1.1.5. Вплив теплообмінних апаратів на ефективність роботи гту

Регенератори

В ГТУ простого циклу зростання ККД та питомої корисної роботи може бути забезпечений зростанням початкової температури газу перед турбіною [8,40]. Так, при рівні температури 900 ° С, зростання її на 100 ° С дає приріст ККД з 0,29 до 0,33, тобто на 13,7% (відносних), а при рівні 1 100 ° С - з 0,36 до 0,38, тобто на 5,5%. Видно, що хоча ККД ГТУ простого циклу і зростає з ростом температури, але ступінь цього росту спадає. Крім того, при зростанні початкової температури необхідно вирішувати проблему вибору матеріалів ряду відповідальних деталей турбін (жарових труб камер згоряння, соплових і робочих лопаток, роторів) і паралельно вживати заходів щодо організації їх глибокого охолодження.

При роботі ГТУ по простому циклу вихлопні гази мають значний тепловий потенціал. Так, ГТУ з номінальною корисною потужністю 25 МВт, при витраті робочого тіла 103 кг / с і температурі вихлопних газів 467 ° С, скидає в навколишнє середовище з температурою 15 ° С більше 50 МВт теплоти, що відповідає витраті газоподібного палива більше1 кг / с (тут вжито теплоємність вихлопних газів 1,13 кДж / (кг • ° С) і теплота згоряння палива 50 МДж / кг). Марно втрачається теплота може бути частково використана в утилізаторах теплоти або повернута в цикл за допомогою регенераторів.

Введення в цикл ГТУ регенерації вихлопного тепла дозволяє понизити витрату палива, тобто підвищити ККД без зростання початкової температури і, отже, без підвищення вимог до жароміцності матеріалів.

Відомо [40], що ефективність роботи регенератора, як засобу повернення в цикл ГТУ теплоти вихлопних газів, оцінюється за величиною ступені регенерації, обумовленої як відношення кількості теплоти, фактично переданої повітрю, до кількості теплоти, яке теоретично можна було б передати, при повному використанні наявного температурного потенціалу. Нехтуючи розходженням витрат газів та повітря і їх теплоємностей, ступінь регенерації визначають у вигляді співвідношення різниць температур

r=

де -температура вихлопних газів на вході в регенератор;

-температура повітря вході і виході регенератора відповідно.

Легко бачити, що ступінь регенерації - це коефіцієнт Р в загальній теорії теплообмінників.За визначенням ступінь регенерації змінюється в межах від 0 (від-присутність регенератора) до 1 (регенератор з нескінченно великою поверхністю). Реальні значення ступеня регенерації (г) - 0,65 ... 0,85.Зростання ККД турбіни при введенні регенераторів можна оцінити по даним [8]. Якщо прийняти г = 0,8, то при температурі газів перед турбіною 900 ° С ККД становить 0,32 (зростання за рахунок регенерації у порівнянні з простим циклом на 10%), а при додатковому збільшенні температури на 100 ° С - 0 , 36 (приріст ще на 9%). Ті ж величини при температурі газів 1100 ° С складають 0,40 і 11%; 0,43 і 7,5% відповідно.Зіставлення цих даних з наведеними вище для простого циклу показує, що регенерація поряд зі збільшенням ККД турбіни підсилює також і вплив зростання температури на ККД. Регенеративні ГТУ наближаються по ККД до паротурбінної установки і двигунам внутрішнього згоряння.Регенерація впливає не тільки на ККД циклу ГТУ, але і на інші важливі його параметри: на питому корисну роботу і пов'язаний з нею витрату робочого тіла, а також на оптимальну ступінь підвищення тиску в циклі.Питома робота циклу безпосередньо від ступеня регенерації не залежить. Але із зростанням останньої зменшується оптимальна (тобто відповідна максимальному ККД) ступінь підвищення тиску в циклі, а це призводить до збільшення питомої корисної роботи. Дана обставина може мати двоякий позитивний наслідок. При заданій потужності ГТУ зменшується витрата робочих тіл турбомашин установки - повітря в компресорі і газів в турбіні, що при проектуванні їх проточних частин призводить до зменшення висоти лопаточного апарату. Якщо ж зафіксована витрата робочого тіла - зросте потужність ГТУ.Зменшення оптимального ступеня підвищення тиску в циклі також тягне ряд позитивних наслідків: зменшується число ступенів циклового компресора ГТУ, коротшають і посилюються ротор та корпус компресора, зменшуються їх маси і т.д. При невисокій ступені стиснення температура стисненого повітря також знижується, що послаблює вимоги до матеріалів деталей на виході з компресора і в той же час «якості» стисненого повітря як хладогента системи охолодження ГТУ покращуються.Зв'язок ступеня регенерації з величиною поверхні теплообміну регенератора виражається залежністю [43]

F= * ,(6.2)

Де – витрата повытря в ГТУ;

– теплоємність повітря;

K – коефіцієнт теплопередачі в генераторі.

Практикум. Оцінимо за формулою (6.2) величину поверхні теплообміну регенератора для ГТУ.Приймемо витрату повітря в ГТУ (G_eo]0) — ЮЗ кг / с, значення коефіцієнта теплопередачі (К) —75 Вт / (м²-° С) і теплоємність ( - 1,13 кДж / (кг-° С ). Тоді при ступені регенерації 0,65 поверхня (F) дорівнює 2882 , а при 0,8 - 6207 .Для оцінки маси регенератора використовуємо питомий показник —повну масу теплообмінника, що припадає на одиницю поверхні теплообміну. За даними [7], для регенераторів минулих періодів розробки він становить 15 ... 40 кг/ , для сучасних пластинчастих регенераторів - 13 ... 16 кг/ , для сучасних трубчастих регенераторів - 14 ... 17 кг/ . Прийнявши питому поверхність 15 кг/ , отримуємо масу регенераторів для вищенаведених прикладів 43230 і 93105 кг відповідно.Оцінимо також вплив ступеня регенерації (r) на величину поверхні теплообміну (F) методом малих відхилень по коефіцієнту впливу, отримані на основі формули (6.2) 

= .(6.3)

Тоді при r = 0,65 =2,86 r=0,8 =5,00.Це означає, що призростанні r з 0,65 до 0,7, тобто на 7,7%, зростання поверхні складе 2,86-7,7 = 22%, а при зростанні з 0,8 до 0,85 - відповідно 6, 2% і 31%. Ясно, що і маса регенератора зросте в цих же пропорціях.З отриманих результатів видно, що при досить значних абсолютних значеннях поверхні теплообміну (і маси) регенератора вона швидко збільшується з ростом ступені регенерації. Співвідношення коефіцієнтів впливу попоказувала, що при високих ступенях регенерації ступінь зростання поверхні майже в два рази вище. При великих ступенях регенерації поверхня росте ще швидше. Відповідно зростає і маса регенератора.Поряд з очевидною вигодою застосування регенерації вона викликає і низку негативних наслідків. Крім розглянутих раніше ускладнення конструкції ГТУ, збільшення металоємності і погіршення динаміки - це ще і зростання гідравлічних втрат у трактах ГТУ за рахунок появи гідравлічних опорів додаткових ділянок тракту у вигляді повітроводів від компресора до регенераторів і від регенератора до камери згорання, додаткового опору подовженого газоходу вихлопного тракту ГТУ, а також гідравлічних опорів газового та повітряного трактів регенератора.Додаткові гідравлічні втрати в тракті регенеративної ГТУ можуть становити 3 ... 7% (абсолютних). Розрахунки показують, що додаткові гідравлічні втрати у схемі регенеративної ГТУ можуть суттєво знизити зростання ККД. Однак зі зростанням температури газів перед турбіною ГТУ негативний вплив гідравлічних опорів зменшується.Крім погіршення показників ГТУ через зростання гідравлічного опору тракту регенератор може негативно впливати на її роботу за рахунок появи витоків циклового повітря через нещільності тракту високого тиску на сторону низького тиску і далі через вихлопну трубу в атмосферу. Зазначені нещільності виникають в основному внаслідок розвитку термоусталостних тріщин у поєднанні з газовою корозією. Оскільки на стиск циклового повітря витрачається робота самої ГТУ, ці витоку викликають прямі втрати ККД і потужності. Про величину витоків судять по швидкості падіння тиску в регенераторі, заміряні при його пневмовипробування.Підводячи підсумки викладеного, можна зробити висновок, що вплив присутності регенератора в циклі і схемою ГТУ на показники ефективності її роботи надзвичайно багатофакторнофакторно і суперечливо, тому ставлення до застосування регенераторів в ГТУ пройшло за осяжний період розвитку ГТУ кілька стадій: від обережно- негативного до обережно-позитивного. В даний час модернізація нерегенеративного ГТУ з переводом їх на регенеративний цикл і переоснащення регенеративних ГТУ регенераторами нових типів розглядається як один з перспективних методів підвищення економічності ГТУ.Остаточний висновок про застосування регенерації в циклі ГТУ і про оптимальну величиною ступеня регенерації можна робити тільки за результатам широкого техніко-економічного аналізу проекту ГТУ. При цьому ключовим є питання про призначення ГТУ—стаціонарна або транс-портна, енергетична або привідна, для базового навантаження або пікова.

Проміжні повітроохолоджувачі

Термодинамічна ефективність циклів з проміжним охолодженняням циклового повітря обумовлена ​​наближенням процесу стиснення до ізотермічного [43], а в цілому наближенням циклу до циклу Карно, який, як відомо, має найбільший ККД.Проміжне охолодження збільшує як ККД, так і корисну роботу циклу, причому одночасне введення регенерації підсилює цей ефект [43]. Однак оптимальна ступінь підвищення тиску для таких циклів зростає. Дійсна ефективність проміжного охолодження дещо знижується за рахунок дії гідравлічних втрат на додаткових ділянках тракту ГТУ - повітряному тракті охолоджувача та воздуховодах.Відомі перспективні опрацювання безрегенеративних ГТУ складних циклів і схем, що включають багатоступінчасте проміжне охолодженняня і багатоступінчастий проміжний підігрів, що в поєднанні з гранично високими початковою температурою газу і ступенем стиснення повинно вивести ККД таких ГТУ на рівень сумарний або навіть більший, ніж у паротурбінних установок. Але тоді і громіздкість, і металоємкість теж будуть сумірні.

Підігрівачі палива

Підігрівачі паливного газу в системі паливоподачі ГТУ виконують дві взаємопов'язані функції: по-перше, підвищення температури - для випаровування рідких фракцій важких вуглеводів і запобігання утворення відкладень кристалогідратів в паливному тракті, по-друге, збільшення ентальпії палива. Роль останнього видна з форму ¬ ли для ККД турбіни [40,43]

=

 де N - потужність ГТУ; 

- Хімічна теплота, підведена паливом; 

- Фізична теплота, підведена паливом; 

- Витрата палива; 

- Нижча робоча теплота згоряння;

  - Ентальпія (тепломісткості) палива.

Ясно, що збільшення ентальпії палива дозволяє зменшити його витрати. При цьому, якщо для підігріву палива використовується скидна теплота - теплота вихлопних газів або теплота охолоджувального повітря, то вигода дігрівупі палива очевидна.Рівень нагріву палива в діапазоні 65 ... 300 ° С визначається температурним потенціалом джерела теплоти, допустимої втратою тиску палива, а також конструктивної та техніко-економічної доцільністю збільшення поверхні теплообміну підігрівача. У той же час є обмеження рівня нагріву, пов'язані з місцеположенням підігрівача в паливному тракті, які будуть пояснені далі.Вибір місця розміщення підігрівача палива в паливному тракті ГТУ представляє певні труднощі: установка підігрівача до органів регулювання подачі палива створює небезпеку їх перегріву, установка ж його між паливорозподілюючими пристроями камери згорання і органами регулювання збільшує обсяг цієї частини тракту за рахунок обсягів самого підігрівача і трубопроводів підведення і відведення і тим самим може позначатися на динаміці регулювання роботи ГТУ.При підігріві палива вихлопними газами ГТУ підігрівач може встановлюватися безпосередньо в вихлопному тракті з використанням теплоти всього потоку вихлопних газів або на відгалуженні від вихлопного тракту, тобто на боєасі. Останнє переважно, оскільки дозволяє регулювати витрату вихлопних газів через підігрівник за допомогою шиберних заслінок або навіть повністю його відключати.