Разработка комплексной энергетической установки с рекуперацией теплоты уходящих газов

  • Баидаа [Baidaa] Бу Дакка [Bu Dakka]
  • Ильдар [I′ldar] Айдарович [A.] Султангузин [Sultanguzin]
  • Юрий [Yuriy] Викторович [V.] Яворовский [Yavorovsky]
  • Сергей [Sergey] Юрьевич [Yu.] Курзанов [Kurzanov]
Ключевые слова: газотурбинный цикл, паротурбинный цикл, органический цикл Ренкина, абсорбционная холодильная машина, парниковые газы, рекуператор, водород, уходящие газы

Аннотация

Выполнено сравнение новых комбинированных теплоэнергетических установок для выработки электроэнергии. Рассматриваемые энергетические установки в основном состоят из газотурбинного и паротурбинного циклов в составе парогазовой установки, органических циклов Ренкина и абсорбционной холодильной машины. Топливо, используемое в системе, — 100%-й природный газ зимой или смесь из 80% природного газа и 20% водорода — летом. Повышение эффективности выработки энергии зависит от минимизации воздействия вредных выбросов на окружающую среду и увеличение рекуперации теплоты уходящих газов. В представленных установках рекуперированная отработанная теплота используется для выработки электроэнергии, подогрева и охлаждения. Описаны системы парогазовой установки с использованием абсорбционной холодильной машины с различными видами рекуперации теплоты уходящих газов.

На основе математического моделирования проведены анализ и сравнение рассматриваемых схем по энергетическому критериям. Для парогазовой установки с регенерацией и с органическим циклом Ренкина по схеме В получено, что данная система имеет высокую электрическую мощность около 543,6 МВт — летом и 515,8 МВт — зимой с КПД 66,94 и 66,47%. Повышение энергетической эффективности связано с использованием трёх рекуперативных теплообменников для подогрева воздуха в камере сгорания газотурбинного цикла, конденсата паротурбинного цикла и теплоносителя органического цикла Ренкина. Это, в свою очередь, приводит к росту КПД как газо-, так и паротурбинного циклов, а также органического цикла Ренкина, тем самым повышая общий КПД системы. Поскольку схема В не использует абсорбционную холодильную машину, она является наиболее экономичной.

Сведения об авторах

Баидаа [Baidaa] Бу Дакка [Bu Dakka]

аспирантка кафедры промышленных теплоэнергетических систем НИУ «МЭИ», e-mail: eng.baydaabod@gmail.com

Ильдар [I′ldar] Айдарович [A.] Султангузин [Sultanguzin]

доктор технических наук, профессор кафедры промышленных теплоэнергетических систем НИУ «МЭИ», e-mail: SultanguzinIA@mpei.ru

Юрий [Yuriy] Викторович [V.] Яворовский [Yavorovsky]

кандидат технических наук, заведующий кафедрой промышленных теплоэнергетических систем НИУ «МЭИ», e-mail: YavorovskyYV@mpei.ru

Сергей [Sergey] Юрьевич [Yu.] Курзанов [Kurzanov]

кандидат технических наук, доцент кафедры промышленных теплоэнергетических систем НИУ «МЭИ», e-mail: gv_lipetsk@rambler.ru

Литература

1. Bo Dakkah B. e. a. Choosing the Suitable Working Fluid to Recover Heat from Low-Temperature Sources // Proc. III Intern. Youth Conf. Radio Electron. Electr. Power Eng. Moscow, 2021. Pp. 1—5.
2. Цанев С.В., Буров В.Д., Ремезов А.Н. Газотурбинный и парогазовые установки тепловых электростанций М.: Изд-во МЭИ, 2002.
3. Soltani S., Mahmoudi S.M.S., Yari M., Rosen M.A. Thermodynamic Analyses of an Externally Fired Gas Turbine Combined Cycle Integrated with a Biomass Gasification Plant // Energy Convers. Manag. 2013. No. 70. Pp. 107—115.
4. Khanmohammadi S., Atashkari K., Kouhikamali R. Exergoeconomic Multi-objective Optimization of an Externally Fired Gas Turbine Integrated with a Biomass Gasifier // Appl. Therm. Eng. 2015. V. 91. Pp. 848—859.
5. Khanmohammadi S., Saadat-Targhi M., Al-Rashed A.A., Afrand M. Thermodynamic and Economic Analyses and Multi-objective Optimization of Harvesting Waste Heat from a Biomass Gasifier Integrated System by Thermoelectric Generator // Energy Convers. Manag. 2019. V. 195. Pp. 1022—1034.
6. Соколов Е.Я., Бродянский В.М. Энергетические основы трансформации тепла и процессов охлаждения. М.: Энергоиздат, 1981.
7. Athari H., Soltani S., Rosen M.A., Gavifekr M.K., Morosuk T. Exergoeconomic Study of Gas Turbine Steam Injection and Combined Power Cycles Using Fog Inlet Cooling and Biomass Fuel // Renew. Energy. 2016. V. 96. Pp. 715—726.
8. Camporeale S.M., Pantaleo A.M., Ciliberti P.D., Fortunato B. Cycle Configuration Analysis and Techno-economic Sensitivity of Biomass Externally Fired Gas Turbine with Bottoming ORC // Energy Convers. Manag. 2015. V. 105. Pp. 1239—1250.
9. Moharamian A., Soltani S., Rosen M.A., Mahmoudi S.M.S., Morosuk T. A Comparative Thermoeconomic Evaluation of Three Biomass and Biomass-natural Gas Fired Combined Cycles Using Organic Rankine Cycles // J. Clean. Prod. 2017. V. 161. Pp. 524—544.
10. Bo Dakkah B., Sultanguzin I.A., Yavorovsky Y.V., Badran B.E., Tina H.A. Experimental Study of the Recovery of Low Heat Using the Organic Rankine Cycle // Proc. III Int. Youth Conf. Radio Electron. Electr. Power Eng. Moscow, 2021.
11. Mahmoudi S.M.S., Zare V., Ranjbar F., Farshi L.G. Energy and Exergy Analysis of Simple and Regenerative Gas Turbines Inlet Air Cooling Using Absorption Refrigeration // J. Appl. Sci. 2009. V. 9(13). Pp. 2399—2407.
12. Bartenev A. I. e. a. Improving the Energy Efficiency of Gas Pumping Units Based on Absorption Heat Transformers // Proc. IV Int. Youth Conf. Radio Electron. Electr. Power Eng. Moscow, 2022.
13. Ameri M., Hejazi S.H. The Study of Capacity Enhancement of the Chabahar Gas Turbine Installation Using an Absorption Chiller // Appl. Therm. Eng. 2004. V. 24(1). Pp. 59—68.
14. Kwon H.M., Kim T.S., Sohn J.L., Kang D.W. Performance Improvement of Gas Turbine Combined Cycle Power Plant by Dual Cooling of the Inlet Air and Turbine Coolant Using an Absorption Chiller // Energy. 2018. V. 163. Pp. 1050—1061.
15. Singh O.K. Performance Enhancement of Combined Cycle Power Plant Using Inlet Air Cooling by Exhaust Heat Operated Ammonia-water Absorption Refrigeration System // Appl. Energy. 2016. V. 180. Pp. 867–879.
16. Cao Y., Mihardjo L.W.W., Dahari M., Tlili I. Waste Heat from a Biomass Fueled Gas Turbine for Power Generation via an ORC or Compressor Inlet Cooling via an Absorption Refrigeration Cycle: a Thermoeconomic Comparison // Appl. Therm. Eng. 2021. V. 182. P. 116117.
17. Osta-Omar S.M., Micallef C. Mathematical Model of a Lithium–bromide/Water Absorption Refrigeration System Equipped with an Adiabatic Absorber // Computation. 2016. V. 4(4). P. 44.
18. Yuksel Y.E., Ozturk M., Dincer I. Performance Investigation of a Combined Biomass Gasifier-SOFC Plant for Compressed Hydrogen Production // Intern. J. Hydrogen Energy. 2020. V. 45(60). Pp. 34679—34694.
19. Tukenmez N., Yilmaz F., Ozturk M. A Thermal Performance Evaluation of a New Integrated Gas Turbine-based Multigeneration Plant with Hydrogen and Ammonia Production // Int. J. Hydrogen Energy. 2021. V. 46(57). Pp. 29012—29026.
20. Пат. № 2779349 РФ. Рекуперационная энергетическая установка / Бу Дакка Б., Султангузин И.А., Яворовский Ю.В., Бартенев А.И. // Бюл. изобрет. 2022. № 25.
21. Rostamnejad Takleh H., Zare V. Employing Thermoelectric Generator and Booster Compressor for Performance Improvement of a Geothermal Driven Combined Power and Ejector-Refrigeration Cycle // Energy Convers. Manag. 2019. V. 186. Pp. 120—130.
22. Dincer I., Rosen M.A. Exergy: Energy, Environment and Sustainable Development. N.-Y.: Elsevier Sci., 2013.
23. Bejan A., Tsatsaronis G., Moran M.J. Thermal Design and Optimization. N.-Y.: John Wiley & Sons Inc., 1995
---
Для цитирования: Бу Дакка Баидаа, Султангузин И.А., Яворовский Ю.В., Курзанов С.Ю. Разработка комплексной энергетической установки с рекуперацией теплоты уходящих газов // Вестник МЭИ. 2025. № 1. С. 100—109. DOI: 10.24160/1993-6982-2025-1-100-109
---
Конфликт интересов: авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов
#
1. Bo Dakkah B. e. a. Choosing the Suitable Working Fluid to Recover Heat from Low-Temperature Sources. Proc. III Intern. Youth Conf. Radio Electron. Electr. Power Eng. Moscow, 2021:1—5.
2. Tsanev S.V., Burov V.D., Remezov A.N. Gazoturbinnyy i Parogazovye Ustanovki Teplovykh Elektrostantsiy M.: Izd-vo MEI, 2002. (in Russian).
3. Soltani S., Mahmoudi S.M.S., Yari M., Rosen M.A. Thermodynamic Analyses of an Externally Fired Gas Turbine Combined Cycle Integrated with a Biomass Gasification Plant. Energy Convers. Manag. 2013;70:107—115.
4. Khanmohammadi S., Atashkari K., Kouhikamali R. Exergoeconomic Multi-objective Optimization of an Externally Fired Gas Turbine Integrated with a Biomass Gasifier. Appl. Therm. Eng. 2015;91:848—859.
5. Khanmohammadi S., Saadat-Targhi M., Al-Rashed A.A., Afrand M. Thermodynamic and Economic Analyses and Multi-objective Optimization of Harvesting Waste Heat from a Biomass Gasifier Integrated System by Thermoelectric Generator. Energy Convers. Manag. 2019;195:1022—1034.
6. Sokolov E.Ya., Brodyanskiy V.M. Energeticheskie Osnovy Transformatsii Tepla i Protsessov Okhlazhdeniya. M.: Energoizdat, 1981. (in Russian).
7. Athari H., Soltani S., Rosen M.A., Gavifekr M.K., Morosuk T. Exergoeconomic Study of Gas Turbine Steam Injection and Combined Power Cycles Using Fog Inlet Cooling and Biomass Fuel. Renew. Energy. 2016;96:715—726.
8. Camporeale S.M., Pantaleo A.M., Ciliberti P.D., Fortunato B. Cycle Configuration Analysis and Techno-economic Sensitivity of Biomass Externally Fired Gas Turbine with Bottoming ORC. Energy Convers. Manag. 2015;105:1239—1250.
9. Moharamian A., Soltani S., Rosen M.A., Mahmoudi S.M.S., Morosuk T. A Comparative Thermoeconomic Evaluation of Three Biomass and Biomass-natural Gas Fired Combined Cycles Using Organic Rankine Cycles. J. Clean. Prod. 2017;161:524—544.
10. Bo Dakkah B., Sultanguzin I.A., Yavorovsky Y.V., Badran B.E., Tina H.A. Experimental Study of the Recovery of Low Heat Using the Organic Rankine Cycle. Proc. III Int. Youth Conf. Radio Electron. Electr. Power Eng. Moscow, 2021.
11. Mahmoudi S.M.S., Zare V., Ranjbar F., Farshi L.G. Energy and Exergy Analysis of Simple and Regenerative Gas Turbines Inlet Air Cooling Using Absorption Refrigeration. J. Appl. Sci. 2009;9(13):2399—2407.
12. Bartenev A. I. e. a. Improving the Energy Efficiency of Gas Pumping Units Based on Absorption Heat Transformers. Proc. IV Int. Youth Conf. Radio Electron. Electr. Power Eng. Moscow, 2022.
13. Ameri M., Hejazi S.H. The Study of Capacity Enhancement of the Chabahar Gas Turbine Installation Using an Absorption Chiller. Appl. Therm. Eng. 2004;24(1):59—68.
14. Kwon H.M., Kim T.S., Sohn J.L., Kang D.W. Performance Improvement of Gas Turbine Combined Cycle Power Plant by Dual Cooling of the Inlet Air and Turbine Coolant Using an Absorption Chiller. Energy. 2018;163:1050—1061.
15. Singh O.K. Performance Enhancement of Combined Cycle Power Plant Using Inlet Air Cooling by Exhaust Heat Operated Ammonia-water Absorption Refrigeration System. Appl. Energy. 2016;180:867–879.
16. Cao Y., Mihardjo L.W.W., Dahari M., Tlili I. Waste Heat from a Biomass Fueled Gas Turbine for Power Generation via an ORC or Compressor Inlet Cooling via an Absorption Refrigeration Cycle: a Thermoeconomic Comparison. Appl. Therm. Eng. 2021;182:116117.
17. Osta-Omar S.M., Micallef C. Mathematical Model of a Lithium–bromide/Water Absorption Refrigeration System Equipped with an Adiabatic Absorber. Computation. 2016;4(4):44.
18. Yuksel Y.E., Ozturk M., Dincer I. Performance Investigation of a Combined Biomass Gasifier-SOFC Plant for Compressed Hydrogen Production. Intern. J. Hydrogen Energy. 2020;45(60):34679—34694.
19. Tukenmez N., Yilmaz F., Ozturk M. A Thermal Performance Evaluation of a New Integrated Gas Turbine-based Multigeneration Plant with Hydrogen and Ammonia Production. Int. J. Hydrogen Energy. 2021;46(57):29012—29026.
20. Pat. № 2779349 RF. Rekuperatsionnaya Energeticheskaya Ustanovka. Bu Dakka B., Sultanguzin I.A., Yavorovskiy Yu.V., Bartenev A.I. Byul. Izobret. 2022;25. (in Russian).
21. Rostamnejad Takleh H., Zare V. Employing Thermoelectric Generator and Booster Compressor for Performance Improvement of a Geothermal Driven Combined Power and Ejector-Refrigeration Cycle. Energy Convers. Manag. 2019;186:120—130.
22. Dincer I., Rosen M.A. Exergy: Energy, Environment and Sustainable Development. N.-Y.: Elsevier Sci., 2013.
23. Bejan A., Tsatsaronis G., Moran M.J. Thermal Design and Optimization. N.-Y.: John Wiley & Sons Inc., 1995
---
For citation: Baidaa Bu Dakka, Sultanguzin I.A., Yavorovsky Yu.V., Kurzanov S.Yu. Development of an Integrated Power Plant with Exhaust Gas Heat Recovery. Bulletin of MPEI. 2025;1:100—109. (in Russian). DOI: 10.24160/1993-6982-2025-1-100-109
---
Conflict of interests: the authors declare no conflict of interest
Опубликован
2024-10-24
Раздел
Теоретическая и прикладная теплотехника (технические науки) (2.4.6)