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

Рис. 12. Принципиальная схема охлаждения воздуха компрессора ГТД-110: а) предлагаемое решение; б) существующее решение; 1 - бак замкнутого контура (ЗК); 2 - насос ЗК; 3 - теплообменник ЗК; 4 - ВзВТО; 5 - ВНА; 6 - компрессор ГТД; 7 - КС; 8 - ГТ; 9 - генератор; 10 - узел регулирования; 11 - воздухоуловитель; ц.в. - циркуляционная (охлаждающая) вода; РК - регулирующий клапан; М - исполнительный механизм; РТ - регулятор температуры; ДТ - датчик температуры; ДУ - дроссельное устройство

В излагаемой методике расчета процесса расширения газов в ГТ определение конечной точки процесса (рис.13, т. 4) производится итерационным приближениеи полученной в процессе расчета температуры к заданной на входе в КУ путем изменения избытка воздуха перед 1-й ступенью ГТ.

Рис. 13. Процессы в h,s-диаграмме расширения продукта сгорания топлива в ГТД и изменения давления в спрямляющем аппарате и выходном диффузоре ГТД: ПЧ ГТ - проточная часть газовой турбины; СА - спрямляющий аппарат; Диф. - диффузор, соединяющий выхлоп ГТД с КУ

4.1 Расчет параметров газа перед первой ступенью ГТД

1. По таблицам [2] вычисляются удельные молярные изобарные теплоемкости, кДж/(кмоль•К) компонентов продукта сгорания топлива перед первой ступенью ГТД:

C_pH2O, C_pRO2, C_pN2, C_pВ = f(t₃). (4.1)

2. По правилу смешения вычисляется молярная теплоемкость газообразного продукта сгорания топлива, кДж/(кмоль•К):

C_{p 3} = r_H2O • C_pH2O + r_RO2 • C_pRO2 + r_N2 • C_pN2 + r_B • C_pВ. (4.2)

3. Для удобства дальнейших расчетов переведем молярную теплоемкость в массовую, кДж/(кг•К)

c_{p 3} = C_{p 3} / _Г, (4.3)

а молярное теплосодержание - в массовое, кДж/кг

h₃ = H ₃ / _Г. (4.4)

4. Плотность газообразного продукта сгорания (смеси газов) топлива определим по уравнению Клапейрона-Менделеева, кг/м³:

p_СМ•v_СМ = R_СМ•T > с₃ = (p_{2В КС} •10²) / (R_Г • T₃), (4.5)

где: p_{2В КС} - бар; R - кДж/(кг•К); T - K.

5. По температуре газов перед ГТ (t₃), пользуясь таблицами [2], находим стандартные энтропии компонентов газовой смеси перед первой ступенью ГТ.

s⁰_{3 RO2}, s ⁰_{3 H2O,} s ⁰_{3 N2,} s ⁰_{3 В} = f(t₃); (4.6)

6. Базовая энтропия продукта сгорания (газовой смеси) на входе в ГТД, кДж/кг:

s⁰₃ = r_H2O • s⁰_{3 H2O} + r_RO2• s⁰_{3 RO2} + r_N2 • s⁰_{3 N2} + r_В • s⁰_{3 В.} (4.7)

7. Давление газа (газообразный продукт сгорания топливной смеси) на входе в первую ступень ГТ, с учетом падения давления в жаровых трубах, будет несколько ниже, чем в камере сгорания:

p₃ = p_КС • з^а_ЖТ, (4.8)

где: з^а_ЖТ = 0,778 - коэффициент аэродинамического сопротивления (аэродинамический КПД) жаровых труб камеры сгорания;

p_КС = p_{2В КС} - давление газов в камере сгорания, так как повышение температуры в камере сгорания происходит при постоянном давлении.

8. Учитывая, что p_КС = p_{2В КС,} изменение энтропии в камере сгорания можно определить по формуле:

?s_2-3 = s₃ - s_{2 КС} = s⁰₃ - s⁰_{2В КС} - R • ln(p₃ / p_{2В КС}) = s⁰₃ - s⁰_{2В КС}. (4.9)

9. Действительная энтропия газовой смеси на входе в ГТ:

s₃ = s₂ + ?s_2-3. (4.10)

4.2 Расчет давления газов за последней ступенью ГТД

1. Давление газа (продуктов сгорания) в конце процесса расширения в ГТ принимаем из следующих соображений.

а) продукты сгорания, покидающие ГТД, последовательно, по газовому тракту до выхода в атмосферу, преодолевают суммарное аэродинамическое сопротивление (?p_ГВТ) в составе:

?p_ГВТ = p_НВ + [?p_ДИФ + ?p_КУ + ?p_КОНФ + ?p_{Г ТРАКТ} + (?p_ДТ - ?p _{С-ТЯГИ ДТ})]. (4.11)

Здесь:

?p_ДИФ - повышение давления в диффузоре (местное сопротивление), соединяющий выходной диффузор ГТД с КУ;

?p_КУ - падение давления по газовому тракту собственно КУ (?p_КУ = 1,891 3,004 кПа - перепад полных давлений в газовом тракте котла-утилизатора, в зависимости от нагрузки [16].

Примечание. ?p_КУ вычисляется как сумма местных потерь и потерь давления на трение с учетом геометрии каналов газового тракта котла-утилизатора, например, по методике, изложенной в [3]);

?p_КОНФ - понижение давления в конфузоре (местное сопротивление), соединяющем КУ с газоотводящим трактом;

?p_{Г ТРАКТ} - потери давления в газоотводящем тракте, соединяющий КУ с дымовой трубой, определяются как сумма потерь давления на местных сопротивлениях и потерь давления на трение с учетом геометрии газоотводящего тракта;

(?p_ДТ - ?p _{С-ТЯГИ ДТ}) - перепад давлений в дымовой трубе (с эффектом самотяги).

p_НВ - атмосферное давление. Выброс отработавших газов осуществляется в атмосферу через дымовую трубу. Расчетное давление наружного воздуха согласно [12] здесь принято:

p_НВ = 101,3 кПа (760 мм рт. ст.).

Точный расчет составляющих аэродинамического сопротивления газового тракта можно выполнить по соответствующей методике [13].

Давление газов за выходным диффузором ГТД (на выходе из ГТД) можно определить по формуле:

p_Н = p_НВ + ?p_ГВТ. (4.12)

2. Приближенный расчет диффузора ГТД и оценку параметров продукта газовой смеси за ГТД, перед соединительным диффузором с котлом-утилизатором, можно выполнить следующим образом.

В выходной части ГТД, непосредственно за последней ступенью, расположен спрямляющий аппарат и выходной диффузор. Рассмотрим их как одно устройство (диффузор), пренебрегая потерей давления в спрямляющем аппарате вследствие его малой величины.

Применение диффузора за последней ступенью турбины позволяет уменьшить давление в потоке непосредственно за последней ступенью по отношению к давлению среды, в которую производится выход газов из турбины. Вследствие этого увеличивается располагаемый тепловой перепад и, как следствие, возрастает мощность и КПД турбины. Однако выходной диффузор турбины увеличивает габариты и металлоемкость турбины, усложняет конструкцию турбины. Оптимальная конструкция диффузора может быть получена в результате вариантных расчетов совместно с проточной частью ГТД.

Процесс сжатия газа в диффузоре в h,s-диаграмме представлен на рис. 14.

Для диффузоров ГТ степень повышения давления (е_{Д ГТ} = p_Н / p₄) обычно выбирается в пределах:

е_{Д ГТ} = 1,01… 1,1.

Давление продукта сгорания топлива за последней ступенью ГТД, бар:

p₄ = p_Н / е_{Д ГТ}.

Повышение давления в диффузоре, бар:

?p_{Д ГТ} = p_Н - p₄.

3. Степень расширения газов в турбине:

е₂ = p₃ / p₄. (4.13)

4. Давление газов на входе в КУ, с учетом потери давления в соединительном диффузоре, руководствуясь данными испытаний для нагрузки ПГУ близкой к номинальной, бар

p_{4 КУ} = p₄ - ?p_ДИФ. (4.14)

Рис. 14. Процессы в h,s-диаграмме продукта сгорания топлива в ГТД от выхлопа с ГТД до выхода в атмосферу ГТД: Диф. КУ - диффузор, соединяющий выхлоп ГТД с КУ; Тракт КУ - газовый тракт КУ; Конф. КУ - выходной диффузор газового тракта КУ; ГОТ - газоотводящий тракт; ДТ - дымовая труба

4.3 Оценка температуры газов на выходе из последней ступени ГТД в действительном (необратимом) процессе без учета воздуха на охлаждение проточной части

Расчет температуры газов за последней ступенью ГТД с учетом схемы охлаждения проточной части турбины обычно определяется по методикам фирм-изготовителей ГТД, которые обычно не публикуются [16]. Рассмотрим расчет температуры газов за последней ступенью ГТД в два этапа. В качестве первого приближения будем полагать, что рабочее тело на выходе из ГТД - воздух (преобладающий компонент продукта сгорания). Поэтому, на данном этапе, все параметры рабочего тела будем вычислять для воздуха.

В зависимости от исходных данных температура газов на выходе из последней ступени ГТД (рис.13) в действительном (необратимом) процессе (t₄) может быть определена следующими путями.

Вариант №1. Температура t₄ известна (задана). В этом случае алгоритм вычислений следующий.

1) h _RO2, h _H2O, h _N2, h_возд = f(t₄);

2) h₄ = r_RO2 •h _RO2+ r_H2O •h _H2O+ r_N2 •h _N2+ r_В •h_возд;

3) S⁰₃ = f(t₃);

4) S⁰_{4 t} = S⁰₃ - мR ln (p₃ / p₄);

5) t_{4 t} = f(S⁰_{4 t});

6) h_{4 t} = f(S⁰_{4 t});

7) ?_{т t} = h₃ - h_{4 t};

8) ? _т = h₃ - h₄;

9) з^т_oi = ?_т / ?_{т t} = (h₃ - h₄)/(h₃ - h_{4 t}).

Вариант №2. Задано значение КПД ГТД (з^т_oi).

1) S⁰₃ = f(t₃);

2) S⁰_{4 t} = S⁰₃ - мR ln (p₃ / p₄);

3) t_{4 t} = f(S⁰_{4 t});

4) h_{4 t} = f(S⁰_{4 t});

5) ?_{т t} = h₃ - h_{4 t};

6) ?_т = ?_{т t} • з^т_oi;

7) h₄ = h₃ - ?_т;

8) задаемся рядом значений температур t₄,например, от t₄ = t_{4 t} с шагом ?t до t₄ ? 1,1 • t_{4 t};

9) для каждого значения t₄ вычисляем энтальпии компонентов газовой смеси:h _RO2, h _H2O, h _N2, h_В = f(t₄);

10) для каждого значения t₄ вычисляем энтальпию газовой смеси:

h_{4 Г} = r_H2O •h _H2O + r_RO2 •h _RO2 + r_N2 •h _N2 + r_В •h_В;

11) путем интерполяции, при условии, что h₄ = h_{4 Г} находим температуру газов за последней ступенью ГТД:

t₄ = f(h₄ = h_{4 Г}).

ПРИМЕЧАНИЕ. Вычисление энтальпии газообразного продукта сгорания топливной смеси за последней ступенью ГТД в действительном процессе (h₄) рекомендуется выполнять по правилу смешения компонентов газовой смеси с учетом воздуха, поступающего на охлаждение лопаточного аппарата проточной части газовой турбины.

4.4 Расчет температуры газообразного продукта сгорания топливной смеси на выходе из последней ступени ГТД (t₄) с учетом воздуха на охлаждение проточной части

1. В качестве первого приближения энтальпии h_4t и h₄, а также температуры t_{4 t} и t₄ определяем по одному из вариантов, приведенных выше.

2. Суммарный расход воздуха компрессора (V_К), м³/м³:

V_К = V⁰ + ?V_B + в • V_К = V⁰ + (_КС - 1)•V⁰ + в • V_К = (1 - в) • V_К = _КС • V⁰ >

> V_К = _КС • V⁰ / (1 - в). (4.15)

Здесь:

V⁰ - теоретический объём воздуха, необходимый для сгорания 1 м³, то есть воздух принявший участие в реакции горения при = 1;

?V_B = (_КС - 1)•V⁰ - избыток воздуха в продукте сгорания топлива, м³/м³;

(1 - в) • V_К = _КС • V⁰ - действительный расход воздуха из компрессора в камеру сгорания ГТД, м³/м³;

в • V_К - воздух, поступивший в газовую турбину (на охлаждение) помимо камеры сгорания, м³/м³;

в = 0,13 - коэффициент, учитывающий, что ~13% от общего воздуха, поступающего в компрессор (см. рис. 8), помимо камеры сгорания попадает в газообразный продукт сгорания топлива в проточную часть газовой турбины из системы охлаждения деталей ГТД 3);

в = в_{ВО 5} + в_{ВО 7} + в_{ВО 10} + в_{ВО 15} + в_ВВТО = 0,13, (4.16)

где:

в_{ВО 5} = 0,0003 - доля расхода воздуха компрессора, отбираемого после 5-ой ступени компрессора на компенсацию осевых усилий и охлаждение диска 4-ой ступени воздухом, подаваемым в разгрузочную полость из-за 5-ой ступени компрессора (параметры воздуха определяются по температуре воздуха за 5-ой ступенью компрессора);

в_{ВО 7} = 0,002 - доля расхода воздуха компрессора, отбираемого после 7-ой ступени компрессора на охлаждение рабочих лопаток третьей и четвертой ступеней (параметры воздуха определяются по температуре воздуха за 7-ой ступенью компрессора);

в_{ВО 10} = 0,0255 - доля расхода воздуха компрессора, отбираемого после 10-ой ступени компрессора на охлаждение сопловых лопаток ступени и рабочих лопаток второй ступени (параметры воздуха определяются по температуре воздуха за 10-ой ступенью компрессора);

в_{ВО 15} = 0,1022 - доля расхода воздуха компрессора, отбираемого после последней ступени компрессора на охлаждение сопловых лопаток первой ступени и рабочих лопаток второй ступени (параметры воздуха определяются по температуре воздуха за компрессором);

в_ВВТО = 0,04 - доля расхода воздуха компрессора, отбираемого после последней ступени компрессора через ВВТО на охлаждение рабочих лопаток первой ступени и сопловых лопаток второй ступени ГТ (температура воздуха на выходе из ВВТО принята t = 150 ^ОС).

3. Для удобства расчетов запишем доли воздуха, поступающего в газовую турбину, в объемных долях, отнесенных к суммарному объему продуктов полного сгорания:

r_ВКС = ?V_B / V_Г;

r_{ВО 5} = в_{ВО 5} • (V_К / V_Г);

r_{ВО 7} = в_{ВО 7} • (V_К / V_Г); (4.17)