9.2.3. Схема и цикл энергетической газотурбинной установки

Для повышения тепловой экономичности газотурбинных установок, используемых для привода различных механизмов, применяются:

• многоступенчатое сжатие воздуха в компрессоре;

• многоступенчатое расширение газа в турбине;

• регенерация теплоты.

На рис. 9.6 и 9.7 приведены схема и цикл энергетической газотурбинной установки (ГТУ-50-800).

Обозначения: К₁, К₂, К₃ - ступени трехступенчатого компрессора; T₁, T₂ - ступени двухступенчатой турбины; ПО₁, ПО₂ - промежуточные охладители; КС₁, КС₂ - камеры сгорания; Р - регенератор. Цифры на схеме соответствуют узловым точкам обратимого цикла (рис. 9.7)

Подводимая теплота в цикле

;

отводимая теплота

.

Теплота, переданная в регенераторе от продуктов сгорания к воздуху

.

Для характеристики полноты регенерации используется коэффициент, определяемый следующим образом:

,

где - максимальная теплота регенерации. Для регенераторов газовых турбин этот коэффициент изменяется в пределах  = 0,5..0,8. Применение в газотурбинных установках регенерации тепла, ступенчатого сжатия и расширения увеличивает среднюю термодинамическую температуру подвода тепла в цикле T и уменьшает среднюю термодинамическую температуру отвода тепла T, что дает существенное повышение термического КПД обратимого цикла, т.к.

.

Эффективный КПД в газотурбинных установках достигает 35% (против 14...20% для газотурбинных двигателей).

9.3. Циклы паротурбинных установок

Современная стационарная теплоэнергетика базируется, в основном, на паротурбинных установках. Рабочим телом таких установок является вода и водяной пар.

9.3.1. Схема паротурбинной установки (пту) и цикл Ренкина

Н а рис. 9.8, 9.9, 9.10 представлены схемы паротурбинной установки (ПТУ) и обратимый цикл в p-v- и T-s- диаграммах (цикл Ренкина).

Обозначения: ПК - паровой котел; ПП - пароперегреватель; ЭТ - экранные (испарительные) трубы парового котла; ВЭ - водяной экономайзер; Т - паровая турбина; К - конденсатор, охлаждаемый водой; Н - насос; ЭГ - генератор электрического тока (потребитель). Цифры на схеме соответствуют узловым точкам обратимого цикла, представленного в p-v- и T-s- диаграммах

Теплота, подводимая к воде и водяному пару в паровом котле (в процессах: 3-4- нагрев воды до кипения, 4-5-испарение воды, 5-1 - перегрев пара)

.

Отводится теплота от водяного пара в процессе его конденсации (2-2)

.

Работа, получаемая в турбине, является внешней работой адиабатного процесса расширения 1-2

.

Работа, затрачиваемая на сжатие конденсата в насосе, с учетом того, что процесс сжатия является адиабатным (dq = 0) и одновременно изохорным (v = const) вследствие несжимаемости жидкости,

.

Полезная работа обратимого цикла (площадь цикла в p-v- и T-s- диаграммах)

.

Термический КПД обратимого цикла Ренкина вычисляется по формулам:

,	(9.9)
.	(9.10)

В практических расчетах зачастую можно пренебречь работой насоса, которая, вследствие несжимаемости жидкости, ничтожна по сравнению с работой турбины. В этом случае состояние 3 на диаграммах не изображают (рис. 9.11), т.к. точка 3 совпадает с точкой 2 :

,
,	(9.11)
.	(9.12)

Анализ формул (9.9)-(9.12) показывает, что термический КПД зависит от трех параметров (p₁, t₁, p₂), он увеличивается с повышением давления p₁ в паровом котле, с увеличением температуры перегрева пара t₁ и с уменьшением давления p₂ в конденсаторе.

В современных мощных паротурбинных установках применяются параметры пара p₁ = 235...240 бар, t₁ = 535...565 ⁰С, p₂ = 0,03...0,05 бар (t_s = 25...35⁰С). Переход на более высокие параметры p₁ и t₁ определяется уровнем развития металлургии, т.к. требуются дорогостоящие высоколегированные стали. Использование более низких давлений p₂ ограничено температурой воды, охлаждающей конденсатор, которая в летнее время равна 18…20 ⁰ С.

В паротурбинной установке можно было бы осуществить цикл Карно a-4-5-b (рис. 9.12): 4-5 – испарение; 5-b – расширение пара в турбине; b-a-неполная конденсация пара; a-4- сжатие мокрого пара в компрессоре.

На практике этот цикл не осуществляется, прежде всего, потому, что в реальном цикле, вследствие потерь на привод компрессора, затрачивалась бы большая часть мощности, вырабатываемой турбиной. Экономичнее конденсировать пар полностью, а затем насосом увеличить давление воды от p₂ до p₁ в процессе 2-3. Кроме того, процесс расширения сухого насыщенного пара в турбине (5-b) связан с большими потерями на трение, вследствие существенного уменьшения степени сухости в процессе расширения, т.е. увеличения содержания воды в паре. Поэтому в паротурбинных установках применяют перегрев пара в трубах пароперегревателя парового котла. В этом случае процесс расширения 1-2 сдвигается в область перегретого пара, уменьшаются потери на трение при течении пара в проточной части турбины.