14.3 Цикл гту с изохорным подводом теплоты

В ГТУ, работающей по этому циклу, процесс сгорания идет в замкнутом объеме камеры сгорания при  = const. Схема ГТУ со сгоранием при  = const изображена на рис. 14.5. Компрессор 1, приводимый во вращение турбиной 9, подает сжатый воздух через ресивер 2 в камеру сгорания 5 через управляемый клапан 7. Второй клапан 8 предназначен для выхода продуктов сгорания в турбину. Топливо в камеру сгорания подается насосом 4 из топливного бака 3 через форсунку 6. Впрыск топлива через форсунку осуществляется периодически. В камере сгорания при закрытых клапанах 7 и 8 происходит процесс горения топлива в постоянном объеме. При повышении давления клапан 8 открывается и продукты сгорания поступают через сопловой аппарат на лопатки турбины, где совершают работу, которая преобразуется в электроэнергию генератором 10, затем газы выводятся в атмосферу.

После выхода газов из камеры сгорания через клапан 8 он закрывается. Через клапан 7 и форсунку 6 вводятся новые порции воздуха и топлива и процесс сгорания повторяется. Ресивер 2 в этой схеме нужен для сбора сжатого воздуха в периоды, когда воздушный клапан 7 закрыт. Таким образом, работа такой ГТУ осуществляется периодически. Для равномерного вращения ротора турбины обычно одну турбину обслуживают несколько камер сгорания со сдвинутыми одна относительно другой фазами процесса сгорания. Поэтому газ на лопатки турбины поступает непрерывно.

Изобразим цикл такой ГТУ в осях p,  и T, s с теми допущениями, которые оговорены ранее (рис. 14.6).

Цикл состоит из следующих процессов: 1-2 - адиабатное сжатие воздуха в компрессоре; 2-3 - подвод теплота q₁ к газу при  = const; 3-4 - адиабатное расширение газа в турбине; 4-1 - изобарный отвод тепла q₂ от рабочего тела.

Параметры цикла:

- степень повышения давления в компрессоре;

- степень повышения давления в изохорном процессе подвода теплоты.

Найдем термический к.п.д. цикла. Для этого вначале определим температуры в узловых точках цикла через заданную температуру Т₁.

Из адиабаты 1-2

, откуда .

Из изохоры 2-3

, .

Из адиабаты 3-4

.

Откуда .

Найдем q₁ и q₂

,

.

Тогда .

Окончательно получим

. (14.3)

Анализ формулы (14.3) показывает, что _t увеличивается с ростом  и .

Если сравнить между собой циклы с подводом теплоты при p = const и  = const при одной и той же величине степени повышения давления в компрессоре  и одинаковом количестве отведенной теплоты q₂, то оказывается, что цикл при  = const выгоднее цикла при p = const. Несмотря на это преимущество, цикл с подводом теплоты при  = const широкого применения в практике не нашел в связи с усложнением конструкции камеры сгорания и ухудшением работы турбины в пульсирующем потоке газа.

15. Циклы парогазовых установок

К.п.д. газовых турбин ограничивается температурой рабочего тела и единичной мощностью из-за возрастающих затрат энергии на собственные нужды. Если первое ограничение из-за отсутствия термически прочных и стойких металлов в настоящее время практически неустранимо, то второе ограничение может быть устранено полностью или частично, если в турбину вместо низкоэнтальпийного подавать высокоэнтальпийное рабочее тело при той же температуре. Последнее можно получить путем добавки к продуктам сгорания присадки высокоэнтальпийного вещества. Чаще всего к продуктам камеры сгорания ГТУ добавляют воду.

ГТУ, работающие с рабочими телами, состоящими из смесей паров воды и газа или использующие в тепловой схеме газ и пар, называются парогазовыми установками, а их циклы - парогазовыми.

Впервые идея создания энергетической установки с двумя рабочими телами (водяной пар и продукты сгорания топлива), смешиваемыми перед подачей в турбину, была высказана русским инженером П.Д. Кузьминским. Сжатый воздух в таких установках из компрессора 1 (рис. 15.1) направляется в камеру сгорания 2, куда насосом 5 через регенеративный подогреватель 4 подается химически очищенная вода. В камере сгорания 2 происходит смешение горячих продуктов сгорания (газов) с подогретой водой, в связи с чем камера сгорания выполняет следующие функции: сжигание топлива, испарение воды и смешение продуктов сгорания с паром. Образовавшаяся при этом парогазовая смесь из камеры сгорания 2 поступает в турбину 3, а затем через регенеративный подогреватель 4 либо выбрасывается в атмосферу, либо направляется в специальный конденсатор. Впрыск воды в продукты сгорания снижает температуру газов до приемлемых значений и повышает удельную энтальпию рабочего тела, за счет чего можно увеличить единичную мощность установки.

Более широкое применение на практике нашли парогазовые установки с раздельными рабочими телами. В период освоения циклов с раздельными рабочими телами было опробовано несколько различных тепловых схем. Наиболее эффективной оказалась схема, в которой паровой цикл по отношению к газовому явился полностью утилизационным. В такой схеме паровая часть установки работает без дополнительной затраты топлива. Установка (рис. 15.2) состоит из высокотемпературной газовой турбины 3, котла - утилизатора 4 и паровой турбины 5. Из компрессора 1 сжатый воздух подается в камеру сгорания 2, где в результате сгорания топлива образуется рабочее тело со средней температурой 1370 - 1570 К. Такая высокая температура рабочего тела, поступающего в турбину 3, требует охлаждения лопаточного аппарата. Это охлаждение осуществляется вторым рабочим телом, т.е. водяным паром. Охлаждающее устройство 8 в газовой турбине является пароперегревателем паровой части комбинированной парогазовой схемы. В нем охлаждается газ газовой турбины за счет перегрева пара, поступающего из котла-утилизатора 4.

Из пароперегревателя 8 пар идет в паровую турбину 5, которая, как и газовая, совершает работу. Отработанный пар из турбины 5 через конденсатор 6 насосом 7 вновь подается в котел-утилизатор 4. Электрический к.п.д. парогазовой установки, работающей по такой схеме, достигает 50 % и более. Подводимая теплота в рассматриваемом цикле (рис. 15.3) определяется только удельной теплотой газовой части цикла q_1г (пл. 6238). Полезная работа всей установки определяется суммой полезной работы газового цикла l_г (пл. 1234) и работой парового цикла l_п (пл. aвcd). Подведенная теплота парового цикла (пл. fвce) складывается из теплоты уходящих газов, поступающих в котел-утилизатор (пл. 47f5), и теплоты, затраченной на перегрев пара в пароперегревателе 8 (пл. 4487). Термические потери теплоты цикла изображены пл. 15f6 (теплота уходящих газов котла-утилизатора) и пл. fade (теплота, теряемая паром в конденсаторе). С учетом сказанного термический к.п.д. цикла определится отношением

,

где d - относительный расход пара в кг пара на 1 кг газа.