Расчет зависимости кпд гту от степени повышения давления при различных значениях начальных температур воздуха и газа, выбор расчетных значений параметров гту

тепловая схема газотурбинная установка

При курсовом проектировании рассматриваются пять основных вариантов тепловых схем ГТУ: простейшая, с регенерацией, с теплофикацией, монарная ПГУ (или контактная КГТУ), бинарная ПГУ.

Расчет тепловой схемы каждой ГТУ начинается с построения зависимости внутреннего КПД ГТУ h_в от степени повышения давления в цикле p при различных значениях начальной температуры газа перед турбиной Т₁ и температуры атмосферного воздуха Т₃ с тем, чтобы сразу же оценить влияние этих параметров на работу ГТУ и правильно выбрать их расчетные значения.

Зависимости h _в = f( p ) рассчитываются для простейших циклов и ГТУ с теплофикацией, форсировкой и ПГУ по формуле:

 

, (1)

 

а для циклов с регенерацией по формуле

 

, (2)

 

где h _т, h _к - КПД соответственно турбины и компрессора;

n - коэффициент потерь давления в ГТУ;

 

 

степень регенерации или доля использования возможного теплоперепада, определяемого разностью температур отработавших газов за турбиной Т₂ и воздуха на выходе из компрессора. При m=0 формула 2 преобразуется в формулу 1.

Для рассматриваемых типов ГТУ в расчетах можно принимать h _т = h _твд = h _тнд = 0,86…0,88; h_к = 0,85…0,87 при p ≤ 15 (с увеличением p h _к снижается).

Для ГТУ без регенератора n = 1,02-1,04; n₁ = n₂= .

Для КГТУ n = 1,05 - 1,07; n₁ = 1,02 - 1,03; n₂ = 1,03 - 1,05.

Для теплофикационных и бинарных ПГУ n = 1,06 - 1,08; n₁ = 1,02 - 1,04; n₂ = 1,04 - 1,06.

Для регенеративных ГТУ n = 1,08 - 1,1; = n₁ = n₂; m = (к-I)/к; к = c_p/c_v; R = c_p-c_v; к; c_p; R - определяются по графикам прил. 1, рис. 1-5.

Для предварительных расчетов можно принимать для процессов расширения в турбине к_г = 1,33 - 1,35 и к_в = 1,37-1,39 для процесса сжатия в компрессоре.

Зависимости h _в= f( p ) при принятых значениях всех коэффициентов h _т; h _к; n; m; m рассчитывают для пяти значений температурного коэффициента t =Т₃/Т₁. За исходное значение t₀=Т₃₀/Т₁₀ принимают его величину, определенную по нормализованному значению Т₃₀= 288 К (15°С) и базовому значению Т₁₀, принятому по табл. 1.1 для ГТУ соответствующего типа. Затем находят два значения t₁=Т₃₀/Т₁₁ и t₂=Т₃₀/Т₁₂ при неизменной температуре воздуха Т₃₀ и двух значениях Т₁, взятых на 100°С выше базового значения Т₁₁=Т₁₀+100 и на 100°С ниже - Т₁₂=Т₁₀-100. Далее определяют два других значения t при неизменной базовой величине Т₁₀ и двух произвольно взятых значениях Т₃, из которых одно выше, а другое ниже исходного. Например, Т₃₁=273 К - зима и Т₃₂=303 К - лето. Вводя поочередно пять значений t в формулу 1 или 2, получают пять графиков зависимости h _вмах= f( Т₃ ) и h _вмах= f( Т₁ ) по относительным значениям p_opt каждой кривой h _в= f( p ), с целью определения количественного влияния температур Т₃ и Т₁ на работу данного типа ГТУ и обоснованно выбрать расчетные значения этих температур.

Обычно для Т₃ берется нормальное значение, равное Т₃₀=288 К или же Т₃ указывается в задании. Выбор значения Т₁ определяется используемым материалом лопаток первой ступени турбины, с ориентиром на базовый вариант ГТУ или задание.

Следующим этапом расчета является выбор расчетного значения степени повышения давления p_расч для заданного варианта типовой схемы ГТУ.

Для схем без регенерации p_расч принимается не выше p_расч ≤ 15 (ориентируясь на уже имеющиеся отечественные цикловые компрессоры), что обычно существенно ниже оптимального значения p_opt. Например, для ГТН-25, выполненной по простейшей схеме, при Т₁₀=1223 К и t=0,233 p_opt=26, обеспечить которое в однокаскадном компрессоре без заметного снижения его КПД, при традиционных принципах проектирования практически невозможно. Приходится ориентироваться на уже существующие и аэродинамически отработанные компрессоры (например, на базовые варианты ГТУ по табл. 1.1).

Для варианта схемы с регенерацией p_opt имеет невысокие значения (p_opt=5-8), которые легко достигаются в однокаскадном компрессоре с малым числом ступеней, и достаточно высоким значением КПД компрессора h_к=0,87-0,89, поэтому для схем ГТУ с регенерацией p_расч=p_opt.

Для варианта теплофикации и горячего водоснабжения (с подогревателями сетевой воды - ПСВ (рис.2,г).

 

, (3)

 

где т, к - индексы, которые относятся соответственно к турбине, компрессору, (газу и воздуху); R - газовая постоянная;

- относительный расход газа через турбину

- расход воздуха через компрессор;

e - отношение годового числа часов работы ПСВ к годовому числу часов работы ГТУ (принимаются по согласованию с руководителем проекта);

h _вмах - максимальное значение внутреннего КПД цикла ГТУ, полученное расчетом по формуле (1) при p_opt;

h _вк - КПД водогрейного котла-утилизатора, среднее значение которого h _вк = 0,9;

h _кс - КПД камеры сгорания, h _кс = 0,98 - 0,99;

n - 1,06 - 1,08.

При этом варианте утилизируемое тепло определяется площадью г-5-2-ж потребитель получает тепло q_тп= q_сп, соответствующее площади в-3в-4в-1в-3, а теряемое тепло q₂ определяется площадью а-3-5-г (рис.2,г).

При e >> 0 h_opt получается значительно ниже p_opt простейшей газотурбинной установки и для таких вариантов p_расч = p_opt, если последнее меньше 15. Если же p_opt > 15, то p_расч выбирается по тем же соображениям, что и для простейших схем ГТУ.

Для вариантов форсированных (контактных) КГТУ (рис. 1, ж)

 

, (4)

 

где т или г, к или в и п - индексы, которые относятся соответственно к газовой турбине (газу), компрессору (воздуху) и пару;

- относительный массовый расход топлива, = 0,015…0,03; n = 1,05 - 1,08; n₁ = 1,02 - 1,03; n₂ = 1,03 - 1,05;

h _вмах - максимальное значение внутреннего КПД ГТУ по зависимости h _в= f( p );

- относительный массовый расход пара, в расчетах курсовой работы = 0,05 - 0,1, а для специально спроектированных современных КГТУ принимают равным до 0,3 и выше.

Значение оптимальной степени повышения давления для контактной установки оказывается существенно ниже аналогичного параметра обычной ГТУ. Поэтому в расчетах следует принимать p_расч ≤ 15.

КПД контактной установки будет выше КПД обычной ГТУ только в том случае, если осуществляется утилизационный подогрев (в котле-утилизаторе) воды или пара, подаваемой в камеру сгорания (рис.1,ж). Степень подогрева воды характеризуется коэффициентом утилизации, который определяет долю теплоты q_ут, подводимой к пароводяному рабочему телу за счет тепла уходящих газов К_ут=(i_e- i_a)/(i_d -i_a) (рис.2,е). При этом часть теряемой теплоты продуктов сгорания, состоящих из газа и пара, используется в утилизационном теплообменнике. Для упрощения анализа свойств контактной установки, работающей на парогазовой смеси, используют раздельное изображение газового и паровго циклов (рис.2,е). При утилизации от газового цикла используется теплота , эквивалентная площади в-5-2-е, а от парового цикла - теплота , эквивалентная площади и-5п-е-л. Чем больше теплота утилизации _{= +} (рис.2,е), тем меньше затраты теплоты сгорания топлива в паровой части при заданном расходе воды или больше расход воды (пара) при заданном расходе топлива.

При отсутствии утилизации затраты возрастают, её количество зависит от температуры вводимой воды (рис.2,е, точка а). При этом экономичность контактной установки будет несколько ниже экономичности обычной ГТУ.

Для детального расчета тепловой схемы контактной ГТУ используются зависимости, приведенные в литературе [1,2].

Для варианта бинарной парогазовой установки (ПГУ) или выработки дополнительной механической или электрической энергии (рис.1,з).

 

, (5)

η _ут= (i₂- i₅)/(i₂ -i₃)= (Т₂- Т₅)/(Т₂ -Т₃) - КПД утилизации (рис.2, д);

- КПД парового контура, который в предварительных расчетах можно принимать равным = 0,30 - 0,33; n = 1,08 - 1,1.

Для варианта бинарной ПГУ значение получаются существенно ниже, чем для простейшей схемы, но все же выше значений, допустимых для однокаскадных компрессоров, и поэтому для рассматриваемого варианта p_расч выбирается так же, как для простейших схем ГТУ.

После определения p_opt по зависимостям h _в= f( p ) по формулам (1) или (2), или по формулам (3) - (5) для вариантов утилизации КГТУ или ПГУ необходимо выбрать p_расч в соответствии с данными для каждого варианта рекомендациями.

После определения p_расч = p_opt необходимо найти степень расширения газа в турбине p_Т = p/n, предварительно задавшись значениями n, n₁ и n₂. Давление за турбиной Р₂ определяется из выражения Р₂= Р₃×n₂, где Р₃ - принятое в задании расчетное значение атмосферного давления.