Расчет циклов газотурбинных установок

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ  И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное государственное  автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования

“Северный (Арктический) Федеральный  университет имени М. В. Ломоносова”

(наименование кафедры)

(фамилия, имя, отчество  студента)

Институт

курс

группа

КУРСОВАЯ  РАБОТА 26.1.2.12.КР.008.00.ПЗ

По дисциплине

ГТУ

На тему

Циклы газотурбинных установок

(наименование темы)

Работа допущена к защите

(подпись руководителя)

(дата)

Признать, что работа

выполнена и защищена с оценкой

Руководитель

(должность)

(подпись)

(и.,о., фамилия)

(дата)

Архангельск

2012

 

 

 

 

 

СОДЕРЖАНИЕ 

1. РАСЧЕТ ЦИКЛОВ ГТУ 9

ЗАДАЧА №1 – РАСЧЕТ ПРОСТОЙ СХЕМЫ  ГТУ 9

ЗАДАЧА № 2 – РАСЧЕТ ЦИКЛА ГТУ  С РЕГЕНЕРАЦИЕЙ 17

_{ЗАДАЧА №3 –  РАСЧЕТ СХЕМЫ ГТУ СО СТУПЕНЧАТЫМ СЖАТИ-}

_{ЕМ И РАСШИРЕНИЕМ  С    ПРОМЕЖУТОЧНЫМ   ОХЛАЖДЕНИ-}

_{ЕМ И ПОДОГРЕВОМ РАБОЧЕГО ТЕЛА 19}

2. ВЫБОР ЭКОНОМИЧЕСКИ  ОПТИМАЛЬНОЙ   СТЕПЕНИ  ПОВЫШЕ-

НИЯ ДАВЛЕНИЯ 22

3. ТЕПЛОВОЙ    РАСЧЕТ     ДЕЙСТВИТЕЛЬНОЙ     СХЕМЫ    ЭНЕРГЕТИ-

ЧЕСКОЙ ГТУ ПРОСТОГО ЦИКЛА 26

 

 

 

 

 

 

 

 

1 РАСЧЕТ ЦИКЛОВ ГТУ

ЗАДАЧА №1 – РАСЧЕТ ПРОСТОЙ СХЕМЫ ГТУ

Газотурбинная установка (ГТУ) — энергетическая установка: конструктивно объединённая совокупность газовой турбины, электрического генератора, газовоздушного тракта, системы управления и вспомогательных устройств (пусковое устройство, компрессор, теплообменный аппарат или котёл-утилизатор для подогрева сетевой воды для промышленного снабжения).

Принципиальная схема установки представлена на рисунке 1:

Рисунок 1 - Принципиальная схема установки  ГТУ

Цикл ГТУ в T-S координатах изображен на рисунке 2 :

Рисунок 2 - Цикл ГТУ в T-S координатах

Степень повышения температуры  в цикле :

               (1.1)

где - температура рабочего тела на входе в турбину;

- температура рабочего тела  на входе в компрессор.

Степень повышения давления в цикле (помимо ), при которой внутренний КПД ГТУ равен нулю:

где - внутренний КПД турбины;

- внутренний КПД компрессора.

 

Максимальную внутреннюю удельную работу в цикле, , :

                                (1.4)

где - средняя теплоемкость рабочего тела;

Степень повышения давления в цикле, соответствующей макс, внутренней удельной работе :

              (1.5)

Максимальный внутренний КПД ГТУ

По графику  (Рисунок 3) находим:

           (1.6)

Степень повышения давления в цикле, соответствующей максимальному внутреннему КПД ГТУ :

 

Температура на выходе из компрессора , К:

              (1.7)

Температура на выходе из турбины  , К:

                  (1.8)

Внутренняя удельная работа в цикле , :

 

Коэффициент полезной работы :

                      (1.12)

Эффективная удельная работа ГТУ , :

           (1.13)

где - механический КПД турбины;

- механический КПД компрессора.

Механический КПД ГТУ :

             (1.14)

Эффективный КПД ГТУ :

             (1.15)

Внутренняя мощность ГТУ , :

             (1.16)

Расход рабочего тела , :

             (1.17)

Удельный эффективный расход рабочего тела , :

            (1.18)

Удельный эффективный расход теплоты , :

             (1.19)

Удельный эффективный расход топлива , :

            (1.20)

где - низшая удельная теплота сгорания топлива.

Расход топлива , :    

                  (1.21)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Данные для построения диаграммы приведены в таблице 1:

Таблица 1 – данные для построения диаграмм

Φi	li	lk	lт	ηi,max	Βη
0,629966	0	0	0	0	1
0,586257	64,85666	45,77164	110,6283	0,078443	1,5
0,552149	100,4676	81,48987	181,9575	0,12724	2
0,523768	122,3112	111,2107	233,5218	0,161225	2,5
0,499248	136,4762	136,8872	273,3634	0,186471	3
0,477535	145,8979	159,6251	305,523	0,206011	3,5
0,457967	152,1817	180,1169	332,2986	0,221562	4
0,440099	156,2847	198,8281	355,1128	0,234181	4,5
0,423617	158,8153	216,0879	374,9032	0,244562	5
0,408289	160,1793	232,1386	392,3179	0,253181	5,5
0,393941	160,6578	247,1642	407,822	0,260379	6
0,380435	160,4522	261,3079	421,7601	0,266406	6,5
0,367662	159,7099	274,6838	434,3937	0,271454	7
0,355534	158,5416	287,3842	445,9258	0,275667	7,5
0,343978	157,0318	299,485	456,5168	0,27916	8
0,332935	155,246	311,0496	466,2956	0,282025	8,5
0,322353	153,2358	322,1312	475,3669	0,284336	9
0,312188	151,0421	332,7752	483,8173	0,286152	9,5
0,302405	148,6979	343,0207	491,7186	0,287525	10
0,292969	146,2301	352,9014	499,1315	0,288494	10,5
0,283854	143,6605	362,4468	506,1073	0,289096	11
0,275034	141,0073	371,6828	512,6901	0,289359	11,5
0,273304	140,4679	373,4949	513,9628	0,289373	11,6
0,269875	139,3815	377,0855	516,467	0,289364	11,8
0,266488	138,2853	380,6322	518,9175	0,289308	12
0,258196	135,5072	389,3153	524,8225	0,288963	12,5

 

Рисунок 3 – Графики зависимостей

_{, ,}  

ЗАДАЧА № 2 – РАСЧЕТ ЦИКЛА ГТУ С РЕГЕНЕРАЦИЕЙ

Цикл ГТУ с регенерацией и его диаграмма в T-S координатах представлены на рисунке 4:

Рисунок 4 - Цикл ГТУ с регенерацией и его диаграмма в T-S координатах

Температура на выходе из компрессора :

           (1.22)

Температура на выходе из турбины :

           (1.23)

Температура воздуха на выходе из регенератора :

            (1.24)

где - степень регенерации теплоты.

Температура уходящих газов :

                                (1.25)

Внутренняя удельная работа в турбине :

Внутренняя удельная работа в компрессоре :

Внутренняя удельная работа в ГТУ :

Теплота в камере сгорания :

Внутренний КПД ГТУ :

             (1.30)

Поверхность теплообмена регенератора , если коэффициент теплопередачи    :       

             (1.31)

_{ЗАДАЧА №3 – РАСЧЕТ СХЕМЫ ГТУ СО СТУПЕНЧАТЫМ СЖАТИЕМ И РАСШИРЕНИЕМ С ПРОМЕЖУТОЧНЫМ ОХЛАЖДЕНИЕМ И ПОДОГРЕВОМ РАБОЧЕГО ТЕЛА}

Схема ГТУ со ступенчатым сжатием  и расширением с промежуточным  охлаждением и подогревом рабочего тела и его диаграмма в T-S координатах представлены на рисунке 5:

 

Рисунок 5 - Схема ГТУ со ступенчатым сжатием и расширением с промежуточным охлаждением и подогревом рабочего тела и его диаграмма в T-S координатах

Степень повышения давления :

             (1.32)

Удельная внутренняя работа 2 компрессоров :

Удельная внутренняя работа 2 турбин :

Удельная внутренняя работа ГТУ :

Температура на выходе из компрессоров :

Температура на выходе из турбин :

Температура на выходе из регенератора :

Теплота в камерах сгорания :

                 (1.39)

Внутренний КПД ГТУ :

             (1.40)

 

 

 

 

 

2 ВЫБОР ЭКОНОМИЧЕСКИ ОПТИМАЛЬНОЙ СТЕПЕНИ ПОВЫШЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ

Изменяя значения , находим с помощью MS Excel. Расчеты представлены в таблице 2.

Таблица 2 –  Поэтапный расчет

β	lт	lк	ηi	Зуд	β	lт	lк	ηi	Зуд
1	0,000	0,000	0,000	0	7,2	438,694	279,363	0,273	2,14157
1,5	110,491	45,708	0,078	6,00781	7,3	440,998	281,898	0,274	2,14054
2	181,740	81,372	0,127	3,82786	7,4	443,261	284,407	0,275	2,13973
2,5	233,252	111,045	0,161	3,10276	7,5	445,487	286,892	0,276	2,13914
3	273,055	136,679	0,186	2,74482	7,6	447,674	289,353	0,276	2,13877
3,5	305,186	159,377	0,206	2,53546	7,7	449,826	291,790	0,277	2,13859
4	331,939	179,832	0,221	2,40144	7,8	451,942	294,205	0,278	2,13861
4,5	354,736	198,509	0,234	2,31116	7,9	454,023	296,597	0,278	2,13882
5	374,511	215,736	0,244	2,24874	8	456,072	298,968	0,279	2,13922
5,5	391,913	231,756	0,253	2,20530	8,5	465,845	310,508	0,282	2,14376
6	407,407	246,752	0,260	2,17551	9	474,912	321,566	0,284	2,15218
6,5	421,336	260,868	0,266	2,15595	9,5	483,358	332,188	0,286	2,16403
7	433,961	274,217	0,271	2,14435	10	491,255	342,411	0,287	2,17899
7,1	436,349	276,803	0,272	2,14284

 

 соответствует минимальным приведенным затратам

Подробный расчет для полученных значений при :

Внутренняя удельная работа в турбине , :

Внутренняя удельная работа в компрессоре , :

Абсолютный внутренний КПД  :

  (2.3)

Минимальные удельные приведенные  затраты получаемой внутренней энергии :

          (3.4)

где - коэффициент амортизационных отчислений:

- коэффициент нормативности:

_{Стоп – стоимость топлива;}

_{Стк – стоимость турбомашин;}

_{Ток – нормативный срок окупаемости;}

_{Тсл – срок службы;}

n – число часов работу ГТУ в год.

Зависимость представлена на рисунке 6.

 

 

Рисунок 6 – График зависимости 

 

 

 

 

 

 

3 ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ ДЕЙСТВИТЕЛЬНОЙ СХЕМЫ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ГТУ ПРОСТОГО ЦИКЛА

Компрессор

Внутренний относительный кпд компрессора, :

              (3.1)

где - политропный КПД компрессора

Давление воздуха на всасе компрессора , кПа:

              (3.2)

где - давление наружного воздуха;

- коэффициент потерь давления  на входе в компрессор.

Давление воздуха за компрессором , кПа:

               (3.3)

Расчет теоретической температуры за компрессором представлен в таблице 3

               (3.4)

               (3.5)

где -  газовая постоянная

   - средняя теплоемкость воздуха                     (3.6)

Таблица 3 - Расчет теоретической температуры за компрессором.

T1	Rв		mв	T2'	i1	i2’		mв	T2'	∆T
293,15	0,287	7,7	0,275	513,896	20,064	244,30	1,016	0,283	522,356	8,46
293,15	0,287	7,7	0,283	522,356	20,064	253,007	1,0163	0,2824	521,717	0,361
293,15	0,287	7,7	0,2824	521,717	20,064	252,35	1,0163

 

-1 ⁰С ≤ ∆T ≤ 1 ⁰С – условие выполняется.

 

Внутренняя удельная работа компрессора :

              (3.7)

Проверка:

             (3.8)

Действительная энтальпия воздуха  за компрессором :

                (3.9)

_{По данной энтальпии  находим действительную температуру за} компрессором

Камера сгорания

Коэффициент избытка воздуха :

          (3.10)

где - теоретическая масса воздуха, необходимая для полного сгорания 1 кг топлива;

- энтальпия чистых продуктов  сгорания при и _;

- энтальпия воздуха при _.

Относительный расход топлива :

                (3.11)

Энтальпия рабочего тела на выходе из КС :

Удельный расход тепла на нагрев 1 кг рабочего тела

                       (3.12)

Проверка

                      (3.14)

Турбина

Давление газа перед турбиной , кПа:

            (3.15)

где - коэффициент потерь давления между турбиной и компрессором

Давление газов за турбиной

             (3.16)

где - атмосферное давление;

- коэффициент потерь давления  на выходе из турбины.

Степень расширения газов в турбине :

                    (3.17)

Проверка

          (3.18)

Внутренний кпд турбины :

        (3.19)

Теоретическая температура за турбиной рассчитана в таблице 4

                       (3.20)

             (3.21)

            (3.22)

Таблица 4 – Теоретическая температура за турбиной

T3	RГ	ε	mГ	T4'	i3	i4’	Cp,г	mГ	T4'	∆T
1023,15	0,28787	7,44	0,25926	608,100	822,613	351,0502	1,13616	0,25337	615,3296	7,23
			0,25337	615,3296		358,865	1,13714	0,25315	615,599	0,27
			0,25315	615,599		359,1562	1,13714

 

-1 ⁰С ≤ ∆T ≤ 1 ⁰С – условие выполняется.

Внутренняя удельная работа турбины

            (3.23)

Проверка:

           (3.24)

Энтальпия газов за турбиной

              (3.25)

Основные показатели ГТУ

Удельная внутренняя работа

                       (3.26)

Эффективная удельная работа ГТУ

                     (3.27)

Механический КПД ГТУ :

             (3.28)

Эффективный КПД ГТУ :

             (3.29)

Эффективный коэффициент полезной работы :

             (3.30)

Расход воздуха

             (3.31)

Расход топлива

             (3.32)

Удельный эффективный расход воздуха

             (3.33)

Удельный эффективный расход теплоты

                       (3.34)

Удельный эффективный расход топлива

                       (3.35)

Содержание кислорода в уходящих газах

           (3.36)

Потенциальная тепловая мощность газа на выходе из установки

                                             (3.37)