Расчёт тепловой схемы контактной газотурбинной установки типа ГТН-16

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

Брянский государственный технический университет

Кафедра «Тепловые двигатели»

РАСЧЁТ ТЕПЛОВОЙ СХЕМЫ КОНТАКТНОЙ
ГАЗОТУРБИННОЙ УСТАНОВКИ ТИПА ГТН-16

РАСЧЁТНО-ГРАФИЧЕСКАЯ РАБОТА

по дисциплине

«Газотурбинные установки»

Всего листов 27

ГТУ.17.114.13.РР.ПЗ

Студент группы -ЭМ1:

_________

«____» _________2018г.

Руководитель: к.т.н., доцент

Осипов А.В. ___________

«____» _________2018г.

Брянск 2018

Задание

Произвести расчет тепловой схемы, коэффициента полезного действия, технико-экономических показателей газотурбинной установки по следующим исходным данным:

- эффективная мощность ГТУ N_e=16,000 МВт;

- начальная температура воздуха T₃=288,000 K;

- начальная температура газа T₁=1283,000 K;

- частоты вращения роторов мин^-1;

- назначение - для привода нагнетателя природного газа;

- исполнение - двухвальная ГТУ;

- вариант тепловой схемы - контактная.

а) 

Аннотация

В данной расчётно-графической работе проведен расчет тепловой схемы, коэффициента полезного действия и технико-экономических показателей контактной газотурбинной установки типа ГТН-16. Также рассмотрено влияние охлаждения на технико-экономические показатели установки. Результаты работы будут использоваться при дальнейшем курсовом проектировании газовой турбины.



Введение

1 Схема и цикл ГТУ

2 Построение 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

газ давление воздух температура



Введение

В последние годы газотурбинные установки получают широкое применение в различных отраслях промышленности. Причиной этого являются характерные качества газотурбинного двигателя: простота тепловой и кинематической схемы, относительная простота конструкции, малая масса, приходящаяся на единицу мощности, высокая маневренность, сравнительно простая автоматизация управления. В последние годы были сделаны значительные достижения как в области аэродинамики турбомашин, так и в разработке жаропрочных сталей и сплавов. Успехи аэродинамики и металлургии позволили поднять тепловую экономичность ГТУ до необходимого уровня и создать предпосылки для внедрения ГТУ в различные области народного хозяйства.

В данной работе рассматривается энергетическая газотурбинная установка ГТН-16 АО ТМЗ. Энергетические турбины служат для привода электрического генератора, включенного в энергосистему, и отпуска тепла крупным потребителям, например жилым районам, городам и т.д. Их устанавливают на крупных ГРЭС, АЭС и ТЭЦ. Энергетические турбины характеризуются, прежде всего, большой мощностью, а их режим работы -- постоянной частотой вращения, определяемой постоянством частоты сети.



1 Схема и цикл 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. Из камеры сгорания выходит основным рабочим телом с температурой Т₁ и давлением и поступают в турбину Т, где он расширяется. Газы, покидающие турбину с температурой Т₂ частично направляются в котел-утилизатор КУ, в котором происходит выработка тепловой энергии в виде пара различных параметров и/или горячей воды. Пар или горячая вода могут подаваться непосредственно к тепловому потребителю. Также возможно использование полученного пара в паротурбинном цикле для выработки электрической энергии.

В рассматриваемой установке процессы подвода и отвода тепла необходимо рассматривать независимо, так в газовом цикле Брайтона тепло отводится по линии - 5 с целью приготовления насыщенного пара по линии a - b - c, который поступает в один из трех возможных вариантов впрыска в тракт высокого давления ГТУ, а именно на выходе из компрессора (в КС) или впускной патрубок газовой турбины (Т), где насыщенному пару отдается часть тепла и осуществляется его нагрев примерно до температуры продуктов сгорания. Тепло, отводимое по линии 5 - 3 теряется с отработавшими газами.

Принципиальная тепловая схема и цикл ГТУ представлены на рисунках 1.1 и 1.2 соответственно.

Рисунок 1.1 - Принципиальная тепловая схема и цикл контактной ГТУ:

К - компрессор; КС - камера сгорания; ТВД - турбина высокого давления; ТНД - турбина низкого давления; КУ - котел-утилизатор; ПН - питательный насос; П - привод; ХВО - химическая водоочистка; ТП - тепловой потребитель.

Рисунок 1.2 - Цикл контактной ГТУ в T,s - диаграмме

2 Построение 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 зависимостей 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 и правильно выбрать их расчётные значения.

Зависимость рассчитываются по формуле

,

где и - КПД, соответственно, турбины и компрессора; для рассматриваемых циклов ГТУ в расчётах можно принимать ; ; в данном расчёте принимаем ; ;

- коэффициент потерь давления в ГТУ; можно принимать ; в данном расчёте принимаем [4, стр. 12].

Зависимости _в=f()при принятых значениях всех коэффициентов_Т,К, v, , рассчитывают для пяти значений температурного коэффициента . За исходное значение принимают его величину, определённую по нормализованному значению и базовому значениюпринятому для ГТУ соответствующего типа (в данном расчёте принимаем ). Затем находят два значения и при неизменной температуре воздуха и двух значениях , взятых на 150°С выше базового значения и на 150°С ниже . Далее определяют два других значения при неизменной базовой величине и двух произвольно взятых значениях , из которого одно выше, а другое ниже исходного. Принимаем зима и лето. Вводя поочерёдно пять значений в формулу, получают пять зависимостей_в=f(), которые представлены на рисунке 3. (данные вычисления производились с помощью прикладной программы “Microsoft Excel” на ЭВМ).

результаты расчета заносят в таблицу 2.1.

₀, ₁, ₂, ₃, ₄.

С целью сокращения объёмов расчета для всех вариантов приняты осредненные значения величин: _Т=0,87; _К=0,86; =1,06; =1,35; =; 0; 0 (при предварительных расчётах можно принимать для процессов расширения в турбине и для процесса сжатия в компрессоре [4, стр. 13].

Таблица 2.1 - Зависимость внутреннего КПД ГТУ в от степени
повышения давления р при различных значениях температурного
коэффициента ф

р	при ф1	при ф2	при ф3	при ф4	при ф5
	?в
0	0	0	0	0	0
2	0,118369	0,120966	0,114772	0,119686	0,116998
4	0,225416	0,230925	0,217548	0,228228	0,222451
6	0,275263	0,283168	0,263694	0,279318	0,270942
8	0,304862	0,314967	0,289755	0,310068	0,299264
10	0,32437	0,336585	0,305746	0,330686	0,31752
12	0,337926	0,352213	0,315739	0,34534	0,329823
14	0,347593	0,363942	0,321748	0,356105	0,338219
16	0,35453	0,372951	0,324904	0,364151	0,343857
18	0,359449	0,379964	0,325892	0,370198	0,34744
продолжение таблицы 2.1
20	0,362815	0,385458	0,325154	0,374713	0,349427
22	0,364944	0,389756	0,322987	0,378021	0,350129
24	0,366062	0,393092	0,319595	0,380349	0,349765
26	0,366334	0,395635	0,315122	0,381866	0,348495
28	0,365882	0,397515	0,309671	0,382697	0,346436
30	0,3648	0,398829	0,303312	0,382939	0,343678
32	0,363161	0,399657	0,296095	0,382669	0,340286
34	0,36102	0,400058	0,288051	0,381945	0,336314
36	0,358424	0,400084	0,279199	0,380816	0,331799
38	0,355407	0,399774	0,269544	0,379321	0,326771
40	0,351998	0,399162	0,259084	0,37749	0,321253

По данным таблицы 2.1 строятся зависимости относительного КПД ГТУ от степени повышения давления р при различных значениях начальных температур воздуха и газа , которые представлены на рисунке 2.1.



Рисунок 2.1 - Зависимости внутреннего КПД ГТУ _в от степени повышения давления р при различных значениях температурного коэффициента ф



3 Выбор расчётных значений начальных температур воздуха и газа

На основании полученных зависимостей _в при =varia (таблица 2.1) строятся 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 _в при различных температурах T₁ и T₃ приведены в таблицах 3.1 и 3.2 соответственно.

Таблица 3.1 - Зависимость внутреннего КПД ГТУ от начальной температуры газа

Т1, К	1133,000	1283,000	1433,000
	0,32589	0,36633	0,40008

Рисунок 3.1 - Зависимость внутреннего КПД ГТУ от начальной температуры газа

Таблица 3.2 - Зависимость внутреннего КПД ГТУ от начальной температуры воздуха

Т3, К	273,000	288,000	303,000
	0,35013	0,36633	0,38294

Рисунок 3.2 - Зависимость внутреннего КПД ГТУ от начальной 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 .

4 Выбор расчётного значения степени повышения давления цикла

Для расчётного значения =0,22447 (выбиралось по максимальному ГТУ исходя из рисунка 2.1) оптимальная по максимуму КПД величина р получилась равной р_opt = 26 в однокорпусном компрессоре без заметного снижения его КПД получить невозможно. Поэтому, исходя из поставленного условия выполнения КГТУ:

где = 0,015 0,03 - относительный массовый расход топлива (в данном расчёте принимаем = 0,02) [4, стр. 14];

= 0,05 0,1 - относительный массовый расход пара (в данном расчёте принимаем = 0,05) [4, стр. 15];

Значения С_р, k, m принимались по графикам для и при [4, прил. 1, рис. 2]; коэффициент сопротивления для варианта с форсировкой = 1,06 [4, стр. 12]; _{в мах} = 0,283196 по рисунку 3 для = 0,23549.

Для расчётного значения = 0,22447 (выбиралось по максимальному

_{в мах} = 0,36633 ГТУ исходя из рисунка 3) оптимальная по максимуму КПД величин получилась равнойТакую степень повышения давления в однокорпусном компрессоре без заметного снижения его КПД получить невозможно. Таким образом, для КГТУ значение следует принимать расчетное значение степени повышения давления в компрессоре равным = 11,5; ориентируясь на уже имеющийся компрессор базовой ГТУ с такой же величиной и приемлемым значением КПД.

В дальнейших расчётах принято



5 Расчёт компрессора

Основная задача расчёта компрессора заключается в определении изоэнтропийной и действительной работы сжатия и температуры воздуха, поступающего в камеру на номинальном режиме.

Для вариантов ГТУ c регенерацией эта температура равна температуре воздуха за компрессором , которая находится в следующей последовательности.

Давление за компрессором

= = 11,50098,100 = 1128,150 кПа.

Средняя температура изоэнтропийного сжатия в первом приближении

К,

где - температура воздуха, поступающего в камеру сгорания (в данном расчёте принимаем) [4, стр. 16].

При T_ср1 = 454 К показатель адиабаты k=1,391 [3, стр. 54, рис.2], .

Температура изоэнтропийного сжатия в компрессоре

= 288,00011,500^0,28109 = 572,195 К, показатель изоэнтропы при этой температуре k_в1=1,385; при k_в1 имеем m_к1=.

Средняя температура изоэнтропийного сжатия во втором приближении

.

Показатель изоэнтропы и теплоёмкость воздуха при этой температуре k_в2=1,393; c_p.в(ср)=1,018 кДж/(кг).

Изоэнтропийный перепад энтальпий в компрессоре

(р^m - 1)= 1,018288,000(11,500^0,282 - 1) = 290,607 кДж/кг,

= 0,282

Действительный перепад энтальпий при _К=0,86

Температура воздуха за компрессором

К.

Средняя температура изоэнтропийного сжатия в компрессоре

= 453,970 К.

Этой температуре соответствует показатель адиабаты k=1,387, тогда ; теплоёмкость кДж/(кг.



6 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, необходимого для сжигания 1 кг топлива, . Примем КПД камеры сгорания . Физической теплотой топлива, вносимою в камеру сгорания, пренебрегаем.

В первом приближении относительное количество воздуха содержащегося в продуктах сгорания за камерой сгорания, определяется из уравнения теплового баланса

Значения теплосодержания воздуха и и продуктов сгорания при при соответствующих температурах принимались по графикам [4, прил. 1, рис. 3].

Для варианта контактной (форсированной или монарной) ГТУ коэффициент избытка воздуха будет иметь меньшее значение, которое в случае необходимости по заданию руководителя проекта может быть уточнено в дальнейших расчетах

где d = 0,05 - 0,25 - относительное количество впрыскиваемого пара (воды) (в данном расчёте принимаем d = 0,12) [4, стр. 51];

i_d и i_4П - теплосодержание пара в точках d и 4П, принимались по графикам [4, прил. 1, рис. 3].

Удельный расход рабочего тела в КС увеличился на величину

7 Расчёт газовой турбины

Для варианта КГТУ имеем следующие исходные данные: сопротивление выходного тракта несколько возрастет из-за наличия секций котла-утилизатора, и поэтому: = 1,06; ₂ = 1,03; ₁ = 1,03; = 11,5; _Т = / = =11,5/1,06 = 10,849.

Давление перед турбиной

р₁ = р₄/₁ = 1177,2/1,03 = 1128,150 кПа.

Давление за турбиной

р₂ = р₁/ _Т = 1128,150/10,849 = 103,987 кПа.

Средняя температура изоэнтропийного расширения за турбиной в первом приближении

где температура воздуха, выходящего из турбины (в данном расчёте принимаем ) [4, стр. 51].

[4, прил. 1, рис.2].

Температура газа за турбиной в первом приближении

Средняя температура изоэнтропийного расширения за турбиной во втором приближении

[4, прил. 1, рис.2].

Изоэнтропийный перепад энтальпий (теоретическая работа) в турбине рассчитывается по выражению

Действительная работа расширения в турбине

где внутренний КПД турбины с учётом аэродинамических потерь от охлаждения в проточной части турбины [4. стр. 18];

коэффициент термодинамических потерь в проточной части (в данном расчёте принимаем ) [4. стр. 19];

коэффициент гидравлических потерь (в данном расчёте принимаем ) [4. стр. 19].

Действительная температура газа за турбиной

Средняя температура изоэнтропийного расширения за турбиной

Эффективная удельная работа КГТУ с учетом охлаждения и впрыска пара в камеру сгорания

где

расход газа [4. стр. 18];

расход воздуха на охлаждение ( т.к. ) [4. стр. 18];

относительный расход воздуха на охлаждение венцов лопаток (в данном расчёте принимаем ) [4. стр. 18];

относительный расход воздуха на охлаждение подшипников (в данном расчёте принимаем ) [4. стр. 18];

= 0,02 - безвозвратно теряемый воздух на охлаждение (в данном расчёте принимаем) [4. стр. 51];

механический КПД турбины (в данном расчёте принимаем ) [4. стр. 19];

d = 0,05 - 0,25 относительное (к воздуху) количество впрыскиваемой воды (пара) (в данном расчёте принимаем d = 0,12) [4, стр. 51];

При условии сохранения режима работа компрессора при тех же условиях, что и в простейшем варианте, т.е. при = 11,5; и том же числе оборотов и производительности воздуха добавка 12% пара от расхода воздуха дает увеличение общего расхода рабочего тела в турбине (продукты сгорания + пар), до величины

и

[4. стр. 18];

эффективная (номинальная) мощность. В данном расчёте для ГТН16 принимаем .

().

, что близко к первоначально принятому значению. ;

.

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 КГТУ имеем ранее принятые величины

Т₃ = 288 К; Т₁ = 1283 К; = 11,5; _Т= 10,849; Т₄ = 619,940 К; Т₂ = 809,100 К; _Т = 0,87; = 0,018; = 1; m_Г = 0,233; m_В = 0,279;

d = 0,12 относительный расход пара, подводимого в КС определим;

расход теплоты в камере сгорания.

Теплосодержание пара

при Т₁ = 1283 К i_d = 2019 кДж/кг;

при Т₄ = 619,940 К (ввод в КС) i_4П = 648 кДж/кг.

Начальная температура воды Т_3вод = Т_а = 288 К (15°С) i_а = 63 кДж/кг.

Тогда коэффициент утилизации

К_ут = (i_4Пi_а)/(i_di_a) = (64863)/(201963) = 0,299.

Доля теплоты, подводимой к пару в КС

тепло подводимое к пару в камере сгорания.

КПД форсированной (контактной) газотурбинной установки:

Удельный расход тепла

q_КГТУ = 3600/_{е КГТУ} = 3600/0,31626 =11383,039 кДж/кВтч.

Удельный расход условного топлива

11383,039/29308 = 0,388 кг/ кВтч,

Таким образом, КГТУ при вводе в КС 12% пара от расхода воздуха дает практически тот же экономический эффект, что и бинарная ПГУ, но при несравнимо меньших капитальных затратах.



Вывод

Итак, при сравнении данных расчетов с расчетами других конструктивных композиций ГТУ выяснилось, что наибольший годовой экономический эффект даёт ГТУ с теплофикацией, а следом за ней идёт КГТУ. Но в отличие от ГТУ с теплофикацией, для КГТУ необязательно наличие потребителя тепла. В варианте КГТУ реально осуществима частичная и временная теплофикация, что делает такие установки наиболее предпочтительными.

Следует также отметить, что переход от простейшего варианта ГТУ к КГТУ возможен в условиях эксплуатации установок при их модернизации. Именно эти соображения объясняют тот факт, что в настоящее время контактные газотурбинные установки находят широкое применение как высокоэффективные источники тепловой и электрической энергии во многих странах мира.



Список использованных источников

1. Арсеньев, Л.В. Комбинированные установки с газовыми турбинами/ Л.В. Арсеньев, В.Г. Тырышкин - Л.: Машиностроение. Ленингр. отделение, 1982. - 247 с.

2. 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.

3. Костюк, А.Г. Газотурбинные установки: Учеб. пособие для вузов/
А.Г. Костюк, А.Н. Шерстюк - М.: Высшая школа, 1979. - 254 с.

4. Кузьмичёв, Р.В. Расчёт тепловых схем и переменных режимов работы газотурбинных установок: Учеб. пособие/ Р.В. Кузьмичёв - Брянск: БГТУ, 1997. - 80 с.

Размещено на Allbest.ru