Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

книги из ГПНТБ / Гельфенбейн Л.Г. Регенераторы газотурбинных установок

.pdf
Скачиваний:
31
Добавлен:
29.10.2023
Размер:
9.99 Mб
Скачать

Данный пример наглядно показывает выгодность применения регенератора. Однако, очевидно, могут быть и такие случаи, когда вся принципиально возможная экономия тепла от увеличения сте­

 

пени регенерации окажет­

 

ся

поглощенной дополни­

1V 1

тельными

сопротивления­

ми,

которые

могут воз­

0,8

никнуть

как

вследствие

Rувеличения размеров реге­

/нератора, так и по причи­

 

 

 

1 /

 

Ц6

 

не неблагоприятной ком­

 

 

 

 

 

 

поновки.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

иссле­

 

 

 

 

 

0,3

 

Теоретические

 

 

 

о\о

1= 0

 

дования циклов ГТУ, ко­

 

 

 

 

 

 

 

торые приводятся в кур­

 

 

а)

О *t

8

12

сах газовых турбин, по­

 

 

 

 

 

 

казывают, что применение

 

 

 

 

 

 

 

регенерации

снижает

не­

 

 

 

 

 

 

 

обходимую

величину

сте­

 

 

 

 

 

 

 

пени сжатия при одновре­

 

 

 

 

 

 

 

менном увеличении к. п. д.

 

 

 

 

 

 

 

Из

сравнения

величин

 

 

 

 

 

 

 

к. п. д. и степени сжатия

 

 

 

 

 

 

 

можно сделать вывод, что

 

 

 

 

 

 

 

применение

промежуточ­

 

 

 

 

 

 

 

ного охлаждения и подо­

 

 

 

 

 

 

 

грева

без

регенерации

 

 

 

 

 

 

 

тепла

 

нецелесообразно,

 

 

 

 

 

 

 

когда

температура газов

 

 

 

 

 

 

 

на выходе будет значи­

 

 

 

 

 

 

 

тельно выше температуры

 

 

 

 

 

 

 

воздуха после сжатия, что

Ч 8 12 16 f О

Ь 8 12 16 у

Ч

8

12

16 if

наиболее часто встречает­

 

 

6)

 

 

 

 

ся в ГТУ, работающих с

 

 

 

 

 

 

 

равными

ступенями

сжа­

Фиг. 6. Влияние различной степени регене­

тия и расширения. В этих

рации и

различной величины гидравличе­

случаях

регенератор

яв­

ских сопротивлений в функции степени

ляется обязательным эле­

сжатия на к. п.

д. газотурбинной установки

(4 m —0,8

yl/f=0,85 и

= 4,31):

 

ментом экономичной ГТУ,

 

работающей по

циклу с

 

1з

 

 

 

а — с одноступенчатыми процессами

расширения

постоянным* давлением.

и сжатия,

б — с

двухступенчатыми

процессами

Профессор В. В. Ува­

 

расширения и сжатия.

 

 

 

создания

сверхмощных

ГТУ

(400—600

ров [52]

предлагает

для

Мет) ряд

многовальных

схем, в которых общая

степень сжатия

составляет около ср = 80, и

считает, что в этих условиях становится нецелесообразным ис­ пользование регенератора. Он должен уступить место теплооб­ менным поверхностям охладителей компрессоров. При рассмотре­

!0

нии указанных схем отмечается, что в случае включения в цикл регенератора высокого давления экономичность все же несколько увеличится, но возможная максимальная единичная мощность ГТУ понизится. Учитывая сложность осуществления регенератора высокого давления, хотя и с меньшими габаритами, чем для реге­ нератора атмосферного давления, а также громоздкость и вес трубопроводов установок с регенераторами, окончательный выбор схемы для сверхмощных ГТУ рекомендуется производить после просчета схемы с регенератором высокого давления.

§ 4. РАБОТА ПРИ ЧАСТИЧНОЙ НАГРУЗКЕ

Значение регенератора становится понятным в полной мере при рассмотрении работы установки с неполной нагрузкой. Изме­ нение нагрузки ГТУ, работающей по открытому циклу, может осуществляться как за счет изменения расхода, так и за счет изме­ нения параметров газа и воздуха. Чисто количественное регули­ рование теоретически возможно лишь в ГТУ, работающих по за­ крытому циклу. При количественном регулировании все пара­ метры цикла, а следовательно, и к. п. д. установки, остаются при частичных нагрузках неизменными, что обычно является наиболее желательным. Для ГТУ, работающих по открытому циклу, воз­ можно лишь большее или меньшее приближение к количествен­ ному регулированию, поскольку изменение мощности обычно про­ исходит при одновременном изменении расхода газа, температуры и степени сжатия.

Таким образом, в экономичной установке, имеющей высокий к. п. д. при частичных нагрузках, следует стремиться к тому, чтобы изменение мощности осуществлялось главным образом за счет изменения расхода газа. Изменение же параметров термодинами­ ческого цикла, особенно температуры газа, должно быть возможно меньшим.

Указанное требование в какой-то мере удается выполнить за счет применения поворотных лопаток, промежуточного подогрева и т. п.

Определение характеристики установки, работающей с непол­ ной нагрузкой, требует сложных расчетов, поэтому весьма жела­ тельно оценить эти характеристики хотя бы с известным прибли­ жением.

Для расчета характеристики режима неполной нагрузки вос­

пользуемся

следующим методом [49]. Если

на

полной

нагрузке

jVo удельный

расход воздуха равнялся

Go

при

степени

сжатия

Фо, то частичной нагрузке N соответствует некоторая степень сжа­

тия ф и удельный расход воздуха G. Для нагрузок

до

30%' от

полной можно с достаточной степенью

точности

пользоваться

соотношением:

 

 

 

 

 

Эта формула получается, как

показал профессор В. В. Ува­

ров, из следующих соображений.

Если G — расход

воздуха

на

1 квт-ч,

то обратная величина —

дает работу в квт-ч на

1 кг

воздуха.

G

 

воздуха

Gа,

Умножив эту величину на часовой расход

получим мощность N= —. Далее, если допустить, что в соплах

О

турбины в диапазоне исслёдованного изменения мощности пере­ пад давления выше критического, то, считая температуру в камере неизменной, будем иметь:

Gs = су,

где с — коэффициент пропорциональности. Таким образом, имеем

Nn = c <fo и N = с

G ’

откуда и получаем формулу (6).

Для примера рассмотрим схему с двухступенчатыми процессами сжатия и

Ti

расширения при степени регенерации rij, =0,8, отношении — =4,31 (ti = 1000 °С и

‘а

*з=20°С); T)m=0,88; тщ=0,85. Примем ф0=8,0 и по формуле (5) или по графику, представленному на фиг. 6,6, определим т)о=0,465 считая, что £=0,1. Удельный расход Go=10,7 кг/квт-ч, определяем по формуле, приведенной в [62]:

 

 

 

 

 

860

______________

(7)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

■>1к

- 0

- Чк

 

Для ср=4

находим т) = 0,43

и G = 15

кг/квт-ч.

Этот

результат

соответствует

доле нагрузки

Go

?

10,7

4

 

0,356,

чему

соответствует величина

• —, т. е.

——

■ — =

 

G

'f0

15

8

 

 

 

 

 

к. п. д. 0,43

вместо 0,465 при

полной

нагрузке.

Для схемы без

регенерации

(Т1Д=0), работающей в тех же пределах степени сжатия, к. п. д. при полной

нагрузке равен т]о=0,28, а при степени сжатия ф =4, и нагрузке, соответствующей 0,356 от полной, он составит т)=0,2. Отсюда следует, что в цикле без регене­ рации уменьшение к. п. д. в случае снижения нагрузки со 100% до 35% будет почти в четыре раза больше, чем при степени регенерации 80%.

Приближенность приведенного расчета состоит в том, что пользуясь соот­ ношением (6), принимаем постоянным значения т)т , цк и £. В действительности эти величины изменяются при переводе установки с одного режима на другой. Степень регенерации при переменном режиме также принята нами постоянной, хотя она обычно несколько увеличивается с уменьшением расхода, вследствие чего соотношение между термическими к. п. д. будет еще более благоприятным.

Изменение степени регенерации при переменном режиме ГТУ можно оценить без детальных расчетов теплообмена в регенера­ торе, которые являются весьма громоздкими и трудоемкими, пользуясь простыми формулами, выведенными И. В. Котляром для трубчатых регенераторов [26].

12

Фиг. 7. Поправочный коэффициент ei для определения температур­ ного напора при перекрестном по­ токе.

При продольном потоке газа и воздуха

т\р _

1

 

(8)

 

/

G

>о + 0

\о.2

(

G0 )

и при перекрестном потоке газа и воздуха

VP

1

(9)

> о

Чро+ С1 — W

'/* ею

 

 

При выводе формулы (9) предполагалась трехходовая конст­ рукция регенератора. Поправочный коэффициент ei к средней температурной разности при пере­ крестном потоке определяется по графикам, показанным на фиг. 7, в зависимости от числа ходов в реге­ нераторе и степени регенерации.

Изменение степени регенерации определяется главным образом из­ менением расхода. В тех же уста­ новках, в которых при переменном режиме расход изменяется мало (например, в одновальных установ­ ках, работающих при постоянных числах оборотов) степень регенера­ ции изменяется незначительно.

Исследования работы газотур­ бинных установок при переменном режиме показывают, что наличие регенерации увеличивает к. п. д. ус­ тановки на всех режимах, причем тем эффективнее, чем выше темпе­

ратура газа -при частичных нагрузках. К- п. д. установки с высо­ кими степенями регенерации становится более стабильным при частичных нагрузках.

§ 5. РОЛЬ РЕГЕНЕРАТОРА В ПАРОГАЗОВЫХ СХЕМАХ

Газотурбинные установки могут быть использованы в комби­ нированных тепловых схемах паротурбинных электростанций. Усложнение схемы становится целесообразным для крупных теп­ ловых электростанций, где вопрос экономии топлива выдвигает необходимость коренного улучшения тепловой схемы. Теоретиче­ ские исследования парогазовых схем показали, что в ряде случаев они дают значительно лучшие показатели экономичности и ряд эксплуатационных преимуществ. Особое значение приобретают комбинированные установки для расширения и модернизации дей-

13

етвующих паротурбинных электростанций. Не вдаваясь в теорию данного вопроса, что выходит за рамки настоящей работы, отме­ тим, что парогазовые тепловые схемы могут быть весьма разно­ образными. В них "использование тепла отработавших газов после газовой турбины может быть и не в регенераторе, а в водогазовых подогревателях или непосредственно в топке котла.

Парогазовые схемы классифицируют по типу применяемого парового котла [15]. При использовании отработавших газов для подогрева питательной воды с частичным или полным вытесне­ нием паровой регенерации регенеративная установка претерпевает ряд изменений, а конструкция котельного агрегата сохра­ няется. Если же отработавшие газы используются в топке котла, го. его конструкция требует существенного изменения. Имеются парогазовые схемы, в которых паровые котлы обычной конструк­ ции не применяются, а используются газопаровые испарители или котлы-утилизаторы. Наконец, есть парогазовые схемы без энер­ гетических котлов, где в поток воздуха или газа впрыскивается вода или вводится пар. Если парогазовая схема составляется из типовых паровых и газотурбинных установок, т. е. с котлами нор­ мальной конструкции, где отработавшие газы после регенератора

используются для

нагрева питательной воды, то в этом случае

все преимущества

ГТУ от использования регенератора остаются

и для парогазовой схемы. Правда, Повышение экономичности паро­ газовой установки в целом будет меньше, чем газотурбинной установки.

В схемах с использованием отработанных газов в паровых.кот­ лах применение регенератора, сокращая расход топлива в газо­ турбинной ч-асти установки, в то же время приводит к увеличению расхода топлива в котле. Использование газов после газовой тур­ бины в паровом котле вместо воздуха вполне возможно, так как коэффициент избытка воздуха в подаваемых в топку газах на­ столько высок, что имеющегося кислорода достаточно для горе­ ния топлива в топке котла. При этом часть тепловой энергии, имеющейся в выхлопных газах, возвращается в цикл в виде экви­ валента топлива, повышая к. п. д. установки.

■ Установка регенератора в подобных схемах не дает повыше­ ния к. п. д.

Парогазовые установки могут работать по сложным схемам. В этих схемах отработавшие газы используются для нагрева пи­ тательной воды и частично отводятся в топку парового котла. В парогазовых установках сложных схем с котлами, работающими под наддувом с газовой стороны, а также в установках, в которых нет энергетических котлов, целесообразность применения регене­ ратора решается в результате конкретных технико-экономических расчетов.

При высоких и сверхвысоких параметрах пара с развитием ре­ генерации в паровой ступени и при высокой температуре регене­ ративного подогрева питательной воды рекомендуется, например,

S4

такая модифицированная схема (фиг. 8), при которой отработав­ шие газы охлаждаются предварительно в регенераторе (нагревая воздух, необходимый для горения), а затем поступают в эконо*

майзер, где еще охлаждаются, отдавая свое тепло на подогрев питательной воды. При этом

значительно сокращается чис­ ло недоиспользованных реге­ неративных отборов паровой

турбины.

Фирма GEC изготовила мощную комбинированную па­ рогазотурбинную установку с использованием регенератора.

9

Фиг.

8.

Принципиальная

тепловая

 

 

 

 

 

 

 

 

 

схема

парогазотурбинной установки

 

 

 

 

 

 

 

 

 

с регенератором

и

экономайзером,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

подогревающим

 

часть

питательной

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

воды:

 

 

 

Фиг.

9.

Принципиальная

схема

мощ­

/ — высокоиапорный

парогенератор,

2 —

ной

парогазовой

установки

фирмы

паровая

турбина,

3 —- конденсатор,

4 —

конденсатный

насос,

5 — сальниковый

и

QEC

с высокойапорным

парогенера­

эжекторный подогреватели,

6 — регенера­

 

 

 

тором:

 

 

 

 

тивный

 

подогреватель

низкого

давления,

1 — высоконапорный

парогенератор,

2

7 — деаэратор,

8 — питательный

насос,

9 —

регенеративные

 

подогреватели

высокого

часть

высокого

давления

паровой

турби­

давления,

10 — газовая

турбинд

высокого

ны,

3 — часть

низкого давления

паровой

давления,

11 — газовая

турбина низкого

турбины,

4 — экономайзер,

5 — газовая

давления (газовая турбина с разрезным

турбина,

6 — компрессор,

7 — регенератор

валом),

12 — компрессор,

13 — электроге­

газовой

ступени, 8— регенеративный' водо-

нератор

паровой

ступени,

14 — электроге­

подогреватель.

9 — промежуточный

пере-

нератор

газовой

ступени,

15 — регенера­

 

 

 

•грев

пара.

 

 

 

 

 

 

тор,

16 — экономайзер.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Суммарная мощность этой установки — 117 Мет, начальные пара­ метры пара 126 ати и 538° С, к. п. д. нетто 41,6% (фиг. 9). Воздух сжимается в осевом компрессоре 6, затем нагревается в регенера­ торе до температуры 315° С и поступает в камеру горения высоко­ напорного парогенератора 1. При температуре 780° С газы посту­ пают в газовую турбину, предназначенную для привода компрес­ сора и генератора газовой ступени, откуда далее направляются

15

в регенератор и экономайзер, который включен параллельно регенеративным подогревателям питательной воды Фирма считает приведенную схему исключительно перспективной. Надо полагать, что в ближайшем будущем одним из важных приемов повышения экономичности теплосиловых установок явится внедрёние парога­ зового цикла.

Из рассмотрения схем следует, что изыскание высокоэффек­ тивных регенераторов и в этом случае является одной из важных проблем энергетики.

ГЛАВА 2

ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ РЕГЕНЕРАТОРОВ

§ 6. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Улучшение конструкций регенераторов газовых турбин явля­ ется одной из неотложных задач современного газотурбостроения. Теплообменники, предназначенные для эффективного исполь­ зования тепла отработавших газов ГТУ путем регенерации, коими и являются регенераторы, должны удовлетворять следующим про­ тиворечивым требованиям: быть достаточно компактными и проч­ ными, чтобы их можно было использовать для работы в ГТУ с высокими степенями сжатия, иметь высокий коэффициент тепло­ отдачи с газовой стороны и малый расход энергии на преодоление сопротивления движению газов. Не менее важным требованием является простота изготовления и невысокая стоимость этих теп­ лообменников.

По конструкции поверхности нагрева различают трубчатые, пластинчатые и вращающиеся регенераторы (последние приме­ няются при малых расходах газа).

На фиг. 10 представлены различные конструкции поверхностей нагрева теплообменников.

Наиболее полно изучены широко применяющиеся в регенера­ торах ГТУ трубчатые поверхности нагрева, к преимуществам ко­ торых можно отнести: возможность использования при высоких давлениях, сравнительно легкое решение вопросов компоновки, надежность в работе, простота технологии изготовления и замены негодных трубок. Недостатки их сводятся к следующему: любая комбинация трубок с поперечным и продольным обтеканием не приводит к сколько-нибудь существенному уменьшению габари­ тов и веса. Трубчатые регенераторы имеют трубные доски, кор­ пуса и другие детали, которые по своему весу и габаритам иногда превосходят вес активной части поверхности нагрева. Уменьшение диаметра трубок, являющееся существенным фактором, влияющим на уменьшение габаритов теплообменника, возможно только до известных практически допустимых пределов.

В целях повышения эффективности трубчатых поверхностей

нагрева

применяют поперечное и продольное оребрения

(фиг. 10,

б ив ) .

Поперечное оребрение может быть выполнено групповым

(фиг. 10, з) ; при этом ппоФиль трубки может быть,

например,

 

НАУЧН-ТЕХ: Д1ЧСОКАЯ \

iZ

17

 

 

 

г г I t гг П t Л Г\~Г ■ * Л

г

 

 

Б И Б Л И О Т Ё Г •

 

 

 

Оо

 

 

 

 

 

Фиг. 10.

Конструкции поверхностей нагрева теплообменников:

 

 

 

 

о — трубчатая,

6 — трубчатая

с поперечным

оребрением,

в — трубчатая

с

продольным оребренкем

(плавниковым), г — волнистые

листы,

сваренные

попарно,

д — волнистые

листы с

мелкозернистыми высг; нами,

е — плоскотрубчатая с

групповым

оребрением,

ж — каплевид­

ный профиль трубок с прямоугольным поперечным оребрением, з -- трубчатая с

групповым

оребрением,

и — коаксиальные

трубы

с дву­

сторонним

ленточным

оребрением,

к — пластинчатая

из прямоугольных труб,

л — пластинчато-ребристая из

плоских ребер, м — пластинчато­

ребристая

из

жалюзийных ребер,

« — пластинчатая

без

ребер,

о — пластинчатая

с игольчато-ребристым оребрением, п пластинчатая с

 

 

шиповидным

оребрением,

р — вращающаяся

(в схеме

показан

регенератор

газотурбинного

двигателя).

 

 

каплеобразной (фиг. 10, ж) или плоскотрубчатой (фиг. 10, е) формы. Поперечное оребрение трубных пучков в основном при­ меняется в промежуточных охладителях компрессоров. Такие охла­ дители обычно делают из латунных трубок с тонкими ребрами. Их изготовление по сравнению с пластинчатыми охладителями значительно более трудоемко (большое количество ребер, прихо­ дится набирать вручную). Поэтому ребристые трубные пучки нередко заменяют более простой конструкцией пластинчатых паке­ тов. Стремление к устранению недостатков трубчатых'регенера­ торов обусловило появление целого ряда конструкций пластинча­ тых теплообменников. Пластинчатые теплообменники, известные по иностранной литературе, выполняются как ребристые поверх­ ности нагрева. На фиг. 10, к, л и м показана конструкция пла­ стинчатого теплообменника в трех модификациях: пластинчатая из прямоугольных труб, пластинчато-ребристая из плоских ребер и пластинчатая с жалюзийным оребрением. Назначение жалюзей состоит в том, чтобы обеспечить периодические разрывы погра­ ничного слоя на поверхности нагрева, таким образом, чтобы при формировании нового пограничного слоя он был тонким, так как основное термическое сопротивление создается именно этим слоем. Поверхности нагрева такого типа широко применяют в 'проме­ жуточных охладителях двигателей самолетов. Условия работы здесь до некоторой степени близки к регенераторам: там и здесь теплообмен происходит от газа к газу, а требования компакт­ ности и минимальных потерь на сопротивление идентичны. Исследование поверхности такого типа [74] показало, что жалю­ зийные ребра создают дополнительную турбулизацию потока, ко­

торая обусловливает высокую

теплоотдачу . от

газового потока.

В то же время во всех случаях

(было испытано

семь образцов

жалюзийных поверхностей нагрева при толщине пластин 0,25 мм и ребер — 0,15 мм, шаге между плоскостями 6,25 мм, числе ребер 4,37 на 1 см\ шаг жалюзи: от 4,7 до 12,5 мм) наблюдалось чрез­ вычайно высокое аэродинамическое сопротивление. Тем не менее

было выяснено, что

можно сконструировать достаточно легкий

и малогабаритный

теплообменник с прерывистым оребрением,

который, несмотря на высокое сопротивление, был бы не менее эффективен, чем теплообменники с непрерывным (прямым) ореб­ рением. Следует отметить, что хотя сопротивление в жалюзийных пластинчатых теплообменниках составляет значительную вели­ чину, оно все же является в основном сопротивлением поверхност­ ного трения. Такое сопротивление намного меньше, чем поверх­ ности, где ребра представляют собой тела плохо обтекаемой формы, при обтекании которых может возникнуть отрыв погра­ ничного слоя и сопровождающее его повышение сопротивления, вследствие разности давлений по обеим сторонам ребер. Основным недостатком поверхностей с тонкими ребрами является градиент температур в самом ребре, который зависит от отношения его толщины к высоте. Эффективность ребра может быть повышена

19

Соседние файлы в папке книги из ГПНТБ