2.2 Циклы газотурбинных установок

Принципиальная схема простой газотурбинной установки (ГТУ) приведена на рис. 6 и 7. Цикл, совершаемый рабочим телом ГТУ, приведен на рис. 6, где 1-2-3-4-1 − обратимый цикл, 1-2д-3-4д-1 − цикл с необратимыми процессами сжатия и расширения. Процессы 2-3 и 4-1 − изобарные.

Обратимые процессы, совершаемые рабочим телом в турбине и компрессоре, − изоэнтропные; реальные же процессы, сопровождающиеся трением, − необратимы: это процессы 3-4д и 1-2д.

Если теплоемкость С_р газов считать постоянной, то термический КПД обратимого цикла простой ГТУ:

,

г де − степень повышения давления в компрессоре.

В нутренний КПД цикла с необратимым сжатием и расширением рабочего хода:

,

г де − степень повышения температуры при обратимом сжатии в компрессоре, − внутренние относительные КПД турбины и компрессора.

a)

б)

Рис 6. Принципиальная схема (а) и цикл (б) простой ГТУ

Принципиальная схема и цикл ГТУ с регенерацией теплоты представлены на рис. 7.

а) б)

Рис. 7. Принципиальная схема (а) и цикл (б) ГТУ с регенерацией

Из сравнения схемы такой установки (рис. 7,а) со схемой ГТУ без регенерации (рис. 6,а) видно, что в ней добавлен только регенеративный теплообменник Р, в котором уходящие газы охлаждаются (процесс 4-6),

н агревая при этом воздух, поступающий в камеру сгорания (процесс 2-5).

В схемах ГТУ с многоступенчатым сжатием и расширением рабочего тела воздух сжимается в многоступенчатом компрессоре: после каждой ступени компрессора, кроме последней, воздух охлаждается почти до температуры окружающей среды. Расширение рабочего тела осуществляется многоступенчато: после каждой ступени турбины, кроме последней, воздух попадает в камеры сгорания, где снова нагревается до максимальной температуры в цикле. Обычно число ступеней турбины и компрессора не превышает трех. На рис. 8 изображен цикл ГТУ с двухступенчатым сжатием и двухступенчатым расширением рабочего тела.

Рис. 8. Цикл ГТУ с двухступенчатым сжатием и двухступенчатым

расширением

Цикл ГТУ с двухступенчатым сжатием и двухступенчатым расширением с регенерацией теплоты изображен на рис. 9.

Рис. 9. Цикл ГТУ с двухступенчатым сжатием и двухступенчатым расширением

с регенерацией теплоты

2.3 Циклы паротурбинных установок

Основу современной стационарной теплоэнергетики и атомной энергетики составляют паротурбинные установки (ПТУ), использующие в качестве рабочего тела воду и водяной пар. В основе современных ПТУ лежит цикл Ренкина (рис. 10).

4

4

q₂

б)

в))

Рис. 10. Принципиальная схема простой ПТУ (а) и обратимый цикл Ренкина на насыщенном (б) и перегретом (в) паре

Полезная (механическая) работа, совершаемая 1 кг пара в обратимом процессе в турбине, равна:

;

− работа насоса

;

− подведенная в цикле теплота

;

− термический КПД цикла Ренкина

.

Принципиальная схема ПТУ с промежуточным перегревом пара изображена на рис. 11,а, а цикл, совершаемый рабочим телом этой установки, изображен на рис. 11,б. Особенностью цикла, изображенного на рис. 11,б является сверхкритическое начальное давление пара: р₁ > р_к = 22,1 МПа. В отличие от схемы рис. 10,а здесь добавлен промежуточный пароперегреватель (ПП), смонтированный внутри котла КА. Промежуточный перегрев позволяет увеличить термический и внутренний КПД цикла за счет возрастания средней температуры подвода теплоты и уменьшения конечной влажности.

a)

б)

Рис. 11. Принципиальная схема ПТУ с промперегревом на сверхкритическом давлении пара (а) и цикл (б)

В циклах Ренкина на насыщенном и перегретом паре с целью повышения КПД применяется регенерация теплоты, которая позволяет поднять среднюю температуру подвода теплоты за счет увеличения температуры питательной воды, поступающей в котел, либо в парогенератор.

Принципиальная схема ПТУ с регенеративными отборами пара представлена на рис. 12,а, а цикл, совершаемый водяным паром этой установки, изображен на рис. 12,б. В отличие от схемы простой ПТУ (рис. 10,а), здесь пар из отборов турбины подается в систему регенеративных подогревателей РП, в результате чего в котел подается питательная вода при температуре t_ПВ.

2⁰

n⁰

n^0’0

Рис. 12. Принципиальная схема (а) и цикл (б) ПТУ с регенеративными отборами пара

КПД цикла − цикл (б) ПТУ с регенеративными отборами пара определяется по формуле

,

где − доля пара в i-ом отборе;

i − энтальпия этого пара;

n − число регенеративных подогревателей (число отборов пара).

Число регенеративных подогревателей выбирается из технико-экономических соображений, так как при их увеличении капитальные затраты растут пропорционально n, а прирост КПД становится все меньше. Число регенеративных подогревателей в современных установках не превышает десяти.

Ц икл паротурбинной теплофикационной установки − цикл для комбинированной выработки электроэнергии и теплоты − представлен на рис. 13.

Рис. 13. Цикл паротурбинной теплофикационной установки