4. Расчет параметров процесса в газовой турбине

Расчет параметров процесса ГТ осуществляется с учетом влияния на характер процесса расширения газов в ГТ воздуха, подводимого из компрессора на охлаждение элементов проточной части (рис. 12).

Особенностью работы ПГУ утилизационного типа является необходимость поддержания практически постоянной температуры выхлопных газов за газовой турбиной, т.е. перед котлом-утилизатором (КУ) в диапазоне нагрузок от 100 до 70% от номинальной нагрузки [15].

Для турбин ГТД-110 производства НПО «САТУРН» значение температуры газов за ГТ определено заводом-изготовителем на уровне 517^оС [3]. Контролируемая величина этой температуры определяется как среднее значение, рассчитываемое программно-техническим комплексом (ПТК) ГТУ по 20-и датчикам, размещенных на выходе отработанных газов из ГТ. Количество точек измерения температуры соответствует количеству жаровых труб, расположенных в камере сгорания.

Поддержание контролируемого значения температуры газов за ГТ согласно инструкции по эксплуатации ГТД-110, работающей на КУ [3], производится путем автоматического изменения положения входного направляющего аппарата (ВНА), установленного перед первой ступенью компрессора. ВНА служит для управления расходом воздуха, необходимого для поддержания заданной температуры за ГТ [3]. Нагрузка ГТУ в диапазоне 100  60% от номинальной мощности и температура газов на выходе из ГТ регулируется путем изменения расхода воздуха через компрессор с помощью ВНА и расхода топлива регулирующим топливным клапаном (РКТ) при примерно постоянной температуре выхлопных газов ГТ. Этот диапазон нагрузок является наиболее экономичным, так как в нем незначительно изменяется КПД ГТУ.

Рис. 12. Принципиальная схема охлаждения воздуха компрессора ГТД-110: а) предлагаемое решение; б) существующее решение; 1 – бак замкнутого контура (ЗК); 2 – насос ЗК; 3 – теплообменник ЗК; 4 – ВзВТО; 5 – ВНА; 6 – компрессор ГТД; 7 – КС; 8 – ГТ; 9 – генератор; 10 – узел регулирования; 11 – воздухоуловитель; ц.в. – циркуляционная (охлаждающая) вода; РК – регулирующий клапан; М – исполнительный механизм; РТ – регулятор температуры; ДТ – датчик температуры; ДУ – дроссельное устройство

В излагаемой методике расчета процесса расширения газов в ГТ определение конечной точки процесса (рис.13, т. 4) производится итерационным приближениеи полученной в процессе расчета температуры к заданной на входе в КУ путем изменения избытка воздуха перед 1-й ступенью ГТ.

Рис. 13. Процессы в h,s-диаграмме расширения продукта сгорания топлива в ГТД и изменения давления в спрямляющем аппарате и выходном диффузоре ГТД: ПЧ ГТ – проточная часть газовой турбины; СА - спрямляющий аппарат; Диф. – диффузор, соединяющий выхлоп ГТД с КУ

4.1. Расчет параметров газа перед первой ступенью гтд

1. По таблицам [2] вычисляются удельные молярные изобарные теплоемкости, кДж/(кмоль∙К) компонентов продукта сгорания топлива перед первой ступенью ГТД:

C_pH2O, C_pRO2, C_pN2, C_pВ = f(t₃). (4.1)

2. По правилу смешения вычисляется молярная теплоемкость газообразного продукта сгорания топлива, кДж/(кмоль∙К):

C_{p 3} = r_H2O ∙ C_pH2O + r_RO2 ∙ C_pRO2 + r_N2 ∙ C_pN2 + r_B ∙ C_pВ . (4.2)

3. Для удобства дальнейших расчетов переведем молярную теплоемкость в массовую, кДж/(кг∙К)

c_{p 3} = C_{p 3} / _Г , (4.3)

а молярное теплосодержание – в массовое, кДж/кг

h₃ = H ₃ / _Г . (4.4)

4. Плотность газообразного продукта сгорания (смеси газов) топлива определим по уравнению Клапейрона-Менделеева, кг/м³:

p_СМ∙v_СМ = R_СМ∙T → ρ₃ = (p_{2В КС} ∙10²) / (R_Г ∙ T₃), (4.5)

где: p_{2В КС} – бар; R – кДж/(кг∙К); T – K.

5. По температуре газов перед ГТ (t₃), пользуясь таблицами [2], находим стандартные энтропии компонентов газовой смеси перед первой ступенью ГТ.

s⁰_{3 RO2} , s ⁰_{3 H2O} , s ⁰_{3 N2} , s ⁰_{3 В} = f(t₃); (4.6)

6. Базовая энтропия продукта сгорания (газовой смеси) на входе в ГТД, кДж/кг:

s⁰₃ = r_H2O ∙ s⁰_{3 H2O} + r_RO2∙ s⁰_{3 RO2} + r_N2 ∙ s⁰_{3 N2} + r_В ∙ s⁰_{3 В} . (4.7)

7. Давление газа (газообразный продукт сгорания топливной смеси) на входе в первую ступень ГТ, с учетом падения давления в жаровых трубах, будет несколько ниже, чем в камере сгорания:

p₃ = p_КС ∙ η^а_ЖТ , (4.8)

где: η^а_ЖТ = 0,778 – коэффициент аэродинамического сопротивления (аэродинамический КПД) жаровых труб камеры сгорания;

p_КС = p_{2В КС} – давление газов в камере сгорания, так как повышение температуры в камере сгорания происходит при постоянном давлении.

8. Учитывая, что p_КС = p_{2В КС} , изменение энтропии в камере сгорания можно определить по формуле:

∆s_2–3 = s₃ – s_{2 КС} = s⁰₃ – s⁰_{2В КС} – R ∙ ln(p₃ / p_{2В КС}) = s⁰₃ – s⁰_{2В КС} . (4.9)

9. Действительная энтропия газовой смеси на входе в ГТ:

s₃ = s₂ + ∆s_2–3 . (4.10)