Тема 3.5 Газотурбинные установки

Назначение и классификация газотурбинных двигателей (ГТД); основные особенности, характеристики, область, применения. Сравнительный анализ поршневых и газотурбинных двигателей. Перспективы использования ГТД в нефтяной промышленности.

Литература: 1, стр. 271..279, 3, стр. 183..193, 4, стр. 340..347.

 

Методические указания

 

ГТД получают нее большее применение и как стационарные, и в качестве двигателя на транспортных средствах и в авиации, так как они имею: преимущества перед другими тепловыми двигателями (широкая утилизация отходящих газов турбины на нужды буровой установки в целом - на отопление помещений буровой, на подогрев бурового раствора и т. п.). Студент должен обратить внимание на способы повышения эффективности циклов ГТУ.

 

 

Вопросы для самоконтроля

1.Назовите основные элементы ГТУ. Каково их назначение?

2.Какие газотурбинные установки применяются в компрессорных станциях для транспорта газа, и каковы их показатели?

3. Какие особенности должны иметь ГТУ при использовании их для бурения нефтяных и газовых скважин?

4. Какие достоинства и недостатки у ГТУ?

5.Каковы перспективы применения ГТУ?

6.Как изображаются циклы ГТУ в координатах Р— V и Т —S?

 

Тема 3.6 Теплосиловые установки

Классификация теплосиловых установок. Теплосиловые установки (ТСУ) применяемые в нефтяной и газовой промышленности, особенности работы и основные технико - экономические показатели (ТЭП). Перспективы развития.

Литература: 1, стр. 280..296, 3, стр. 203..219, 4, стр. 315..340.

Методические указания

 

При изучении данной темы особенно обращается внимание на повышение технико — экономических показателей работы установок. При комбинированной выработке тепла и электроэнергии на ТЭЦ коэффициент. полезного действия ТСУ будет больше, чем при раздельной выработке, а расход топлива, следовательно, меньше.

На современных электростанциях главным образом используют углеводородное топливо, запасы которого практически истощаются, поэтому все большее значение уделяется другим источникам энергии: атомной солнечной, энергии термальных вод. энергии ветра, энергии приливов и отливов мировою океана

В последние годы ведутся интенсивные работы по созданию ТСУ с агнитогидродинамическими (МГД) генераторами. В таких генераторах осуществляется непосредственное преобразование тепла в электрическую энергию.

 

Вопросы для самоконтроля

1 Как классифицируются тепловые установки?

2. Каковы технологические схемы и особенности рабочего процесса ТСУ применяемых в нефтяной и газовой промышленности?

3. Каковы ТЭП ТСУ нефтяном и газовой промышленности?

4. Как определяется КПД паросиловой установки?

 

ЗАДАНИЯ ДЛЯ КОНТРОЛЬНОЙ РАБОТЫ И МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

Задание 1

Варианты 1-15

В сосуде находится смесь воздуха и углекислоты. Объем сосуда Vм³ количество воздуха М₁, kг, углекислоты М₂, кг; температура смеси t_м°C

Найдите парциальные давления компонентов Р_i, газовую постоянную смеси R_см давление смеси Р.

 

Данные	Задачи
V1∙м3	0,4	0,6	0,8	0,2	0,5	1,0	1,2	1,4	1,6	2,0	0,15	0,52	1,5	0,65	0,8
M1∙ кг											2,5
M2 ∙ кг											1,5		2,5	1,5	4,5
tсм

 

 

Варианты 16-30

Коксовый генераторный газ имеет заданный объемный состав. Найдите массовый состав, газовую постоянную; удельный объем. плотности газа при температуре t°C и абсолютном давлении Р,ат.

 

 

Данные	Задачи
H2, %				-	8,4	2,0		-		2,8	6,2	7,0			32,3
CH4; %			-	7,5	48,7	11,0				12,2	2,5	3,0		-	15,2
CO; %	27,6			0,37	17,0	1,0			21,6	5,5	30,0	25,0	17,3		12,0
CO2; %	4,8			17,7	14,5	12,0			5,4	12,5	5,3	14,2	6,2		2,2
N2, %	58,6			74,13	11,4	74,0			58,0	67,0		50,8	12,5		38,3
t, 0C
P, ат	0,98	1,0	0,95	1,1	0,99	1,0	1,1	0,90	0,98	1,2	0,93	0,9	1,0	1,2	0,92

 

Методические указания к решению задания 1

 

Для определения парциального давления каждого компонента необходимо воспользоваться формулой:

 

Pi=P∙ Ri/Rсм·mi

где Р_i - парциальное давление i -того компонента, Па.

Р — давление газовой смеси, Па, определяемое но уравнению газового состояния PV=MRT.

m_i — массовая доля i - того компонента, определяемая:

 

mi= Mi/M

где М_i — масса компонента, моль

М — масса смеси, моль

R_i — газовая постоянная компонента, Дж/кг К. (табл. 4, стр. 318 [2]),

R_cм — газовая постоянная смеси, Дж/кг К, определяемая из формулы:

 

n

Rcм = ∑ mi∙Ri

l

 

В задачах вариантов 16-30 от объемных долей необходимо перейти к массовым:

 

mi =	ri∙μi
n
∑ ri ∙ μi

 

где r_i —объемная доля данного компонента,

μi — молекулярная масса компонента, (табл. 4, 318 |2]). После нахождения массовых долей компонентов, необходимо сделать проверку:

n

∑mi=1

Удельный объем смеси находится из уравнения газового состояния:

 

Vсм = (R смT)/P, м3/кг

 

где Р — давление смеси. Па,

Т - температура смеси, K

Плотность смеси

 

ρсм =1/Vсм, кг/м3

 

Литература: 1, стр.23…29; 2, стр. 28…35; 3, стр. 21…25; 4,стр. 31…40

 

 

Задание 2

Вариант 1-7

Сосуд, объемом V₁ заполнен кислородом при давлении Р₁.

Определите конечное давление кислорода и количество сообщенной ему теплоты если начальная температура кислорода t₁. а конечная t₂. Теплоемкость кислорода считайте постоянной.

Данные	Задачи
V1, л
P1∙ MПа	12,5	13,0
t1,0С
t2,0С

 

 

Варианты 8-15

Начальный объем воздуха V₁ с начальной температурой t₁ расширяется при постоянном давлении до объема V₂ в следствии сообщения ему теплоты Q.

Определите коночную температуру t₂ °С, давление газа Р, МПа в процессе и работу расширения L, кДж.

 

 

Данные	Задачи
V1, м3			0,124	0,05				2,5
t1,0С
V2, м3		1,5	0,87	0,10		4,5	7,0	5,0
Q, кДж

 

Варианты 16-23

Для осуществления изотермического сжатия m кг воздуха при давлении P₁ и t затрачена

работа L кДж.

Найдите давление Р₂ сжатого воздуха и количество теплоты Q, которое необходимо при этом отвести от газа.

 

 

Данные	Задачи
m, кг	0,8	0,5	1,2	1,5	2,0	3,5	0,5	1,0
P1∙ MПа	0,1	0,3	0,5	0,6	0,65	0,5	0,5	0,1
t, 0C
L, кДж

 

Варианты 24-30

1 кг воздуха, занимающий объем V₁ при давлении Р₁ расширяется в n раз.

Определите конечное давление Р₂ и работу ℓ, совершенную воздухом в адиабатном процессе.

 

Данные	Задачи
V1, м3 /кг	0,0887	0,187	0,8	0,343	0,5	0,37	0,0157
P1∙ MПа	1,0	0,8	0,7	0,09	0,1	0,095	0,1
n,

 

Методические указания к решению задания 2

 

Решение задачи заключается в расчете термодинамических процессов:
изохорного — v — const (варианты 1—7);

изобарного — Р — const (варианты 8—15);

изотермического — t° — const (варианты 16-23);
адиабатного - q = 0 (варианты 24-30).

Зависимость между начальными и конечными параметрами:

P₁/P₂ = T₁/T₂ —для изохорного процесса;

 

V₁/V₂=T₁/T₂ — для изобарного процесса

P₁/P₂= V₂/V₁ — для изотермического процесса;

 

Р1/Р2=(V1/V2 )k; T2/T1=(V1/V2)k-1; T2/T1=(P2/P2)(k-1)/k

— для адиабатного процесса.

 

Кроме того, для определения неизвестных параметров или массы газа, необходимо использовать уравнение газового состояния; PV = MRT. Если в процессе участвуют М кг газа, то количество теплоты Q, изменение внутренней энергии ΔU и совершенная газом работа определяется:

 

a)Qv=∆U=qv∙M=M∙Cvm(t2-t1) — для v — const,

 

где C_ym - средняя изохорная теплоемкость (табл. 3, 4, 5, стр. 38, стр. 40...41; табл. 5- 12. стр. 318...323 |2|).

 

б) Q_p=MC_pm(t₂-t₁)

Для Р —const,

L=MR(t₂-t₁)

где Cpm - средняя изобарная теплоемкость.

в) Q=L, так как ∆U=0

 

L=P1V1∙ln∙v2/v1=P1V1·lnP1/P2=RT·lnv2/v1=RT·lnP2/P1

 

- для изотермического процесса t- const.

г) ∆U =-L, так как Q=0

 

L=1/k-1(P1V1-P2V2)=P1V1/k-1[1-(V1/V2)k-1]=P1V1/k-1[1-(P2/P1)(k-1)/1]=MR/k-1(T1-T2)

 

- где k показатель адиабаты воздуха 1,4

Литература: 1, стр. 44…46; 2, стр. 67…94; 3, стр. 25…30 – Махонько-Ерохин; 4, стр. 65…88

Задание 3

Варианты 1-10

Пар из котла при абсолютном давлении Р и степени сухости Х поступает в паронагреватель, в котором ему сообщается дополнительное тепло при неизменном давлении, а температура пара повышается до t₂ (Приложение А).

Определите количество тепла, сообщенное 1 кг пара, и изменение внутренней энергии при помощи h — s диаграммы.

данные	задачи
P, МПа	1,6	1,5	1,0	1,2	1,3	0,9	1,4	1,1	1,7	0,8
X	0,97	0,95	0,9	1,0	0,9	0,87	0,95	0,85	0,85	0,88
t2, oC

Варианты 11-20

Начальное состояние пара характеризуется параметрами P₁ и х. Какое количество тепла необходимо подвести к пару при постоянном объеме, чтобы температура пара возросла до t₂ (Приложение А).

данные	Задачи
P, МПа	1,0	0,8	0,9	1,1	1,2	1,3	1,4	1,5	1,6	1,7
X	0,85	0,9	0,97	0,95	0,87	0,95	0,85	0,88	0,98	0,8
t2, oC

 

Вариант 21-30

Перегретый пар давлением Р₁ и t₁ адиабатно расширяется до Р.

данные	Задачи
P1, МПа	3,0	3,2	3,4	4,0	4,2	2,8	2,6	2,4	2,2	2,0
P2, МПа	0,2	0,4	0,6	0,8	1,0	0,1	0,15	0,2	0,3	0.5
t1, oC

 

 

Пользуясь h— s диаграммой (Приложение А) определите начальный и конечный удельные объемы V₁ и V₂, начальную и конечную энтальпии h₁ и h₂ степень сухости пара в конце процесса X₂ работу ℓ и изменение внутренней энергии.