Цикл ГПТУ. Термический КПД цикла.

Цикл ГПТУ представляет собой комбинацию циклов Брайтона и Ренкина (рис. 3.5). Теоретический цикл 1-2-3-4, цикл ПТУ 6-7-8-9-10.

Подвод теплоты в цикле ПТУ соответствует процессам 8-9-10-6 и осуществляется за счет теплоты отработавших в ГТД газов (процесс 4-5). На участке 5-1 идет процесс охлаждение газов с отводом теплоты.

 

 

 

Рис. 3.5 Цикл ГПТУ

 

Подвод теплоты в цикле ПТУ соответствует процессам 8-9-10-6 и осуществляется за счет теплоты отработавших в ГТУД газов (процесс 4-5). На участке 5-1 идет процесс охлаждение газов с отводом теплоты.

Изменение температуры рабочих сред в утилизационном котле представлено на рис. 3.6.

Теплопередача от газов к водопаровому рабочему телу возможна при условии, когда ∆Т₁, ∆Т₂ и ∆Т _min больше нуля. От разницы температур зависит эффективность комбинированного цикла. Степень перегрева пара и перепады температур ∆Т₁, ∆Т₂ и ∆Т _min определяют давление пара в утилизационном котле.

 

 

Рис. 3.6 – Температурная диаграмма для противотока газа и водопаровой среды в утилизационном котле:

1-2 – охлаждение газа; 3-4 – подогрев воды в экономайзере; 4-5 – кипение и парообразование; 5-0 – перегрев пара.

 

Подведенная в комбинированном цикле ГПТУ теплота

,                                 (3.5)

где  – расход газа в газотурбинном двигателе.

Так же как и в цикле ПГТУ работа цикла ГПТУ складывается из работы газотурбинного двигателя L _г и работы паротурбинной установки L _п. Работа газотурбинного двигателя определяется как разница работ турбины L _т и компрессора L _к

,                               (3.6)

, ,

Относительный расход пара обозначим , то работа цикла

.        (3.7)

Термический КПД комбинированного цикла

.                 (3.8)

Исследование комбинированных установок с термодинамической связью показали, что для получения наибольшего экономического эффекта необходимо обеспечить максимально возможную выработку мощности в базовой установке.

 

 

1.1.2 Тепловой баланс утилизационного котла и сепаратора.

Энергоресурс отработавших в ГТД газов определяется как разность между их энтальпией и энтальпией поступающего в двигатель воздуха:

                                (3.9)

Этот же энергоресурс можно определить из теплового баланса ГТД, как часть теплоты, выделившейся при сгорании топлива

.                                          (3.10)

В уравнениях (3.9) и (3.10):

 – массовый расход соответственно отработавших газов и воздуха, поступающего в двигатель;  – средние изобарические теплоемкости соответственно отработавших газов и воздуха;  – температуры соответственно отработавших газов и воздуха, поступающего в ГТД;  – удельный расход топлива;  – эффективная мощность ГТД;  – теплотворная способность топлива.

Эффективность утилизации теплоты отработавших газов оценивают коэффициентом утилизации, который равен отношению теплоты, используемой в

утилизационном котле к энергоресурсу отработавших газов.

,                             (3.11)

где  – температура газов на выходе из утилизационного котла.

На практике коэффициент утилизации определяют по упрощенной зависимости

,                                                  (3.12)

где t ₀ – температура окружающей среды, соответствующая нормальным атмосферным условиям.

Температура газов за ГТД t _г в зависимости от конструкции агрегата и нагрузки изменяется в широких пределах (350÷550°С).

Энергоресурс газов за ГТД достигает до 60÷75% теплоты, подведенной к двигателю. В ГТД, по причине высоких значений коэффициента избытка воздуха можно принять ≈  , тогда энергоресурс отработавших газов с достаточной точностью определятся выражением:

                                    (3.13)

Значение ψ в зависимости от температуры газов за утилизационным котлом для современных ГТД находится в пределах 0,4÷0,75.

В процессе работы утилизационного котла имеют место два вида тепловых потерь, это потери теплоты с уходящими газами и рассеяние теплоты в окружающую среду.

Рассеяние теплоты в окружающую среду учитывается коэффициент сохранения теплоты η_р, который находится в пределах 0,95÷0,98.

Утилизационный паровой котел комбинированный ГПТУ, как правило, производит насыщенный пар. Который используется, в основном, потребителями общесудового назначения и перегретый пар для утилизационных паровых турбин, работающих на гребной винт или на привод электрогенератора. Тогда уравнение теплового баланса утилизационного котла можно записать в виде:

 , (3.14)

где  – производительность соответственно перегретого и насыщенного пара;  – энтальпия на выходе из котла, соответственно перегретого и насыщенного пара;  – энтальпия питательной воды.

Большое внимание на эффективность работы утилизационного котла оказывает температура воды, поступающей из циркулярного насоса к экономайзеру. Рассмотрим тепловой баланс сепаратора пара с целью определения энтальпии циркулирующей воды. Схема движения теплоносителей сепаратора показана на рис. 3.7.

 

 

Рис. 3.7 Схема движения теплоносителей сепаратора.

 

Если не учитывать потери тепла в результате его рассеяния в окружающую среду, то тепловой баланс сепаратора можно записать

,                         (3.15)

где  – расход пара отводимого от сепаратора;  – энтальпия в состоянии насыщения соответственно пара и воды;  – расход воды в составе пароводяной смеси от испарительного пучка труб;  – расход питательной воды;  – энтальпия питательной воды;  – расход воды через циркуляционный насос;  – энтальпия воды на входе в экономайзер.

Для установившегося режима работы ТУК будут справедливы соотношения:

Если использовать понятие кратности циркуляции, которая равна отношению расхода циркулирующей воды к расходу пара из сепаратора k , то после преобразования выражение (3.15) можно записать:

 .                                    (3.16)

Понижения i _ц и, следовательно, температуры воды на входе в утилизационный котел позволяет уменьшить температуру газов выходящих из котла при сохранении ∆Т₂ (рис. 3.6), что обеспечивает увеличение коэффициента утилизации теплоты и, соответственно, КПД ГПТУ. Если понижения i _ц вызывает увеличение ∆Т₂, то при этом уменьшается суммарная площадь поверхности теплообмена и утилизационный котел становится более компактным.

На i _ц большое влияние оказывает кратность циркуляции k, с понижением k уменьшается i _ц. В настоящее время в составе ТУК уже используются утилизационные котлы с кратностью циркуляции 2,5. Дальнейшее понижение k может отразиться на надежности котла, так как при неравномерном обогреве парообразующих пучков труб, в отдельных трубках кратность циркуляции может быть меньше 1,25, что приведет к интенсивному отложению солей на внутренней поверхности трубок.

 

Список использованной рекомендуемой литературы:

1. Гречко Н.Ф. Судовые турбинные установки: учебное пособие для студентов высших учебных заведений / Н. Ф. Гречко. – Одесса: Феникс, 2005. – 317с.

2. Курзон А.Г. Основы теории и проектирования судовых паротурбинных установок: учебник для студентов высших учебных заведений / А. Г. Курзон. – Л.: Судостроение, 1974. – 536с.

3. Курзон А. Г. Проектные расчеты тепловых схем судовых паротурбинных установок: учебное пособие для студентов высших учебных заведений теплоэнергетических специальностей / А. Г. Курзон, В. Л. Конюков, Г. Д. Седельников. – Хабаровск, 1990. – 86с.

4. Маслов Л. А. Судовые газотурбинные установки: учебник для студентов высших учебных заведений / Л. А. Маслов – Л.: Судостроение, 1973. – 400с.

5. Артемов Г. А. Судові енергетичні установки: навч. Посібник для студ. ВНЗ III-IV рівнів акредитації / Г. А. Артемов, В. М. Горбов. – Миколаїв: УДМТУ, 2002. – 352с.

6. Беляев И. Г. Эксплуатация судовых утилизационных установок: справочное пособие для инженерно-технических работников / И. Г. Беляев. – М.: Транспорт, 1987. – 173с.

7. Курзон А.Г. Судовые комбинированные энергетические установки: учебное пособие для студентов высших учебных заведений /А.Г. Курзон, Б.С. Юдовин. – Л.: Судостроение, 1981. – 276с.