Билет №1

1. Газотурбинные установки. Их сравнение с паровыми.

Газовые турбины как и паровые в подавляющем числе случаев используются в теплоэнергетических установках, обеспечивающих подготовку рабочего тела до нужных параметров. В случае паровых турбин необходимые параметры пара, например, обеспечиваются паровым котлом, насосами для подачи воды, системами регулирования, в случае газовых – камерой сгорания высокого давления, топливными насосами, турбовоздуходувками. Однако газовые турбины могут быть использованы и почти без специальной подготовки и повышения потенциальной энергии рабочего тела. Такими достаточными для эффективного использования турбин параметрами обладает колошниковый газ современных доменный печей, природный газ, поступающий на предприятия.

Схема газотурбинной установки представлена на рис. 26. В рекуператоре – регенераторе подогревается воздух за счет теплоты отработанных продуктов горения, что повышает КПД газотурбинной установки.

. Рис. 26. Принципиальная схема газотурбинной установки:1 – компрессор; 2 – рекуператор; 3 – камера сгорания;

4 – газовая турбина; 5 – электрический генератор;

6 – пусковой двигатель; 7 – топливный насос;

8 – фильтр для очистки воздуха.

В газовой турбине срабатывается значительно меньший перепад давления, чем в паровой турбине. В связи с этим в ней меньше ступеней, чем у паровой турбины, меньше мощность. Принцип действия ГТУ со сгоранием топлива при постоянном давлении сводится к следующему. Сжатый в компрессоре воздух, очищенный в фильтре от пыли и забираемый из атмосферы, вводится в камеру горения, куда одновременно подается жидкое (или газообразное) топливо. В камере сгорания воздух разделяется на два потока. Один поток воздуха почти в стехиометрическом соотношении с топливом поступает внутрь жаровой трубы, второй поток воздуха обтекает трубу снаружи и смешивается с продуктами сгорания на выходе из нее, разбавляя их и понижая температуру. Образовавшийся после горения и смешения с вторичным воздухом газ поступает на лопатки турбины, где расширяясь совершает работу. Развиваемая газовой турбиной мощность частично расходуется на привод компрессора и топливного насоса. Запуск ГТУ происходит пусковым двигателем. Топливо в камере сгорания зажигается электрической свечой одновременно с пуском установки.

Стационарные ГТУ классифицируются по ряду показателей: по назначению (энергетические, приводные, утилизационные, технологические, атомные в которых используется реактор с газовым охлаждением), по степени сложности (с простым циклом, со сложным циклом – включает промежуточные охлаждения воздуха при сжатии и промежуточный подвод теплоты при расширении рабочего тела, с регенеративным циклом нагрева рабочего тела за счет теплоты выхлопных газов), по степени изоляции рабочего тела от окружающей среды (открытого цикла, замкнутого цикла), по принципу действия (со сгоранием при постоянном давлении, постоянном объеме). В стационарной энергетике получили распространение газовые турбины со сгоранием при p = const.

Анализ цикла простой ГТУ без регенерации, включающей в себя в качестве основных элементов компрессор, камеру сгорания и газовую турбину, показал нерегулярный ход зависимости КПД установки h в зависимости от степени повышения давления в компрессоре. При КПД камеры сгорания 0,97, внутреннем относительном КПД турбокомпрессора 0,88, турбины 0,87, температуре воздуха перед компрессором Т_а = 288 К изменение КПД установки h = (l_т – l_к) /q₁ (отношения разности работы расширения 1 кг газа в турбине и работы, затраченной на сжатие 1 кг воздуха в компрессоре, к удельной подведенной энергии топлива) в зависимости от степени повышения давления воздуха e, степени повышения температуры газа t = Т₁/Т_а и температуры газа перед турбиной Т₁ представлены на рис. 27.

Видно, что существует оптимальное e, при котором КПД установки имеет максимальное значение. С увеличением t увеличивается e_опт вместе с ростом максимума КПД ГТУ. Однако, даже при Т₁ = 1273 К величина h_макс =0,34, т.е. ниже чем КПД паротурбинной установки.

Важнейшим способом повышения КПД ГТУ является использование теплоты отработанных в турбине газов для подогрева воздуха, идущего на горение (рис. 26). Эффективность регенерации оценивают степенью регенерации s, определяемой отношением количества теплоты, переданной воздуху, к предельно возможному количеству теплоты. Для большинства современных ГТУ s = 0,6 – 0,8. КПД установки с регенерацией снижается медленнее при снижении нагрузки, чем в случае работы без регенерации. С введением регенерации оптимальная степень повышения давления воздуха уменьшается. Регенерация позволяет повысить КПД ГТУ, например, для

t = 4 и s = 0,8 с 0,3 до 0,38 Отмечается, что эффективность регенерации существенно зависит от гидравлического сопротивления системы. При значительном сопротивлении эффект от применения регенерации может быть сведен к нулю.

В отличие от паротурбинной установки, для которой коэффициент полезной работы близок к единице, полезная мощность ГТУ по сравнению с мощность развиваемой самой турбиной составляет всего 0,3 – 0,4. Влияние различных факторов на эффективность ГТУ, помимо регенеративного подогрева воздуха, сводится к следующему: увеличение относительной температуры t приводит к росту КПД, причем относительно большее влияние оказывает снижение температуры наружного воздуха, чем повышение температуры газов перед турбиной; в цикле без регенерации КПД турбины и компрессора влияют существеннее на эффективность работы установки, чем в цикле с регенерацией; потери давления в газовом и воздушном тракте заметно снижают КПД установки; утечки в уплотнениях влияют больше на эффективность газотурбинной установки, чем на эффективность паровой турбины; промежуточное охлаждение сжимаемого воздуха, как и промежуточный подвод теплоты для подогрева газа, увеличивают КПД установки, но при этом усложняется схема ГТУ и повышаются капитальные затраты. Реально перечисленные мероприятия по повышению эффективности ГТУ позволяют поднять ее КПД до 0,35 – 0,42, что лишь незначительно выше электрического КПД паротурбинных установок. Существенное же повышение эффективности преобразования топливной энергии в электрическую в настоящее время удается лишь при использовании комплексных парогазовых установок ПГУ. Применение ПГУ (с высоконапорными или низконапорными топками, с подогревом питательной воды теплотой отходящих газов и др.) реально позволяет увеличить тепловую эффективность комплексной системы до 0,44 – 0,46.

Одно из мало разработанных направлений использования ГТУ является их утилизационное применение в пирометаллургических технологиях, для которых характерна высокая температура покидающих технологические агрегаты газов. В этом случае наиболее целесообразно использовать в качестве рабочего тела воздух, нагреваемый в рекуператоре.

Простейшая открытая схема: забор воздуха из атмосферы, компрессор, рекуператор, газовая турбина, далее утилизатор низкопотенциальной теплоты. При отсутствии необходимого количества потребителей теплоты в виде пара или горячей воды производство электроэнергии с использованием ГТУ может оказаться весьма современным и эффективным. Кроме того, в отличие от котлов – утилизаторов газотурбинные установки весьма компактны и достаточно быстро окупаются. По различным оценкам КПД использования усвоенной воздухом теплоты составит около 0,2, при степени сжатия воздуха 5-6, температуре его подогрева 500 – 550 ^оС.

Газовые турбины имеют однотипные с паровыми турбинами характеристики рабочего процесса. Степень реактивности r, окружная u и другие скорости газа, углы входа и выхода газа на лопатки, оптимальное соотношение u/c₁, потери в ступенях турбины и коэффициенты полезного действия определяются на основании тех же соображений и по тем же (или аналогичным) формулам, которые были приведены выше для паровых турбин.