расчет тепловой установки ГТУ. курсовая. Схемы, циклы и основные техникоэкономические характеристики приводных и энергетических гту
 Скачать 0.76 Mb.
|
|
Для варианта бинарной парогазовой установки (ПГУ) или выработки дополнительной механической или электрической энергии (рис.1,з).  , (5)ηут= (i2- i5)/( i2 -i3)= (Т2- Т5)/( Т2 -Т3) - КПД утилизации (рис.2, д);  - КПД парового контура, который в предварительных расчетах можно принимать равным = 0,30 - 0,33; = 1,08 - 1,1.Для варианта бинарной ПГУ значение  получаются существенно ниже, чем для простейшей схемы, но все же выше значений, допустимых для однокаскадных компрессоров, и поэтому для рассматриваемого варианта расч выбирается так же, как для простейших схем ГТУ.После определения opt по зависимостям в=f() по формулам (1) или (2), или по формулам (3) - (5) для вариантов утилизации КГТУ или ПГУ необходимо выбрать расч в соответствии с данными для каждого варианта рекомендациями. После определения расч = opt необходимо найти степень расширения газа в турбине Т = /, предварительно задавшись значениями , 1 и 2. Давление за турбиной Р2 определяется из выражения Р2= Р32, где Р3 - принятое в задании расчетное значение атмосферного давления. 3. Расчет основных характеристик компрессора, камеры сгорания и турбины на номинальном режиме Расчет компрессора. Основная задача его расчета заключается в определении изоэнтропийной и действительной работы сжатия и температуры воздуха, поступающего в камеру сгорания на номинальном режиме. Для вариантов безрегенеративных ГТУ и установок с утилизацией теряемого тепла эта температура равна температуре воздуха за компрессором Т4, которая находится в следующей последовательности. Изоэнтропийная работа сжатия компрессора Нкс= cрвТ3(  -1), где cрв - средняя теплоемкость воздуха, ориентировочно определяемая по графикам прил.1, рис.2 по средней температуре процесса сжатия в компрессоре Ткср=( Т3 +Т4)/2. В первом приближении она берется по прототипу ГТУ.Действительная работа компрессора Нк= Нко/к, тогда Т4=Т3 + Нк/cрв. При расхождении принятого первоначально и полученного значений Т4 более 10 К расчет повторяется. Обычно вторым приближением достигается необходимая точность. Для регенеративных ГТУ температура воздуха, поступающего в камеру сгорания, Т5=Т4+(Т2-Т4), где Т2 определяется из расчета турбины. Расчет камеры сгорания. Для определения характеристик топлива и продуктов сгорания, поступающих из камеры сгорания (КС) в газовую турбину, должны быть известны состав топлива и воздуха в массовых или объемных долях. Характеристики топлива и продуктов сгорания рассчитываются по известным методам [2,9]. При курсовом проектировании в качестве топлива принимается стандартный углеводород с химическим составом С = 85% и Н = 15%, для которого низшая теплота сгорания = 44300кДж/кг и теоретическое количество воздуха L0, необходимое для полного сгорания 1 кг топлива при коэффициенте избытка воздуха = I, L0=15. Поскольку при курсовом проектировании рассматриваются схемы ГТУ с одной камерой сгорания, то относительное количество воздуха qв, содержащихся в продуктах сгорания за камерой сгорания, определяется из уравнения теплового баланса, имеющего для этого случая вид [5]:  (6)где - (или для регенеративных ГТУ) энтальпия воздуха перед камерой сгорания; - энтальпия продуктов сгорания при Т1 и =1;  - энтальпия воздуха при Т1.Значение величин ( ); ; определяются по прил. 1, рис.3.Коэффициент избытка воздуха в продуктах сгорания ГТУ  Расчет газовой турбины. Изоэнтропийный перепад энтальпий (теоретическая работа) в турбине рассчитывается по уравнению  где срг - средняя теплоемкость процесса расширения, определяемая по средней температуре процесса расширения Тср =(Т1-Т2)/2 для продуктов сгорания по рассчитанному коэффициенту избытка воздуха (прил. 1, рис.3); Т2 - теоретическая температура конца изоэнтропийного расширения в турбине, лежащая в пределах значений 400-500°С для современных ГТУ; mг=(кг-I)/ кг - принимается также по средней температуре процесса расширения газа. Задавшись в первом приближении значением  , определяют Тср; cрг; mг и Hто, а затем в случае необходимости вторым приближением уточняют значения этих величин.После определения Hто находят действительную работу расширения в турбине Hт= тHто и действительную температуру газа за турбиной Т2=Т1-(тHт)/cрг. В ГТУ с регенерацией эта температура необходима для расчета температуры воздуха Т5, поступающего в камеру сгорания. Поскольку в начальной стадии расчета при вычислении Т5 необходимо знать неизвестные пока Т2 и , то приходится сначала задаться одной из этих величин, а потом найти остальные, используя при этом метод последовательного приближения и известное равенство Т5=Т4+(Т2-Т4), где =0,66 - 0,85 - степень регенерации. После этого уточняются значения qв, а затем Срг и Hто. Расход газа определяется по формуле Gг=Nе/Hеохл для охлаждаемой ГТУ и Gг=Nе/Hе - для охлаждаемой ГТУ. Здесь Nе - эффективная (номинальная) мощность ГТУ, кВт; Hеохл - эффективная удельная работа ГТУ с учетом потерь от охлаждения (подготовка и прокачка охлаждающего воздуха, гидравлические и термодинамические потери в проточной части турбины).  (7)где     - расход воздуха через компрессор, кг/с; - расход газа через турбину, кг/с; - расход воздуха на охлаждение;    - относительный расход воздуха на охлаждение соответственно венцов лопаток и подшипников. - расход топлива;  = 0,015 - 0,03 при t1= 900 - 1200°С;В ориентировочных расчетах следует принимать расход воздуха на охлаждение одного венца направляющих или рабочих лопаток в пределах 2%. Если, например, охлаждаются направляющие и рабочие лопатки только первой ступени (наиболее распространенный вариант), то  ≤0,04. Расход охлаждающего воздуха на подшипники, запирание уплотнений и пр. ориентировочно принимают  = 0,02 - 0,03 (по мере роста Т1 увеличивается). В целом величина  выбирается с ориентировкой на прототип. При курсовом проектировании можно ориентировочно принимать:≤ 0,05 при t1 ≤ 800°C; ≤ 0,07 при t1 ≤ 950°C; ≤ 0,09 при t1 ≥ 1000°C при подборе соответствующих жаропрочных материалов.Работа на подготовку и прокачку охладителя определяется по формуле:  ,где В- коэффициент возврата работы для охлаждающего воздуха. В приближенных расчетах следует принимать В = 0,4. Внутренний КПД турбины (ступени) с учетом потерь от воздушного охлаждения в проточной части находится из выражения:  ,где  - коэффициент гидравлических потерь.Если коэффициенты скорости направляющих и рабочих лопаток  и  в расчете приняты без учета дополнительных потерь при обтекании охлаждаемых лопаток (утолщение выходных кромок, искажение погранслоя и пр.), то следует принимать в пределах = 0,985 - 0,995. - коэффициент термодинамических потерь в проточной части - даже при сравнительно глубоком охлаждении мало отличается от единицы = 0,995 - 0,998.мт = мк = 0,97 - 0,99 - механические КПД соответственно турбины и компрессора. Для неохлаждаемой ГТУ эффективная работа определяется так же по формуле (7), но без последнего члена в правой части ( = 0).Расход топлива для большинства ГТУ  составляет в среднем приблизительно 1,5 - 2,0 % от расхода газа. Поэтому в первом приближении можно принимать = 0,015 - 0,02, а затем уточнить его.Расход топлива находиться из выражений: с регенератором  без регенератора  где - теплосодержание воздуха на выходе из регенератора; - теплосодержание воздуха на выходе из компрессора; - теплосодержание газа перед турбиной; кс > 0,98 - 0,99 - КПД камеры сгорания (учитывает потери от недожога);  - низшая рабочая теплотворная способность топлива. Для солярового масла и дизельного топлива = 42500 кДж/кг; для мазута = 40000 кДж/кг; для стандартного углеводорода (газа или жидкого) = 44300 кДж/кг; для условного топлива  = 29330 кДж/кг.В заключение расчета тепловой схемы ГТУ следует повторным расчетом еще раз проверить и уточнить значение всех параметров и величин на номинальном (расчетном) режиме. 4. Определение технико-экономических показателей ГТУ Для того, чтобы правильно оценивать теплотехнический уровень спроектированной ГТУ, иметь возможность сравнения её с лучшими аналогичными образцами и делать правильные выводы по полученным результатам, студент уже на стадии курсового проектирования должен научиться определять основные технико-экономические показатели ГТУ. Основные технико-экономические показатели, характеризующие тепловую экономичность ГТУ (удельные расходы топлива и теплоты, К.П.Д.), рассчитываются на основе энергетических характеристик турбины, компрессора, камеры сгорания, регенератора или утилизаторов тепла и вспомогательного оборудования. При полученных значениях перечисленных величин следует определить следующие технико-экономические показатели. Коэффициент полезной работы ГТУ  Уточненная эффективная мощность ГТУ  , кВт.Удельный расход газа d=3600/Heохл, кг/(кВтч). Расход теплоты в камере сгорания  , кДж/кг.Эффективный КПД установки еохл=Неохл/q1. Удельный расход теплоты ГТУ qеохл=3600/еохл, кДж/(кВтч). Удельный расход условного топлива  кг/(кВтч), где  =29330 кДж/кг.Экономия условного топлива  кг/кВтч.Для варианта простейшей ГТУ аналогичные расчеты следует повторить в предложении отсутствия охлаждения с целью определения количественных показателей вредного (с точки зрения термодинамики) влияния охлаждения. Для этого необходимо предварительно найти Не без охлаждения по известной формуле  а затем в той же последовательности (как и при наличии охлаждения) рассчитать расход теплоты в камере сгорания ГТУ  , КПД установки без охлаждения и удельные расходы газа d, теплоты qВ, топлива bу.т. и сделать соответствующий вывод.Если в задании на курсовую работу предусмотрен один из вариантов утилизации тепла уходящих газов ГТУ, то необходимо определить основные технико-экономические показатели для заданного варианта утилизации, используя для этого дополнительные сведения и рекомендации, указанные в литературе. В рассматриваемом ниже примере расчета тепловой схемы ГТУ показана последовательность определения основных технико-экономических показателей для всех вариантов утилизации тепла ГТУ. Результаты расчета заданного варианта ГТУ в сравнении с вариантом простейшей ГТУ (а для варианта простейшей ГТУ с охлаждением и без охлаждения) сводятся в таблицу. Таблица 4 Технико-экономические показатели вариантов ГТУ
Стоимость сэкономленного за 1 год условного топлива  , руб., при переходе на заданный вариант по сравнению с простейшим (базовым) для рассматриваемого типа ГТУ определяется по формуле ,где  - снижение удельного расхода условного топлива, кг/(кВтч);  - эффективная мощность ГТУ, МВт; К - 6500 - 7500 - число часов ГТУ в год;  - стоимость 1 тонны условного топлива, руб.(по указанию руководителя)Дополнительные затраты на переход к заданному варианту ГТУ по сравнению с базовым будут, естественно, неодинаковы. Например, установка котла-утилизатора для целей теплофикации и горячего водоснабжения увеличивает стоимость ГТУ приблизительно в 1,5 раза, а форсированной (контактной) КГТУ соответственно в 1,3 - 1,4 раза. Стоимость ГТУ с регенератором увеличивается в 1,6 - 1,7 раза по сравнению с вариантом без регенератора. Надстройка простейшей ГТУ паровой турбиной с котлом-утилизатором, конденсатором и системой регенеративного подогрева питательной воды котла (вариант бинарной ПГУ) дает наибольшее увеличение стоимости установки в 2,5 раза. С учетом изложенного годовой экономический эффект на одну установку от внедрения предлагаемого варианта ГТУ составит, руб.,  где n - число лет окупаемости. Число лет окупаемости установки n≤3 является одним из основных показателей для принятия решения о выборе варианта ГТУ. | |||||||||||||||||||||
, руб.