Преподаватели: Вульфов Е. Э.

Пояснительная записка

Марковский В. М.

Студент: Костюк А. А.

Группа: ЭН-350015

Екатеринбург, 2017

Содержание

Введение..................................................................................................... 3

1. Вариантные расчеты простого цикла ГТУ........................................... 4

2. Вариантные расчеты регенеративного цикла ГТУ.............................. 8

3. Уточненный расчет тепловой схемы ГТУ............................................. 13

Выводы по расчету схемы ГТУ................................................................ 20

4. Разработка и описание принципиальной тепловой схемы ПТУ.......... 22

5. Расчет и построение h,S-диаграммы процесса расширения пара в проточной части турбины...................................................................................................... 24

6. Определение параметров пара и воды в характерных точках ПТС... 28

7. Определение расходов пара и воды в относительных величинах (долевом выражении)................................................................................................ 35

8. Определение абсолютных расходов пара и воды................................ 38

9. Расчет показателей экономической эффективности паротурбинной установки 40

Выводы по расчету схемы ПТУ................................................................ 42

Список использованной литературы........................................................ 43

Приложение 1............................................................................................ 44

Приложение 2............................................................................................ 45

Введение

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 представлены на рисунках 1.1 и 2.1.

Основной задачей начального этапа расчета является определение оптимального соотношения давлений в цикле πк0, обеспечивающего либо максимальную экономичность ГТУ, либо минимальный расход воздуха, то есть минимальные габаритные размеры и стоимость ГТУ.

После выбора πк0 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.

Важным этапом проектирования паротурбинной установки является разработка и расчёт принципиальной тепловой схемы. Целью расчёта является определение технических характеристик ПТУ и входящего в него оборудования: расходов и параметров пара и воды в характерных точках схемы, обеспечивающих заданную величину мощности электрического генератора, приводимого проектируемой турбиной, а также показателей экономичности установки (КПД, удельные расходы теплоты и топлива).

В данной работе рассчитывается ПТС конденсационной ПТУ для тепловой электростанции. Упрощение схемы заключается в сокращении по уравнению с реальными современными турбинами числа ступеней регенеративного подогрева питательной воды (РППВ). Из ПТС исключены схемы протечек пара через концевые уплотнения цилиндров. Не включены в рассчитываемую схему расширители дренажей, испарители, бойлеры (теплофикационные теплообменники), деаэратор добавочной воды и ряд других элементов.

Вариантные расчеты простого цикла ГТУ

Рисунок 1.1. Принципиальная схема однокомпрессорной двухвальной ГТУ простого цикла; К – компрессор, ТВД, ТНД – турбина высокого, низкого давления, ССТ – свободная силовая турбина; Н - нагрузка; КС – камера сгорания

Тепловой расчет схемы двухвальной ГТУ простого открытого цикла с целью выбора π_ко:

1) Задаемся степенью повышения давления в компрессоре π_к=3. Расчет ведем по Т_Г=1100К.

2) Комплекс работы сжатия компрессором:

3) Удельная работа сжатия компрессора:

4) Температура воздуха за компрессором:

5) Суммарная степень расширения в турбинах:

6) Удельная работа расширения турбины компрессора (ТВД):

7) Температура продуктов сгорания за турбиной компрессора:

8) Степень расширения продуктов сгорания в турбине компрессора (ТВД):

9) Степень расширения продуктов сгорания в силовой турбине:

10) Удельная работа расширения силовой турбины (ТНД):

11) Удельная эффективная работа:

12) Температура продуктов сгорания за ССТ (ТНД):

13) Количество теплоты воздуха, поступающего в КС:

14) Количество теплоты, подведенное к продуктам сгорания в КС:

15) Эффективный КПД:

Дальнейшие расчеты аналогичны, и сведены в таблицу 1.1. при Т_Г1=1100К, и таблицу 1.2., при Т_Г2=1250К.

Результаты расчетов представлены на рисунке 1.2.

№ п/п

Величина

Обозначение

Расчетная формула

Размерность

Варианты

Примечание

Степень повышения давления в компрессоре

Преподаватели: Вульфов Е. Э. - student2.ru

Задаем

Комплекс работы сжатия компрессором

0,369

0,584

0,667

0,744

0,811

0,931

0,984

K=1,4

Таблица 1.1.

Удельная работа сжатия компрессора

кДж/кг

126,1

199,6

228,0

254,3

277,2

318,2

336,3

Температура воздуха за компрессором

415,9

488,6

516,7

542,8

565,5

606,0

624,0

Суммарная степень расширения в турбинах

2,85

4,75

5,7

6,65

7,6

9,5

10,45

Удельная работа расширения турбины компрессора (ТВД)

кДж/кг

137,1

216,6

247,9

301,4

365,7

Температура продуктов сгорания за турбиной компрессора

980,8

911,7

884,4

860,0

837,9

799,1

782,0

Степень расширения продуктов сгорания в турбине компрессора (ТВД)

1,70

2,39

2,76

3,15

3,57

4,48

4,98

K=1,33

Степень расширения продуктов сгорания в силовой турбине

1,68

1,99

2,07

2,11

2,13

2,12

2,10

Удельная работа расширения силовой турбины (ТНД)

кДж/кг

119,9

144,8

147,8

147,2

145,1

137,6

133,1

Удельная эффективная работа

кДж/кг

114,0

137,6

140,5

139,9

137,9

130,8

126,5

Температура продуктов сгорания за ССТ (ТНД)

881,7

792,0

762,2

738,3

718,0

685,4

672,0

Количество теплоты воздуха, поступающего в КС

кДж/кг

405,7

476,6

504,0

529,5

551,6

591,1

608,7

Количество теплоты, подведенное к продуктам сгорания в КС

кДж/кг

760,5

689,6

662,2

636,7

614,6

575,1

557,5

Эффективный КПД

0,15

0,200

0,212

0,220

0,224

0,227

0,226

№ п/п

Величина

Обозначение

Расчетная формула

Размерность

Варианты

Примечание

Степень повышения давления в компрессоре

Задаем

Таблица 1.2.

Комплекс работы сжатия компрессором

0,584

0,811

0,873

0,931

1,034

1,081

1,126

K= 1,4

Удельная работа сжатия компрессора

кДж/кг

199,6

277,2

298,4

318,2

353,4

369,4

384,8

Температура воздуха за компрессором

488,6

565,5

586,4

606,0

640,9

656,7

672,0

Суммарная степень расширения в турбинах

4,75

7,6

8,55

9,5

11,4

12,35

13,3

Удельная работа расширения турбины компрессора (ТВД)

кДж/кг

216,6

301,4

323,8

346,0

383,5

400,9

417,6

Температура продуктов сгорания за турбиной компрессора

1061,7

987,9

968,4

949,1

916,5

901,4

886,7

Степень расширения продуктов сгорания в турбине компрессора (ТВД)

2,13

3,00

3,29

3,62

4,29

4,65

5,03

K=1,33

Степень расширения продуктов сгорания в силовой турбине

2,23

2,53

2,60

2,62

2,66

2,64

Удельная работа расширения силовой турбины (ТНД)

кДж/кг

193,9

205,7

206,9

204,2

199,9

196,6

192,1

Удельная эффективная работа

кДж/кг

184,3

195,5

196,7

194,1

190,0

186,9

182,6

Температура продуктов сгорания за ССТ (ТНД)

901,4

817,9

797,4

780,3

751,3

738,9

727,9

Количество теплоты воздуха, поступающего в КС

кДж/кг

476,6

551,6

572,0

591,1

625,1

640,6

655,5

Количество теплоты, подведенное к продуктам сгорания в КС

кДж/кг

848,6

773,6

753,2

734,1

700,1

684,6

669,7

Эффективный КПД

0,217

0,253

0,261

0,264

0,271

0,273

0,272

Рисунок 1.2. - Зависимость удельной эффективной работы и эффективного КПД от степени отношения давлений в цикле ГТУ

График построен на основании результатов таблиц 1.1. и .1.2.

Вариантные расчеты регенеративного цикла ГТУ

Рисунок 2.1. Принципиальная схема однокомпрессорной двухвальной ГТУ с регенерацией теплоты уходящих газов; К – компрессор, ТВД, ТНД – турбина высокого, низкого давления, ССТ – свободная силовая турбина; Н - нагрузка; КС – камера сгорания; Р – регенератор

Тепловой расчет схемы двухвальной ГТУ с регенерацией теплоты уходящих газов с целью выбора π_ко:

Расчет до 12 пункта аналогичен расчету в разделе 1, после чего находим:

13) Нагрев воздуха в регенераторе:

14) Температура воздуха за регенератором

15) Количество теплоты, подведенное к воздуху в регенераторе:

16) Количество теплоты, подведенное к продуктам сгорания в КС

17) Эффективный КПД:

Остальные расчеты сведены в таблицу 2.1. при Т_Г1=1100К, и таблицу 2.2., при Т_Г2=1250К.

Результаты расчетов представлены на рисунке 2.2.

№ п/п

Величина

Обозначение

Расчетная формула

Размерность

Таблица 2.1.

Варианты

Примечание

Степень повышения давления в компрессоре

Задаем

Комплекс работы сжатия компрессором

0,369

0,486

0,584

0,667

0,744

0,811

0,931

К= 1,4

Удельная работа сжатия компрессора

кДж/кг

126,1

166,1

199,6

228,0

254,3

277,2

318,2

Температура воздуха за компрессором

415,9

455,4

488,6

516,7

542,8

565,5

606,0

Суммарная степень расширения в турбинах

2,7

3,6

4,5

5,4

6,3

7,2

Удельная работа расширения турбины компрессора (ТВД)

кДж/кг

137,1

180,2

216,6

247,9

276,0

301,4

346,0

Температура продуктов сгорания за турбиной компрессора

980,8

943,3

911,7

884,4

860,0

837,9

799,1

Степень расширения продуктов сгорания в турбине компрессора (ТВД)

1,70

2,04

2,39

2,76

3,15

3,57

4,48

К= 1,33

Степень расширения продуктов сгорания в силовой турбине

1,59

1,76

1,88

1,96

2,00

2,02

2,01

Удельная работа расширения силовой турбины (ТНД)

кДж/кг

107,9

124,9

133,8

137,6

137,5

135,7

128,6

Удельная эффективная работа

кДж/кг

102,6

118,7

127,2

130,8

130,7

129,0

122,2

Температура продуктов сгорания за ССТ (ТНД)

891,6

840,0

800,8

770,7

746,3

725,7

692,8

Нагрев воздуха в регенераторе

333,0

269,2

218,5

177,8

142,5

112,1

60,8

Температура воздуха за регенератором

748,9

724,6

707,1

694,5

685,3

677,6

666,8

Количество теплоты, подведенное к воздуху в регенераторе

кДж/кг

770,2

741,1

720,5

705,0

694,4

685,3

673,8

Количество теплоты, подведенное к продуктам сгорания в КС

кДж/кг

396,0

425,1

445,7

461,2

471,8

480,9

492,4

Эффективный КПД

0,259

0,279

0,285

0,284

0,277

0,268

0,248

Таблица 2.2.

№ п/п

Величина

Обозначение

Расчетная формула

Размерность

Варианты

Примечание

Окончание таблицы 2.1.

Степень повышения давления в компрессоре

Задаем

Комплекс работы сжатия компрессором

0,369

0,584

0,667

0,744

0,811

0,873

0,931

К= 1,4

Удельная работа сжатия компрессора

кДж/кг

126,1

199,6

228,0

254,3

277,2

298,4

318,2

Температура воздуха за компрессором

415,9

488,6

516,7

542,8

565,5

586,4

606,0

Суммарная степень расширения в турбинах

2,7

4,5

5,4

6,3

7,2

8,1

Удельная работа расширения турбины компрессора (ТВД)

кДж/кг

137,1

216,6

247,9

276,0

301,4

323,8

346,0

Температура продуктов сгорания за турбиной компрессора

1130,8

1061,7

1034,4

1010,0

987,9

968,4

949,1

Степень расширения продуктов сгорания в турбине компрессора (ТВД)

1,59

2,13

2,41

2,70

3,00

3,29

3,62

К= 1,33

Степень расширения продуктов сгорания в силовой турбине

1,70

2,11

2,24

2,33

2,40

2,46

2,49

Удельная работа расширения силовой турбины (ТНД)

кДж/кг

141,2

181,7

189,8

193,5

195,2

196,2

194,6

Удельная эффективная работа

кДж/кг

134,2

172,7

180,4

183,9

185,6

186,5

185,0

Температура продуктов сгорания за ССТ (ТНД)

1014,1

911,5

877,5

850,1

826,5

806,2

788,2

Нагрев воздуха в регенераторе

418,7

295,8

252,6

215,1

182,7

153,9

127,5

Температура воздуха за регенератором

834,6

784,4

769,3

757,9

748,2

740,3

733,5

Количество теплоты, подведенное к воздуху в регенераторе

кДж/кг

874,1

812,7

795,6

782,3

769,5

759,3

751,6

Количество теплоты, подведенное к продуктам сгорания в КС

кДж/кг

451,1

512,5

529,6

542,9

555,7

565,9

573,6

Эффективный КПД

0,297

0,337

0,340

0,339

0,334

0,330

0,323

Окончание таблицы 2.2.

Рисунок 2.2. - Зависимость удельной эффективной работы и

эффективного КПД от степени отношения давлений в цикле

ГТУ с регенерацией

График построен на основании результатов таблиц 2.1. и 2.2.

Выводы по расчету схемы ГТУ

На основании результатов расчета строятся зависимости Н_е=f(π_к) и η_e=f(π_к), выбирается расчетное значение π_к0:

· для ГТУ простой схемы:

при температуре Т_г=1100К: π_к0=10 (при π_к=6, Н_е_max=140,5 кДж/кг; при π_к=10, η_е_max=0,227);

при температуре Т_г=1250К: π_к0=13 (при π_к=9, Н_е_max=196,7 кДж/кг; при π_к=13, η_е_max=0,273).

Выбор обусловлен тем, что данное значение находится при максимуме η_e=f(π_к).

Кроме того, при выборе π_ко обычно принимают во внимание температуру продуктов сгорания на выходе из турбины, которая не должна превышать 800К.

· для базовых ГТУ с регенератором:

при температуре Т_г=1100К: π_к0=5(при π_к=6, Н_е_max=130,8 кДж/кг; при π_к=5, η_е_max=0,285);

при температуре Т_г=1250К: π_к0=6 (при π_к=9, Н_е_max=186,5 кДж/кг; при π_к=6,

η_е_max=0,340).

Выбор обусловлен тем, что данное значение находится в области максимального значения η_e, так как максимальный эффективный КПД обеспечивает максимальную экономичность ГТУ.

На основании всего вышеизложенного можно сделать вывод о том, что повышение температуры перед турбиной повышает удельную эффективную работу и КПД цикла, но также и повышает степень сжатия компрессора.

Также исходя из графика влияния регенерации (представленного ниже), мы видим, что введение в цикл регенерации повышает эффективный КПД цикла, но это не является способом увеличения удельной эффективной работы.

Преподаватели: Вульфов Е. Э. - student2.ru

График влияния регенерации на удельную эффективную работу и эффективный КПЦ цикла [Т_г=1310К]

Выводы по расчету схемы ПТУ

Проделав данную курсовую работу, мы выполнили основные этапы проектирования и расчета тепловой схемы:

1. Разработана и описана принципиальная тепловая схема.

2. Рассчитана и построена h,S-диаграмма расширения пара в проточной части турбины.

3. Определены параметры пара и воды в характерных точках схемы, в том

числе:

3.1. Определены параметры пара и воды в верхнем отборе и подключенном к нему подогревателе П1.

3.2. Определены параметры пара и воды в подогревателе П2, подключенном к выхлопу ЦВД.

3.3. Определено распределение подогрева воды между подогревателями П2-ПZ.

3.4. Определены параметры пара и воды в подогревателях ПЗ, П4, П5.

3.5. Определены параметры воды в питательном насосе (ПН) и параметры пара в приводной турбине насоса (ТПН).

4.Составлены и решены уравнения материального и теплового. (энергетического баланса) для элементов схемы, с целью определения расходов пара и воды в относительных величинах.

5. Определен расход свежего парана турбину и расход пара отборов в абсолютном выражении. Сделана проверка правильности расчета.

Полученные показатели эффективности рассчитываемой ПТУ имеют большие значения, чем турбина-аналог. Это объясняется тем что мы проектировали идеальную турбину и не учитывали некоторые технические сложности в создании паротурбинной установки.

Список использованной литературы

1. Тепловой расчет схем приводных газотурбинных установок на номинальный режим рабоы: методические указания/сост. В.М. Марковский, А.М. Неволин. – Екатеринбург: Изд-во Урал. ун-та, 2016. – 40 с.

2. В.Л.Похорилер, Е.Э.Вульфов: Расчет упрощенной схемы паротурбинной установки. Екатеринбург: Изд-во Урал. ун-та, 2014. 39с

3. С.Л.Ревкин, А.А.Александров: Термодинамические свойства воды и водяного пара. Москва: Энергоатомиздат, 1984. 79с.