Турбина полезной мощности

1. Эксергия, подведенная к турбине газом:

G_гτ(e₁₁-e₁₂) = 27,952·3600·(57,38-29,84) = 2771 Мкал.

2. Полезная работа, полученная в турбине (на муфте):

G_гτ (i₁₁-i₁₂) = 27,952·3600· (129,48-103,24) = 2640 Мкал.

3. Соотношение этих величин дает термодинамический коэффици­ент турбины полезной мощности.

4. Энергетические характеристики на муфте и клеммах генерато­ра:

А·N_m = 860·3000 = 2580 Мкал; А·N_эл = 860·2860 = 2460 Мкал,

где часовой расход тепла соответствует мощности N_m = 3000 кВт, N_эл = 2860 кВт.

С помощью этих данных определяем остальные потери в турбоге­нераторе и КПД.

Таблица 5.16.

Эксергетический баланс турбогенератора

Составляющие баланса	Полученная эксергия	Отданная эксергия	Потери эксергии	ηт
Турбина полезной мощности Соединительная муфта Генератор	2771 2640 2580	2640 2580 2460	131 60 120	0,953 0,977 0,954
Турбогенератор в целом	2771	2460	311	0,888

Регенератор

Отходящие газы турбины полезной мощности отдают в регенерато­ре часть своего тепла сжатому воздуху, напрвляемому в камеру сго­рания, причем эксергия газа уменьшается, а эксергия воздуха воз­растает.

1. Уменьшение эксергии газов составит

G_гτ(e₁₂ - e₁₃) = 27,952·3600·(29,84 - 3,02) = 2699 Мкал.

2. Увеличение эксергии воздуха равно

G_вτ (e₆ - e₅) = 27·3600·(44,73 - 23,08) = 2104 Мкал.

Потери эксергии в регенераторе связаны с трением газов и не­обратимостью теплообмена, обусловленной конечной разностью темпе­ратур. Поскольку давления воздуха и газов на входе и выходе из­вестны, можно определить потери от трения в регенераторе для воздуха:

G_вτT₀(S(P₆,t₆) - S(P₅,t₅)) = 27·3600·273·(0,1247 - 0,1160) = 231 Мкал;

для газов:

G_гτT₀(S(P₁₃,t₁₃) - S(P₁₂,t₁₃)) = 27,952·3600·273·(0,1867 - 0,1821) = 126 Мкал.

Остальную часть эксергии потерь можно отнести за счет необратимого теплообмена. В баланс не включают потери эксергии с отходящими га­зами, так как их тепло еще можно использовать за регенератором.

Таблица 5.17.

Эксергетический баланс регенератора

Составляющие баланса	Полученная эксергия	Отданная эксергия	Потери эксергии	ηт
Теплообмен между воздухом и газами В том числе потери: от трения со стороны воздуха из-за конечной разности температур	2699	2104	595 231 126 238	0,78

Камера сгорания

1. Газ, входящий в камеру сгорания с давлением 6 ата и температурой 20°С, имеет эксергию: G_гτ(i_z - T₀S_r) = 0,952·3600· (8,128 - 273·0,1386) = 157 Мкал.

2. К этой величине следует прибавить максимальную работу про­цесса сгорания топлива: G_гτ(H_в - T₀ΔS). Максимальная работа может быть получена, если процесс горения обратим. Н_в - высшая теплот­ворная способность топлива, ΔS - изменение энтропии компонентов реакции горения на 1 кг сжигаемого газа. Для расчета необходимо знать значения абсолютной энтропии отдельных газов в системе отс­чета (P₀=1 ата, t=0°C). Эти данные берут из таблиц термодинамичес­ких величин. Необходимо также рассчитать состав продуктов сгора­ния, который при коэффициенте избытка воздуха =1,4 дает следующее содеpжание компонентов, об.д.: СO₂ - 0,119; O₂ - 0,050; N₂ - 0,693; H₂O - 0,38. В результате приращение энтропии ΔS компонентов реакции в состоянии P₀, t₀ равно МS=S_вых - S_вх= 9,346 - 10,529= -1,183 ккал/(кг·град). Тогда максимальная работа процесса сгорания будет равна

0,952·3600·(3100 - 273·1,183) = 9517 Мкал.

3. Эксергия подогретого воздуха, подаваемого в камеру сгора­ния:

G_вe₆= λL_минУ_гρe₆ = 3,82·3680·1,293·44,73 = 813 Мкал.

При составлении баланса считают, что избыток воздуха, предназна­ченный для снижения температуры продуктов сгорания, вводится по окончании процесса горения. Общий расход воздуха составляет 27·3600=97200 кг/ч. При этом непосредственно для горения использу­ется G_в,= λL_минУ_гρ = 3,82·3680·1,293=18176 кг/ч и для охлаждения: G"_в=97200 - 18176=79024 кг/ч.

4. Эксергия газа внутри камеры сграния изменится на величину G"_вe₆=79024·44,73=3535 Мкал, так как воздух входит в камеру сгора­ния с парамерами, отмеченными точкой 6. Смесь газов уходит из ка­меры сгорания с эксергией отметки 7: G_гτe₇ = 27,952·3600·106,72=10730 Мкал.

Эта величина меньше суммы эксергии, подводимой к камере сгорания, так как в этом случае происходят потери эксергии. Часть потерь обусловлена необратимостью процесса смешения:

Т₀[G_гτS₇ - (G"_вS₆ + G_сгор·S_cгop)] = 273·27,952·3600·0,2547 - (79024·0,1247+ 21603·0,4989)=1364 Мкал.

Здесь G_cгop - часовой расход продуктов сгорания за вычетом охлаждаю­щего воздуха, S_cгop - их удельная энтропия. За температуру сгорания принята теоретическая (адиабатная) t_cгop=1750°C. Вычисленные поте­ри не ограничиваются только необратимостью смешения, так как сюда накладываются еще потери от дросселирования газа в камеру (он пос­тупает с Р₀=6 ата, а выходящие газы имеют давление 4,7 ата). Раз­ность между суммарными потерями эксергии и найденной величиной 1364 Мкал следует отнести за счет необратимости горения.

Потери от трения в трубопроводах

Эти потери были учтены в отдельных элементах установки, поэ­тому следует еще учесть потери в коммуникациях 8-9 и 10-11. Для трубопровода 8-9:

G_гτT₀(S₉ - S₈) = 27,952·3600·273·(0,2605 - 0,2576) = 80 Мкал.

Для трубопровода 10-11:

G_гτT₀(S₁₁ - S₁₀) = 27,952·3600·273·(0,2643 - 0,2632) = 30 Мкал.

Таблица 5.18.

Эксергетический баланс камеры сгорания

Составляющие баланса	Подведенная эксергия	Отведенная эксергия	Потери эксергии
Воздух на сгорание Горючий газ физическая химическая Охлаждающий воздух Уходящие газы	813 154 9517 3535	10730	- - -
Общие потери: от смешения от необратимости горения			3292 1364 1928

Отходящие газы 1. Отходящие газы после регенератора имеют некоторую эксергию: Gгτe13 = 27,952·3600·3,02 = = 304 Мкал. Эксергетический баланс газотурбинной установки показан на рис. 5.10 и в табл.5.19. (Невязка баланса за счет округления результатов)

Рис. 5.10. Эксергетический баланс газотурбинной установки

Таблица 5.19.

Эксергетический баланс газотурбинной установки

Подведенная эксергия (приход) Воздух Охлаждающая вода Горючий газ: физическая химическая	-1019 25 157 9517	Отведенная эксергия (приход) Полезная работа Отходящие газы Потери: в воздушном фильтре в турбине и компрессоре н.д. в промежуточном холодильнике в турбине и компрессоре в.д. в турбине полезной мощности в регенераторе в камере сгорания в трубопроводах	2460 304 56 466 560 524 311 595 3292 110
Итого:	8680	Итого:	8678

Исходя из данных баланса термодинамических КПД газотурбинной уста­новки:

.