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

3. Следовательно, массовый расход топлива в КС при заданной электрической нагрузке ГТУ, определится следующим образом, кг/с:

B_Т = (Q_КС - (_ЖТ • G_{В КС} • h_B)) / (Q^Р_Н + h_ПГ). (5.25)

4. Объемный расход топлива в КС при заданной электрической нагрузке ГТУ, м³/с:

V_ПГ = B_Т / с _ПГ. (5.26)

5.8 Расчет экономических показателей ГТУ

1. Удельный расход действительного топлива на ГТУ, г / (кВт•ч):

b_Т^ГТУ = 3600 • (B_Т • 1000)/ N_Э ^ГТУ, (5.27)

где: B_Т - кг/с; N_Э ^ГТУ - кВт.

2. Расход условного топлива на ГТУ, кг/с:

B_У.Т. = B_Т • Q^Р_Н / Q _У.Т.,

где Q _У.Т. = 29300 кДж/кг.

3. Удельный расход условного топлива на ГТУ, г / (кВт•ч):

(b_Т^ГТУ)_У.Т. = 3600 • (B_У.Т. • 1000)/ N_Э ^ГТУ. (5.28)

4. Абсолютный (термический) КПД обратимого цикла ГТУ (з_t^ГТУ) определяется как отношение работы цикла к подведенной теплоте в цикле:

?_{К t} = h_{2 t} - h₁ = c_{p В} • (T_{2 t} - T₁);

?_{Т t} = h₃ - h_{4 t} = c_{p Г} • (T₃ - T_{4 t});

q₁ = (h₃ - h_{2 t}).

з_t^ГТУ = ?_{ГТУ t} / q₁ =(?_{т t} - ?_{к t}) / q₁ =

= [(h₃ - h_{4 t}) - (h_{2 t} - h₁)] / (h₃ - h_{2 t}). (5.29)

5. Относительный внутренний КПД необратимого (реального) цикла ГТУ з_i^ГТУ определяется как отношение удельной работы цикла ГТУ к удельной подведенной теплоте в цикле:

з_i ^ГТУ = ?_ГТУ / q₁ =[(h₃ - h_{4 t}) • з_OI ^ГТ - (h_{2 t} - h₁) / з_OI ^К] / [h₃ - h₂) / з_КС]. (5.30)

6. Механический КПД ГТУ, учитывающий потери на трение в подшипниках ГТУ (компрессор + турбина) и на привод маслонасоса, выражается соотношением:

з_М ^ГТУ = з_М ^ГТ • з_М ^К. (5.31)

7. Относительный эффективный КПД ГТУ:

з _ОЕ ^ГТУ = з_i ^ГТУ • з _М ^ГТУ. (5.32)

8. Относительный электрический КПД ГТУ:

з_ОЭ^ГТУ = з_i ^ГТУ • з _М ^ГТУ • з _Г ^ГТУ. (5.33)

9. Внутренняя мощность ГТУ, кВт:

N_I ^ГТУ = N_I ^ГТ - N_I ^К. (5.34)

10. Электрическая мощность ГТУ (на клеммах генератора), кВт:

N_Э ^ГТУ = N_I ^ГТУ • з _М ^ГТУ • з _Г ^ГТУ. (5.35)

11. Коэффициент полезной работы (мощности) ГТУ определяется как отношение полезной работы (мощности) ГТУ к работе (мощности) газовой турбины:

ц = N_Э ^ГТУ / N_I ^ГТ. (5.36)

5.9 Расчет действительных объемных расходов продуктов сгорания из газовой турбины в котел-утилизатор

Вычислим действительное количество продуктов сгорания на выходе из ГТ (на входе в котел-утилизатор) при следующих данных.

Таблица 3. Содержание азота в воздухе и состав топливного газа

1. Объем сухих трехатомных газов (V_RO2 = V_CO2 + V_SO2), м³/с:

V_RO2^Д = V_RO2 • V_ПГ = [0,01• (CO + СО₂ + СН₄ + ?(m•С_mН_n) + H₂S)] • V_ПГ. (5.37)

Примечания.

V_RO2 - объем сухих трехатомных газов, получающийся при сжигании 1 м³ топливного (природного) газа, м³/ м³.

Величина V_RO2^Д не зависит от значения коэффициента избытка воздуха.

2. Объем азота, м³/с

V_N2^Д = [V⁰_N2 + 0,79 • ?V_B] • V_ПГ =

= [0,79• V⁰ + (N₂/100) + 0,79• (_КС - 1) • V⁰] • V_ПГ, (5.38)

где: V⁰_N2 - теоретический объем азота (1 м³ азота на 1 м³ топлива), м³/ м³;

0,79 - содержание азота в воздухе (примечание: процентное содержание азота в воздухе: N₂ = 78,084 %, см. приложение 1);

N₂ = 0,63 % - процентное содержание азота в топливном газе для данного состава газа;

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

3. Объем водяных паров, м³/с

V_H2O^Д = V_H2O • V_ПГ = [0,01•(2•СН₄ + 3•С₂Н₆ + 4•С₃Н₈ + 5•С₄Н₁₀ + 0,124 • d_Г) + >

> + 0,016 • V⁰ • _КС] • V_ПГ, (5.39)

где:

V_H2O - действительный объем водяных паров, получающийся при сжигании 1 м³ топлива, м³/ м³;

СН₄, …, H₂S - объемная доля горючих газов в топливе, %;

d_Г = 8 г/м³ влажность газа согласно нормам расчета [1].

4. Действительный избыток воздуха в КС, м³/с

?V_B^Д = ?V_B • V_ПГ = (_КС - 1)•V⁰ • V_ПГ. (5.40)

5. Действительный суммарный объем продуктов полного сгорания, м³/с

V_Г^Д = V_RO2^Д + V_N2^Д + V_H2O^Д + ?V_B^Д. (5.41)

6. Действительный суммарный массовый расход в ГТ из КС продуктов полного сгорания, кг/с:

G_Г^Д = V_Г^Д • с₃, (5.42)

где с₃ - плотность продукта сгорания на входе в ГТ, кг/м³.

7. Действительный массовый расход воздуха из ГТ в котел-утилизатор, кг/с:

G_{Г КУ} = G_Г^Д + (G_{ВО 5}^Д + G_ВО7 ^Д + G_ВО10^Д + G_ВО15^Д +G_ВВТО^Д). (5.43)

6. РАСЧЕТ ПАРОПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ КОТЛА-УТИЛИЗАТОРА

Паропроизводительность КУ для заданной нагрузки ПГУ-К определяется из уравнений тепловых балансов поверхностей нагрева при предварительно заданном температурном напоре между перегретым паром высокого давления и температурой отработанных в ГТ газов. При определенных параметрах пара и воды в барабане высокого давления определяется температура среды в испарительных поверхностях нагрева, за экономайзером высокого давления и, соответственно, температуры уходящих газов за ними. Из уравнения теплового баланса определяется расход пара высокого давления.

6.1 Особенности режимов работы котла-утилизатора

1. Рабочий диапазон изменения нагрузки котла-утилизатора соответствует диапазону нагрузки ГТУ: 10050%. Изменение нагрузки котла-утилизатора в регулировочном диапазоне должно производиться путём плавного изменения нагрузки ГТУ и не должно приводить к резким колебаниям уровня в барабанах и выбегам температур за поверхностями нагрева [12].

2. Регулирование давления и температуры пара в КУ не требуется, т.к. КУ предназначен для работы на скользящих параметрах пара высокого и низкого давлений. Параметры пара определяются расходом и температурой греющих газов на входе КУ из ГТ и нагрузкой паровой турбины [12].

Из этого следует, что параметры пара за котлом (давление, температура), а следовательно, перед паровой турбиной, полностью определяет режим работы ГТУ:

- расход газов из ГТУ в КУ;

- температура газов на входе в КУ.

3. Паропроизводительность КУ не регулируется и определяется полностью нагрузкой ГТУ.

6.2 Выбор температурных напоров в пинч-пунктах и опорных параметров для теплового расчета котла-утилизатора

Руководствуясь положениями НТД на проектирование ПГУ, производственной инструкции по эксплуатации котла-утилизатора П-88 и данными испытаний ПГУ, определяются опорные параметры для расчета КУ и температурные напоры в пинч-пунктах, см. табл. П. 7 и рис. 18

1. Согласно [19] «… Конструкция и тепловая схема котла-утилизатора должны обеспечивать его работу с минимально возможной температурой уходящих газов. Температурные напоры в «пинч-пунктах» не должны превышать 1015°С.».

ПРИМЕЧАНИЕ.

Пинч-пункт (pinch - сужение, заклинивание) - это сечение в T,Q-диаграмме для каждой поверхности пароводяного тракта КУ (см. рис. 18), в котором достигается минимальная разность температур (минимальный температурный напор) между газами (продукты сгорания топлива) и рабочим телом (пар, вода).

а)

б)

Рис.18. Принципиальная схема газовоздушного и водопарового трактов (а) и тепловая t,Q-диаграмма (б) полублока ПГУ-325

2. Согласно [19] «… При работе ПГУ на основном и резервном топливе температура воды (конденсата) на входе в котел-утилизатор должна превышать на 10-15°С температуру конденсации водяных паров в уходящих газах.».

Производственная инструкция по эксплуатации КУ [12] конкретизирует величину температуры питательной воды на входе в КУ в зависимости от вида топлива: «… При работе ГТУ на продуктах сгорания дизельного топлива на вход в ГПК котла-утилизатора должна подаваться вода с температурой не ниже 75 С, исключающей конденсацию водяных паров из состава продуктов сгорания на поверхности нагрева ГПК. При работе на природном газе - не ниже 60 С.».

3. Согласно [19] «… Паропроизводительность котельных агрегатов, устанавливаемых в блоке с турбоагрегатами, выбирается по максимальному пропуску острого пара через турбину с учетом расхода пара на собственные нужды и запаса в размере 3%.

4. По условию надежной эксплуатации КУ температура уходящих газов не должна вызывать конденсации влаги на поверхностях нагрева. Для КУ данного типа рекомендовано не снижать температуру уходящих газов ниже 90 ^оС. Температура газов регулируется температурой конденсата, подаваемого в ГПК, поэтому в расчете приближение температуры производится увеличением расхода рециркуляции РЭН.

6.3 Расчет контура высокого давления котла-утилизатора

Расчет двухконтурного КУ [12] ведется последовательно: сначала рассчитывается контур ВД, а затем контур НД (рис. 18).

6.3.1 Расчет питательного электронасоса

Согласно [12] «… Производительность питательных насосов определяется максимальными расходами питательной воды на котел-утилизатор с запасом не менее 5%; питательные насосы высокого давления принимаются с электроприводами, которые должны, как правило, комплектоваться устройствами для плавного регулирования напора и производительности, обеспечивающими пусковые режимы и работу блоков на частичных нагрузках с минимальными потерями (гидромуфтами, регулируемыми электроприводами).

Сопротивление тракта от деаэраторов до всаса питательных насосов не должно превышать 10 кПа (1 м вод. ст.)».

1. По известному давлению в БНД (см. табл. П. 7) определяем параметры питательной воды, находящейся в состоянии насыщения, перед ПЭН:

h'_БНД, t'_БНД, х'_БНД = hs(p_БНД). (6.1)

2. Повышение теплосодержания питательной воды в проточной части питательного электронасоса (ПЭН), кДж/кг:

?h_ПЭН = [(p_{Н ПЭН} - p_{ВС ПЭН})• х_ПЭН] / (1,03 • з _е^ПЭН), (6.2)

где:

p_{Н ПЭН} = p_ПЭН = p_БВД = p_БНД + ?p_ПЭН - давление питательной воды на стороне напора питательного насоса, кПа;

?p_ПЭН = 10³ - давление ПЭН (развиваемый напор) [12], кПа;

p_{ВС ПЭН} - давление питательной воды на стороне всасывания питательного насоса, кПа:

p_{ВС ПЭН} = p_БНД + (с'_БНД •g•H_ПЭН)•10 ^{- 3} - ? p_ВC; (6.3)

p_БНД - давление питательной воды в барабане контура НД, кПа;

х_ПЭН - средний удельный объем воды в насосе, определенный по параметрам: p_ВС, t_ВС и p_Н, t_Н, м³ / кг:

х_ВС = hs(p_{ВС ПЭН}, t_{ВС ПЭН});

х_Н = hs(p_{Н ПЭН}, t_{Н ПЭН});

х_ПЭН = (х_ВС + х_Н)/2; (6.4)

с'_БНД = 1/ х'_БНД - плотность питательной воды при давлении p_БНД, кг/м³;

t_{ВС ПЭН} = t'_БНД - температура питательной воды на стороне всасывания насоса, ^OC;

g = 9,81 - ускорение силы тяжести, м/с²;

H_ПЭН = 22 - высота столба воды на стороне всасывания ПЭН, [12], м;

? p_ВС = 10 кПа - кавитационный запас (по нормам [19, 20] не более 0,01 МПа);

1,03 - коэффициент, учитывающий составляющую механических потерь насоса;

з _е^ПЭН = 0,84 - справочный (паспортный) КПД питательного насоса [12].

3. Теплосодержание питательной воды на стороне напора ПЭН, кДж/кг:

h_ПЭН = h' _БНД + ?h_ПЭН. (6.5)

4. Из уравнения теплового баланса ЭВД и уравнений тепловых балансов поверхностей ППВД и ИВД

а) ЭВД: G_{Г КУ} • (I _{за ИВД} - I _{за ЭВД}) = D_{КУ ВД}•(h' _БВД - h_ПЭН);

в) ИВД: G_{Г КУ} • (I _{за ПП} - I _{за ИВД}) = D_{КУ ВД}•(h ' ^' _БВД - h' _БВД);

б) ППВД: G_{Г КУ} •(I_Д - I _{за ПП ВД}) = D_{КУ ВД}•(h_{КУ ВД} - h ^' '_БВД),

определяем расход пара контура ВД, кг/с:

D_{КУ ВД} = 1,01• [G_ГТ • (I_Д - I _{за ЭВД}) / (h_{КУ ВД} - h_ПЭН)]. (6.6)

Здесь:

G_{Г КУ} = с_{Г КУ} •G_ГТ - массовый расход газов в КУ, кг/с;