Расчет тепловой схемы газотурбинной установки типа ГТУ-16,5

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ  И НАУКИ РФ

Брянский государственный технический  университет (БГТУ)

 

 

 

Кафедра «Тепловые двигатели»

 

 

 

 

 

РАСЧЕТ ТЕПЛОВОЙ СХЕМЫ ГАЗОТУРБИННОЙ УСТАНОВКИ ТИПА ГТУ-16,5

 

КУРСОВАЯ РАБОТА

по дисциплине «Энергетические  установки»

 

Документы текстовые

ГТУ.12.122.РР.ПЗ

 

 

Всего 22 листов

 

 

 

 

      Руководитель:

                                                                     ___________Шкодин В.М.

                                                                   «__»_______________2012г.

 

             Студент группы 09-Т

                                                                              _____________Рубис В.Ю.

                                                                 «__»_______________2012г.

 

 

 

 

 

 

Брянск 2012

   Задание

Произвести расчет тепловой схемы, коэффициента полезного действия, технико-экономических  показателей газовой турбины  ГТУ–16,5 по следующим исходным данным:

• Эффективная мощность ГТУ: N=16,5 MBт;
• Начальная температура воздуха: Т3= 288К;
• Начальная температура газа: Т1=1383К;
• Частота вращения ротора: n= 6850/6500 об/м;

Назначение и тип ГТУ: двухвальная с нагрузкой на нагнетатель;

Вариант тепловой схемы: с теплофикацией.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Содержание

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Аннотация

 

Темой курсовой работы является расчёт тепловой схемы  газовой турбины с теплофикацией на примере газовой турбины типа ГТУ-16,5 и сравнение её с базовым вариантом. В графической части работы цикл ГТУ с теплофикацией представлен в T-S координатах, также показаны в виде графиков зависимости КПД ГТУ от степени повышения давления, начальной температуры газа и температуры атмосферного воздуха. 

Введение

 На современном этапе развития тепловых двигателей газотурбинные установки (ГТУ) нашли широкое применение практически во всех основных сферах жизнедеятельности человеческого общества: энергетике, газо- и нефтеснабжении, металлургической и нефтехимической промышленности, воздушном, водном, железнодорожном, автомобильном транспорте.

Темой курсовой работы является расчёт тепловой схемы ГТУ в нескольких вариантах для сравнения, а конкретно – простейшая схема и с теплофикацией. На основании расчётов сделаны выводы о целесообразности применения той или иной схемы.

Расчетное значение температуры атмосферного воздуха Т3 выбирается из условия места эксплуатации ГТУ. В данной курсовой работе это условие указано как вариант исполнения ГТУ для средней полосы и поэтому Т3 принимается равной нормальной (стандартной) Т3  =288К (15 С).

Выбор начальной температуры газа, независимо от варианта исполнения тепловой схемы ГТУ, диктуется только жаропрочностью применяемых материалов лопаток и дисков турбины и способами их охлаждения. В данной курсовой работе при выборе начальной температуры газа Т1 будем ориентироваться на исходные данные, соответствующие базовой ГТУ.

 

 

 

 

1. Схема ГТУ с теплофикацией.

Теплофикационная ГТУ  состоит из компрессора (К), в котором воздух с температурой Т₃ и давлением Р₃ сжимается до определённого давления  Р₄ и приобретает температуру Т₄. После этого он подаётся в камеру сгорания (КС). В неё через форсунки впрыскивается топливо и поджигается. Из камере сгорания выходит основное рабочее тело с температурой Т₁ и давлением Р₁ и поступает в турбину высокого давления (ТВД). Вал турбины высокого давления вращает вал компрессора. После расширения в турбине низкого давления (ТНД) рабочее тело с температурой Т₂ и давлением Р₂ поступает в котёл-утилизатор. Вал турбины низкого давления является приводом нагнетателя (П). Пар, получаемый в котле-утилизаторе (КУ) за счёт теплоты отработавших газов (температура газов в КУ изменяется от Т₂ на входе до Т₆ на выходе), полностью направляется к тепловому потребителю (ТП) с температурой Т₂. Вода подаётся в котёл-утилизатор питательным насосом (ПН) из резервуара питательной воды (РПВ). От теплового потребителя вода возвращается обратно в резервуар питательной воды (ТП).

2. Расчёт зависимости КПД ГТУ от степени повышения давления. Выбор расчётных значений параметров ГТУ.

   Расчёт  тепловой схемы любой ГТУ начинается  с построения зависимости внутреннего КПД ГТУ от степени повышения давления в цикле при различных значениях начальной температуры газа перед турбиной и температуры атмосферного воздуха с тем, чтобы сразу же оценить влияние этих параметров на работу ГТУ и правильно выбрать их расчётные значения.

   Зависимости  =f ( ) рассчитывается ГТУ с теплофикацией по формуле:

   (1)

где   - КПД соответственно турбины и компрессора;

         - коэффициент потерь давления в ГТУ;

         m- коэффициент, учитывающий показатель политропы.

   Для рассматриваемого типа ГТУ в расчётах можно принимать:

   Для предварительных расчётов  принимаем:

 

Для процесса расширения в  турбине  и для процесса сжатия в компрессоре. Поэтому в дальнейших расчетах принимаем , а . Следовательно, и

  Зависимости =f ( ) рассчитывают для пяти значений температурного коэффициента

За исходное значение принимают его величину, определенную по нормализованному значению К и базовому значению К.

Затем находят два значения и при неизменной температуре воздуха Т₃₀ и двух значениях Т₁, взятых на 100 ⁰С выше базового значения К и на 100 ⁰С ниже – К.

     Далее определяют два других значения при неизменной базовой величине Т₁₀ и двух произвольно взятых значениях Т₃, из которых одно выше, а другое ниже исходного. Например, К - зима и К - лето. Отсюда имеем, что

, ,   ,            .

Т₁₀ определяется материалами, Т₃₀ выбирается в зависимости от того, где собираются использовать установку (в средней полосе России). Выбираем расчётный температурный коэффициент .

.

   Подставляем  принятые  значения в формулу (1) и просчитываем значения . Расчёт производился с использованием ЭВМ. Результаты расчёта представлены в виде графиков (рис.3).

 

 

 

Рис. 3. График зависимости КПД ГТУ от степени повышения давления.

 

 

Рис. 4. График зависимости КПД ГТУ  от начальной температуры газа.

 

Рис. 5. График зависимости КПД ГТУ  от температуры атмосферного воздуха.

 

На рис.4,5  представлены зависимости КПД ГТУ от температуры газа перед газовой турбиной и температуры атмосферного воздуха перед компрессором соответственно, причем с увеличением КПД ГТУ возрастает, а с увеличением - падает.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.  Выбор расчетного значения степени повышения

давления цикла.

Анализ графиков показывает, что при  максимальный КПД в простейшей ГТУ получается при . Но такую степень повышения давления в однокорпусном компрессоре без заметного снижения КПД получить невозможно.

В варианте ГТУ с теплофикацией  определяем из выражения:

 где относительный расход  газа через турбину:

Относительный расход топлива при ºС – . Принимаем .

Относительный расход воздуха на охлаждение –  при

 ºС. Относительный расход воздуха, возвращенного в турбину . – при наличии ПСВ (подогреватели сетевой воды); – в предположении длительности отопительного сезона в полгода; ; – КПД водогрейного котла-утилизатора ; – КПД камеры сгорания; ; .

Таким образом, для варианта ГТУ  с ПСВ оптимальное значение не совсем совпадает с , принятым для варианта простейшей ГТУ с ориентиром на существующий компрессор с достаточно высоким КПД.

 

4. Расчёт компрессора

Основная задача этого  расчёта заключается в определении  изоэнтропийной и действительной работы сжатия и температуры воздуха, поступающего в камеру на номинальном режиме.

Для данной тепловой схемы ГТУ имеем  ,

Удельную работу компрессора и  температуру воздуха за ним определяем в следующей последовательности:

Принимаем ,

Температура изоэнтропийного  сжатия за компрессором:

 К.

Средняя температура изоэнтропийного  сжатия:

 К

Показатель изоэнтропы и теплоёмкость воздуха при этой температуре:

Изоэнтропийный перепад энтальпий  в компрессоре:

 кДж/кг

Действительный перепад энтальпий  при  :

 кДж/кг

Температура воздуха за компрессором:

 К

Она равна температуре воздуха, поступающего в камеру сгорания.

Во втором приближении 

Показатель изоэнтропы и теплоёмкость воздуха при этой температуре:

Изоэнтропийный перепад энтальпий в компрессоре:

 кДж/кг

Действительный перепад энтальпий  при  :

 кДж/кг

Температура воздуха за компрессором:

 К

 

 

5. Расчёт камеры сгорания

 

Для стандартного углеводородного  топлива (85% С и 15% Н) принимаем

Принимаем КПД камеры сгорания:

Относительное количество воздуха в продуктах сгорания:

 

,

Значения теплосодержания  воздуха  и  продуктов сгорания , при  при соответствующих температурах принимались по графикам [3,стр.56,57]

Коэффициент избытка воздуха:

Удельный расход рабочего тела в КС увеличивается на величину:

 

 

 

6. Расчёт газовой турбины

 

Для простейшей схемы:

Коэффициент потерь давления примем , атмосферное давление кПа.

Тогда кПа.

Степень расширения газа в турбине 

Давление  перед турбиной кПа.

Давление  за турбиной кПа.

Принимаем , ;

Температура изоэнтропийного расширения за турбиной:

 К,

  Для процесса расширения  К;  ; ; кДж/(кг·К) при

Изоэнтропийный перепад энтальпий (теоретическая работа) в турбине рассчитывается по уравнению:

 кДж/кг,

Находим действительную работу расширения в турбине:

 кДж/кг,

где , [3,стр.26,27]

Действительная температура газа за турбиной:

 К.

 Во втором приближении К;         ; ; кДж/(кг·К) при

 

 

Изоэнтропийный перепад энтальпий (теоретическая работа) в турбине рассчитывается по уравнению:

 кДж/кг,

Находим действительную работу расширения в турбине:

 кДж/кг,

Действительная температура газа за турбиной:

 К.

Удельная эффективная работа ГТУ с учётом охлаждения: 

 кДж/кг,

Работа на подготовку и прокачку охладителя:

 кДж/кг.

Коэффициент возврата работы охлаждающего воздуха - .

– механические КПД турбины и компрессора.