Материал: Технический проект газотурбинной установки мощностью 25 МВт

взрыва (хлопка) в камерах сгорания или газоходах;

погасания факела в камерах сгорания или недопустимого понижения давления жидкого или газового топлива;

потери напряжения на устройствах регулирования и автоматизации или на всех контрольно-измерительных приборах;

отключения генератора вследствие внутреннего повреждения;

возникновения помпажа компрессоров или недопустимого приближения к границе помпажа;

недопустимого изменения давления воздуха за компрессорами;

возникновения кругового огня на контактных кольцах электрогенератора

загазованности в любом отсеке ГТУ;

отключения всех вентиляторов подачи воздуха под кожух ГТУ;

отказа программно-технического комплекса САУ ГТУ приводящего к невозможности управления всем оборудованием турбоустановки или его контроля [6].

2. Расчетная часть

.1 Расчет тепловой схемы и выбор параметров

Исходные данные для расчета:

температура воздуха на входе в осевой компрессор Т_в=10°С=283 К;

температура газа на входе в турбину высокого давления Т_Гвд=1040°С=1313 К;

степень регенерации r=0,71;

тип схемы - с регенерацией;

эффективная мощность ГТУ N_e=25 МВт;

давление воздуха на входе в осевой компрессор Р_в=1,013 МПа.

Расчет тепловой схемы выполняем на 1 кг рабочего тела (воздуха) в компрессоре. Потерями теплоты вследствие теплообмена через стенки корпусов турбомашин пренебрегаем.

Предварительно для расчета выбираем 6 значений степени сжатия воздуха в компрессоре . Для регенеративных ГТУ рекомендуется задавать .

Принимаем значения.

Расчет сначала проводим для степени сжатия .

Комплекс работы сжатия компрессора по формуле:

,       (1)

где  - степень сжатия воздуха в компрессоре;

 - показатель адиабаты воздуха в компрессоре; при предварительном расчете принимаем .

Удельную работу сжатия в компрессоре рассчитываем по формуле:

,         (2)

где  - удельная изобарическая теплоемкость при средней температуре процесса сжатия, кДж/(кг×К); принимаем =1,005 кДж/(кг×К);

 - температура воздуха перед осевым компрессором, К;

 - комплекс работы сжатия компрессора;

- коэффициент полезного действия компрессора; принимаем .

Температуру воздуха за компрессором рассчитываем по формуле:

,         (3)

Суммарная степень расширения в турбинах:

,     (4)

где  - потери на трение по тракту ГТУ, для ГТУ с регенерацией теплоты , принимаем .

Удельная работа расширения продуктов сгорания турбины высокого давления:

,    (5)

где - коэффициент, учитывающий разницу в расходах турбины и компрессора;

 - механический коэффициент полезного действия; для двух и трехвальных ГТУ принимается в пределах 0,96-0,98 ,принимаем .

,         (6)

где - расход охлаждающего воздуха, отнесенный к расходу воздуха, принимаем ;

- расход воздуха через лабиринтовые уплотнения, отнесенный к расходу воздуха;

- расход топлива, отнесенный к расходу воздуха.

 и  находятся в пределах 0,010,02, принимаем  =0,01, =0,01.

Температура продуктов сгорания за турбиной высокого давления:

,           (7)

где  - температура продуктов сгорания на входе в ТВД, К;

 - удельная изобарическая теплоемкость при средней температуре процесса расширения в турбине, кДж/(кг×К); в предварительном расчете принимаем кДж/(кг×К).

Степень расширения продуктов сгорания в ТВД:

,      (8)

где - показатель адиабаты продуктов сгорания в турбине, 1,333;

 - коэффициент полезного действия ТВД, , принимаем .

Степень расширения продуктов сгорания в силовой турбине:

     (9)

Удельная работа расширения силовой турбины:

,   (10)

где - температура продуктов сгорания перед силовой турбиной, К;

 - коэффициент полезного действия СТ, , принимаем .

Удельная эффективная работа:

          (11)

где - коэффициент, учитывающий разницу в расходах.

(12)

Температура продуктов сгорания за СТ:

,      (13)

Нагрев воздуха в регенераторе:

,      (14)

Температура воздуха за регенератором (только для ГТУ с регенерацией):

, (15)

Количество теплоты воздуха, поступающего в камеру сгорания из компрессора:

,        (16)

где средняя удельная изобарическая теплоемкость воздуха, определяемая по температуре воздуха за компрессором, кДж/(кг×К), в предварительном расчете , принимаем .

Количество теплоты, подведенное к продуктам сгорания в камере сгорания:

  (17)

где  средняя удельная теплоемкость продуктов сгорания, определяемая по температуре за компрессором, кДж/(кгК), в предварительном расчете , принимаем ;

коэффициент полезного действия камеры сгорания, учитывающий химический недожог топлива; в предварительном расчете , принимаем

Эффективный КПД:

(18)

Аналогично производим расчет для всех выбранных степеней сжатия. Результаты расчета сводим в таблицу 2.

Таблица 2 - Расчет тепловой схемы и выбор параметров

По данным, полученным при расчете, строим зависимости   (рисунок 14,15).

Рисунок 14 - Зависимость

Рисунок 15 - Зависимость

Выводы:

. Значение эффективного КПД h_е=0,348 имеет максимум при степени сжатия . Максимальное значение Не=223,35 кДж/кг имеет при .

. На основе полученных данных выбираем оптимальную степень сжатия .

Для ГТУ с регенератором это значение находится в области максимальных значений и , потому что это обеспечивает экономичную работу ГТУ при наименьших размерах.

.2 Тепловой расчет ГТУ на номинальный режим работы

Исходные данные:

- температура воздуха на входе в осевой компрессор =283 К;

эффективная мощность ГТУ =25 МВт;

температура газа перед турбиной высокого давления =1313 К;

тип схемы - с регенерацией;

степень регенерации r=0,71;

оптимальная степень сжатия в компрессоре

Удельная работа сжатия воздуха в компрессоре:

 , кДж/кг       (19)

Температура воздуха за компрессором:

,   (20)

Средняя температура процесса сжатия воздуха в компрессоре:

,    (21)

Уточняем теплофизические свойства воздуха при средней температуре процесса сжатия по графику «Истинная удельная теплоемкость для продуктов сгорания углеводородного топлива» и «Истинный показатель адиабаты» (Приложение А и Б). Уточненным величинам присваиваем индекс «’». При и  находим значение , .

Уточненное значение удельной работы сжатия компрессора:

,      (22)

Уточненное значение температуры воздуха за компрессором:

,        (23)

Уточненное значение средней температуры процесса сжатия воздуха в компрессоре:

,   (24)

Разница между  и  составляет:

Уточненная средняя температура отличается от рассчитанной ранее менее, чем на 3 %, дальнейшее уточнение теплофизических параметров воздуха не требуется.

Коэффициент избытка воздуха для продуктов сгорания:

  (25)

Суммарная степень расширения продуктов сгорания в турбинах:

    (26)

Удельная работа расширения продуктов сгорания ТВД:

, .                  (27)

Температура продуктов сгорания за турбиной высокого давления:

, К      (28)

Средняя температура процесса расширения в ТВД:

,       (29)

Уточняем теплофизические свойства продуктов сгорания и  при средней температуре процесса расширения  и коэффициенте избытка воздуха  (приложения А и Б).

Уточненная температура продуктов сгорания за турбиной высокого давления:

,       (30)

Уточненное значение средней температуры процесса расширения в турбине высокого давления:

,     (31)

Разница между  и :

Уточненная средняя температура отличается от рассчитанной ранее менее, чем на 3 %, дальнейшее уточнение теплофизических параметров воздуха не требуется.

Степень расширения продуктов сгорания в турбине высокого давления:

    (32)

Степень расширения продуктов сгорания в силовой турбине:

      (33)

Определяем теплофизические свойства и  при начальной температуре продуктов сгорания в силовой турбине Т_гст=1080,108 К. Изменением величины коэффициента избытка воздуха вследствие подмешивания в проточную часть охлаждающего воздуха пренебрегаем (приложения А и Б).

Определяем работу расширения силовой турбины:

,              (34)

Температура продуктов сгорания за СТ:

_, К   (35)

Средняя температура процесса расширения продуктов сгорания в силовой турбине:

, К        (36)

Определяем теплофизические свойства продуктов сгорания при средней температуре расширения в силовой турбине  и  Получаем , .

Уточняем значение работы расширения силовой турбины

,          (37)

Уточняем значение температуры продуктов сгорания за силовой турбиной:

,         (38)

Уточненное значение средней температуры процесса расширения продуктов сгорания в СТ:

,       (39)

Разница между  и :

Уточненная средняя температура отличается от рассчитанной ранее менее, чем на 3 %, дальнейшее уточнение теплофизических параметров воздуха не требуется.

Удельная полезная работа газотурбинной установки:

,        (40)

Определяем нагрев воздуха в регенераторе:

 К       (41)

Температура воздуха на выходе из регенератора или на входе в камеру сгорания:

 К   (42)

Уточняем теплофизические свойства воздуха за компрессором  при температуре  и  по диаграмме средней удельной теплоемкости для продуктов сгорания углеводородного топлива (приложение В).

Уточненное количество теплоты воздуха, поступающего в камеру сгорания:

,        (43)

Уточняем теплофизические свойства продуктов сгорания  в процессе подвода теплоты в камеру сгорания при  и  (приложение В).

Уточненное количество теплоты, подведенное в камеру сгорания:

,    (44)

Уточненный эффективный КПД газотурбинной установки:

         (45)

Расход воздуха в цикле, обеспечивающий номинальную мощность:

,       (46)

Расход рабочего тела для турбины высокого давления:

,       (47)

Расход рабочего тела для cиловой турбины:

,          (48)

.3 Тепловой расчет ГТУ на переменный режим работы

Исходные данные: параметры, полученные в результате расчета ГТУ на номинальный режим работы.

Расчет производим для шести значений степени расширения в турбине: номинального, на 20% и 40% больше номинального, на 20% и 40% меньше номинального. Параметрам номинального режима присваиваем индекс «0».

Расчет производим, используя уравнения Стодолы-Флюгеля:

, (49)

Найдем постоянную величину А с точностью до пяти знаков:

,         (50)

Определяем комплекс:

   (51)

Степень расширения продуктов сгорания в турбине высокого давления:

,       (52)

Степень расширения продуктов сгорания в силовой турбине:

,  (53)

Степень повышения давления в компрессоре:

,       (54)

Относительная степень повышения давления:

,       (55)

Удельная работа, затрачиваемая на сжатие воздуха в компрессоре:

, кДж/кг         (56)

Температура воздуха за компрессором:

,   (57)

Удельная работа расширения турбины высокого давления:

, кДж/кг   (58)

Температура продуктов сгорания перед турбиной высокого давления:

, К       (59)

Относительная температура продуктов сгорания перед турбиной высокого давления:

    (60)

Относительный расход воздуха через компрессор:

,        (61)

Температура продуктов сгорания перед силовой турбиной:

, К       (62)

Удельная работа расширения продуктов сгорания в силовой турбине:

, кДж/кг    (63)

Удельная эффективная работа газотурбинной установки:

, кДж/кг (64)

Относительная удельная эффективная работа ГТУ:

         (65)

Относительная эффективная мощность ГТУ:

    (66)

Температура продуктов сгорания за турбиной:

, К   (67)

Нагрев воздуха в регенераторе:

, К        (68)

Температура воздуха за регенератором:

, К   (69)

Количество теплоты, подведенное к воздуху в регенераторе:

,        (70)

Количество теплоты, подведенное в камере сгорания к продуктам сгорания:

,    (71)

Уточненный эффективный КПД газотурбинной установки:

(72)

Аналогично производим расчет для остальных режимов. Расчет сводим в таблицу 3.

Таблица 3 - Расчет ГТД на режим переменной мощности при постоянной температуре воздуха перед компрессором (, )

После выполнения расчета по данным таблицы 3 строим зависимость определяющих параметров ГТУ от относительной эффективной мощности  (рисунки 16,17) и зависимость степени расширения турбины высокого давления и силовой турбины от общей степени расширения турбин  (рисунок 18).

Рисунок 16 - Зависимость определяющих параметров ГТУ от относительной эффективной мощности

Рисунок 17 - Зависимость определяющих параметров ГТУ от относительной эффективной мощности

Рисунок 18 - Зависимость степени расширения турбины высокого давления и силовой турбины от общей степени расширения турбин

Выводы:

При увеличении мощности ГТУ растет расход воздуха через компрессор, увеличивается степень повышения давления в компрессоре.

При повышении температуры продуктов сгорания перед ТВД, эффективный КПД установки растет.

При увеличении общей степени расширения турбин  растут степени расширения турбины высокого давления и силовой турбины.

3. Меры безопасности при эксплуатации ГТУ

При эксплуатации и ремонте оборудования, зданий и сооружений ГТУ должны выполняться требования стандартов безопасности труда, руководств поставщиков по эксплуатации и техническому обслуживанию ГТУ, Правила техники безопасности при эксплуатации теплотехнического оборудования.

Руководителем должны быть разработаны и утверждены инструкции по охране труда.

Все работники должны знать и точно выполнять требования безопасности труда.

К работе на профессию машиниста ГТУ допускаются лица не моложе 18 лет, прошедшие предварительный медицинский осмотр и не имеющие противопоказаний к выполнению вышеуказанной работы.  Рабочий при приеме на работу должен пройти вводный инструктаж. До допуска к самостоятельной работе рабочий должен пройти:

первичный инструктаж на рабочем месте;

проверку знаний настоящей инструкции по охране труда;

инструкции по оказанию первой помощи пострадавшим в связи с несчастными случаями при обслуживании энергетического оборудования;

по применению средств защиты, необходимых для безопасного выполнения работ;

ПТБ для рабочих, имеющих право подготавливать рабочее место, осуществлять допуск, быть производителем работ, наблюдающим и членом бригады в объеме, соответствующем обязанностям ответственных лиц ПТБ;

обучение по программам подготовки по профессии.

При несчастном случае рабочий обязан оказать первую помощь пострадавшему до прибытия медицинского персонала. При несчастном случае с самим рабочим, в зависимости от тяжести травмы, он должен обратиться за медицинской помощью в здравпункт или сам себе оказать первую помощь (самопомощь).

Каждый работник должен знать местоположение аптечки и уметь ею пользоваться.

При обнаружении неисправных приспособлений, инструмента и средств защиты рабочий должен сообщить своему непосредственному руководителю.

Запрещается работать с неисправными приспособлениями, инструментом и средствами защиты.

Во избежание попадания под действие электрического тока не следует наступать или прикасаться к оборванным, свешивающимся проводам.

Невыполнение требований инструкции по охране труда для рабочего рассматривается как нарушение производственной дисциплины.

За нарушение требований инструкций рабочий несет ответственность в соответствии с действующим законодательством.

В зоне обслуживания оборудования машиниста газотурбинных установок могут иметь место следующие опасные и вредные производственные факторы: движущиеся машины и механизмы; повышенная загазованность воздуха рабочей зоны; повышенная температура поверхностей оборудования; повышенная температура воздуха рабочей зоны; повышенный уровень шума на рабочем месте; недостаточная освещенность рабочей зоны; токсические вещества.

Для защиты от воздействия опасных и вредных факторов необходимо применять соответствующие средства защиты.  При повышенном уровне шума необходимо применять противошумные защитные средства (наушники, вкладыши "Беруши" и др.).  При обслуживании вращающихся механизмов не должно быть развевающихся частей одежды, которые могут быть захвачены движущимися частями механизмов.

При необходимости нахождения вблизи горячих частей оборудования следует принять меры по защите от ожогов и действия высоких температур (ограждение оборудования, вентиляция, теплая спецодежда).  При выполнении работ на участках с температурой воздуха выше 33°С должны быть установлены воздушно-душирующие установки.

При нахождении в помещениях с действующим технологическим оборудованием (за исключением щитов управления) необходимо носить защитную каску для защиты головы от ударов случайными предметами.  В случае производства работ с недостаточной освещенностью следует применять местное освещение (фонари). При работе в особо опасных условиях должны применяться переносные светильники напряжением не более 12 В.

При работе на высоте более 1,3 м над уровнем земли, пола, площадки необходимо применять предохранительный пояс (при необходимости со страхующим канатом).

Машинист газотурбинной установки должен работать в спецодежде и применять средства защиты, выдаваемые в соответствии с действующими отраслевыми нормами.

В зависимости от характера работ и условий их производства машинисту временно выдается дополнительная спецодежда и защитные средства для этих условий.

Руководящий инженерно-технический и рабочий персонал несут полную ответственность в пределах своих полномочий за безопасность труда.

Каждый случай травматизма и случаи нарушения требований безопасности труда должны быть расследованы, выявлены причины и виновники, приняты меры предупреждения повторения подобных случаев. Сообщение, расследование и учет случаев травм осуществляется в соответствии с действующим директивным документом.

Ответственность за производственный травматизм несут лица, не обеспечивающие безопасность труда, не принявшие должных мер для предупреждения травм, в пределах своих полномочий, а также лица, непосредственно нарушившие требования безопасности или инструкции по охране труда.

При проведении строительно-монтажных, наладочных и ремонтных работ на действующей станции сторонними организациями, последними совместно с эксплуатационниками должен составляться «акт приема-передачи рабочего места», в соответствии с которым эксплуатирующая организация отвечает за невозможность подачи на выданное рабочее место напряжения, давления или высокой температуры, а сторонняя организация отвечает за соответствие квалификации своего персонала и соблюдение им требований безопасности труда.

У дежурного персонала должны быть аптечки первой помощи с постоянным запасом медикаментов и перевязочных средств.

Эксплуатация оборудования, зданий и сооружений электростанции должны соответствовать требованиям действующих нормативных документов.

Работники, вновь поступившие на работу, должны пройти инструктаж по противопожарной безопасности.

В период эксплуатации ГТУ ее работники должны периодически согласно графику проходить занятия по освоению пожарно-технического минимума по правилам пожарной безопасности, повышать свою квалификацию, участвовать в противопожарных тренировках. Периодичность, тематика и объемы противопожарных тренировок должны определяться с учетом того, что персонал должен приобрести практические навыки тушения пожаров, взаимодействие с пожарными подразделениями, не прекращая управления оборудованием.

Эксплуатационный персонал газотурбинной установки должен быть ознакомлен с типовыми инструкциями по эксплуатации автоматических установок пожарной сигнализации и автоматического пожаротушения (при их наличии).

На электростанции должен быть установлен противопожарный режим и выполнены противопожарные мероприятия, разработан и согласован с пожарной охраной оперативный план тушения пожара, оформляться разрешения на производство огневых работ (наряд, допуск) в машзале, кабельном хозяйстве, маслотопливоподготовке и складах ГСМ.

В аварийных ситуациях временные огневые работы должны выполняться под непосредственным руководством инженерно-технического лица, в остальных случаях назначается специальный наблюдающий.

Тушение пожара на электростанции до прибытия первого пожарного подразделения должно выполняться силами обслуживающего персонала во главе с ответственным дежурным. По прибытии пожарного подразделения руководитель тушения пожара должен проинформировать о принятых мерах по тушению пожара старшего командира пожарного подразделения и передать ему руководство тушением пожара с выдачей письменного допуска.

За противопожарную безопасность на газотурбинной электростанции ответственность несут:

руководитель электростанции - за общее противопожарное состояния объектов, выполнение противопожарных мероприятий и требований противопожарного режима;

инженерно-технические работники - за противопожарное состояние закрепленных за ними объектов.

При наличии на электростанции установок автоматической пожарной сигнализации и автоматического пожаротушения для их обслуживания должны быть закреплены специально подготовленные работники, прошедшие занятия по изучению работы схем автоматической пожарной сигнализации и автоматического пожаротушения. Эксплуатация указанных установок должны проводиться в соответствии с местными инструкциями.

Все работы, связанные с отключением автоматической пожарной сигнализации, автоматической установки пожаротушения, участков противопожарного водопровода, а также перекрытием дорог и проездов должны проводиться по согласованию с лицами, ответственными за пожарную безопасность /5/.

Заключение

В курсовом проекте был произведен расчет газотурбинной установки мощностью 25 МВт, применяемой для привода нагнетателя природного газа. Описаны ее принцип работы ГТУ, назначение, технологические особенности и принцип работы основных частей ГТУ, принцип работ системы маслоснабжения ГТУ, АВО газа, технология эксплуатации ГТУ обслуживающим персоналом.

Произведен расчет тепловой схемы и выбор оптимальной степени сжатия воздуха в компрессоре. По результатам расчета выбрана оптимальная степень сжатия компрессора p_к=8. При данной степени сжатия получены следующие результаты: Т_к=538,155 К, Т_ТВД=1063,243 К, Т_СТ=872,324 К, Т_р=775,415 К, Q_в=743,468 кДж/кг, Q_кс=631,163 кДж/кг, h_е=0,348.

Произведен тепловой расчет ГТУ на номинальный режим работы при p_к=8. В результате расчетов были уточнены показатели работы ГТУ: Т_к^/=535,131 К, Т_ТВД^/=1080,108 К, Т_СТ^/=866,031 К, Т_р=770,070 К, Q_в^/=731,105 кДж/кг, Q_кс^/=684,256 кДж/кг, h_е=0,332.

Произведен тепловой расчет ГТУ на переменный режим работы для 6 значений степени расширения (p_т=4,272, 5,696, 7,120, 8,544, 9,968) в турбине с целью определения параметров ГТУ в зависимости от общей степени расширения турбин. По результатам расчетов были сделаны следующие выводы: по мере увеличения эффективной относительной мощности ГТУ от 0,321 до 1,893 растет относительный расход воздуха через компрессор от 0,68 до 1,299, растет степень повышения давления в компрессоре от 4,8 до 11,2, повышается температура продуктов сгорания перед ТВД от 985,024 К до 1539,079 К, и эффективный КПД установки растет от 0,239 до 0,384.

В третьей части приведены меры безопасности при обслуживании ГТУ.

В графической части представлена тепловая схема ГТУ, компоновка ГПА.

Библиографический список

1.   Березин В.Л. Бобрицкий Н.В, Сооружение насосных и компрессорных станций: Учебник для вузов. - М.: Недра, 1985 - 288 с.

2.      Газотурбинные установки: учебное пособие/ А.В. Рудаченко, Н.В. Чухарева. - Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2008. -139 с.

.        Инструкция по эксплуатации ГТК-25ИР.

.        Корж В.В. Газотурбинные установки: учеб. пособие/В.В. Корж. - Ухта: УГТУ, 2010.-180с.

5.   РД 34.03.243-93. Типовая инструкция по охране труда для машиниста газотурбинных установок.

6.      Соколов В.С. Газотурбинные установки: Учеб. пособие для сред. ПТУ. - М.: Высш.шк., 1986. - 151 с.

.        СТО 17230282.27.040.002-2008 Газотурбинные установки. Организация эксплуатации и технического обслуживания.

Приложение А

Истинная удельная теплоемкость для продуктов сгорания углеводородного топлива

Приложение Б

Истинный показатель адиабаты

Приложение В

Средняя теплоемкость для продуктов сгорания