Dr.ing. Pavel ATNSOAE

INSTALAII DE COGENERARE DE MEDIE I MIC PUTERE

- PROIECT -

CALCULUL TERMIC AL UNEI INSTALAII DE COGENERARE CU TURBIN

CU GAZE

1. DATE DE INTRARE

1. Puterea electric la bornele generatorului: nPB += 5001000 [kW]

n nr. din grup

2. Presiunea atmosferic: 013,10 =p [bar]

3. Temperatura atmosferic: 150 =t [C]

4. Umiditatea relativ: 600 = [%]

5. Raportul de compresie: 16=K

6. Temperatura superioar a ciclului termodinamic: 12003 =t [C]

7. Combustibil: gaz metan cu puterea calorific inferioar: 51100=iH [kJ/kg]

8. Densitatea gazului metan: 68,04 =CH [kg/m3]

9. Debitul masic specific de aer introdus n camera de ardere: 7,170 =am [kgaer/kgcomb]

10. Cldura specific a aerului: 1,1=pc [kJ/kgK]

11. Coeficientul adiabatic: 35,1=

12. Durata de funcionarea anual la sarcina nominal: 4800=an [ore]

2

2. CALCULUL REGIMULUI NOMINAL PENTRU INSTALAIA DE TURBIN CU GAZE

Schema de principiu a ITG:

FA filtru de aer;

K compresor;

CA camer de ardere;

B combustibil;

TG turbin cu gaze;

G generator electric;

CR cazan recuperator.

FA

K

CA

TG G

~

CR

0

1

2

B

3

4

5

3

2.1. Calculul procesului de compresie

Punctul de intrare n filtrul de aer

Se cunosc:

- presiunea atmosferic: p0 = 1,013 [bar]

- temperatura atmosferic: t0 =15 [C]

- umiditatea relativ a aerului: 0 = 60 [%]

- cldura specific a aerului: cp = 1,1 [kJ/kgK]

Temperatura atmosferic absolut:

15,27300 += tT [K]

Entalpia aerului la intrare:

00 Tci p = [kJ/kg]

Punctul de intrare n compresor

n filtrul de aer are loc un proces de laminare. Se consider cderea de presiune pe

filtrul de aer p01 = 0,05 bar.

Rezult parametrii punctului 1:

0101 ppp = [bar]

01 TT = [K]

01 ii = [kJ/kg]

Punctul de ieire din compresor

Procesul teoretic din compresor este o izentrop. Aplicnd relaiile termodinamice

corespunztoare acestei transformri de stare, rezult temperatura i entalpia specific

teoretic la ieirea din compresor:

1

12

= kt TT [K]

n care:

k raportul de compresie al compresorului;

coeficientul adiabatic.

Entalpia specific teoretic:

tpt Tci 22 = [kJ/kg]

Randamentul politropic al compresorului se determin cu relaia:

300

193,0

= kk

Rezult parametrii punctului real la ieirea din compresor:

4

- entalpia:

k

t iiii

1212

+= [kJ/kg]

- temperatura:

pc

iT 22 = [K]

- presiunea:

kpp = 12 [bar]

2.2. Bilanul termic al camerei de ardere

Se urmrete determinarea debitului specific de combustibil ars pentru 1 kg de aer

intrat n compresor n condiiile n care este impus temperatura T3.

Pentru a asigura omogenitatea relaiei de bilan energetic, entalpiile specifice i

cldurile specifice la presiune constant sunt raportate la temperatura pentru care a fost

definit puterea calorific inferioar Tref (Tref = 293,15 K).

Ecuaia de bilan masic:

[ ] [ ] [ ]ITGITG bb +=+ 11 Ecuaia de bilan energetic:

[ ] ( ) [ ] ( ) [ ] [ ] ( )refpITGiITGCArefcpcITGrefp TTcbHbTTcbTTc +=++ 32 11

CAMERA DE ARDERE

Combustibil

Aer Gaze de ardere

QCA

[ ] ( ) [ ] iITGrefcpITG HbTTcb +

[ ] ( )refpITG TTcb + 31

[ ] ( )refp TTc 21

5

Pierderile de cldur aprute n procesul de ardere QCA sunt evideniate prin

randamentul camerei de ardere CA (CA = 0,998).

Componenta corespunztoare entalpiei sensibile a combustibilului poate fi neglijat:

( ) 0= refcpcITG TTcb Rezult debitul specific de combustibil:

( )

( )refpiCApITG

TTcH

TTcb

=

3

23

[kg comb./kg aer]

Temperatura la intrarea n turbina cu gaze:

15,27233 += tT [K]

Excesul de aer n camera de ardere:

0

1

aITG mb

=

n care:

ma0 debitul masic specific de aer introdus n camera de ardere [kg aer/kg comb.]

2.3. Calculul procesului de destindere

Punctul de intrare n turbina cu gaze

Se consider pierderea de presiune n camera de ardere:

07,023 =p [bar]

Rezult parametrii de intrare n ITG:

- presiunea:

2323 ppp = [bar]

- entalpia:

33 Tci p = [kJ/kg]

Punctul de ieire din turbina cu gaze

Pierderea de presiune n cazanul recuperator se consider:

2,045 =p [bar]

n condiiile n care p5 = p0, rezult presiunea la ieire din turbina cu gaze:

4554 ppp += [bar]

Raportul de destindere n turbina cu gaze:

4

3

p

pTG =

6

Procesul teoretic din turbina cu gaze este o izentrop. Aplicnd relaiile

termodinamice corespunztoare acestei transformri de stare, rezult temperatura i entalpia

specific teoretic la ieirea din turbin:

=1

34 TGt TT [K]

tpt Tci 44 = [kJ/kg]

Randamentul politropic al turbinei cu gaze se determin cu relaia:

250

195,0

= TGTG

Rezult parametrii punctului real la ieirea din turbina cu gaze:

- entalpia:

( ) TGtiiii = 4334 [kJ/kg]

- temperatura:

pc

iT 44 = [K]

2.4. Calculul indicatorilor specifici ITG

Lucrul mecanic specific consumat de compresor pentru 1 kg de aer aspirat:

12 iiLK = [kJ/kg]

Lucrul mecanic specific produs de turbina cu gaze:

( )( )431 iibL ITGTG += [kJ/kg] Lucrul mecanic specific produs de ITG:

KTGITG LLL = [kJ/kg]

Puterea termic specific preluat la sursa cald a ciclului ITG pentru 1 kg de aer aspirat de

compresor:

CAiITG HbQ =1 [kJ/kg]

Randamentul termic al ITG:

1Q

LITGt =

Randamentul brut de producere a energiei electrice al ITG:

trgmCAtB =

n care:

7

m randamentul mecanic al turbinei (m = 0,992);

g randamentul generatorului electric (g = 0,984);

tr randamentul transmisiei dintre turbin i generatorul electric (tr = 1);

Randamentul net de producere a energiei electrice al ITG:

( ) SItrgmCAtSItrgmCAtE == 1

unde:

SI reprezint consumul de energie electric pentru serviciile interne ale centralei de

cogenerare (SI = 5 %) . Rezult randamentul serviciilor interne: SI = 95 %.

3. CALCULUL CONSUMULUI DE COMBUSTIBIL I A DEBITELOR DE FLUIDE

PURTTOARE DE ENERGIE

Cunoscndu-se puterea electric la bornele generatorului electric se pot calcula:

3.1. Debitul de combustibil introdus n camera de ardere:

iB

B

H

PB

=

[kg/s]

3.2. Debitul de aer aspirat de compresor:

BmD aaer = 0 [kg/s]

3.3. Debitul de gaze de ardere evacuat din turbin:

BDD aerga += [kg/s]

4. BILANUL TERMIC AL CAZANULUI RECUPERATOR

abur

ap

PQ

5

4

CR

8

Gazele de ardere evacuate din turbina cu gaze au un potenial termic destul de ridicat,

temperatura lor fiind cuprins n mod uzual ntre 400 i 600 C. n aceste condiii devine

interesant recuperarea cldurii coninut n aceste gaze de ardere n scopul producerii de abur

sau ap fierbinte pentru alimentarea unor consumatori urbani sau industriali.

Puterea termic recuperat din gazele de ardere evacuate din turbin:

( )54 TTcDQ pgaR = [kW]

15,27355 += tT [K]

Pentru temperatura gazelor de ardere evacuate n atmosfer se consider valoarea

t5 = 125 C, valoare impus pentru evitarea punctului de rou.

Puterea termic coninut n aburul livrat consumatorului termic:

CRRQ QP = [kW]

n care:

CR randamentul cazanului recuperator (CR = 0,98).

5. CALCULUL INDICATORILOR TEHNICI CARACTERISTICI SOLUIEI DE

COGENERARE

5.1. Gradul de recuperare al cldurii evacuate din ITG

4Q

PQ=

n care Q4 este cldura coninut n gazele de ardere evacuate din turbin:

( )tCAiHBQ = 14 [kW]

5.2. Indicele de cogenerare este definit ca fiind raportul dintre puterea electric la bornele

generatorului i puterea termic produs pentru a fi livrat:

Q

B

P

Py =

kW

kW

6. CALCULUL RANDAMENTULUI GLOBAL DE PRODUCERE A ENERGIEI

ELECTRICE I TERMICE PENTRU INSTALAIA DE COGENERARE

CONSIDERAT

Expresia randamentului global brut de utilizare a energiei primare este urmtoarea:

i

QBbrutgl HB

PP

+=.

9

Randamentul global net al instalaiei de cogenerare considerat:

QEi

QEgl HB

PP +=

+=

unde puterea electric livrat PE:

SIBE PP = [kW]

Randamentul de producere a energiei electrice n instalaia de cogenerare:

i

EE HB

P

=

Randamentul de producere a cldurii n instalaia de cogenerare:

i

QQ HB

P

=

7. DEFINITIVAREA SCHEMEI TERMICE CU INDICAREA PRINCIPALELOR

MRIMI PE SCHEM

FA

K

CA

TG G

~

CR

t0= [C]

PQ= [kW]

t1= [C]

t2= [C]

Daer= [kg/s]

B= [kg/s]

t3= [C]

Dga= [kg/s]

t4= [C]

t5= [C]

PB= [kW]

10

8. ECONOMIA DE ENERGIE PRIMAR LA FUNCIONAREA N COGENERARE

N COMPARAIE CU PRODUCEREA SEPARAT A CLDURII I A ENERGIEI

ELECTRICE

Consumul de combustibil la funcionarea n cogenerare:

gl

QEcogen

PPW

+= [kW]

unde:

QEgl += iar SIBE PP = [kW]

Consumul de combustibil la producerea separat a energiei electrice n CTE i a

cldurii n CT:

CT

Q

CTE

Esep

PPW

+= [kW]

unde CTE i CT reprezint randamentele de producere a energiei electrice n CTE

respectiv a cldurii n CT.

Se consider urmtoarele valori de referin:

36=CTE [%]

90=CT [%]

E

Q gl

PE CTE

CT PQ

WCTE

WCT WCogen

Cogenerare Producere separat

Central de cogenerare

CTE

CT

Pierderi Pierderi

Pierderi

11

Economia de combustibil (energie primar) la funcionarea n cogenerare n

comparaie cu producerea separat a caldurii i a energiei electrice:

cogensep WWW = [kW]

sau:

iH

WB

= [kg/s]

sau:

iCH H

WB

=4

[m3/s]

Economia orar de combustibil:

iCH H

WB

=4

3600

[m3/h]

Economia anual de combustibil pentru durata de funcionare la sarcina nominal an:

anan BB = 3600 [m3/an]

Economia de energie primar (Primary Energy Saving):

CT

Q

CTE

E

PES

+

=1

1 [%]

9. REDUCEREA EMISIILOR DE CO2 LA FUNCIONAREA N COGENERARE

FA DE PRODUCEREA SEPARAT

Coeficientul emisiilor de CO2 la funcionarea pe combustibil CH4:

251,04 =CHc [kg CO2/kWhcombustibil]

Emisia orar de CO2 la funcionarea separat (se consider c si la funcionarea separat, se

consum tot combustibil gaz natural n CTE i CT):

sepCHsepCO WcE = 42 [kg CO2]

Emisia orar de CO2 la funcionarea n cogenerare:

cogenCHcogenCO WcE = 42 [kg CO2]

Reducerea orar a emisiilor de CO2 la funcionarea n cogenerare:

cogenCOsepCOCO EEE 222 = [kg CO2]

Pentru durata anual de funcionare considerat an , emisiile de CO2 se reduc cu cantitatea:

anCOanCO EE = 22 [kg CO2]