Судовые парогазотурбинные установки

В парогазотурбинной установке базовой является ПТУ, в которой низконапорный котел заменен на высоконапорный с газотурбинным наддувом. Принципиальная схема ПГТУ показана на рис. 3.1. Турбонаддувочный агрегат включает компрессор 9 и газовую турбину 10. Атмосферный воздух сжимается в компрессоре и подается в топку котла, куда также через форсунку впрыскивается топливо. При сжатии (π_к = 2,5…4) температура воздуха повышается до 150 °С, поэтому высоконапорный котел не требует дополнительно котельного вентилятора и газового воздухоподогревателя.

Рисунок 3.1 – Принципиальная схема ПГТУ:

1 – движитель; 2 – редуктор; 3 – паровая турбина; 4 – конденсатор; 5,7 – конденсатный и питательный насосы; 6 – деаэратор; 8 – высоконапорный паровой котел; 9 – компрессор; 10 – газовая турбина

Рисунок 3.2 – Цикл ПГТУ

Дымовые газы из котла подводятся к газовой турбине, где расширяются и отводятся в атмосферу. Мощность газовой турбины расходуется на привод компрессора, а избыток мощности через редуктор 2 идет на подкрутку движителя 1. Избыток мощности турбонаддувочного агрегата может использоваться для привода электрогенератора. Обычно газовая турбина включается в газовый тракт котла после экономайзера, в этом случае температура газа перед газовой турбиной сравнительно низкая и на номинальном режиме газовая турбина не будет иметь избытка мощности. Избыток мощности газовых турбин можно получить за счет усложнения схемы ПГТУ. В частности газовую турбину можно включить в тракт котла перед экономайзером.

Комбинированный идеальный цикл ПГТУ приведен на рис. 3.2. В этом цикле: 1-2 – адиабатный процесс повышения давления в компрессоре; 2-3 – изобарический процесс горения топлива в топке котла с подводом теплоты Q ₁; 3-3' – изобарический процесс охлаждения газов в конвективных поверхностях теплообмена котла; 3'-4 – адиабатный процесс расширения газов в турбине; 4-1 – изобарический процесс отвода теплоты с уходящими газами Q ₂ ^г; 5-6 – адиабатный процесс расширения пара в паровой турбине; 6-7 – изобарический процесс конденсации пара в конденсаторе с отводом теплоты Q ₂ ^п; 7-8 – изобарический процесс нагрева воды в котле до температуры кипения; 8-9 – изобарический процесс кипения и парообразования; 9-5 – изобарический процесс перегрева пара. На этой диаграмме избыток мощности турбонаддувочного агрегата пропорционален площади 1-2-3'-4.

Подведенная в цикле теплота

,                                  (3.1)

где  – расход газов;  – изобарическая теплоемкость газов.

Работа комбинированного цикла L складывается из работы газотурбинного двигателя L _г и работы паротурбинной установки L _п. В свою очередь работа газотурбинного двигателя равна разности работ газовой турбины L _г^т и компрессора L _г^к,

.                               (3.2)

Если относительный расход пара обозначить , то работу цикла (в Дж) можно записать в следующем виде

.        (3.3)

Термический КПД комбинированного цикла

 .            (3.4)

Использование высокого давления воздуха подаваемого в паровой котел позволяет существенно снизить объем топочного пространства. Это приводит к интенсификации процессов горения и теплообмена в поверхностях нагрева, повышению тепловой нагрузки на эти поверхности, и как результат, повышению КПД установки. Массогабаритные показатели высоконапорных котлов в 2…2,5 раза ниже по сравнению с обычным паровым котлом. Форма парового котла в ПГТУ также изменяется, приобретая набор цилиндрических контуров.

Отдельным примером парогазотурбинной установки является проект, разработанный испанской группой ДБА которая называется «Ковайгаз». Принципиальная схема этой установки приведена на рис. 3.3. В разработанной схеме паротурбинная часть модернизирована, с целью получения более высоких показателей, и дополнена газотурбинным двигателем (ГТД), мощность которого составляет 10% от главной ПТУ. ГТД работает на главный редуктор и приводит валогенератор, а избыток мощности передается судовому валопроводу. Выпускные газы от ГТД подводятся к утилизационному промежуточному пароперегревателю, который установлен между ТВД и ТСД. Использование схемы «Ковайгаз» позволит получить удельный расход топлива около 230 г/(кВт·ч).

Рисунок 3.3 – Принципиальная схема ПГТУ «Ковайгаз»

1 – движитель; 2 – основной редуктор; 3 – электрогенератор; 4 – дополнительный редуктор; 5 – компрессор ГТД; 6 – камера сгорания; 7 – турбина ГТД; 8 – утилизационный пароперегреватель; 9 – паровой котел; 10 – турбина высокого давления; 11 – турбина среднего давления; 12 – турбина низкого давления; 13 – главный конденсатор; 14 – конденсатный насос; 15 – деаэратор; 16 – питательный насос