Спосіб визначення коефіцієнта повноти згоряння паливного газу в газотурбінних установках в експлуатаційних умовах

Спосіб визначення коефіцієнта повноти згоряння паливного газу в газотурбінних установках (ГТУ) в експлуатаційних умовах, який включає вимір витрати паливного газу, його теплотвірної здатності і необхідної КІЛЬКОСТІ повітря для його згоряння, а також операцію розрахунку коефіцієнта повноти згоряння паливного газу, який відрізняється тим, що необхідне для цього значення фактичного переданого тепла робочому тілу (газам) в камері згоряння знаходять з балансу енергій в (ГТУ) і в силовій турбіні, при цьому вимірюють ефективну потужність (ГТУ) за параметрами перекачуваного природного газу в газокомпресорі (нагнітачі) і визначають внутрішню потужність в силовій турбіні, вимірюють температуру повітря на вході в (ГТУ) і за теплофізичними характеристиками для повітря визначають його ентальпію, вимірюють температуру газів на вході і виході силової турбіни і за функціональною залежністю ентальпії від температури газів і коефіцієнта надлишку повітря в силовій турбіні, а також за визначеною внутрішньою потужністю в ній і ентальпією повітря на вході в (ГТУ) знаходять необхідну витрату паливного газу на фактичне передане тепло робочому тілу (газу) в камері згоряння і значення коефіцієнта надлишку повітря, використовуючи залежності теплового балансу для (ГТУ) і силової турбіни у вигляді Винахід відноситься до галузі випробувань і діагностування машин і може бути використаний ( i n a L 0 + Н) G' n r = М ГАЗУ В ГАЗО + G' n r ( a L 0 + 1)і 2 с т + AN, іст= Є 'пг( а І -0+ 1 )(ііст-'2ст) де і п - ентальпія повітря, що визначається за виміряною температурою повітря на вході в (ГТУ), G n r - необхідна витрата паливного газу на фактичне передане тепло робочому тілу (газам) в камері згоряння при повному згорянні палива без втрат тепла, а - коефіцієнт надлишку повітря, І_о - витрата повітря, необхідна для повного згоряння 1 кг паливного газу, яка відома за ХІМІЧНИМ складом природного газу, Н - теплотвірна здатність палива, що відома за ХІМІЧНИМ складом природного газу, N ^ - виміряна ефективна потужність(ГТУ) за параметрами перекачуваного природного газу в газокомпресорі (нагнітачі), AN - ВІДОМІ ЗОВНІШНІ втрати тепла і механічні втрати в підшипниках, що визначаються за навантаженням (ГТУ), NICT - внутрішня потужність в силовій турбіні, що визначається за ефективною потужністю (ГТУ) з додаванням відомих механічних втрат в силовій турбіні, Нет, І2ст - ВІДПОВІДНО, ентальпії продуктів згоряння на вході і виході силової турбіни, що визначаються за їхньою температурою і коефіцієнтом надлишку повітря, а коефіцієнт повноти згоряння паливного газу в (ГТУ) визначають з відношення Ікз G n r -Н Gnr ' G n r - необхідна витрата паливного газу на фактичне передане тепло робочому тілу (газам) в камері згоряння при повному згорянні, G nr - виміряна витрата паливного газу, що подається на (ГТУ) при ОЦІНЦІ якості роботи камер згоряння газотурбінних установок (ГТУ) в експлуатаційних умовах О 0 0 ю ю ю 54558 на газокомпресорних станціях магістральних газопроводів Відомий спосіб визначення коефіцієнта повноти згоряння палива, який називають тепловим к к д камери згоряння, за вихідними (паспортними) характеристиками (див Газотурбинные установки Конструкция и расчет Справочное пособие Под общей редакцией Л В Арсеньева и В Г Тырышкина — Л Машиностроение Ленинградское отделение, 1978, с 90), які не враховують зміну технічного стану конкретної камери згоряння на момент випробувань і не забезпечують необхідну для діагностування точність цього показника Відомий спосіб визначення коефіцієнта повноти згоряння палива в ГТУ, який базується на визначені суми відносних витрат тепла від фізичного недопалення паливного газу та від конвекції і випромінювання тепла в камері згоряння (див Ольховский Г Г Тепловые испытания стационарных газотурбинных установок — М Энергия, 1971, С 55,158 - 160) Спосіб потребує зміни конструкції ГТУ для встановлення витратомірного пристрою і термометрів для виміру температури повітря і газів на вході і виході камери згоряння, що можна здійснити лише в стендових умовах при випробуваннях дослідно-промислових зразків виробу В експлуатаційних умовах встановлення всіх необхідних датчиків і пробовідбірників на серійному виробі не передбачається проектом через потребу конструктивних втручань в ГТУ і негативний вплив датчиків на газодинамічні процеси в проточній частині ГТУ і тому не застосовується Найбільш близьким до винаходу за технічною сутністю є спосіб визначення теплового к к д камери згоряння за фактично переданим робочому тілу (газам) теплом, яке знаходять з теплового балансу камери згоряння (див формулу 1 - 29 на ст 54 Ольховский Г Г Тепловые испытания стационарных газотурбинных установок — М Энергия, 1971, С 54) Але як і в попередньому випадку цей спосіб не може бути застосований через потребу зміни конструкції ГТУ, складність монтажу і обслуговування датчиків (витратомірів і термометрів на вході і виході камери згоряння), а також їх негативний вплив на газодинамічні процеси Крім того на точність визначення теплового к к д камери згоряння в цьому випадку впливатимуть похибки вимірів температур через нерівномірність температурного поля потоку газів на виході камери згоряння і тому цей спосіб в експлуатаційних умовах не застосовується В основу запропонованого винаходу поставлена задача створення способу, який спрощує процес визначення коефіцієнта повноти згоряння палива в ГТУ в експлуатаційних умовах і має більш високу точність у порівнянні з прототипом На фіг показана принципова схема циклу ГТУ і параметрів, що вимірюються в експлуатаційних умовах при визначенні коефіцієнту повноти згоряння паливного газу в камері згоряння Повітря, що проходить через очисний пристрій подається на вхід ГТУ, де стискається компресорами низького тиску (КНТ) і високого тиску (КВТ) і подається в камеру згоряння (КЗ) В камері згоряння стиснуте повітря нагрівається теплом від згоряння паливного газу і змішується з продуктами згоряння Нагріті гази (робоче тіло), взаємодіючи з лопатковим апаратом турбін, передають свою енергію і примушують обертатись турбіну високого тиску (ТВТ) механічно пов'язану з КВТ, і турбіну низького тиску (ТНТ) механічно пов'язану з КНТ, а також силову турбіну (СТ), яка через вихідний вал передає ефективну потужність ГТУ (нагнітачеві) газокомпресору (Н), що здійснює перекачку (транспорт) природного газу в газопроводі Параметри, що вимірюються на ГТУ при визначенні коефіцієнта повноти згоряння паливного газу в камері згоряння згідно запропонованому способу наступні температура повітря (Тп) на вході в ГТУ, витрата паливного газу (Gnr), що подається в камеру згоряння ГТУ, температура робочого тіла (газів) на вході (T-|CT) і на виході силової турбіни Л~2ст), ефективна потужність ГТУ (Ne), що визначається за параметрами і витратою перекачуваного газу в нагнітачі (Н) Необхідні ВІДОМОСТІ при цьому про склад і теплотвірну здатність і КІЛЬКІСТЬ повітря для згоряння паливного газу отримують з сертифікату на природний газ, що перекачується газокомпресором (нагнітачем) і використовується, як паливо Поставлена задача вирішується тим, що в способі визначення коефіцієнту повноти згоряння палива (теплового к к д камери згоряння) в ГТУ в експлуатаційних умовах, який включає вимір витрати паливного газу, його теплотворної здатності і необхідної КІЛЬКОСТІ повітря для його згоряння, а також операцію розрахунку коефіцієнту повноти згоряння палива, ВІДПОВІДНО ДО винаходу необхідне для цього значення фактично переданого тепла робочому тілу (газам) в камері згоряння знаходять з балансу енергії в ГТУ і в силовій турбіні, при цьому вимірюють ефективну потужність ГТУ за параметрами перекачуваного газу в газокомпресорі (нагнітачі) і визначають внутрішню потужність в силовій турбіні, вимірюють температуру повітря на вході в ГТУ і за теплофізичними характеристиками для повітря визначають його ентальпію, вимірюють температуру газів на вході і виході силової турбіни і за функціональною залежністю ентальпії від температури газів і коефіцієнту надлишку повітря в силовій турбіні, а також за визначеною внутрішньою потужністю в ній і ентальпією повітря на вході в ГТУ знаходять необхідну витрату паливного газу на фактичне передане тепло робочому тілу (газам) в камері згоряння і значення коефіцієнта надлишку повітря, використовуючи залежності теплового балансу для ГТУ і силової турбіни у вигляді (i n aL 0 + Н) • G'nr = G'nr (aL 0 + 1)і 2ст + ДМ, Де і п - ентальпія повітря, що визначається за виміряною температурою повітря на вході в ГТУ, G'nr - необхідна витрата паливного газу на фактичне передане тепло робочому тілу (газам) в камері згоряння при повному згорянні палива без втрат тепла, a - коефіцієнт надлишку повітря, І_о - витрата повітря, необхідна для повного 5 54558 згоряння 1кг паливного газу, яка відома за ХІМІЧНИМ складом природного газу, Н - теплотворна здатність палива, що відома за ХІМІЧНИМ складом природного газу, Ng^ - ефективна потужність ГТУ в газокомпресорі (нагнітачі), AN - ВІДОМІ ЗОВНІШНІ втрати тепла і механічні втрати в підшипниках, що визначаються за навантаженням ГТУ, NICT - внутрішня потужність в силовій турбіні, що визначається за ефективною потужністю ГТУ з додаванням відомих механічних втрат в силовій турбіні, Нет, І2ст - ВІДПОВІДНО, ентальпії продуктів згоряння на вході і виході силової турбіни, що визначаються за їхньою температурою і коефіцієнтом надлишку повітря, а коефіцієнт повноти згоряння паливного газу в ГТУ визначають з відношення Опг І КЗ У-» "Н |_| Опг У-» ' ДЄ G'nr - необхідна витрата паливного газу на фактичне передане тепло робочому тілу (газам) в камері згоряння при повному згорянні палива, G n r - виміряна витрата паливного газу, що подається на ГТУ Запропонований спосіб полягає утому, що на експлуатаційному режимі вимірюють витрату паливного газу в ГТУ діагфрагменим витратомірним пристроєм За відомим складом визначають теплотворну здатність паливного газу і необхідну КІЛЬКІСТЬ повітря для його згоряння Склад пальних складових у паливному газі визначають за допомогою хроматографіє і веажають відомим, тому що склад паливного газу, його теплотворна здатність та ІНШІ характеристики даються в сертифікаті на природний газ, що використовується як паливо Вимірюють ефективну потужність в ГТУ за споживаною потужністю газокомпресором, яка розраховується відомим методом за параметрами (температура, тиск), складом і витратою перекачуваного природного газу Ефективна потужність ГТУ визначається як 5 4 де NIH - споживана потужність газокомпресором (нагнітачем) за параметрами перекачуваного природного газу в газокомпресорі (нагнітачі), Д|\|н - ВІДОМІ механічні втрати в газокомпресорі (нагнітачі) Внутрішня потужність в силовій турбіні визначається за ефективною потужністю ГТУ де Ng^ - ефективна потужність ГТУ AN CT - ВІДОМІ механічні втрати в силовій турбіні ГТУ Вимірюють термометрами температуру повітря на вході в ГТУ і за теплофізичними характеристиками для повітря визначають його ентальпію Вимірюють термометрами температуру газів на вході і виході силової турбіни і за функціональною залежністю ентальпії від температури газів і коефіцієнту надлишку повітря в силовій турбіні, а також за визначеною внутрішньою потужністю в ній і ентальпією повітря на вході в ГТУ знаходять необхідну витрату паливного газу на фактичне передане тепло робочому тілу (газам) в камері згоряння і значення коефіцієнту надлишку повітря, використовуючи залежності теплового балансу для ГТУ і силової турбіни у вигляді (1), при цьому виконують розрахунки за поданим нижче алгоритмом Ентальпія повітря на вході ГТУ - і п і продуктів згоряння на вході і виході СТ - н ст , І2СТ аналітично визначаються за допомогою інтерполяції відомих теплофізичних характеристик для повітря і газів і мають вигляд i n = i(tn) = 2,4-10-5tn2+1,0026-tn де t n - виміряна температура повітря на вході в ГТУ, °С, Ї- І 1, - виміряна температура продуктів /100. згоряння на вході в СТ,°С 7 *27 100, х2 . виміряна температура продук тів згоряння на виході з СТ,°С 3 , Т) = Ао (Т)а + АЇ (Т)а + А2 (Т)а + А3 (Т)а 2 A4Ct)a1 Де А0(Т) = -1,88-10" 5 Р + 5,06-Ю^ї 4 -5,27-10" 3 Р + 2,65-10" 2 Т 2 -6,5-10" 2 Т + 0,0597 АЇ (Т) = 5,26 • 10" 4 Р -1,41 • 10" 2 Т 4 +1,47 • 10"1 Р - 7,41 • 10"1 Р +1,82Т -1,675 А2(Т) = -5,47 -10" 3 P+1,47 -10" 1 Т 4 -1,53р+7,7іР-19,іТ +17,513 А3(Т) = 2,62 • 1 0 " 2 Р - 7,05 • 10"1 Т 4 + 7,ЗбР - 36,98р + 92.ЇЇ - 84,298 А4(Т) = -5,74 • 1 0 " 2 Р +1,54ї 4 -16,1 Р + 80.8Р - 204.1Ї +185,098 А5 (Т) = 4,92 • 10" 2 Р -1,33ї 4 +13,9Р - 68,32р + 279,7Т -158,52 Отже, якщо ВІДОМІ температура повітря на вході в ГТУ - t n , температура продуктів згоряння на вході і виході СТ - ti і Ь, витрата повітря, що необхідна для повного згоряння 1 кг паливного газу - І_о, теплотворна здатність паливного газу - Н, ефекти вна потужність ГТУ - N ^ , а також ВІДОМІ ЗОВНІШНІ теплові і механічні втрати потужності в ГТУ - AN, і втрати потужності в силовій турбіні - AN C T , то тоді система (1) переходить в алгебраїчну систему двох рівнянь з двома невідомими G ' n r ' 7 6 5 6 54558 5 G' nr ( C 0 a + q a + C2a 4 3 2 3 2 + C3a + C4a 4 + C5a + C6) = N ^ + A N I G' nr ( D 0 a + D-^ + D 2 a + D 3 a + D 4 a + D 5 a + D 6 ) = N ICT де C , , D , R o ~ 6 ) - ВІДОМІ коефіцієнти, які виC0=-A0(t2)L, J значаються по формулам де всі величини задані С! =-(A 1 (T 2 )L +A 0 (T 2 )). C3=-(A3(t2)L+A2(t2))I C2=-(A2a2)L+A1(T2)), C4=-(A4(^)L + A T C5=0n-A5(t2))L-A4(T2), D0=(A0(t2)-A0(t1))L, C6=H-A5(T2), D^tA^tzJ-AirtjJ D 2 = ( A 2 ( t 2 ) - A 2 ( t 1 ) ) L + A 1 (T 2 )-A 1 (T 1 ), D3=(A3(t2)-A3(t1))L + A2(T2)-A2(t1), D 4 = - ( A 4 ( t 2 ) - A 4 ( t , ) ) L + A3(T2)-A3(t,), D5=-(A5(T2)-A5(T1))L + A4(T2)-A4(t1), D6=A5(T2)-A5(t,) Виразивши з першого рівняння системи (2) G' n r через а, маємо рівняння С о а +С-\а + С 2 а + С 3 а + С 4 а + С а 5 + С 6 і підставивши його в друге рівняння системи (2) одержуємо алгебраїчне рівняння з невідомим а Doa +D-ja + D 2 a +D3a + D4a +D5a +D6 Cga +C-|a + C 2 a +C3a +C4a + C 5 a + Cg NICT N5^+AN яке після ВІДПОВІДНИХ перетворень має вигляд (D o - N C 0 ) a 6 + (Di - N C i J a 5 + ( D 2 - N C 2 ) a 4 + ( D 3 - N C 3 ) a 3 + ( D 4 - N C 4 ) a 2 + ( D 5 - N C 5 ) a + ( D 6 - N C 6 ) + 0 (4') N ряна температура повітря на вході в ГТУ tn = 10°С, ^ Є ^ = м^ту лкї виміряна температура газів на вході в силову туре біну tici = 631,7°С, виміряна температура газів на Розв'язав рівняння (4і) відомим методом ітеВ И Х 0 Д І | 3 силової турбіни t 2 c T = 434,1 °С, виміряна рацій (методом половинного ділення) знайдемо а внутрішня потужність газокомпресора за параметПідставив отримане значення а в рівняння (3), р а М и перекачуваного природного газу складає N I H знайдемо відповідне значення G' n r - 16066кВт, ВІДОМІ за характеристикою газокомпКоефіцієнт повноти згоряння паливного газу в Р е с о Р а механічні втрати в ньому складають AN H = ГТУ визначимо із відношення 162кВт, ВІДОМІ механічні втрати в силовій турбіні Q, и Q, складають AN C T = 110кВт, ВІДОМІ ЗОВНІШНІ теплові і Лкз = п"г ц = ~^г~> механічні втрати складають AN = 350кВт пг пг ' 2) Визначена ефективна потужність ГТУ де G' n r - необхідна витрата паливного газу на _і«п«7 ідо-ідооа D гту І Np — І ч і її ~т~ іл\ чи — І OUO / ~~ І О£ — І О