Розрахунок циклу газотурбінної установки (ГТУ)

Размещено на http://www.allbest.ru/

Курсова робота

з дисципліни Термодинаміка, теплопередача і ТСУ

Тема

Розрахунок циклу газотурбінної установки (ГТУ)

Вступ

теплоємність цикл газотурбінний

Життєвий рівень людства в першу чергу залежить від енерговитрат. За даними ООН, потреби людства в енергії подвоюються кожні тринадцять років. Але енергетичні ресурси Землі, тобто запаси енергії, які можна доцільно використати за наявного рівня техніки, є обмежені. Тому проблема економного використання енергії з кожним роком стає актуальнішою.

Україна має істотні запаси енергетичного вугілля і в меншій мірі - нафти і газу. Останнім часом відкрито потужні запаси урану. Для нормального функціонування економіки країни необхідно не менше як 300 млн т умовного палива на рік. Завдяки своїм джерелам ми забезпечуємо потреби лише на третину. Тому поряд з розширенням робіт стосовно розвідки нафти і газу необхідно проводити активну політику в сфері енергозбереження, використання вторинних енергоресурсів і на цій основі створення нових, менш енергоємних і екологічно чистих технологій. Велика увага має приділятись використанню відновлювальних джерел енергії та охороні навколишнього середовища.

У зв'язку з цими обставинами зростає роль теплотехніки та її теоретичної частини - термодинаміки. При підготовці інженерів технічного профілю термодинаміка є базовою теоретичною дисципліною, на основі якої будується багато наступних дисциплін.

1. Принципова схема ГТУ, її робота

теплоємність цикл газотурбінний

Під газотурбінною установкою (ГТУ) розуміють тепловий двигун, в якому робочим тілом є продукти згорання палива, а двигуном служить турбіна. ГТУ є двигунами безперервної дії. Порівняно з поршневими двигунами швидкість руху робочого тіла в ГТУ набагато вища (у 50-100 разів), що дає змогу конструювати відносно малогабаритні ГТУ великої енергетичної потужності.

Розрізняють ГТУ відкритого і закритого типу. В установках відкритого типу робочим тілом служать продукти згорання рідкого чи газоподібного палива, які після спрацювання в циклі направляються в атмосферу. В установках закритого типу робоче тіло здійснює коловий процес. Потік великої швидкості створюється шляхом витікання робочого тіла із сопел (направляючих лопаток) турбіни. Протікаючи потім по криволінійних каналах, утворених насадженими на ротор лопатками, газ приводить в обертання ротор турбіни, а через нього - електрогенератор чи інший пристрій.

Принципова схема ГТУ закритого типу з регенерацією теплоти показана на рисунку 1.1. В даній установці продукти згорання палива служать для нагріву безперервно циркулюючого в ГТУ робочого тіла. Така установка відноситься до двигунів зовнішнього згорання.

Вентилятор 1 подає атмосферне повітря у камеру згорання 3, де проходить згорання палива. Продукти згорання з досить високою температурою поступають у підігрівач робочого тіла 4, з якого направляються у підігрівач 2 для підвищення температури атмосферного повітря перед його поступленням у камеру згорання. З підігрівача продукти згорання палива відсмоктуються димососом 9.

Робоче тіло стискається у компресорі 8 і подається для підігріву спочатку у регенератор 6, а потім - у підігрівач 4, звідки воно поступає у турбіну 5, на лопатках якої розміщується, виконуючи роботу. Охолодження робочого тіла після турбіни здійснюється послідовно у регенераторі 6, охолоджувача 7.

Не дивлячись на велику складність у порівнянні з ГТУ відкритого типу ГТУ закритого типу мають ряд переваг. По-перше, продукти згорання палива не проходять через турбіну, а їх дії підлягає тільки теплообмінник 4 (див. рисунок 1.1.). Звідси випливає, що діапазон застосування палива у таких установках більш широкий. У них можна спалювати тверде паливо, так як тверді частинки, що містяться у продуктах згорання цих палив, викликають ерозію елементів проточної частини турбіни, що омивається газами з великими швидкостями. У теплообміннику швидкість руху газів менша, відповідно і менша швидкість його ерозії.

По-друге, в установці закритого типу тиск робочого тіла перед компресором може бути значно вище атмосферного. Це дозволяє суттєво зменшити розміри компресора, турбіни і теплообмінника при незмінній потужності установки.

По-третє, спалювання палива у камері згорання ГТУ закритого типу можна організувати таким чином, щоб звести до мінімуму забруднення навколишнього середовища.

ГТУ, в яких електричний генератор знаходиться на одному валу з компресором, володіють можливістю саморегулювання: зміни навантаження електрогенератора і частоти викликають протилежні по знаку зміни потужності, що споживається компрессором.

ГТУ, виконані по простих схемах, надійніші, простіші в експлуатації і мають нижчу вартість порівняно з ГТУ закритого типу. Такі установки можуть виконуватись одновальними (ГТ-700-4) чи з розрізним валом (ГТ-700-5, ГТН-9-750). В одновальній установці вал нагнітача механічно з'єднаний з валом повітряного компресора турбіни; таким чином, швидкість обертання останнього напряму залежить від числа обертів нагнітача. В установці з розрізним валом компресор і привідна турбіна незалежні від нагнітача і можуть мати будь-яку швидкість обертання, забезпечуючи необхідну подачу повітря в камеру згорання установки. ГТУ з розрізним валом більш гнучка при регулюванні роботи газопроводу у випадку зміни його навантаження.

ГТУ монтується на арочному залізобетонному фундаменті острівного типу. Фундамент має необхідні пройоми для трубопровідних комунікацій. На цьому рівні монтується турбокомпресорна установка, редуктор, приводи до скидних клапанів, вузли регулювання і місцеві щити керування агрегатом.

1 - вентилятор;

2 - підігрівач повітря;

3 - камера згорання;

4 - підігрівач робочого тіла;

5 - турбіна;

6 - регенератор;

7 - охолоджувач;

8 - компресор;

9 - димосос.

Рисунок 1.1 - Принципова схема ГТУ закритого типу з регенерацією теплоти.

ГТУ має бути негайно зупинена при погашенні факела у камері згорання, відмовіу роботі автомата безпеки при підвищенні частоти обертання роторів до критичної, на яку налаштовані автомати безпеки, при пониженні тиску паливного газу нижче мінімально допустимого, підвищенні температури продуктів згорання вище максимально допустимої чи інших неполадках, що можуть призвести до аварії.

Газотурбінні установки, являючись відносно молодим типом двигунів, знаходять все більше і більше застосування у народному господарстві. Вони використовуються в авіації, для приводу в дію електричних генераторів теплових електростанцій, для приводу насосів і компресорів на магістральних нафтопроводах і газопроводах, на водному і залізничному транспорті. Мала питома вартість ГТУ і можливість швидкого налаштування необхідного режиму роботи дозволяють також застосовувати їх в якості пікових і аварійно-резервних агрегатів енергетичних систем. Таким чином, ГТУ є досить перспективними тепловими двигунами, широке впровадження яких у народне господарство стримує неможливість застосування у них твердого палива.

2. Параметри стану робочого тіла в характерних точках циклу

Для розрахунку приймається, що стан робочого тіла описується рівнянням стану газу, при цьому теплоємність робочого тіла не залежить від температури. Тому невідоме значення одного з термічних параметрів стану робочого тіла (P, v,T) можна визначити з рівняння стану ідеального газу за двома відомими значеннями.

Розглянемо точку 1. Абсолютний тиск нам заданий по умові :

,

абсолютну темпаратуру знайдемо за формулою

тоді питомий об'єм ми знайдемо за рівнянням стану газу

а питому газову сталу знайдемо знайдемо за формулою

де: - універсальна газова стала;

а - молярна масса СО, тоді:

Розглянемо точку 2.

Абсолютний тиск дорівнює Абсолютну температуру визначимо за співвідношенням адіабатного процесу

де - показник адіабати ,який для хлору дорівнює k=1,4, тоді :



А питомий об'єм знайдемо з рівняння стану газу:

Розглянемо точку 3.

Абсолютний тиск при ізобарному процесі сталий,тому , а абсолютна темпаратура дорівнює:

Питомий об'єм знаходимо з рівняння стану:

Розглянемо точку 4.

Абсолютний тиск дорівнює , а абсолютну температуру визначимо з співвідношення :

Питомий об'єм знаходимо з рівняння стану

3. Визначення теплоємності робочого тіла

Середня теплоємність у заданому інтервалі температур визначається через істинну масову ізобарну теплоємність за формулою

де: - діапазон зміни температури;

а - істинна теплоємність ,яку можна визначити з залежності :

де: - коефіцієнти функціональної залежності істинної теплоємності газу від абсолютної темпаратури :

В загальному вигляді середня молярна ізобарна теплоємність визначається з формули:



Середня масова ізобарна теплоємність визначається через середню молярну теплоємність:

Після визначення параметрів РТ у вузлових точках циклу будуються робоча і теплова діаграми.

4. Побудова робочої і теплової діаграм циклів

Термодинамічний цикл ГТУ з регенерацією теплоти будується у системі координат v,P i s,T. Масштаби по координатних осях слід прийняти з таким розрахунком, щоб довжина і висота знаходилось у діапазоні 90-150 мм. Після вибору масштабів (вони можуть бути різними для різних осей) необхідно на шкалах нанести рівномірно поділки, потім для робочої діагрми нанести значення питомого об'єму і тиску РТ нанести характерні точки (1,2,3,4).

Для побудови адіабат використовується співвідношення :



При цьому неохідно взяти не менше десяти точок в інтервалі і в інтервалі .

Результати розрахунку приведені в таблиці 4.1.

Таблиця 4.1 -Характерні точки для побудови робочої діаграми циклу ГТУ

№ п/п	[;P3],Па	,	,
2	274000	0,349387	0,828937
3	361000	0,286923	0,68074
4	448000	0,245916	0,583448
5	535000	0,216637	0,513982
6	622000	0,194532	0,461538
7	709000	0,177166	0,420335
8	796000	0,163108	0,386982
9	883000	0,15146	0,359347
10	970000	0,141628	0,336019

Для визначення координат проміжних точок ізобари у тепловій діаграмі циклу необхідно інтервал зміни темпаратури РТ розбити не менше як десять підінтервалів і для кожного з них визначити , а потім з урахуванням прийнятого початку відрахунку визначити питому ентропію у кінці кожного підінтервалу, У розрахунках сили використати співвідношення

де :- зміна ентропії РТ у підінтервалі ;

- темпаратура РТ на початку підінтервалу К,

- темпаратура РТ у кінці підінтервалу ,К,

Оскільки при дослідженні термодинамічних процесів важливо знати не абсолютне значення ентропії, а тільки її зміну, то початок її відліку можна вибрати довільним, і приймемо його при мінімальній темпаратурі циклу.

Розрахунки заносимо в таблицю 4.2.

Таблиця 4.2 - Характерні точки для побудови теплової діаграми циклу ГТУ і Карно

№ п/п
1	462,795	0	1	289,15	0	1
2	533,39	0,158579	1,158579	333,257	0,158579	1,158579
3	603,985	0,138839	1,297418	377,364	0,138839	1,297418
4	674,58	0,123474	1,420892	421,471	0,123474	1,420892
5	745,175	0,111174	1,532066	465,587	0,111174	1,532065
6	815,77	0,101103	1,63317	509,685	0,101103	1,633168
7	886,365	0,092707	1,725876	553,792	0,092707	1,725875
8	956,96	0,085599	1,811475	597,899	0,085599	1,811474
9	1027,555	0,079503	1,890979	642,006	0,079503	1,890977
10	1098,15	0,074219	1,965198	686,113	0,074219	1,965196

5. Енергетичні і економічні характеристики циклів ГТУ

Визначення площі теплообмінника

Характеристика циклу ГТУ з регенерацією ,

Термічний коефіцієнт корисної дії знаходимо за формулою :

де значення та знаходимо як:

Питому теплоту, яка підведена до робочого тіла, знайдемо за формулою :

Питома теплота відведена від тіла:

Питома робота адіабатного стиску робочого тіла :

де - масова теплоємність при сталому об'ємі , яку знаходимо за формулою :

тоді:

Питома робота адіабатного розширення робочого тіла

Питома робота компрессора:

Питома робота турбіни:

Питому роботу циклу знайдемо за формулою:

Розрахуємо термічний ККД циклу ГТУ з регенерацією теплоти за формулою:

де - передана теплота у регенераторі, визначаємо за формулою:

де - степінь регенерації,

- наявна питома теплота, яка теоретично може бути передана у регенераторі гарячим теплоносієм холодному, знаходимо за формулою:

Тоді:

Характеристики циклу Карно

Термічний коефіцієнт корисної дії знаходимо за формулою:

Питома теплота, підведена до робочого тіла :



Питома теплота, відведена від робочого тіла:

Питома робота циклу Карно дорівнює:

Визначення площі теплообмінника.

Площа поверхні теплообміну регенератора визначається за формулою:

де: - секундна витрата теплоносія,,

- середнє значення коефіцієнта теплопередачі у регенераторі

- середня різниця температури у регенераторі, К.

Середня різниця температури (температурний перепад) для теплообмінних апаратів з прямотічною схемою руху теплоносіїв:



де - температура гарячого теплоносія на вході у теплообмінник;

- температура гарячого теплоносія на виході з телообмінника;

- температура холодного теплоносія на вході;

- темпаратура холодного теплоносія на виході.

Температура гарячого теплоносія на вході у теплообмінник , визначаємо за формулою :

Температура гарячого теплоносія на виході з теплообмінника

де - водяний еквівалент теплоносія ,який визначається за формулою:

тоді:

Температура холодного теплоносія на вході у теплообмінник



Температура холодного теплоносія на виході з теплообмінника

Параметри стану робочого тіла у точках 5 і 6 циклу ГТУ з регенерацією теплоти.

Визначаємо за наступними залежностями параметри стану:

абсолютні тиски

абсолютна температура

питомі об'єми

зміна питомої ентропії

6. Паливо і продукти його згорання. Енергетичні характеристики ГТУ

Нижча теплота згорання газоподібного палива при температурі t = 20°C і тиску р = 101,3 кПа визначається за формулою:

Hu=100,5·H2+334,1·CH4+598,5·C2H6 + 865,3·C3H8 +

+1142,7·C4 H10 + 1440,2·C5H12 +117,8·CO + 217,5·H2S=

де

Hu - нижча теплота згорання палива, кДж/кг;

Н2 , СН4 - об'ємна концентрація відповідно водню, метану і т. д. у паливі, %.

Стехіометрична витрата сухого повітря для згорання 1м? газоподібного палива.

=(0,5·CO + 0,5·H2 + 1,5·H2S + У(n + m/4)·CnHm - O2)/21=

де

- стехіометрична витрата повітря , м?;

CO, H2, H2S, O2 - об'ємна концентрація у паливі моноокислу вуглецю, водню, сірководню, кисню, %;

n,m - кількість атомів відповідно вуглецю і водню у хімічному з'єднані СnHm;

CnHm - об'ємна концентрація у паливі вуглеводню, що складається з n атомів С і m атомів Н, %.

Об'єм складових продуктів згорання 1м? газоподібного палива:

діоксид вуглецю:

= 0,01·(CO2 + CO + CnHm);

кисень: =0,21·(б - 1)·;

азот: = 0,79+0,01·N2

діоксид сірки: =0.01*2,6=0.026;

водяна пара:= (H2S + H2 + 0,5У m CnHm +1,61бV° + 0,124d)/100

де

d - кількість вологи у газоподібному паливі , г/м?

Об'єм продуктів згорання 1м? газоподібного палива.

=++++

Енергетичні характеристики ГТУ.

Теоретична потужність ГТУ:

Секундна витрата рідкого палива:

Секундна витрата повітря для згорання палива:

Секундне утворення продуктів згорання палива:

7. Вибір обладнання

Теплообмінник

При виборі теплообмінника (ТО) слід враховувати такі його характеристики, як можливість досягнення високих швидкостей теплоносіїв, масу і габарити, вартість виготовлення і експлуатації , дію теплоносія на поверхню теплообміну, гідравлічний опір.

За значенням площі теплообміну F = м2 вибираємо теплообмінник з паровим простором стандартизований по ГОСТ 14248-79.

D = 800…2800;

t = -30…+450;

Рут = 1,6…4,0;

Рук = 1,0…2,5;

Fр = 38…448;

Вентилятори і димососи

Вентилятори і димососи вибираємо за значенням секундної витрати відповідно до значень секундної витрати повітря і продуктів згорання з врахуванням 10-30% запасу по подачі.

вибираємо дуттєвий вентилятор ВД - 6 з такими параметрами:

подача - 6,5 ;

тиск - 2140 Па;

температура - 20 °С;

частота обертання - 970 об/хв;

ККД-67%.

Завод виробник: Бійський котельний завод

За значенням секундної витрати продуктів згорання, враховуючи 30% запас по подачі

вибираємо димосос Д - 8 з такими параметрами:

Подача - 10;

тиск - 1060 Па;

температура - 200 °С;

частота обертання - 480 об/хв;

ККД-61%.

Завод виробник: Бійський котельний завод

Пальники

Для спалювання газоподібного палива з повітрям використовують пальники без попереднього змішування палива з повітрям і частковим попереднім змішуванням (Vr = 0,2...4 м3/с).

Вибираємо ежекційний пальник :

Вид палива - О2;

Продуктивність по газу, - до 0,1;

Швидкість газоповітряної суміші на виході із амбразури, - 12 - 16;

Тиск газу перед пальником - 10-50;

Підігрів повітря, - не рекомендується.

Висновки

Результати розрахунків, проведених в даній роботі, вказують на те, що ГТУ є перспективними двигунами. Маючи відносно малі габарити, такі установки дають можливість передавати через них великі енергетичні потоки і отримувати велику енергетичну потужність.

На основі побудованих робочої і теплової діаграм циклу ГТУ можна зробити висновок, що термічний ККД циклу є досить високим. Проте його значення можна підвищити, якщо значно збільшити збільшити початкову температуру газу перед входом в турбіну. Однак, для цього необхідні нові жароміцні сталі і це є однією із серйозних проблем подальшого широкого застосування ГТУ, тому що найвідповідальніші елементи конструкції установки також вимагають покращення якості жароміцних матеріалів.

Для збільшення економічності газотурбінної установки можна рекомендувати збільшити ККД компресора, який входить в систему установки, оскільки приблизно 75% потужності газової турбіни витрачається на привід компресора і тому загальний ефективний ККД ГТУ головним чином залежить від якості цього роботи.

Перелік посилань на джерела

1. Козак Л.Ю., Дем'янчук Я.М., Войцехівська Т.Й. Курсова робота: Методичні вказівки. - Івано-Франківськ: Факел, 2008. - 34 с.

2. Теплотехнический справочник / Под ред. В.Н. Юренова и П.Д. Лебедева. - М.: Энергия, 1975. - 744 с.

3. Теплотехнический справочник / Под ред. В.Н. Юренова и П.Д. Лебедева. - М.: Энергия, 2007. - 720 с.

4. Буляндра О.Ф. Технічна термодинаміка: Підруч. для студ. енерг. спец. вищ. навч. закл. - 2-е вид., випр. - К.: Техніка, 2010. - 320 с.

Додатки

Додаток А

P1 = P5 = P4 =187кПа; P2 = P6 = P3 = 0,97MПа; v1 = 0,459м3/кг; v2 = 0,142м3/кг; v3 = 0,336м3/кг;v4 = 1,089м3/кг;

Рисунок А.1 - Робоча діаграма циклу ГТУ

Додаток Б

T1 = 289,15 K; T2 = 462,795K; T3 = 1098,15 K; T4 = 686,113KT5 = 621,351K; T6 = 527,558K;

S1 = S2 = 1,0 кДж/(кг·К); S3 = S4 = 0,0742 кДж/(кг·К);

Рисунок Б.1 - Теплова діаграма циклу ГТУ

Додаток В

- температура гарячого теплоносія на вході у теплообмінник;

- температура гарячого теплоносія на виході з теплообмінника;

- температура холодного теплоносія на вході;

- температура холодного теплоносія на виході.

Рисунок В.1 - Схема прямотоку у теплообміннику

Размещено на Allbest.ru