Спосіб визначення ккд газотурбінної установки

Способ определения кпд газотурбинной установки, заключающийся в измерении температуры на входе в двигатель, теплотворной способности топлива, отличающийся тем, что измеряют на эксплуатационном режиме температуру топлива и температуру уходящи х газов, определяют теоретически необходимое количество воздуха для полного сгорания единицы массы топлива, измеряют концентрацию кислорода в уходящих газах, рассчитывают коэффициент избытка воздуха, рассчитывают относительную массу уходящи х газов газотурбинной установки, приходящуюся на единицу массы топлива, потребляемого газотурбинной установкой, равную произведению коэффици C2 (54) СПОСІБ ВИЗНАЧЕННЯ ККД ГАЗОТУРБІННОЇ УСТАНОВКИ 39984 В основу изобретения поставлена задача создания способа, обладающего более широкими функциональными возможностями по сравнению с прототипом, обеспечивающего определение к.п.д. ГТУ на рабочих режимах в условиях эксплуатации на компрессорных станциях газопроводов. В частности, без использования измерений индивидуального расхода топливного газа и индивидуальной производительности газоперекачивающего агрегата, которые невозможно (либо очень сложно) обеспечить в условиях эксплуатации. Поставленная задача решается тем, что в способе определения к.п.д, газотурбинной установки, заключающемся в измерении температуры на входе в двигатель, теплотворной способности топлива, согласно изобретению, измеряют на эксплуатационном режиме температуру топлива и температуру уходящи х газов, определяют теоретически необходимое количество воздуха для полного сгорания единицы массы топлива, измеряют концентрацию кислорода в уходящих газах, рассчитывают коэффициент избытка воздуха, рассчитывают относительную массу уходящи х газов ГТУ, приходящуюся на единицу массы топлива, потребляемого ГТУ, равную произведению коэффициента избытка воздуха и теоретически необходимого количество воздуха для полного сгорания единицы массы топлива, измеряют концентрации не полностью сгоревших газов в продуктах сгорания и рассчитывают относительные потери тепла вследствие неполного сгорания единицы массы топлива, определяют относительную полезную энергию газотурбинной установки, равную разности подводимой и отводимой от газотурбинной установки тепловой энергии, приходящейся на единицу массы топлива, учитывая при этом относительные потери тепла с уходящими газами ГТУ, приходящимися на единицу массы топлива, относительные потери тепла вследствие неполного сгорания единицы массы топлива, относительные потери тепла через корпус ГТУ, приходящиеся на единицу массы топлива, и относительные механические потери энергии, приходящиеся на единицу массы топлива, а к.п.д. газотурбинной установки определяют в виде отношения относительной полезной энергии газотурбинной установки, приходящейся на единицу массы топлива к теплотворной способности единицы массы топлива. Предлагаемый способ заключается в том, что на эксплуатационном режиме измеряют температуру атмосферного воздуха на входе в двигатель термометрами. Определяют теплотворную способность топлива по данным сертификата на топливо. Измеряют на эксплуатационном режиме температуру топлива и температуру уходящи х газов с помощью термометров (термопар). Теоретически необходимое количество воздуха для полного сгорания единицы массы топлива определяют по концентрациям отдельных горючих составляющих в одном килограмме топлива. Концентрации горючих составляющих в топливе определяют с помощью хроматографов и считают известными, так как состав топлива, его теплотворная способность и другие характеристики даются в сертификате на топливо. Количество воздуха, необходимое для сжигания единицы массы каждой горючей составляющей топлива, также считается извест ным. Концентрацию кислорода в уходя щих газах измеряют газоанализатором, например, широко распространенным газоанализатором TESTO-33. Коэффициент избытка воздуха в уходящи х газах с высокой точностью определяется величиной отношения концентрации кислорода в воздухе к разности концентраций кислорода в воздухе и уходящих газах. Определение коэффициента избытка воздуха в уходящи х газах производится также вычислительными блоками ряда газоанализаторов, в том числе и газоанализатора TESTO-33. Относительную массу уходящи х газов ГТУ, приходящуюся на единицу массы топлива, потребляемого ГТУ, и равную произведению коэффициента избытка воздуха и теоретически необходимого количества воздуха для полного сгорания единицы массы топлива, определяют по формуле g y r = a L0 , где gуг - относительная масса уходящи х газов ГТУ, приходящаяся на единицу топлива, потребляемого ГТУ; L0 - теоретически необходимое количество воздуха для полного сгорания единицы массы топлива; a - коэффициент избытка воздуха. Концентрации не полностью сгоревших газов в продуктах сгорания (например, оксидов углерода СО, углеводородов и др.) измеряют газоанализатором, и по измеренным концентрациям рассчитывают потери тепла вследствие неполного сгорания единицы массы топлива, при этом считая известными теплотворные способности не полностью сгоревших газов и используя рассчитанную относительную массу уходящих газов ГТУ, приходящуюся на единицу топлива, потребляемого ГТУ n qнс = gу г å Hi Ki , i =1 где qнс - потери тепла вследствие неполного сгорания единицы массы топлива кДж/кг; gуг - относительная масса уходящих газов ГТУ, приходящаяся на единицу топлива, потребляемого ГТУ; Кi - концентрация не полностью сгоревшей і-той компоненты несгоревших газов в продуктах сгорания; Нi - теплотворная способность і-той компоненты несгоревших газов в продукта х сгорания кДж/кг; Растет потерь тепла, вследствие неполного сгорания топлива, производится также вычислительными блоками современных газоанализаторов. Относительную полезную энергию газотурбинной установки, равную разности подводимой и отводимой от газотурбинной установки тепловой энергии, приходящейся на единицу массы топлива, расчитывают по формуле En1 = H + C рт t т + (g yr - 1) C рвt атм -qнс - gyr Cpyr t yr - qкорп - nмex где: En1 - относительная полезная энергия газотурбинной установки, приходящаяся на единицу массы топлива, кДж/кг; Н - теплотворная способность топлива, кДж/кг; 2 39984 Срт - теплоемкость топлива, кДж/(кг °С); tт - температура топлива, °С; gуг - относительная масса уходящих газов ГТУ, приходящаяся на единицу массы топлива, потребляемого ГТУ; Срв - теплоемкость атмосферного воздуха, кДж/(кг °С); tатм - температура атмосферного воздуха, °С; qнс - потери тепла, вследствие неполного сгорания единицы массы топлива кДж/кг; Сруг - теплоемкость уходящи х газов, определяемая их температурой и коэффициентом избытка воздуха, кДж/(кг °С); tyг - температура уходящи х газов, °С; qкорп - потери тепла через корпус ГТУ, приходящиеся на единицу массы топлива, потребляемого ГТУ, кДж/кг; nмех - механические потери энергии в ГТУ, приходящиеся на единицу массы топлива, потребляемого ГТУ, кДж/кг. Приведенная формула учитывает относительные потери тепла с уходящими газами ГТУ, приходящимися на единицу массы топлива, относительные потери тепла из-за неполного сгорания единицы массы топлива, относительные потери тепла через корпус ГТУ, приходящиеся на единицу массы топлива и относительные механические потери энергии, приходящиеся на единицу массы топлива. Для ГТУ мощностью более 5 МВт потери тепла через корпус ГТУ составляют не более 1% от всего подводимого к ГТУ тепла. Для ГТУ мощностью более 12 МВт потерями тепла через корпус ГТУ можно пренебречь. Если допустить, что потери тепла через корпус ГТУ являются функцией разности температур уходящих газов и атмосферного воздуха, то для оценки потерь тепла через корпус ГТУ (из-за их относительно малых значений) можно воспользоваться первым дифференциалом этой функции. В этом случае потери тепла через корпус ГТУ, приходящиеся на единицу массы топлива, потребляемого ГТУ, рассчитываются по формуле Еп1 - о тносительная полезная энергия газотурбинной установки, приходящаяся на единицу массы топлива, кДж/кг; Н - теплотворная способность топлива, кДж/кг; Технический результат от применения предложенного способа заключается в том, что способ обеспечивает определение к.п.д. ГТУ на рабочих режимах в условиях эксплуатации на компрессорных станциях газопроводов, причем без использования измерений индивидуального расхода топливного газа и индивидуальной производительности газоперекачивающего агрегата, которые невозможно (либо очень сложно) обеспечить в условиях эксплуатации. Способ не предусматривает никаких тр удоемких операций, может быть применен в газовой промышленности, энергетике и других о траслях хозяйства. Пример. В настоящем примере приведены результаты испытаний газоперекачивающего агрегата ГПУ-16 с газотурбинной установкой ДЖ-59-Л2 с помощью предлагаемого способа. В процессе испытаний на фактическом эксплуатационном режиме произведены следующие измерения и расчеты: измерена температура атмосферного воздуха t aтм = 35° С; определена по данным сертификата газа теплотворная способность топливного газа Н = 48193 кДж/кг; измерена температура tт = = 10° C топливного газа; измерена температура tyг = 315° С уходящих газов газотурбинной установки в выхлопном газоходе; по данным сертификата газа определено теоретически необходимое количество воздуха для полного сгорания одного килограмма топливного газа L0 = 17,2 кг; измерена прибором TESTO-33 концентрация кислорода К02 = = 17,6% в уходящи х газах; рассчитан коэффициент избытка воздуха по формуле a = 21/(21-К02) = = 21/(21-17,6) = 6,176; раccчитана относительная масса уходящи х газов ГТУ, приходящаяся на единицу массы топлива потребляемого ГТУ, равная произведению коэффициента избытка воздуха и теоретически необходимого количество воздуха для полного сгорания единицы массы топлива gуг = aL0 = 6,176´17,2 = 106,2 кг; газоанализатором определены концентрации не полностью сгоревших газов в продуктах сгорания (учтена массовая концентрация несгоревших углеводородов Куг = = 46 ´ 10-6) и рассчитаны потери тепла из-за неполного сгорания топлива, составившие qнс = gугН Куг = 106,2´48193´46´10-6 = 235 кДж/кг; определена относительная полезная энергия газотурбинной установки равная разности подводимой и отводимой от газотурбинной установки тепловой энергии, приходящейся на единицу массы топлива, учитывая при этом относителные потери тепла с уходящими газами ГТУ, приходящиеся на единицу массы топлива, относительные потери тепла из-за неполного сгорания единицы массы топлива, относительные потери тепла через корпус ГТУ, приходящиеся на единицу массы топлива и относительные механические потери, приходящиеся на единицу массы топлива по формуле qкорп = Cкорп1(t y r - t атм ), Скорп1 - коэффициент, зависящий от типа ГТУ и определяемый индивидуально для каждого типа ГТУ; tyг - температура уходящи х газов; tатм - температура атмосферного воздуха. Ме ханические потери в ГТУ составляют несколько десятых долей процента от всей потребляемой ГТУ тепловой энергии и для каждого типа ГТУ являются известной величиной, определенной техническими условиями ГТУ. Коэффициент полезного действия газотурбинной установки определяют в виде отношения относительной полезной энергии газотурбинной установки, приходящейся на единицу массы топлива. к теплотворной способности единицы массы топлива по формуле En1 = HCрт t т + (gyr - 1)Cрв tатм - qнс h гту = En1 / H , -g yrСpyrt yr - q корп n мех H + Cрт tт + (g yr- 1)C t атм= рв -q нс- gyr Сpyr t yr - C корп (t yr - tатм ) - nмех = где hгту- коэффициент полезного действия ГТУ; 3 39984 nмеx = 300 кДж, определяемые конструкцией агрегата (значения nмех и Скорп1 определены по результатам проведенных ранее для агрегатов данного типа испытаний). Рассчитан к.п.д. газотурбинной установки в виде отношения относительной полезной мощности газотурбинной установки, приходящейся на единицу массы топлива, к теплотворной способности единицы массы топлива по формуле = 48193+2,52´10+(106,2-1)´1,0028´35-235 - 106,2´1,0337´315-2,9´ (315-35)-450 = 15833 кДж. В формулу для вычисления относительной полезной энергии газотурбинной установки подставлены значения: теплоемкость топливного газа Срт = 2,52 кДж/(кг °С) (данные сертификата на газ), теплоемкость воздуха С рв =1,0028 кДж/(кг °С), теплоемкость уходящи х газов, имеющих коэффициент избытка воздуха a = 6,176 и температуру tyг = 315° С, а также значения Скорп1 = 2,9кДж/°С и hгту = Е n1 /Н = 15833/48193 = 0,328. __________________________________________________________ ДП "Український інститут промислової власності" (Укрпатент) Україна, 01133, Київ-133, бульв. Лесі Українки, 26 (044) 295-81-42, 295-61-97 __________________________________________________________ Підписано до друку ________ 2001 р. Формат 60х84 1/8. Обсяг ______ обл.-вид. арк. Тираж 50 прим. Зам._______ ____________________________________________________________ УкрІНТЕІ, 03680, Київ-39 МСП, вул. Горького, 180. (044) 268-25-22 ___________________________________________________________ 4