Az összekapcsolt gáz-g z körfolyamatok termodinamikai alapjai A manapság használatos gázturbinák kipufogógázai nagy h potenciállal rendelkeznek (kb. 400-600 °C). Kézenfekv ezt az energiát kiaknázni. Ezt megvalósíthatjuk, ha egy g zkörfolyamatot „ültetünk” a gázturbina körfolyamatra. Ezt a kapcsolatot szemlélteti az alábbi ábra:
A gázturbina környezeti nyomásról ( p1 ) és h mérsékletr l ( t1 ) leveg t szív be és a kompresszor p2 nyomásra komprimálja, miközben h mérséklete t2 -re emelkedik. A kompresszió végh mérsékletét adiabatikus, veszteségmentes munkafolyamatnál meghatározhatjuk számítással: t 2 ad = (t1 + 273)
1
273 , ahol
=
p2 a kompresszió nyomásviszonya p1
A valóságos kompresszió végh mérsékletet a kompresszor hatásfokának ismeretében számíthatjuk: t2 = t1 +
t2 ad
t1 k
, ahol
k
a kompresszor hatásfoka
A tüzel térben B& ta tömegáramú tüzel anyagot égetnek el, ami az alábbi bels energiaáram növekedést okozza: Q& beGT = B& ta H i ,
ahol H i a tüzel anyag f4t értéke.
Modern gázturbinák tüzel terébe ezen felül el melegített tápvizet vagy g zt szoktak befecskendezni a NOx csökkentés és h4tés érdekében, ami tovább bonyolítja a bevezetett h meghatározását. A h mérséklet evvel egyetemben izobár, veszteségmentes h bevezetéssel t3 ra n . A nagy nyomású és magas h mérséklet4 égéstermékek a turbina részben expandál. Az expanzió adiabatikus, veszteségmentes végh mérsékletét meghatározhatjuk: t4 ad =
t3 + 273 1
=
273 , ahol
p2 az expanzió nyomásviszonya p1
A valóságos expanzió végh mérséklete: t4 = t3
t
(t3
t4 ad ) , ahol
t
a turbina hatásfoka
Ezen füstgázok h tartalmát lehet részben hasznosítani h hasznosító kazánnal, amivel az ábra szerint mutatott esetben egy nyomásfokozaton, túlhevített g zt termelnek. A h mérleg a következ , ha a kazán falazatán veszteségként elszivárgó h mennyiséget elhanyagoljuk: Q& ki1GT = Q& be
A tápvíz ill. g z h felvétele 6-9 állapotváltozások sorozatán keresztül megy végbe. A tápvíz alsó és túlhevített g z fels h mérséklete a h hasznosító véges f4t felületei miatt minden esetben az alábbi módon alakulnak: t9 < t 4 t5 > t6 A 9-10 vonalon expandáltatják azt g zturbinában, majd a nedves mez ben lév ( x 0,87 ) fáradt g zt lekondenzáltatják a 11-es állapotig. A tápvíz nyomását gáztalanítás után tápszivattyú emeli a h felvétel nyomásszintjére. Ezzel a g zkörfolyamat bezárult. A gázturbina körfolyamata a környezetben zárul izobár h leadással az 5 -ös és 1 -es pontok között. Ily módon a tüzel anyag kémiailag kötött energiatartalmát két helyen „csapolják” meg. El ször a gázturbinában, ami generátorral van összekapcsolva. Az itt leadott tengelyteljesítmény a turbina és a kompresszor teljesítménye közötti különbség: PGT = Pt
Pk
A turbina leadott teljesítménye:
Pt = m& fg c pfg (T3 T4 )
t
= m& fg c pfg T3 1
1
1
t
,
ahol T3 , T4 az adiabatikus
expanzióhoz tartozó termodinamikai végh mérsékletek, c pfg a füstgáz izobár fajh je, m& fg a p2 a nyomásviszony, pedig a füstgáz adiabatikus kitev je. p1 Hasonlóképpen a kompresszor felvett teljesítménye: =
füstgáz tömegárama,
Pk = m& lev c plev (T2 T1 )
1
1
= m& lev c plev T1
1
1
k
,
ahol T2 , T1 az adiabatikus
k
kompresszióhoz tartozó termodinamikai végh mérsékletek, c plev a leveg izobár fajh je, m& lev p2 a nyomásviszony, pedig a leveg adiabatikus kitev je. p1 A g zturbina tengelyteljesítményét teljesen hasonló módon számíthatjuk a gázturbina tengelyteljesítményéhez: =
a füstgáz tömegárama,
Pg = m& g c pg (T9 T10 )
t
= m& g c pg T9 1
1
1 t
,
ahol T9 , T10 az adiabatikus
expanzióhoz tartozó termodinamikai végh mérsékletek, c pg a g z izobár fajh je, m& g a g z p2 a nyomásviszony, pedig a g z adiabatikus kitev je. p1 A fentieket felhasználva a kombinált ciklus villamos hatásfoka:
tömegárama,
=
PGT
+ Pg
v
=
vGT
vg
Q& beGT
H hasznosító kazánokról általában A fokozódó energiaigény és a környezetvédelem új elvárásokat támaszt az energetikában. Olyan technológiák tejednek az energiatermelésben, ahol kevesebb primer energiahordozóval állítanak el ugyan akkora villamos energiát, mint a hagyományos g zkörfolyamatot (Rankine) megvalósító er m4vekben. Ilyenek például a szénelgázosításos(Integrated Gasification Combined Cycle Power Plant - IGCCPP), a kombinált gáz-g z ciklusú- (Combined Cycle Power Plant-CCPP) er m4vek. Ipari folyamatokban keletkez h hasznosítására is sok helyen látunk példát; amivel vagy az ipartelep elektromos önfogyasztás igényének részleges vagy esetenként teljes hányadát termelik meg, vagy pedig az integrált villamos energia hálózatra szolgáltatnak energiát.
A korszer4 villamos energiatermel er m4vek és az ipari „hulladékh t” hasznosító létesítmények fontos berendezése az un. h hasznosító kazán (Waste Heat Recovery, Heat Recovery Steam Generator – HRSG). H hasznosító kazánok alatt g ztermel (forró víz, vagy használati melegvíz termel ) h cserél ket értünk. H hasznosító kazánokat a fentieknek megfelel en csoportosíthatjuk a felhasznált h eredete szerint. Így megkülönböztetünk energetikai eredet4, illetve ipari eredet4 h forrásokat. Az els csoportba tartoznak a kombinált ciklusú er m4vek gázturbinájának kipufogógázait kiaknázó h hasznosító kazánok. A második csoportba, pedig az erre alkalmas technológiák (pl. köolajfinomítás), vagy pl. kohászati eljárások hulladékh jét felhasználó h hasznosító kazánok. Megkülönböztetjük a h hasznosítókat a termelt g z nyomásfokozatai szerint. Egy-, kett -, három- (1. ábra), ill. négy nyomásfokozatú kazánokat gyártanak.
1. ábra Lehetnek a g zkörfolyamat alapján újrahevítésesek (2. ábra a simmeringi kombinált ciklusú er m4 g z-újrahevítéses h kapcsolását mutatja), vagy újrahevítés nélküliek.
2. ábra Egy másik lehetséges különbségtételi szempont lehet a termelt g z min sége. Telített-, túlhevített-, szubkritikus-, ill. szuperkritikus g ztermel k léteznek. Csoportosíthatók a tápvíz (termelt g z) keringtetése szerint. Kényszerített vagy természetes cirkulációjú kazánokról beszélhetünk. Külön csoportba lehet ket a szerint is sorolni, hogy a h hasznosítás folyamán a füstgázok függ leges vagy vízszintes csatornában áramlanak. Általában a vízszintes füstgázáramú (3. ábra) h hasznosítók természetes cirkulációjúak, a függ leges füstgázáramúak (4. ábra) pedig kényszerített tápvíz áramlásúak.
3. ábra
4. ábra
Végül a felhasznált h felszabadulásának helye szerint is csoportosíthatunk. Így, csak küls h felszabadulásból származó h t hasznosító berendezésekr l, vagy a kazánon belüli h felszabadulást is kiaknázó rendszerr l van szó. Ezeket rövidebben póttüzelés nélküli, ill. póttüzelés4 (5. ábra) (hot wind repowering) h hasznosító kazánoknak hívják.
5. ábra
