3.2 Определение оптимальной степени регенерации и скоростей движения теплоносителей

Оптимальной называется степень регенерации, при которой достигается максимальная эффективность ГТУ (максимальное значение η_е) при F_уд = const, где F_уд – удельная поверхность теплообмена.

Для определения оптимальной степени регенерации удобно использовать представленную графически зависимость эффективного К.П.Д. ГТУ от степени регенерации при постоянной удельной поверхности теплообмена

При уменьшении R К.П.Д. понижается. Это происходит вследствие уменьшения степени утилизации теплоты выхлопных газов. А при увеличении R К.П.Д. понижается вследствие увеличения суммарного сопротивления теплообменного аппарата с неизменной величиной F_уд .

Скорости движения теплоносителей в регенераторе ГТУ в значительной степени влияют на величину относительных потерь давления в нем σ_Р . Из курса теплотехники известно, что при изменении скоростей движения теплоносителей для получения максимального К.П.Д. регенератора необходимо изменять его геометрические параметры.

3.3. Расчет относительной экономии топливного газа и критериев безубыточности регенераторных схем

Предварительная оценка возможности экономии топлива в ус­тановках ГТУ с регенерацией теплоты сравнительно с ГТУ без регенерации теплоты может быть осуществлена на базе следующе­го анализа:

Экономия топлива от регенеративного использования теплоты, (при той же эффективной мощности двигателя):

, (3.14)

где G_T и G_T1 – соответственно расход топлива до введения регенерации и после введения регенерации теплоты; η_е и η_е1 – кпд газотурбинного двигателя без регенерации и с регенерацией теплоты;

, (3.15)

где – теплота сгорания топлива; Q₁ – теплота, подведенная в цикле ГТУ, – сумма теплоты топлива и регенеративного слагаемого Q_P .

(3.16)

Сравниваем (3.14) и (3.15):

(3.17)

Следовательно,

(3.18)

В выражениях (3.16), (3.16) и (3.17) температура продуктов сгорания пе­ред турбиной – T₃^*, после турбины – T₄^*; температура воздуха пе­ред регенератором – T₂^*, после регенератора – T_R^*; r – степень регенерации теплоты.

Мощность газотурбинного двигателя N_e равна разности мощнос­тей собственно турбины N_еТ и компрессора N_eК:

(3.19)

(3.20)

где λ — соотношение мощностей компрессора N_eК и газовой турби­ны N_eТ газотурбинной установки.

Коэффициент полезного действия газотурбинного двигателя без регенерации теплоты:

(3.21)

Заменяем из (3.18)

(3.22)

Из (20) и (28) выражение для экономии топлива в результате шведения регенерации теплоты:

(3.23)

(3.24)

При условии, что соот­ношение граничных давлений цикла и соотношение мощностей λ в регенеративных и нерегенеративных ГТУ сохраняется неизмен­ным, в современных двигателях можно получить экономию топлива до 30%.

Опыт использования газотурбинных установок на газопроводах зарубежных стран показывает, что на КС одинаково широко ис­пользуются как регенеративные, так и безрегенеративные ГТУ в зависимости от условий эксплуатации.

В общем случае целесообразность использования регенерации теплоты отходящих газов в газотурбинных установках определя­ется стоимостью топлива, стоимостью и сроком службы регенерато­ра и соответствующих обустройств, включая стоимость его достав­ки и монтажа на КС.

При наличии регенеративных и безрегенеративных ГТУ и реше­нии вопроса о расстановке этих агрегатов по трассе газопровода предпочтение в большинстве случаев следует отдать регенератив­ной газотурбинной установке, так как повышение экономичности ГТУ за счет регенерации теплоты в настоящее время является наи­более простым сравнительно с другими методами.

Вместе с тем следует отметить, что в ряде конкретных случаев (например, в условиях Крайнего Севера) из-за трудностей достав­ки громоздких блоков на КС в целях сокращения сроков строи­тельства КС может оказаться целесообразным поставка и эксплуа­тация безрегенеративных ГТУ. При этом не исключается создание ГТУ, допускающих возможность работы агрегатов как с регенера­цией, так и без регенерации теплоты отходящих газов.

Безубыточность установки регенератора в ГТУ определяется следующим условием:

(3.25)

где R₁ — цена топлива, руб./кг;

G_T - G_T1 – экономия топлива в единицу времени в результате использования регенератора, кг/ч;

τ – время работы ГТУ в году, ч;

Е – годовые отчисления на погашение стоимости реге­нератора и соответствующих обустройств в долях их полной стоимости R₂H_φ, включая расходы, свя­занные с ремонтом регенератора;

R₂ – приведенная стоимость единицы поверхности реге­нератора и соответствующих обустройств, руб./м²;

F – поверхность регенератора, м²;

R₃ – стоимость доставки и монтажа удельной поверхнос­ти регенератора на КС.

Общее снижение часового расхода топлива G_T - G_T1 в результа­те использования регенерации теплоты в зависимости от мощности N_e и кпд η_e установки составляет

(3.26)

(3.27)

где – кпд газотурбинной установки без регенерации теплоты,

– кпд ГТУ с регенерацией теплоты отходящих газов.

Сопоставляя соотношения (3.25), (3.26) и (3.27), приходим к следующему критерию безубыточности применения регенерации в ГТУ:

(3.28)

Совершенно очевидно, что регенеративное использование тепло­ты может быть оправдано лишь в условиях, если левая часть ра­венства (3.28) меньше правой его части:

(3.29)

Левая часть неравенства содержит только технико-экономичес­кие величины, правая определяется в зависимости от основных тер­модинамических параметров рабочего процесса ГТУ.

Контрольные вопросы.

1. Каково основное назначение регенераторов ГТУ?

2. С какой целью проводится тепловой расчет ГТУ?

3. Перечислите основные геометрические характеристики регенераторов ГТУ?

4. Какой процент экономии топлива позволяет получить регенератор?

5. Чем определяется безубыточность использования регенераторов в ГТУ?

4. КАМЕРЫ СГОРАНИЯ

ГАЗОТУРБИННЫХ УСТАНОВОК

4.1. Топлива для газотурбинных установок

и их характеристики

Топливом называют вещества, способные в процессе химиче­ских превращений (горения) выделять определенное количество тепловой энергии.

Основными горючими элементами топлива являются углерод и водород. Эти элементы в топливе не в свободном состоянии, а в виде различных соединений углерода с водородом, кислородом, азотом, серой и другими элементами.

Сжигание газообразного топлива в камерах сгорания ГТУ осу­ществляется более просто и качественно, чем жидкого и твердо­го. Природные горючие газы представляют собой в основном сме­си различных углеводородов. Содержание метана доходит до 90%, что определяет высокое значение выделяемого при сжигании теп­ла.

Наряду с природным газообразным топливом широко применя­ется искусственное газообразное топливо, получаемое в газогенераторах, исходным топливом которых служит, как правило, уголь, а в качества окислителя используется воздушное, паро­вое или паровоздушное дутье. Получаемый в процессе газифика­ции газ по своим свойствам уступает природному.

Важнейшими характеристиками топлив с точки зрения исполь­зования их в ГТУ являются: состав топлива, теплота сгорания и характер изменения состава топлива в процессе сгорания.

Элементным составом характеризуется содержание в процентах по весу основных компонентов топлива: углерода С, водорода Н, кислорода O, азота N, серы S, минеральных включений А (зольность) и влаги W. Все виды топлива имеют один и тот же элементарный состав:

C + H + O + N + S + A + W =100%.

Элементный состав позволяет провести расчет необходи­мых данных для использования топлива в камерах сгорания (КС), таких как количество участвующих в горении веществ, со­став продуктов сгорания.

Важнейшей характеристикой топлива является теплота сгора­ния. Теплотой сгорания называется количество тепла, выделяюще­гося при полном сгорании единицы массы топлива. Теплота сгора­ния определяет удельный расход топлива установкой. Различают высшую Q_В и низшую Q_H теплоту сгорания. Низшая теплота сгорания не учитывает тепло, затрачиваемое на конденсацию паров во­ды. Разница между высшей и низшей теплотой сгорания может до­стигать 5 – 10 %.

Теплота сгорания зависит от элементного состава топлива. Высокая теплота сгорания жидких и газообразных топлив объясняется высоким содержанием в них водорода, углерода и малой золь­ностью. Входящие в состав топлива кислород, азот, вода и зола снижают теплоту сгорания.

В качестве характеристики топлива используется низшая тепло­та сгорания , которая характеризуется рабочей массой топли­ва:

C^P + H^P + O^P + N^P+ S ^P+ A^P + W^P =100%.

Зная элементный состав топлива, по Формуле Менделеева можно определить теплоту сгорания:

,кДж/кг (4.1)

Доя сжигания 1 кг топлива заданного состава потребуется кислорода в количестве

L_O2 = 0,0266C^P + 0,8H^P + 0,01S ^P – 0,01O^P , кг/кг (4,2)

Так как в воздухе содержится азот, то количество возду­ха, необходимое для окисления 1 кг топлива, так называемое стехиометрическое количество, определится по формуле

L_O = 0,1149C^P + 0,3448H^P + 0,0431(S ^P – O^P ), кг/кг (4.3)

В объемных единицах это количество воздуха выразится, как

, м³ /кг (4.4)

Обычно для сгорания топлива подают большее количество воздуха, чем теоретически необходимое. Отношение L/ L_O = α называется коэффициентом избытка воздуха.

Теоретическое количество образующихся продуктов сгора­ния на I кг топлива определится по формуле:

для трехатомных газов

G_RO2 = 0,0371(C^P + 0,375 S ^P ), кг/кг (4.5)

водяных паров

G_H2O = 0,09H^P + 0,01W^P + 0,0161L_O , кг/кг (4.6)

азота

G_N2 = N^P + 0,768L_O , кг/кг (4.7)

Суммарное количество газов равно

G_Г = G_RO2 + G_H2O + G_N2 , кг/кг (4.8)