Библиографическое описание:

Лоскутников А. А., Сенюшкин Н. С., Горюнов И. М., Султанов Р. Ф., Белобровина М. В. Формирование базовой математической модели КЭУ ГТУ // Молодой ученый. — 2013. — №3. — С. 69-71.


Один из известных способов повышения КПД энергоустановок (ЭУ) на базе ГТД, это создание комбинированных ЭУ (КЭУ) различной степени сложности, в том числе с топливными элементами. В последнее время в такие КЭУ активно внедряются топливные элементы (ТЭ), которые в перспективе могут обеспечить КПД ЭУ до 80 % [1].

Из множества существующих классификаций ТЭ наиболее удачной является классификация по типу электролита: щелочные (ЩТЭ), фосфорнокислые (ФКТЭ), протонопроводящие или твердополимерные (ТПТЭ), с расплавленным карбонатом (РКТЭ) и твердооксидные (ТОТЭ).

Наиболее перспективными для использования в энергетике являются ТОТЭ (SOFC — Solid oxide fuel cell), особенность которых заключается в том, что электрическая проводимость электролитов на основе оксидов циркония и иттрия становится приемлемой при температуре выше 1173К. ТОТЭ также наиболее эффективны при совместной работе с газотурбинными установками (ГТУ) за счет рабочей температуры 1173–1273К.

Основным видом топлива в ТОТЭ служит водород, а окислителем — кислород воздуха. Отличительной способностью ТОТЭ является возможность производить как электроэнергию, так и высокопотенциальную теплоту, которую можно использовать в циклах ГТУ, паротурбинной установки (ПТУ) или парогазовой установки (ПГУ).

КПД по выработке электроэнергии КЭУ на базе ГТУ и ТЭ может достигать более 70 %. В настоящее время диапазон рассматриваемых мощностей таких КЭУ — от 200 кВт до 10 МВт. Крупные корпорации уже проявили интерес к таким КЭУ, продемонстрировав первые КЭУ мощностью 1 МВт (Rolls-Royce Fuel Cell Ltd развивает ТЭ пригодные для КЭУ от 20 кВт до ЭУ мегаваттного класса с КПД порядка 90 %) [7].

Известные в настоящее время математические модели и программные средства моделирования ГТД: комплексные математические модели ЦИАМ, ГРАД, GasTurb, GSP, GECAT, Ebsilon Professional, United cycle, ОГРА, АСТРА, некоторые программы, например, GasTurb, АСТРА, ОГРА — предназначены для моделирования определенных схем ГТД, другие являются универсальными и предоставляют большие функциональные возможности, обеспечивают естественную среду для создания и модификации модели.

В перечисленных комплексах отсутствует математическая модель ТЭ, что делает невозможным выполнение системных исследований рабочих процессов ТЭ, а также КЭУ на их основе. В Объединенном институте высоких температур РАН созданы программные продукты инженерного расчета ЭУ открытого цикла на углеводородном топливе. Основным достоинством работы является использование обращения к свойствам среды термодинамической модели рабочего тела, представляющего собой двухфазную многокомпонентную химически реагирующую систему. На основании этого рассчитывается как термодинамика горения в КС, так и реакции через электролит в ТЭ. Данный программный продукт не рассчитывает пароводяную конверсию углеводородного топлива в ТЭ, а также позволяет производить расчет только основной электрохимической реакции, пренебрегая многоступенчатыми превращениями и смешениями, происходящими в ТЭ.

Анализ особенностей работы ТЭ и систем математического моделирования выявил необходимость разработки алгоритма расчета ТОТЭ, который позволит достаточно точно и оперативно проводить расчеты различных схем и режимов работы КЭУ с ТОТЭ. Учет основных значимых факторов элементов ЭУ позволит осуществлять учет влияния изменения физических свойств рабочего тела на характеристики элементов КЭУ.

В модуль SOFC входят три информационных потока: топливо, окислитель, водяной пар (см. шаг 1 алгоритма).

На 2-ом шаге алгоритма рассчитывается смесь топлива и водяного пара для расчета ПВК топлива. К примеру, реакция ПВК метана происходит следующим образом [1]:

На 3-ем шаге рассчитываются равновесные параметры реакции ПВК. Необходимая часть полученного в результате ПВК водорода и кислород воздуха смешиваются, но без прохождения основной реакции окисления в ТЭ (шаг 4 алгоритма). Производится расчет парциальных давлений водорода и кислорода для основной реакции на входе в основную камеру ТЭ. На 5 шаге алгоритма рассчитывается реакция окисления водорода кислородом воздуха, определяются температуры продуктов реакции, а также парциальные давления продуктов и исходных веществ. Расчет основных электрохимических параметров ТЭ происходит на 6-ом шаге алгоритма.

При использовании продуктов ПВК углеводородов на электродах ТОТЭ протекают следующие основные потенциалобразующие реакции:

Н2 + О-2 = Н2О (Г) (на аноде); (2)

СО + О-2 = СО2 (на аноде); (3)

О2 + 4е = 2 О-2 (на катоде). (4)

Суммарные токообразующие реакции в ТОТЭ:

2 + О2 = 2Н2О; (5)

2СО + О2 = 2СО2. (6)


Математическая модель, базирующаяся на законах сохранения массы, энергии и уравнениях электрохимических реакций, служит главным образом для определения ЭДС ТЭ, так как ЭДС представляет собой отношение полной работы, совершаемой источником тока при перемещении единичного заряда по электрической цепи к величине этого заряда. Энергия химической реакции окисления топлива трансформируется в электрическую и тепловую энергию.

К основным параметрам ТОТЭ относятся:

— ЭДС:

(7)

где: pатм — стандартное атмосферное давление;

Fпостоянная Фарадея, равная 96500 Кл/ (моль. экв);

Rмолярная газовая постоянная, равная 8,3144 Дж/ (моль. К).

— сопротивление ТЭ в зависимости от расхода водорода на ТЭ и температуры основной электрохимической реакции. Зависимость получена авторами по экспериментальным данным, опубликованным в [1,7], приведена на рис. 3. Значения расхода водорода и сопротивления в точке образмеривания соответствуют расчетному режиму.

Созданный программный модуль SOFC официально зарегистрирован в Российском Агентстве по Патентам и Товарным Знакам (РОСПАТЕНТ), свидетельство № 2009613945 от 24.07.2009. Модуль SOFC, встроенный в систему моделирования DVIGwT позволяет исследовать различные схемы КЭУ на базе ГТД и ТОТЭ.

Для оценки работоспособности и адекватности разработанного алгоритма, программного модуля SOFC в системе DVIGwT, выполнены моделирования ячейки ТОТЭ как планарной конструкции, так и трубчатой конструкции в составе электрохимического генератора (ЭХГ) мощностью 1 кВт, описанного в [4].

В системе моделирования DVIGwT, с включенным модулем SOFC создана структурная схема модели ТОТЭ. Номенклатура параметров, передающихся по потокам, а также составы топлива и окислителя соответствуют принятым для программного комплекса DVIGwT [3,4].

Отличия экспериментальных параметров и параметров, полученных расчетом в модуле SOFC, не превышают 3 %.

Моделирование ЭХГ модуля ТОТЭ для макета ЭУ мощностью 1 кВт произведено по методике проведения экспериментов, представленной в [1]. ЭХГ состоит из последовательно соединенных 16 батарей ТОТЭ Р111-Л305.030, каждая батарея в свою очередь — из 8 трубчатых ТОТЭ, соединенных параллельно [1].

Максимальное отклонение рассчитанных характеристик параметров ЭХГ не превышает 3,35 % в сравнении данными эксперимента.

Расхождение экспериментальных и рассчитанных величин объясняется отсутствием учета влияния катализатора на процессы в ТОТЭ в программном продукте. Экспериментальные данные получены также с определенной погрешностью.

Для снижения себестоимости электрической и тепловой энергии ОАО «НПП «Мотор» создало блочно — модульную ГТЭ-10/95БМ номинальной электрической мощностью 8–10 МВт и тепловой производительностью 17–19 Гкал/час с суммарным коэффициентом использования топлива более 80 %. Установка ГТЭ-10/95БМ создана конвертированием авиационного двигателя Р95Ш.

Проверка созданной в программном комплексе DVIGwT математической модели ГТЭ показала, что отклонение результатов расчетных параметров с экспериментальными данными разработчика не превышает 1 %, и подтверждает адекватность созданной модели.

Рассмотрим предложенные расчетные схемы КЭУ с ТОТЭ для повышения эффективности базовой ГТЭ 10 МВт.

Давление воздуха за компрессом низкого давления (КНД) составляет 0,3 МПа при номинальной мощности 8 МВт. ТОТЭ в этой схеме питается окислителем, отобранным за КНД (схема № 1). Разработана математическая модель.

Допустимый расход отбираемого воздуха за КНД для ЭХГ, составляет не более 4 % от расхода на входе в КНД. Температура пароводяной конверсии (ПВК) не менее 925 К [1], а для основной реакции в ТЭ 1197–1293 К [1].

В ЭХГ состоит из батареи ТОТЭ, газового теплообменника для подогрева входящего воздуха, пароперегревателя для получения необходимых параметров пара, газового подогревателя топлива. Топливо, направляемое в ЭХГ, предварительно подогревается водой, нагретой в КУ. В ЭХГ смешиваются сжатый воздух с топливом, прошедшим предварительную ПВК, пар для которой генерируется из части питательной воды в КУ, состоящей из пароперегревателя, испарителя и экономайзера. В выхлопном тракте ГТУ устанавливается КУ, в котором за счёт тепла выхлопных газов генерируются водяной пар, а также вода для горячего водоснабжения. Генерируемый пар частично расходуется на нужды ЭХГ.

Разработанная и реализованная в системе математического моделирования DVIGwT математическая модель ТОТЭ — SOFC, учитывающая внутренние электрохимические процессы в ТОТЭ, с достаточной для инженерных расчетов точностью позволяет определять параметры ТОТЭ на различных режимах работы.

Адекватность описания рабочих процессов и применимость разработанной математической модели SOFC подтверждается согласованностью результатов расчетов ТОТЭ с экспериментальными данными.

Рассмотрены несколько схем повышения эффективности ГТЭ-10 МВт при совместной работе с ТОТЭ:

  • автономная ЭУ с ЭХГ на базе ТОТЭ;

  • КЭУ на базе ГТЭ-10/95 и ЭХГ, работающем на отборе воздуха за КНД, характеризуется минимальной модернизацией исходной ГТЭ;

  • КЭУ с ЭХГ, установленном вместо камеры сгорания на ГТЭ-10/95, требует значительных переделок базовой ГТЭ;

  • КЭУ на базе каскада НД ГТУ и ЭХГ характеризуется значительной доработкой базовой ГТЭ.

Очевидно, что для оценки эффективности каждой представленной схемы КЭУ необходимо провести расчетные исследования ЭУ на различных режимах для сравнения основных показателей ее работы.


Литература:

  1. Введение в термодинамику топливного элемента / В. Н. Борисов, И. Г. Лукашенко, М. А. Ахлюстин / Твердооксидные топливные элементы: Сборник научно — технических статей. — Снежинск: Издательство РФЯЦ — ВНИИТФ, 2003. С. 9–15.

  2. Горюнов И. М. Структурно-параметрический синтез и анализ ГТД и ЭУ / Вестник УГАТУ. — Уфа. УГАТУ, 2008. Т. 11 № 2 (29). — С. 30–38.

  3. Горюнов И. М. Термогазодинамические расчеты ГТД и теплоэнергетических установок с использованием системы DVIGwT // Вестник УГАТУ, 2006. Т 7, № 1 (14). С. 61–70.

  4. Захаренков Е. А. Исследование и оптимизация схем и параметров гибридных электростанций на основе топливных элементов и газотурбинных установок. Автореферат на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.14.01 — “Энергетические системы и комплексы”. — М.: МЭИ (ТУ), 2009. — 20 с.



Основные термины (генерируются автоматически): математической модели, Разработка математической модели, математической модели газотурбинной, математической модели рабочего, электрохимических параметров ТЭ, математическая модель ТЭ, шаге алгоритма, основной реакции, модели газотурбинной энергоустановки, основной электрохимической реакции, существующих классификаций ТЭ, схемы КЭУ, рабочих процессов ТЭ, математической модели КЭУ, модели рабочего процесса, особенностей работы ТЭ, ТЭ пригодные, основную камеру ТЭ, определения ЭДС ТЭ, математической модели sofc.

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle