Расчет тепловой схемы газотурбинной установки ГТН–16

Расчет тепловой схемы газотурбинной установки ГТН–16

Расчет тепловой схемы газотурбинной установки ГТН - 16

РАСЧЁТНО - ГРАФИЧЕСКАЯ РАБОТА

по дисциплине «Энергетические машины»

Задание

Произвести расчет тепловой схемы, коэффициента полезного действия, технико-экономических показателей ГТН - 16 по следующим исходным данным:

Эффективная мощность ГТУ Ne = 16 МВт.

Начальная температура воздуха T3 = 288 K.

Начальная температура газа T1 = 1283 K.

Частота вращения роторов мин-1.

Назначение и тип установки - двухвальный газотурбинный газоперекачивающий агрегат (ГГПА).

Вариант тепловой схемы - простейшая.

Аннотация

В данной расчётно - графической работе произведён расчёт тепловой схемы, коэффициента полезного действия, технико-экономических показателей ГТУ, эти данные в дальнейшем будут использованы в курсовом проекте по газовым турбинам.

Введение

газотурбинный тепловой давление

На современном этапе развития тепловых двигателей газотурбинные установки (ГТУ) нашли широкое применение практически во всех основных сферах жизнедеятельности человеческого общества: энергетике, газо- и нефтеснабжении, металлургической и нефтехимической промышленности, воздушном, водном, железнодорожном, автомобильном транспорте и пр.

Расчётное значение температуры атмосферного воздуха Т3 выбирается из условий места эксплуатации ГТУ. В данной расчетно - графической работе эта температура Т3 принимается равной нормальной (стандартной) Т3 = 288,000 К (15,000 °С).

Выбор начальной температуры газа, независимо от варианта исполнения тепловой схемы ГТУ, диктуется только жаропрочностью применяемых материалов лопаток и дисков турбины и способами их охлаждения. В данной расчетно - графической работе при выборе начальной температуры газа Т1 будем ориентироваться на исходные данные.

Темой расчетно - графической работы по дисциплине «Газотурбинные установки» является расчёт тепловой схемы для ГТУ. Предусматривается двухвальное исполнение ГТУ.

1. Схема, цикл, принцип действия ГТУ

Всасываемый в компрессор (К) воздух с температурой Т3 и давлением p3 сжимается в нём до давления p4 и приобретает температуру Т4. Затем сжатый воздух поступает в камеру сгорания (КС), где смешивается с топливом, впрыскиваемым при помощи форсунок. Выходящие из (КС) продукты сгорания с температурой Т1 и давлением p1, поступает в турбину высокого давления (ТВД). Вал турбины высокого давления вращает вал компрессора. После расширения в турбине низкого давления (ТНД) рабочее тело с температурой Т2 и давлением p2 поступает в атмосферу. Вал турбины низкого давления является приводом нагнетателя (П). Схема представлена на рисунке 1.1.

Рисунок 1.1 - Принципиальная тепловая схема ГТУ

Рисунок 1.2 - Цикл ГТУ в T,S - диаграмме

. Определение расчётных зависимостей внутреннего КПД цикла от степени повышения давления при различных значениях начальных температур воздуха и газа

Расчёт тепловой схемы любой ГТУ начинается с построения зависимости внутреннего КПД ГТУ ƞв от степени повышения давления в цикле π при различных значениях начальной температуры газа перед турбиной T1 и температуры атмосферного воздуха T3 с тем, чтобы сразу же оценить влияние этих параметров на работу ГТУ правильно выбрать их расчётные значения.

Внутренний КПД ГТУ ƞв рассчитывают по формуле

,

где ƞт и ƞк - КПД, соответственно, турбины и компрессора;- коэффициент потерь давления в ГТУ.

Внутренний КПД ГТУ hв при принятых значениях всех коэффициентов hт, hк, v, m рассчитывают для пяти значений температурного коэффициента

,

(данные вычисления производились с помощью прикладной программы “Microsoft Excel” на ЭВМ), результаты расчета заносят в таблицу 2.1.

; ;;       ; .

С целью сокращения объёмов расчета для всех вариантов приняты осредненные значения величин: hТ = 0,880; hК = 0,870; v = 1,060; k = 1,350; .

Таблица 2.1 - Значения относительного внутреннего КПД ГТУ при различных степенях повышения давления, начальных температурах воздуха и газа

Рисунок 2.1 - Зависимости относительного КПД ГТУ от степени повышения давления при различных значениях начальных температур воздуха и газа

. Выбор расчётных значений начальных температур воздуха и газа

На основании полученных значений внутреннего КПД ГТУ hв при t = varia (рисунок 2.1) построим графики изменения максимальных значений внутреннего КПД цикла hвmax в зависимости от начальной температуры газа T1 (рисунок 3.1) и начальной температуры воздуха T3 (состояние атмосферы) (рисунок 3.2). Значения внутреннего КПД ГТУ при различных температурах T1 и T3 приведены в таблицах 3.1 и 3.2 соответственно.

Таблица 3.1 - Значения относительного внутреннего КПД ГТУ при разных начальных температурах

Рисунок 3.1 - Зависимости относительного внутреннего КПД ГТУ от начальной температуры

Таблица 3.2 - Значения относительного внутреннего КПД ГТУ при разных температурах воздуха

Рисунок 3.2 - Зависимости относительного внутреннего КПД ГТУ от температуры воздуха

Предполагается использовать конвективное охлаждение: лопатки выполняются полыми, что обеспечивает понижение температуры материала. Не обладая необходимой информацией о материалах и их свойствах, будем ориентироваться на исходные данные, поэтому

.

Оно принято в дальнейших расчетах за расчетное значение tрасч.

. Выбор расчётного значения степени повышения давления цикла

Для расчётного значения τрасч = 0,22447 (выбиралось по максимальному внутреннему КПД ГТУ ƞв исходя из рисунка 2.1) оптимальная по максимальному внутреннему КПД ГТУ величина степени повышения давления получилась равной πopt = 26,000. Такую степень повышения давления в однокорпусном компрессоре без заметного снижения его КПД получить невозможно. Поэтому исходя из поставленного условия выполнения ГТУ по простейшей схеме принимаем расчётное значение πрасч = πк = π = 11,000, ориентируясь на уже имеющийся компрессор базовой ГТУ с такой же величиной степени повышения давления и приемлемым значением внутреннего КПД ГТУ ƞв = 0,870.

В дальнейших расчётах принято p3 = pатм = 98,100 кПа.

Расчёт компрессора

Давление за компрессором

.

Средняя температура изоэнтропийного сжатия в компрессоре с учетом

 (берется по указанию преподавателя)

.

Показатель изоэнтропы и теплоемкость воздуха при температуре Tср1: kв1 = 1,388; cpв1(ср) = 1,023 .

Температура изоэнтропийного сжатия за компрессором

,

где kв1 =1,388; mк1 =  = 0,280.

Средняя температура изоэнтропийного сжатия в компрессоре с

.

Показатель изоэнтропы и теплоёмкость воздуха при температуре Tср2: kв2 = 1,390; cpв2(ср) = 1,017 .

Изоэнтропийный перепад энтальпий в компрессоре

,

где mk2 =  = 0,281.

Действительный перепад энтальпий в компрессоре

,

где ƞк = 0,870 - КПД компрессора.

Температура воздуха за компрессором, равная температуре воздуха,

поступающего в камеру сгорания

.

Производим уточненный расчет:

.

Показатель изоэнтропы и теплоёмкость воздуха при температуре Tср3: kв3 = 1,388; cpв3(ср) = 1,021 .

,

где mв3 = 0,280.

.

.

Расчёт камеры сгорания

При отсутствии данных по топливу за его основу принимаем стандартный углеводород (85 % С и 15 % Н), для которого  и теоретическое количество воздуха, необходимое для сжигания 1 кг топлива L0 = 15. Примем КПД камеры сгорания ƞк = 0,990. Физической теплотой топлива, вносимой в камеру сгорания, пренебрегаем.

В первом приближении относительное количество воздуха qв,

содержащегося в продуктах сгорания за камерой сгорания, определяется из уравнения теплового баланса

.

Значения теплосодержаний воздуха ,  и продуктов сгорания , при α = 1 и соответствующих температурах принимались по графикам [4,стр. 54,рис.2]

Коэффициент избытка воздуха для простейшей схемы

.

Удельный расход рабочего тела в камере сгорания увеличился на

Величину

.

Расчёт газовой турбины

Для простейшей схемы коэффициент потерь давления ν будет иметь

наименьшие значения. В частности, примем ν = 1,040, ν1 = ν2 = 1,020.

Давление за компрессором

.

Степень расширения газа в турбине

.

Давление перед турбиной

.

Давление за турбиной

.

Средняя температура изоэнтропийного расширения в турбине с

учетом  (берется по указанию преподавателя)

.

Показатель изоэнтропы и теплоемкость продуктов сгорания при температуре Tср1 и коэффициенте избытка воздуха α = 3,484: k1 = 1,327;

(ср) = 1,190 .

Температура изоэнтропийного расширения за турбиной

,

где k1 = 1,327; mт1 =  = 0,246.

Средняя температура изоэнтропийного расширения в турбине с

учетом

.

Показатель изоэнтропы и теплоемкость продуктов сгорания при температуре Tср2 и коэффициенте избытка воздуха α = 3,484: k2 = 1,324;

(ср) = 1,200 .

Изоэнтропийный перепад энтальпий (теоретическая работа) в турбине

,

где mт2 = 0,245.

Действительная работа расширения в турбине

,

где  - внутренний КПД турбины с учетом потерь от охлаждения в проточной части турбины.

Действительная температура газа за турбиной

.

Удельная эффективная работа ГТУ с учетом охлаждения

,

где ƞмт = ƞмк = 0,980 - механический КПД турбины и компрессора;

ƞтохл = 0,876 - внутренний КПД турбины с учетом охлаждения.

Работа на подготовку и прокачку охладителя

,

где µ = 0 - коэффициент возврата работы охлаждающего воздуха.

Относительный расход газа через турбину

,

 - относительный расход топлива;

 - относительный расход охлаждающего воздуха возвращаемого в проточную часть турбины.

Расход газа через турбину

.

Расход воздуха через компрессор

.

Расход топлива

,

где  - теплосодержание газа перед турбиной;

 - теплосодержание воздуха на выходе из компрессора;

ƞкс = 0,990 - КПД камеры сгорания.

Расход воздуха на охлаждение

.

Относительный расход топлива

,

что довольно точно совпадает с ранее принятым значением .

. Технико-экономические характеристики ГТУ

Для того, чтобы правильно оценивать теплотехнический уровень спроектированной ГТУ, иметь возможность сравнения её с лучшими аналогичными образцами и делать правильные выводы по полученным результатам, мы должны определить основные технико-экономические показатели ГТУ.

Основные технико-экономические показатели, характеризующие тепловую экономичность ГТУ (удельные расходы топлива и теплоты, КПД), рассчитываются на основе энергетических характеристик турбины, компрессора, камеры сгорания, регенератора или утилизаторов тепла и вспомогательного оборудования.

Для вариантов без регенерации имеем ранее принятые величины:

ƞкс =0,990; ƞт = 0,880; ƞк = 0,870; ƞтохл = 0,876; ƞмт = ƞмк = 0,980;  = 0,090;  = 0,018; πк = 11,000; πт = 10,577; Hк = 323,452 ; Hт = 591,956 ; Heохл = 227,239 ; Ne = 16 МВт.

Технико - экономические характеристики ГТУ с охлаждением

Коэффициент полезной работы

.

Удельный расход газа

.

Расход теплоты в камере сгорания

.

Эффективный КПД ГТУ

.

Удельный расход тепла ГТУ

.

Удельный расход условного топлива

,

где  = 29330,000  - теплота сгорания условного топлива.

Технико - экономические характеристики ГТУ без охлаждения

Удельная эффективная работа ГТУ

.

Расход газа через турбину

.

Относительный расход газа через турбину

.

Расход воздуха через компрессор

.

Расход топлива

.

Относительный расход топлива

,

что довольно точно совпадает с предварительно принятым значением .

Расход теплоты в камере сгорания

.

Удельный расход газа

.

Эффективный КПД ГТУ

.

Удельный расход тепла ГТУ

.

Удельный расход условного топлива

.

Заключение

Итак, при сравнении данных расчетов простейшей ГТУ без охлаждения с данными расчетов простейшей охлаждаемой ГТУ выяснилось, что наибольший экономический эффект дает простейшая ГТУ без охлаждения.

Таким образом, при отсутствии отбора воздуха на охлаждение технико - эконмические показатели ГТУ существенно улучшаются. Возрастает удельная эффективная работа, снижается расход газа, удельный расход тепла и топлива, а эффективный КПД ГТУ возрастает.

Однако на практике создание простейшей ГТУ без охлаждения не представляется возможным.

Список использованных источников

Арсеньев, Л.В. Комбинированные установки с газовыми турбинами/

Л.В. Арсеньев, В.Г. Тырышкин - Л.: Машиностроение. Ленингр. отделение, 2012. - 247 с.

Арсеньев, Л.В. Газотурбинные установки. Конструкция и расчёт.

Справочное пособие/ под общ. ред. Л.В. Арсеньева, В.Г. Тырышкина - Л.: Машиностроение. Ленингр. отделение, 2011. - 232 с.

Костюк, А.Г. Газотурбинные установки: Учеб. пособие для вузов/

А.Г. Костюк, А.Н. Шерстюк - М.: Высшая школа, 2009. - 254 с.

газотурбинных установок: Учеб. пособие/ Р.В. Кузьмичёв - Брянск: БГТУ, 2010. - 80 с.