MODELAREA SI SIMULAREA INSTALATIEI DE TURBINA CU GAZE

modelarea Si simularea instalaTiei de TurbinA cu gaze

Pornind de la necesitatea utilizarii turbinelor cu gaze pentru producerea energiei electrice, este analizata comportarea dinamica a acestora, la cerintele sistemului electroenergetic. Analiza dinamica a unei instalatii de turbina cu gaze este de data recenta, 9, 30 . Procesele dinamice sunt foarte complexe si se desfasoara extrem de rapid astfel incit, sunt necesare simplificari ale modelelor pentru ca acestea sa fie evaluate in timp real. Schema unei instalatii de turbina cu gaze se prezinta in fig. 7.1.

Modelul fizic real al unei Instalatii de Turbine cu Gaze pe un singur ax, constind dintr-un compresor, o camera de ardere si o turbina cu gaze, este prezentat in figura 7.1. Ajutajul 1 reprezinta partea de compresor, ajutajul 2 partea de turbina cu gaze iar zona dreptunghiulara reprezinta camera de ardere.

Principalele marimi ale modelului sunt: - debitul masic, respectiv entalpia aerului la intrarea in compresorul C; - debitul masic, respectiv entalpia gazelor la iesirea din turbina cu gaze TG; - debitul masic si respectiv puterea calorifica inferioara a combustibilului intrat in camera de ardere CA; - puterea mecanica la cupla ITG; - presiunea, temperatura, volumul si respectiv masa camerei de ardere; - presiunea aerului atmosferic.

Modelul matematic se bazeaza pe ecuatiile de conservare ale masei, energiei si debitului care curge printr-un ajutaj, precum si ecuatia politropei.

Ecuatia de conservare a masei aplicata acestui model fizic conduce la:

(7. 1)

Considerind ca debitul masic de aer la intrare este constant, ecuatia, sub forma operationala si in unitati relative, devine:

(7. 2)

unde:

este constanta de timp a ITG, calculabila pe baza datelor constructive, iar indicele 0 se refera la un regim de referinta.

Ecuatia de conservare a energiei aplicata intregii ITG are expresia:

(7.3)

Pentru mici variatii si debit masic de aer la intrare constant, dupa citeva prelucrari matematice, forma operationala a ecuatiei de conservare a energiei, in u.r., devine:

(7. 4)

unde C_B, C_h , C_Pk sunt amplificarile, calculabile pentru regimul de referinta cu relatiile:

Considerind ca parametrii aerului si puterea la cupla ramin constanti, adica , rezulta:

(7. 5)

Ecuatia politropei poate avea una din formele de mai jos:

(7. 6)

Ecuatia de curgere, care da debitul de gaz printr-un ajutaj, 45 :

(7. 7)

in care: indicele i semnifica intrarea in ajutaj; indicele e semnifica iesirea din ajutaj; este exponentul politropic real; h este randamentul mediu al grupului de trepte; este exponentul adiabatic mediu al grupului de trepte.

Presupunind presiunea aerului constanta in timpul procesului, , dupa citeva prelucrari matematice, forma operationala, in u.r., devine:

(7. 8)

unde:.

{n ipoteza ca gazele de ardere se comporta ca un gaz perfect, ecuatia gazului perfect, , sub forma operationala si in u.r., conduce la:

(7. 9)

Puterea neta la cupla se poate calcula, in acest caz, cu relatia:

(7.10)

Trecind in unitati relative, considerind mici variatii si ca entalpia aerului nu variaza, , se obtine:

(7.11)

|inind seama de relatiile anterioare, (7. 2) si (7. 9), care dau expresiile variatiilor masei M, si presiunii p precum si de relatia dintre entalpie si presiune, , masa la iesire este:

(7.12)

Prin urmare, variatia puterii nete functie de variatia entalpiei gazelor la iesirea din turbina cu gaze este:

(7.13)

unde:

Variatia puterii nete cu variatia combustibilului intrat, tinind seama de cele stabilite anterior, este:

(7.14)

O importanta deosebita in orice simulare o are constanta de timp specifica ITG, aitg1, precum si exponentul adiabatic; randamentul compresorului, ca si al turbinei cu gaze, are valori ridicate.

{n fig. 7.3 se prezinta importanta deosebita a raportului de destindere, p_i / p_e , asupra comportarii dinamice, din care se observa ca un raport mai mare este favorabil si din punt de vedere dinamic. Influenta constantei de timp asupra comportarii dinamice si a puterii nete se prezinta in fig. 7.4.