Development and calculation of a scheme for a combined gas-steam plant with deep utilization of heat and moisture

Мұқаба

Дәйексөз келтіру

Толық мәтін

Аннотация

Relevance. Saving natural gas, reducing heat and steam emissions into the environment through deep utilization of heat from exhaust gases in a waste heat boiler and heat and moisture in a condensation waste heat boiler.

Aim. Development of a combined gas-steam plant scheme and its calculation methods.

Objects. Combined gas-steam plant with the introduction of water vapor into the combustion chamber of a gas turbine and deep heat recovery in a waste heat boiler and a condensing heat and moisture recovery unit from the exhaust gases.

Methods. Numerical methods based on material and energy balances of systems and elements of gas-steam plants.

Results. The authors have developed the thermal scheme of a combined gas-steam plant with water vapor introduction into the combustion chamber of a gas turbine and deep heat recovery in a waste heat boiler and heat and moisture from exhaust gases in a condensing waste heat boiler. Rhey developed as well the algorithm for calculating this scheme. Based on this scheme the authors written the calculation program in the EXCEL spreadsheet package using the Coolprop database of functions for calculating thermodynamic and thermal physical parameters of substances. This program allows calculating indicators with changes in the outside air parameters, the fuel burned composition, the air compression degree in the compressor, the flow rate of steam introduced into the combustion chamber, the temperature of combustion products at the inlet of the gas turbine, the electrical load on the gas turbine generator, and the exhaust gases temperature at the outlet of the heat recovery unit. The paper introduces the example of the circuit calculation for one variant of the initial data. This example showed that with the given initial data, when using the heat leaving in the waste heat boiler and condensing heat recovery unit in additional Rankine cycles, it is possible to obtain, relative to the electric power of the gas turbine of 100 MW, an increase in power of 12.34 MW: of which 8.94 MW in the steam turbine and 3.40 MW in the turbine on a low-boiling working fluid. The electrical efficiency of the combined gas-steam plant was 57.68%: while the efficiency of the gas turbine was 51.35%, the efficiency of the steam turbine was 83.48% and the efficiency of the turbine on a low-boiling working fluid was 4.86%.

Авторлар туралы

Nikolay Galashov

National Research Tomsk Polytechnic University

Хат алмасуға жауапты Автор.
Email: gal@tpu.ru
ORCID iD: 0009-0005-5351-3584

Cand. Sc., Associate Professor

Ресей, 30, Lenin avenue, Tomsk, 634050

Evgeny Boldushevsky

JSC "SibIAC"

Email: franky575@rambler.ru

2nd Category Engineer, Adjustment and maintenance services

Ресей, 17, Stationnaya street, Kemerovo, 650021

Әдебиет тізімі

  1. Olkhovskiy G.G. Сombined cycle power plants in domestic thermal power engineering. Elektricheskie stantsii, 2020, vol. 1, pp. 21–28. (In Russ.)
  2. Manushin E.A. Modern high-capacity gas-turbine power-generating and combined-cycle plants of the world companies. Gazoturbinnye tekhnologii, 2020, vol. 3, pp. 2–8. (In Russ.)
  3. Olkhovskii G.G. The most powerful power-generating GTUS (review). Thermal Engineering, 2021, vol. 68, pp. 490–495. (In Russ.)
  4. Zysin V.A, Turchaninov B.V. Operation of gas-turbine combined-cycle plants in steam-and-gas cycle with a waste heat boiler. Energomashinostroenie, 1960, vol. 9, pp. 18–21. (In Russ.)
  5. Zysin V.A. Combined and combined-cycle gas installations and cycles. Moscow, Leningrad, GEI Publ., 1962. 186 p. (In Russ.)
  6. Arsenyev L.V., Tyryshkin V.G. Combined installations with gas turbines. St Petersburg, Mashinostroenie Publ., 1982. 247 p. (In Russ.)
  7. Galashov N.N., Tubolev A.A., Boldushevskiy E.S., Minor A.A. Impact of steam flow into a combustion chamber of a contact gas-steam installation on its energy characteristics. Bulletin of the Tomsk Polytechnic University. Geo Assets Engineering, 2024, vol. 335, no. 2, pp. 48–59. (In Russ.)
  8. Yuefei Xiong, Jiang Qin, Kunlin Cheng, Youyin Wang. Influence of water injection on performance of scramjet engine. Energy, 2020, vol. 201, pp. 117477–117490.
  9. Abubaker A.M., Darwish Ahmad A., Magableh M.N.A., Najjar Y.S.H. Efficiency boosting and steam saving for a steam-injected gas turbine engine: optimization study of the running conditions. Journal of Energy Engineering – ASCE, 2021, vol. 147 (1), pp. 732–748.
  10. Van Der Spek M., Bonalumi D., Manzolini G., Ramirez A., Faaij A.P.C. Techno-economic comparison of combined cycle gas turbines with advanced membrane configuration and MEA solvent at part load conditions. Energy and Fuels, 2018, vol. 32 (1), pp. 625–645.
  11. Stathopoulos P., Rähse T., Vinkeloe J., Djordjevic N. Steam injected Humphrey cycle for gas turbines with pressure gain combustion. Energy, 2019, vol. 188, p. 116020.
  12. Ziółkowski P., Kowalczyk T., Lemański M., Badur J. On energy, exergy, and environmental aspects of a combined gas-steam cycle for heat and power generation undergoing a process of retrofitting by steam injection. Energy ConverSI with Con and Management, 2019, vol. 192, pp. 374–384.
  13. Chmielewski M., Niszczota P., Gieras M. Combustion efficiency of fuel-water emulsion in a small gas turbine. Energy, 2020, vol. 211, pp. 118961–118985.
  14. Ivanov A.A., Ermakov A.N., Shlyakhov R.A. On the deep suppression of NOx and CO emissions in gas turbines with water or steam injection. Izvestiya RAN. Energetika, 2010, vol. 3, pp. 119–128. (In Russ.)
  15. Gordin K.A., Maslennikov V.M., Filimonova E.A. Assessment of the emission level of nitrogen oxides when steam with natural gas is supplied to the combustion chamber of a gas turbine installation. Thermophysics of high temperatures, 2013, vol. 51, no. 6, pp. 937–944. (In Russ.)
  16. Datsenko V.V., Zeygarnik Yu.A., Kosoy A.S. Experience in the use of water and steam to ensure environmental standards in conversion gas turbine engines. Teploenergetika, 2014, vol. 4, pp. 49–56. (In Russ.)
  17. Zaiguo Fu, Huanhuan Gao, Zhuoxiong Zeng, Jiang Liu, Qunzhi Zhu. Generation characteristics of thermal NOx in a double-swirler annular combustor under various inlet conditions. Energy, 2020, vol. 200, pp. 117487–117501.
  18. Zhao, Feng Liu, Anyao Jiao, Qiguo Yang, Hongtao Xu, Xiaowei Liao. Prediction model of NOx emissions in the heavy-duty gas turbine combustor based on MILD combustion. Energy, 2023, vol. 282, pp. 128974–128998.
  19. Farokhipour A., Hamidpour E., Amani E. A numerical study of NOx reduction by water spray injection in gas turbine combustion chambers. Fuel, 2018, vol. 212, pp. 173–186.
  20. Galashov N., Tsibulskiy S., Melnikov D., Kiselev A., Gabdullina A. Efficiency of utilization of heat of moisture from exhaust gases of heat HRSG of CCGT. MATEC Web of Conferences. Tomsk, 2017, pp. 01027–01031.
  21. Mokhtari H., Ahmadisedigh H., Ameri M. The optimal design and 4E analysis of double pressure HRSG utilizing steam injection for Damavand power. Energy, 2017, vol. 118, pp. 399–413.
  22. Gabdullina A.I., Galashov N.N., Tsibulskiy S.A., Melnikov D.V., Asanov I.A., Kiselev A.S. Promising direction of perfection of the utilization combine cycle gas turbine units. MATEC Web of Conferences. Tomsk, 2016, pp. 01004–01008.
  23. Machácˇková A., Kocich R., Bojko M., Kuncˇická L., Polko K. Numerical and experimental investigation of flue gases heat recovery via condensing heat exchanger. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2018, vol. 124, pp. 1321–1333.
  24. Araya S., Wemhoff A.P., Jones G. F., Fleischer A.S. An experimental study of an Organic Rankine Cycle utilizing HCFO-1233zde as a drop-in replacement for HFC-245fa for ultra-low-grade waste heat recovery. Applied Thermal Engineering, 2020, vol. 180, pp. 115757–115796.
  25. Liuchen Liu, Jinlu Wu, Fen Zhong, Naiping Gao, Guomin Cui. Development of a novel cogeneration system by combing organic rankine cycle and heat pump cycle for waste heat recovery. Energy, 2021, vol. 217, pp. 119445.
  26. Huijun Feng, Zhixiang Wu, Lingen Chen, Yanlin Ge. Constructal thermodynamic optimization for dual-pressure organic Rankine cycle in waste heat utilization system. Energy Conversion and Management, 2021, vol. 227, pp. 113585.
  27. Woodland B.J., Ziviani D., Braun J.E., Groll E.A. Considerations on alternative Organic Rankine Cycle congurations for low-grade waste heat recovery. Energy, 2020, vol. 217, pp. 116810–116827.
  28. Anurag Kumar, Dibakar Rakshit. A critical review on waste heat recovery utilization with special focus on Organic Rankine Cycle applications. Cleaner Engineering and Technology, 2021, vol. 5, pp. 100292–100318.
  29. Zhixin Sun, Yisheng Huang, Na Tian, Kui Lin. Performance improvement of ORC by breaking the barrier of ambient pressure. Energy, 2023, vol. 262, Part A, pp. 125408–125432.
  30. Galashov N.N., Tubolev A.A., Minor A.A., Bannova A.I. Parametric analysis of the gas-steam installation scheme using a mathematical model. Bulletin of the Tomsk Polytechnic University. Geo Assets Engineering, 2021, vol. 332, no. 12, pp. 124–135. (In Russ.)
  31. Galashov N.N., Tubolev A.A., Bespalov V.V., Minor A.A., Boldushevskiy E.S. Calculation of the parameters of the scheme of a gas-steam plant with deep utilization and heat release. Bulletin of the Tomsk Polytechnic University. Geo Assets Engineering, 2022, vol. 333, no. 12, pp. 124–135. (In Russ.)
  32. Bell Ian H., Wronski J., Quoilin S., Lemort V. Pure and pseudo-pure fluid thermophysical property evaluation and the open-source thermophysical property library CoolProp. Industrial & Engineering Chemistry Research, 2014, vol. 53, no. 6, pp. 2498–2508.
  33. Boldushevskiy E.S., Tubolev A.A., Galashov N.N. Surface heat recovery unit calculation algorithm. Collection of articles Butakov's readings. Tomsk, 2023. pp. 486–490.
  34. Galashov N.N., Tubolev A.A., Kiselev A.S. Calculation of the moisture content of the boiler flue gases at the outlet of the condensation heat recovery unit. Promyshlennaya energetika, 2018, no. 12, pp. 23–26. (In Russ.)
  35. Galashov N.N., Tsibulsky S.A. Analysis of the efficiency of steam-gas plants of the trinary type. Bulletin of the Tomsk Polytechnic University, 2014, vol. 325, no. 4, pp. 33–38. (In Russ.)
  36. Galashov N., Tsibulskiy S., Gabdullina A., Melnikov D., Kiselev A. Research of efficiency of the Organic Rankine Cycle on a mathematical model. MATEC Web of Conferences. Tomsk, 2017. pp. 01070–01074.
  37. Ehsan Amiri Rad, Saeed Mohammadi, Edris Tayyeban. Simultaneous optimization of working fluid and boiler pressure in an organic Rankine cycle for different heat source temperatures. Energy, 2020, vol. 194, pp. 116856–116868.
  38. Shukun Wanga, Chao Liua, Qibin Lia, Lang Liua, Erguang Huoa, Cheng Zhangc. Selection principle of working fluid for organic Rankine cycle based on environmental benefits and economic performance. Applied Thermal Engineering, 2020, vol. 178, pp. 115598–115612.

Қосымша файлдар

Қосымша файлдар
Әрекет
1. JATS XML
Жүктеу


Creative Commons License
Бұл мақала лицензия бойынша қолжетімді Creative Commons Attribution-ShareAlike 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».