Расчёт газотурбинной установки

Тип работы:
Курсовая
Предмет:
Физика


Узнать стоимость новой

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

СОДЕРЖАНИЕ

  • ВВЕДЕНИЕ
  • 1. ОПИСАНИЕ РАСЧЁТА СХЕМЫ ГТУ
    • 1.1 Сжатие воздуха в компрессоре
    • 1.2 Камера сгорания
    • 1.3 Расширение дымовых газов в турбине
  • 2. ОПИСАНИЕ РАСЧЁТА ПЕРВОЙ СТУПЕНИ
  • 3. ОПИСАНИЕ РАСЧЁТА ВТОРОЙ СТУПЕНИ
  • 4. РАСЧЁТ ГТУ
  • 5. РАСЧЁТ ПЕРВОЙ СТУПЕНИ
  • 6. РАСЧЁТ ВТОРОЙ СТУПЕНИ
  • 7. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ БАЛАНС СИСТЕМЫ
  • СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

ВВЕДЕНИЕ

Котёл-утилизатор — котёл, использующий теплоту отходящих газов дизелей или газотурбинных установок. Температура газов, поступающих в энергетический котел-утилизатор, приблизительно составляет 350--700°C. В настоящее время стали появляться котлы-утилизаторы, которые содержат камеру дожигания отходящих газов. Крупные котлы-утилизаторы имеют все элементы котлоагрегата, за исключением топочных и др. устройств, связанных с сжиганием топлива. Для малых производительностей и низких давлений применяются котлы-утилизаторы газотрубные либо с многократной принудительной циркуляцией, реже -- прямоточные сепараторные и барабанные. Котлы-утилизаторы с естественной циркуляцией. Водогрейные котлы-утилизаторы обычно называются утилизационными экономайзерами, или подогревателями. В некоторых случаях котлы-утилизаторы настолько сращиваются с элементами технологического оборудования, что не могут быть выделены как самостоятельные агрегаты (устройства для испарительного охлаждения мартеновских печей, химических установок и т. д.). Котлы-утилизаторы широко применяются в химической, нефтяной, пищевой, текстильной и других отраслях промышленности.

1. ОПИСАНИЕ РАСЧЁТА СХЕМЫ ГТУ

Принципиальная схема простейшей ГТУ представлена на рисунке 1. 1:

Рисунок 1.1 - Схема ГТУ

Принцип действия ГТУ сводится к следующему. Из атмосферы воздух забирают компрессором К, после чего при повышенном давлении его подают в камеру сгорания КС, куда одновременно подводят жидкое топливо топливным насосом ТН или газообразное топливо от газового компрессора. В камере сгорания воздух разделяется на два потока: один поток в количестве, необходимом для сгорания топлива, поступает внутрь жаровой трубы; второй — обтекает жаровую трубу снаружи и подмешивается к продуктам сгорания для понижения их температуры. Процесс сгорания в камере происходит при почти постоянном давлении.

Получающийся после смешения газ поступает в газовую турбину Т, в которой, расширяясь, совершает работу, а затем выбрасывается в атмосферу.

Развиваемая газовой турбиной мощность частично расходуется на привод компрессора, а оставшаяся часть является полезной мощностью газотурбинной установки.

Процесс в термодинамических диаграммах представлен на рисунке 1. 2:

Оговорим условия идеализации, для которых пригоден принимаемый идеализированный термодинамический цикл:

1) Количество рабочего тела неизменно во всех процессах, протекающих в тепловом двигателе.

Рисунок 1.2 -TS — диаграмма состояния рабочего тела в ГТУ

2) Отвод теплоты от рабочего тела в ГТУ осуществляется в изобарном процессе. Давление рабочего тела при его расширении в газовой турбине понижается до атмосферного, после чего дымовые газы выбрасываются в окружающую среду на охлаждение.

3) Рабочее тело подчиняется законам идеального газа.

4) Теплоемкость рабочего тела не зависит от температуры.

5) Сжатие и расширение рабочего тела адиабатные.

1.1 Сжатие воздуха в компрессоре

Для нахождения параметров воздуха за компрессором воспользуемся формулой для адиабатного сжатия:

Формула для давлений и температур будет выглядеть:

Отсюда температура в точке 2Т:

Найдем действительную температуру в точке Т2, учитывая необратимое сжатие в компрессоре:

Учитывая, что для воздуха теплоёмкость не зависит от температуры, получаем:

Отсюда:

Воздух с данной температурой подается в камеру сгорания (КС).

1.2 Камера сгорания

В камере сгорания смешивается природный газ с воздухом и образуются дымовые газы.

Для нахождения коэффициента избытка воздуха составим баланс для камеры сгорания:

Для нахождения состава продуктов сгорания воспользуемся методикой подбора коэффициента избытка воздуха, задаваясь им, затем, проверяя, совпадает ли теоретическая температура горения с расчетной адиабатной температурой горения.

Рассчитаем состав влажного воздуха при заданном влагосодержании.

Содержание водяных паров:

где , — процентные содержания соответственно воды и сухого воздуха во влажном воздухе.

, — молярные массы соответственно воды и сухого воздуха.

Объёмные доли компонентов (в процентах):

где — объёмная доля компонента в сухом воздухе.

Теплоёмкость влажного воздуха рассчитывается по формуле:

где — теплоёмкость сухого воздуха при температуре ,

— теплоёмкость воды при температуре ,

Рассчитаем расход воздуха и выход газов при сжигании 1 газообразного топлива.

Теоретический объём влажного воздуха, необходимый для полного сгорания топлива (при =1) рассчитывается по формуле:

Теоретические объёмы продуктов сгорания, полученные при полном сгорании топлива с теоретически необходимым количеством воздуха (=1) рассчитываются по формулам:

для азота:

для трёхатомных газов:

для водяных паров:

для аргона:

Теоретический объём дымовых газов рассчитывается по формуле:

Содержание компонентов в теоретических продуктах сгорания (в процентах по объёму) рассчитывается по формуле:

Действительный объём воздуха рассчитывается по формуле:

Избыточный объём воздуха рассчитывается по формуле:

Объём действительных дымовых газов рассчитывается по формуле:

Соответствующие объёмы компонентов рассчитываются по формуле:

Состав смеси рассчитывается по формуле:

Средняя объёмная изобарная теплоемкость дымовых газов:

где.

Температура адиабатного горения расчетная:

Энтальпия дымовых газов:

Энтальпия природного газа:

1.3 Расширение дымовых газов в турбине

Рассчитываем энтальпии рабочего тела в соответствующих точках:

Полезная работа турбины будет равна:

2. ОПИСАНИЕ РАСЧЁТА ПЕРВОЙ СТУПЕНИ

После ГТУ часть дымовых газов поступает в топку, куда также поступает топливо (природный газ). В топке происходит их смешение и горение. В результате образуются дымовые газы нового состава, которые поступают в пароперегреватель ПП2. После пароперегревателя дымовые газы поступают в КУП, где смешиваются с потоком дымовых газов, поступающих из ГТУ. Расчёт топки мы будем проводить по схеме «воздух — модифицированное топливо». Согласно этой схеме, поток дымовых газов, поступающий из ГТУ, можно условно разделить на два потока: воздух и теоретические продукты сгорания («балласт»). На входе в топку «балласт» смешивается с топливом, в результате чего образуется так называемое модифицированное топливо. На выходе из топки происходит горение модифицированного топлива в смеси с воздухом, тем самым образуются дымовые газы нового состава. Расчёт производим на 1 природного газа с тем условием, чтобы концентрация кислорода на выходе из топки была не ниже 13%.

Требуемый расход воздуха в окислителе рассчитывается по формуле:

где — теоретический объём горения природного газа в воздухе с коэффициентом избытка.

Требуемый расход окислителя, обеспечивающий необходимую концентрацию, рассчитывается по формуле:

где — процентное содержание воздуха в дымовых газах, поступающих в топку.

Тогда расход балласта вычисляется:

где — процентное содержание теоретических продуктов сгорания в дымовых газах, поступающих в топку.

Процентное содержание компонентов в модифицированном топливе рассчитывается по формуле:

Температура модифицированного топлива рассчитывается по формуле:

где — изобарная теплоёмкость модифицированного топлива,

.

Далее модифицированное топливо поступает на горение в смеси с воздухом. Расчёт горения в топке аналогичен приведенному в первом разделе расчёту горения природного газа в смеси с воздухом в камере сгорания ГТУ.

После топки полученные дымовые газы, а также газы, идущие из ГТУ, поступают в КУП. Принципиальная схема КУП представлена на рисунке 1.2.

На схеме поток 1г-2г-3г-4г-5г представлен дымовыми газами, охлаждающимися в процессе получения перегретого пара высокого давления. Также на схеме показано, как изменяются температуры водяного тракта и тракта дымовых газов при прохождении через КУП.

Рисунок 2.1 - Схема первой ступени КУП

Целью расчёта КУП является определение расхода дымовых газов и температур во всех точках.

Для нахождения расхода дымовых газов в точке 1 г составим баланс энергии для теплообменника ПП2:

Отсюда расход:

Для нахождения расхода дымовых газов в точке 2 г составим балансы для двух теплообменников: ПП1 и ПГ, оговорив перед этим следующие условия:

— Присосы воздуха будем рассматривать как долю от текущего объёма дымовых газов находящихся в данном теплообменном аппарате.

— Для составления баланса энергии будем считать присосы воздуха как отдельные потоки, смешивая их затем, и находя параметры смешенных потоков.

— Рассеяние энергии через ограждающие конструкции будем считать как долю энергии от прихода тепловых потоков.

Баланс энергии для ПП1:

Баланс энергии для ПГ:

Отсюда, выражая, получим:

В точке 3 г, зная, температуру дымовых газов находим из баланса энергии для ПП1:

т. к. от этой температуры зависит и, , подбираю температуру таким образом чтобы баланс сошёлся.

Температура в точке 4 г рассчитывается по формуле:

где — температура насыщения при давлении в точке Т2.

Температуру уходящих газов в т5 подбираем таким же образом как и в т3 используя баланс ЭК:

Находим температуры воды во всех точках водяного тракта:

Процесс нагрева воды по ходу КУП представлен на рисунке 2. 2:

Рисунок 2.2 - TS-диаграмма водяного тракта

В точке т5 и точке т4 рабочее тело находится в состоянии перегретый пар, где его состояние задается двумя параметрами: температурой и давлением:

Так как в точке т3 пар находится на линии насыщения, то его энтальпия находиться по формуле:

где значения энтальпии в пограничных точках находиться из программы термодинамических свойств воды и водяного пара:

Значение энтальпии в точке т2 будет находиться по давлению и температуре, т.к. по условию недогрев в экономайзере равен, то определяющая температура будет равна:

Найдем характеристики пара в точке т1:

Находим расход топлива по формуле:

где — удельный объём дымовых газов.

Теперь найдем состав газов, учитывая смешение с присосами. Будем считать, что присосы смешиваются с дымовыми газами перед входом в теплообменник, а затем происходит теплообмен. Зная параметры воздуха и дымовых газов состав смеси рассчитывается по формуле:

Соответствующие объемы компонентов:

Средние объемные изобарные теплоёмкости:

3. ОПИСАНИЕ РАСЧЁТА ВТОРОЙ СТУПЕНИ

Принципиальная схема водогрейного котла-утилизатора представлена на рисунке 3. 1:

Рисунок 3.1 - Принципиальная схема водогрейного котла-утилизатора

Для нахождения расхода воды в КУВ зададимся температурой газа на выходе в точке 6 г.

Температура в т4 из расчётов первой ступени:

Составляем баланс для КУВ:

из баланса находим G.

где

Находим объёмный состав всех компонентов после смешения с присосами ПВКУВ.

газотурбинный термодинамический энергетический компрессор

4. РАСЧЁТ ГТУ

Исходные данные:

Степень увеличения давления в компрессоре:.

Относительный внутренний КПД компрессора:.

Температура воздуха перед компрессором (Т1):.

Температура воздуха перед компрессором (Т1):.

Расчёт:

Находим температуру по формуле (1. 3):

Найдем действительную температуру в точке Т2, учитывая необратимое сжатие в компрессоре по формуле:

Таблица 4. 1

Состав топлива:

Компонент ПГ

Молярная масса кг/кмоль

Низшая теплота сгорания

Плотность при н.у. кг/м3

Рабочая масса %

Норм. м ккал/м3

Тымчак ккал/м3

СН4

16,042

8555

8558

0,7162

75,3

С2Н6

30,068

15 226

15 235

1,3423

10

С3Н8

44,094

21 795

21 802

1,9685

8,3

С4Н10

58,12

28 338

28 345

2,5946

4,2

N2

28,016

0

0

1,2507

1,0

Н2О

18,016

0

0

0,8043

1,2

Проверка материального состава топлива по балансу

Таблица 4. 2

Состав влажного воздуха

Состав влажного воздуха

молярные массы, кг/кмоль

Ед. измерения

Величина

содержание N2

28,016

21,32 642

объемные %

76,1%

содержание СО2

44,011

0,12 871

объемные %

0,03%

содержание Н2О (соотв. влагосодерж. 10 г/кг)

18,016

0,453 963

объемные %

2,52%

содержание О2

32

6,535 074

объемные %

20,4%

содержание аргона (Ar)

39,948

0,362 155

объемные %

0,9%

сумма контрольная по балансу

100,0%

Плотность влажного воздуха (при н.у.)

28,69

кг/м3

1,2808

Теплоемкость влажного воздуха

кДж/(м3*гр)

1,351

Энтальпия вносимого воздуха, Iв

кДж/м3

21 714

Из формулы (1. 7) получили конечный коэффициент избытка воздуха: Состав смеси рассчитывается по формулам (1. 12)-(1. 22):

Теоретический объём дымовых газов:

Избыточный объем воздуха:

Коэффициент избытка воздуха:

Таблица 4. 3

Состав действительных дымовых газов:

Элемент

9,47

36,7

1,37

1,384

2,67

3,575

-

7,306

0,11

0,437

По формуле (1. 14) находим объём смеси:

Состав дымовых газов рассчитывается по формуле (1. 15):

Таблица 4. 4

Состав дымовых газов

Элемент

36,7

74,29

1,384

2,80

3,575

7,24

7,306

14,79

0,437

0,88

Находим среднюю изобарную теплоёмкость дымовых газов по формуле (1. 16):

при t=530

при t=950

Процесс расширения дымовых газов в турбине.

Исходные данные:

Температура дымовых газов перед ГТУ:.

Температура дымовых газов после ГТУ:.

Рассчитываем энтальпии рабочего тела в соответствующих точках:

По формуле (1. 16)

По формуле (1. 17)

Полезная работа турбины по формуле будет равна:

5. РАСЧЁТ ПЕРВОЙ СТУПЕНИ

Исходные данные:

Температура дымовых газов в точке 1г:

Температура дымовых газов в точке 1'г:

Давление пара (избыточное) в точке т5:.

Давление пара (избыточное) в точке т4:.

Температура пара в точке т5:.

Температура пара:.

Расход пара:.

Степень сухости пара:.

Величина непрерывной продувки:.

Недогрев воды в экономайзере до температуры насыщения:.

Температурный напор «дымовые газы — вода» на выходе дымовых газов из парогенератора:.

Температура дымовых газов на входе:.

Присосы воздуха в пароперегревателе: ПВПП=0,5%.

Присосы воздуха в парогенераторе: ПВПГ=0,9%.

Присосы воздуха в экономайзере: ПВЭК=0,4%.

Рассеяние энергии через ограждающие конструкции для всех теплообменных аппаратов: ПQос=1%.

Расчёт топки производим на 1 м³ природного газа:

Требуемый расход воздуха в окислителе вычисляем по формуле (2. 1):

Требуемый расход окислителя, обеспечивающий необходимую концентрацию рассчитаем по формуле (2. 2):

где — процентное содержание воздуха в дымовых газах, поступающих в топку.

Тогда расход балласта вычисляется по формуле (2. 3):

где — процентное содержание теоретических продуктов сгорания в дымовых газах, поступающих в топку.

Таблица 5. 1

Состав модифицированного топлива:

ПГ

Балласт

МТ

СО

0,0%

0

0%

0

0

0,0%

Н2

0,0%

0

0%

0

0

0,0%

СН4

75,3%

0,753

0%

0

0,753

5,0%

С2Н4

0,0%

0

0%

0

0

0,0%

С2Н6

10,0%

0,1

0%

0

0,1

0,7%

С3Н8

8,3%

0,083

0%

0

0,083

0,5%

С4Н10

4,2%

0,042

0%

0

0,042

0,3%

С5Н12

0,0%

0

0%

0

0

0,0%

СmНn*

0,0%

0

0%

0

0

0,0%

СО2

0,0%

0

10,1%

1,43

1,43

9,4%

О2

0,0%

0

0%

0

0

0,0%

N2

1,0%

0,01

69,5%

9,9

9,9

65,0%

Н2О

1,2%

0,012

19,6%

2,8

2,8

18,4%

H2S

0,0%

0

0%

0

0

0,0%

Ar

0%

0

0,83%

0,117

0,117

0,8%

100,0%

1,00

100,0%

14,19

15,19

100,0%

Далее подбираем коэффициент избытка воздуха при горении модифицированного топлива в воздухе и рассчитываем состав действительных дымовых газов.

Таблица 5. 2

Состав действительных дымовых газов:

— азота, VN2

% объемн.

74,27%

— трёхатомных газов, VRO2

% объемн.

2,98%

— водяных паров, VH2O

% объемн.

7,54%

— кислорода, VO2

% объемн.

14,45%

— аргона VAr

% объемн.

0,76%

Баланс

% объемн.

100,0%

По формуле (2. 7) найдём объём дымовых газов, проходящих через ПП2:

По формуле (2. 6) рассчитываем энтальпии в точках т4 и т5. В этих точках рабочее тело находиться в состоянии перегретый пар, где его состояние задается двумя параметрами: температурой и давлением:

Энтальпию в точке т3 находим по формуле (2. 10):

где по формулам (2. 9) и (2. 12):

Значение температуры в точке т2 находиться по формуле (2. 18):

Найдем характеристики пара в точке т1 по формуле (2. 19):

Энтальпия пара в точке т1:

В точке 1 г дымовые газы имеют температуру 530 0С

Температура в т3 находится по формуле (2. 7):

Находим объём дымовых газов по формуле (2. 10):

Расход топлива находим по формуле (2. 15):

В точке 3 г, уже зная, температуру дымовых газов находим по формуле (2. 11):

т.к. от этой температуры зависит и, , подбираю температуру таким образом, чтобы баланс сошёлся.

Таким же способом находим температуру уходящих газов в точке 5 г (2. 17) и получаем:

Объёмный состав компонентов смеси после смешения дымовых газов с присосами ПВПП2 после ПП2 находим по формуле (2. 16):

Объём дымовых газов на 1 м³ топлива:

Объём воздуха на 1 м³ дымовых газов:

Таблица 5. 3

Состав дымовых газов после смешения в ПП2

Элемент

18,198

74,89

0,15

75,2

74,89

0,476

1,96

0,0

0,01

1,96

1,409

5,80

0,001

3,7

5,80

4,014

14,45

0,004

20,2

14,52

0,204

0,84

0,0

0,89

0,84

Таким же образом рассчитываю состав смеси после ПП1, ПГ и ЭК:

Объёмный состав всех компонентов после смешения с присосами ПВПП1 после ПП1:

Объём дымовых газов на 1 м³ топлива:

Объём воздуха на 1 м³ дымовых газов:

Таблица 5. 4

Состав дымовых газов после смешения в ПП1

Элемент

36,9

74,69

0,188

75,2

74,69

1,127

2,28

0,0

0,01

2,27

3,067

6,21

0,01

3,7

6,2

7,869

15,93

0,05

20,2

15,95

0,44

0,89

0,0

0,89

0,89

Объёмный состав всех компонентов после смешения с присосами ПВПГ после ПГ:

Объём дымовых газов на 1 м³ топлива:

Объём воздуха на 1 м³ дымовых газов:

Таблица 5. 5

Состав дымовых газов после смешения в ПГ

Элемент

37,04

74,69

0,34

75,2

74,71

1,126

2,27

0,0

0,01

2,25

4,98

6,2

0,017

3,7

6,16

7,911

15,95

0,091

20,2

15,99

0,44

0,89

0,0

0,89

0,89

Объёмный состав всех компонентов после смешения с присосами ПВЭК после ЭК:

Объём дымовых газов на 1 м³ топлива:

Объём воздуха на 1 м³ дымовых газов:

Таблица 5. 6

Состав дымовых газов после смешения в ЭК

Элемент

37,43

74,71

0,188

75,2

74,71

1,127

2,25

0,0

0,01

2,24

3,086

6,16

0,01

3,7

6,15

8,01

15,99

0,05

20,2

16,01

0,445

0,89

0,0

0,89

0,89

6. РАСЧЁТ ВТОРОЙ СТУПЕНИ

Исходные данные:

Температура ОСВ:

Температура ПСВ:

Присосы воздуха: ПВКУВ=1,1%

Рассеяние энергии через ограждающие конструкции для КУВ: ПQос=1,9%.

Для нахождения расхода воды в КУВ зададимся температурой газа на выходе:

Температура в т3г из расчётов первой ступени:

Находим энтальпии в точках В1 и В2 по формулам (1. 2) и:

Из (1. 4) получаем расход воды:

Находим объёмный состав всех компонентов после смешения с присосами ПВКУВ по формуле (1. 5):

Объём дымовых газов на 1 м³ топлива:

Объём воздуха на 1 м³ дымовых газов:

Таблица 6. 1

Состав дымовых газов после смешения в КУВ

Элемент

37,56

74,71

0,414

75,2

74,73

1,126

2,24

0,0

0,01

2,22

3,09

6,15

0,02

3,7

6,11

8,05

16,01

0,11

20,2

16,06

0,447

0,89

0,0

0,89

0,89

7. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ БАЛАНС СИСТЕМЫ

В нашем случае имеем следующий упрощенный баланс энергии:

— для нахождения энергии воды

— для нахождения энергии дымовых газов

— для нахождения энергии воздушных присосов

Энергобаланс первой ступени

Приход:

Энергия дымовых газов перед ПП2:

Энергия дымовых газов перед ПП1:

Энергия дымовых газов перед ПГ1:

Энергия дымовых газов перед ЭК1:

Энергия воды перед ЭК1:

Энергия воды перед ПГ1:

Энергия воды перед ПП1:

Энергия воды перед ПП2:

Сумма прихода:

Расход

Энергия дымовых газов после ПП2:

Энергия дымовых газов после ПП1:

Энергия дымовых газов после ПГ1:

Энергия дымовых газов после ЭК1:

Энергия воды после ЭК1:

Энергия воды после ПГ1:

Энергия воды после ПП1:

Энергия воды после ПП1:

Энергия потерь:

Сумма расход:

Дисбаланс:

Энергобаланс второй ступени.

Приход

Энергия газа перед КУВ:

Энергия воды перед КУВ:

Сумма прихода:

Расход:

Энергия газа после КУВ:

Энергия воды после КУВ:

Энергия потерь в КУВ:

Сумма расхода:

Дисбаланс:

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Б. М. Хрусталев, А. П. Несенчук, В. Н. Романюк «Техническая термодинамика», т.1. УП «Технопринт», Минск 2004 г.

2. Б. М. Хрусталев, А. П. Несенчук, В. Н. Романюк «Техническая термодинамика», т.2. УП «Технопринт», Минск 2004 г.

3. Н. В. Кузнецов, В. В Митов, И. Е. Дубровский, Э. С. Карасина «Тепловой расчёт котельных агрегатов», издание 2. «Энергия», Москва 1973 г.

Показать Свернуть
Заполнить форму текущей работой