Теоретические основы теплотехники

5.2. Расчет цикла ГТУ. Газотурбинная установка работает с изобарным подводом теплоты. Параметры окружающей среды, поступающей на компрессор: температура T1=15 °С; давление P1=0,098 МПа. Параметры рабочего тела за газовой турбиной: температура T4д =550° С; расход G=127 кг/с. Степень повышения давления β=19.

Мощность на валу ГТУ Nгту=47 МВт. Рабочие тело – воздух. Сжатие и расширение рабочего тела происходит необратимо. Относительный внутренний КПД компрессора ηкoi = 0,81, турбины ηoiт = 0,86 . КПД генератора 97,5%; редукторной передачи 99%. Низшая теплотворная способность топлива – 33,4 МДж/м3.

Определить

1)Количество теплоты подводимое и отводимое от ГТУ

2)Электрический КПД газотурбинной установки;

3)Расход топлива

4)Термодинамические параметры (температура; давление; удельный объем) всех

точек цикла. Решение

Цикл данной газотурбинной установки изображен на рис. 1. 1. Расчет количества теплоты, отводимого от ГТУ (q2)

Где ср=1,088 кДж/(кг·°С) из [1].

2.Расчет количества теплоты, подводимого к ГТУ (q1)

введен промежуточный перегрев пара при давлении р’=19 бар до температуры t’=450°C. Найти ηt цикла с промежуточным перегревом и сравнить его с ηt цикла Ренкина до введения промежуточного перегрева пара, а также определить КПД цикла и удельный расход пара, если для подогрева питательной воды из турбины отбирался пар до введения промежуточного перегрева при давлении ротб = 3 МПа. Оценить влияние промежуточного перегрева на конечную степень сухости пара в процессе расширения, а также эффективность использования регенеративного подогрева в цикле с отбором пара. Процессы расширения в турбине изобразить в h-s – диаграмме.

Решение:

КПД цикла со вторичным перегревом пара можно определить по формуле:

ηt = (h1 − ha′) + (hb − h2 ) ,

(h1 −h2 ) +(hb −ha )

По h-s – диаграмме для начальных параметров р1 = 14 МПа и t1 = 550 °С находим энтальпию:

h1 = 3461 кДж/кг.

Процесс расширения адиабатный, поэтому опускаемся вертикально вниз до пересечения с изобарой р’ = 19 бар и находим энтальпию в точке a:

ha = 2901 кДж/кг.

Далее по изобаре р’ = 19 бар поднимаемся до пересечения с изотермой t’= 450 °C и получаем энтальпию в точке b:

hb = 3359 кДж/кг.

Затем по адиабате опускаемся до пересечения с изобарой р2 = 18 кПа и находим энтальпию в точке 2:

h2 = 2396 кДж/кг.

Энтальпия h2′ = 241,95 кДж/кг (по таблицам воды и водяного пара).

Тогда термический КПД цикла Ренкина с промежуточным перегревом:

Конечная степень сухости:

x2 = h2′′− h2′′ , h2 − h2

где h2′ = 241,95 кДж/кг, h2′′ = 2605 кДж/кг. Получаем:

288

x2 = 2396 −241,95 = 0,911. 2605 − 241,95

Для цикла Ренкина до введения промежуточного перегрева пара:

ηt = h1 − h2'′ , h1 − h2'

где h2’ находим, опускаясь по адиабате из точки 1 до пересечения с изобарой p2=18 кПа. Получаем h2’=2149 кДж/кг. Тогда:

ηt = 3461− 2149 = 0,407. 3461−241,95

Рисунок 5.1- Фрагмент h,s- диаграммы

Термический КПД паросиловой установки с регенеративным теплообменником будет определяться следующим образом:

Значения энтальпий h1 и h2 = h2′кДж/кг берем из решения задачи выше: h1 = 3461 кДж/кг, h2 = 2149 кДж/кг.

Затем, используя h-s – диаграмму, опускаясь из точки 1 до пересечения с изобарой ротб, находим энтальпию в точке 21: hотб = 3008 кДж/кг.

Количество отобранного пара:

289

α = hотб′ − h2′ hотб −h2′

Удельный расход пара в регенеративном цикле:

Примечание. Промежуточный перегрев позволяет повысить степень сухости пара, что приводит к увеличению КПД паротурбинной установки и повышению долговечности лопаток турбины, так как чем больше степень сухости пара, тем меньше коррозии на лопатках турбины. Регенеративный цикл является эффективным способом повышения КПД паротурбинных установок.

5.4. Расчеты сужающегося сопла и сопла Лаваля. Определить теоретическую скорость истечения водяного пара из сужающегося сопла (ω'2) и из сопла Лаваля (ω''2) в среду с давлением p2=0,1 МПа, если абсолютное давление пара на входе в сопло р1 = 3 МПа, температура пара на входе в сопло t1 = 480 °С. Сделать выводы по эффективности использования сопла Лаваля. Также определить действительную скорость истечения пара из сопла Лаваля (ω''2д) и определить его основные размеры (при действительном истечении), если расход пара M = 18 кг/с, скоростной коэффициент сопла 0,95, а угол конусности расширяющейся части сопла 10°. Действительный процесс изобразить в масштабе. Задачу решить с помощью таблиц водяного пара и/или h-s – диаграммы.

определить по формуле:

ω2′ = 2(h1 − hкр ) .

290

pкр = 0,546 p1 = 0,546 3 =1,638 МПа.

ω2′ = 2(3412 −3220) 103 = 619,68 м/c.

Скорость ω2′ равна скорости истечения в минимальном сечении сопла Лаваля. Скорость истечения на выходе из сопла Лаваля определяется по формуле:

ω2′′ = 2(h1 −h2 ) , где h2 - энтальпия пара в точке 2.

Чтобы найти энтальпию h2 из точки 1 опускаемся по адиабате до пересечения с изобарой

p2=0,1 МПа. Получаем: h2 = 2607 кДж/кг.

Значит:

ω2′′ = 2(3412 − 2607) 103 =1268,86 м/с.

Сопло Лаваля позволяет повысить скорость истечения пара в 2,05 раза.

Теперь рассчитаем сопло Лаваля при действительном истечении пара. Действительную скорость истечения на выходе из сопла Лаваля можем найти по формуле:

ω2′′д =ϕ ω2′′, где φ – скоростной коэффициент сопла Лаваля.

ω2′′д = 0,95 1268,86 =1205,42 м/с.

Коэффициент потери энергии в сопле:

ξ =1−ϕ2 =1−0,952 = 0,0975

Тогда, т.к. ξ = h2д − h2 , то энтальпия пара в конце действительного процесса истечения

h1 − h2

h2д равна:

h2д =ξ (i1 −i2 )+i2 = 0,0975(3412 −2607)+ 2607 = 2686,5 кДж/кг.

Зная энтальпию h2д и давление среды p2=0,1 Мпа, используя h-s – диаграмму, можем определить удельный объем пара ν2д =1,718 м3/ кг.

291

Действительную скорость истечения в критическом сечении сопла Лаваля можем найти по формуле:

ωкр′′ =ϕ ω2′ = 0,95 619,68 = 588,7 м/с.

Минимальное сечение можем найти по формуле:

fmin = Mωνкр′′кр.д ,

где νкр.д – удельный объем пара при давлении pкр =1,638 МПа. Определяем по h-s –

диаграмме (действительный процесс): νкр.д = 0,18 м3/ кг.

fmin = M ν′′кр.д = 18 0,18 = 55,04 10−4 м2 = 55,04 см2. ωкр 588,7

Теперь можем определить диаметр, он равен:

а диаметр:

см.

292

Рисунок 5.2- Фрагмент h,s- диаграммы

Примечание. Сопло Лаваля позволяет значительно увеличить скорость истечения пара по сравнению с сужающимся соплом, даже при учете реального режима истечения пара.

Литература

Основная

5.Кириллин, В.А. Техническая термодинамика: [учебник для теплоэнергетических специальностей вузов] / Кириллин В.А., Сычев В.В.,Шейндлин А.Е.. - 4-е изд.- Москва: Энергоатомиздат, 1983. - 416 с. : ил.

6.Хрусталев, Б.М. Техническая термодинамика: [учебник для строительных и энергетических специальностей вузов]: в 2 ч./ Б.М. Хрусталев, А.П. Несенчук, В.Н. Романюк.- Минск: Технопринт, 2004 - Ч.1./ Б.М. Хрусталев. – 2004 . – 486 с. : ил.

7.Есьман, Р. И. Термодинамика, теплопередача и двигатели внутреннего сгорания : [учебное пособие для студентов вузов] / Р.И. Есьман, В.М. Железко, В.М. Адамов.

– Минск: Вышэйшая школа, 1985. – 271 с.: ил.

Дополнительная

8.Сборник задач по технической термодинамике: [учебное пособие для теплоэнергетических специальностей вузов] / Андрианова Т.Н., Дзампов Б.В., Зубарев В.Н., Ремизов С.А., Филатов Н.Я. - 5-е изд., перераб. и доп. - Москва: Издательский дом МЭИ, 2006. - 356 с. : ил.

9.Александров А.А., Григорьев Б.А. Таблицы теплофизических свойств воды и водяного пара. – 2-е изд. – М.: Издательский дом МЭИ, 2006. – 168 с.; ил.

6.Есьман Р. И., Волкова Н. Е. Термодинамика и теплопередача.

Методическое пособие – Мн.: БПИ, 1980. – 47 с.

7. Андрющенко А.И. Основы термодинамики циклов теплоэнергетических установок : [учебное пособие для теплоэнергетических специальностей вузов] / Андрющенко А.И. . - Изд. 3-е, перераб. и доп.- Москва: Высшая школа, 1985. - 319 с. : ил.

8.Есьман Р. И., Волкова Н. Е. Термодинамика и теплопередача: методические указания и контрольные задания. –Мн.: БПИ, 1985. – 34 с.

9.Есьман Р. И. Техническая термодинамика / Есьман Р. И., Ярмольчик Ю.П., Ярмольчик М.А. – Минск: БНТУ, 2008. – 24 с.

10.Ривкин С.Л. Термодинамические свойства воды и водяного пара: справочник / Ривкин С.Л., Александров А.А. . - 2-е изд., перераб. и доп.. - Москва : Энергоатомиздат, 1984. - 80 с. : ил. ; прил.

11.Термодинамика. Терминология. - вып.103. – М.: Наука, 1984. – 39 с.

12.Электронный справочник «ENEKcalc».

13. Газотурбинные и парогазовые установки тепловых электростанций: учебн. пособие для вузов / под редакцией С. В. Цанева – М.: Изд-во МЭИ, 2002.

14.Есьман, Р.И. Проектирование, монтаж и эксплуатация теплоэнергетического оборудования. Методическое пособие / Есьман Р.И., Чернышевич В.И.- Мн.: ГАЗ-

институт, 2008.- 31 с.

293

ПРИЛОЖЕНИЕ

Т а б л и ц а П 1

Физические параметры воды на линии насыщения

Т а б л и ц а П

2

Физические параметры некоторых газов

294

Т а б л и ц а П 3

Вода и перегретый водяной пар (зависимость h - S)

295