Расчёт тепловой схемы бинарной газотурбинной установки ГТН-10
Схема и цикл ГТУ Рис. 1 Принципиальная тепловая схема и цикл ПГУ Принцип действия ПГУ: Всасываемый в компрессор (К) воздух с температурой Т3 и давлением Р3 сжимается в нём до давления Р4и приобретает температуру Т4. Затем сжатый воздух поступает в камеру сгорания (КС) где смешивается с топливом, впрыскиваемым при помощи форсунок, и паром, получаемым в котле-утилизаторе за счёт отработавших газов… Читать ещё >
Расчёт тепловой схемы бинарной газотурбинной установки ГТН-10 (реферат, курсовая, диплом, контрольная)
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ Брянский государственный технический университет Кафедра «Тепловые двигатели»
Расчёт тепловой схемы бинарной газотурбинной установки ГТН-10
РАСЧЕТНО-ГРАФИЧЕСКАЯ РАБОТА по дисциплине «Газотурбинные установки»
Студент группы 12-ЭМ1
Соболь В.И.
Руководитель: ассистент Светляева Е. И.
Брянск 2014
Задание Произвести расчет тепловой схемы, коэффициента полезного действия, технико-экономических показателей газотурбинной установки по следующим исходным данным:
Эффективная мощность ГТУ Ne=10 МВт;
Начальная температура воздуха T3=288 K;
Начальная температура газа T1=1223K;
Частота вращения роторов n=6850/6500мин-1.
Тип исполнения и назначение: двухвальный газотурбинный газоперекачивающий агрегат (ГГПА).
Вариант тепловой схемы — бинарная.
Аннотация В данной расчетно-графической работе произведен расчет тепловой схемы бинарной парогазовой установки (ПГУ) типа ГТН-10, коэффициента полезного действия, технико-экономических показателей установки, эти данные в дальнейшем будут использованы в курсовом проекте по газотурбинным двигателям.
Введение
1. Схема и цикл ГТУ
2. Определение расчётных зависимостей внутреннего КПД цикла от степени повышения давления при различных значениях начальных температур воздуха и газа
3. Выбор расчётных значений начальных температур воздуха и газа
4. Выбор расчётного значения степени повышения давления цикла
5. Расчёт компрессора
6. Расчёт камеры сгорания
7. Расчёт газовой турбины
8. Определение технико-экономических показателей ГТУ
Вывод
Список использованных источников
Введение
газотурбинная установка тепловая давление На современном этапе развития тепловых двигателей газотурбинные установки (ГТУ) прочно завоевали первое место и нашли широкое применение практически во всех основных сферах жизнедеятельности человеческого общества: энергетике, газои нефтеснабжении, металлургической и нефтехимической промышленности, воздушном, водном, железнодорожном, автомобильном транспорте и пр.
В Российской Федерации ГТУ получили наибольшее применение в газовой промышленности, где они используются в качестве газоперекачивающих агрегатов (ГПА). Газотурбинные газоперекачивающие агрегаты (ГГПА) являются преобладающим типом ГПА на магистральных газопроводах. Их доля в настоящее время превысила 80% и продолжает возрастать, а ГТУ постоянно совершенствуются. Поэтому основное внимание в данном курсовом проекте уделено теории расчёта и проектированию газотурбинных ГПА (ГГПА) с учётом последних достижений в области аэродинамики проточной части турбомашин, организации потока в ступени и турбине в целом. Существенное внимание уделяется вопросам обоснования и определения основных технико-экономических показателей проектируемой ГТУ.
Крупнейшими производителями отечественных ГГПА являются: ПО «Невский машиностроительный завод» (ПО НЗЛ), г. С.- Петербург, ПО «Турбомоторный завод» (ПО ТМЗ), г. Екатеринбург.
Темой данной курсовой работы по дисциплине «Парои газотурбинные установки» является расчёт тепловой схемы для двухвальнойгаховой турбины ГТН-12 бинарного типа (ПГУ).
1. Схема и цикл ГТУ Рис. 1 Принципиальная тепловая схема и цикл ПГУ Принцип действия ПГУ: Всасываемый в компрессор (К) воздух с температурой Т3 и давлением Р3 сжимается в нём до давления Р4и приобретает температуру Т4. Затем сжатый воздух поступает в камеру сгорания (КС) где смешивается с топливом, впрыскиваемым при помощи форсунок, и паром, получаемым в котле-утилизаторе за счёт отработавших газов. Вода поступает в котёл-утилизатор с помощью питательного насоса (ПН), предварительно пройдя химическую водоочистку (ХВО). Пар в камере сгорания перегревается и после вместе с основным рабочим телом поступает в турбину высокого давления (ТВД) с температурой Т1 и давлением Р1. Вал турбины высокого давления вращает вал компрессора. После расширения в турбине низкого давления (ТНД) всё рабочее тело с температурой Т2 и давлением Р2 поступает в котёл-утилизатор. Вал турбины низкого давления вращает привод (П). Пар, получаемый в котле-утилизаторе, частично может направляться к тепловому потребителю (ТП) (см. рис. 1).
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 от степени повышения давления в цикле при различных значениях начальной температуры газа перед турбиной и температуры атмосферного воздуха с тем, чтобы сразу же оценить влияние этих параметров на работу ГТУ правильно выбрать их расчётные значения.
Зависимости рассчитываются по формуле:
где и — КПД соответственно турбины и компрессора; - коэффициент потерь давления в ГТУ.
Зависимости в=f () при принятых значениях всех коэффициентовТ, К, v, m рассчитывают для пяти значений температурного коэффициента (данные вычисления производились с помощью прикладной программы «MicrosoftExcel» на ЭВМ).
.
Для рассматриваемых циклов ГТУ в расчетах можно принимать Т=0,86…0,90;К=0,85…0,88; v — коэффициент потерь давления в ГТУ.
;
Для предварительных расчетов можно принимать kг=1,33…1,35; kв=1,37…1,39
Для всех вариантов приняты следующие значения величин:
Т=0,86;К=0,85;v=1,07; kг=1,34;mг=0,254; kв=1,38; mв=0,275.
?? | в | |||||
при 1 | при 2 | при 3 | при 4 | при 5 | ||
0,0965 | 0,0926 | 0,0996 | 0,0979 | 0,0950 | ||
0,1827 | 0,1736 | 0,1898 | 0,1860 | 0,1793 | ||
0,2186 | 0,2047 | 0,2291 | 0,2236 | 0,2134 | ||
0,2366 | 0,2179 | 0,2505 | 0,2432 | 0,2297 | ||
0,2457 | 0,2221 | 0,2630 | 0,2539 | 0,2370 | ||
0,2494 | 0,2206 | 0,2701 | 0,2593 | 0,2388 | ||
0,2495 | 0,2151 | 0,2737 | 0,2611 | 0,2370 | ||
0,2469 | 0,2066 | 0,2748 | 0,2604 | 0,2323 | ||
0,2423 | 0,1957 | 0,2741 | 0,2577 | 0,2255 | ||
0,2361 | 0,1825 | 0,2718 | 0,2534 | 0,2169 | ||
0,2284 | 0,1673 | 0,2684 | 0,2478 | 0,2067 | ||
0,2194 | 0,1502 | 0,2639 | 0,2411 | 0,1950 | ||
0,2092 | 0,1312 | 0,2586 | 0,2334 | 0,1819 | ||
0,1980 | 0,1103 | 0,2524 | 0,2248 | 0,1675 | ||
0,1857 | 0,0873 | 0,2456 | 0,2153 | 0,1518 | ||
Таблица 1
Рис. 2 Графики зависимостей в ГТУ от степени повышения давления р при различных значениях степени повышения температуры ф.
3. Выбор расчётных значений начальных температур воздуха и газа На основании полученных зависимостей в=f () при =var (рис. 2) построим графики изменения максимальных значений внутреннего КПД цикла вmax в зависимости от начальной температуры газа T1 (рис. 3) и начальной температуры воздуха T3 (состояние атмосферы) (рис. 4). Значения КПД при различных температурах T1 и T3 приведены в табл. 2 и 3 соответственно.
Таблица 2
0,222 | 0,250 | 0,275 | ||
Рис. 3 График зависимости КПД ГТУ от начальной температуры T1
Таблица 3
Значения максимального внутреннего КПДвmax от начальной темпертуры воздуха T3
0,36 | 0,34 | 0,32 | ||
Рис. 4 График зависимости КПД ГТУ от температуры атмосферного воздуха T3
4. Выбор расчётного значения степени повышения давления цикла В данном варианте с котлом-утилизатором и паровой турбиной оптимальное opt ПГУ определяется из выражения
— коэффициент утилизации;
— КПД парового контура (пк=0,28 — 0,32 для подобного типа установок; в данной работе примем пк=0,3);
mг=0,254, при kг=1,34; mв=0,275, при kв=1,38.
Коэффициент утилизации
где Т5=393 — 423К — температура отработавших газов за котлом-утилизатором[4, стр. 49];
Т2=670 — 770 К — температура газов на выходе из турбины[4, стр. 17].
Таким образом, в варианте бинарной ПГУ (без дожигания топлива), значение opt получается достаточно близким к прототипу. Поэтому для этого варианта можно принять расч= 11,500.
5. Расчёт компрессора Давление за компрессором
.
Средняя температура изоэнтропийного сжатия (в первом приближении)
;
где Т4 = 620 — 640 К — температура воздуха, поступающего в камеру сгорания [4, стр. 16]; принимаем Т4=630 К тогда kв1 =1,391, [4, прил. 1, рис. 2].
Температура изоэнтропийного сжатия за компрессором (в первом приближении) Средняя температура изоэнтропийного сжатия (во втором приближении)
тогда kв2=1,393,; cp. в (ср)=1,017 кДж/кг.
Температура изоэнтропийного сжатия за компрессором (во втором приближении)
Средняя температура изоэнтропийного сжатия (во втором приближении)
тогда kв3=1,393,; cp. в (ср)=1,017 кДж/кг.
Изоэнтропийный перепад энтальпий в компрессоре
Действительный перепад энтальпий при К=0,87
Температура воздуха за компрессором, равная температуре воздуха, поступающего в камеру сгорания
6. Расчёт камеры сгорания При отсутствии данных по топливу за его основу принимаем стандартный углеводород (85% С и 15% Н), для которого низшая теплота сгорания и теоретическое количество воздуха, необходимое для сжигания 1 кг топлива,. Примем КПД камеры сгорания. Физической теплотой топлива, вносимой в камеру сгорания, пренебрегаем.
В первом приближении относительное количество воздуха, содержащегося в продуктах сгорания за камерой сгорания, определяется из уравнения теплового баланса
=
=[44 300· 0.99+15·350?(15+1)·1350]/(1200?350)=32,36.
Значения теплосодержания воздуха и и продуктов сгорания при при соответствующих температурах принимались по графикам [4, прил. 1, рис. 4, рис.5].
Коэффициент избытка воздуха для простейшей схемы
= (Lo+qв)/ Lo = (32,36+8,78)/15 = 3,16.
Удельный расход рабочего тела в КС увеличился на величину
qтоп= 1/(Lo) = 1/(3,1615) = 0,0211.
7. Расчёт газовой турбины Для схемы ПГУ коэффициент потерь давления =1,07,тогда =11,5/1,07=10,75.
Давление перед турбиной
.
Давление за турбиной
.
Процесс расширения (в первом приближении)
откуда;; при =3,16.
Изоэнтропийная температура расширения за турбиной (в первом приближении) К.
Процесс расширения (во втором приближении)
;
откуда;; при =3,16.
Изоэнтропийная температура расширения за турбиной (во втором приближении) К.
Процесс расширения (в третьем приближении)
;
откуда;; Ср (ср)= 1,182 кДж/кг; при =3,16.
Изоэнтропийная температура расширения за турбиной (во втором приближении) К.
Изоэнтропийный перепад энтальпий (теоретическая работа) в турбине рассчитывается по выражению
.
Действительная работа расширения в турбине Действительная температура газа за турбиной
.
Расход газа для охлаждаемой ГТУ определяется по соотношению
.
Эффективная удельная работа охлаждаемой ГТУ определяется из выражения где — внутренний КПД турбины с учётом потерь от охлаждения в проточной части; - коэффициент гидравлических потерь;
— коэффициент термодинамических потерь);
. При (т.к. схема установки бинарная, без регенерации)
— по прототипу;
— расход топлива;
;
— механический КПД турбины;
— механический КПД компрессора.
Расход газа .
Расход топлива определяем по выражению
где ;
; -теплосодержание воздуха на выходе из компрессора;
— теплосодержание продуктов сгорания перед турбиной.
Относительный расход топлива
.
Таким образом, в данном варианте ПГУ по сравнению с простейшей ГТУ из-за увеличения сопротивления выходного тракта удельная работа ГТУ снизилась, расход газа и воздуха возросли. Относительный же расход топлива составил=0,0159.
8. Определение технико-экономических показателей 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 варианта ПГУ имеем ранее принятые величины К=0,85; Tохл=0,84; МТ=МК=0,98;; =11,5; Т1= 1223 К; Т3= 288 К; Т4= 616,1 К.
Из-за увеличения сопротивления выходного тракта ГТУ (наличие котла-утилизатора) претерпят изменения и станут равными Неохл=148,78 кДж/кг; Т2=759 К; =67,21 кг/с; =68,93 кг/с; =0,09; =1,151 кг/с;= 0,017;
=67,21+(0,09 — 0,03)· 68,93=70,11 кг/с .
Расход теплоты в камеру сгорания
кДж/кг Температуру газов, покидающих котел-утилизатор примем, Т5= 423 К (150°С);
Коэффициент утилизации
Удельная эффективная работа ПГУ
HeПГУ=HеГ.К.+HеП.К.=Неохл+HеП.К.=Неохл+qкс· (1-ГТУ)утпк= =148,78+646,2· (1 — 0,2302)0,6980,3=252,9 кДж/кг, где гту=еохл= Неохл /q1=148,78/646,2=0,2302 — КПД газового контура.
КПД ПГУ
пк = еохл+(1-еохл)· ут·пк = 0,2302+(1- 0,2302)0,6980,3 = 0,391.
Удельный расход тепла
qПГУ= 3600/0,391 = 9207,16 кг/(кВтч).
Удельный расход условного топлива
9207,16/29 308 = 0,314 кг/(кВтч).
Если принять среднестатистический относительный расход пара
= 0,11,
то при = 67,21 кг/с
= d= 0,1167,21 = 7,39 кг/с.
Общая мощность ПГУ
NПГУ=Nеохл+Nпк=148,7867,21+8,59 291=13511кВт=10 781,3 МВт.
Поскольку удельная эффективная работа ПГУ приведена к расходу газа через ГТУ, то общую мощность ПГУ, то общую мощность ПГУ приближенно можно определять и другим путем
=НеПГУ= 67,21 252,9= 16 002,6 кВт=16 997,4 МВт.
Таким образом, включение в схему ГТУ ПТУ с котлом утилизатором даже без дожигания топлива в нем (чисто утилизационная схема) существенно улучшает экономические показатели установки. Следует однако учитывать, что из всех вариантов утилизации тепла отработавших газов ГТУ, вариант с ПТУ требует наибольших затрат и сооружений
Параметр и его формула | Вариант схемы ГТУ | ||
Простейшая | ПГУ | ||
КПД установкиеохл. | 0,230 | 0,391 | |
Экономия удельного расхода топлива? bут=bбаз-bi, кг/(кВт*ч). | 0,137 | ||
Стоимость сэкономленноготоплива Сут=?bут*Nе*К*C, руб. | |||
Стоимость установкиСi=Суст, руб. | 9· 107 | ||
Годовой экономический эффект Э=Сут-(Сi-Сбаз)/n, руб. | |||
Вывод Таким образом, расчёты показали, что включение в схему ГТУ ПТУ с котлом-утилизатором даже без дожигания топлива в нём существенно улучшает экономические показатели установки. Следует однако учитывать, что из всех вариантов утилизации тепла отработавших газов ГТУ, вариант с ПТУ требует наибольших затрат и сооружений.
Список использованных источников
Арсеньев, Л. В. Комбинированные установки с газовыми турбинами/ Л. В. Арсеньев, В. Г. Тырышкин — Л.: Машиностроение. Ленингр. отделение, 1982. — 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, 1978. — 232 с.
Костюк, А. Г. Газотурбинные установки: Учеб. пособие для вузов/
А. Г. Костюк, А. Н. Шерстюк — М.: Высшая школа, 1979. — 254 с.
Кузьмичёв, Р. В. Расчёт тепловых схем и переменных режимов работы газотурбинных установок: Учеб. пособие/ Р. В. Кузьмичёв — Брянск: БГТУ, 1997. — 80 с.