,52 ·1,2=11,424 [kg/kg goriva]

iz čega slijedi da za sagorijevanje 1 kg goriva je potrebno 11,424 kg vazduha.

Maseni protoci produkata sagorijevanja kroz plinkse turbine i utilizator su jednaki. Dakle, maseni protok produkata sagorijevanja mps na ulazu u utilizator dobivamo kao zbir potrošnje goriva i vazduha: