Расчет тепловой схемы простой газотурбинной установки

Расчет тепловой схемы простой ГТУ

Уравнение теплового баланса камеры сгорания:

                                      (1)

где G_т – расход газов, покидающих камеру сгорания;

h_c – энтальпия продуктов сгорания на выходе из камеры сгорания;

G_к – расход воздуха на входе в камеру сгорания;

h_b – энтальпия воздуха за компрессором или при входе в камеру сгорания;

B – расход топлива, подаваемого в камеру сгорания насосом (жидкое) или газовым компрессором (газообразное);

K_т–теплота сгорания топлива, т.е. количество теплоты, выделяющееся при полном сгорании 1 кг топлива;

h_тп – энтальпия топлива.

В левой части находится полное количество теплоты, выходящее из камеры сгорания, в правой части – сумма количеств теплоты, вносимых в камеру сгорания воздухом и топливом, а также количество теплоты, выделяющееся в результате реакции горения топлива.

При расчетах тепловых процессов в сжигающих устройствах, в частности в камерах сгорания ГТУ, принимается, что K_т – величина постоянная для данного топлива, определяемая экспериментально при стандартной начальной температуре (обычно 25 °С) смеси топлива и окислителя (воздуха). Значение K_т зависит от состава топлива. При использовании теплового баланса условно принимают , а энтальпию водяного пара входящую в h_c, определяют для идеально-газового состояния, т.е. без учета теплоты испарения. При этом энтальпии веществ отсчитывают от их значений при стандартной температуре, т.е. h_c, h_b, h_тп – разности энтальпий при соответствующих температурах и энтальпий при стандартной температуре (при ).

Между расходами G_т, G_к, и B существуют следующие соотношения:

                                                                                         (2)

где L₀ – минимальное количество воздуха, необходимое для полного сжигания 1 кг топлива, кг/кг;

α – коэффициент избытка воздуха, т.е. отношение действительного количества воздуха, подаваемого в камеру сгорания для сжигания 1 кг топлива, к минимально необходимому его количеству.

Величина L₀ есть характеристика, зависящая только от состава топлива.

Поскольку при проектировании ГТУ нужно учитывать, что она должна быть приспособлена для сжигания любого газообразного топлива, а в ряде случаев для сжигания легких жидких топлив, то целесообразно рассматривать некоторое стандартное топливо, на использование которого и следует создавать ГТУ. За такое топливо принимают условное топливо, называемое стандартным углеводородом. Стандартный углеводород имеет следующий массовый состав: углерода C– 85 %, водорода H – 15 %. Для стандартного углеводорода имеются следующие характеристики:

Продукты сгорания топлива, выходящие из камеры сгорания, можно рассматривать как смесь так называемых «чистых» продуктов сгорания, получаемых в результате сжигания топлива без избытка воздуха, и добавочного воздуха. В результате сжигания 1 кг топлива получается  чистых продуктов сгорания, кг/кг, и  добавочного воздуха, кг/кг.

Энтальпию смеси h_c при температуре T_c представим в виде:

                                       (3)

где h_п.с., h_в – энтальпии чистых продуктов сгорания и воздуха при температуре T_c.

В таблицах 1 и 2 представлены значения энтальпий воздуха и чистых продуктов сгорания (α = 1) стандартного углеводорода в зависимости от температуры. Пользуясь таблицами, можно найти энтальпию продуктов сгорания на выходе из камеры сгорания, но при этом необходимо определить коэффициент избытка воздуха α. Для его определения используется уравнение теплового баланса (1). Подставлением в (1) правых частей (2) и (3) решено относительно α:

                              (4)

Пример расчета тепловой схемы простой ГТУ

Для расчета тепловой схемы простой ГТУ (без учета охлаждения деталей газовой турбины) заняты или приняты по оценке следующие исходные величины:

Точное значение энтальпии для температуры находим, используя аппроксимацию табличных данных по известной формуле:

Пример аппроксимации табличных данных.

Энтальпия воздуха для температуры  Пользуясь таблицей 1, определяем энтальпии для нижней и верхней границы значения температуры:

Рассчитываем энтальпию воздуха для заданной температуры: