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

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

Rувеличения размеров реге­

/нератора, так и по причи­

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

!0

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]:

(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

При продольном потоке газа и воздуха

и при перекрестном потоке газа и воздуха

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

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

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

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

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

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