Загрузка...
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 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
πпри τ1при τ2при τ3при τ4при τ5ƞв00000020,1140920,1159690,1117610,1154540,11267440,2178410,2218610,2127510,2207660,21475860,2662970,2720790,2588610,2705110,26180880,2951060,3025050,2854620,3005070,289302100,3141030,323050,3022930,3206440,307015120,3273030,337770,3133240,3349660,318936140,3367110,348690,3205310,3454910,327052160,3434550,3569530,3250230,3533610,33248180,3482290,3632630,3274810,3592760,335906200,3514870,3680820,3283450,3636950,337776220,3535380,3717230,3279140,3669310,338393240,3546020,3744140,3263980,369210,337973260,3548410,3763190,3239480,3706940,336672280,3543730,3775630,3206760,3715090,334605300,3532920,3782420,3166630,3717480,331858320,3516690,378430,3119720,3714870,328499340,3495590,3781880,3066480,3707830,324578360,3470070,3775620,3007250,3696830,320134380,3440470,3765930,2942260,3682270,315197400,3407090,3753110,2871680,3664450,309789
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
T1, K1183,0001283,0001383,000ƞв0,3283450,3548410,37843
Рисунок 3.1 — Зависимости относительного внутреннего КПД ГТУ от начальной температуры
Таблица 3.2 — Значения относительного внутреннего КПД ГТУ при разных температурах воздуха
T3, K273,000288,000303,000ƞв0,3717480,3548410,338393
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
. 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 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 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 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 , 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; 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. Кузьмичёв, Р.В. Расчёт тепловых схем и переменных режимов работы газотурбинных установок: Учеб. пособие/ Р.В. Кузьмичёв — Брянск: БГТУ, 2010. — 80 с.
Учебная работа. Расчет тепловой схемы газотурбинной установки ГТН–16