Тепловий розрахунок ГТУ

7.1 Характеристики паливного газу

Для ГТУ компресорних станцій магістральних газопро- водів як паливо використовується природний газ, що транс- портується газопроводом.

Складається природний газ в основному з метану СН4 , вміст якого досягає 95 – 99 % за об’ємом , і невеликої кількості газоподібних компонентів метанового ряду ( етан С2Н6, пропан С3Н8 , бутан С4Н10 ) . Гази багатьох родовищ містять у собі деяку кількість азоту N2 ( до 4-5 % ) і вуглекислого газу СО2 ( як правило менше 1 % ) . У порівнянні з іншими видами палива природний газ має багато переваг. Це відносна простота пристроїв для подачі газу в камеру згорання, досконале перемішування газу з первинним повітрям , відсутність попілу і сажі в продуктах повного згорання .

До основних характеристик газоподібного палива відносяться : відносна густина , питома газова стала , ентальпія ( тепловміст ) , жаропродуктивність , теплота згорання ( теплотворність ) , теоретично-необхідна кількість повітря для повного згорання 1 кг палива.

Відносна густина паливного газу D ( відносно сухого повітря ) залежить від його складу і дозволяє судити про відношення “ водень / вуглець” і теплотворну здатність пали- ва. Найбільшу теплотворність із розрахунку на 1 кг має метан, у складі якого відсоток водню найбільший . Із збільшенням ві- дносної густини газу , тобто із зменшенням вмісту метану в суміші , відносна кількість водню в складі газу зменшується , а разом з тим зменшується і масова теплотворність . Для виз- начення відносної густини газу зазвичай застосовують відношення

D = mпг / mпов , ( 7.1)

де mпг - молярна маса паливного газу, кг/кмоль; mпов – моляр- на маса сухого повітря ( mпов=28,96 кг/кмоль).

Для паливного газу значення D лежить в межах 0.55-0.7.

Питома газова стала R характеризує в теплотехнічних розрахунках кількість енергії , що споживається в ізобарному процесі при зростанні температури на 1 К . Визначити питому газову сталу можна із співвідношення :

R = Rпов / D Дж / кг К , ( 7.2 )

де Rпов - питома газова стала сухого повітря , що дорівнює 287,1 Дж / кг К .

У розрахунках теплової схеми ГТУ застосовують таке поняття як ентальпія h , яка служить мірою кількості тепло- ти , що витрачається для заданої зміни температури 1 кг па- ливного газу ( і робочого тіла ) .

Жаропродуктивність tmax визначає максимальну темпе- ратуру при повному згоранні палива за умов, коли вся теплота згорання витрачається на нагрівання продуктів згорання. Жаропродуктивність газу визначає ефективність його вико-ристання в техніці, особливо у високотемпературних процесах. Порівняння жаропродуктивності і реальної температури продуктів згорання дозволяє визначити величину наявної теплоти палива та її втрати з відхідними газами.

Теплотворність палива дорівнює кількості теплоти, що виділяється при повному згоранні одного кілограма або одного кубічного метра газу за нормальних фізичних або стандартних умов. Паливо , що надходить у камеру згорання , називають робочим паливом ( що позначається верхнім індексом “р” ) . Розрізняють вищу ( ) і нижчу ( ) теплоту згорання . При визначенні вищої теплоти згорання враховується теплота конденсації водяної пари , що є компонентом продуктів згорання. При визначенні нижчої теплотворності ця теплота не враховується .( При роботі сучасних теплових двигунів і , зокрема , ГТУ ця водяна пара не конденсується і теплота конденсації не може бути використана ) .

Склад природного газу в існуючих довідниках приводиться в % за об’ємом ( або в частках одиниці ), тому для розрахунків теплотворності паливного газу зручно використовувати таблиці об’ємної теплоти згорання компонентів метанового ря- ду . В цьому випадку нижча об’ємна теплота згорання газу, що складається з членів метанового ряду , за нормальних фізичних умов визначається залежністю

, кДж/м3 , ( 7.3 )

де - об’ємна теплота згорання і-го компонента за нормальних фізичних умов , кДж/нм3 ; ri – вміст компонента в об’ємних відсотках.

Масова теплота згорання визначається залежністю :

, кДж/кг , ( 7.4 )

де rн - густина паливного газу за нормальних фізичних умов .

7.2 Розрахунок процесу згорання паливного газу

На першому етапі теплового розрахунку ГТУ визначаються параметри паливного газу , продуктів згорання, теоретично необхідна для повного згорання палива кількість повітря, а також нижча масова теплотворність.

Вихідними даними для розрахунку параметрів паливного газу є склад газу в об’ємних частках ( або в % ) – перші чотири компонента метанового ряду , що знаходяться за робочих умов у газоподібному стані, вуглекислий газ і азот, разом шість компонентів. Розрахунок параметрів проводиться в такій послідовності .

Визначається середня молярна маса паливного газу

кг/кмоль , ( 7.5 )

де mi - молярна маса і – го компонента.

Визначається відносна густина паливного газу D ( залеж- ність (7.1 )).

Визначається густина газу за нормальних фізичних умов

rн = 1,293.D (7.6)

Визначається нижча об’ємна і масова теплотворна здатність ( залежності ( 7.3) і (7.4)).

Реакції горіння компонентів метанового ряду описується таки- ми рівняннями :

CH4 + 2O2 = CO2 + 2H2O

C2H6 + 3,5O2 = 2CO2 + 3H2O ( 7.7 )

C3H8 + 5O2 = 3CO2 + 4H2O

і т. д.

Якщо кіломоль паливного газу має у своєму складі r1 відсотків