Студопедия — Расчет газотурбинной установки
Студопедия Главная Случайная страница Обратная связь

Разделы: Автомобили Астрономия Биология География Дом и сад Другие языки Другое Информатика История Культура Литература Логика Математика Медицина Металлургия Механика Образование Охрана труда Педагогика Политика Право Психология Религия Риторика Социология Спорт Строительство Технология Туризм Физика Философия Финансы Химия Черчение Экология Экономика Электроника

Расчет газотурбинной установки






Одним из основных направлений энергетики в России и во всем мире сейчас является широкое развитие газотурбинных и парогазовых технологий производства электрической энергии и тепла.

Большинство отечественных и зарубежных авиационных фирм, обладающих богатым опытом создания надежных и высокоэкономичных газотурбинных двигателей (ГТД), располагают широким набором отработанных, экономичных и надежных основных узлов газотурбинных установок (ГТУ), таких как компрессор, камера сгорания, газовая турбина, система охлаждения, регулирования и т.п. Это позволяет им предлагать на рынке свои проекты энергетических ГТУ и парогазовых установок (ПГУ) различной степени проектной проработки и доведенности по экономичности и надежности.

Так что у тепло– и электрогенерирующих компаний при необходимости реконструкции и расширения КЭС или ТЭЦ нет недостатка в выборе вариантов. Возможные заказчики ГТУ оказываются иногда в затруднительном положении, когда основные данные, приводимые в различных источниках (книги, журналы, проспекты, интернет и т.д.) для одной и той же ГТУ в одних и тех же условиях, отличаются между собой на несколько процентов, либо некоторые из этих данных отсутствуют, либо при гораздо больших температурах перед турбиной газогенератора некоторые установки требуют в соответствии с поверочным термодинамическим расчетом гораздо меньших расходов воздуха на охлаждение, а порой эти расходы оказываются даже отрицательными и т.д. и т.п. То есть при поверочных расчетах возникают трудно объяснимые несоответствия, усугубляемые полным отсутствием некоторых важных сведений.

Естественно желание иметь на этапе выбора достаточно простой механизм критического отношения к основным величинам, приводимым в различных источниках.

В настоящей работе предлагается такой механизм в виде поверочного термодинамического расчета, проводимого при упрощающих, логически обоснованных предположениях. Исходными данными для такого расчета являются обычно приводимые в литературе данные ГТУ для номинального режима в условиях ISO 2314 (Pн=1,013 бар, tн=15 °С = 288 К). Среди этих данных указываются, как правило:

мощность ГТУ эффективная Nе (на муфте, соединяющей ротор силовой турбины ГТУ с ротором электрогенератора) или электрическая Nэ (на клеммах электрогенератора), МВт;

кпд (эффективный ηe или электрический ηэ);

суммарная степень сжатия компрессора πк;

температура газов перед турбиной газогенератора (t4) и за ГТУ (t8), °С;

расход газов на выходе из ГТУ (G8), реже расход воздуха на входе в компрессор (G1), кг/с.

Основные упрощающие допущения при расчете следующие:

ГТУ выполнен по простой схеме (или по схеме с разрезным валом), т.е. имеет входное устройство (ВУ), многоступенчатый осевой компрессор (К), камеру сгорания (КС), турбину и выходное устройство (ВЫХУ). Турбина условно разделяется на две части: турбину газогенератора (ТГ) и силовую турбину (СТ), которые в схеме с разрезным валом не связаны между собой механически;

элементы ТГ охлаждаются воздухом, забираемым после компрессора, и этот воздух полностью возвращается в тракт при расширении газов в турбине ТГ, так что расход газов за ТГ и за ГТУ равен сумме расхода воздуха в компрессор и расхода топлива в камере сгорания, т.е. G8 = G1 + Gт;

расчет, как обычно, проводится по параметрам торможения с использованием π–i–Т номограмм [1];

если в источнике нет специальных указаний о потерях давления в ВУ и ВЫХУ, при которых получены основные данные, то эти потери принимаются соответственно равными 0,002 МПа в ВУ и 0,0005 МПа — в ВЫХУ;

величина скоростного напора в выходном сечении ГТУ Δск = 0,001 МПа;

кпд компрессора предполагается зависящим только от степени сжатия и определяется выражением πк=0,89–0,004•(πк–2,5);

в качестве жидкого топлива ГТУ используется стандартное углеводородное топливо (СУТ [1]) с низшей теплотой сгорания топлива Hu = 42915 кДж/кг и стехиометрическим коэффициентом Lo = 14,78 кг/кг, в качестве газообразного – метан с Hu = 50032 кДж/кг и Lo = 17,18 кг/кг;

в камере сгорания полнота сгорания принимается равной ηкс=0,99, а коэффициент восстановления полного давления ơкс=0,945;

относительный внутренний кпд турбины газогенератора ηтг= 0,88, а силовой турбины ηст= 0,91;

потери давления в тракте между ТГ и СТ пренебрежимо малы;

кпд электрогенератора принимается равным ηэг = 0,975. Последовательность расчета основана на приведенных выше данных ГТУ и методике термодинамического расчета, изложенной в [1].

Определяются расходы метана в камере сгорания ГТУ: и воздуха на входе в компрессор: G1 = G8 – Gт.

Рассчитываются процессы в ВУ, компрессоре и находятся параметры воздуха перед камерой сгорания и мощность компрессора.

По формуле В.В. Уварова [1] по параметрам воздуха за компрессором, газа перед ТГ и топлива определяется величина относительного расхода топлива в камере сгорания. По этому расходу рассчитывается величина относительного (), а далее и абсолютного (Gохл) расхода воздуха, забираемого после компрессора на охлаждение ТГ, и оставшегося, подаваемого в КС (Gвкс = G1 – Gохл), а также расход газов в ТГ (Gг = Gвкс + Gт) и коэффициент избытка воздуха после КС (αкс).

При расчете процесса расширения газа в турбине ТГ, в связи с полным отсутствием сведений по системе охлаждения ГТУ, предлагается ввести величину доли охлаждающего воздуха, участвующего в создании мощности ТГ (), пользуясь которой, мощность ТГ можно рассчитать по расходу (Gг + •Gохл). То есть принимается, что расход воздуха на охлаждение Gохл охлаждает турбину газогенератора, возвращается в тракт в этой турбине, и только доля этого расхода охлаждения (назовем ее мощностной) участвует в создании мощности турбины. Значение этой доли, очевидно, зависит от особенностей системы охлаждения и не может быть меньше 0 и больше 1.

Одной из задач проводимого поверочного расчета и является нахождение этой доли у различных ГТУ, позволяющей получить основные данные, совпадающие с табличными с погрешностью не более 1%.

Параметры газов перед силовой турбиной определяются по уравнению смешения двух потоков:

газа с расходом Gг и энтальпией, полученной из уравнения мощности турбины газогенератора;

охлаждающего воздуха с расходом Gохл и энтальпией за компрессором.

Параметры газов после силовой турбины находятся по потерям давления в выходном устройстве, а также величине скоростного напора в выходном сечении ГТУ, имея в виду, что статическое давление в этом сечении равно давлению окружающей среды.

Поверочный расчет по специально написанной программе проведен по данным 28 ГТУ, созданным на основе авиационных и судовых двигателей, а также энергетических установок, с эффективной мощностью в диапазоне 6,92…277 МВт, температурой t4 в диапазоне 820…1 350 °С, степенью сжатия компрессора πк в диапазоне от 8,3 до 25,6.

Из шести табличных данных три величины, πк, t4 и Gгту, совпадают с полученными при расчете в силу особенностей методики. Две величины, Ne и ηe, с погрешностью менее 1% получены у 17 ГТУ, из них 12 ГТУ {НК-37-1 по [3], ГТГ-110, ГТУ-12П (ПС-90А), ГТУ89СТ-20 (Д89), ГТУ55СТ-20 (Р-29-300), UGT25000 (ДГ 80), V64.3A, MS9001EС, RB211, W401, MW-701DA по [2, гл. 7]; НК-37 по [3], [4]} при мощностной доле от 0,4 до 0,6; две ГТУ {ГТУ-16П (ПС-90А) и MW701F по [2, гл. 7]} при доле ≈ 0,75; и у трех ГТУ {ГТУ-20 (АЛ-31СТЭ), MS6001F по [2, гл. 7] и ГТЭ-65 по проспекту в интернете} при доле ≈ 0,2.

Оставшиеся 11 ГТУ можно разделить на 2 группы. У первой группы, состоящей из 8 ГТУ (GT8C, GT13E2, GT10, GT13D; MS5001PA, Trent, V94.2 и НК-37-1 все по [2, гл. 7]), по расчету получается отрицательная величина расхода охлаждающего воздуха, что, вероятно, можно объяснить использованием в качестве охлаждающего агента не воздуха, а другого рабочего тела либо неточностью в исходных данных. У другой группы из 3 ГТУ (ГТУ-6РМ, MS6001B и Tornado по [2, гл. 7]) мощностная доля получается отрицательной, что свидетельствует либо о значительных отличиях в конструктивной схеме ГТУ или в схеме охлаждения от принятых в расчете, либо об отличиях истинных данных ГТУ от приведенных в таблицах.

Наибольшие расхождения табличных и расчетных данных обнаруживаются в величине температуры газов за ГТУ. Расчетные значения этой температуры оказываются большими табличных в среднем на 25…35 °С, хотя есть разница и в 11…12 °С (ГТУ-12П, НК-37), и в 55 °С (ГТГ-110) и даже в 72 °С (MW701F).

Были проведены расчеты нескольких ГТУ Siemens по [2], которые показали, что у V64.3, V84.2, V94.2 и V94.2A расход охлаждающего воздуха отрицательный, у V84.3A разница между расчетной и табличной температурой за ГТУ составила 70 °С, а у V94.3A мощностная доля?Gохл должна быть больше 1. То есть, вероятно, перечисленные ГТУ Siemens имеют в системе охлаждения существенные отличия от принятых в расчете.

По приведенному выше анализу можно сделать следующие выводы.

Если результаты поверочного термодинамического расчета обнаруживают особенности:

расход охлаждающего воздуха Gохл ≤ 0;

либо доля этого расхода 1 ≤ ≤ 0;

либо расчетная температура газов за ГТУ t8 отлична от табличной более чем на 40 °С;

то возникает повод для появления сомнений в истинности тех или иных табличных данных ГТУ и необходимость в получении более подробной информации о конструктивной схеме и схеме охлаждения, в частности об охлаждающем агенте этой схемы, учете дополнительных внешних затрат для работы системы охлаждения при расчете табличных данных и т.д. и т.п.

относительный расход охлаждающего воздуха на логически обоснованном уровне, пропорциональном величине t4,

мощностная доля этого расхода близкой к 0,5;

температура t8 отличной от табличной на величину не более 30 °С;

то табличные данные ГТУ можно считать близкими к истинным, т.е. они могут быть получены в результате доводки или уже получены на стенде, и их можно смело закладывать в расчет ГТУ-ТЭЦ, ПГУ и т.д.

Предлагаемый поверочный термодинамический расчет может быть использован также для ориентировочной оценки любой недостающей среди основных данных величины.

 


Заключение

В скором времени старые источники энергии могут подойти к концу, вернее сказать основной поток будет уходить заграницу. Поэтому внутри страны нам необходимо начинать использовать новые источники энергии.

Природный газ является отличным их заменителем. Россия занимает лидирующие позиции в объемах залегающего шахтного метана. Но по сравнению со странами Европы, США, Японии и Китай до сих пор не ведет крупных работ по его извлечению.

Используя метан Россия может не только приобрести дополнительные средства, но и по участвовать в глобальной экологической программе по Киотскому договору.

По оценкам ведущих специалистов, метан имеет колоссальный потенциал парникового газа, превышающий в 21 раз двуокись углерода - основного соединения в индустриальных выбросах.

В 1999 г. предприятиями угольной промышленности было выброшено в атмосферу 620,8 тыс. т. вредных веществ, в том числе 443,5 тыс. т. метана. В 2004 г. число выброшенных вредных веществ в воздушный бассейн достигло 757,3 тыс. т.

Научные исследования по экологизации горного производства должны быть направлены на создание замкнутых технологических схем с наиболее полным извлечением полезного ископаемого и сопутствующего минерального сырья, экологически чистых технологий, технологических процессов и оборудования. Данный агрегат борется с проблемой парникового газа, с отрицательными воздействиями угольной промышленности на атмосферный воздух. Повышая уровень природопользования, утилизация сопутствующего минерального сырья (шахтного метана), дает как экономический, так и экологический эффект.


 







Дата добавления: 2015-08-10; просмотров: 1949. Нарушение авторских прав; Мы поможем в написании вашей работы!



Важнейшие способы обработки и анализа рядов динамики Не во всех случаях эмпирические данные рядов динамики позволяют определить тенденцию изменения явления во времени...

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ МЕХАНИКА Статика является частью теоретической механики, изучающей условия, при ко­торых тело находится под действием заданной системы сил...

Теория усилителей. Схема Основная масса современных аналоговых и аналого-цифровых электронных устройств выполняется на специализированных микросхемах...

Логические цифровые микросхемы Более сложные элементы цифровой схемотехники (триггеры, мультиплексоры, декодеры и т.д.) не имеют...

Уравнение волны. Уравнение плоской гармонической волны. Волновое уравнение. Уравнение сферической волны Уравнением упругой волны называют функцию , которая определяет смещение любой частицы среды с координатами относительно своего положения равновесия в произвольный момент времени t...

Медицинская документация родильного дома Учетные формы родильного дома № 111/у Индивидуальная карта беременной и родильницы № 113/у Обменная карта родильного дома...

Основные разделы работы участкового врача-педиатра Ведущей фигурой в организации внебольничной помощи детям является участковый врач-педиатр детской городской поликлиники...

Роль органов чувств в ориентировке слепых Процесс ориентации протекает на основе совместной, интегративной деятельности сохранных анализаторов, каждый из которых при определенных объективных условиях может выступать как ведущий...

Лечебно-охранительный режим, его элементы и значение.   Терапевтическое воздействие на пациента подразумевает не только использование всех видов лечения, но и применение лечебно-охранительного режима – соблюдение условий поведения, способствующих выздоровлению...

Тема: Кинематика поступательного и вращательного движения. 1. Твердое тело начинает вращаться вокруг оси Z с угловой скоростью, проекция которой изменяется со временем 1. Твердое тело начинает вращаться вокруг оси Z с угловой скоростью...

Studopedia.info - Студопедия - 2014-2024 год . (0.011 сек.) русская версия | украинская версия