CC BY
35
ISSN 0321-2653 ИЗВЕСТИЯ ВУЗОВ. СЕВЕРО-КАВКАЗСКИЙ РЕГИОН.
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ. 2015. № 1
УДК 621.311 DOI: 10.17213/0321-2653-2015-1-138-139
АНАЛИЗ РАБОТЫ ДВУХВАЛЬНОЙ ГАЗОТУРБИННОЙ УСТАНОВКИ ПРИ ВПРЫСКЕ ВОДЫ ПЕРЕД КОМПРЕССОРОМ
ANALYSIS OF WORK OF TWO-SHAFT GAS TURBINE WITH WATER INJECTION IN UPSTREAM OF THE COMPRESSOR
© 2015 г. Хамза Насир Хамид
Хамза Насир Хамид - аспирант, Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова, г. Новочеркасск, Россия. E-mail: naseer.ham-za@mail.ru
Hamza Naseer Hameed - post-graduate student, Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia. E-mail: naseer.hamza@mail.ru
Анализируется нетрадиционный метод повышения эффективности работ газовой турбины с помощью впрыска воды на входе компрессора, когда все капли воды становятся паром в процессе сжатия в компрессоре с регенератором. Работа была выполнена для двухвальной газовой турбины типа GT-85-2-H. Распыление воды происходило в воздухозаборнике перед компрессором газотурбинной установки. Результаты экспериментальных исследований показывают, что впрыск пара уменьшает температуру на входе турбины T3 на 2,3 - 5,19 %.
Ключевые слова: двухвальная газовая турбина; камера сгорания; регенерация; впрыск воды.
This paper analyzes a non-traditional method using water injection in the compressor inlet when water droplets become steam during compression process in the compressor with the regenerator. The work was performed on two-shaft gas turbine type GT-85-2-H. Spraying water happens in the air intake of the compressor of a gas turbine test rig. Experimental studies show that the steam injection reduces the turbin inlet temperature T3 at 2,3 - 5,19 %.
Keywords: two-shaft gas turbine; combustor; regeneration; water injection.
В газотурбинных установках роль горячего источника выполняет камера сгорания, в которой рабочему телу передается тепло, выделяющееся в результате горения топлива. Таким образом, камера сгорания является одним из самых ответственных и тепло-напряженных узлов ГТУ. Процесс горения топливного газа является эффективным в случае обеспечения полноты и устойчивости сгорания топлива на различных режимах работы ГТУ [1]. Сгорание будет полным, если его продукты не способны дальше окисляться, т. е. процесс протекает с минимальными механическим и химическим недожогами. Все это является важным условием, которое необходимо учитывать при проектировании любой камеры сгорания, для получения высокого значения КПД и рассчитанной на определенные тепловые нагрузки. Данная проблема решалась на протяжении многих лет [2].
Одной из главных задач, решаемых при создании камер сгорания ГТУ наземного применения, является обеспечение нормативных требований на уровне эмиссии вредных веществ в атмосферу. Наиболее опасные среди них являются оксиды азота.
Свойства топлива как горючего материала определяются его составом. Любое топливо состоит из: горючей части (углерод (С), водород (Н) и сера ^А); кислород (О), азот (Ы), минеральные вещества (А) и влага Эти элементы образуют сложные химические соединения. Химическая реакция горения в камере сгорания ГТУ определяется уравнениями [3, 4].
C„H™ + А,
n + m 4
[O2 + 3,76N2 ] + (y) H2O ^
n) CO2 +
p.-1)( n+m j
O2 +
3,76X| n + m
+(m /2 + y)H2O ^
^ mA2 +^кс mf @m]Qcr + mA @ an, =
= (ma + mf @inj ) + mA
@ t»
N2 +
(1)
(2)
где т - масса, кг; t - температура, °С; QС - низшая теплота сгорания, кДж/кг; h - теплосодержание, кДж/кг; "Лкс- КПД камеры сгорания. Индексы: а -
4
ISSN 0321-2653 ИЗВЕСТИЯ ВУЗОВ. СЕВЕРО-КАВКАЗСКИИ РЕГИОН.
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ. 2015. № 1
воздуха; f - топливо; g - горячие газы; 5 - пар; @щ -при впрыске; 2 - на выходе из компрессора; 3 - на входе в турбину.
Теплота, полученная на выходе из камеры сгорания, равна
2 = Лкст/2<г, кДж.
Тепловой и материальный баланс схематично представлены на рис. 1.
СпНт
X n+m о
х| n±m |[3,76]N2
(v)H2O
Камера сгорания, охлаждаемая
паром с избытком воздуха X в присутствии пара
(n)CO2
X(m / 2)H2O+ +yH2O
(X 1)1 n ^|O2
[3,76X| n+—|]N2
920
О
, 900
ft 880
860
чд о x и
CS Д
es 840
I 820
<u H
800
регенер. цик.
регенер. и впр.воды
0,0005
0,001
Расход топлива, кг/с
0,0015
Рис. 2. Зависимость температуры на входе турбины Т3 от расхода топлива для ГТУ с влагой
Впрыск влаги перед компрессором создает благоприятные условия для работы камеры сгорания: снижает не только температуру, но и энтальпию на выходе из нее. При этом облегчается работа металла лопаток газовой турбины, что сказывается на надежности и безопасности ее эксплуатации. Это дает возможность повысить нагрузку турбины путем увеличения расхода топлива.
Литература
m3 = mg + ms
Рис. 1. Схема подвода - отвода элементов к камере сгорания
На рис. 2 показана зависимость температуры на входе в турбину Т3 от расхода топлива с влагой, определенная расчетным и экспериментальным методами.
Fraize W.E., Kinney C. Effect of Steam Injection On The Performance Of Gas Turbine Power Cycles // ASME journal of engineering for power. Apr. 1979. Vol.101. P. 217. Look D.C., Sauer H.J. Engineering Thermodynamics. VNR international, Hong Kong, 1988, P.186. Mathioudakis K. "Evaluation of Steam and Water Injection Effects On Gas Turbine Operation Using Explicit Analytical Relations", 2007 URL: http://pia.sagepub.com/content/216/6 (дата обращения 01.03.2014).
Aissani S., Bouam A., Kadi R. Evaluation of Gas Turbine Performances and NOx and CO Emissions During the Steam Injection in the Upstream of Combustion Chamber, 2014. URL: http:// www.cder.dz/download/ICRESD07_47.pdf (дата обращения 01.05.2014).
4
References
1. Fraize W.E., Kinney C. Effect of Steam Injection On The Performance Of Gas Turbine Power Cycles. ASME journal of engineering for power, Apr.1979, vo1.101, pp.217.
2. Look D.C., Sauer H.J. Engineering Thermodynamics. VNR international. Hong Kong, 1988, pp.186.
3. Mathioudakis K. Evaluation of Steam and Water Injection Effects On Gas Turbine Operation Using Explicit Analytical Rela-tions,2007. Available at: http://pia.sagepub.com/content/216/6 (accessed 01.03.2014).
4. Aissani S., Bouam A., Kadi R. Evaluation of Gas Turbine Performances and NOx and CO Emissions During the Steam Injection in the Upstream of Combustion Chamber, 2014. Available at: http:// www.cder.dz/download/ICRESD07_47.pdf (accessed 01.05.2014).
Поступила в редакцию 20 ноября 2014 г.
