Основные теоретические сведения, цели и задачи расчета ГТУ

Введение

Широкое внедрение паро- и газотурбинной техники в энергетику процесс своевременный и закономерный. Это объясняется наступлением энергетического кризиса и изношенностью основных фондов паротурбинной техники. Высокие экономические показатели парогазовых установок достигаются за счет подвода теплоты при высоких температурах в верхней ступени, а отвода теплоты при низких температурах в нижней ступени ПГУ. Стоимость и сроки ввода в эксплуатацию парогазовых блоков существенно меньше классических паротурбинных, эксплуатационные издержки также существенно ниже.

Бурное освоение парогазовых технологий является характерным для энергетики всего мира. Достаточно напомнить, что реализация газотурбинной техники для энергетики за рубежом за один 1997 год удвоилась.

Основным агрегатом ПГУ блока является газотурбинная часть. Выбор параметров ГТУ, обеспечивающих оптимальное протекание рабочих процессов ПГУ - задача чрезвычайно сложная и важная.

Целью данного учебного пособия является ознакомление студентов с принципами выбора оптимальной степени сжатия воздуха в компрессоре.

Основные теоретические сведения, цели и задачи расчета ГТУ

Расчет характеристик газотурбинных установок является сложным процессом и представляет определенные трудности. Однако задача может быть упрощена выбором уровня детализации рабочих процессов, происходящих в элементах ГТУ. При выборе основных параметров, компоновочных эскизных проработок нет необходимости детального рассмотрения всех процессов, происходящих в отдельных агрегатах и узлах.

Порядок и методика расчета зависит от компоновочной схемы ГТУ (одновальные, двувальные схемы, системы с промежуточным охлаждением воздуха при сжатии в компрессоре, промежуточным подводом теплоты при расширении газов в турбине). В данном пособии представлена методика расчета степени сжатия в компрессоре одновальной газотурбинной установки, рис. 1, обеспечивающая достижение максимума полезной мощности и минимума удельного расхода топлива.

Обозначения параметров рабочей среды соответствуют: 1 - на входе в компрессор: 2 - на выходе из компрессора; 3 - на входе в газовую турбину; 4 - на выходе из газовой турбины.

Воздух окружающей среды сжимается компрессором и подается в камеру сгорания, куда поступает также горючее под давлением. В камере сгорания происходит горение топливовоздушной смеси при некотором соотношении (коэффициента избытка воздуха a), который определяется заданным значением температуры газов на входе в турбину. В газовой турбине продуктов сгорания расширяются до давления окружающей среды, либо до давления в котле- утилизаторе (КУ). При этом совершается механическая работа, часть которой используется на привод компрессора, часть - на выработку электрической энергии в генераторе (полезная работа), некоторая часть, разумеется, на преодоление сил трения.

Рис. 1. Принципиальная схема одновальной ГТУ.

Обозначения: В - воздух; Г - горючее; ПС - продукты сгорания; К - компрессор; КС - камера сгорания; ГТ - газовая турбина;

ЭГ - электрогенератор

Видимо, соотношения между произведенной работой в газовой турбине, потребной для привода компрессора и полезной работой электрогенератора будут определяться степенью сжатия воздуха в компрессоре, следовательно, и степенью расширения газов в турбине. Мощность газовой турбины и потребная мощность на привод компрессора с увеличением степени сжатия воздуха растут, но темп их роста будет различным. Мощность на привод компрессора растет прямо пропорционально температуре окружающего воздуха , средней теплоемкости воздуха и величине . Мощность газовой турбины зависит прямо пропорционально от температуры газов на входе в турбину , средней теплоемкости газов (которая не равна теплоемкости воздуха) и пропорционально комплексу .

В виду различного характера изменения и от можно ожидать, что полезная мощность электрогенератора будет иметь некоторый оптимум от степени сжатия воздуха в компрессоре. Действительно, при малых потребная мощность на привод компрессора больше, чем произведенная турбиной, с ростом степени сжатия начинает превышать . При значительном росте уже становится больше мощности турбины. Нахождение оптимального значения можно лишь при выполнении вариантных тепломеханических расчетов упрощенной схемы ГТУ. Основные показатели ГТУ не зависят от расхода, поэтому расчет можно выполнить для = 1 кг/с.

Параметры окружающего воздуха в расчетах принимаются стандартными и равными: температура Т ₀ = 288,15 К (15 °С); давление р ₀ = 0,1013 МПа. Зависимость теплоемкости воздуха от температуры рекомендуется рассчитывать по следующей формуле:

(1)

которая справедлива в диапазоне температур .

Показатель изоэнтропического сжатия для воздуха равен 1,41; газовая постоянная Дж/кг град; молекулярная масса кг/моль. Потери давления во входном устройстве (в комплексном воздухо-очистительном устройстве КВОУ) составляют (2-4) % ( =0,96- 0,98) и выходном устройстве можно принять равными (2-4) % ( =0,96-0,98), в камере сгорания -(3-10) %, =0,9-0,97. Внутренние коэффициенты полезного действия компрессора (изоэнтропических КПД) равен h_{из к} = 0,85-0,88; газовой турбины h_{из т} = 0,87-0,9. Коэффициент выделения теплоты в процессах горения ТВС x= =0,97-0,985. Здесь -количество выделившейся теплоты в камере сгорания ГТУ, -низшая теплота сгорания при постоянном давлении. Конкретные значения указанных параметров задаются в соответствии с индивидуальными заданиями, см. приложение II.

Температура образовавшихся в камере сгорания газов Т ₃ зависит от вида топлива, давления и температуры воздуха, используемого при сжигании ТВС. Температуру воздуха на выходе из компрессора рассчитывают по соотношению

. (2)

Следовательно, для вычисления Т ₂ должны быть заданы кроме температуры воздуха на входе в компрессор степень сжатия и внутренний КПД адиабатических процессов. Для определения температуры воздуха на выходе из компрессора может быть использованы графические зависимости, представленные на рис. 2.

Рис. 2

Как показали расчеты, влияние давления на термодинамические свойства, в том числе на температуру образовавшихся газов пренебрежимо мало, поэтому зависимостью Т ₃(р) можно пренебречь. Другие термодинамические параметры: теплоемкость и показатель идеальных (изоэнтропических) процессов расширения газов в турбине целесообразно представить в зависимости от температуры образовавшихся газов Т ₃. Состав и термодинамические свойства газов, образующихся в результате горения ТВС, зависят от углеводородного состава горючего, теплоты образования-энтальпии компонентов, а также от соотношения воздуха и горючего-коэффициента избытка воздуха. В работе [3] представлены обобщенные результаты исследований термодинамических свойств продуктов сгорания различных топлив, использующихся в энергетике.

Поиск по сайту: