2.1 Расчет ГТУ при нормальных условиях
Наибольшее распространение в современных ГТУ получила система воздушного охлаждения, которая отражена на рисунке 2.1.
Рисунок 2.1 - Расчетная схема простой ГТУ с воздушным охлаждением сопловых и рабочих лопаток.
Схема простой ГТУ с открытым воздушным охлаждением содержит линии подачи охлаждающего воздуха Gв1, Gв2 от компрессора к различным точкам проточной части турбины.
Исходные данные, необходимые для расчёта основных характеристик простой ГТУ с охлаждением газовой турбины:
- электрическая мощность ГТУ Nэ = 279 МВт = 279 000 кВт;
- температура газов перед газовой турбиной tс = 1375 С;
- температура воздуха перед компрессором tа = 15 С;
- степень сжатия в компрессоре ГТУ = 18,2;
- коэффициент аэродинамических потерь = / = 0,96.
- коэффициент использования теплоты в камере сгорания к.с = 0,995;
- механический к.п.д. газовой турбины м = 0,995;
- к.п.д. электрического генератора э.г = 0,985;
- изоэнтропийный к.п.д. компрессора к = 0,88;
- изоэнтропийный к.п.д. газовой турбины т = 0,9;
- характеристики топлива: Кт = 44300 кДж/кг; L0 = 15 кг/кг; hт.п = 0 кДж/кг;
- коэффициент утечек в ГТУ у = 0,003;
- допустимая температура металла ступеней газовой турбины tw = 1150 С;
- число ступеней в газовой турбине - z = 4.
Расчет ГТУ без охлаждения
Рассчитывается процесс сжатия воздуха в компрессоре. Задается величина mв 0,28, и определяется в первом приближении температура воздуха на выходе из компрессора:
По температурам Та и Тb определяются энтальпии воздуха hа и hb, рассчитывается средняя изобарная теплоемкость воздуха в процессе сжатия в компрессоре по формуле
После чего уточняется значение mв:
mв = Rв/срв = 0,287/срв,
mв =0,2772,
а также значения температуры Тb по формуле (2.1) и энтальпии hb[11]:
Определяется коэффициент избытка воздуха в камере сгорания:
где hвозд(Тс) - энтальпия воздуха при температуре Тс, кДж/кг;
hп.с(Тс) - энтальпия чистых продуктов сгорания при температуре Тс, кДж/кг;
hтп - энтальпия топлива (принять энтальпию топлива равной нулю (hтп = 0), кДж/кг.
где tc - температура газов перед турбиной, С;
- средняя теплоемкость воздуха, .
Энтальпия чистых продуктов сгорания hп.с в (2.4), отсчитанная от энтальпии продуктов сгорания при 25 С, равна:
Определяются массовые доли чистых продуктов сгорания и воздуха в газах, выходящих из камеры сгорания:
После чего находится энтальпия газов перед газовой турбиной:
Параметр для газов, расширяющихся в турбине, принимается предварительно равным mг = 0,25.
Рассчитывается температура газов на выходе из турбины при изоэнтропийном расширении:
где Tc = tc + 273,15 К.
Из определения изоэнтропийного КПД турбины:
,
выражается действительная температура газов на выходе из турбины:
где = отношение давлений в газовой турбине;
Находится энтальпия газов hd за газовой турбиной по формуле:
где hвозд(Тd) - энтальпия воздуха при температуре Тd, кДж/кг;
hп.с(Тd) - энтальпия чистых продуктов сгорания при температуре Тd, кДж/кг.
Средняя теплоемкость газа в процессе расширения в газовой турбине:
Уточненное значение mг находится по формуле: mг = Rг/срг, где газовая постоянная равна:
для стандартного углеводородного топлива принимается п.с = 28,66; возд = 28,97;
Зная mг, по формулам (2.11) и (2.12) уточняем значения Тd, hd:
Удельная работа расширения газа в газовой турбине без охлаждения:
Удельная работа на сжатие воздуха в компрессоре:
Отношение расхода воздуха в компрессоре, к расходу газа в турбине:
Удельная полезная работа в ГТУ без охлаждения газовой турбины:
Коэффициент полезной работы ГТУ без охлаждения газовой турбины:
Расход газа через турбину:
где м механический к.п.д. ГТУ, определяемый выражением:
Расход топлива в ГТУ без охлаждения:
Электрический КПД ГТУ без охлаждения:
Результаты расчета схемы простой ГТУ без охлаждения: tb = 425,39 С; = 2,387; hс = 1595,13 кДж/кг; td = 657,2 С; Hт = 897,77 кДж/кг; Hк = 418,44 кДж/кг; H = 489,48 кДж/кг; = 0,545; Gт = 584,03 кг/с; В = 15,87 кг/с; э = 39,68 %.
Расчет ГТУ с охлаждением
С учетом данных расчета ГТУ без охлаждения проводится расчет показателей ГТУ с охлаждением элементов газовой турбины.
Относительный расход воздуха на охлаждение лопаток газовой турбины определяется по эмпирическому выражению:
где Tw - допустимая температура металла лопаток турбины, К,
Определяется величина:
где н = 0,50,7 (принять н 0,6);
z - число ступеней в газовой турбине.
Определяется разница величин:
где Т1 = Тb, К;
, К.
Определяется величина
Удельная работа ГТУ с учетом охлаждения газовой турбины:
Расход газа на входе в газовую турбину, кг/с:
Расход топлива в камере сгорания ГТУ:
Расход воздуха на входе в камеру сгорания:
Расход воздуха на входе в компрессор:
Расход газов на выходе из газовой турбины, кг/с:
Электрический коэффициент полезного действия ГТУ с охлаждением:
Результаты расчета схемы простой ГТУ с охлаждением: gв = 0,092; = 0,46; Нохл = 468,74 кДж/кг; Gт = 609,87 кг/с; Gк = 593,29 кг/с; Вохл = 16,57 кг/с; Gк = 651,18 кг/с; Gт = 665,97 кг/с; э.охл = 38%.
2.2 Расчет ГТУ при повышенной температуре
Рассчитываются основные характеристики простой ГТУ газовой турбины, при следующих исходных данных:
- температура газов перед газовой турбиной tс = 1375 С;
- температура воздуха перед компрессором tа = 25 С;
- степень сжатия в компрессоре ГТУ = 18,2;
- коэффициент аэродинамических потерь = / = 0,96.
- коэффициент использования теплоты в камере сгорания к.с = 0,995;
- механический к.п.д. газовой турбины м = 0,995;
- к.п.д. электрического генератора э.г = 0,985;
- изоэнтропийный к.п.д. компрессора к = 0,88;
- изоэнтропийный к.п.д. газовой турбины т = 0,9;
- характеристики топлива: Кт = 44300 кДж/кг; L0 = 15 кг/кг; hт.п = 0 кДж/кг;
- коэффициент утечек в ГТУ у = 0,003;
- допустимая температура металла ступеней газовой турбины tw = 1150 С;
- число ступеней в газовой турбине - z = 4.
Расчет ГТУ без охлаждения
Рассчитывается процесс сжатия воздуха в компрессоре по формуле (2.1):
По температурам Та и Тb определяются энтальпии воздуха hа и hb, рассчитывается средняя изобарная теплоемкость воздуха в процессе сжатия в компрессоре по формуле по формуле (2.2):
После чего уточняется значение mв по формуле (2.3):
mв =0,2737,
а также значения температуры Тb по формуле (2.1) и энтальпии hb:
Определяется коэффициент избытка воздуха в камере сгорания по формуле (2.4):
Энтальпия чистых продуктов сгорания hп.с в (2.4), отсчитанная от энтальпии продуктов сгорания при 25С, считается по формуле (2.6):
По формуле (2.7) определяются массовые доли чистых продуктов сгорания и воздуха в газах, выходящих из камеры сгорания:
по формуле (2.8) находится энтальпия газов перед газовой турбиной:
Считается действительная температура газов на выходе из турбины по формуле (2.11):
Находится энтальпия газов hd за газовой турбиной по формуле (2.12):
Средняя теплоемкость газа в процессе расширения в газовой турбине рассчитывается по формуле (2.13):
Считается уточненное значение mг находится по формуле: mг = Rг/срг, где газовая постоянная равна:
Зная mг, по формулам (2.11) и (2.12) уточняем значения Тd, hd:
Удельная работа расширения газа в газовой турбине без охлаждения находится по формуле (2.15):
Удельная работа на сжатие воздуха в компрессоре определяется по формуле (2.16):
По формуле (2.17) находится отношение расхода воздуха в компрессоре, к расходу газа в турбине:
Удельная полезная работа в ГТУ без охлаждения газовой турбины определяется по (2.18):
Рассчитывается коэффициент полезной работы ГТУ без охлаждения газовой турбины по формуле (2.19):
Расход газа через турбину находится по формуле (2.20):
где м механический к.п.д. ГТУ, определяемый выражением:
Рассчитывается расход топлива в ГТУ без охлаждения по формуле (2.22): энергетический мощность тепловой электростанция
Электрический КПД ГТУ без охлаждения находится по формуле (2.23):
Результаты расчета схемы простой ГТУ без охлаждения: tb = 435,9 С; = 2,43; hс = 1593,67 кДж/кг; td = 656,75 С; Hт = 897,41 кДж/кг; Hк = 429,96 кДж/кг; H = 477,65 кДж/кг; = 0,532; Gт = 598,63 кг/с; В = 15,96 кг/с; э = 39,46%.
Расчет ГТУ с охлаждением
С учетом данных расчета ГТУ без охлаждения проводится расчет показателей ГТУ с охлаждением элементов газовой турбины.
Относительный расход воздуха на охлаждение лопаток газовой турбины определяется по эмпирическому выражению (2.24):
По формуле (2.25) Определяется величина:
Определяется разница величин по выражению (2.26):
Определяется величина по формуле (2.27):
По формуле (2.28) удельная работа ГТУ с учетом охлаждения газовой турбины равна:
Определяется расход газа на входе в газовую турбину по формуле (2.29):
Расход топлива в камере сгорания ГТУ находится по формуле (2.30):
Рассчитывается расход воздуха на входе в камеру сгорания по формуле (2.31):
Расход воздуха на входе в компрессор находится по формуле (2.32):
Расход газов на выходе из газовой турбины определяется по выражению (2.33):
Электрический коэффициент полезного действия ГТУ с охлаждением считается по формуле (2.34):
Результаты расчета схемы простой ГТУ с охлаждением: gв = 0,092; = 0,48; Нохл = 456,56 кДж/кг; Gт = 626,28 кг/с; Gк = 609,59 кг/с; Вохл = 16,697 кг/с; Gк = 669,04 кг/с; Gт = 683,9 кг/с; э.охл = 37,72%.
Результаты расчета ГТУ при температурах наружного воздуха tа= 0; 5;10;15; 20; 25; 30 С представлены в Приложении 1.
2.3 Расчет холодильной мощности
Холодопроизводительность установки - это количество теплоты, отнимаемое от охлаждаемого объекта в единицу времени с помощью холодильной машины.
Расчет требуемой холодопроизводительности установки для охлаждения воздуха производится по формуле:
Qхол = свGвТ, кВт,
где Gв = 651,18 г/с - расход воздуха;
св 1,005 кДж/(кгК) - теплоемкость воздуха .
Qхол = 1,005651,185=3272,18 кВт.
В градирню от АБХМ нужно будет отводить тепловую мощность:
Q = Qхол + Qт, кВт,
где Qт, кВт - расход теплоты сгорания природного газа.
Расход теплоты сгорания природного газа:
Qт = Qхол • ? =3272,18 кВт.
где ?- тепловой коэффициент.
2.4 Влияние климатических условий на режимы работы ГТУ
Надежная и эффективная работа газотурбинной установки (ГТУ) может быть обеспечена только при условии соблюдения определенных режимов работы. Работа ГТУ существенно зависит от параметров наружного воздуха: температуры, давления и влагосодержания.
Обычно колебания давления наружного воздуха происходят в ограниченных пределах, поэтому они слабо влияют на работу установки. Еще меньше влияет изменение влагосодержания.
Изменение температуры воздуха существенно влияет на основные характеристики ГТУ, в том числе на электрическую мощность и электрический КПД, например, температура воздуха меняет его плотность, а соответственно и массовый расход воздуха, забираемого компрессором [12].
Исходя из этого поставлена задача провести анализ различных способов определения располагаемой мощности газотурбинной установки в зависимости от температуры наружного воздуха tа, С.
На рисунке 2.1 изображено падение электрического коэффициента полезного действия с повышением температуры наружного воздуха.
Рисунок 2.1 - Зависимость электрического КПД зэ, % от температуры наружного воздуха ta,С
Из рисунка 2.1 следует , что при увеличении температуры от 0 С до 30 С, э уменьшается от 38,76% до 37,86%, т.е. на 2,32 %.
На рисунке 2.2 видно , что при увеличении температуры от 0 С до 30 С, Нохл уменьшается от 457 кДж/кг до 419 кДж/кг, т.е. на 8,3%.
На рисунке 2.3 показано падение электрической мощности с повышением температуры наружного воздуха, например, при увеличении температуры от 0 єС до 25є С, Nэ уменьшается от 307885 кВт до 262446 кВт, т.е. на 14,8 %
Рисунок 2.2 - Зависимость удельной работы ГТУ с учетом охлаждения газовой турбины Hохл, кДж/кг от температуры наружного воздуха ta,С
Рисунок 2.3 - Зависимость электрической мощности Nэ, кВт от температуры наружного воздуха ta,С
Рисунок 2.4 - Относительное изменение электрической мощности от температуры наружного воздуха ta,С
Из рисунка 2.4 видно, что при увеличении температуры наружного воздуха от 15С до 30С относительная электрическая мощность снижается на 9,44 %. А при уменьшении температуры от 15С до 0С относительная электрическая мощность увеличивается на 9,4%.