книги / Теплотехника (курс общей теплотехники)

ным котлом. Этот нагреватель представляет собой трубчатую поверх­ ность нагрева, внутри труб протекает рабочий газ, а снаружиэти трубки омываются продуктами сгорания топлива. Топливо сжигают в топках, по конструкции аналогичных топкам паровых котлов. В таких топках сжигание происходит при малом коэффициенте избытка воздуха, вслед­ ствие чего потери тепла с уходящими газами оказываются относительно небольшими. Воздух, необходимый для горения топлива, в данном слу­ чае сжатый воздух, подается в топку вентилятором обычного типа (не

изображенным на схеме), применяемым для топочных устройств. Перед поступлением в топку сжатый воздух подогревается в воздухоподогре­

вателе 2, в результате чего снижается температура продуктов сгорания топлива, уходящих из нагревателя /, а следовательно; уменьшаются и потери тепла с ними. После нагревателя 1 рабочий газ поступает в га-

Рис. 32-8. Принципиальная'тепловая схема ГТУ, работающей но замкнуто­ му циклу

зовую турбину 5. Расширяясь в ней, газ совершает механическую рабо­ ту, расходуемую на приведение в действие компрессора 6 и электриче­ ского генератора 8. После турбины отработавшие газы охлаждаются в регенераторе 4, а потом в охладителе 7. ГТУ приводит в действие эле­

вследствие работы турбин на чистом воздухе или газе; возможность по­ вышения начального и конечного давлений в цикле, благодаря чему уменьшается объём рабочего тела и при одной и той же мощности габа­ риты компрессоров и турбин соответственно уменьшаются.

Недостатком установки является необходимость сооружения доро­ гих и громоздких нагревателя 1 (воздушного котла) и охладителя 7 (рис. 32-8). Поверхность нагрева их может достигать поверхности на­ грева котельного агрегата (при одинаковой электрической мощности, от­ даваемой в сеть), это снижает экономичность ГТУ этоготипавследствие увеличения капиталовложений. Температура воздуха в охладителе перед компрессором не может быть понижена до температуры наружного воз­ духа, что также уменьшает экономичность установки по сравнению с ус­ тановкой, работающей по открытому циклу.

377

ДВУХВАЛЬНЫЕ ГАЗОТУРБИННЫЕ УСТАНОВКИ

Для обеспечения более высокого к. п.д. при переменных электриче­ ских нагрузках применяют двухвальные установки. В этих установках приводом компрессорной группы служит одна газовая турбина, а при­ водом электрического генератора—другая. Турбина, приводящая в действие компрессор, может работать с изменяющимся в зависимости от нагрузки числом оборотов, вследствие чего регулирование тепловых процессов облегчается; турбина же, приводящая в действие электриче­ ский генератор, работает с постоянным числом оборотов.

Как указывалось, ГТУ находят все большее применение в промыш­ ленности. В качестве примера ниже приводятся некоторые схемы воз­ можного применения ГТУ в металлургии.

ГАЗОТУРБИННЫЕ УСТАНОВКИ ДЛЯ ПРИВОДА ВОЗДУХОДУВОК НА МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ЗАВОДАХ

Доменный процесс требует большого количества сжатого горячего воздуха. Вместе с тем доменные печи дают достаточное количество го­ рючего доменного газа и этот газ может быть эффективно использован в качестве топлива для ГТУ, приводящей в действие воздуходувку.

Простейшая тепловаясхематакой

У газовой турбины 4, компрессора 2 для горючего газа, воздуходув­ ки 5, компрессора для воздуха 6 и пускового устройства 7 имеется один общий вал. Для доменных цехов разработана простая схема ГТУ с воз­ душной турбиной, которая несколько превосходит по экономичности установки с газовой турбиной вследствие полного использования тепла воздуха после турбины и значительного уменьшения потерь тепла с ухо­ дящими газами^ Однако установка получается сложной из-за необходи­ мости создания высокого давления воздуха перед турбиной, поскольку противодавление у турбины должно отвечать технологическим требова­ ниям металлургии.

378

Газовые утилизационные бескомпрессорные турбины на металлургических заводах

Подавляющее большинство современных доменных печей работает с повышенным давлением дутьевого воздуха. Поэтому с учетом гидро­ динамических потерь в скрубберах и во всех очистных устройствах дав­ ление и температура доменного газа за скрубберами составляют соот­ ветственно около 0,25 Мн/м2 и 40°С.

Технико-экономические расчеты и эксплуатационный опыт показы­ вают, что перепад давления от 0,25 Мн/м2 до необходимых потребителю 0,11 Мн1м2 целесообразно срабатывать в газовой утилизационной бес-

Рис. 32:10. Принципиальная тепловая схема ГУБТ с подогревом газа

компрессорной турбине (ГУБТ), приводящей в действие электрический

генератор или воздуходувку.

В связи с тем., что доменный газ при его очистке насыщается водя­ ными парами, его массовый расход увеличивается на 7—15% и соответ­ ственно возрастает и газовая постоянная. Эти обстоятельства повышают

эффективность ГУБТ.

На рис. 32-10 изображена одна из более совершенных, но и слож­ ных тепловых схем ГУБТ с подогревом газа до 450°С в особом подогрев

вателе.

Доменный газ при давлении около 0,25 Мн/м2 поступает в регенера­ тор /, где нагревается до ~270°С в результате использования тепла ухо­ дящих газов из газовой турбины 4. После регенератора 1 газ поступает в подогреватель 3, где нагревается до 450°С в результате использова­ ния тепла, выделяющегося при сжигании доменного газа в топке подо­ гревателя 3. В топку подогревателя 3 газ поступает из сети низкого дав­ ления, предварительно нагреваясь в подогревателе 7 уходящими из по­

догревателя 3 газами.

В подогреватель 7 одновременно подогревается воздух, необходи­ мый для горения газа в топке подогревателя. Воздух засасывается из атмосферы и нагнетается в подогреватель вентилятором 6. Продукты сгорания газа после подогревателей 3 и 7 отсасывается дымососом 8 и выбрасываются через дымовую трубу в атмосферу. Газовая турбина 4 приводит в действие электрический генератор 5. На случай остановки

ГУБТ для снабжения потребителей газом устанавливается дроссельный клапан 2.

379

Существует много различных схем ГУБТ. Схему в каждом кон­ кретном случае нужно выбирать на основе технико-экономических рас­ четов.

ПАРОГАЗОВЫЕ УСТАНОВКИ

Сочетание паровых и газовых турбин в парогазовых циклах повы­ шает экономическую эффективность их по сравнению с отдельными ГТУ и паровой электростанциями.

Возможно большое количество вариантов тепловых схем парогазо­ вых установок.

Ниже рассмотрены два из них, являющихся наиболее перспектив­ ными для электрических станций.

Установки с' высоконапорным парогенератором (ВПГ)

На рис. 32-11 показана принципиальная тепловая схема одной из установок с ВПГ

Топливо и воздух сжимаются соответственно в компрессорах 1 и 2 (в рассматриваемой схеме до ~0,6—0,7 Мн/м2) и подаются в топку

Рис. 32-11. Принципиальная тепловая схема парогазовой электростанции с установкой высоконапорного котельно­ го агрегата (ВПГ)

ВПГ 4, а так.же в камеру сгорания 3. Продукты сгорания топлива пос­ ле элементов установки 3 и 4 смешиваются и поступают в газовую тур­ бину 5, расширяясь в которой производят работу, вырабатывая электри­ ческую энергию при помощи генератора 6, сидящего на одном валу с эле­ ментами 7,2 и 5. Температура продуктов сгорания передтурбиной 5 под­ держивается постоянной (~750° С) изменением соотношения между ко­ личествами топлива сжигаемого в камере 3 и топке ВПГ 4.

Топливо в элементах установки 3 и 4 сжигают при коэффициентах избытка воздуха, достаточных для полного сгорания топлива, в отличие от ГТУ, где более высокие значения а определяются начальной темпера­ турой газов, зависящей от качества материалов, примененных при из­

готовлении турбины.

За счет тепла, выделяющегося при сгорании топлива, в ВПГ выра­ батывается и перегревается водяной пар. В ВПГ коэффициенты тепло-

380

передачи значительно выше, чем в обычных котлоагрегатах, так как при повышенномдавлении, продуктов сгорания теплоотдача происходит бо­ лее интенсивно. Вследствие этого поверхности нагрева и стоимость ВПГ уменьшаются по сравнению с обычными паровыми котлами. Температу­ ру продуктов сгорания топлива в ВПГ снижают до температуры, приня­ той перед газовой турбиной (до ~750°С).

В рассматриваемой тепловой схеме паровая турбина 7 принята кон­ денсационной (возможна установка и теплофикационных турбин) с не­ регулируемыми отборами пара из промежуточных ступеней для регене­ ративного подогрева питательной воды. Начальные параметры пара пе­ ред турбиной 7—12,8 Мн/м2'и 565°С. В установке предусмотрен один промежуточный перегреватель, в котором пар при давлении 2,65 Мн/м2 перегревается до 565°С. После турбины 7 отработавший пар поступает в конденсатор 8. Конденсат из него насосом 9 подается в подогревате­ ли 10 регенеративного цикла низкого давления (все подогреватели низ­ кого давления на схеме условно, показаны в виде одного, обозначенного позицией 10). После подогревателя 10 конденсат поступает в деаэратор 11 и далее в питательный насос 12, который подает питательную воду в подогреватели 13 высокого давления (эти подогреватели также услов­ но показаны в виде одного обозначенного позицией 13). Для того чтобы иметь возможность регулировать температуру питательной воды, ее по­ ток после насоса 12 разветвляется и часть питательной воды направля­ ется в водяной экономайзер 14, являющийся второй ступенью по ходу

уходящих газов из турбины 5.

После подогревателей 13 и экономайзера 14 потоки питательной во­ ды смешиваются и направляются в первую ступень водяного экономай­ зера 15, где питательная вода нагревается до принятой температуры в результате использования тепла уходящих из турбины газов. Темпера­ тура уходящих газов после экономайзера 14 устанавливается несколько более высокой, чем соответствующая температура точки росы, чтобы предотвратить возникновение коррозии металла поверхностей нагрева.

Опытная парогазовая установка с ВПГ производительностью 450 т/ч установлена на Невинномысской ГРЭС совместно стурбоустанов­ кой К-200-130, при этом стоимость установленного кет снизилась при­ мерно на 15%, а удельный расход топлива от 4 до 7%.

Установки с обычными котельными агрегатами

На рис. 32-12. показана принципиальная тепловая схема парогазо­ вой установки со сбросом уходящих продуктов сгорания топлива из га­ зовой турбины в топки обычных котельных агрегатов с видоизмененной хвостовой частью. Топливо и воздух сжимаются соответственно в ком­ прессорах 1 и 2 и направляются в камеру сгорания 3, в которой проис­ ходит сжигание топлива при повышенном коэффициенте избытка воз­ духа, обеспечивающем после камеры сгорания 3 расчетную темпера­

туру газов перед турбиной 4 (—750°С).

Газовая турбина 4 приводит.в действие сидящие на одном с ней валу компрессоры / и 2 и электрический генератор 5, вырабатывающий

электрическую энергию.

Отработавшие в газовой турбине газы сбрасываются в топку обыч­ ного котельного агрегата 14, где их тепло используется для производ­ ства водяного пара. В связи с изменяющимся в зависимости от нагруз­ ки генератора количеством дымовых газов должны быть проверены ус­ ловия теплообмена в хвостовых поверхностях нагрева котла и, если окажется необходимым, они должны быть модернизированы в соответ­ ствии с новыми условиями работы. Получаемый в котельном агрегате

381

перегретый пар направляется в обычную турбину 6 с нерегулируемыми отборами пара из промежуточных ступеней для регенеративного подо­

грева питательной воды (на схеме регенеративные подогреватели, как и в предыдущем случае, показаны условно, позиции «5—13 означают то

же, что и на рис. 32-11).

Как показано на рис. 32-12, в топку котельного агрегата 14 преду­ смотрен подвод дополнительного количества топлива, обеспечивающий работу установки при изменениях нагрузки.

Рис. 32-12. Принципиальная тепловая схема парогазовой электрической станции с установкой после ГТУ обычных паровых котлов

Изображенная на рисунке схема соответствует использованию

вкотле 14 газообразного (или жидкого) топлива, однако для котла возможно применить и любое твердое топливо. Это бывает необходимо

вслучае модернизации существующей электрической станции, рабо­

тающей на твердом топливе, и при переводе ее на работу по парога­ зовому циклу.

Вцикле со сбросом продуктов сгорания .в котел обычного типа охлаждение газов за счет передачи тепла элементам водяного цикла протекает при более низких температурах, чем в цикле с ВПГ, и по­ этому поверхности нагрева котельного агрегата в этом случае оказы­ ваются большими, чем у ВПГ.

Вобщем в зависимости от местных условий парогазовые установ­ ки (с ВПГ или с нормальными котельными агрегатами) могут дать до

7—10% экономии топлива на выработку электрической энергии.

Установки с котлами-утилизаторами

Тепловые схемы с установкой за газовой турбиной котлов-утили­ заторов, аналогичных устанавливаемым за технологическим оборудо­ ванием (см. главу 24, раздел «Котлы-утилизаторы»), можно разбить йа две группы, предусматривающие использование пара, производи­ мого в котлах-утилизаторах, а) в паровой турбине; б) для технологичес­

ких нужд предприятия.

В большинстве случаев у современных ГТУ температура газов, уходящих из турбины, недостаточна, высока, чтобы в котле-утилизато­ ре мог бы вырабатываться пар с параметрами, необходимыми для нормальной паровой турбины. Поэтому обычно установка их не может

быть осуществлена.

Другой вариант требует в каждом отдельном случае проведения специальных технико-экономических исследований.

Схемы с установкой котлов-утилизаторов и паровой турбины поч­ ти во всех случаях менее эффективны по сравнению со всеми описан­ ными выше схемами.

382

В настоящее время ведутся работы по исследованию еще одного типа парогазового цикла, в котором применяется непосредственное смешение парового и газового рабочих тел. По этому циклу предложе­ но несколько схем, но они еще не доведены до стадии промышленных испытаний и поэтому здесь не рассматриваются.

ПРИМЕРЫ КОНСТРУКЦИЙ ОСНОВНОГООБОРУДОВАНИЯ СТАЦИОНАРНЫХ ГАЗОТУРБИННЫХ УСТАНОВОК

Газовые турбины. По принципу работы газовые турбины не отличаются от паровых и к ним могут быть применены все положения, приведенные в гл. 30.

Основной отличительной особенностью газовых турбин является их работа при высоких начальных температурах и относительно неболь­ ших давлениях и сообразно с этим относительно небольшим

числом ступеней давления. Из-за применения высо­

ких начальных температур ра­ бочего тела сопла, рабочие ло­ патки и другие детали газовой турбины (диски, цилиндры), находящиеся в сфере действия повышенных температур, изго­ товляют из легированных вы­ сококачественных сталей. Од­ нако, несмотря на это, в неко­ торых турбинах для надежно­ сти работы приходится преду-' сматривать воздушное или (реже) водяное охлаждение дисков и лопаток. Это приво­ дит к тому, что в газовой тур­ бине возникают дополнитель­ ные потери тепла с охлаждаю­ щим телом и потери работы на его нагревание.

На рис. 32.-13 показана схе­ ма пустотелой направляющей

лопатки, охлаждаемой воздухом. Сопловую решетку в данном случае из­ готовляют из пустотелых направляющих лопаток, приваренных к внут­ реннему и внешнему кольцевым каналам, вставляемым в корпус турби­ ны. Холодный воздух, закачиваемый во внутренний кольцевой канал, проходит внутри лопаток, охлаждает их и выходит в верхний кольцевой канал, откуда нагретый воздух направляют в проточную часть турби­ ны. Существуют конструкции лопаток, внутрь которых вставляют осо­ бые дефлекторы для увеличения скорости воздуха и направления его к наиболее горячим частям лопатки, а также лопатки с выпуском воз­ духа через щель в хвостовой части.

Лабиринтовые уплотнения газовых турбин выполняют аналогично лабиринтовым уплотнениям паровых турбин.

Чтобы через зазоры лабиринтовых уплотнений не могли просачи­ ваться в помещение машинного зала продукты сгорания топлива, в ла­ биринтовые уплотнения подается из компрессора воздух, одновременно охлаждающий и вал турбины.

Камеры сгорания газотурбинных установок. В ка­ мерах сгорания жидкое или газообразное топливо сжигается при высо­

383

ких давлениях, и поэтому процесс горения характеризуется высокими объемными тепловыми напряжениями. В связи с этим можно приме* нить камеры сгорания меньших объемов.

Схема простейшей цилиндрической камеры сгорания для жидкого топлива показана на рис. 32-14.

Топливо

Рис. 32-14. Схематическое изображение цилиндрической камеры сгорания

Камера сгорания состоит из цилиндрического корпуса /, внутри которого помещается жаровая труба 3. В жаровой трубе установлена форсунка 7, обеспечивающая тонкое распыливание жидкого топлива. Необходимый для сгорания топлива воздух (первичный) при относи­ тельно большом избытке (сх=1,5—2,0) поступает в жаровую трубу че­ рез направляющие лопатки 2. В зоне горения 6 температура продуктов

Рис. 32-15. Схематическое изображение трехходового регенератора

384

сгорания становится очень высокой. Для снижения ее используют вто­ ричный воздух, проходящий по кольцевому каналу между корпусом и жаровой трубой и охлаждающий их стенки. Затем часть вторичного воздуха через отверстия 4 проникает внутрь жаровой трубы и, смеши­ ваясь с продуктами сгорания, снижает их температуру. Другая часть вторичного воздуха проходит дальше по кольцевому каналу для ох­ лаждения его стенок и подмешивается к основному потоку в зоне 5, где газы приобретают заданную температуру. При выходе из камеры сгорания коэффициент избытка воздуха а доходит до 5—6 и выше. На указанном выше рисунке изображена однофорсуночная камера сгора­ ния, однако применяют и многофорсуночные, обеспечивающие лучшее смешение распыленного топлива с воздухом и возможность более гиб­ кого регулирования.

Жаровые трубы изготовляют из легированной стали, а корпус— из обычной углеродистой или слаболегированной стали.

Регенераторы. Регенераторы представляют собой трубчатую или пластинчатую поверхность нагрева.

На рис. 32-15 схематически изображен трубчатый регнератор кон­ струкции Невского машиностроительного завода им. Ленина. Воздух проходит внутри трубок (с1=38 мм) последовательно по трем ходам. Газ омывает трубки снаружи. Для уменьшения потерь тепла на всех наружных поверхностях регенератора предусмотрена тепловая изо­ ляция,

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.И. И. Кириллов. Газовые турбины и газотурбинные установки, т. I и II. Машгиз, 1956.

2.В.Т р а у п е л ь. Тепловые турбомашины, т. 1, 1961 и т. 2, 1963.

3.И. И. К и р и л л о в . Теория турбомашин. Машиностроение. 1964.

4.Б. В. Сазанов. Доменные газотурбинные установки. Изд-во «Металлургия», 1965.

5.А. И. Андрющенко и В. Н. Л а п шо в. Парогазовые установки электростанций. Изд-во «Энергия», 1965.

6.А. В. Арсеньев и др. Парозые и газовые турбины. Атлас конструкций турбин, под рсд. С.А.Кантора. Изд-во «Машиностроение», 1970.

Глава33

КОМПРЕССОРНЫЕ МАШИНЫ

ВВЕДЕНИЕ

Для перемещения (перекачивания) сжимаемых и несжимаемых жидкостей и повышения их давления до требуемого для технологичес­ ких или бытовых нужд применяют компрессорные машины того или иного типа. В компрессорных машинах для повышения давления жид­ костям сообщается дополнительная энергия от постороннего источника.

385

КЛАССИФИКАЦИЯ КОМПРЕССОРНЫХ МАШИН

Компрессорные машины характеризуются разнообразием типов. Их классифицируют по многим признакам, из которых ниже рассмотрены основные, наиболее распространенные.

По виду используемой в компрессорных машинах оюидкости

Компрессорные машины, в которых используются несжимаемые жидкости. Компрессорные машины для этих жидкостей носят общее название насосов. Поскольку при рассмотрении работы насосов пользуются исключительно закономерностями, установ­ ленными гидродинамикой, в настоящей книге насосы не рассматри­ ваются.

Компрессорные машины, в которых используются сжимаемые жидкости (газы и пары). При использовании этих жидкостей пользуются преимущественно классификацией компрессор­

ных машин по степени повышения давления в них рабочего тела, т.е. по величине значения Я=р2/р1, сообразно с чем эти машины называют:

вентиляторами при 1,16. Производительностьвентиляторов изменяется вшироких пределах отсамых малых значенийдо —\Ммг/ч; нагнетателями (газо-воздуходувками) при 1,15<^<3,5 и ес­ ли газ не охлаждаётся в процессе сжатия. Производительность нагнета­

телей колеблется в пределах от 1м3/ч до 0,5 Мм*/ч\

компрессорами при Я>1,15 и наличии устройств для охлаж­ дения газов в процессе их сжатия.

Производительность компрессоров изменяется в тех же пределах, что и у нагнетателей.

По условиям сообщения сжимаемым жидкостям дополнительной энергии

Компрессорные машины, работающие по объемному (вытеснительному) принципу, характеризуемому тем, что рабочее тело засасывается в некоторую емкость, в которой оно под действием отно­ сительно медленно двигающихся твердых стенок (поршней, пластин) сжимается, а затем, после повышения давления, вытесняется в газопро­ вод. По этому принципу работают поршневые и ротационные компрес­ соры.

Компрессорные машины, работающие по дина­ мическому (турбулентному) принципу, характеризуемому тем, что частицам сжимаемой жидкости сообщается быстро движущи­ мися (вращающимися) твердыми стенками (лопастями, лопатками, ди­ сками со специальными каналами) высокая скорость, которая затем в специальных диффузорах преобразуется в давление.

Машины, построенные по этому принципу, носят общее название турбокомпрессоров; они в свою очередь подразделяются в зависимости от направления движения рабочей жидкости. Если сжимаемая жид­ кость движется в машине перпендикулярно оси вращения ротора, ком­ прессорную машину называют центробежной или радиальной. При движении сжимаемой жидкости вдоль оси вращения ротора ма­ шину называют осевой (аксиальной).

Компрессорные машины, работающие по струйно­ му пр и н ц и п у, характеризуемому тем, что частицам сжимаемой жид­ кости сообщается дополнительная скорость в результате смешения ос­ новного потока ее с быстро движущейся другой жидкостью или с ча­ стью той же самой жидкости. После смешения скорость основной жидкости возрастает, ататем при прохождении через диффузор скорость

386