Эксергетический метод открытой газотурбинной установки

 

Содержание

   Введение………………………………………………………………………..5

1. Принципиальная схема открытой газотурбинной установки

и ее описание……………………………………………………………………....7

2. Термодинамический расчет открытой газотурбинной установки.
0. 2.1. Определение параметров воздуха……………………………………9
0. 2.2. Вычисление мощности компрессора и турбины…………………...11
0. 2.3. Расчет эксергетического КПД открытой
0. газотурбинной установки………………………………………………...13
0. 2.4. Представление изменения состояния воздуха на
0. h-S, T-S, P-H  диаграммах………………………….……………………15
0. 2.5. Расчет потоков и потерь эксергии………………………………….18
3. Построение диаграммы потоков и потерь эксергии

          (Грассмана-Шаргута)……………………………………………………..21

Заключение…………………………………………………………..……….22

Библиографический список…………………………………………………23

 

1. Введение.

   Простейшим методом термодинамического анализа энерго-химико-технологических систем (ЭХТС) является энергетический, основанный на первом законе термодинамики. Недостатком этого метода является то, что в нем не учитывается ценность различных видов энергии, то есть их практическая пригодность.

   В настоящее время применяются  два метода термодинамического анализа  систем: энтропийный и эксергетический. Оба метода основаны на втором законе термодинамики и оба решают задачу определения потерь работоспособности, но на базе эксергетического метода можно более тщательно провести термодинамический анализ ЭХТС и найти наиболее эффективные пути уменьшения затрат топливно-энергетических ресурсов при одновременном повышении технологических показателей.

   Эксергетический метод термодинамического ЭХТС анализа основан на широком использовании эксергии. Эксергия вещества – это максимально возможная полезная работа термодинамической системы при совершении ею любых полностью обратимых процессов от заданного состояния до полного термодинамического равновесия с окружающей средой.

      Экергетическим  методом называется метод исследований, основанный на анализе потерь работоспособности  в термодинамических процессах.

      Эксергетический метод получил широкое распространение благодаря своей универсальности термодинамического исследования различных процессов преобразования эксергии в ЭХТС. Он позволяет сравнивать между собой любые виды энергии и на этой основе определять эффективность различных процессов ее превращения. Эксергетические показатели непосредственно связаны с технико-экономическими характеристиками оборудования, что позволяет находить экономически наивыгоднейшие параметры и размеры проектируемого теплоэнергетического оборудования.

Все реально  протекающие процессы – не обратимые, и в каждом случае необратимость является причиной снижения совершенства процесса. Это происходит не из-за потери энергии, а из-за понижения ее качества, т. к. в необратимых процессах энергия не исчезает, а обесценивается. Каждое необратимое явление – это причина безвозвратной потери энергии.[2]

      Эксергетический метод позволяет проанализировать качественную сторону процесса превращения  теплоты в работу, выявить причины  и рассчитать потери работоспособности  потока рабочего тела и теплоты, а  значит, и предложить методы их ликвидации, что позволит увеличить эксергетический КПД и эффективность работы установки. Основной целью эксергетического метода анализа ЭХТС является выявление и количественное оценивание причин несовершенства протекающих в них процессов, что дает информацию о возможности повышения совершенства во всех элементах и позволяет создать наиболее совершенную ЭХТС.

   При термодинамическом анализе теплоэнергетических  установок во многих случаях приходится оценивать работоспособность той теплоты, которая преобразуется в работу в циклах. Максимальное количество полезной работы, которую можно получить в цикле при заданных температурах источников теплоты, называется работоспособностью (эксергией) теплоты.

   Эксергия  будет тем больше, чем менее  необратим процесс. Тем больше в этом случае будет получено полезной работы. Все это позволяет ввести понятие так называемой эксергетической эффективности процесса или эксергетического КПД. Он позволяет учесть потери только из-за необранимости процессов, так как лишь в необратимых процессах происходит потеря эксергии. Он определяется отношением использованной эксергии к подведенной: [1]

     
Принципиальная  схема открытой газотурбинной  установки и ее описание.  

   Рис. 1.  Открытая газотурбинная установка 

   1 – компрессор, 2 – камера сгорания, 3 – газовая турбина 
 

   Открытую  газотурбинную установку можно  разделить на три открытые адиабатные системы: компрессор (1), камеру сгорания(2) и турбину(3). Адиабатный компрессор подает из окружающей среды в камеру сгорания воздух, необходимый для горения. Топливо подается в адиабатную камеру при температуре окружающей среды и сжигается  в среде сжатого и одновременно «подогретого»  до t₁ воздуха. Образующиеся при этом продукты сгорания топлива покидают камеру сгорания при давлении p₂, несколько ниже, чем p₁ (вследствие  падения давления в камере сгорания)

        Выходная температура t₂ должна поддерживаться  на таком уровне, чтобы применяемые для камеры сгорания и входной ступени турбины материалы сохраняли достаточную прочность.

   Эта температура находится в интервале 650-850⁰С. Горение происходит, таким образом, при большом избытке воздуха, так что свойства продуктов сгорания лишь незначительно отличаются от свойств воздуха. 

   

   

 Поэтому рабочее тело предполагается тождественным воздуху, как   идеальному газу с теплоемкостью С⁰_р= С⁰_р(t), зависящей только от температур.

   В камеру сгорания 2 поступает сжатый воздух из компрессора 1 и жидкое топливо. Полученные в камере сгорания продукты сгорания поступают в сопловой аппарат газовой турбины 3, в котором осуществляется процесс превращения потенциальной (внутренней) энергии продуктов сгорания в кинетическую энергию потока, поступающего на лопатки диска турбины (тепловая энергия потока продуктов сгорания превращается в механическую энергию вращения роторов турбины). Каждая соседняя пара лопаток образует криволинейный канал, в результате движения по которому энергия газового потока расходуется на вращение диска турбины. Сжигание топлива в камере сгорания может происходить как изобарно, так и изохорно. Однако в промышленности получили распространение главным образом газовые турбины с изобарным подводом теплоты.[2] 

 

2. Термодинамический расчет открытой газотурбинной установки.

1. Конечную температуру  изоэнтропного сжатия из исходного  состояния находим по формуле 

      

                                        (4.1)

где П_S - изоэнтропная температурная функция, (по значению П_S(t₁') в приложении К находим температуру t₁', ⁰С).

П_S (t₀) = 1,1339 

По приложению К находим t₁' методом интерполяции. 

Т^5,7829 = Т^5,4751 +( Т^5,9267 – Т ^5,4751 / 5,9267 – 5,4751) (5,7829-5,4751) = 170 + (180 – 170 / 0,4516)*0,3078 = 170 + 22,1434 * 0,3078 = 176,82 ⁰С. 

t₁' = 176,82 ⁰С = 177 ⁰С. 

2. Удельная работа компрессора

,                                                   (4.2) 

где h₀,h₁' - энтальпия воздуха до и после адиабатного сжатия  в компрессоре, кДж/кг. 

Отсюда                   h₁=h₀+l_К                                             (4.3) 

Температура воздуха после сжатия t₁ определяется по Приложению К. 
 

h₁ = 10,03 + 191,62 = 201,65 кДж/кг 

С помощью Приложения К находим h^/₁ , а потом t₁. 

h₁¹⁷⁷=h¹⁷⁰+(h¹⁸⁰ – h¹⁷⁰ /180-170)* (177-170) = 171,57+(181,77-171,57/10) * 7 = =178,71 кДж/кг.

Т^201,65 = Т^191,98 + (Т^202,21 –Т^191,98 /202,21-191,98) * (201,65-191,98) = 190 + (200-190/10,23)*9,67=199,45 ⁰С.

t₁ =199 ⁰С. 

3. Температура воздуха после расширения t₃' находится аналогично t₁': 

.                                                  (4.4)

         

Т.к. из условия  задачи t₂ = 760  ⁰C, то по Приложению К находим

П_s (t₂) = 129,56. 

4. Техническая  работа турбины 

          lm=η_т (h₂-h₃'),                                               (4.5) 

где h_2,h₃' - энтальпия воздуха до и после адиабатного расширения в турбине, кДж/кг.  

     η_т -  КПД турбины 

h₂ =810,05 кДж/кг. Из Приложения К. 

h₃^25,912 = h^24,889 + (h^26,293 – h^24,889 /26,293-24,889)* (25,912-24,889) = 411,10 + (421,78-411,10 / 1,404)* 1,023 = 418,88 кДж/кг.

h₃'= 418,88 кДж/кг. 

lm= 0,88 * (810,05 - 418,88) = 344,2296 

Находим по Приложению К Т₃^\ : 

Т₃^418,88 = Т^411,10 + (Т^421,78 – Т^411,10 /421,78-411,10)*(418,88 – 411,10) = 400 + (410-400 / 10,68)* 7,78 = 407,28 ⁰С

t₃^/ = 407 ⁰С. 
 
 

5. Удельная полезная работа установки  

l = η_n l_m - l_K,                                  (4.6) 

где η_n - механический  КПД (передачи эксергии от турбины к компрессору). 

l= 0,98 * 344,2296 – 191,62 = 337,345 – 191,62 = 145,725.

h₃ = h₂ – l_m =810,05 – 344,2296 = 465,8204 кДж/кг. 
 

t₃^465,82 = Т^464,56 + (Т^475,56 – Т^464,56 / 475,56 – 464,56) * (465,82 – 464,56) = 450 + (460 – 450 / 475,56 – 464,56) * 1,26 = 450 + 10/11 * 1,26 = 451,15 ⁰С. 

t₃ = 451 ⁰С. 

6. Массовый расход воздуха

G_возд  =N/l                                            (4.7) 

где N – полезная мощность, кВТ. 

G_возд. =  12 * 10³ / 145,725 = 82,3468 кг/с. 

7. Мощность компрессора и турбины составляют:

N_K = G_возд  ^.  l_K,                                                   (4.8) 
 

N_k = 82,3468 * 191,62 = 15779,29 кВт. 

N_m = G_возд  ^. l_m.                                                  (4.9)