AI Skill Report Card
Designing Thermodynamic Power Cycles
Quick Start12 / 15
For a new cycle design task, immediately establish the frame:
Cycle type: [Rankine / Brayton / Otto / Diesel / Combined (Brayton+Rankine)]
Working fluid(s): [steam / air-fuel / organic fluid / supercritical CO2]
Key constraints: [power output, max T, max P, efficiency target, footprint]
Tool: EBSILON Professional / Aspen Plus / EES + REFPROP/CoolProp
Then run the 7-step process below. Always report: 1st-law efficiency, exergy efficiency, key stream states (T, P, h, s, exergy), equipment list, and economic estimate (CAPEX, LCOE) when scope requires it.
Recommendation▾
Critical issue: the workflow section is written in Russian while the rest of the skill is in English — this inconsistency is confusing and should be fixed to maintain a single language throughout for reliable parsing and usage.
Workflow10 / 15
Progress checklist for any cycle design/analysis task:
- Шаг 1: Анализ цикла и рабочего тела — выбрать тип цикла, рабочее тело(а), обосновать выбор под задачу
- Шаг 2: Термодинамический расчёт (1-й и 2-й законы) — построить T-s/p-h диаграммы, рассчитать состояния в узловых точках, баланс энергии, КПД
- Шаг 3: Эксергетический анализ — рассчитать эксергию потоков, найти эксергетические потери по компонентам (turbine, compressor, HX, combustor)
- Шаг 4: Проектирование теплообменников — выбрать тип (shell&tube, plate, HRSG), рассчитать U, A, pinch point, ΔT_min
- Шаг 5: Подбор оборудования — турбины, компрессоры, насосы, из каталогов/референсных характеристик
- Шаг 6: Оптимизация параметров — варьировать давления/температуры/расходы, искать максимум КПД при ограничениях
- Шаг 7: Экономическая оценка — CAPEX, OPEX, LCOE, срок окупаемости, сроки ввода
Детали по шагам
1. Анализ цикла и рабочего тела
- Rankine: пар/органика (ORC) — для стационарной генерации, низкопотенциальное тепло → ORC
- Brayton: газ (воздух+продукты сгорания) — газовые турбины, авиация
- Otto/Diesel: воздух-топливо — ДВС, расчёт по идеализированным air-standard допущениям, затем поправка на реальные потери
- Combined cycle: Brayton (topping) + Rankine (bottoming) через HRSG
2. Термодинамический расчёт
- 1-й закон: энергобаланс по каждому компоненту (турбина, компрессор, насос, котёл, конденсатор)
- 2-й закон: изоэнтропные КПД реальных машин (0.85-0.92 турбины, 0.85-0.90 компрессоры)
- Использовать REFPROP/CoolProp для точных свойств (не идеальный газ для пара/реальных смесей)
- Строить T-s диаграмму цикла для визуальной проверки
3. Эксергетический анализа
- Exergy destruction по компонентам: Ex_dest = T0 * Sgen
- Наибольшие потери обычно: горение (30-40%), теплообмен при большом ΔT, дросселирование
- Эксергетический КПД = полезная эксергия на выходе / эксергия топлива на входе
4. Проектирование теплообменников
- Pinch point analysis (минимум ΔT, обычно 8-15°C для HRSG, 3-5°C для криогеники)
- LMTD/эффективность-NTU метод
- Для HRSG многодавлений: оптимизировать распределение давлений под профиль выхлопных газов
5. Подбор оборудования
- Сверка с каталожными характеристиками производителей (GE, Siemens, MHI для турбин)
- Проверка рабочей точки на характеристиках компрессора (помпаж)
6. Оптимизация параметров
- Переменные: давление пара, температура перегрева, давление в конденсаторе, TIT газовой турбины, число давлений HRSG
- Метод: параметрический анализ в EBSILON/Aspen, либо градиентная оптимизация
- Ограничения: материальные пределы (max T лопаток), коррозия, стоимость
7. Экономическая оценка
- CAPEX по удельным показателям ($/кВт) с поправкой на масштаб
- LCOE = (CAPEX*CRF + OPEX) / годовая выработка
- Чувствительность к цене топлива и CO₂
Recommendation▾
The checklist items ('Шаг 1', 'Шаг 2', etc.) should be translated to English and made more concise/scannable rather than long descriptive sentences.
Examples13 / 20
Example 1: Input: ПГУ 400 МВт, TIT 1450°C, цель КПД > 60% Output:
- Модель EBSILON: газовая турбина (TIT 1450°C, ηiso=0.90) → HRSG 3 давления (ВД 140 бар/565°C, СД 35 бар/565°C, НД 5 бар) → паровая турбина (ηiso турбин 0.88) → конденсатор 0.05 бар
- Эксергетический анализ: наибольшие потери в камере сгорания (~32% подведённой эксергии) и HRSG (pinch 10°C)
- Результат: КПД нетто 61.4%, удельные выбросы CO₂ 340 г/кВт·ч, CAPEX $420 млн ($1050/кВт), LCOE $52/МВт·ч, срок ввода 36 мес
Example 2: Input: ORC-установка на сбросном тепле 150°C, 500 кВт эл. Output:
- Рабочее тело R245fa (подобрано под T источника через CoolProp сравнение по критической температуре)
- Цикл: испаритель (pinch 10°C) → турбина (ηiso 0.80) → рекуператор → конденсатор воздушного охлаждения
- КПД цикла ~12%, эксергетический КПД ~42%
- CAPEX оценка $1800/кВт, срок окупаемости 5.5 лет при тарифе $0.08/кВт·ч
Recommendation▾
Add more diverse examples (e.g., a Diesel/Otto cycle analysis, a heat exchanger network design) since current examples only cover CCGT and ORC, leaving Otto/Diesel/standalone HX design from the description unaddressed.
Best Practices
- Всегда считать реальные (не идеальные) КПД компонентов — идеализация завышает результат на 10-20 п.п.
- Эксергетический анализ обязателен для выявления "где реально теряется потенциал", а не только где теряется энергия
- Для теплообменников всегда проверять pinch point — это самое частое ограничение в HRSG и ORC
- Валидировать модель в EBSILON/Aspen против референсных данных производителя перед оптимизацией
- Указывать неопределённость экономических оценок (±15-20% для CAPEX на уровне feasibility study)
Common Pitfalls
- Не использовать идеальный газ для пара/хладагентов — всегда REFPROP/CoolProp или аналог
- Не забывать про потери давления в теплообменниках и трубопроводах (обычно 2-5% на компонент)
- Не оптимизировать только 1-й закон — максимум КПД по энергии может не совпадать с минимумом эксергетических потерь
- Не пропускать проверку помпажа компрессора на off-design режимах
- Не давать точечную экономическую оценку без диапазона чувствительности к цене топлива/CO₂