Работа турбины на частичных режимах, способы регулирования мощности.

 

В процессе эксплуатации мощность турбины может меняться в широком диапазоне нагрузок от холостого хода максимальной.

 

Мощность, при которой турбина работает с наименьшим удельным расходом тепла (или с наивысшим абсолютн КПД), называется экономичной. Длительная предельно допустимая мощность называется номинальной. Она 10…20 % выше экономичной. При кратковременных перегрузках можно получить мощность на 5…7 % вы номинальной. Тепловой расчёт и проектирование турбины ведётся на экономическую мощность. При эт принимается наивыгоднейшее соотношение U / C₁, а на других режимах оно несколько отличается от оптимально Изменение мощности турбины осуществляется одним из следующих способов(или их комбинацией):

 

− дросселированием свежего пара при впуске в турбину; (П и д оссельном егули овании за стопо ным к ан устанавливается уп авляемый егулято ом д оссельный клапан, уменьшающий асход и давление па а на вход ту бину, что естественно п иводит к уменьшению её мощности. Д оссельное егули ование увеличива внут енние поте и, существенно уменьшая КПД установки.)

 

− подводом свежего пара к одной или двум промежуточным ступеням (обводное распределение пара); (Го а эффективнее аботает обводное па о асп еделение. Здесь небольшая доля свежего па а д оссели уется попадает в пе вые ступени, а большая часть па а с высоким давлением по пе епускному т убоп ов

 

нап авляется во вто ой участок, кото ый аботает на экономичном ежиме.)

 

− изменением числа открытых для свежего пара сопл в регулирующей ступени турбины (сопловое распределени При этом изменяется степень парциальности. (В этом случае на пе вой ступени по главной ок ужнос устанавливается шесть (или больше) клапанов, каждый из кото ых может полностью пе ек ыть па к 1/6 час сопл. Для изменения мощности пе ек ывают один или несколько клапанов. Сопловое па о асп еделение позволя изменять асход па а п актически без изменения его начальных па амет ов, и поэтому поте и в лопаточн каналах почти такие же, как и п и номинальном ежиме.)

 

Чтобы понять, как изменяются параметры рабочего тела при работе турбины на режимах частичной мощнос вспомним некоторые основы термодинамики потока. При неизменных геометрических размерах сопла скоро

истечения w2, массовый расход пара М и скорость звука а в нём зависят от степени понижения давления в сопле p₁ /p₀. При постоянном давлении р0 на входе с уменьшением противодавления р1 величина β уменьшается, а пере давлений увеличивается. При этом скорость и расход пара возрастают до тех пор, пока течение не станет критическим (когда скорость звука достигнет скорости звука).

С учётом полученного выражения соотношение расходов получает вид:

М_кр^ч/ М_кр^max=p_o^ч/ p_o^max.

В результате мы показали, что отношение расходов равно отношению соответствующих давлений. Эта зависимо лежит в основе определения параметров пара для реализации отдельных частичных режимов, поскольку расход п на частичном режиме однозначно определяется заданной мощностью для этого режима.

 

Если регулирование осуществляется изменением противодавления (р0 = const, а р₁ = var, что бывает сравнител редко), то расход пара при номинальной мощности будет наибольшим. С уменьшением противодавления увеличивается перепад давления и расход Мном сначала растёт, а когда скорость пара достигает скорости звука, расход станови

 

критическим. При этом относительное давление за решёткой определяется величиной β_кр: р_1кр = β_кр·р₀ = 0,546·р₀. При расчётах частичных режимов обычно находят величину относительного расхода g по заданным значениям β

и β_ном.

7. Классификация и принципиальные схемы ГТУ внутреннего и внешнего сгорания.

 

Газотурбинные установки (ГТУ) находят широкое применение в энергетике, промышленности и на транспорте

 

в качестве основных или вспомогательных силовых агрегатов. Они применяются: − для привода электрогенераторов на ТЭЦ или в энергопоездах;

 

− для привода газовых компрессоров на газоперекачивающих станциях магистральных газопроводов; − в качестве силовых агрегатов для привода гребных винтов на судах; − в авиации (турбовинтовые самолёты); − на мощных магистральных тепловозах.

 

Классификацию ГТУ ведут по разным признакам: − по назначению: стационарные и транспортные;

 

− по конструктивному оформлению: одно или многоступенчатые, одно- или двухцилиндровые, одно- или двухвальные; − по организации цикла: проточные или импульсные, с разомкнутым или замкнутым циклом;

 

− по роду топлива: на жидком, газообразном или твёрдом топливе.

− по мощности: малой, средней и высокой мощности.

Обычно мощность ГТУ не превышает 100 МВт и по сравнению с паровыми турбинами это совсем не много.

 

Рис. 3.1. Схемы газотурбинных установок:

а – простейшая; б – с регенератором; в – одновальной многоагрегатной ГТУ; г – двухвальной; д – с разрезным валом; е – двухвальной

 

многоагрегатной ГТУ с регенерацией, промежуточном

 

охлаждением воздуха и впрыском воды в камеру сгорания

 

Как это видно по рисунку, на одном общем валу установлены осевой компрессор ОС и газовая турбина ГТ.

 

Сжатый в компрессоре воздух и топливо Т (жидкое или

 

газообразное) подаются в камеру сгорания КС, где происходит его сжигание. В

 

результате существенно повышается температура, а

 

значит и запас

 

работоспособности образующихся продуктов сгорания. Дымовые газы из камеры сгорания и направляются в

турбину. Здесь, как и в паровых турбинах, энергия рабочего тела с помощью соплового аппарата сначала

трансформируется в кинетическую энергию потока, а затем на рабочих лопатках турбины – в механическую

работу. Механическая

 

работа, полученная в турбине, частично расходуется на привод компрессора и вспомогательных агрегатов и устройств (топливный и масляный насосы, регулятор и др.), а оставшаяся часть (около 30 %) отдаётся потребителю, в качестве которого очень часто выступает электрогенератор ЭГ. Отработанные дымовые газы выбрасываются из турбины в окружающую среду, унося с собой отводимую теплоту q2. Так что в это открытая система, через которую проходят и трансформируются потоки массы и энергии.

 

В схеме с разрезным валом (рис 3.1, д) турбина высокого давления проектируется на мощность, необходимую только для привода компрессора, а турбина низкого давления – на мощность, которая будет отдаваться электрогенератору. Поэтому после первой турбины отработанные дымовые газы имеют ещё достаточно высокие параметры, обеспечивающие получение требуемой мощности во второй турбине. Наличие двух валов позволяет изменять скоростной режим работы первой турбины и компрессора, обеспечивая с помощью многорежимного регулятора такие расходы топлива и воздуха, которые соответствуют оптимальному их соотношению.

 

При переходе на частичный режим уменьшают подачу топлива и это приводит к уменьшению числа оборотов вала, а значит и к уменьшению производительности компрессора. Если соотношение между количеством топлива и воздуха останется таким же, как и при номинальном режиме, а это поддерживается регулятором, то температура газов на выходе из камеры сгорания останется неизменной, изменятся лишь их расход и давление. Турбина низкого давления управляется однорежимным регулятором, обеспечивающим постоянство числа оборотов вала.

 

Двухвальная турбина по схеме 3.1, г так же, как и в рассмотренном выше случае, обеспечивает различные числа оборотов валу с компрессором и турбиной высокого давления. При этом цилиндр низкого давления также отдаёт вырабатываемую мощность электрогенератору при постоянстве числа оборотов. На частичных режимах цилиндр высокого давления работает при оптимальном коэффициенте избытка воздуха (так называют отношение действительного массового расхода воздуха к теоретически необходимому его количеству), а цилиндр низкого давления – при завышенных значениях этого отношения, т.е. при гораздо худших характеристиках эффективности, чем цилиндр высокого давления.

 

Естественно, что в конкретных установках комбинируются все описанные выше приёмы, как показано это на рис. 3.1, е. Это тоже двухвальная схема с промежуточным охлаждением сжатого в первом компрессоре воздуха, регенератором для подогрева впрыскиваемой воды и работающей при постоянном числе оборотов турбины низкого давления. Кроме того последние экспериментальные исследования показали, что определённый положительный эффект приносит впрыск небольшого количества воды (или влажного пара) в камеру сгорания. Это конечно же уменьшает температуру дымовых газов на выходе из неё и приводит к некоторому снижению КПД цикла, но одновременно при этом увеличивается энтальпия смеси пар + дымовые газы за счёт очень высокой энтальпии пара и, как следствие, – к некоторому увеличению мощности турбины (см. рис. 3.3). Важно также, что при определённом соотношении между расходом впрыскиваемой воды и расходом дымовых газов (≈ 2,5 % по массе) благодаря снижению температуры уменьшаются вредные выбросы, содержащие СО и NOx.