Расчет тепловой схемы газотурбинной установки ГТН–16

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

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

2. 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 ?в от степени повышения давления в цикле р 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 ?в рассчитывают по формуле

,

где ?т и ?к - КПД, соответственно, турбины и компрессора;

v - коэффициент потерь давления в ГТУ.

Внутренний КПД ГТУ в при принятых значениях всех коэффициентов т, к, 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: Т = 0,880; К = 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

р	при ф1	при ф2	при ф3	при ф4	при ф5
	?в
0	0	0	0	0	0
2	0,114092	0,115969	0,111761	0,115454	0,112674
4	0,217841	0,221861	0,212751	0,220766	0,214758
6	0,266297	0,272079	0,258861	0,270511	0,261808
8	0,295106	0,302505	0,285462	0,300507	0,289302
10	0,314103	0,32305	0,302293	0,320644	0,307015
12	0,327303	0,33777	0,313324	0,334966	0,318936
14	0,336711	0,34869	0,320531	0,345491	0,327052
16	0,343455	0,356953	0,325023	0,353361	0,33248
18	0,348229	0,363263	0,327481	0,359276	0,335906
20	0,351487	0,368082	0,328345	0,363695	0,337776
22	0,353538	0,371723	0,327914	0,366931	0,338393
24	0,354602	0,374414	0,326398	0,36921	0,337973
26	0,354841	0,376319	0,323948	0,370694	0,336672
28	0,354373	0,377563	0,320676	0,371509	0,334605
30	0,353292	0,378242	0,316663	0,371748	0,331858
32	0,351669	0,37843	0,311972	0,371487	0,328499
34	0,349559	0,378188	0,306648	0,370783	0,324578
36	0,347007	0,377562	0,300725	0,369683	0,320134
38	0,344047	0,376593	0,294226	0,368227	0,315197
40	0,340709	0,375311	0,287168	0,366445	0,309789



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

3. Выбор расчётных значений начальных температур воздуха и газа

На основании полученных значений внутреннего КПД ГТУ в при = varia (рисунок 2.1) построим графики изменения максимальных значений внутреннего КПД цикла вmax 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

T1, K	1183,000	1283,000	1383,000
?в	0,328345	0,354841	0,37843



Рисунок 3.1 - Зависимости относительного внутреннего КПД ГТУ от начальной температуры

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

T3, K	273,000	288,000	303,000
?в	0,371748	0,354841	0,338393

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 расч.

4. Выбор расчётного значения степени повышения давления цикла

Для расчётного значения фрасч = 0,22447 (выбиралось по максимальному внутреннему КПД ГТУ ?в исходя из рисунка 2.1) оптимальная по максимальному внутреннему КПД ГТУ величина степени повышения давления получилась равной рopt = 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 ррасч = рк = р = 11,000, ориентируясь на уже имеющийся компрессор базовой ГТУ с такой же величиной степени повышения давления и приемлемым значением внутреннего КПД ГТУ ?в = 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

учетом

.

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 ?к = 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 ?к = 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 б = 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 н будет иметь

наименьшие значения. В частности, примем н = 1,040, н1 = н2 = 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 б = 3,484: k1 = 1,327;

cp1(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 б = 3,484: k2 = 1,324;

cp2(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 ?мт = ?мк = 0,980 - механический КПД турбины и компрессора;

?тохл = 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

,

где - относительный расход воздуха на охлаждение;

- 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;

?кс = 0,990 - КПД камеры сгорания.

Расход воздуха на охлаждение

.

Относительный расход топлива

,

что довольно точно совпадает с ранее принятым значением .

8. 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:

?кс =0,990; ?т = 0,880; ?к = 0,870; ?тохл = 0,876; ?мт = ?мк = 0,980; = 0,090; = 0,018; рк = 11,000; рт = 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.

Кузьмичёв, Р.В. Расчёт тепловых схем и переменных режимов работы

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

Размещено на Allbest.ru