Цикл газотурбинной установки

В отличие от паротурбинного в циклах газотурбинных установок рабочим телом служат нагретые до высокой температуры сжатые газы. В качестве таких газов чаще всего используют смесь воздуха и продуктов сгорания жидкого (или газообразного) топлива.

Принципиальная схема газотурбинной установки (ГТУ с подводом тепла при р = const) представлена на рис. 2.9. Воздушный компрессор КП сжимает атмосферный воздух, повышая давление до , и непрерывно подает его в камеру сгорания КС. Туда же специальным насосом непрерывно подается необходимое количество жидкого или газообразного топлива. Образующиеся в камере продукты сгорания выходят из нее с температурой и практически с тем же давлением.

Рис. 2.9. Принципиальная технологическая схема электростанции с газовыми турбинами: КС — камера сгорания; КП — компрессор; ГТ — газовая турбина; G — генератор; Т— трансформатор; М— пусковой двигатель; сн. — собственные нужды

В газовой турбине ГТ продукты сгорания (рис.2.12) адиабатно расширяются, в результате чего их температура снижается до Т₄ (точка 4), а давление уменьшается до атмосферного р₀. Весь перепад давлений р₃ — р₀ используется для получения технической работы в турбине /_тех. Большая часть этой работы /_к расходуется на привод компрессора; разность /_тех — /_к затрачивается на производство электроэнергии в электрическом генераторе G или на другие цели. Эта разность и составляет полезную работу цикла (расход энергии на привод топливного насоса невелик, и в первом приближении его можно не учитывать).

Рис. 2.10. Цикл ГТУ: а — в p,v- диаграмме; б— в Т,s -диаграмме

Заменив сгорание топлива изобарным подводом теплоты (линия 2—3 на рис. 2.10), а охлаждение выброшенных в атмосферу продуктов сгорания — изобарным отводом тепла (линия 4—1), получим цикл газотурбинной установки 1—2—3—4.

Полезная работа изображается в р, v -диаграмме площадью, заключенной внутри контура цикла (1—2—3—4). На рис. 2.12, а видно, что полезная работа равна разности между технической работой, полученной в турбине (площадь 6—3—4—5), и технической работой, затраченной на привод компрессора (площадь 6—2—1—5).

К сожалению, максимальная температура газов перед турбиной ограничивается жаропрочностью металла, из которого делают ее основные элементы (в авиационных двигателях 1100—1200 ° С, а в стационарных 750—850 °С). Поэтому приходится сознательно идти на снижение температуры горения топлива (за счет подачи излишнего количества воздуха).

Очевидно, что эффективность ГТУ возрастает с понижением температуры воздуха, засасываемого в компрессор. Это приводит к увеличению полезной мощности ГТУ и, следовательно, к повышению ее КПД.

Чем совершеннее газовая турбина и компрессор, тем эффективнее газотурбинная установка, так как более совершенная турбина вырабатывает большую мощность, а более совершенный компрессор поглощает меньшую мощность, и в результате увеличивается полезная мощность и КПД ГТУ. При этом следует отметить, что влияние турбины на КПД газотурбинной установки больше, чем влияние компрессора.

Для повышения КПД ГТУ применяют способ регенерации теплоты (рис. 2.11. В отличие от предыдущей принципиальной схемы в нее включен теплообменник 2, в котором воздух, идущий от компрессора в камеру сгорания, нагревается отработавшими газами, уходящими из турбины в атмосферу. Вследствие частичного использования тепловой энергии отработавших газов КПД установки повышается.

Рис. 2.11. Принципиальная схема газотурбинной установки разомкнутого процесса со сгоранием при постоянном давлении и регенерацией тепла: 1 — компрессор; 2—теплообменник; 3 — камера сгорания; 4— топливный насос; 5 — генератор электрического тока; 6— газовая турбина

Отношение количества теплоты, полученной воздухом в регенераторе, к количеству теплоты, необходимой для нагрева воздуха до температуры отработавших в турбине газов, называется степенью регенерации а. Так как температура нагретого воздуха, покидающего регенератор, практически всегда меньше температуры отработавших газов, покидающих турбину, то а < 1.

Отметим, что основу современных газотурбинных электростанций России составляют газовые турбины мощностью 25-100 МВт.

ПАРОГАЗОВЫЕ УСТАНОВКИ

Высокий уровень температур при подводе теплоты в газотурбинной установке и низкий уровень отвода теплоты в паротурбинной установке привели к развитию комбинированного парогазового цикла, который применяется в разнообразных сочетаниях двух рабочих тел: газа и водяного пара. Парогазовый цикл содержит газотурбинную ступень в области высоких температур и паротурбинную в области низких. Отработавший в ступени газовой турбины газ отдает свою теплоту в паротурбинной ступени для промежуточного перегрева пара, нагрева питательной воды, получения пара низкого давления в котле-утилизаторе и др. На рис. 2.12 представлена простейшая схема парогазовой установки.

Рис. 2.12. Схема парогазовой установки

В камеру сгорания 2 (см. рис. 2.12) подается топливо, а компрессором 1 — сжатый воздух. Продукты сгорания, отработав в газовой турбине 3, поступают в подогреватель 6, где нагревают питательную воду, поступающую в котел, и удаляются в атмосферу. Перегретый пар, получаемый в котлоагрегате 5, расширяется в паровой турбине 9 и конденсируется в конденсаторе 8. Конденсат насосом 7 перекачивается в подогреватель 6, где обогревается и поступает затем в котел. Полезная мощность, вырабатываемая газовой и паровой турбинами, передается генераторам электрического тока 4 и 10. Соотношение между количеством отработавших газов и количеством обогреваемой питательной воды определяется из условия, что количество теплоты, отдаваемой отработавшими газами, должно равняться количеству теплоты, необходимой для подогрева питательной воды до расчетной температуры.

В парогазовой установке термический КПД общего цикла больше, чем КПД каждого из составных циклов (газового и пароводяного) и, следовательно, наибольшего из них. Строится цикл для 1 кг воды и соответствующего количества газа на 1 кг воды, определяемого из теплового баланса подогревателя.

.