background image

 

 

stationary gas power-

station

background image

 

 

Joule cycle

 Brayton-Armengaud cycle

1

2

4

3

q

o

q

d

P

m

1

2

3

4

Q

d

q

o

T

s

1

2

3

4

Q

d

q

o

P

V

closed system

q

d

q

d

Theroretical – model 
case

background image

 

 

efficiency of the 

cycle

1

2

4

3

q

o

q

d

P

m

d

o

t

q

q

1

2

3

1

4

1

T

T

c

T

T

c

p

p

t

2

3

1

4

1

T

T

T

T

t









1

1

1

2

3

2

1

4

1

T

T

T

T

T

T

t

1

2

3

4

Q

d

q

o

P

V

q

d

Theroretical – model 
case

background image

 

 

efficiency of the cycle

1

2

4

3

q

o

q

d

P

m

k

k

k

k

p

p

T

T

i

p

p

T

T

1

4

3

4

3

1

1

2

1

2









4

3

1

2

2

3

4

1

p

p

p

p

p

p

i

p

p

2

3

1

4

4

3

1

2

T

T

T

T

T

T

T

T

k

k

t

p

p

T

T

T

T

1

1

2

1

2

2

1

1

1

1

1

1









k

k

t

1

1

1





t

k

k

1

1

1

2

3

4

Q

d

q

o

T

s

q

d

Theroretical – model 
case

background image

 

 

work

1

2

4

3

q

o

q

d

P

m

C

T

t

l

l

l

4

3

i

i

l

T

T

1

 – minimal temperature of the cycle; 

(resulted from external conditions)

T

3

=T

max

 results from internal limitations (material features)

1

2

3

4

Q

d

q

o

T

s

 - work at the cycle

 - work of the turbine

 as for an ideal gas

p

p

T

c

T

c

T

l

4

3

1

2

i

i

l

S

 - work of the compressor

 as for an ideal gas

p

p

C

c

T

c

T

l

1

2

 summary

)

(

)

(

1

2

4

3

p

p

p

p

t

c

T

c

T

c

T

c

T

l

q

d

Theroretical – model 
case

background image

 

 

work

1

2

4

3

q

o

q

d

P

m

k

k

p

p

T

T

T

T

1

1

2

4

3

1

2













1

1

1

2

1

3

4

3

T

T

T

c

T

T

T

c

l

p

p

t









1

1

1

2

1

2

1

3

T

T

T

c

T

T

T

c

l

p

p

t

:

1

2

then

T

T

if

1

1

1

1

3

 

T

c

T

c

l

p

p

t

1

2

3

4

Q

d

q

o

T

s

)

(

)

(

1

2

4

3

p

p

p

p

t

c

T

c

T

c

T

c

T

l

q

d

Theroretical – model 
case

background image

 

 

maximal work for T

max

 and T

min

 const. :

0

d

dl

t

0

1

1

2

max

T

c

T

c

d

dl

p

p

t

k

k

opt

opt

k

k

opt

opt

T

T

p

p

p

p

T

T













2

1

min

max

1

2

1

1

2

1

max

1

2

T

T

as

then

min

max

2

T

T

T

opt

Theroretical – model 
case

background image

 

 

Open cycle – gas power unit

Powietrze

Spaliny

Paliwo

1

2

4

3

P

e

open cycle

fuel

air

exhaust gases

background image

 

 

closed and open cycles

Powietrze

Spaliny

Paliwo

1

2

4

3

P

e

1

2

4

3

q

o

q

d

P

m

closed

open

m

1

=m

2

=m

3

=m

4

m

1

=m

2

m

3

=m

4

one agent

air/exhaust gases

possible choice of an agent 
with a better k and c

p

fuel

air

exhaust 
gases

background image

 

 

a cycle with a regeneration 

system

P o w ie tr z e

S p a lin y

P a liw o

1

2 a

4 a

3

P

e

2

4

fuel

air

exhaust gases

q

d

2

4

2

2

T

T

T

T

Q

Q

a

r

r

Regeneration 
factor:

background image

 

 

a cycle with intersectional cooling and 

heating

exhaust gases

air

fuel

background image

 

 

a cycle with intersectional cooling and 

heating

1’

2

3’

4’

T

s

1”

1

2’

2”

3”

3

4”

4

air

exhaust 
gases

background image

 

 

real cycles

• c

p

 – changes with T 

(c

p

=f(T))

• different mass flows 

and different agents

• losses at the 

compressor

• losses at the turbine
• losses at the 

combustion 
chamber

2r

T

s

1

2t

p1

p2

2r

T

s

1

2t

p1

p2

t

r

iT

l

l

t

p

r

p

T

T

c

T

T

c

2

1

2

1

t

r

T

T

T

T

2

1

2

1

compressor

turbine

background image

 

 

turbine – internal efficiency

2r

T

s

1

2t

p1

p2

tT

rT

iT

l

l

t

p

r

p

T

T

c

T

T

c

2

1

2

1

t

r

T

T

T

T

2

1

2

1

turbine

background image

 

 

balances

Powietrze

Spaliny

Paliwo

1

2

4

3

P

e

compressor

1

2

_

T

T

c

l

air

p

iC

1

2

T

T

c

m

m

l

P

pp

p

p

is

iC

turbine

4

3

_

T

T

c

l

eg

p

iT

4

3

T

T

c

m

m

l

P

ps

s

s

iT

iT

ms

is

mC

P

P

mT

iT

mT

P

P

power balance at the shaft:

G

el

mG

P

P

generator

mG

mC

mT

P

P

P

fuel

air

exhaust gases

CC

C

T

background image

 

 

balances

Powietrze

Spaliny

Paliwo

1

2

4

3

P

e

combustion chamber

gases

exhaust

fuel

air

m

m

m

_

3

_

_

_

2

_

T

c

m

m

HCV

T

c

m

g

ex

p

gases

exhaust

CC

fuel

air

p

air

mass balance

energy balance

fuel

air

exhaust gases

C

T

CC

background image

 

 

mechanical output

mC

iC

mT

iT

mC

iC

mT

iT

eC

eT

e

P

P

P

P

P

P

P

P

P

)

(

)

(

mC

iC

tC

air

mT

iT

tT

eg

mC

iC

air

mT

iT

eg

e

l

m

l

m

l

m

l

m

P

mC

iC

t

air

p

air

mT

iT

t

eg

p

fuel

air

e

T

T

c

m

T

T

c

m

m

P

)

(

)

(

)

(

1

2

_

4

3

_

background image

 

 

mechanical 
output

mC

iC

t

air

p

air

mT

iT

t

eg

p

fuel

air

e

T

T

c

m

T

T

c

m

m

P

)

(

)

(

)

(

1

2

_

4

3

_

mC

iC

k

k

air

p

air

mT

iT

k

k

eg

p

fuel

air

e

air

air

eg

eg

p

p

T

c

m

p

p

T

c

m

m

P















1

1

)

(

1

1

2

min

_

1

3

4

max

_

eg

air

eg

p

air

p

eg

air

k

k

c

c

m

m

g

simplifyin

;

;

:

_

_





 

1

1

1

min

max

mC

iC

mT

iT

p

e

T

T

c

m

P





k

k

p

p

noting

p

p

p

p

and

1

1

2

4

3

1

2

:

;

:

background image

 

 

mechanical 
output





 

1

1

1

min

max

mC

iC

mT

iT

p

e

T

T

c

m

P





mC

iC

mT

iT

p

e

T

T

c

m

P

min

2

max

1

mC

iC

mT

iT

e

T

T

if

P

min

max

:

0

k

k

mC

iC

mT

iT

opt

opt

T

T

p

p

so









2

1

min

max

1

2

:

background image

 

 

internal work

heat delivered

th

=

r

p

r

p

r

p

d

i

th

T

T

c

T

T

c

T

T

c

Q

P

2

3

1

2

4

3

 

power output

heat delivered (in time)

o

=

thermal efficiency

overall efficiency

HCV

m

P

Q

P

P

fuel

e

d

mC

mT

o

background image

 

 

overall efficiency

CC

r

air

p

air

eg

p

eg

mC

iC

t

air

p

air

mT

iT

t

eg

p

fuel

air

fuel

e

o

T

c

m

T

c

m

T

T

c

m

T

T

c

m

m

HCV

m

P

2

_

3

_

1

2

_

4

3

_

)

(

)

(

)

(

CC

iC

k

k

air

p

air

eg

p

fuel

air

mC

iC

k

k

air

p

air

mT

iT

k

k

eg

p

fuel

air

o

air

air

air

air

eg

eg

T

c

m

T

c

m

m

T

c

m

T

c

m

m

)

1

(

1

)

(

)

1

(

)

1

1

(

)

(

1

min

_

max

_

1

min

_

1

max

_





iC

k

k

iC

t

r

air

p

air

air

p

p

T

T

T

T

T

const

c

if

1

1

.

1

1

2

1

1

2

1

2

_

background image

 

 

overall efficiency





 

iC

CC

mC

iC

mT

iT

o

T

T

T

T

)

1

(

1

)

1

(

)

1

1

(

min

max

min

max

eg

air

eg

p

air

p

eg

air

k

k

c

c

m

m

g

simplifyin

;

;

:

_

_





k

k

p

p

noting

1

1

2

:

background image

 

 

overall efficiency changes

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0,35

0,4

0

5

10

15

20

25

spręż pi

sp

ra

w

n

o

ść

 t

u

rb

o

ze

sp

o

łu

Tmax=900 k
Tmax=1100 k
Tmax=1300 k

compression 

o

v

e

ra

ll 

e

ffi

ci

e

n

cy

for assumed 
values of inner 
and 
mechanical 
efficiencies

background image

 

 

Recovery of exhaust gases enthalpy 

– combined heat and power generation with a 

gas cycle

Powietrze

Spaliny

Paliwo

1

2

5

3

P

e

4

Q

u

HCV

m

Q

P

fuel

u

el

CHP

HCV

m

P

fuel

el

el

air

exhaust 
gas

fuel

T

C

CC

Remark:

It is also in practice to 
relate overall efficiencies 
of power units or CHP 
plants based on gas 
cycles to LCV

background image

 

 

Exercise 1

A simple stationary gas system consists with an one-section roto-dynamic compressor, 
a combustion chamber, a gas turbine, and an electricity generator. The compressor 
sucks 150 kg/s of an ambient air (t

a

=10°C, p

a

=997 hPa) and compresses it to p

2

=1.3 

MPa. The internal polytrophic efficiency of the compressor is η

ipC

=0.88. Mechanical 

losses at the compressor are estimated on about 35 kW. The compressed air flows into 
the combustion chamber. The combustion chamber is supplied with natural gas of 
LCV=37.26 MJ/m3, HCV=41.26 MJ/m3, and density ρ=0.784 kg/m3 (all those 
parameters are given for standard conditions: 0.1013 MPa, 0°C). The actual pressure of 
the gas is 1.3 MPa and temperature 20°C. It can be assumed that an overall efficiency 
of the combustion chamber is η

CC

=0.98. One can assume also that the combustion 

process is isobaric. Exhaust gases generated at the combustion chamber have a 
temperature t

3

=1300 °C and supply the gas turbine where expand up to p

4

=1.02 bar. 

The exhaust gases leave the gas turbine with a temperature t4=570°C. The gas turbine 
drives the compressor and the generator. A mechanical efficiency of the turbine is 
η

mT

=0.993 and an overall efficiency of the generator is η

G

=0.98. 

Accept: c

pair

=1.004 kJ/kgK, c

pex.g.

=1.04 kJ/kgK, k

air

=1.4, k

ex.g

=1.39

Calculate:

1.

internal adiabatic efficiency of the compressor,

2.

mechanical power driving the compressor and mechanical efficiency of the compressor,

3.

fuel consumption at the combustion chamber

4.

electricity output form the generator

5.

overall efficiency of the power plant

background image

 

 

Exercise 2

A  gas cycle power plant consists with an one-section roto-dynamic 

compressor, a combustion chamber, a gas turbine, an electricity 

generator, and a recuperator. The compressor sucks an ambient air 

(t

a

=0°C, p

a

=1 bar hPa) and compresses it to p

2

=0.7 MPa. The internal 

adiabatic  efficiency of the compressor is η

ipC

=0.85 and a mechanical 

efficiency is η

mC

=0.994. The compressed air flows into the iso-baric 

recuperator, and is heated by a exhaust gases flowing form the turbine, 

up to 530°C. The superheated and compressed air supplies the 

combustion chamber where a fuel oil (HCV-46 MJ/kg) is combusted (also 

an iso-baric process). An overall efficiency of the combustion chamber is 

η

CC

=0.98. Exhaust gases temperature behind the combustion chamber is 

t

3

=1100 °C. The exhaust gases expand at the turbine up to p

4

=1 bar with 

an internal efficiency of the process η

iT

=0,89. The gas turbine drives the 

compressor and the generator. A mechanical efficiency of the turbine is 

η

mT

=0.992 and an overall efficiency of the generator is η

G

=0.975. 

Electricity output of the power unit is 40 MWe.
Accept: c

pair

=1.004 kJ/kgK, c

pex.g.

=1.04 kJ/kgK, k

air

=1.4, k

ex.g

=1.39

Calculate:

1.

fuel consumption at the combustion chamber

2.

overall efficiency of the power plant

3.

regeneration factor

4.

outlet temperature of the exhaust gases


Document Outline