Полная версия

Главная arrow Прочие arrow Безопасность в техносфере, 2015, вып. 5 (56) -

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>

Результаты численных исследований

С целью оптимизации основных параметров ГТУ — степень повышения давления в компрессоре т:к, температура на входе в компрессор Тх и в турбину Тр степень регенерации а — проведены параметрические исследования термодинамического цикла с измененной последовательностью процессов. Результаты представлены графически на рис. 5 и 6.

Из графических зависимостей на рис. 5а для различных температур Тг= 1023, 1073, 1123, 1173 К видно, что в диапазоне чисел тск= 2-2,8 происходит существенный прирост электрического КПД цикла от % = 17-19% до значений %= 22-25% соответствен-

Зависимость r|, G, Q ГТУ измененной очередностью процессов мощностью N = 50 кВт (7 = 303 К) от степени повышения давления в компрессоре л

Рис. 5. Зависимость r|E, GT, Qx0/1 ГТУ измененной очередностью процессов мощностью N = 50 кВт (7Х0Л = 303 К) от степени повышения давления в компрессоре лк

  • а) При ст = 0,8 для температуры продуктов сгорания перед турбиной: 1) Гг = 1023 К; 2) Гг = 1073 К; 3) Тг = 1123 К; 4) Тг = 1173 К;
  • б) При Тг = 1173 К для степени регенерации: 1) ст = 0,75; 2) ст = 0,8; 3) ст = 0,85

но. Одновременно с этим за счет резкого снижения тепловой мощности холодильника Qxo;] снижается суммарный КПД установки г|Е. Дальнейшее увеличение давления в компрессоре до значений пк - 3,5-4,5% увеличивает максимальные значения КПД до г|Е= 23-27% и устанавливает минимальные значения расхода топлива GT для заданной электрической мощности ГТУ. При этом происходит дальнейшее уменьшение плотности продуктов сгорания, проходящих через регенератор и холодильник, и связанное с этим увеличение размеров теплообменных аппаратов (ТА). Таким образом, при проектировании ГТУ степень повышения давления в компрессоре пк может быть принята ниже оптимальных значений для достижения более высоких коэффициентов теплоотдачи в ТА и уменьшения размеров проточной части.

На рис. 5б представлены зависимости параметров ГТУ от степени регенерации для трех значений а - 0.75, 0.8, 0.85. Согласно результатам расчета в диапазоне изменения кк = 2,5-3 электрический КПД увеличивается в среднем на 2% с возрастанием а и, например, для пк = 2,8 значение электрического КПД равно 23,1%, 25,3 и 28% соответственно. С увеличением степени регенерации тепловая мощность и суммарный КПД уменьшаются. На выбор степени регенерации ст помимо эффективности влияют массогабаритные характеристики теплообменных аппаратов утилизационных установок, в соответствии с которыми ст принята равной 0,8.

Температура на входе в турбину Тг заметно влияет на КПД установки г|Е и в диапазоне пк= 2,5-3 увеличение ее на каждые 50 градусов дает прирост г|Е в среднем на 1,5% (рис. 5а). Температура Тг принята равной 1173 К, при которой сопловые лопатки турбины выполняются неохлаждаемыми и могут быть изготовлены из распространенных сплавов, обеспечивающих высокий ресурс деталей.

Следующим параметром для оптимизации является температура продуктов сгорания на входе в

Зависимость ц, G, О ГТУ измененной очередностью процессов мощностью N = 50 кВт

Рис. 6. Зависимость цЕ, GT, Охол ГТУ измененной очередностью процессов мощностью N = 50 кВт (ст = 0,8, Гг = 1173 К) от степени повышения давления в компрессоре як для температуры продуктов сгорания перед компрессором:

1) Гхол = 303 К; 2) Гхол = 353 К; 3) Гхол = 403 К

Зависимость д, G, О ГТУ традиционного цикла мощностью N = 50 кВт (ст = 0,8, Г = 373 К) от степени повышения давления в компрессоре л для температуры продуктов сгорания перед турбиной

Рис. 7. Зависимость дЕ, GT, Охол ГТУ традиционного цикла мощностью N = 50 кВт (ст = 0,8, Гг = 373 К) от степени повышения давления в компрессоре лк для температуры продуктов сгорания перед турбиной:

1) 7> = 1023 К; 2) 7> = 1073 К; 3) Гг = 1123 К; 4) Гг = 1173 К

компрессор Тх. Повышение температуры Тх ведет к значительному снижению электрического КПД установки (рис. 6) из-за увеличения удельной работы сжатия в компрессоре, а также к снижению тепловых потоков через холодильник и его габаритов. С учетом этих обстоятельств температура Тх принята равной 303 К, при которой установка имеет тепловую мощность Qxo/1 = 60 Вт и суммарный КПД ns = 63%.

На основании технико-экономических требований последовательно выбраны основные параметры утилизационной ГТУ: степень повышения давления компрессора пк = 2,8, температура перед турбиной Тг= 1173 К, степень регенерации а = 0,8, температура перед компрессором Гх= 303 К. Однако, согласно [8, 9] для лопаточных машин малой мощности необходимо также проверить влияние фактора масштаба на их эффективность. Для выбранной частоты вращения вала ГТУ п = 35000 об./мин и наружного диаметра центробежного компрессора D2K= 220 мм и центростремительной турбины D1T = 250 мм соответственно влияние масштабного фактора на КПД компрессора и турбины отсутствует. Таким образом, вследствие увеличения приведенного расхода рабочего тела в цикле с обратной очередностью влияние фактора масштаба не сказывается и компрессор имеет КПД %= 82,8%, турбина г|т= 88,2%, а установка электрический КПД г|Е= 25,3%.

Для проведения сравнительного анализа с ГТУ традиционного цикла выполнена серия расчетов для тех же значений Тг = 1023, 1073, 1123, 1173 К (рис. 7). Степень регенерации принята такой же, как и в случае схемы с обратной очередностью процессов (а = 0,8). Оптимальные числа пк, при которых достигается максимальная эффективность установки, находятся в диапазоне кк= 4-6. Выбрана степень повышения давления в компрессоре лк = 4, при которой на основании термодинамического расчета установка имеет электрический КПД г|Е = 31,7%, суммарный КПД % = 75% без учета затрат мощности на привод топливного компрессора и масштабного фактора.

Из-за меньшего объемного расхода рабочего тела через лопаточные машины примерно в лк раз по отношению к ГТУ с измененной очередностью оптимальная частота вращения вала будет выше. При частоте вращения вала турбокомпрессора п = 80000 об./мин центробежный компрессор имеет внешний диаметр колеса D2K = 110 мм, поправку на КПД из-за влияния масштабного фактора Кк = 0,985. Для центростремительной турбины: наружный диаметр колеса D1T= 138 мм, поправка Кт= 0,978. Таким образом, с учетом приведенных поправок получаем следующие значения эффективности узлов и всей ГТУ традиционного цикла: КПД компрессора %= 80,6%, турбины г|т= 86,7%, электрический КПД г|е= 30,4%.

Как было сказано выше, недостаток ГТУ традиционной схемы — это затраты энергии на сжатие и подачу топливного газа в КС. Для принятой мощности установки, состава МВС и степени повышения давления в компрессоре мощность, затрачиваемая на привод дожимного компрессора, оценивается примерно в 5% мощности ГТУ, что приводит к дальнейшему снижению КПД ГТУ до значений г|е = 25-26%.

 
<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>