Проект тепловых схем газотурбинных установок

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

ГОУ ВПО "Уральский государственный технический университет - УПИ"

Факультет теплоэнергетический

Кафедра оборудования и эксплуатации газопроводов

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

Проект тепловых схем ГТУ

Руководитель С. А. Гулина

Студент гр. Т-37051 КТА.

Ю. Кропачев

Краснотурьинск 2009

Введение

Газотурбинное машиностроение в Советском Союзе четко разделялось по ведомственной принадлежности: авиационное, судовое и энергетическое, причем авиационное и судовое как относящееся к оборонному комплексу на протяжении десятилетий получало приоритетное развитие и достигло значительных успехов. За исключением одного авиадвигателестроительного, одного судостроительного и одного энергомашиностроительного предприятия, оказавшихся после распада Советского Союза на территории Украины, весь потенциал газотурбинного машиностроения остался в Росси.

Наибольший научно - технический, конструкторский и производственный потенциал газотурбостроения сосредоточен на авиадвигателестроительных предприятиях. В связи с демилитаризацией экономики России, приведшей к многократному сокращению заказов на авиадвигатели, подавляющее большинство авиадвигателестроительных предприятий в течение последних лет занимается созданием энергетических ГТУ на базе существующих и перспективных авиадвигателей с использованием современных технологий проектирования и производства.

Производственными и научно - производственными объединениями России разработан широкий ряд энергетических ГТУ единичной мощности от 1 до 180 МВт. При наличии заказа большинство из них в короткие сроки могут быть изготовлены для работы на газотурбинных электростанциях в автономном режиме, на газотурбинных ТЭЦ и на парогазовых ТЭС, а также на нужды нефтяной и газовой промышленности.

Газотурбинные двигатели для привода электрогенераторов, разработанные на основе авиационных и судовых двигателей, как правило, выполнены по двух - и трехвальной схеме с силовой турбиной. Исключение составляет одновальный двигатель типа ГТД - 110, разработанный для нужд энергетики на основе судовых двигателей.

Расчёт тепловой схемы одновальной ГТУ с простым циклом

Последовательность расчётов термодинамических параметров соответствует ходу течения рабочего тела по тракту ГТД.

1. Задаёмся степенью повышения давления в компрессоре

2. Определяем удельную работу сжатия в компрессоре

где - средняя удельная теплоёмкость воздуха в процессе сжатия;

- температура воздуха на входе в компрессор;

- показатель адиабаты воздуха;

- изоэнтропический КПД компрессора.

3. Определяем температуру воздуха за компрессором

4. Определяем степень понижения давления в турбине

,

где - коэффициент потерь полного давления на входе,

- коэффициент потерь полного давления в камере сгорания,

- коэффициент потерь полного давления в диффузоре.

5. Определяем относительный расход на охлаждение

(при температуре газа после камеры сгорания )

6. Определяем коэффициент изменения массы рабочего тела от точки вход до точки газ:

,

где - относительный расход рабочего тела на утечки;

- относительный расход топлива.

7. Определяем удельную работу расширения в турбине

,

где - средняя удельная теплоёмкость в процессе расширения;

- показатель адиабаты газа;

- изоэнтропический КПД турбины.

8. Определяем удельную полезную работу цикла



где - механический КПД.

9. Определяем коэффициент изменения массы рабочего тела от точки вход до точки компрессор

,

10. Определяем удельную теплоту, подведённую к камере сгорания

,

где (при).

(при).

11. Определяем эффективный КПД цикла

где - КПД камеры сгорания.

12. Определяем расход рабочего тела:

- на входе в компрессор



где - полезная мощность ГТУ.

- в точке газ

,

Расчёты для других значений приведены в приложении А1. Из данных расчётов видно, что максимально эффективный КПД цикла достигается при степени сжатия, равной 25 и равен 31,48%. Максимальное значение полезной работы достигается при степени сжатия, равной 12 и равна 300,2, при этом эффективный КПД цикла равен 29,27%.

Расчёт тепловой схемы двухвальной ГТУ с простым циклом

Последовательность расчётов термодинамических параметров соответствует ходу течения рабочего тела по тракту ГТД.

1. Задаёмся степенью повышения давления в компрессоре

2. Определяем удельную работу сжатия в компрессоре

,

где - средняя удельная теплоёмкость воздуха в процессе сжатия;

- температура воздуха на входе в компрессор;

- показатель адиабаты воздуха;

- изоэнтропический КПД компрессора.

3. Определяем температуру за компрессором

,

4. Определяем степень понижения давления в турбине

,

Где - коэффициент потерь полного давления на входе;

- коэффициент потерь полного давления в камере сгорания;

- коэффициент потерь полного давления в диффузоре.

5. Определяем относительный расход на охлаждение

(при температуре газа после камеры сгорания )

6. Определяем коэффициент изменения массы рабочего тела от точки вход до точки газ:

,

где - относительный расход рабочего тела на утечки;

- относительный расход топлива.

7. Определяем удельную работу расширения в турбине высокого давления



где - механический КПД.

8. Определяем степень понижения давления в турбине высокого давления

,

где - средняя удельная теплоёмкость в процессе расширения;

- изоэнтропический КПД турбины высокого давления;

- показатель адиабаты газа;

.

9. Определяем степень понижения давления в силовой турбине

,

10. Определяем температуру за турбиной высокого давления

 ,

11. Определяем удельную работу в силовой турбине

где - изоэнтропический КПД силовой турбины

12. Определяем коэффициент изменения массы рабочего тела от точки вход до точки ТВД

,

где - относительный расход рабочего тела на утечки;

- относительный расход топлива;

- относительное количество воздуха возвращённого в цикл.

13. Определяем удельную полезную работу цикла

,

14. Определяем коэффициент изменения массы рабочего тела от точки вход до точки компрессор

,

15. Определяем удельную теплоту, подводимую к камере сгорания

где (при)

(при).

16. Определяем эффективный КПД цикла

,

где - КПД камеры сгорания.

17. Определяем расход рабочего тела

- на входе в компрессор

где - полезная мощность ГТУ

- в точке газ (после камеры сгорания)

,

- на выходе из ТВД



Расчёты для других значений приведены в приложении А2. Из данных расчётов видно, что максимально эффективный КПД цикла достигается при степени сжатия, равной 37 и равен 38,04%. Максимальное значение полезной работы достигается при степени сжатия, равной 16 и равно 346,291, при этом эффективный КПД цикла равен 34,73%.

Расчёт тепловой схемы трёхвальной ГТУ с простым циклом

Последовательность расчётов термодинамических параметров соответствует ходу течения рабочего тела по тракту ГТД.

1. Задаёмся степенью повышения давления в компрессоре

2. Определяем степень повышения давления в компрессоре высокого давления

,

3. Определяем степень повышения давления в компрессоре низкого давления

,

4. Определяем удельную работу сжатия в компрессоре низкого давления

где - средняя удельная теплоёмкость воздуха в процессе сжатия; - температура воздуха на входе в компрессор; - показатель адиабаты воздуха;

- изоэнтропический КПД компрессора.

5. Определяем температуру за компрессором низкого давления

,

6. Определяем удельную работу сжатия в компрессоре высокого давления

,

7. Определяем температуру за компрессором высокого давления

,

8. Определяем относительный расход на охлаждение

(при температуре газа после камеры сгорания)

9. Определяем коэффициент изменения массы рабочего тела от точки вход до точки газ



где - относительный расход рабочего тела на утечки ;

- относительный расход топлива;

10. Определяем удельную работу расширения в турбине высокого давления

где - механический КПД.

11. Определяем степень понижения давления в турбине высокого давления

,

где - средняя удельная теплоёмкость в процессе расширения;

- изоэнтропический КПД турбины высокого давления;

- показатель адиабаты газа;



12. Определяем температуру за турбиной высокого давления

13. Определяем удельную работу расширения в турбине низкого давления

14. Определяем степень понижения давления в турбине низкого давления

,

где - изоэнтропический КПД турбины низкого давления

15. Определяем степень понижения давления в турбине

,

где - коэффициент потерь полного давления на входе;

- коэффициент потерь полного давления в камере сгорания;

- коэффициент потерь полного давления в диффузоре;

16. Определяем степень понижения давления в силовой турбине

17. Определяем температуру за турбиной низкого давления

18. Определяем удельную работу расширения в силовой турбине

,

где - изоэнтропический КПД силовой турбины

19. Определяем коэффициент изменения массы рабочего тела от точки вход до точки КВД

,

20. Определяем удельную теплоту, подводимую к камере сгорания

,

где (при).

21. Определяем коэффициент изменения массы рабочего тела от точки вход до точки ТНД

где - относительная утечка рабочего тела,

- относительный расход топлива,

- относительное количество воздуха возвращённого в цикл.

22. Определяем удельную полезную работу цикла

,

23. Определяем эффективный КПД цикла

где - КПД камеры сгорания.

24. Определяем расход рабочего тела

- на входе в компрессор

где - полезная мощность ГТУ

- в точке газ (после камеры сгорания)

,

Расчёты для других значений приведены в приложении А3. Из данных расчётов видно, что максимально эффективный КПД цикла достигается при степени сжатия, равной 30 и равен 43,32%. Максимальное значение полезной работы достигается при степени сжатия, равной 15 и равно 394,28 , при этом эффективный КПД цикла равен 39,56 %.

Расчёт тепловой схемы двухвальной ГТУ с регенеративным циклом

Последовательность расчётов термодинамических параметров соответствует ходу течения рабочего тела по тракту ГТД.

1. Задаёмся степенью повышения давления в компрессоре

2. Определяем удельную работу сжатия в компрессоре

Где - средняя удельная теплоёмкость воздуха в процессе сжатия;

- температура воздуха на входе в компрессор;

- показатель адиабаты воздуха;

;

 - изоэнтропический КПД компрессора.

3. Определяем температуру за компрессором

4. Определяем степень понижения давления в турбине

,

где - коэффициент потерь полного давления на входе,

- коэффициент потерь полного давления в камере сгорания,

- коэффициент потерь полного давления в диффузоре.

5. Определяем относительный расход на охлаждение

(при температуре газа после камеры сгорания )

6. Определяем коэффициент изменения массы рабочего тела от точки вход до точки газ:

,

где относительный расход рабочего тела на утечки;

- относительный расход топлива.

7. Определяем удельную работу расширения в турбине высокого давления



где - механический КПД.

8. Определяем степень понижения давления в турбине высокого давления

где - средняя удельная теплоёмкость в процессе расширения;

- изоэнтропический КПД турбины высокого давления;

- показатель адиабаты газа;

.

9. Определяем степень понижения давления в силовой турбине

,

10. Определяем температуру за турбиной высокого давления



11. Определяем удельную работу в силовой турбине

где - изоэнтропический КПД силовой турбины

12. Определяем коэффициент изменения массы рабочего тела от точки вход до точки ТВД:

,

где - относительный расход рабочего тела на утечки;

- относительный расход топлива;

- относительное количество воздуха возвращённого в цикл.

13. Определяем удельную полезную работу цикла

,

14. Определяем коэффициент изменения массы рабочего тела от точки вход до точки компрессор:

,

15. Задаём степень регенерации

16. Определяем температуру за силовой турбиной

17. Определяем температуру регенерации

18. Определяем удельную теплоту, подводимую к камере сгорания

где (при).

(при).

19. Определяем эффективный КПД цикла

где - КПД камеры сгорания.

20. Определяем расход рабочего тела

- на входе в компрессор

где - полезная мощность ГТУ

- в точке газ (после камеры сгорания)

,

Расчёты для других значений приведены в приложении А4. Из данных расчётов видно, что максимально эффективный КПД цикла достигается при степени сжатия, равной 9 и равен 41,46%. Максимальное значение полезной работы достигается при степени сжатия, равной 15 и равно 348,87, при этом эффективный КПД цикла равен 40,22%.

Обоснование выбора тепловой схемы ГТУ и параметров цикла

В данной работе был произведен приблизительный расчет одновальной, трехвальной, двухвальной установки простого и регенеративного циклов.

На проектирование данной установки была задана мощность 28 МВт, поэтому, проанализировав расчеты данных тепловых схем ГТУ, можно сделать вывод о том, что температура газа в камере сгорания выбирается исходя из полученного расхода воздуха. Высокий расход воздуха может привести в результате к большим габаритам установки, что не целесообразно в виду большой металлоемкости. Чем выше температура, тем ниже расход рабочего тела и выше максимальный эффективный КПД цикла, при этом уменьшается ресурс установки и используются более дорогие жаропрочные материалы для лопаток турбины.

Выбор схемы установки будем осуществлять исходя из её предназначения и условий эксплуатации. Приводные ГТУ на компрессорных станциях должны быть надёжны, максимально эффективны, просты в обслуживании и экономически выгодны. Размерам установок на компрессорных станциях не уделяется большого значения.

При тепловом расчете четырех схем ГТУ была выбрана двухвальная установка с регенеративным циклом. Параметры этой установки удовлетворяют требованиям при проектировании, КПД этой установки составляет 41,5%. При температуре 1350 К расход рабочего тела по сравнению с установками, параметры которых приведены в приложениях А.1, А.2 и А.4 , самый оптимальный, параметры этой установки и будут выбраны для дальнейшего проектирования.

На основе проделанного анализа для дальнейшего проектирования будут взяты параметры цикла тепловой схемы двухвальной ГТУ с регенеративным циклом при степени сжатия =13.

тепловой газотурбинный термодинамический регенеративный

Заключение

В результате проделанной работы по проекту был выполнен термодинамический расчёт различных схем ГТУ (одновальной, двухвальной, двухвальной с регенеративным циклом и трёхвальной с простым циклом) с целью выбора оптимальной схемы приводной ГТУ.

Из рассчитанных схем была выбрана двухвальная схема с регенеративным циклом.

Данная установка имеет следующие основные параметры:

Степень повышения давления Пк	15
Полезная мощность Ne	28 мВт
Показатель адиабаты Кв	1,4
Температура на входе Твх	288,15 К
Удельная изоэнтропическая работа сжатия Lks	338,48кДж/кг
Удельная работа сжатия в компрессоре Lk	384,63 кДж/кг
Удельная энтальпия на выходе из осевого компрессора hK	673,76 кДж
Температура за компрессором Tk	636,15 К
Температура газа Тг	1350 К
Температура на входе в турбину Срг	1,24 K
Показатель адиабаты Кг	1,3
Удельная теплота подводимая к камере сгорания Q1	858,70 кДж/кг
Удельная работа расширения в турбине Lтвд	399,27 кДж/кг
Степень понижения давления в турбине ртвд	3,19
Степень понижения давления в турбине рт	14,33
Степень понижения давления в силовой турбине рст	4,49
Температура за турбиной Ттвд	1066,15 К
Удельная полезная работа Le	348,87кДж/кг
Эффективный КПД зe	40,2 %
Расход рабочего тела на входе в компрессор Gв	80,25 Кг/с
Расход рабочего тела на выходе их ТВД Gтвд	77,61 Кг/с
Удельная работа в силвой турбине Lст	358,49 кДж/кг

Список литературы

1. Приводные ГТУ и конвертированные ГТД для транспорта газа: Учебное пособие / Г.В. Проскуряков. Научный редактор - канд. техн. наук проф. Б.С. Ревзин. - Екатеринбург: ГОУ УГТУ-УПИ, 1999. - 168 с.

2. Тепловой расчёт схем приводных газотурбинных установок на номинальный и переменный режимы работы: Учебное пособие / Б.С. Ревзин, А.В. Тарасов, В.М. Тарасов, В.М. Марковский. Екатеринбург: ГОУ УГТУ-УПИ, 2001, 61 с.

3. Газотурбинные и парогазовые установки тепловых электростанций: Учебное пособие для вузов / С.В. Цанев, В.Д. Буров, А.Н. Ремезов; под ред. С.В. Цанева. - 3 - е изд., стереот. - М.: Издательский дом МЭИ, 2009. - 584 с. : ил.

Размещено на Allbest.ru

...