Учебное пособие: Методика поверочного теплового расчета двухконтурной парогазовой установки утилизационного типа

Таким образом, давление воздуха перед первой ступенью компрессора, определится следующим образом, бар:

p₁ = p_НВ - ?p_ВЗТ = p_НВ - (?p_ФГО + ?p_ФТО + ?p_ВВ + ?p_КОНФ). (1.8)

Температура воздуха перед входным направляющим аппаратом (ВНА), то есть перед первой ступенью компрессора, приближенно определится следующим образом, бар:

T₁ = (p₁ • 10²) / (R_В • с_НВ), t₁ = T₁ - 273,15 ^OC, (1.9)

где: p₁ - бар; T₁ - K; с_НВ - кг/м³; R_В = 0,28715 кДж/(кг•К).

Рис. 5. Схема воздухозаборного тракта (ВЗТ) и теплового укрытия ГТЭ-110:

К - компрессор; КС - камера сгорания; ГТ - газовая турбина; ДИФ. - диффузор соединения ГТ с котлом-утилизатором; КПР - клапан противопомпажной разгрузки; ст. - ступень компрессора (штриховой линией показано предлагаемое решение использования воздуха укрытия ГТД для работы АОС)

Рис. 6. Процессы в h,s-диаграмме изменения состояния воздуха от входа из атмосферы до входа в первую ступень компрессора (до входа в ВНА): характерные точки: А - атмосферный воздух; 1 - воздух на входе в первую ступень компрессора (вход в ВНА); ФГО, ФТО - фильтры грубой и тонкой очистки воздуха; ВВ - воздуховод; Конф. - конфузор; ВНА - входной направляющий аппарат

2. РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ ВОЗДУХА КОМПРЕССОРА

На данном этапе определяются степень сжатия воздуха и КПД компрессора по паспортной характеристике компрессора.

Последующий расчет поступенчатого сжатия воздуха (рис. 7) позволяет определить параметры отбора воздуха для технологических нужд за 5-й, 7-й, 10-й и 15-й ступенями компрессора (рис. 8, табл. 1).

С учетом величины отборов рассчитываются удельная работа компрессора, необходимая для сжатия поступающего в 1-ю ступень компрессора 1 кг воздуха, а также состояние воздуха на входе в КС.

Рис. 7. Процессы в h,s-диаграмме сжатия воздуха в компрессоре:

К - компрессор; СА - спрямляющий аппарат; Диф - выходной диффузор компрессора.

Рис. 8. Схема охлаждения элементов проточной части ГТД-110

Таблица 1. Распределение отбираемого из проточной части компрессора воздуха для охлаждения элементов проточной части и на компенсацию осевого усилия ГТД-110

2.1 Вычисление параметров рабочего тела в начале цикла ГТУ

Из табл. [2] по значению t₁ находим значения р₀₁, h₁ и s⁰₁ и по уравнению Клапейрона-Менделеева удельный объем:

р₀₁, h₁, s⁰₁, и ₀₁ = f(t₁); s₁ = s⁰₁ - R •ln p₁; v₁ = RT₁ / (p₁ • 10²). (2.1)

Здесь: h - кДж/кг; R, s - кДж/(кг • К); p - бар (1 бар = 10² кПа); v - м³/кг; T - K.

2.2 Вычисление параметров рабочего тела (воздух) в конце обратимого адиабатного сжатия

Параметры воздуха на выходе из компрессора в теоретическом процессе (точка 2t, рис.7), определяются следующим образом:

а) относительное давление

е₁ = p₂ / p₁ = р_{02 t} / р₀₁ > р_{02 t} = р₀₁• (p₂ / p₁) = р₀₁ е₁; (2.2)

б) энтропия, энтальпия и температура воздуха определится по таблицам путем интерполяции:

t_2t, h_2t, и _{02 t}, s⁰_2t = f(р_{02 t}); v _2t = v ₁ • (и _{02 t} / и ₀₁). (2.3)

2.3 Вычисление параметров воздуха, отбираемого из компрессора

Из проточной части компрессора и после последней ступени компрессора организованы отборы воздуха на охлаждение лопаточного аппарата газовой турбины и компенсацию осевого усилия (рис. 8, табл. 1).

Количество отбираемого воздуха (в %-тах от расхода воздуха на входе в компрессор) приведено в табл. 1.

Для определения параметров отбираемого воздуха за 5-ой, 7-ой, 10-ой и 15-ой (последней) ступенями компрессора, сделаем допущение равенства создаваемых напоров ступенями компрессора:

?p_{СТ К} = ?p _К / z = (p₂ - p₁) / z, (2.4)

где z = 15 - число ступеней компрессора.

Алгоритм вычисления параметров воздуха за ступенью отбора воздуха из компрессора и затраченной работы группой ступеней компрессора приведен в табл. 2.

Таблица 2. К расчету параметров воздуха за ступенью отбора воздуха из компрессора и затраченной работы группой ступеней компрессора

Примечания.

1. n - номер рассчитываемой ступени компрессора, за которой выполнен отбор воздуха.

2. В компрессоре ГТЭ-110 отбор воздуха выполнен за 5-ой, 7-ой, 10-й и 15-ой (последней) ступенями компрессора (n = 5; 7; 10; 15).

2.4 Удельная работа компрессора

Удельная работа (в расчете на 1 кг проходящего рабочего тела) компрессора в обратимом (теоретическом) процессе без учета отбора воздуха из проточной части компрессора, кДж/кг:

?_{к t} = c_pв (T_{2 t} - T₁) = h_{2 t} - h₁. (2.5)

Удельная работа компрессора (на единицу массы рабочего тела) в необратимом (реальном) процессе без учета отбора воздуха из проточной части компрессора на охлаждение элементов газовой турбины, кДж/кг:

?_к = h₂ - h₁ = ?_{к t} / з^к_oi. (2.6)

2.5 Вычисление параметров рабочего тела (воздух) в конце необратимого адиабатного сжатия без учета отбора воздуха из проточной части компрессора

Теплосодержание рабочего тела (воздуха) в конце необратимого процесса сжатия в компрессоре, кДж/кг

h₂ = h₁ + ?_к. (2.7)

По таблицам [2], по значению h₂, путем интерполяции, находим необходимые значения параметров рабочего тела (t₂, s⁰₂, р₀₂):

t₂, s⁰₂, р₀₂ = f(h₂). (2.8)

Давление на выходе из компрессора определится по формуле

е₁ = p₂ / p₁ > p₂ = е₁ • p₁. (2.9)

Согласно [2, 14] энтропия идеального газа при произвольном давлении и температуре вычисляется по формуле:

s(T, p) = s⁰ (T) - R ln p. (2.10)

Здесь: h - кДж/кг; R, s - кДж/(кг • К); p - бар; T - K.

Используя данную зависимость, получим:

?s = s₂ - s₁ = s⁰₂(Т₂) - s⁰₁(Т₁) - R • ln(p₂ / p₁) = s⁰₂ - s⁰_2t, s₂ = s₁ + ?s. (2.11)

Удельная работа (в расчете на 1 кг проходящего рабочего тела) компрессора в необратимом (теоретическом) процессе с учетом отбора воздуха из проточной части компрессора (см. табл. 1 и табл. 2), кДж/кг

?_к = 1,0 • ?_{к (5)} + (1,0 - 0,003)• (?_{к (7)} - ?_{к (5)}) + >

> + (1,0 - 0,003 - 0, 019) • (?_{к (10)} - (?_{к (7)}) + >

> + (1,0 - 0,003 - 0, 019 - 0,039) • (?_{к (15)} - ?_{к (10)}) =

= 1,0 • ?_{к t (5)} + 0,997• (?_{к (7)} - ?_{к t (5)}) + >

> + 0,978 • (?_{к (10)} - (?_{к (7)}) + 0,939 • (?_{к (15)} - ?_{к (10)}). (2.12)

Здесь:

?_{к (5)} - работа сжатия воздуха в обратимом процессе в 15-ой ступенях компрессора;

?_{к (7)} - работа сжатия воздуха в обратимом процессе в 17-ой ступенях компрессора;

?_{к (10)} - работа сжатия воздуха в обратимом процессе в 110-ой ступенях компрессора;

?_{к (15)} - работа сжатия воздуха компрессора в обратимом процессе (в 115-ой ступенях);

(?_{к (7)} - ?_{к (5)}) - работа сжатия воздуха в обратимом процессе в 6-ой и 7-ой ступенях компрессора;

(?_{к (10)} - (?_{к (7)}) - работа сжатия воздуха в обратимом процессе в 810-ой ступенях компрессора;

(?_{к (15)} - ?_{к (10)}) - работа сжатия воздуха в обратимом процессе в 1115-ой ступенях компрессора;

0,003 - доля отбора воздуха за 5-ой ступенью компрессора;

0,019 - доля отбора воздуха за 7-ой ступенью компрессора;

0,039 - доля отбора воздуха за 10-ой ступенью компрессора.

Уточняем параметры воздуха в конце необратимого процесса сжатия в компрессоре с учетом отбора воздуха из проточной части компрессора, кДж/кг

h₂ = h₁ + ?_к; t₂, s⁰₂, р₀₂ = f(h₂), с₂ = (p₁ • 10²) / (R_В • T₂), (2.13)

где: p₂ - бар; T₂ = (t₂ + 273,15 ^OC), K; с₂ - кг/м³; R_В = 0,28715 кДж/(кг • К).

2.6 Расчет параметров воздуха за компрессором с учетом процессов в спрямляющем аппарате и диффузоре

За лопаточным аппаратом компрессора расположен спрямляющий аппарат (СА) и диффузор - нагнетательный патрубок. В СА имеет место потеря давления, а в выходном диффузоре компрессора - повышение давления и снижение скорости потока на входе в камеру сгорания.

Давление на выходе из компрессора (на выходе из диффузора) определится следующим образом, бар:

p_{2 К} = p₂ - ?p_СА + ?p_{Д К}, (2.14)

где: p₂ - давление рабочего тела (воздух) за последней ступенью компрессора, бар; ?p_СА = ж_СА • с₂ • (щ₂ ² / 2) • 10 ^{- 5} - потеря давления потока в спрямляющем аппарате, бар; ж_СА = 0,05 0,1 - коэффициент местного гидравлического сопротивления СА, учитывающий потери энергии потока на трение и вихреобразование [13]; с₂ - плотность воздуха за последней ступенью компрессора, кг/м³; щ₂ = 80 120 - скорость потока на выходе из диффузора, м/с.

ПРИМЕЧАНИЕ. Полагаем, что в СА имеет место процесс дросселирования, то есть h = const.

Процесс сжатия газа в компрессоре в h,s-диаграмме представлен на рис. 7.

Давление воздуха за спрямляющим аппаратом, бар:

p_{2 СА} = p₂ - ?p_СА. (2.15)

Для выходного диффузора компрессора степень повышения давления (е_{Д К} = p_{2 СА} / p_{2 В}) обычно выбирается в пределах:

е_{Д К} = 1,01… 1,1. (2.16)

Давление воздуха за выходным диффузором компрессора, бар

p_{2 К} = е_{Д К} • p_{2 СА}. (2.17)

Повышение давления в диффузоре, бар:

?p_{Д К} = p_{2 К} - p_{2 СА.} (2.18)

Изоэнтропийный тепловой перепад энтальпий в диффузоре, кДж/кг:

?H_{Д К t} = h_{2t К} - h₂ ? c_{P 2} • T₂ • (е_{Д К} ^{(k - 1) / k} - 1). (2.19)

Действительный тепловой перепад энтальпий в диффузоре, кДж/кг:

?H_{Д К} = h_{2 К} - h₂ = ?H_{Д К t} / з_Д. (2.20)

Здесь: p_{2 К} - давление воздуха за выходным диффузором компрессора (собственно за компрессором, то есть перед камерой сгорания), бар; p_{2 СА} - давление воздуха за спрямляющим аппаратом компрессора, бар; h₂ = h_{2 СА} - энтальпия воздуха за спрямляющим аппаратом компрессора, кДж/кг; h_{2t К} - энтальпия воздуха в теоретическом процессе за диффузором компрессора, кДж/кг; h_{2 К} - энтальпия воздуха в действительном процессе за диффузором компрессора, кДж/кг; c_P2 - удельная изобарная теплоемкость газов за последней ступенью компрессора, кДж/(кг • K); T₂ - температура воздуха в действительном процессе за последней ступенью компрессора, K; з_Д ? 0,6 0,8 - КПД диффузора, учитывающий аэродинамические и тепловые потери энергии потока газа.

Параметры воздуха в конце необратимого процесса сжатия за компрессором, то есть на входе в камеру сгорания, кДж/кг

h_{2 К} = h₂ + ?H_{Д К}; t_{2 К}, s⁰_{2 К}, р_{02 К} = f(h_{2 К}). с_{2 К} = (p_{2 К} • 10²) / (R_В • T_{2 К}), (2.21)

где: p - бар; T = (t + 273,15 ^OC), K; с - кг/м³; R_В = 0,28715 кДж/(кг • К).

ПРИМЕЧАНИЯ.

Следует обратить внимание, что степень повышения давления в компрессоре может определяться по различным условиям:

а) общая, по полным параметрам (нв) между атмосферными условиями (p_НВ) и состоянием воздуха за выходным диффузором компрессора (p_{2 К}), то есть перед камерой сгорания

е_{1 НВ} = p_{2 К} / p_НВ; (2.22)

б) в лопаточном аппарате (ла) компрессора (входной направляющий аппарат - последняя ступень компрессора)

е_{1 ЛА} = p₂ / p₁; (2.23)

в) собственно в компрессоре (к), то есть от входа в ВНА до входа в камеру сгорания

е_{1 К} = p_{2 К} / p₁. (2.24)

3. ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ КАМЕРЫ СГОРАНИЯ

Целью данного этапа расчета являются расчет действительной температуры горения в КС и перед 1-й ступенью ГТ (рис. 9).