Компрессоры и нагнтатели

Задача 5. 1. Определить по эксплуатационным данным техническое состояние центробежного нагнетателя агрегата типа ГПА-Ц-16: давление газа на входе нагнетателя Р₁ = 4,8 МПа, давление газа на выходе, давление газа на выходе Р = 7,2 МПа, температура газа на входе t₁ = 8 ⁰C, температура газа на выходе t₂ = 58 ⁰C, частота вращения вала n = 4700 об/мин. Газовая постоянная R= 497 Дж/кгК. Номинальные параметры, при которых построена характеристика нагнетателя, равны: z =0,89; Т _пр.= 288 К, R _пр. = 490 Дж/кгК, n = 4900 об/мин. В качестве рабочего тела используется метан – как один из основных составляющих природного газа.

Решение. Одним из показателей технического состояния центробежного нагнетателя считается его относительный КПД, определяемый как отношение обратимой работы сжатия в данных пределах соотношения давления сжатия к реальной работе сжатия в тех же пределах соотношения давлений сжатия. Характерной особенностью решения данной задачи является то, что все ее характеристики должны определяться как функции двух переменных, например Р и Т. То есть в данном случае имеем дело с реальным газом, в отличие от идеального газа состояние которого определяется только в зависимости от температуры Т.

Удельная обратимая потенциальная (техническая) работа определяется следующим известным соотношением:

При принятых исходных данных: z = 0,89; R =497 Дж/кгК; Р₁/Р₂ =1,5; конечная температура адиабатического (обратимого) процесса сжатия определяется из уравнения адиабаты:

К; t₂ =41,5 ⁰C

Подставляя полученные численные значения в исходное соотношение, находим численную величину удельной приведенной потенциальной работы сжатия:

= 0,89.497.297,9.0,405.1,045 = 55,63 кДж/кг

Приведенная разность энтальпии природного газа, определятся как функция двух переменных – давления и температуры. Расчетный вид этой формулы может быть представлен следующим соотношением:

,

где величина разности энтальпии – аналог удельной реальной работы сжатия газа в компрессоре; C_pm – средняя температура газа в процессе сжатия; t₁ и t₂ – соответственно начальная и конечная температура сжатия газа в нагнетателе; (C_pD_h)_m – расчетный комплекс, характеризующий отличие реального газа от идеального; Р₁ и Р₂ – соответственно начальное и конечное абсолютное давление на входе и выходе нагнетателя.

Среднее значение теплоемкости метана можно определить по следующему эмпирическому соотношению [ 12 ]:

C_pm = 2,08 + 0,11P₁+(0,003 – 0,0009P₁)t_m=2,564 кДж/кгК;

Соответственно, значение комплексной величины (C_pD_h)_m определяется следующим соотношением [ 12 ]:

кДж/кгМПа

Следовательно, реальная работа сжатия газа в нагнетателе будет равна:

кДж/кг

Соответственно, приведенная разность энтальпии:

кДж/кг:

Относительный политропный КПД при принятых эксплуатационных данных составит:

Если паспортный КПД нагнетателя составляет величину порядка 0,80, то следовательно параметр технического состояния нагнетателя по КПД будет равен: К = 0,63/0,80 = 0,78. Что следует признать весьма низким значением для условий эксплуатации.

Задача 5.2. В результате чистки проточной части осевого компрессора на ходу за счет подачи крошки на вход осевого компрессора, произошло увеличение конечной температуры процесса сжатия с величины 360 ⁰ С до 370,1 ⁰С. Начальная температура сжатия до чистки компрессора и после чистки оставалась на уровне 15 ⁰С. Степень сжатия в компрессоре осталась практически на прежнем уровне Р₂/Р₁ = 12. Определить на сколько увеличился относительный КПД компрессора и как это сказалось на изменение КПД и мощности установки в целом. Изменением теплоемкости рабочего тела при изменении температуры пренебречь_.

Решение. Относительный КПД осевого компрессора при принятых исходных данных определяется соотношением:

где - 84- относительный адиабатический КПД компрессора; h_a - изоэнтальпийный теплоперепад в адиабатическом процессе сжатия (удельная работа сжатия в обратимом адиабатическом процессе); h_p – реальная удельная работа сжатия в данном процессе; Т₁ – начальная температура процесса сжатия, K (Т₁ = t₁ +273,2); T₂ – абсолютная температура конца реального процесса сжатия; Т_а – конечная температура адиабатического процесса сжатия, определяемая из уравнения адиабаты:

Следовательно после чистки проточной части компрессора, когда температура за компрессором выросла с t₂ = 360 ⁰C до величины t₂ = 370,1 ⁰С, относительный КПД компрессора был равен:

,

После того как температура воздуха в результате чистки компрессора снизилась до величины t₂ = 360 ⁰C, относительный КПД компрессора стал равен:

,

Следовательно, в результате чистки проточной части компрессора крошкой или промывкой его проточной части какой-либо специальной промывочной жидкостью, относительной КПД осевого компрессора увеличился с величины 0,84 до 0,86, что соответствует относительной величине изменения КПД компрессора

Из соотношения 1.42, исключая влияние изменения расхода топливного газа (в силу малости этой величины), определяется относительное увеличение КПД установки в целом.

,

Примерно в таком же соотношение будет увеличена и мощность установки в целом.

Задача 5.3. О пределить техническое состояние агрегата типа ГТК-10-4 с нагнетателем 370-18-1, а также его технические показатели (подачу нагнетателя, мощность ГПА, расход топливного газа, политропный КПД нагнетателя, а также эффективный КПД установки). Режим работы агрегата характеризуется следующими исходными данными: давление газа на входе в нагнетатель Р₁ = 5,3 МПа, давление на выходе нагнетателя Р₂ = 6,3 МПа, температура газа на входе нагнетателя t₁ = 19,9 ⁰C, температура газа на выходе нагнетателя t₂ = 38,7 ⁰C; частота вращения силового вала ГПА, n = 4650 об/мин. Температура газа на входе в ТВД t₃ = 770 ⁰C, температура воздуха на входе в осевой компрессор t_вх.= 10 ⁰С. Давление воздуха на входе в осевой компрессор Р_вх. = 0,1 МПа Низшая теплота сгорания топливного газа Q_нр = 33500 кДж/м³. Содержание метана в газе r = 0,97. Газовая постоянная R = 490 Дж/кгК. Коэффициент сжимаемости газа z = 0,94.

Решение. Решение данной задачи осуществляется в следующей последовательности: вначале оценивается техническое состояние нагнетателя, затем определяется потребляемая им мощность и подача газа. Найденная величина мощности используется как для определения технического состояния газотурбинной установки, так и для определения расхода топливного газа и эффективного КПД самой ГТУ.

Средние значения температуры и давления в процессе сжатия:

t_m = (t₁ + t₂)/2 = (19,9 +38,7)/2 = 29,3 ⁰C,

P_m = (P₁ + P₂₎/2 =(5,3 + 6,8₎/2 = 5,8 МПа.

Средняя изобарная теплоемкость любого природного газа в процессе сжатия может быть определена по следующему эмпирическому соотношению в зависимости от процентного содержания метана в газе и параметров процесса сжатия [ ], В данном примере ее можно принять равной С_pm = 2,17 кДж/кг⁰С.

Для определения реальной удельной работы сжатия газа в нагнетателе, его следует рассматривать как реальный газ, функции которого определяются в зависимости от двух переменных (например, P,t), с учетом коэффициента Джоля-Томпсона, характеризующим отличие реального газа от идеального.

В расчетное уравнение для определения удельной работы сжатия входит комплекс C_pD_h, который может быть подчитан по следующему уравнению [ ]:

(C_pD_h)_m = (1,37-0,37r_мет.)[(0,00012t₂² -0,0135t₂ +0,31)P_m-0,0463t₂+11,19]=

=(1,37-0,37*0,97)[(0,00012*38,7²-0,0135*38,7+0,31)5,8-0,0463*38,7+11,19] = 9,483 кДж/кгМПа.

Разность энтальпии газа (удельная реальная работа сжатия) определяется соотношением:

Удельная потенциальная (обратимая) работа сжатия:

Политропный КПД процесса сжатия:

Коэффициент технического состояния по КПД нагнетателя:

К

Плотность газа на входе в нагнетатель:

Приведенная внутренняя относительная мощность, потребляемая нагнетателем, определяется по его характеристике (Рис. 5.4).

Эффективная мощность ГТУ определяется по уравнению (5.3):

Паспортная приведенная мощность ГТУ при заданной температуре газов перед турбиной Т₃ с учетом заданных при проектировании параметров ГТУ определяется по следующей зависимости:

Коэффициент технического состояния ГТУ по мощности составит:

Объемная подача газа центробежным нагнетателем:

Теплота сгорания топлива в единицу времени (тепловая мощность BQ_нр) определяется с учетом технического состояния ГТУ по мощности (K_N):

Расход топлива по установке определяется по соотношению:

Эффективный КПД установки:

Задача 5.4. Определить какая экономия топливного газа получается при замене одного физически изношенного и морально устаревшего агрегата на другой ГПА равной мощности. Агрегат проработал в общей сложности 150 час. Если принять, что в году он работал в среднем 6 тыс. час., то это составит примерно 25 л. Исходное значение его КПД составляло 27%. Замена агрегата осуществляется на агрегат с КПД равным 34%.

Решение. Обработка результатов испытаний газотурбинных ГПА в эксплуатационных условиях показывает, что изменение их КПД в зависимости от наработки, в первом приближении, можно описать следующим обобщенным уравнением:

Подставляя исходные данные в это уравнение, получим:

0,24 следовательно, за все время эксплуатации, несмотря на проводимые капитальные и профилактические ремонты КПД агрегата снизился примерно с 27% до 24%.

Возможная экономия топливного газа за год в условиях замены одного изношенного и морально устаревшего агрегата на ГПА той же мощности нового поколения с КПД например равным 34% может быть подсчитано по следующему уравнению:

млн.м³ в год

где В - расчетная годовая экономия топливного газа; N_e – номинальная мощность ГПА на муфте нагнетателя, К - среднестатистический коэффициент загрузки агрегатов, учитывающий переменный режим работы из-за неравномерности подачи газа в течение года, его техническое состояние и ряд других, влияющих на расход топлива по станции. В расчетах с большой степенью вероятности его можно принимать равным 0,85; _ст. и _нов. соответственно значения КПД старого и нового агрегата.

Соответственно, возможная экономия топливного газа по агрегату в условиях принятых исходных данных характеризуется данными табл. 5.8

Таблица 5.8.

Дата добавления: 2015-07-21