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

3.1 Характеристики топливного газа

По заданному составу топлива определяются внутренняя теплота сгорания, молекулярная масса и теплоемкость на входе в КС.

В качестве примера рассмотрим природный газ, имеющий следующий состав [18]:

метан (СН₄) - 98%; этан (С₂Н₆) - 0,45%; пропан (С₃Н₈) - 0,1%; бутан (С₄Н₁₀) - 0,02%; азот (N₂) - 0,63%; кислород (О₂) - 0,78%; диоксид углерода (СО₂) - 0,02%.

Плотность топливного газа с_ПГ = 0,7231 кг/м^3..

Температура топливного газа t_ПГ = 16 ⁰С.

Молекулярная масса топливного газа (смеси газов) для данного состава природного газа, кг/кмоль

µ_ПГ = (3.1)

Примечания.

1. Молекулярные массы газов, входящих в с10остав газообразного топлива, см. в табл. П 1.3. приложения 1.

2. Учитывая, что в смеси газов преобладает метан (98%), можно принять µ_ПГ =16,04 (погрешность ).

Низшая теплота сгорания сухой массы топлива (1 м³ при НФУ (нормальных физических условиях) в данном случае, кДж/нм³,

(3.2)

Соотношение между рабочей массой топлива и сухой [1] пересчитывается при помощи множителя

, (3.3)

где W^Р - содержание влаги в составе топлива.

В составе топлива, приведенном выше, влага отсутствует (W^Р = 0), поэтому .

Примечания.

1. В тепловых расчетах необходимо учитывать, в каких единицах, объемных (кДж/нм³) или массовых (кДж/кг), применяется теплота сгорания топлива. Удобнее в формулах применять в кДж/кг. Это упрощает вид формулы, однако при этом целесообразно проверять размерности величин, входящих в формулу и размерность получаемого результата вычислений.

2. Перевод теплоты сгорания рабочей массы топлива из (кДж/нм³) в (кДж/кг) выполняется по соотношению

.

= R

. (3.4)

Здесь - давление в камере сгорания (принято равным давлению воздуха в камере сгорания), бар; - газовая постоянная природного (топливного) газа, кДж/(кг · К); - плотность природного газа, кг/м³.

Удельная массовая изобарная теплоемкость топливного газа, отнесенная к 1 м³ сухого газа, согласно [1] определяется по формуле, кДж/(кг·К),

, (3.5)

где - удельная массовая изобарная теплоемкость компонентов топливного газа, кДж/(кг · град);

, … - объемное содержание газа в газовой смеси.

Удельную массовую изобарную теплоемкость топливного газа можно оценить по приближенной формуле (расчет по метану)

.

Энтальпия топливного газа, кДж/кг,

. (3.6)

3.2 Продукты сгорания топлива

Определяются продукты сгорания топлива, теоретически необходимый объем воздуха, состав продуктов сгорания при заданном избытке воздуха. Окончательный избыток воздуха перед 1-й ступенью ГТ находится после расчета температуры газов за последней ступенью ГТ. Избыток воздуха в КС принимается в пределах 1,2 ч 1,6 с таким условием, чтобы температура ядра факела не превышала 1600 ^оС.

Теоретический объем воздуха V⁰, необходимый для сгорания 1 м³ газа, согласно [1] определяется по формуле, нм³/нм³,

(3.7)

Количество продуктов сгорания:

а) объем сухих трехатомных газов (), м³/м³,

), (3.8)

б) объем азота, м³/м³,

, (3.9)

в) объем водяных паров, м³/м³,

(3.10)

где объемная доля горючих газов в топливе, %, - влажность газа согласно нормам расчета [1].

Коэффициент избытка воздуха в камере сгорания [4]

(3.11)

Избыток воздуха в КС, м³/м³,

= () (3/12)

Суммарный объем продуктов полного сгорания, м³/м³,

(3.13)

Примечания:

1. Обычно расчет ведут в объемных долях:

;

;

;

;

2. Состав продуктов сгорания задают или представляют по результатам расчетов в процентах:

3. Размерность (м³/м³) читается как объем продуктов сгорания (м³), получающийся при сжигании 1 м³ топливного (природного) газа.

Избыток воздуха за НТД

. (3.14)

Здесь - коэффициент, учитывающий содержание кислорода в уходящих газах, принят по данным эксплуатации (по показаниям приборов) ГТД - 110.

3.3 Давление и температура воздуха в камере сгорания

При попадании воздуха после компрессора в камеру сгорания его давление () уменьшается вследствие дросселирования в жаровых трубах (). Следовательно, давление воздуха в камере сгорания (см. рис. 9)

, (3.15)

где бар.

Примечание. В зависимости от степени открытия ВНА (%) расход воздуха через компрессор будет изменяться, следовательно в общем случае . Учитывая, что положение ВНА может изменяться в пределах от 0⁰ до - 35⁰, согласно инструкции по эксплуатации [11]. Можно считать величину постоянной.

Относительное давление с учетом дросселирования воздуха в жаровых трубах

/ . (3.16)

Стандартное отношение относительных давлений

. (3.17)

Стандартная энтропия воздуха в камере сгорания

= . (3.18)

Действительная энтропия воздуха в камере сгорания

= / .

, кДж/(кг•К) (3.19)

3.4 Расчет теоретической температуры горения

Суммарная энтальпия продуктов сгорания (h_Т), соответствующая теоретической температуре горения (t_Т), равна теплу, подведенному в камеру сгорания (Q_KС) и складывается из тепла реакции горения топлива (Q^Р_Н), тепла, внесенного с воздухом (h_B) и физического тепла топливного газа (h_ПГ). Следовательно, теоретической температуре горения отвечает равенство:

h_Т(t_Т) = Q_KС = Q^Р_Н + h_B(t_{2 В}) + h_ПГ(t_ПГ). (3.20)

Учитывая, что

h_Т(t_Т) = c_{Р Г}(t_Т) • t_Т, (3.21)

зависимость для теоретической температуры горения имеет вид

t_Т = t_{2 В} + t_Т = t_{2 В} + h_Т(t_Т) / c_{Р Г}(t_Т). (3.22)

Расчет этой температуры проводится с учетом зависимости теплоемкости продуктов сгорания от температуры. Учитывая, что процесс сгорания протекает при постоянном давлении, расчеты ведутся по изобарной теплоемкости (массовой или молярной). Учитывая тот факт, что расчеты теоретической и действительной температур горения можно проводить через молярные или массовые величины, алгоритм вычислений выглядит следующим образом.

1. Молекулярная масса газообразного продукта сгорания топлива (смеси газов), кг/кмоль:

_Г = ?(_i • r_i) = м_H2O • r_H2O + м _RO2 • r_RO2 + м _N2 • r_N2+ _В • r_B =

= 18,016 • r_H2O + 44,01 • r_RO2 + 28,15 • r_N2+ 28,97 • r_В. (3.23)

2. Газовая постоянная газообразного продукта сгорания топливной смеси определится из соотношения, кДж/(кг•К):

R_СМ = мR /м_СМ > R_Г = 8,3145 /м_Г. (3.24)

3. Вычисляется молярная энтальпия газообразного продукта сгорания топлива, соответствующая теоретической температуре горения, кДж/кмоль:

H_Т(t_Т) = Q^Р_Н • V_Н + H_B(t_{2 В}) + H_ПГ(t_ПГ) = Q^Р_Н • V_Н + h_{2В КС} • _В + h_ПГ • _ПГ, (3.25)

где: Q - кДж/м³; H - кДж/кмоль; V_Н = 22,414 м³/кмоль - объем 1 кмоля любого газа при НФУ; h - кДж/кг; - кг/кмоль.

4. Задаемся рядом возможных теоретических температур горения (например, t_Т = 1000; 1050; 1100; 1150; 1200; 1250 ^OC).

5. Для каждого значения температуры по таблицам [2] вычисляются удельные молярные энтальпии (H) компонентов газообразного продукта сгорания топлива, кДж/кмоль:

H_H2O, H_RO2, H_N2, H_В = f(t_Т). (3.26)

6. По правилу смешения вычисляется энтальпия газообразного продукта сгорания топлива (H _Г), кДж/кмоль:

H _Г = r_H2O • H_H2O + r_RO2 • H_RO2 + r_N2 • H_N2 + r_B • H_В. (3.27)

7. По результатам вычислений путем интерполяции, учитывая, что в молярных величинах H_Г = H_Т, находим приращение температуры горения, ^OC (рис. 10)

t_Т = f(H_Г = H_Т). (3.28)

8. Вычисляем теоретическую температуру горения, ^OC

t_Т = t_{2 В} + t_Т. (3.29)

9. Общий КПД камеры сгорания можно выразить в виде произведения:

з_КС = з^Т_КС • з^А_КС. (3.30)

Здесь: з^Т_КС - тепловой КПД КС; з^А_КС - аэродинамический КПД КС.

Тепловой КПД камеры сгорания, учитывающий все тепловые потери [4], определяется по формуле:

з^Т_КС = 1 - (Q_НС + Q_ОХЛ) / (Q^Р_Н)), (3.31)

где: Q_НС - потери теплоты от неполного сгорания топлива (химический и физический недожог), кДж/м³, (кДж/кг). У современных КС эти потери не должны превышать 15 % общего расхода теплоты при работе во всем диапазоне рабочих нагрузок и 13 % при работе на расчетной нагрузке;

Q_ОХЛ - потери за счет отдачи теплоты в окружающее пространство нагретой поверхностью КС и примыкающих к ней трубопроводов. Эти потери обычно бывают не более 0,5 % расхода теплоты, кДж/м³, (кДж/кг).

В существующих камерах сгорания тепловой КПД при работе на расчетном режиме:

з^Т_КС = 0,97 … 0,98. (3.32)

Полные потери давления в камере сгорания складывается из следующих составляющих:

а) гидравлические (аэродинамические) потери, которые возникают без подвода теплоты в камере в результате потерь на трение при прохождении газового потока и наличия местных сопротивлений от воздухонаправляющих рёбер, завихрителей и т.д. Эти потери определяются при холодной продувке камеры:

б) дополнительные потери давления, вызванные нагревом газа при сгорании топлива в камере. Плотность газа в этом случае уменьшается, а скорость газового потока увеличивается (за счет увеличения объёмного расхода газа).

Потери давления в камере сгорания снижают КПД ГТУ. Это можно учесть с помощью аэродинамического КПД камеры сгорания з^А_КС, который обычно составляет:

з^А_КС = 0,98 … 0,99. (3.33)

Общий КПД современных камер сгорания согласно [5, 6]:

з_КС = з^Т_КС • з^А_КС = 0,95 … 0,98. (3.34)

Расчет действительной температуры горения базируется на алгоритме расчета теоретической температуры горения. Последовательность вычислений аналогична вычислению теоретической температуры горения. Расширенный алгоритм вычислений приводится в молярных величинах.

1. Вычисляется молярная энтальпия газообразного продукта сгорания топлива, которой соответствует действительная температура горения (действительная температура газов перед первой ступенью ГТ: t₃ = t_Д):

H_Д(t_Д) = H₃(t₃) = Q_KС • з_ТП = [Q^Р_Н • V_Н + H_B(t_{2 В}) + H_ПГ(t_ПГ)] • з_ТП, (3.35)

где: Q - кДж/м³; H - кДж/кмоль; V_Н = 22,414 м³/кмоль - объем 1 кмоля любого газа при НФУ; з_ТП = 0,97 … 0,98 - КПД теплового процесса горения, учитывающий тепловые потери КС в окружающую среду, так как корпус ГТД не имеет тепловой изоляции и применяется тепловое укрытие с применением вентиляторов отсоса воздуха из него, вследствие чего имеют место увеличенные потери в окружающую среду (рис. 11).

2. Задаемся рядом возможных теоретических температур горения (например, t₃ = 1000; 1050; 1100; 1150; 1200; 1250 ^OC).

3. Для каждого значения температуры по таблицам [2] вычисляются удельные молярные энтальпии (H) компонентов газообразного продукта сгорания топлива, кДж/(кмоль):

H_H2O, H_RO2, H_N2, H_3В = f(t₃). (3.36)

4. По правилу смешения вычисляется энтальпия газообразного продукта сгорания топлива (H _Г), кДж/(кмоль•К):

H₃ = r_H2O • H_H2O + r_RO2 • H_RO2 + r_N2 • H_N2 + r_B • H_3В. (3.37)

5. По результатам вычислений путем интерполяции, учитывая, что H₃ = H_Д, находим приращение температуры горения, ^OC

t_Д = f(H₃ = H_Д). (3.38)

6. Вычисляется действительная температура горения, ^OC

t₃ = t_{2 В} + t_Д. (3.39)

Рис. 9. Процесс в h,s-диаграмме изменения давления воздуха в камере сгорания

Рис. 10. H, ?t-диаграмма продукта сгорания топлива для определения теоретической и действительной температур горения

Рис. 11. Схема теплового укрытия ГТЭ-110: К - компрессор; КС - камера сгорания; ГТ - газовая турбина; Диф. - диффузор соединения ГТ с котлом-утилизатором

4. РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ ПРОЦЕССА В ГАЗОВОЙ ТУРБИНЕ

Расчет параметров процесса ГТ осуществляется с учетом влияния на характер процесса расширения газов в ГТ воздуха, подводимого из компрессора на охлаждение элементов проточной части (рис. 12).

Особенностью работы ПГУ утилизационного типа является необходимость поддержания практически постоянной температуры выхлопных газов за газовой турбиной, т.е. перед котлом-утилизатором (КУ) в диапазоне нагрузок от 100 до 70% от номинальной нагрузки [15].

Для турбин ГТД-110 производства НПО «САТУРН» значение температуры газов за ГТ определено заводом-изготовителем на уровне 517^оС [3]. Контролируемая величина этой температуры определяется как среднее значение, рассчитываемое программно-техническим комплексом (ПТК) ГТУ по 20-и датчикам, размещенных на выходе отработанных газов из ГТ. Количество точек измерения температуры соответствует количеству жаровых труб, расположенных в камере сгорания.

Поддержание контролируемого значения температуры газов за ГТ согласно инструкции по эксплуатации ГТД-110, работающей на КУ [3], производится путем автоматического изменения положения входного направляющего аппарата (ВНА), установленного перед первой ступенью компрессора. ВНА служит для управления расходом воздуха, необходимого для поддержания заданной температуры за ГТ [3]. Нагрузка ГТУ в диапазоне 100 60% от номинальной мощности и температура газов на выходе из ГТ регулируется путем изменения расхода воздуха через компрессор с помощью ВНА и расхода топлива регулирующим топливным клапаном (РКТ) при примерно постоянной температуре выхлопных газов ГТ. Этот диапазон нагрузок является наиболее экономичным, так как в нем незначительно изменяется КПД ГТУ.