ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

гОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

реферат на тему
РАБОЧИЙ ПРОЦЕСС

ГАЗОТУРБИННОЙ УСТАНОВКИ
Выполнил: студент 3-НТФ-4

Басенков Д.М.

Проверил:          Орлова Г.М.
Самара 2009

Содержание

Введение…………………………………………………………….………3Понятие о газовой турбине и

основные термодинамические характеристики………………………….4Рабочий процесс газотурбинной установки……………………………...7Заключение………………………………………………………………..10Список литературы……………………………………………………….11

ВВЕДЕНИЕ.

Анализ существующего состояния трубопроводного транспорта природных газов и оценка перспектив его дальнейшего развития показывают, что газотурбинный вид привода центробежных нагнетателей на компрессорных станциях ( КС ) как в настоящее время, так и на ближайшую перспективу остается одним из основных видов энергопривода КС. В настоящее время относительная доля установленной мощности компрессорных станций в системе ОАО «Газпром» составляет свыше 85%; остальное приходится на долю газоперекачивающих агрегатов с электроприводом и установок с поршневым типом привода.

Непосредственное вращательное движение, относительная простота обслуживания, высокая агрегатная мощность,   работа установок на перекачиваемом виде топлива и многое другое обеспечивают широкое использование газотурбинных установок на магистральных газопроводах.

Газотурбинные установки (ГТУ), используемые на газопроводах выполняются по простейшим открытым циклам в двухвальном и трехвальном исполнении с регенерацией или без регенерации тепла отходящих газов.

На современном этапе использования  ГТУ в промышленности, особое значение приобретает знание во всех подробностях физики явлений, протекающих в турбомашинах. В связи с этим, авторы сочли необходимым по возможности подробным образом рассмотреть термодинамические и газодинамические процессы, происходящие в турбомашинах, отметить основные направления их дальнейшего развития и, в первую очередь, пути наиболее эффективного использования их на магистральных газопроводах, где они получили широкое распространение.

При использовании газотурбинных установок в различных отраслях промышленности и, в частности, на магистральных газопроводах, их необходимо рассматривать как установки, вырабатывающие  по сути дела не только механическую работу для привода центробежных нагнетателей, но и теплоту отходящих из турбины газов, рациональное использование которой на компрессорных станциях для обогрева служебных помещений в осенне-зимний период эксплуатации, а также прилегающих поселков является весьма актуальной задачей. Расчеты показывают, что из общего количества подведенного в камере сгорания ГТУ топлива, в общей сложности около 80-85% его может быть эффективно использовано.

Известные успехи авиационной промышленности в разработке и создании мощных, компактных и надежных газотурбинных двигателей с КПД на уровне 34-35% привели к относительно широкому использованию на газопроводах и ГТУ авиационного типа, несколько реконструированных применительно к условиям работы их на компрессорных станциях.

В условиях реконструкции и модернизации энергооборудования компрессорных станций, заменой физически изношенных и морально устаревших газоперекачивающих агрегатов, важное значение приобретают задачи, связанные с выбором  и использованием наиболее эффективного вида энергопривода КС , оценкой его потенциальных возможностей при эксплуатации на газопроводах.

Понятие о газовой турбине и

основные термодинамические характеристики.

Газотурбинной установкой (ГТУ) называют установку, состоящую из трех основных элементов: воздушного компрессора, камеры сгорания и газовой турбины. В качестве рабочего тела используется неконденсирующийся газ, наиболее часто – продукты сгорания. Термин турбина происходит от латинского turbineus – вихреобразный или turbo – волчок. Турбина и есть тяговый двигатель, в котором механическая энергия на валу машины получается за счет преобразования кинетической энергии газовой струи, в свою очередь полученной в результате преобразования кинетической энергии сгоревшего топлива.

В основе современных представлений о превращении теплоты в работу лежат два важнейших положения термодинамики: во- первых, невозможность создания вечного двигателя первого рода (следствие первого начала термодинамики) и, во-вторых, невозможность создания вечного двигателя второго рода, в котором теплота полностью превращалась бы в работу (следствие второго начала термодинамики).

Для того чтобы создать тепловой двигатель, необходимо, как известно из термодинамики, по крайней мере, наличие двух тепловых источников – источника высокой температуры (нагреватель), от которого получают теплоту для преобразования части ее в работу, и источника низкой температуры, которому отдается часть неиспользованной в двигателе теплоты. Таким образом, как это следует из законов термодинамики, в работу можно превратить только часть теплоты, передаваемой от тел более нагретых к телам менее нагретым.

Непременным условием создания любого теплового двигателя является наличие материальной среды – рабочего тела. В качестве рабочего тела в двигателях целесообразнее всего использовать газы, получающиеся при сгорании топлива, так как именно они имеют при этом наивысшую температуру. Законы термодинамики показывают, что термический к. п. д. двигателя тем выше, чем больше высшая температура рабочего тела в пределах его цикла. Следовательно, всякий тепловой двигатель должен состоять из нагревателя, расширительной машины, холодильника и компрессорной машины. Чтобы непрерывно превращать теплоту в работу, необходимо, наряду с расширением, осуществлять компримирование рабочего тела, причем при таких условиях, чтобы работа сжатия в круговом процессе была меньше работы расширения. Получаемая в тепловом двигателе полезная работа определяется как разность работ расширения и сжатия рабочего тела.

В зависимости от способов подвода теплоты к рабочему телу, организации процессов расширения и сжатия рабочего тела газотурбинные установки могут быть выполнены по открытому (разомкнутому), закрытому (замкнутому) и полузакрытому циклам. Возможны также открытые схемы ГТУ с поршневыми генераторами газов.

В ГТУ открытого цикла наружный воздух, пройдя процесс сжатия, систему подвода теплоты и процесс расширения, выбрасывается в атмосферу и его уже нельзя вернуть в установку в качестве рабочего тела, т. е. посредством всасывания воздуха и выпуска газов в атмосферу осуществляется постоянная замена рабочего тела в цикле двигателя.

В ГТУ закрытого цикла в системе, находящейся под относительно высоким давлением, постоянно циркулирует одно и то же количество рабочего тела. Поэтому в замкнутых циклах подвод и отвод теплоты к рабочему телу осуществляется через теплопередающую поверхность и рабочее тело не смешивается с продуктами сгорания топлива и окружающим воздухом.

ГТУ полузакрытого цикла являются установками промежуточной схемы между ГТУ открытого и закрытого циклов. Разомкнутая часть схемы служит для подвода воздуха из атмосферы в замкнутую часть и отвода из нее избыточного рабочего тела.

Наибольший практический интерес для газовой и нефтяной промышленности представляют ГТУ открытого цикла, как наиболее простые и надежные в конструктивном отношении. Установки именно этих схем и получили наибольшее распространение в промышленности.

Представление о простейшей ГТУ, работающей по открытому циклу, с подводом теплоты к воздуху в камере сгорания при постоянном давлении дает рис. 1.

Схема I соответствует варианту ГТУ в одновальном исполнении; схема II – варианту ГТУ в двухвальном исполнении (ГТУ с независимой силовой турбиной).

Простейшие принципиальные схемы ГТУ открытого типа

Рис.1

I – одновальная ГТУ: 1 – осевой компрессор, 2 – камера сгорания, 3 – газовая турбина,

 4 – полезная нагрузка, В – подвод топлива;

II – двухвальная ГТУ: 1 – осевой компрессор, 2 – камера сгорания, 3 – газовая турбина высокого давления, 4 – газовая турбина низкого давления, 5 – полезная нагрузка, В – подвод топлива.

Рабочий процесс газотурбинной установки.

Рабочий процесс ГТУ простейшей схемы осуществляется следующим образом: атмосферный воздух, пройдя систему фильтров, поступает на вход осевого компрессора 1. после сжатия в осевом компрессоре воздух с давлением 0,5 – 0,7 МПа и температурой 180 - 240°С поступает в камеру сгорания 2, где он разделяется на два потока: меньшая часть непосредственно участвует в процессе горения подведенного извне топлива, а большая его часть, пройдя между корпусом камеры сгорания и ее жаровой трубой, служащей для организации процесса сжигания топлива, охлаждает жаровую трубу, а после смешения с продуктами сгорания в конце камеры сгорания снижает температуру газов до величины, обусловленной жаростойкостью лопаток и дисков газовой турбины 3 (750 - 850°С в стационарных ГТУ). После прохождения газовой турбины продукты сгорания с температурой порядка 400 - 450°С выбрасываются в атмосферу.

Мощность, развиваемая газовой турбиной, расходуется на привод осевого компрессора (большая ее часть, примерно 60 - 70%) и на привод полезной нагрузки (насосы, вентиляторы, нагнетатели и т. д.). С точки зрения основных показателей ГТУ, на номинальной нагрузке схемы I и II ничем между собой не отличаются, но схема II широко используется для стабилизации показателей ГТУ в условиях переменной нагрузки, когда тяговая газовая турбина 4 работает с переменным числом оборотов при различных уровнях мощности полезной нагрузки.

Рассмотрим цикл ГТУ простейшей схемы (рис. 2). В качестве рабочего тела примем идеальный газ, подчиняющийся уравнению Клапейрона (pv = RT) и, следовательно, энтальпию и теплоемкость газа будем рассматривать как функции только температуры.

Атмосферный воздух после прохождения системы воздушных фильтров с параметрами p_a ,T_a поступает в осевой компрессор I. Линия p_a - p_c¢ характеризует процесс сжатия в координатах p – v в изоэнтропийном (обратном адиабатном) процессе (схема I, рис. 2); линия p_a - p_c соответствует реальному процессу сжатия от начальных параметров воздуха перед компрессором p_a ,T_a до параметров p_с ,T_с.

Линия p_c – p_z соответствует условно изобарному процессу подвода теплоты в камере сгорания (схема II, рис. 2); при этом температура рабочего тела возрастает до значения T_z – величины, обусловленной жаростойкостью лопаток и дисков газовой турбины. Давление рабочего тела при этом несколько снижается вследствие гидравлических потерь в тракте компрессор – камера сгорания – турбина (p_z < p_c):

P_z = q₁p_c,

где q₁ – коэффициент, учитывающий потери давления между компрессором и турбиной (q₁ = 0,95¸0,96).

На рис. 2 гидравлические потери в тракте ГТУ не учтены.

Процессы, происходящие в ГТУ. Цикл ГТУ в координатах p – v и T - S

Рис. 2

p_a - p_c – сжатие; p_c – p_z – подвод теплоты; p_z – p_s – расширение; p_s – p_a – выхлоп; 1 – осевой компрессор; 2 – камера сгорания; 3 – газовая турбина; 4 – полезная нагрузка; В – подвод теплоты турбины

Линия p_z - p_s¢ характеризует расширение газа в турбине в изоэнтропийном процессе, а линия p_z - p_s соответствует реальному процессу расширения газа в турбине от давления p_z до давления p_s (схема III, рис. 2). Вследствие потерь давления газа за турбиной p_s> p_а:

p_а = q₂p_s = p_нар - ∆p_ф,

где q₂ – коэффициент, учитывающий потери давления в выхлопном тракте ГТУ (q₂ » 0,97 ¸ 0,98); p_нар – давление наружного воздуха; ∆p_ф – сопротивление воздушных фильтров на входе осевого компрессора (∆p_ф = 0,6¸1,0 кПа).

Линия p_s – p_a характеризует выхлоп продуктов сгорания в атмосферу, их охлаждение и замыкание цикла ГТУ (схема IV, рис. 2).

Заключение.

Действительный цикл газотурбинной установки отличается от теоретического прежде всего наличием внутренних необратимых потерь, которые являются следствием наличия гидравлических сопротивлений по трактам ГТУ, несовершенством преобразования энергии в осевых компрессорах и газовых турбинах, механических потерь в подшипниках, неполноты сгорания топлива, потерь тепла в окружающую среду со стороны внешнего корпуса установки, а также утечек рабочего тела через различные лабиринтные уплотнения. В реальных установках, эксплуатируемых на газопроводах, неизбежны также вспомогательные расходы энергии: на привод топливных и масляных насосов, подогрев топлива, на вентиляторы воздушного и масляного охлаждения и т. д.

Теория газотурбинных установок показывает, что они очень чувствительны к изменению термодинамических параметров цикла и, в частности, к изменению температуры и давлению наружного воздуха на входе в осевой компрессор установки. В условиях эксплуатации это проявляется в виде изменения внешних характеристик газотурбинной установки. При изменении давления наружного воздуха и неизменной его температуре, мощность установки изменяется прямо пропорционально изменению наружного давления. Однако колебания давления наружного воздуха на отдельных компрессорных станциях и от станции к станции происходят в сравнительно малых пределах, что и определяет малое влияние изменения давления наружного воздуха на работу ГТУ на магистральных газопроводах, расположенных в большинстве случаев в равнинной местности.

Повышение экономичности газотурбинных установок, в принципе, может быть осуществлено различными способами: применением регенеративного теплообмена, ступенчатого сжатия с охлаждением воздуха и ступенчатого расширения с дополнительным подводом тепла еще в одной камере сгорания, установленной между газовыми турбинами на пути расширения продуктов сгорания.

Список литературы
1.     Поршаков Б.П. Газотурбинные установки.- М.: Недра, 1992
2.     Кириллов И.И. Газовые турбины и газотурбинные установки. Т.1, М. «Машгиз», 1956. 434 с.