Лекции по газотурбинным установкам (Поршаков)

Расчетной теплотворной способностью топлива называется количества

тепла, которое выделяется при полном сгорании топлива в условиях,

исключающих возможность конденсации водяных паров (низшая теплотворная

способность, Q

нр)

.

С учетом изложенных соотношений, общее уравнение материального

баланса процесса сгорания топлива (масса образующихся продуктов сгорания 1

кг топлива) записывается в виде [3]:

 

002,1S

L1Lxx11G 

(4.12)

где  - относительная влажность наружного воздуха; х

s

– массовое

содержание влаги при полном насыщении воздуха в пересчете на 1 кг сухого

воздуха;

х

1,2

- дополнительно введенное при сжигании топлива количество

воды или водяного пара в пересчете на 1 кг сухого воздуха, в кг/кг;  -

коэффициент избытка воздуха, определяемое как отношение общего количества

воздуха к теоретически необходимому ( = L/L

0)

; L

0

– теоретически

необходимый расход воздуха в кг на кг топлива.

В инженерных расчетах, при отсутствии подачи воды или пара в камеру

сгорания (х

s

+ x

1,2

=0), уравнение (4.12) принимает вид (G = 1+  L

0)

.

Исходным уравнением для составления теплового баланса камеры

сгорания служит первое начало термодинамики для потока по внешнему

балансу тепла:

Q



1,2

= H

2

- H

1

+ W



1,2

(4.13)

где Q



1,2

- количество тепла, подведенного извне и определяемого как

произведение коэффициента полезного действия камеры сгорания на тепло

сгорания всего израсходованного топлива BQ

нр

:

Q



1,2

= 

кс

BQ

нр.

; 

кс

= 1 -

100

qq

.хл0.хим



(4.14)

где q

хим.

– потери от химической неполноты сгорания топлива, %. Потери от

механической неполноты сгорания; при сжигании газообразного топлива их

можно считать равными нулю (q

мех.

= 0); q

охл.

– потери тепла от наружного

охлаждения камер сгорания, %.

100

При составлении теплового баланса камеры сгорания ГТУ принимается,

что внешняя работа W



1,2

в уравнении (4.13) равна нулю, в силу того, что

сгорание топлива идет при постоянном давлении (W



= -VdP = 0).

Определение расчетных значений энтальпии в начальном Н

1

и конечном

состоянии, уравнение (4.13), для камеры сгорания в общем виде связано с

выбором начала отсчета энтальпии.

В исследованиях процессов сгорания топлива тепло сгорания определяется

уравнением стандартной температуры калориметрирования (t

Q

= 20

0

C). Отсюда следует, что все значения энтальпий и само уравнение теплового

баланса камеры сгорания, строго говоря, должны строиться над уровнем

колориметрирования топлива, при котором Н (t

Q

) = 0.

Это значит, что выражение теплового баланса камер сгорания с учетом

всех потоков теплоносителей, отнесенных к одному кг топлива будет иметь вид

[3]:



кс

Q

нр

=L

0

C

0

pm

(t

3

– t

Q

)- L

0

C

pm

(t

1

– t

Q)

– C

pm,B

(t

B

– t

Q)

(4.15)

где L

0

– расход сухого воздуха по камере сгорания, отнесенный к единице

количества топлива, кг/кг; С

0

pm

– средняя теплоемкость воздуха в интервале

температур (t

1

– t

Q

); t

3

- средняя температура продуктов сгорания при входе в

газовую турбину (на выходе из камеры сгорания); С

pm

- средняя температура

воздуха в интервале температур (t

1

– t

Q)

; t

1

– температура воздуха, поступившего

в камеру сгорания из компрессора (или регенератора); С

pm

- средняя

температура топлива в интервале температур (t

B

– t

Q)

; t

B

- температура топлива

на входе в камеру сгорания.

Разрешая последнее уравнение относительно коэффициента , получим:

)tt(c)tt(c

)tt(сQ

L

1

Q

1

2pmQ3

0

pm

QBв,pmнркс

0







(4.16 )

Нетрудно видеть, что увеличением газов перед турбиной (t

3)

при прочих

равных условиях величина () убывает.

Для получения количественной оценки этой связи, полученное уравнение

можно без большой погрешности несколько упростить, положив t

в

= t

Q

= t

1

; с

pm

101

=idem. Величину L

0

можно найти по эмпирическому уравнению Вельтера-

Бертье-Коновалова, Q

нр

- в ккал/кг:

L

0

=

1000

Q

нр

p



; (

р

= 1,42  1,45)

В технических расчетах обычно принимается, что тепло сгорания топлива

не зависит от температуры калориметрирования, что позволяет температуру

начала отсчета энтальпии принять любой, а уравнение теплового баланса

камеры сгорания записать в виде по отношению к одному кг топлива:



кс

Q

нр

= L

0

C

pm

 (t

3

- t

1)

(4.17)

Из уравнения теплового баланса камеры сгорания (4.17) может быть

определена температура продуктов сгорания на входе в турбину t

3

или

коэффициент избытка воздуха . Если коэффициент избытка воздуха

определен из уравнения материального баланса (4.12) на основе прямых

измерений расхода топлива и воздуха, то из уравнения теплового баланса

может быть установлен КПД камеры сгорания. Таким образом коэффициент

избытка воздуха  является связующей характеристикой материального и

теплового баланса камер сгорания газотурбинных установок.

Анализ приведенных соотношений показывает, что коэффициент избытка

воздуха при неизменных значениях граничных температур цикла, растет с

увеличением 

к

и снижается с его уменьшением. Введение в схему ГТУ

регенерации тепла отходящих газов увеличивает коэффициент избытка воздуха

сравнительно с установкой без регенерации тепла отходящих газов.

Коэффициент избытка воздуха весьма существенно изменяется по длине

камеры сгорания, т. е. по мере возникновения, развития и завершения процесса

сгорания топлива он возрастает по длине камеры сгорания.

Величина необходимого коэффициента первичного воздуха (

п)

,

проходящего через регистр –завихритель, зависит от физических свойств

топлива, параметров (температуры и давления) поступающего в камеру сжатого

воздуха и общей объемной теплонапряженности самой камеры.

Так как воздух, поступающий в камеру сгорания разделяется на два потока,

которые движутся между одинаковыми начальным (на входе в камеру) и

102

конечным (на выходе из камеры) давлениями, то можно записать условие

равенства потерь напора в виде [2]:

2

ВТ

2

p

п

p

F

G

F

G





























(4.18)

где F

p

, 

p

- проходное сечение и коэффициент сопротивления завихрителя;

F

вт

, 

вт

- расчетное сечение и приведенный коэффициент сопротивления тракта

движения вторичного воздуха.

Поскольку

1

G

пп

ВТ







, (4.19)

то можно получить уравнение связи между 

п

и :

ВТ

p

ВТ

П

F

1









(4.20)

Рассмотрение организации рабочего процесса в камере сгорания

показывает, что весьма важную роль в его организации играет завихритель

первичного воздуха. Он дозирует первичный воздух и стабилизирует пламя, его

конструкция в значительной степени определяет всю аэродинамику потока.

Первичный воздух, будучи закрученным завихрителем, прижимается к стенкам

жаровой трубы, создавая тем самым в центре факела область пониженного

давления, куда и устремляются горячие продукты сгорания, обеспечивая

поджигание новой порции поступающего в камеру сгорания топлива. Наряду со

струями вторичного воздуха, проникающими в зону горения создаются условия

хорошего перемешивания топлива с воздухом, что решающим образом

сказывается на образовании равномерного температурного поля на выходе из

камеры сгорания.

Пример 4.1. Определить мольную массу, элементарный состав газа, а

также массовый расход воздуха для окисления 1 кг (1 м

3

) сжигаемого

топлива следующего состава: метан – СН

4

= 94,2% ; этан – С

2

Н

6

= 2,3% ;

пропилен – С

3

Н

6

= 0,5% ; пропан – С

3

Н

8

= 1,1 % ; азот – N

2

= 1,2% ;

углекислый газ - СО

2

=0,7%.

103

Решение. Средняя мольная масса сухого газообразного топлива (

m

)

определяетcяeизeсоотношения:

 



 14,1701,447,002,282,109,441,108,425,007,303,204,162,94

100

1

r

100

1

iim

где r

i

– мольная (объемная) концентрация отдельных компонентов

газообразного топлива в %; 

i

– мольная масса различных компонентов

топлива.

Элементарный рабочий состав природного газа определяется по

соотношениям:

С

р

=

  













.д.тиqr

00,16

O;nr

008,1

H;mr

01,12

ii

m

p

ii

m

p

ii

m

где m

i ,

n

i

, q

i

- соответственно число атомов углерода, водорода,

кислорода и других компонентов топлива. Для данного состава газа

элементарный состава газа по каждому компоненту численно будет равен:

 

%08,737,01,135,033,222,94

14,17

01,12

rr3r3r2r

14,17

01,12

C

28363624

COHCHCHCCH

p



 

%72,231,185,063,262,944

14,17

008,1

r8r6r6r4

14,17

008,1

H

8363624

HCHCHCCH

p



0r

14,17

06,32

S

SH

p

2



;

%3,17,0

14,17

32

r

14,17

32

O;%96,12,1

14,17

016,28

r

14,17

016,28

N

22

CO

P

N

p



.

Итого 100 %.

Определяется характеристика элементарного состава рабочего

топлива, представляющая собой отношение кислорода, необходимого для

окисления свободного водорода топлива (Н – 0,126О), к кислороду,

необходимому для окисления приведенного углерода топлива (С + 0,375S

л)

:

96,0

0375,008,73

3,1126,072,23

98,2

S375,0C

O126,0H

98,2E

PP















Теоретически необходимый расход сухого воздуха в кг. на 1 кг

топлива.

L

0

= 0,1154 (1 + E)(C

P

+ 0,375S

P)

= 0,1154(1 + 0,96)73,08= 16,53, (кг/кг)

104

Плотность газа при стандартных условиях (Р =760 мм.рт. ст. =0,101

МПа; t =20

0

C ; T = 293,15 K):

)м/кг(762,0

15,2738314

14,1710101,0

T8314

10Р

3

6

m

6

.ст















Относительная плотность газа по воздуху:

632,0

204,1

762,0

ст.возд

ст







Величину L

0

можно найти и по эмпирическому уравнению Вельтера-

Бертье-Коновалова, Q

нр.

– в ккал/кг:

 

45,142,1;

1000

Q

L

Р

нр

P

0



4.3. Условия образования вредных выбросов при сжигании топлива в камерах

сгорания ГТУ

К загрязняющим атмосферу газообразным веществам, образующихся при

сжигании топлива в камерах сгорания ГТУ следует отнести оксиды азота (в

пересчете на NO

2)

, серы SO

2

, окислов углерода СО, метана СН

4

и других

летучих веществ.

Опыт эксплуатации показывает, что выбросы вредных веществ в

атмосферу при пуске, работе и остановках агрегатов в общей сложности

достигает 12-15 млн м

3

/год.

Для окружающей среды основное значение имеют разовая и

среднесуточная предельно допустимые концентрации (ПДК) вредных веществ,

поступающих в атмосферу. Максимальная разовая и среднесуточная

концентрации, например, диоксида азота NO

2

составляет соответственно, мг/м

3

:

0.085 и 0,040; оксида азота NO –0,60 и 0,060; оксида углерода СО – 5,0 и 1,0;

сернистого углерода SO

2

- 0,5 и 0,05 и т. д. Приведенные данные

свидетельствуют, что наиболее высокой токсичностью обладают диоксид и

оксид азота (токсичность NO

2

примерно в 7 раз выше токсичности NO),

которые совместно обозначаются как NO

x.

Образование вредных выбросов при сжигании топлива в камере сгорания

и, прежде всего, оксидов азота, как наиболее опасных для окружающей среды,

105

осуществляется по трем основным направлениям: « термические», «быстрые» и

«топливные» (Рис. 4.2) [18].

«Термические» оксиды азота образуются непосредственно в факеле

горения топлива в результате высокотемпературной цепной реакции окисления

атмосферного азота свободным кислородом с выделением теплоты, формальная

кинетика которой описывается уравнением:

N

2

+ O

2

  2NO + q (4.21)

Образование «термических» оксидов NO

x

резко возрастает с повышением

температуры в зоне горения и с увеличением концентрации атомарного

кислорода О. Образование атомарного кислорода О в пламени происходит не

только за счет диссоциации О

2

, но и в ряде других реакций. Содержание его при

горении углеводородов может достигать 0,4-0,8%.

При температурах Т  1300-1400 К содержание NO в продуктах сгорания

практически отсутствует; при температурах Т  1700 К содержание NO

доходит до 2 г/м

3

, что значительно превышает предельно допустимую

среднесуточную концентрацию оксида азота, равную примерно 0,06 мг/м

3

. Это

свидетельствует о том, что решающее влияние на образование «термических»

NO оказывает температура сгорания и, естественно, время образования NO.

«Быстрые» оксиды азота NO

x

обычно образуются при температуре ниже

1000 К на начальном участке фронта пламени: их выход при горении

природного газа составляет примерно 100-120 мг/м

3

и практически не зависит от

температуры горения и от коэффициента избытка воздуха. Образующиеся в

начале зоны горения оксиды азота свидетельствуют о малом времени их

образования, в связи с чем они и получили наименование «быстрых». При

температурах Т  300 К скорость их образования значительно выше, чем

скорость образования «термических» NO.

«Топливные» оксиды NO

x

образуются из азотосодержащих соединений

топлива на начальном участке факела горения одновременно с «быстрыми»

оксидами, но до появления «термических» NO. Образование «топливных»

оксидов начинается уже при температурах 900-1000 К и быстро увеличивается с

повышением температуры горения.

106

При температурах Т  2000 К в продуктах сгорания , как правило,

присутствуют все три типа NO

x

; при температурах  2000 К в основном

образуются только « термические» оксиды азота.

Концентрации NO и NO

2

принято оценивать в единицах ррm ,

характеризующих отношение числа молекул данного компонента на миллион

молекул воздуха, или в мг/м

3

(для NO 1 ррm = 1,3 мг/м

3

; для NO

2

- 1 ррm = 2

мг/м

3

).

Значительное влияние на выход NO

x

при сгорании газовоздушных смесей

оказывают тепловое напряжение камеры сгорания q и коэффициент избытка

воздуха , что наглядно иллюстрируется данными Рис. 4.3. Максимальный

выход оксидов азота имеет место при  = 1,2 – 1,3. По мере повышения

теплового напряжения камеры сгорания q, содержание NO

x

повышается, а

экстремум смещается в сторону больших значений . При повышении

величины  до 1,5 во всех случаях NO

x

в 1,5-3 раза ниже сравнительно с его

максимальным значением при  = 1,2-1,3.

Существенное влияние на образование NO

x

оказывает характер

распределения температуры по длине факела горения топлива и турбулентность

потока. Так, при использовании вихревых горелок, когда температура факела и

турбулентность потока выше, чем при использовании прямоточных горелок,

увеличение закрутки потока примерно в 1,5-2,0 раза приводит к увеличению

выхода NO

x

в 2,3-2.5 раз. В горелках диффузионного типа, когда топливо

воспламеняется на некотором расстоянии от сопла, зона горения удлиняется,

температура в зоне горения вследствие теплообмена оказывается ниже, чем в

горелках вихревого типа, концентрация выхода NO

x

снижается.

Значительное влияние на выход NO

x

оказывает температура воздуха,

подаваемого в зону горения, так например, предварительный подогрев воздуха с

180 до 380

0

С увеличивает выход NO

x

, более чем в 2,5 раза, время их

образования сокращает на порядок, длину образования NO

x

уменьшает

примерно в два раза (Рис. 4.4).

Тепловое напряжение камеры сгорания и коэффициент избытка воздуха

оказывают большое влияние и на выход другого токсичного газа – оксида

107

углерода СО. Минимальное значение концентрации оксида углерода при

различных значениях теплового напряжения здесь проявляется при 

1

 1,4; при

дальнейшем росте величины 

1

, концентрация СО начинает возрастать и ужу

при 

1

 1,5 она становится выше минимального значения примерно на 20-40%.

4.4 Выбросы загрязняющих веществ с продуктами сгорания и

методы их снижения

К загрязняющим веществам, выбрасываемых с продуктами сгорания в

атмосферу, применительно к работе ГТУ, как отмечалось выше, прежде всего

следует отнести оксиды азота и углерода. Для номинального режима работы

эксплуатируемых газотурбинных установок численные значения этих выбросов

характеризуются данными табл. 4.1. [20].

Номинальный режим работы газотурбинной установки характеризуется

следующими показателями: температура наружного воздуха + 15

0

С, давление

наружного воздуха – 0,1013 МПа, относительная влажность воздуха – 60%,

мощность на валу нагнетателя – 100%.

Анализ данных табл. 4.1 показывает, что мощность выбросов оксидов

азота, которые наиболее существенно влияют на окружающую среду и здоровье

человека, для различных установок весьма сильно отличается друг от друга.

Концентрация оксидов азота в регенеративных установках всегда выше, чем в

установках без регенерации тепла отходящих газов, что объясняется тем, что

температура воздуха на входе в камеру сгорания в них всегда выше, чем в

установках без регенерации тепла отходящих газов. Так в установке типа ГТК-

10 до модернизации камеры сгорания, концентрация NO

x

достигала величины

порядка 350 мг/нм

3

(табл. 4.1)

Согласно ГОСТу, концентрация оксидов азота при работе на природном

газе не должна превышать 150 мг/нм

3

, оксидов углерода - 100 мг/нм

3

. Следует

отметить, что лучшие образцы газотурбинных установок в части охраны

окружающей среды имеют выбросы оксидов азота на уровне 70-100 мг/нм

3

.

108

К методам снижения вредных выбросов с продуктами сгорания следует

отнести: впрыск воды или пара в камеру сгорания для снижения максимальной

температуры газов в зоне горения, использование химической очистки дымовых

газов, модернизация камер сгорания и их горелочных устройств и т.д. [15, 18].

К недостаткам реализации метода впрыска воды или пара следует отнести

прежде всего большой расход воды, а также необходимость в ее специальной

предварительной очистке от механических примесей и солей жесткости

(кальция, магния). Примерный суточный расход воды только на один агрегат

может доходить до 50-60 м

3

/сут что вызывает необходимость отказаться в

условиях КС от этого метода снижения выбросов NO

x

.

Впрыск пара в камеру сгорания в принципе может быть реализован в ряде

случаев, если на территории станции имеется котельная установка. Расчеты

показывают, для агрегатов мощностью примерно 19 МВт впрыск пара в

количестве примерно 2,5% от расхода первичного воздуха позволяет снизить

выход оксидов азота примерно в два раза. Однако нигде эти методы на

компрессорных станциях не используются.

Таблица 4.1

Показатели выбросов оксидов азота и углерода с продуктами сгорания для

ряда газотурбинных установок, эксплуатируемых на газопроводах

Тип ГТУ Расход

продуктов

сгорания,

нм

3

/с

Мощность

выброса

NO

x

, г/с

Концентрац

ия NO

x

, мг/

нм

3

Мощность

выброса

СО, г/с

Концентр

ац. СО

мг/нм

3

ГТ-700-5

ГТК-5

ГТ-6-750

ГТН-6

ГТ-750-6

ГПА-Ц-6,3

ГПУ-6

ГПА-Ц-8

ГТК-10

ГПУ-10

ГТН-10И

ГТНР-10

ГТК-16

ГТН-16

35,4

37,1

45,6

47,1

23,3

47,8

66,5

68,1

40,6

66,6

79,2

67,4

6,89

3,57

15,5

3,04

2,41

4,83

22,6

4,3

7,68

11,7

7,57

11,6

200

100

350

70

109

110

350

70

200

180

100

180

1,72

5,35

2,66

6,52

5,18

6,58

2,58

1,84

1,92

1,95

1,51

12,9

50

150

60

150

234

150

40

30

50

30

20

200

109

Лекции по газотурбинным установкам (Поршаков)

Подождите немного. Документ загружается.