Тепловой расчет основных параметров камеры сгорания гту

Тепловой расчет камеры сгорания предполагает определение необходимого расхода топлива В_гт, расчетного значения избытка воздуха и энтальпии газов на входе в ГТ. Эти величины связаны тепловым балансом камеры сгорания. Применительно к 1 кг сжигаемого топлива можно записать

,

где η_кс – КПД камеры сгорания (коэффициент полноты сгорания топлива), который обычно составляет η_кс = 0,96 ÷ 0,99. Принимаем η_кс = 0,99.

Энтальпию газов на входе в газовую турбину находим, пользуясь таблицами [6], при величине t_нг = 1170 °С, а также по значениям параметра состава газа за ГТУ β_г и молекулярной массы продуктов сгорания за ГТУ μ_г. В общем случае величины β_г и μ_г рассчитываются в зависимости от состава топлива и избытка воздуха соответственно по формулам приложения А.

В рассматриваемом режиме принимаем температуру поступающего в КС природного газа (возможен его предварительный подогрев) t_пр.г = 5 °С (С_пр.г = 2,18 кДж/(кг·К), приложение Б). Тогда энтальпия 1 кг сжигаемого природного газа равна: h_топл = t_пр.г · С_пр.= 5 · 2,18 = 10,898 кДж.

Решение уравнения теплового баланса камеры сгорания выполняем, одновременно оценивая избыток воздуха α_кс и энтальпию газов h_нт.

Коэффициент избытка воздуха в камере сгорания определяем графически (рис. 2.3): прямая 1 соответствует энтальпии воздуха, найденной в конце расчета показателей осевого компрессора: h_кк = 342,5 кДж. Задаемся несколькими значениями величины α_кс и используя уравнение теплового баланса КС строим кривую 2 (табл. 2.3).

В процессе определены

β_г = 1,221; μ_г = 28,265; α_кс = 2,425; h_нт = 1383,5 кДж.

Расход топлива в камере сгорания ГТУ определяем из выражения теплового баланса КС

кг/с.

Относительный расход топлива

.

Рис. 2.3. Графическое определение коэффициента избытка воздуха в КС ГТУ:

1 – прямая, соответствующая значению h_кк, определенному при расчете показателей осевого компрессора; 2 – кривая, полученная при расчете уравнения теплового баланса камеры сгорания ГТУ

Таблица 2.3

Определение коэффициента избытка воздуха в камере сгорания ГТУ

αкс,	2,1	2,2	2,3	2,4	2,5	2,6
hнт, кДж	1394,8	1390,9	1387,1	1384,2	1381,2	1379
hкк, кДж	193,204	243,815	289,789	332,573	371,532	408,114

Определение основных параметров рабочего тела в газовой турбине

Схема проточной части газовой турбины и процесс расширения газов в координатах h, s – диаграммы представлены на рис. 2.4. Проточная часть современной газовой турбины обычно состоит из 3 - 5 ступеней. При уменьшении их количества облегчается осуществление системы охлаждения горячих деталей, но возрастает нагрузка на каждую из ступеней. Расход газов на входе G_нт и их начальное давление Р_нт – величины переменные и зависят от режима работы ГТУ. Начальную температуру газов Т_нт в определенных пределах нагрузки поддерживают постоянной за счет соответствующей подачи топлива топливными регулирующими клапанами. Необходимо оговаривать условия ее определения и место, где она фиксирована. По ISO – это температура потока газов перед рабочей решеткой первой ступени лопаток при Р_нв = 0,1013 МПа, Т_нв = 288 К, d_нв = 60 %.

Рис. 2.4. Схема проточной части газовой турбины (а) и процесс расширения газов в h,s – диаграмме (б):

1-1 – сечение входа в конфузорный патрубок ГТ(НТ); О-О – сечение входа в сопловой аппарат первой ступени ГТ; Z-Z – сечение выхода газов из последней ступени; Д-Д – сечение выхода газов диффузора ГТ

На данном этапе расчета тепловой схемы энергетической ГТУ определяем параметры рабочего тела на входе и выходе газовой турбины, которые необходимы при расчете различных вариантов тепловых схем парогазовых установок электростанций, а также расчетах по котлу-утилизатору, газоводяным теплообменникам и другим элементах ПГУ.

1. Потери давления газов в тракте «компрессор – камера сгорания – вход в газовую турбину»

МПа .

2. Давление газов на входе в газовую турбину

МПа .

3. Расход газов на входе в газовую турбину

кг/с .

4. Коэффициент сопротивления выхлопа газов за ГТУ при ее работе в автономном режиме (сброс газов за диффузором в атмосферу) обычно составляет ξ_вых = 0,03 - 0,05. Применительно к ГТЭ-115-1170 (заводские данные) ξ_вых = 0,0365.

5. Давление газов за ГТУ

МПа .

6. Степень расширения газов в проточной части ГТ

МПа .

Параметры торможения газового потока, (рис. 2.4) рассчитываются по формулам

КПД проточной части ГТ, (рис. 2.4) рассчитываются по формуле

Поток рабочего тела через проточную часть ГТ можно условно разделить на две составляющие, которые объединяются в итоге в один суммарный расход газов. Первая из составляющих – это газы, которые с начальной температурой Т_нг расширяются в проточной части до температуры на выхлопе Т_кт. Вторая – это охлажденный воздух, который подается в турбину из проточной части компрессора, затем сбрасывается в поток газов и условно охлаждается до Т_кв. В итоге смешение этих составляющих приводит к образованию суммарного расхода рабочего тела с температурой Т_см.

Ниже приведено определение этих температур.

7. Газовая постоянная [5]:

а) газовая постоянная чистых продуктов сгорания (ЧПС)

где ; ; ; ; ; .

б) долю воздуха в потоке газов ГТ определяем отношением количества воздуха, не участвующего в процессе горения, к сумме 1 кг топлива и общего количества воздуха, поступающего в камеру сгорания ГТУ

;

в) газовая постоянная рабочего тела в ГТ

8. Определение среднеарифметической величины теплоемкости.

В первом приближении принимаем Т = Т_кт = 810,95 К.

Среднеинтегральная теплоемкость для различных компонентов продуктов сгорания и воздуха [5, табл. 1].

Среднеинтегральная теплоемкость чистых продуктов сгорания

Среднеинтегральная теплоемкость газов (с учетом избытка воздуха)

Среднеарифметическая величина теплоемкости газов в интервале температур Т_нт - Т_кт

9. Температура газов за газовой турбиной без учета влияния охлаждающего воздуха

К.

Для современных энергетических ГТУ значения КПД проточной части газовой турбины находятся в пределах η_гт = 0,9 - 0,94. В рассматриваемом режиме принимаем КПД проточной части ГТ, пользуясь заводскими данными: η_гт = 0,9083.

10. Определение теплоемкости смеси газов и охлаждающего воздуха на выхлопе ГТ.

В соответствии с рекомендациями [8] значение температуры охлаждающего воздуха в конце проточной части ГТ принимается в пределах Т_к.в = (0,80÷ 0,82)Т_кт. В данном случае принято Т_к.в = 0,82·Т_кт = 664,98 К, среднеинтегральная теплоемкость воздуха при этой температуре С_{p.h в} = 1,066 кДж/(кг·К).

Теплоемкость смеси газов и охлаждающего воздуха на выхлопе ГТ определяем из уравнения смешения потоков газов

11. Определение температуры смеси газов и охлаждающего воздуха на выхлопе ГТ.

Температуру смеси газов и охлаждающего воздуха на выхлопе ГТ определяем из уравнения смешения потоков газов

12. Избыток воздуха в смеси газов за газовой турбиной

.

13. Содержание окислителя в смеси за ГТ

14. Определение внутренней мощности газовой турбины.

Внутренняя мощность газовой турбины определяется на основе последовательного газодинамического расчета ступеней ее проточной части с использованием соответствующих методик. Фирмы и организации производители ГТУ пользуются собственными методиками, в которых учтены конструктивные особенности установки, материал лопаток и технология их изготовления, система охлаждения и пр. В указанном примере расчета внутренняя мощность газовой турбины определена с использованием метода, предложенного заводом-изготовителем турбины ГТЭ-115-1170

где индексом «о» обозначены параметры базового режима:

Р_о.кт = 0,105 МПа, Р_о.нт = 1,1994 МПа, R_г.о = 0,292 кДж/(кг·К), = = 1,185 кДж/(кг·К). Внутренняя мощность ГТ в базовом режиме N_{oi гт} = = 253 886 кВт.