В статье представлены методика, алгоритм и результаты расчета номинальных параметров всей проточной части газотурбинного двигателя (ГТД) ГТЭ-6,3/МС, входящего в состав теплоэлектростанции (ТЭС) «Мотор Сич ЭГ 6000Т-Т10500-3ВН М1УХЛ1» изготовителя АО «Мотор Сич» г. Запорожье, Украина.
Исследование
Для обеспечения производственных процессов подготовки и транспорта углеводородного сырья на промплощадкеТямкинского месторождения предназначена теплоэлектростанция оснащенная газотурбинным двигателем, электрогенератором и котлом-утилизатором тепла продуктов сгорания, уходящих из силовой турбин.
Общий вид газотурбинного двигателя ГТЭ-6,3/МС представлен на рисунке 1.
Рис.
1. Общий вид ГТЭ-6,3/МС
ГТД – трехвальный, предназначен для привода синхронного генератора электростанции, что обеспечивается передачей крутящего момента от ведущего вала свободной турбины через редуктор и валопровод с фрикционной и мембранной муфтами на вал генератора [5].
На рисунке 2 представлена принципиальная схема ГТД с номинальными термогазодинамическими параметрами.
Рис. 2. Конструкционная схема ГТЭ-6,3/МС и схема измерения термогазодинамических параметров
компрессор низкого давления (КНД); компрессор высокого давления (КВД);
камера сгорания (КС); турбина высокого давления (ТВД); турбина низкого давления (ТНД); турбина силовая (ТС)
В таблице1 представленоограниченное количество номинальных параметров ГТД.
Таблица 1
Номинальные параметры ГТЭ-6,3/МС
№ |
Наименование |
Размерность |
Обозначение |
Значение |
Примечания |
1 |
Эффективная мощность ГТД |
кВт |
Ne |
6300 |
|
2 |
Степень сжатия воздуха в ОК |
- |
εок |
15,9 |
eОК=Рс/Ра |
3 |
Расход условного топлива на номинальном режиме в нормальных условиях |
кг/с |
Ву.т |
0,4194 |
Низшая теплотворная способность условного топлива, =50056 кДж/кг |
3 |
Расход продуктов сгорания после ТС |
кг/с |
Мпс |
32,1652 |
|
4 |
Температура продуктов сгорания на выхлопе |
К |
ТS |
704 |
|
5 |
Потери давления на выходе турбины силовой |
кПа |
ΔРs |
1,52 |
|
9 |
Эффективный КПД ГТД |
- |
hе |
0,31 |
|
10 |
Номинальная температура воздуха перед КНД |
К |
Та |
288 |
|
11 |
Номинальное давление воздуха перед КНД |
кПа |
Ра |
101,33 |
|
12 |
Давление воздуха после КВД |
кПа |
РС |
1611,15 |
РС=Ра×eОК |
Для расчёта дополнительных параметров разработана методика и составлены уравнения по данным литературы [1, 2, 3, 4].
Расход воздуха:
= . (1)
Номинальный расход реального топлива:
, (2)
где = 50056 кДж/кг (таблица 1) - теплотворная способность условного топлива; = 46117 кДж/кг - теплотворная способность реального топлива (попутный газ) Тямкинского месторождения Уватского района Тюменской области; Ву.т= 0,4194 кг/с - расход условного топлива на номинальном режиме в нормальных условиях при Та=288К, Ра=101,33 кПа (таблица 1). Тогда:
Теоретически необходимое количество воздуха на 1 кг топлива:
== 15,902 кг/кг . (3)
Коэффициент избытка воздуха:
== 4,38 . (4)
Температура продуктов сгорания на входе турбины силовой (ТС):
, (5)
где Ne = 6300 кВт, Мпс = 32,1652 кг/с, Тs =704К (таблица 1).
В формуле (5) неизвестно среднее значение удельной теплоёмкости продуктов сгорания в интервале температур Тs (таблица 1) и Тs'.
Среднее значение удельной теплоёмкости продуктов сгорания:
СРпс=А+ t×9,355×10-5+t2×3,7×10-7-t3×2,77×10-10, (6)
где А=1,031 при значении коэффициента избытка воздуха a≤5;
t = (Тs' +Тs)/2 –273, °С- среднее значение температурыпродуктов сгорания в турбине силовой.
Уравнение для СР получено при аппроксимации графических зависимостей СРm=f(T,a) [3].
Методом итерации (в диапазоне температур 800К-1000К) подбираем такое значение Тs' , чтобы принятое значение и расчетное имело расхождение до 1%. Принимаем Тs'=870К. Тогда, при t=(Тs' +Тs)/2-273=514°С:
СРпс=1,031+514×9,355×10-5+5142×3,7×10-7-5143×2,77×10-10=1,1391 кДж/кг·°С
Температура продуктов сгорания на входе ТС:
= = 876К. (7)
Расхождение принятого Тs' = 870К и расчетного значения Тs' = 876К:
δ = ((876 – 870)/876)×100 = 0,69% . (8)
Для дальнейших расчетов Тs' = 876К.
Температура за компрессором высокого давления (КВД):
, (9)
где nок = 1,5 - принятое значение коэффициента политропного процесса повышения давления воздуха в осевом компрессоре; Pc - абсолютное давление воздуха за КВД , где εок– степень повышения давления в осевом компрессоре (ОК), (таблица 1); Pа - номинальное давление на входе ОК, кПа (таблица 1).
Мощность ОК (КНД+КВД):
кВт, (10)
где-теплоёмкость воздуха при t=(Тс+Тa)/2-273=(724+288)/2273=233°С.
СРв=1,031+233×9,355×10-5+2332×3,7×10-7-2333×2,77×10-10=1,0694 кДж/кг·°С
Из баланса мощностей:
, (11)
где: NтвдиNтнд- мощности, соответственных турбин.
Тогда температура продуктов сгорания перед ТВД
K ,(12)
где, исходя из вышеуказанного метода итерации принимаем Tz=1270K и определяем t = (Тz+T's)/2 –273 = (1270+876)/2 – 273=800°С. Тогда:
СPпс=1,031+800×9,355×10-5+8002×3,7×10-7-8003×2,77×10-10=1,2005 кДж/кг·°С.
Для дальнейших расчетов Тz = 1265К.
Мощность турбины:
кВт, (13)
где - теплоёмкость воздуха при t = (Тz+ Тs)/2 – 273 = (1264 + 704)/2 – 273=711°С:
СРв=1,031+711×9,355×10-5+7112×3,7×10-7-7113×2,77×10-10 = 1,1847кДж/кг·°С.
Проверка:
Neрассч. =N(ТВД+ТНД+СТ) - N(ТВД+ТНД) = 21377,53 – 15016 = 6362 кВт
где =32,1652·1,2001(1265 - 876) = 15016 кВт;
где t = (Тz+T's)/2 –273 = (1265+876)/2 – 273=794,5°С. Тогда:
СPпс=1,03+794,5×9,355×10-5+794,52×3,7×10-7-794,53×2,77×10-10=1,2 кДж/кг·°С
Расхождение номинальной эффективной мощности ГТД Ne= 6300 кВт и расчетной эффективной мощности ГТД Neрассч. = 6362 кВт:
δN= = % . (14)
КПД камеры сгорания определим по формуле:
= =0,973, (15)
где, при значении t = (Тz+Tс)/2 –273 = (1265+724)/2 – 273=721,5°С:
СPсм=1,03721,5×9,355×10-5+721,52×3,7×10-7-721,53×2,77×10-10=1,1904 кДж/кг·°С.
Эффективный КПД агрегата:
= = 0,303. (16)
Проверка расчёта:
.% . (16а)
Баланс мощностей:
= = 21369 кВт . (17)
Проверку расчёта проводим по формуле:
= = 0,04%. (18)
Давление продуктов сгорания после ТС:
Рs = Ра + ΔРs = 101,33 + 1,52 = 102,85 кПа . (19)
Коэффициент политропного расширения продуктов сгорания:
= = 1,2759 , (20)
где Рz=Рc×sкс=1611,15×0,96=1546,7 кПа, sкс = 0,96¸0,98 - коэффициент гидравлического сопротивления камеры сгорания [1, 2].
Давление продуктов сгорания перед ТС:
= = 298,7 кПа. (21)
Коэффициент политропного процесса повышения давления воздуха в осевом компрессоре:
= = 1,498.(22)
Принимаем температуру за КНД равной Т`с=388К. Тогда
= = 248,35 кПа. (23)
Проверка принятого значения Т`с по данным КВД:
== 246,75 кПа. (24)
Из полученных значений выбираем среднее значение давления:
Р`сср=(Рс1+Рс2)/2 = (248,35+246,75)/2 = 247,55 кПа
= = 387,6К. (25)
Для дальнейших расчетов Т'с =387,6К.
При значении коэффициента адиабатного процесса повышения давления воздуха (к = 1,4) в осевом компрессоре:
= = 371,73К . (26)
Мощности отдельных узлов (КНД, КВД, ТНД, ТВД):
КНД: индикаторная
= = 3293,4 кВт,
где при t = (Тс'+Тa)/2 –273 = (387,6+288)/2 – 273=64,8°С:
СРв=1,031+ 64,8×9,355×10-5+64,82×3,7×10-7-64,83×2,77×10-10=1,0386 кДж/кг·°С;
адиабатная
= = 2655,1кВт,
где при t = (Тс.ад'+Тa)/2 –273 = (371,73+288)/2 – 273=56,86°С:
СРв=1,031+56,86×9,355×10-5+56,862×3,7×10-7-56,863×2,77×10-10=1,0375кДж/кг·°С.
КПД КНД:
0,8062 . (27)
КВД: индикаторная
= = 11528,1 кВт,
где при t = (Тс+Т'с)/2 –273 = (724+387,6)/2 – 273=282,8°С:
СРв=1,031+282,8×9,355×10-5+282,82×3,7×10-7-282,83×2,77×10-10=1,0807кДж/кг·°С.
При значении коэффициента адиабатного процесса повышения давления воздуха (к = 1,4) в осевом компрессоре:
, (28)
адиабатная
==8916,7 кВт,
где при t = (Тс.ад+Т'с.ад)/2 –273 = (634,8+373,73)/2 – 273=230,3°С:
СРв=1,031+230,3×9,355×10-5+230,32×3,67×10-7-230,33×2,77×10-10=1,069кДж/кг·°С;
индикаторный КПД КВД
. (29)
Проверку расчёта проводим по формулам 30 и 31:
= 11528,1+3293,4 = 14821,5 кВт , (30)
=0,01%. (31)
Температура продуктов сгорания за ТВД:
==963,4К, (32)
где, исходя из вышеуказанного метода итерации принимаем T'z=964K и определяем
t = (Тz+T's)/2 –273 = (1265+964)/2 – 273=841,5°С.
Тогда:
СPпс=1,031+841,5×9,355×10-5+841,52×3,7×10-7-841,53×2,77×10-10=1,2063.
Для дальнейших расчетов T'z=964K.
Давление продуктов сгорания за ТВД в политропном процессе:
=440,2 кПа, (33)
Давление продуктов сгорания в адиабатном процессе (кt=1,3):
за ТВД = = 958,11К , (34)
за ТНД = = 876К . (35)
Мощности турбин (ТНД и ТВД) рассчитываем по формулам:
ТНД:
индикаторная:
=3315,7кВт ,
где, при t = (Т'z+T's)/2 –273 = (964+876)/2 – 273=647°С :
СPпс=1,031+647×9,355×10-5+6472×3,7×10-7-6473×2,77×10-10=1,1714;
адиабатная:
==3089 кВт ,
где при t = (Т'z.ад+Т's.ад)/2 –273 = (958,11+876)/2 – 273=644°С:
СРв=1,031+644×9,355×10-5+6442×3,67×10-7-6443×2,77×10 10=1,1695кДж/кг·°С ;
индикаторный КПД ТНД:
. (36)
ТВД: индикаторная:
=кВт, (37)
где при t = (Тz –273) =1265- 273 = 992°С :
СPпс=1,031+992×9,355×10-5+9922×3,7×10-7-9923×2,77×10-10=1,2174;
индикаторный КПД ТВД:
. (38)
Индикаторная мощность турбин (ТВД+ТНД):
= кВт . (39)
Эффективная мощность ТС:
=кВт . (40)
Проверка расчёта:
.%. (41)
Эффективный КПД агрегата:
= = 0,299 . (42)
Проверка расчёта:
.%.
Для проверки достоверности разработанной методики определения термодинамических параметров проточной части газотурбинного привода ГТЭ-6,3/МС составлена таблица 2.
В таблице 2 приведены заводские и расчетные значения мощности и КПД узлов газотурбинного привода ГТЭ-6,3/МС: компрессора низкого давления (КНД); компрессора высокого давления (КВД); камеры сгорания (КС); турбины высокого давления (ТВД); турбины низкого давления (ТНД); турбины силовой (ТС).
Таблица 2
Заводские и расчетные значения мощности и КПД ГТЭ-6,3/МС
№ |
Наименование |
Размерность |
Обозначение |
Значения |
Погреш- ность, % |
Формула |
|
завод- ские |
расчет- ные |
||||||
1 |
Эффективная мощность ГТД |
кВт |
Ne |
6300 |
6362 |
0,98 |
14 |
6275 |
0,4 |
41 |
|||||
2 |
Эффективный КПД ГТД |
- |
hе |
0,31 |
0,303 |
2,26 |
16 |
0,299 |
3,55 |
42 |
|||||
3 |
Индикаторные мощности: КНД КВД ТВД ТНД |
кВт |
Nкнд |
- |
3293 |
- |
- |
Nквд |
- |
11528 |
- |
- |
|||
Nтвд |
- |
11787 |
- |
- |
|||
Nтнд |
- |
3316 |
- |
- |
|||
4 |
Индикаторные КПД: КНД КВД ТВД ТНД |
- |
hкнд |
- |
0,806 |
- |
- |
hквд |
- |
0,773 |
- |
- |
|||
hтвд |
- |
0,945 |
- |
- |
|||
hтнд |
- |
0,806 |
- |
- |
После капитального ремонта необходимо провести испытания газотурбинного привода для определения номинальных параметров, отремонтированного, и сравнивать текущее значение параметров с номинальными параметрами этого агрегата, а не нового. Проверка по общим результирующим параметрам доказывает достоверность методики контроля номинальных параметров газотурбинного двигателя ГТЭ-6,3/МС. По изменению эффективной мощности и КПД ГТЭ-6,3/МС можно оценить изменение технического состояния в зависимости от регулирования режимов работы ГПА и (или) зарождения и развития неисправностей. Необходимо различать изменение Nе и ηе при регулировании режима работы и при появлении неисправности. Поэтому каждое исследование проводится при идентичных условиях: частота вращения роторов, температура наружного воздуха, режим работы генератора, отборы воздуха должны быть идентичными.
Заключение. Рассчитанные по разработанной методике параметры газотурбинного двигателя имеют погрешность в сравнении с заводскими данными не более 4% по КПД и 1% по мощности, что говорит о возможности применения разработанного алгоритма для целей контроля качества проводимых ремонтов и диагностики технического состояния газотурбинного двигателя ГТЭ-6,3/МС в условиях эксплуатации. Расширенный ряд определяемых параметров позволяет повысить достоверность и глубину диагностических исследований, что положительно сказывается на общей надёжности не только газотурбинного привода, но и всей системы подготовки и транспорта углеводородного сырья Тямкинского месторождения.
Рецензенты:Земенков Ю. Д., д.т.н., профессор, заведующий кафедрой «Транспорт углеводородного сырья» ФГБОУ ВО «Тюменский государственный нефтегазовый университет», г. Тюмень;
Торопов С. Ю.,д.т.н., профессор кафедры «Транспорт углеводородного сырья» ФГБОУ ВО «Тюменский государственный нефтегазовый университет», г. Тюмень.