Министерство образования и науки Российской Федерации Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н.Ельцина»

ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ СХЕМ ПРИВОДНЫХ ГАЗОТУРБИННЫХ УСТАНОВОК НА НОМИНАЛЬНЫЙ РЕЖИМ РАБОТЫ

Учебно-методическое пособие

Екатеринбург 2015

УДК

ББК

Авторы: Марковский В.М., Неволин А.М. Тепловой расчет схем приводных газотурбинных установок на номинальный режим работы: учебно-методическое пособие / В.М. Марковский, А.М. Неволин. – Екатеринбург: Издательство УрФУ, 2015. – 32 с.

Изложены вопросы расчета тепловых схем газотурбинных установок (ГТУ), используемых для привода нагнетателей природного газа, на номинальный режим работы. Предпочтение отдано тем схемам ГТУ, которые используются на компрессорных станциях ОАО "Газпром".

Учебное пособие предназначено для слушателей системы подготовки, переподготовки и повышения квалификации специалистов газотранспортных предприятий, а также для студентов старших курсов, обучающихся по энергетическим и энергомашиностроительным направлениям.

Библиогр.: 5 назв. Табл. 3. Рис. 5. Прил. 2.

JSBN © Уральский федеральный

Университет, 2015

Оглавление

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ, ИНДЕКСЫ 4

1. ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ ДЛЯ РАСЧЕТА. ЦЕЛЬ И ПОРЯДОК РАСЧЕТА 5

2. ВЫБОР И РАСЧЕТ ТЕПЛОВОЙ СХЕМЫ ГТУ ИЛИ ГТД С ЗАДАННЫМИ КОЭФФИЦИЕНТАМИ 7

2.1. Расчет работы сжатия и расширения 8

2.2. Вспомогательные коэффициенты для расчета тепловой схемы и последовательность расчета 10

2.3. Пример теплового расчета схемы с заданными коэффициентами 11

2.3.1. Пример теплового расчета схемы двухвальной ГТУ открытого цикла с регенерацией теплоты уходящих газов 11

2.3.2. Пример теплового расчета схемы трехвальной ГТУ простого открытого цикла 17

3. уточненный расчет тепловой схемы на номинальный режим 22

3.1. Порядок проведения уточненного расчета 22

3.2. Примеры выполнения уточненного расчета тепловой схемы и определения выходных параметров ГТУ 24

3.2.1. Уточненный расчет тепловой схемы двухвальной ГТУ с регенерацией теплоты уходящих газов 24

3.2.2. Пример уточненного теплового расчета трехвальной схемы на номинальный режим 28

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 30

Приложение 1 31

Приложение 2 33

Условные обозначения, индексы

Условные обозначения

, – удельная теплоемкость

– расход

– теплоперепад турбины, напор компрессора

– энтальпия

– показатель адиабаты

– единичная мощность агрегата, эффективная мощность

– давление

– степень регенерации

– температура

– удельное количество теплоты

– коэффициент избытка воздуха

– коэффициент гидравлических потерь

– степень расширения

– КПД

– поправка на расход

– относительный расход

Индексы

в – воздух

вх – вход

ух – уходящие газы

г – газ (продукты сгорания)

к – компрессор

кс – камера сгорания

мех – механический

охл – охлаждения

р – регенератор

т – турбина

топ – топливо

ут – утечки

1. Исходные данные для расчета. Цель и порядок расчета

В газовой промышленности для привода центробежных нагнетателей природного газа получили большое распространение стационарные ГТУ со свободной силовой турбиной, выполняемые по простому или регенеративному открытому циклу, и транспортные газотурбинные двигатели (ГТД) простого открытого цикла. Принципиальные схемы таких ГТУ и ГТД представлены на рис. 1.1.

Рис. 1.1. Принципиальные схемы распространенных ГТУ:

а – однокомпрессорная двухвальная простого цикла; б – однокомпрессорная двухвальная с регенерацией теплоты уходящих газов; в – двухкомпрессорная трехвальная простого цикла;

К – компрессор; Т – турбина; Н – нагрузка; КС – камера сгорания; Р – регенератор; Т₁, Т₂, Т₃ – турбины высокго давления, низкого давления и свободна силовая соответственно; К₁, К₂ – компрессоры низкого и высокого давления соответственно,;

Общей особенностью ГТУ, применяемых для привода нагнетателей, насосов и других механизмов, является наличие свободной силовой турбины, имеющей только газодинамическую связь с газогенератором ГТУ.

По схеме рис. 1.1,а выполняют ГТУ и ГТД с умеренным отношением давлений в цикле, обеспечиваемым одним многоступенчатым компрессором.

По схеме рис. 1.1,б выполняют приводные ГТУ только стационарного типа, в которых повышение экономичности достигается за счет регенерации теплоты отходящих газов при невысоком отношении давлений в цикле.

Схему рис 1.1,в используют в ГТУ и ГТД для обеспечения высокого отношения давлений в цикле, которое обычно сочетается с повышенной температурой газа перед турбиной.

При расчете тепловой схемы ГТУ обычно известны:

- схема ГТУ;

- единичная мощность агрегата;

- степень регенерации для схемы рис. 1.1 ,б;

- температура продуктов сгорания на входе в турбину;

- ожидаемое гидравлическое сопротивление по тракту;

- расчетные давление и температура атмосферного воздуха , ,

- особенности топливного газа.

Указанные параметры и схема ГТУ на практике выбираются по комплексу соображений, включая технологические возможности для изготовления узлов установки, доступность материалов, достижимые значения КПД компрессора и турбины, качество топлива, и на основе технико-экономических расчетов. Для учебных целей перечисленные величины обычно задаются.

Основной задачей начального этапа расчета является определение оптимального соотношения давлений в цикле , обеспечивающего либо максимальную экономичность ГТУ, либо минимальный расход воздуха, то есть минимальные габаритные размеры и стоимость ГТУ.

Достоверные результаты расчета можно получить, только учитывая зависимость теплоемкости рабочего тела от температуры и изменение его химического состава вследствие сжигания топлива. Однако с учетом пологого характера зависимостей и при выборе расчетного обычно принимают постоянные значения теплоемкости для процессов сжатия в компрессоре, подвода теплоты к воздуху в регенераторе и в камере сгорания и для расширения в турбине.

После выбора производят уточненный расчет номинального режима работы, учитывая истинные значения теплоемкости, и определяют расход рабочего тела, исходя из заданной мощности. При дальнейшем проектировании выбирают частоту вращения турбомашин. Обоснованный выбор последней также является сложной технико-экономической задачей и производится с учетом многих факторов.