Расчет тепловой схемы

1. Расчет каупера

На сжигание поступает доменный газ с расходом В. При сжигании образуются продукты сгорания с температурой t₁. Температура t₁ задается из условия стойкости свода каупера и не должна превышать 1500 °С.

, (38)

где - теоретический расход воздуха; - объем продуктов сгорания в каупере; - теплоемкости воздуха и продуктов сгорания; - низшая теплота сгорания доменного газа; - температура сжатого воздуха после компрессора; - температура доменного газа; - предельно допустимая температура продуктов сгорания; - искомый избыток воздуха, обеспечивающий допустимую температуру. Объем продуктов сгорания связан с коэффициентом избытка воздуха соотношением . Преобразуя уравнение (38), получим:

. (39)

За счет теплоты продуктов сгорания в каупере осуществляется подогрев воздуха, идущего в доменную печь. При этом расход подогреваемого воздуха составляет G₁. На горение подается воздуха с расходом G₂. Расход воздуха на горение и расход продуктов сгорания связаны с расходом доменного газа соотношениям

G₂=ВV⁰a; .

Тепловой баланс подогрева дутья в каупере имеет вид

. (40)

где - температуры воздуха до и после каупера. Заданной технологией величиной является расход воздуха, который требуется подогреть в каупере. Температура воздуха на входе в каупер - это температура воздуха на выходе из промежуточного рекуперативного воздухоподогревателя.

2. Баланс рекуперативного воздухоподогревателя

Он имеет следующий вид:

, (41)

где - температура воздуха после компрессора; - температура продуктов сгорания перед газовой турбиной.

3. Баланс ГТУ

Компрессор сжимает атмосферный воздух, повышая его давление от Р₀ до Р_к. Р₀ = 0,1 МПа; Р_к = 0,5 МПа, т.е. степень сжатия компрессора равна π = 5. Далее воздух в эжекторе смешивается с доменным газом, при этом давление продуктов сгорания возрастает до ~0,385 МПа, продукты сгорания расширяются в турбине от давления 0,385 - 0,1 МПа. Искомой величиной при расчете газотурбинной установки (ГТУ) является расход доменного газа, необходимый для привода турбины, т.е. мощности турбины должно хватить для привода компрессора.

Рассмотрим цикл ГТУ (рис. 31).

Рис. 31. Цикл ГТУ:

0-К – адиабатное сжатие в компрессоре; К-3 – изобарный подвод теплоты; 3-4 – адиабатное расширение в газовой турбине; 4-0 – изобарное охлаждение продуктов сгорания

Докажем, что отношение T₄/T₀=T₃/T_к:

.

Тогда

,

где T₀/T_к – отношение температур в процессе сжатия в компрессоре. Поскольку воздух - это идеальный газ, то из уравнения адиабаты можно заменить

, (45)

где p - степень сжатия в компрессоре для данной схемы равна p = 5; к – показатель адиабаты, для воздуха равен к = 1,4. Подставляя (45) в выражение для КПД получим в окончательном виде

, (46)

где

Расход доменного газа, необходимый для сжатия воздуха с расходами G₁ и G₂ составит:

,

где η_м – механический КПД ГТУ.

Расход воздуха на сжигание доменного газа и расход продуктов сгорания связаны с расходом топлива соотношениями , . Отсюда получаем выражение для расчета расхода доменного газа

. (47)

Температура воздуха после компрессора находится из уравнения адиабаты

(48)

Перепад температур в газовой турбине также определяется из уравнения адиабаты

. (49)

Электрическая мощность определяется из баланса

. (50)