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

r_{ВО 10} = в_{ВО 10} • (V_К / V_Г);

r_{ВО 15} = в_{ВО 15} • (V_К / V_Г);

r_ВВТО = в_ВВТО • (V_К / V_Г).

4. Действительная работа ГТД с учетов поступления воздуха на охлаждение проточной части ГТД:

(?_т)_ОХЛ = ?_{т Г КС} - (?_т)_{В ОХЛ}, (4.18)

Здесь:

а) полезная работа, совершенная продуктами сгорания (газ, поступающий из камеры сгорания) в ГТД, кДж/кг:

?_{т Г КС} = h₃ - (r_RO2 •h _RO2+ r_H2O •h _H2O+ r_N2 •h _N2 + r_ВКС • h_{4 В)};

б) работа, затраченная продуктами сгорания в ГТД на нагрев воздуха, кДж/кг:

(?_т)_{В ОХЛ} = r_{ВО 5} •(h_{4 В} - h_{2 (5)}) + r_{ВО 7} • (h_{4 В} - h_{2 (7)}) + >

> + r_{ВО 10} • (h_{4 В} - h_{2 (10)}) + r_{ВО 15} • (h_{4 В} - h_{2 (15)}) + r_ВВТО • (h_{4 В} - h_{2 ВВТО});

h₃ - энтальпии газовой смеси продукта сгорания на входе в ГТД, кДж/кг;

h _RO2, h _H2O, h _N2, h_{4 В} = f(t₄) - энтальпии компонентов газовой смеси определяются по таблицам, кДж/кг;

h_{2 (5)}, h_{2 (7)}, h_{2 (10)}, h_{2 (15)}, h_{2 ВВТО} - энтальпии воздуха, поступившего в ГТД на охлаждение элементов проточной части, см. расчет компрессора, кДж/кг.

5. Энтальпия газов за последней ступенью ГТД с учетом охлаждения проточной части:

h_{4 ОХЛ} = h₃ - ?_т; (4.19)

6. Задаемся рядом значений температур t₄, например, от t₄ = t_{4 t} с шагом ?t до t₄ ? 1,1 • t_{4 t} и для каждого значения t₄ вычисляем энтальпии компонентов газовой смеси:

h _RO2, h _H2O, h _N2, h_{4 В} = f(t₄); (4.20)

7. Для каждого значения t₄ вычисляем энтальпию газовой смеси:

h_{4 Г ОХЛ} = r_H2O •h _H2O + r_RO2 •h _RO2 + r_N2 •h _N2 + r_В • h_{4 В} + h_{4 В} • ? r_i,

где ?r_i - объемная доля воздуха компрессора, поступающая на охлаждение проточной части ГТД.

8. Путем интерполяции, при условии, что h_{4 ОХЛ} = h_{4 Г ОХЛ}, находим температуру газов за последней ступенью ГТД:

t₄ = f(h_{4 ОХЛ} = h_{4 Г ОХЛ}). (4.21)

9. Определяем относительный внутренний КПД с учетом охлаждения проточной части:

(з^т_oi)_ОХЛ = (?_т)_ОХЛ / ?_{т t}. (4.22)

10. Снижение экономичности ГТД от охлаждения лопаточного аппарата

? з^т_oi = з^т_oi - (з^т_oi)_ОХЛ. (4.23)

5. РАСЧЕТ КОЛИЧЕСТВА ГАЗОВ, СООТВЕТСТВУЮЩЕГО ЗАДАННОЙ НАГРУЗКЕ ГАЗОВОЙ ТУРБИНЫ

Определение количества газов, необходимого для выработки заданной нагрузки ГТУ, производится путем определения соответствующей полезной работы ГТ. Учитывая тот факт, что по традиционной методике расчеты процессов в компрессоре и КС выполняются на 1 кг воздуха, т.е. в форме удельных величин, корректируется расход воздуха компрессора.

Из 1 кг воздуха компрессора, с учетом величины отборов на технологические нужды (в), в КС поступает 1-в. Учитывая тот факт, что расчет КС выполнен на 1 кг воздуха, затраченная работа компрессором корректируется на величину 1/(1-в).

Полученный избыток воздуха перед 1-й ступенью ГТ позволяет определить суммарный расход воздуха компрессора и тем самым определить величину открытия (положение) ВНА (рис. 15, 16, 17).

Рис. 15. Характеристика турбокомпрессора ГТД-110 при различных положениях ВНА для n =3000 об/мин [10]: 1 - граница устойчивой работы компрессора (граница помпажа); 2 - линия максимального базового режима; 3 - линия холостого хода; е_К - степень повышения давления в компрессоре; G_{В ПР} - приведенный массовый расход воздуха; ?б_ВНА -положение ВНА

Рис. 16. Зависимость степени открытия ВНА от нагрузки ГТУ

Рис.17. Влияние степени открытия ВНА на эффективность работы компрессора (а) и газовой турбины (б): е_К - степень сжатия воздуха в компрессоре; е_ГТ - степень расширения газов в ГТ

тепловой двухконтурный парогазовый утилизационный

5.1 Оценка мощности первичных двигателей ПГУ

1. Заданная электрическая мощность ПГУ (на клеммах генераторов двух ГТ и одной ПТ) между газотурбинной частью ПГУ и паротурбинной частью ПГУ распределяется следующим образом: N_Э^ГТУ ? 2/3 • N_Э^ПГУ; N_Э^ПТУ ? 1/3 • N_Э^ПГУ, следовательно

N_Э^ПГУ ? 2/3 • N_Э^ПГУ + 1/3 • N_Э^ПГУ = 2ЧN_Э^ГТУ + N_Э^ПТУ. (5.1)

2. Электрическая мощность паротурбинной установки:

N_Э^ПТУ = N_Э ^ПГУ - 2ЧN_Э^ГТУ. (5.2)

5.2 Расчет расхода топлива

1. Массовый расход газов через ГТ, кг/с:

G_Т = N_Э ^ГТУ / [(?_Т - 1/(1 - в) • ?_{к t} / з_OI ^К) • з _М ^ГТ • з _Г ^ГТ]. (5.3)

Здесь:

?_Т = h₃ - h_{4 ОХЛ} - действительная работа газов в ГТ, кДж/кг;

в - суммарная доля воздуха отбираемого из компрессора на охлаждение ГТД.

2. Расход топлива, кг/с:

В_Т = G_Т / [V⁰ • (1 + ₄)]. (5.4)

5.3 Расчет действительных объемных расходов воздуха компрессора

1. Суммарный массовый расход воздуха компрессора, кг/с:

G_К^Д = G_Т - В_Т. (5.5)

2. Суммарный объемный расход воздуха компрессора, м³/с:

V_К^Д = G_К^Д / с_НВ, (5.6)

где с_НВ = (p_НВ • 10²) / (R_В • T_НВ) - плотность воздуха (см. расчет компрессора), кг/м³.

3. Действительный объём воздуха V₀ ^Д, необходимый для сгорания V_ПГ (м³/с) при = 1, м³/с:

V₀ ^Д = (1 - в) • V_К^Д / _КС. (5.7)

4. Действительный избыток воздуха в КС, м³/с:

?V_B^Д = (_КС - 1)• V₀ ^Д. (5.8)

5. Действительные объемные расходы воздуха, отбираемого из проточной части компрессора на охлаждение газовой турбины, м³/с:

V_{ВО 5}^Д = 0,003 • V_К^Д;

V_ВО7 ^Д = 0,19 • V_К^Д;

V_ВО10^Д = 0,039 • V_К^Д; (5.9)

V_ВО15^Д = 0,029 • V_К^Д;

V_ВВТО^Д = 0,04 • V_К^Д.

Примечание. Суммарная объемная подача воздуха компрессором, м³/с:

V_К^Д = _КС • V₀ ^Д / (1 - в) =

= V₀ ^Д + ?V_B^Д + V_{ВО 5}^Д + V_ВО7 ^Д + V_ВО10^Д + V_ВО15^Д + V_ВВТО^Д.

Здесь:

V₀ ^Д - действительный объём воздуха, необходимый для сгорания V_ПГ при = 1, м³/с;

?V_B^Д - действительный избыток воздуха в продукте сгорания топлива, м³/с;

V_{ВО 5}^Д - действительный расход воздуха компрессора, отбираемого после 5-ой ступени компрессора на компенсацию осевых усилий и охлаждение диска 4-ой ступени воздухом, подаваемый в разгрузочную полость из-за 5-ой ступени компрессора, м³/с;

V_ВО7 ^Д - действительный расход воздуха компрессора, отбираемого после 7-ой ступени компрессора на охлаждение рабочих лопаток третьей и четвертой ступеней, м³/с;

V_ВО10^Д - действительный расход воздуха компрессора, отбираемого после 10-ой ступени компрессора на охлаждение сопловых лопаток ступени и рабочих лопаток второй ступени, м³/с;

V_ВО15^Д - действительный расход воздуха компрессора, отбираемого после последней ступени компрессора на охлаждение сопловых лопаток первой ступени и рабочих лопаток второй ступени, м³/с;

V_ВВТО^Д - действительный расход воздуха компрессора, отбираемого после последней ступени компрессора через ВВТО на охлаждение рабочих лопаток первой ступени и сопловых лопаток второй ступени ГТ, м³/с.

5.4 Расчет действительных массовых расходов воздуха компрессора

1. Массовые расходы воздуха, отбираемого из проточной части компрессора на охлаждение ГТ, кг/с:

G_{ВО 5}^Д = V_{ВО 5}^Д • с _{2 (5)};

G_ВО7 ^Д = V_ВО7 ^Д • с _{2 (7)};

G_ВО10^Д = V_ВО10^Д • с _{2 (10)}; (5.10)

G_ВО15^Д = V_ВО15^Д • с _{2 (15)};

G_ВВТО^Д = V_ВВТО^Д • с _{2 ВВТО}.

2. Действительный массовый расход воздуха в КС, кг/с:

G_{В КС} = G_К^Д - (G_{ВО 5}^Д + G_ВО7 ^Д + G_ВО10^Д + G_ВО15^Д + G_ВВТО^Д). (5.11)

5.5 Расчет внутренней мощности компрессора

6. Теоретическая мощность, затраченная на воздух, поступающий в камеру сгорания, кВт:

N _{О В КС} = G_{В КС} • ?_{к t}. (5.12)

Здесь ?_{к t} - удельная теоретическая работа, затраченная компрессором, кДж/кг;

7. Теоретическая мощность, затраченная на потоки воздуха охлаждения ГТД, кВт:

N _О^К ₍₅₎ = G_{ВО 5}^Д • ?_{к t (5)};

N _О^К ₍₇₎ = G_ВО7 ^Д • ?_{к t (7)};

N _О^К ₍₁₀₎ = G_ВО10^Д • ?_{к t (10)}; (5.13)

N _О^К ₍₁₅₎ = G_ВО15^Д • ?_{к t 15};

N _О^К _ВВТО = G_ВВТО^Д • ?_{к t ВВТО}.

Здесь:

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

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

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

?_{к t ВВТО} = ?_{к t 15} - работа сжатия воздуха компрессора в обратимом процессе (в 115-ой ступенях).

8. Суммарная мощность воздуха охлаждения, кВт

?(N _{О В ОХЛ})_I = N _О^К ₍₅₎ + N _О^К ₍₇₎ + N _О^К ₍₁₀₎ + N _О^К ₍₁₅₎ + N _О^К _ВВТО. (5.14)

9. Внутренняя мощность компрессора, кВт:

N_I ^К = (N _{О В КС} + ?(N _{О В ОХЛ})_I) / з_OI ^К. (5.15)

5.6 Расчет мощности газовой турбины

1. Электрическая мощность газовой турбины, кВт:

N_Э ^ГТ = N_Э ^ГТУ + N_I ^К. (5.16)

В свою очередь уравнение электрической мощности ГТ может быть записано следующим образом, кВт:

N_Э ^ГТ = [G_Г • ?_{т t} + ?(G_В • ?_В)_I] • з_OI ^ГТ • з _М ^ГТ • з _Г ^ГТ =

= [N_{O КС} + ?(N _{О В ОХЛ})_I] • з_OI ^ГТ • з _М ^ГТ • з _Г ^ГТ. (5.17)

Слагаемые теоретической мощности, вырабатываемой потоками воздуха охлаждения в ГТ:

N _О^ГТ ₍₅₎ = ?_{t (5)}^ГТ • G_{ВО 5}^Д = (h_{2 (5)} - h_{4 t}) • G_{ВО 5}^Д;

N _О^ГТ ₍₇₎ = ?_{t (7)}^ГТ • G_ВО7 ^Д = (h_{2 (7)} - h_{4 t}) • G_ВО7 ^Д;

N _О^ГТ ₍₁₀₎ = ?_{t (10)}^ГТ • G_ВО10^Д = (h_{2 (10)} - h_{4 t}) • G_ВО10^Д; (5.18)

N _О^ГТ₍₁₅₎ = ?_{t (15)}^ГТ • G_ВО15^Д = (h_{2 (15)} - h_{4 t}) • G_ВО15^Д;

N _О^ГТ _ВВТО = ?_{t ВВТО}^ГТ • G_ВВТО^Д = (h_{2 ВВТО} - h_{4 t}) • G_ВВТО^Д.

2. Суммарная теоретическая мощность, вырабатываемая потоками воздуха охлаждения в ГТ, кВт:

?(N _{О В ОХЛ})_I = N _О^ГТ ₍₅₎ + N _О^ГТ ₍₇₎ + N _О^ГТ ₍₁₀₎ + N _О^ГТ₍₁₅₎ + N _О^ГТ _ВВТО. (5.19)

3. Теоретическая мощность, развиваемая газами камеры сгорания, кВт:

N_{O КС} = N_Э ^ГТ / (з_OI ^ГТ • з _М ^ГТ • з _Г ^ГТ) - ?(N _{О В ОХЛ})_I. (5.20)

4. Теоретическая мощность газовой турбины, кВт:

N_O ^ГТ = [N_{O КС} + ?(N _{О В ОХЛ})_I]. (5.21)

5. Внутренняя мощность газовой турбины, кВт:

N_i ^ГТ = N_O ^ГТ • з_OI ^ГТ. (5.22)

5.7 Расчет расхода топлива на ГТУ

1. Количество теплоты, полученное газами в камере сгорания при заданной мощности ГТУ, кДж/с (кВт):

Q_КС = N_O ^ГТ - (?(N _{О В ОХЛ})_I) / з_КС. (5.23)

2. В свою очередь тепловой баланс для Q_КС можно записать следующим образом:

B_Т • Q^Р_Н + B_Т • h_ПГ(t_ПГ) + _ЖТ • G_{В КС} • h_B(t_{2 В}) =

= B_Т • (Q^Р_Н + h_ПГ) + _ЖТ • G_{В КС} • h_B = Q_КС, (5.24)

где:

B_Т • Q^Р_Н - количество теплоты, полученное в камере сгорания в результате реакции горения топлива, кВт;

B_Т • h_ПГ - количество внешнего тепла, внесенного в КС с топливом при температуре топлива t_ПГ (см. расчет КС), кВт;

_ЖТ • G_{В КС} • h_B - количество внешнего тепла, внесенного в КС с воздухом при температуре воздуха t_{2 В} (см. расчет КС), кВт;

_ЖТ - избыток воздуха, непосредственно поступающего в жаровые трубы камеры сгорания и участвующего в реакции горения (1 ? _ЖТ ? 1,2).