скорость газов в горловине трубы Вентури. Расчет тепловой схемы простой гту (1

• Название: Расчет тепловой схемы простой гту (1
• Анкор: скорость газов в горловине трубы Вентури
• Дата: 28.09.2022
• Размер: 364.55 Kb.
• Имя файла: Variant_8.docx
• Тип: Документы; #703363

Расчет тепловой схемы простой ГТУ (1 вариант)

Для расчета тепловой схемы простой ГТУ (рис. 1) заданы следующие величины:

– электрическая мощность N_э = 200 МВт;

– температура газов перед турбиной t_с = 600 ^оС;

– температура воздуха на входе в компрессор t_а = 15 ^оС;

– отношение давлений компрессора ε = p_b / p_a = 8,5;

– коэффициент потерь давления λ = δ / ε = 0,98;

– коэффициент использования теплоты топлива в камере сгорания η_кс = 0,99;

– механический КПД η_м = 0,992;

– КПД эклектического генератора η_г = 0,985;

– КПД газовой турбины η_т = 0,88;

– КПД компрессора η_к = 0,85;

В качестве топлива принимаем стандартный углеводород (С = 85%, Н = 15%), имеющий следующие характеристики:

– теплота сгорания топлива К_т = 44300 кДж/кг;

– минимально необходимое количество воздуха для полного сжигания 1 кг газового топлива L₀ = 15 кг/кг.



Рис. 1. Тепловая схема простой ГТУ: Т – газовая турбина; КС – камера сгорания; К – компрессор; р_а, Т_а, р_b, Т_b – давление и температура воздуха на входе и на выходе из компрессора соответственно; р_с, Т_с, р_d, Т_d – давление и температура воздуха на входе и на выходе из газовой турбины соответственно
1. Определяем параметры процесса сжатия воздуха в компрессоре.

По значению газовой постоянной для воздуха R_в = 0,287 кДж/(кг·К) и коэффициента
m_в = 0,28 находим удельную изобарную теплоемкость воздуха:

с_рв = R_в / m_в = 0,287 / 0,28 = 1,025 кДж/кг.

Рассчитываем температуру воздуха за компрессором по формуле:



Пользуясь таблицей 12.5 [1], находим энтальпии:

h_b(T_b) = h_в'(293,22) – h_в'(25) = 298,56 – 25,08 = 273,48 кДж/кг.

h_а(T_b) = h_в'(15) – h_в'(25) = 15,05 – 25,08 = -10,03 кДж/кг.

Вычисляем среднюю теплоемкость воздуха в процессе сжатия:



Уточняем значение m_в:

m_в = R_в / с_рв = 0,287 / 1,0190 = 0,2816.

Уточняем значение температуры за компрессором:



Уточняем значение h_b:

h_b = h_в'(295,38) – h_в'(25) = 300,81 – 25,08 = 275,73 кДж/кг.

2. Находим энтальпии воздуха и продуктов сгорания на входе в газовую турбину, пользуясь таблицей 12.5 [1]:

h_в(T_с) = h_в'(600) – h_в'(25) = 629,58 – 25,08 = 604,50 кДж/кг.

h_п.с(T_с) = h_п.с'(600) – h_п.с'(25) = 689,93 – 26,77 = 663,16 кДж/кг.

Определяем коэффициент избытка воздуха α, полагая h_т.п = 0:





3. Находим энтальпию газа перед турбиной:





4. Определяем параметры процесса расширения газа в турбине.

Температура газа за турбиной определится по формуле:

,

где δ = λ · ε = 0,98 · 8,5 = 8,33, m_г = 0,25.

Чтобы найти энтальпию газа за турбиной, вычисляем энтальпии воздуха и продуктов сгорания за газовой турбиной, пользуясь таблицей 12.5 [1]:

h_в(T_d) = h_в'(283,91) – h_в'(25) = 288,90 – 25,08 = 263,82 кДж/кг,

h_п.с(T_d) = h_п.с'(283,91) – h_п.с'(25) = 312,97 – 26,77 = 286,20 кДж/кг.

Определяем энтальпию газа за турбиной:





Средняя теплоемкость газа в процессе расширения будет равна:



Определяем объемную долю воздуха в продуктах сгорания при молярных долях продуктов сгорания и воздуха соответственно μ_п.с = 28,66 кг/кмоль, μ_в = 28,97 кг/кмоль:





Молекулярная масса продуктов сгорания будет равна:

μ_г = μ_в · r_в + μ_пс · (1 – r_в) = 28,97 · 0,8774 + 28,66 · (1 – 0,8774) = 28,93 кг/кмоль.

Газовая постоянная продуктов сгорания будет равна:



Уточненное значение:



Температура газов за газовой турбиной:


Эту температуру принимаем как окончательную и по ней находим энтальпии воздуха и продуктов сгорания за газовой турбиной, пользуясь таблицей 12.5 [1]:

h_в(T_d) = h_в'(269,09) – h_в'(25) = 273,51 – 25,08 = 248,43 кДж/кг,

h_п.с(T_d) = h_п.с'(269,09) – h_п.с'(25) = 296,06 – 26,77 = 269,32 кДж/кг.

Затем уточняем значение h_d:



5. Работа расширения 1 кг газа в турбине определится:

Н_т = h_с – h_d = 611,63 – 250,96 = 360,66 кДж/кг.

6. Работа, затраченная на сжатие 1 кг воздуха в компрессоре, будет равна:

Н_к = h_b – h_a = 275,73 + 10,03 = 285,76 кДж/кг.

7. Работа ГТУ на валу агрегата определится:

H_e = H_т · η_м – b · H_к = 360,66 · 0,992 – 0,9924 · 285,76 = 74,18 кДж/кг

где

8. Расход газа через турбину будет равен:

G_т = N_э / (H_е · η_г) = 200000 / (74,18 · 0,985) = 2737,10 кг/с.

9. Расход воздуха, подаваемого компрессором, определится:

G_к' = b · G_т = 0,9924 · 2737,10 = 2716,32 кг/с.

10. Расход топлива в камеру сгорания ГТУ будет равен:



11. Мощность газовой турбины определится:

N_т = G_т · Н_т = 2737,10 · 360,66 = 987167 кВт = 987,17 МВт.

12. Мощность, потребляемая компрессором, будет равна:

N_к = G_к' · Н_к = 2716,32 · 285,76 = 776224 кВт = 776,22 МВт.

13. Коэффициент полезной работы ГТУ определится:



14. Коэффициент полезного действия ГТУ (электрический КПД ГТУ) определится:


Расчет тепловой схемы простой ГТУ (2 вариант)

Для расчета тепловой схемы простой ГТУ (рис. 1) заданы следующие величины:

– электрическая мощность N_э = 200 МВт;

– температура газов перед турбиной t_с = 1300 ^оС;

– температура воздуха на входе в компрессор t_а = 15 ^оС;

– отношение давлений компрессора ε = p_b / p_a = 25;

– коэффициент потерь давления λ = δ / ε = 0,98;

– коэффициент использования теплоты топлива в камере сгорания η_кс = 0,99;

– механический КПД η_м = 0,992;

– КПД эклектического генератора η_г = 0,985;

– КПД газовой турбины η_т = 0,88;

– КПД компрессора η_к = 0,85;

В качестве топлива принимаем стандартный углеводород (С = 85%, Н = 15%), имеющий следующие характеристики:

– теплота сгорания топлива К_т = 44300 кДж/кг;

– минимально необходимое количество воздуха для полного сжигания 1 кг газового топлива L₀ = 15 кг/кг.

1. Определяем параметры процесса сжатия воздуха в компрессоре.

По значению газовой постоянной для воздуха R_в = 0,287 кДж/(кг·К) и коэффициента
m_в = 0,28 находим удельную изобарную теплоемкость воздуха:

с_рв = R_в / m_в = 0,287 / 0,28 = 1,025 кДж/кг.

Рассчитываем температуру воздуха за компрессором по формуле:



Пользуясь таблицей 12.5 [1], находим энтальпии:

h_b(T_b) = h_в'(510,88) – h_в'(25) = 531,14 – 25,08 = 506,06 кДж/кг.

h_а(T_b) = h_в'(15) – h_в'(25) = 15,05 – 25,08 = -10,03 кДж/кг.

Вычисляем среднюю теплоемкость воздуха в процессе сжатия:



Уточняем значение m_в:

m_в = R_в / с_рв = 0,287 / 1,0408 = 0,2758.

Уточняем значение температуры за компрессором:


Уточняем значение h_b:

h_b = h_в'(499,56) – h_в'(25) = 518,72 – 25,08 = 493,64 кДж/кг.

2. Находим энтальпии воздуха и продуктов сгорания на входе в газовую турбину, пользуясь таблицей 12.5 [1]:

h_в(T_с) = h_в'(1300) – h_в'(25) = 1451,36 – 25,08 = 1426,28 кДж/кг.

h_п.с(T_с) = h_п.с'(1300) – h_п.с'(25) = 1617,91 – 26,77 = 1591,14 кДж/кг.

Определяем коэффициент избытка воздуха α, полагая h_т.п = 0:





3. Находим энтальпию газа перед турбиной:





4. Определяем параметры процесса расширения газа в турбине.

Температура газа за турбиной определится по формуле:

,

где δ = λ · ε = 0,98 · 25 = 24,50, m_г = 0,25.

Чтобы найти энтальпию газа за турбиной, вычисляем энтальпии воздуха и продуктов сгорания за газовой турбиной, пользуясь таблицей 12.5 [1]:

h_в(T_d) = h_в'(537,87) – h_в'(25) = 560,78 – 25,08 = 535,70 кДж/кг,

h_п.с(T_d) = h_п.с'(537,87) – h_п.с'(25) = 613,40 – 26,77 = 586,63 кДж/кг.

Определяем энтальпию газа за турбиной:





Средняя теплоемкость газа в процессе расширения будет равна:


Определяем объемную долю воздуха в продуктах сгорания при молярных долях продуктов сгорания и воздуха соответственно μ_п.с = 28,66 кг/кмоль, μ_в = 28,97 кг/кмоль:





Молекулярная масса продуктов сгорания будет равна:

μ_г = μ_в · r_в + μ_пс · (1 – r_в) = 28,97 · 0,6449 + 28,66 · (1 – 0,6449) = 28,86 кг/кмоль.

Газовая постоянная продуктов сгорания будет равна:



Уточненное значение:



Температура газов за газовой турбиной:



Эту температуру принимаем как окончательную и по ней находим энтальпии воздуха и продуктов сгорания за газовой турбиной, пользуясь таблицей 12.5 [1]:

h_в(T_d) = h_в'(563,19) – h_в'(25) = 588,73 – 25,08 = 563,65 кДж/кг,

h_п.с(T_d) = h_п.с'(563,19) – h_п.с'(25) = 644,47 – 26,77 = 617,70 кДж/кг.

Затем уточняем значение h_d:



5. Работа расширения 1 кг газа в турбине определится:

Н_т = h_с – h_d = 1484,42 – 582,71 = 901,71 кДж/кг.

6. Работа, затраченная на сжатие 1 кг воздуха в компрессоре, будет равна:

Н_к = h_b – h_a = 493,64 + 10,03 = 503,67 кДж/кг.

7. Работа ГТУ на валу агрегата определится:

H_e = H_т · η_м – b · H_к = 901,71 · 0,992 – 0,9780 · 503,67 = 401,92 кДж/кг

где

8. Расход газа через турбину будет равен:

G_т = N_э / (H_е · η_г) = 200000 / (401,92 · 0,985) = 505,18 кг/с.
9. Расход воздуха, подаваемого компрессором, определится:

G_к' = b · G_т = 0,9780 · 505,18 = 494,05 кг/с.

10. Расход топлива в камеру сгорания ГТУ будет равен:



11. Мощность газовой турбины определится:

N_т = G_т · Н_т = 505,18 · 901,71 = 455527 кВт = 455,53 МВт.

12. Мощность, потребляемая компрессором, будет равна:

N_к = G_к' · Н_к = 494,05 · 503,67 = 248838 кВт = 248,84 МВт.

13. Коэффициент полезной работы ГТУ определится:



14. Коэффициент полезного действия ГТУ (электрический КПД ГТУ) определится:



Анализ полученных результатов

С увеличением температуры газов на входе в газовую турбину с 600 ^оС до 1300 ^оС, а также с повышением степени сжатия в компрессоре с 8,5 до 25 происходит увеличение КПД газотурбинной установки с 21,7 % до 40,5 %. Данное увеличение КПД также обусловлено увеличением работы ГТУ на валу агрегата с 74,18 кДж/кг до 401,92 кДж/кг и, как следствие, снижением расходов газа через турбину с 2737,10 кг/с до 505,18 кг/с и расхода воздуха, подаваемого компрессором с 2716,32 кг/с до 494,05 кг/с, а также снижением общего расхода топлива в камеру сгорания ГТУ с 20,78 кг/с до 11,13 кг/с. Стоит отметить, что с повышением степени сжатия в компрессоре и температуры газов на входе в газовую турбину появляется вероятность разрушения лопаток турбины и сопловых аппаратов, охлаждение которых затруднительно.
Список литературы

1. Паровые и газовые турбины для электростанций: учебник для вузов / А. Г. Костюк
[и др.]; под ред. А. Г. Костюка. – Изд. 3-е, перераб. и доп. – М.: Издательский дом МЭИ, 2016. – 560 с.