Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Общая энергетика. Энергетические установки. Учебное пособие
.pdf
где
vv
– удельный объем газов в начале и конце процесса сжатия
и
ab
воздуха в компрессоре соответственно, м
Подведенное тепло, кДж/кг:
3
/кг.
, (3.7)
– темпера-
и
TT
bc
где
– изохорная теплоемкость газов, кДж/кг · К;
c
v
()
qcTT
1
vc b
тура газов в начале и конце процесса подвода теплоты (сгорания топлива) соответственно, К.
Отведенное тепло, кДж/кг:
где
TT
– температура газов в начале и конце процесса отвода теп-
и
da
qcTT
()
2
pd a
, (3.8)
лоты соответственно, К.
Термический КПД
1
k
T
c
k
T
(
q
t
2
11 1
qTT
1
kT T
(
)
da
)
cb
T
T
1
b
c
1
b
1
. (3.9)
k
1
Основным для ГТУ является цикл с подводом теплоты при постоянном давлении. Цикл с подводом теплоты при постоянном объеме
широкого применения в практике не нашел в связи с усложнением
конструкции камеры сгорания и ухудшением работы турбины в пульсирующем потоке газа.
Регенеративный цикл ГТУ
С целью повышения экономичности применяются усовершенствованные циклы ГТУ (регенеративный цикл, цикл со ступенчатым сгоранием топлива и сжатием воздуха и др.). В газотурбинных установках
с регенерацией теплота отработавших в турбине газов используется
41
для подогрева поступающего в камеру сгорания воздуха в теплооб-
р
р
менном аппарате поверхностного типа – регенераторе. Регенеративный
цикл ГТУ (рис. 3.3) отличается от представленного на рис. 3.1, б тем,
что часть теплоты уходящих газов
отводимой в процессе 4-1, воз-
,q
р
вращается к рабочему телу в процессе 2-а, осуществляемом в регенераторе. В процессах b-1 и а-3, как и в ранее рассмотренном случае,
происходит тепловое взаимодействие с внешним источником теплоты.
Условием возможности осуществления регенерации является
и
ТТ
4 a
.
Т
ТТ
3
2b
топливо
Р
К
воздух
Рис. 3.3.
воздушным теплообменником:
К – компрессор; Р – регенератор; КС – камера сгорания; ГТ – газовая турбина;
Г – электрогенератор;
в регенераторе;
Схема (а) и идеальный цикл (б) ГТУ с регенеративным газо-
КС
Г
ГТ
а б
q – теплота уходящих газов, отводимая к воздуху
q – теплота, воспринимаемая воздухом в регенераторе
a
2
1
q'
р
b
q
р
4
s
Повышение КПД ГТУ, а также снижение удельного расхода газа и,
следовательно, увеличение единичной мощности могут быть достигнуты при помощи ступенчатого сжигания топлива в камерах сгорания
ГТУ, расположенных по ходу газов между турбинами. Кроме того, для
уменьшения мощности, потребляемой компрессором, применяют многоступенчатое сжатие воздуха. Благодаря таким усложнениям процессы подвода
и отвода теплоты приближаются к изотермическим.
42
Схемы двухвальной ГТУ с разрезным валом
В одновальных установках компрессор, газовая турбина и нагнетатель (газовый компрессор) находятся на одном валу, соответственно
при работе они имеют одну и ту же частоту вращения. Различный закон изменения характеристик газопровода и одновальной ГТУ приводит к тому, что при снижении частоты вращения одновальная ГТУ
быстрее теряет мощность, чем снижается
мощность, потребляемая
нагнетателем. Это приводит к тому, что одновальная ГТУ будет обеспечивать режим работы нагнетателя только в ограниченном диапазоне
изменения частоты. В связи с этим в настоящее время одновальные
ГТУ для перекачки газа на газопроводах используются редко. Более
широкое распространение на магистральных газопроводах получили
двухвальные установки. В двухвальных ГТУ
турбина разделена на две
части, которые соединены между собой патрубком для перепуска газов. Часть высокого давления турбины, как правило, служит для привода компрессора и рассчитана на работу с переменной частотой, а
часть низкого давления (свободная силовая турбина) – для привода
электрогенератора с постоянной частотой. Такие установки называют
установками с разрезным
валом (рис. 3.4 – 3.7).
Схему ГТУ, показанную на рис. 3.4, рекомендуется применять для
ГТУ, используемых в качестве энергетических агрегатов для покрытия
пиковых энергетических нагрузок.
топливо
2
1
3
воздух
Рис. 3.4. Схема простейшей двухвальной ГТУ
с разрезным валом:
1 – компрессор; 2 – камера сгорания; 3 – турбина высокого давления (ТВД); 4 – турбина низкого давления
(ТНД); 5 – электрогенератор
43
4
5
В некоторых случаях возможна схема ГТУ с применением подогрева рабочего тела в специальном теплообменнике – нагревательном
устройстве (НУ) за счет передачи теплоты от внешнего источника
(рис. 3.5).
2
1
воздух
3
4
5
Рис. 3.5. Схема двухвальной ГТУ с разрезным
валом с нагревательным устройством:
1 – компрессор; 2 – нагревательное устройство (НУ);
3 – компрессорная турбина (КТ); 4 – силовая турбина
(СТ); 5 – электрогенератор
Для стационарных ГТУ, работающих в базовом режиме или близком к нему, экономически оправданно использование схемы с регенератором (рис. 3.3 и 3.6).
топливо
2
1
3
6
4
5
воздух
Рис. 3.6. Схема двухвальной ГТУ с разрезным
валом и регенератором:
1 – компрессор; 2 – регенератор; 3 – камера сгорания;
4 – турбина высокого давления; 5 – турбина низкого
давления; 6 – электрогенератор
44
Для ГТУ, используемых в качестве аварийного резерва, целесооб-
2
разно применять схемы, обеспечивающие хорошую приспособляемость ГТУ к условиям внешней нагрузки и ее высокие маневренные
качества (рис. 3.4. и 3.7).
топливо
3
1
4
воздух
Рис. 3.7. Схема двухвальной ГТУ с разрезным валом и при-
водом каждого из компрессоров самостоятельной турбиной:
1 – компрессор низкого давления (КНД); 2 – компрессор высокого
давления (КВД); 3 – камера сгорания; 4 – турбина высокого давления; 5 – турбина среднего давления (ТСД); 6 – турбина низкого дав-
ления; 7 – электрогенератор
5
6
7
При выборе конструктивной схемы ГТУ необходимо учитывать
следующие требования: назначение установки; режим эксплуатации;
массогабаритные ограничения; маневренность; используемое топливо.
Окончательно конструктивная схема выбирается по результатам технико-экономических расчетов.
Реальный цикл ГТУ
Реальные циклы ГТУ (рис. 3.8) отличаются от идеальных тем, что в
действительных циклах учитываются неизбежные тепловые и гидравлические потери.
1. Сжатие воздуха происходит не по адиабате 1-2, как это было при
рассмотрении идеального цикла, а по политропе 1-2д в связи с тепловыми и гидравлическими потерями, которые можно оценить адиабатным КПД
компрессора
. Тогда действительная работа сжатия в
К
компрессоре, кДж/кг:
45
()
T
cT T
l
p
К
lcTT
Кд 2д 1
КК
21
()
p
, (3.10)
где
– работа идеального (адиабатного) сжатия, кДж/кг;
l
К
T
2д
– тем-
пература воздуха в конце политропного (действительного) процесса
сжатия, К.
T
2д
2
1
3
4д
4
s
2"
5
2
2д
1
3
4д
4
4"
6
s
а б
Рис. 3.8.
Действительный цикл ГТУ без регенерации (а) и с регене-
рацией (
б) при изобарном подводе теплоты в T, s-диаграмме
2. Конечное давление сжатия в компрессоре больше давления газа
перед турбиной из-за гидравлических потерь в трубопроводах между
компрессором и турбиной (точка 2 на рис. 3.8, б).
3. Несовершенство процесса горения и потери части тепла излучением в окружающую среду камерой сгорания приводят к снижению
конечной температуры цикла (точка 4 на рис. 3.8, б
КПД камеры сгорания
ГТУ в камере сгорания:
.
Тогда удельная теплота, подводимая к
КС
) и оцениваются
()
cT T
32д
p
q
1д
КС
. (3.11)
4. Расширение рабочего тела в газовой турбине совершается не
по адиабате 3-4, а по политропе 3-4д вследствие внутренних потерь:
отрыва струй от стенок лопаток, неравномерности распределения
46
давления в межлопаточных каналах, трения вращающихся рабочих
колес, потерь с выходной скоростью и т. д. Все эти потери оцениваются внутренним относительным КПД турбины
. Тогда действитель-
0i
ная работа газовой турбины, кДж/кг:
где
lcTTcTT
Тд Т 034034д
– работа идеального (адиабатного) расширения, кДж/кг;
l
Т
() ( )l
ip ip
, (3.12)
T
–
4д
температура газов в конце политропного (действительного) процесса
расширения, К.
5. Механические потери турбины и компрессора учитываются механическим КПД
.
м
6. Для цикла с регенерацией тепла:
давление в конце расширения в турбине выше атмосферного
давления из-за гидравлических потерь в регенераторе;
регенерация тепла отработавших газов из турбины не может
быть полной вследствие потерь в теплообменнике.
3.2. ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ГТУ
ГТУ имеют единичную электрическую мощность от двадцати киловатт (микротурбины) до нескольких десятков мегаватт – это классические газовые турбины.
В настоящее время в России, как правило, используются зарубежные ГТУ таких компаний, как Capstone (Кэпстоун), General Electric
(Дженерал Электрик), Kawasaki (Кавасаки), Mitsubishi Heavy
Industries (Митсубиши Хэви Индастриз), OPRA (ОПРА), Rolls-Royce
(Роллс-Ройс), Siemens (Сименс), Solar Turbines (Солар Турбайнз),
Turbomach (Турбомах). В табл
. 3.1 приведены данные о некоторых
зарубежных и российских ГТУ.
За основной режим ГТУ принят расчетный режим по ISO (Международная организация стандартов) при следующих параметрах наружного воздуха:
15 С,t
вз
0,1013 МПа, 60%p
вз вз
47
.
В процессе эксплуатации энергетических ГТУ почти непрерывно
изменяются не только параметры забираемого из атмосферы рабочего
тела – воздуха, но и в незначительных пределах качество топлива, давление выходных газов ГТУ и др. В результате меняются основные технические данные установки: ее мощность, электрический КПД, потребление топлива, параметры выходных газов и др
. Энергетическая
ГТУ большую часть времени работает в нерасчетном (переменном)
режиме, в связи с этим производятся расчеты работы установки на
нескольких режимах.
Таблица 3.1
Основные характеристики ГТУ
Завод-
изготовитель
Теплоэнергосервис-ЭК
ЛМЗ ГТЭ-160 157 1060 537 11,3 34,4
«Сатурн» ГТД-110 114,5 1210 517 14,7 36,3
Siemens
Alstom Power
GE MS9001FA 255,6 1288 609 15,4 36,5
Mitsubishi
Модель
ГТЭ-45У 45 1227 550 13,5 35
V64.3 62,5 1160 531 16,1 35,3
V84.3A 170 1315 562 16,6 38
V94.3A 265 1315 584 17 38,5
W501G 230 1426 593 19,2 38,5
W501ATS 300 1510 610 27 38,5
GT13E2 165,1 1100 524 14,6 35,7
GT13D 97,9 990 490 11,9 32,3
GT11N2 109,3 1085 527 14,7 34,2
MW701G 334 1410 587 21 39,5
MW701F 270,3 1350 586 17 38,2
MW701DA 144,1 1180 536 14 34,8
Мощ-
ность,
МВт
Температура
газов перед
турбиной, °С
Температура
газов
за турбиной, °С
Степень
сжатия
КПД,
%
Электрический КПД современных газотурбинных установок составляет 33…39 %. С учетом высокой температуры выхлопных газов в
мощных газотурбинных установках имеется возможность комбинированного использования газовых и паровых турбин. Такой инженерный
48
подход позволяет существенно повысить эффективность использования топлива и увеличивает КПД установок до 57…59 %. Соотношение производимой электрической энергии и тепловой энергии у газотурбинных установок составляет ~1 : 2, т. е. газотурбинная установка с электрической мощностью 10 МВт способна выдать ~20 МВт тепловой энергии.
В зависимости от потребностей газотурбинные установки (ГТУ)
дополнительно оснащаются паровыми
или водогрейными котлами, что
дает возможность иметь пар различного давления для производственных нужд или горячую воду. При комбинированном использовании
энергии двух видов коэффициент использования топлива газотурбинной тепловой электростанции увеличивается до 90 %. Режим работы
электростанции с использованием сопутствующей тепловой энергии
имеет свой технический термин – когенерация.
Газотурбинные установки применяются в энергетике,
на транспорте, в технологических установках, где имеется газ, на газоперекачивающих станциях. Модульная конструкция ГТУ позволяет в кратчайшие
сроки производить сервисное обслуживание и ремонт, наращивать
мощность, а также экономить средства за счет того, что все работы
могут выполняться быстро на месте эксплуатации.
ГТУ применяются в качестве постоянных, резервных и аварийных
источников тепло- и электроснабжения в городах благодаря большой
маневренности.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Объясните особенности термодинамических циклов ГТУ.
2. От каких показателей ГТУ зависит увеличение полезной удель-
ной работы цикла?
3. В чем особенность схем ГТУ с разрезным валом?
4. Какие существуют способы повышения эффективности ГТУ?
5. Как зависит КПД ГТУ от степени сжатия?
6. В каком оборудовании ГТУ затрачивается работа?
7. Почему действительный процесс сжатия
отличается от теорети-
ческого в ГТУ?
8. Как влияют тепловые потери на эффективность ГТУ?
9. Какой режим работы ГТУ называют расчетным?
49
ЗАДАЧИ
Задача 3.1.
Определить эффективную мощность газотурбинной
установки (ГТУ) без регенерации теплоты и ее эффективный КПД,
если известно:
температура воздуха перед компрессором – 5 °C;
температура газа перед турбиной – 760 °C;
степень повышения давления – 6,2;
адиабатный КПД турбины – 0,89;
адиабатный КПД компрессора – 0,89;
расход воздуха через ГТУ – 57 кг/с.
Изобразить цикл ГТУ в р, v- и T, s-диаграммах. Показать, как зави-
сит термический КПД ГТУ от степени повышения давления σ.
В расчете принимать:
давление воздуха перед компрессором – 0,1 МПа;
изобарная теплоемкость воздуха и газа – 1,01 кДж/(кг К);
показатель адиабаты воздуха и газа – 1,41;
механический КПД ГТУ – 0,98.
Решение
Удельный объем воздуха перед компрессором находится по урав-
нению Клапейрона:
RT
287 278
1
v
1
р
1
0,1 10
6
0,798 м /кг.
3
Температура воздуха после компрессора при адиабатном теорети-
ческом сжатии по уравнению адиабатного процесса:
1
k
T р
22
T р
11
k
1
TT
21
k
k
278 6, 2 473 К,
50
k
1,41 1
1,41
1
k
;
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]