Тема № 2 способы повышения экономичности гту
Помимо
увеличения степени сжатия воздуха в
компрессоре –
и температуры газа –
перед газовой турбиной, существуют и
другие способы
повышения экономичности ГТУ:
1. Применение регенерации теплоты отработавших в турбине газов для предварительного подогрева воздуха, поступающего в камеру сгорания;
2. Применение ступенчатого сжатия воздуха в компрессоре с промежуточным его охлаждением;
3. Применение ступенчатого сгорания топлива (промежуточный подогрев газа);
4. Создание сложных многовальных установок, что дает возможность повысить КПД в основном при работе на частичных нагрузках;
5. Создание комбинированных установок, работающих по сложному парогазовому циклу;
6. Применение утилизации теплоты уходящих газов для производства пара и горячей воды (снижение потерь теплоты с уходящими газами).
- Цикл ГТУ с регенерацией предусматривает использование теплоты отработавших газов для подогрева воздуха, поступающего в камеру сгорания.
Схема ГТУ с регенерацией теплоты показана на (рис.138а).
Рис. 138 Схема и теоретический цикл ГТУ с регенерацией
Воздух после сжатия в компрессоре (1) направляется в регенератор (4) подогреватель, использующий теплоту отработавших газов газовой турбины.
Подогретый воздух поступает в камеру сгорания (2). Продукты сгорания, расширяясь, совершают работу в турбине (3). Пройдя регенератор и отдав часть теплоты воздуху, продукты сгорания выходят в атмосферу.
Регенератор обычно представляет собой трубчатый теплообменный аппарат, в котором воздух проходит внутри трубок, а газы – между трубками. Для уменьшения поверхности нагрева регенератора применяют по возможности противоток воздуха и газов.
Теоретический цикл ГТУ с регенерацией показан на (рис 138б).
Воздух
сжимается в компрессоре по адиабате
(ас). При
отсутствии потерь давления в регенераторе
подогрев воздуха в нем изобразится
отрезком изобары
(
).
Отрезок изобары (
)
характеризует процесс сгорания.
Адиабата
(ze)
изображает расширение газа в турбине.
Отрезок изобары (
)
соответствует отдаче теплоты отработавших
газов в регенераторе. Отрезок изобары
(
)
соответствует отдаче теплоты отработавшими
газами окружающей среде.
Атмосферный
воздух с параметрами
поступает в компрессор, где происходит
его сжатие до состояния
.
После
сжатия в компрессоре воздух направляется
в регенератор –
,
где ему передается часть теплоты уходящих
из двигателя газов; при этом температура
воздуха повышается до значения
,
а давление остается прежним –
.
Подогретый в регенераторе воздух поступает в камеру сгорания двигателя.
На
выходе из камеры сгорания горячие газы
имеют состояние, характеризующееся
параметрами
.
В
газовой турбине происходит расширение
газа, в ходе которого совершается
полезная работа, при этом параметры
газа снижаются до значений
.
Отработавшие в газовой турбине газы
направляются в регенератор, где отдают
часть теплоты нагреваемому воздуху, и
затем выбрасываются в атмосферу с
параметрами
.
Для цикла ГТУ с регенерацией характерны следующие термодинамические процессы:
– сжатие
воздуха в компрессоре;
– изобарный
подвод теплоты к воздуху в регенераторе;
– изобарный
подвод теплоты в КС при сжигании топлива;
– расширение
газов в газовой турбине;
– изобарный
отвод теплоты от продуктов сгорания в
регенераторе и передача теплоты
нагреваемому воздуху;
– изобарное
охлаждение продуктов сгорания в
атмосфере.
Рис. 57. Схема и термодинамический цикл ГТУ с регенерацией теплоты
Подвод
теплоты в цикле ГТУ с регенерацией
осуществляется двумя частями: сначала
по линии
– в регенераторе, затем по линии
– в камере сгорания двигателя при
сжигании топлива.
Отвод
теплоты также осуществляется двумя
частями: сначала по линии
– в регенераторе, затем по линии
– в атмосферном воздухе.
Площадь
диаграммы
соответствует количеству теплоты
,
переданной от продуктов сгорания
нагреваемому в регенераторе воздуху.
В
случае идеального теплообмена, если не
происходит потерь теплоты в регенераторе
в окружающую среду, количество переданной
газами теплоты –
должно быть равно количеству теплоты,
полученной воздухом в регенераторе –
(площадь
должна быть равна площади
).
Но
из-за наличия потерь количество теплоты,
фактически полученной воздухом в
регенераторе –
,
всегда меньше теплоты, отданной газами
(площадь диаграммы
).
Так
как по линии
подводится меньшее количество теплоты,
чем по линии
,
то в цикле ГТУ с регенерацией для
достижения заданной температуры газов
на выходе из камеры сгорания
необходимо затратить меньшее количество
топлива.
Отношение количества теплоты, фактически полученной воздухом в регенераторе – к предельному количеству теплоты для идеального случая – характеризует степень использования тепла отработавшего в турбине газа и называется коэффициентом регенерации цикла ГТУ:
Таким образом, внедрение в цикл ГТУ регенерации уменьшает потребный запас топлива, но при этом возрастают массогабаритные показатели установки из-за наличия массивного теплообменника – регенератора.
При высоких степенях регенерации аффективный КПД ГТУ достигает 29%.