Что такое полезная работа газотурбинной установки

В отличие от паротурбинного цикла (паросилового цикла Ренкина для водяного пара), в циклах газотурбинных установок рабочим телом служат нагретые до высокой температуры сжатые газы. В качестве таких газов чаще всего используют смесь воздуха и продуктов сгорания жидкого (или газообразного) топлива.

Принципиальная схема газотурбинной установки (ГТУ с подводом тепла при р = const) представлена на рис. 4.11. Воздушный компрессор КП сжимает атмосферный воздух, повышая его давление с/?, дор2, и непрерывно подает его в камеру сгорания КС. Туда же специальным насосом непрерывно подается необходимое количество жидкого или газообразного топлива. Образующиеся в камере продукты сгорания выходят из нее с температурой Тг и практически с тем же давлением р2 (если не учитывать сопротивления), что и на выходе из компрессора (р2-рг)• Следовательно, горение топлива (т. е. подвод теплоты) происходит при постоянном давлении.

Рис. 4.11. Принципиальная технологическая схема электростанции с газовыми турбинами: КС — камера сгорания; КП — компрессор;

ГТ— газовая турбина; G — генератор; Т- трансформатор;

М- пусковой двигатель; СН — собственные нужды;

РУВН — распредустройство высокого напряжения

В газовой турбине ГТ продукты сгорания (рис. 4.12) адиабатно расширяются, в результате чего их температура снижается до Г4, а давление уменьшается до атмосферного р0. Весь перепад давлений р} — р0 используется для получения технической работы в турбине / .

Большая часть этой работы /к расходуется на привод компрессора; разность /т — /к затрачивается на производство электроэнергии в электрическом генераторе G или на другие цели. Эта разность и составляет полезную работу цикла (расход энергии на привод топливного насоса невелик, и в первом приближении его можно не учитывать).

Рис. 4.12. Цикл ГТУ: а — в ^-диаграмме; б — в ^-диаграмме

Заменив сгорание топлива изобарным подводом теплоты (линия 23 на рис. 4.12), а охлаждение выброшенных в атмосферу продуктов сгорания — изобарным отводом тепла (линия 41), получим цикл газотурбинной установки 1-2-3-4.

Полезная работа /ц изображается в /?,у-диаграмме площадью, заключенной внутри контура цикла (площадь 1-2-3-4). На рис. 4.12, а видно, что полезная работа равна разности между технической работой, полученной в турбине (площадь 6-3-4-5), и технической работой, затраченной на привод компрессора (площадь 6-2-1-5). Площадь цикла 1 —2—3—4 в Г,5-диаграмме эквивалентна этой же полезной работе (см. рис. 4.12, б). Теплота, превращенная в работу, получается как разность между количествами подведенной д, (площадь 8-2-3-7) и отведенной q2 (площадь 1-4-7-8) теплоты. Коэффициент полезного действия идеального цикла ГТУ

(теплоемкость ср принята для простоты постоянной).

Одной из основных характеристик цикла газотурбинной установки является степень повышения давления в компрессоре тс, равная отношению давлений воздуха после компрессорар2 к давлению перед ним pv Выразим

посколькур4 = /?, ирг= рг после ряда преобразований из (4.2) получим

Формула (4.3) при к — 1,33 дает следующие значения rt для различных величин к:

Коэффициент полезного действия идеального цикла непрерывно возрастает с увеличением к. Это связано с увеличением температуры в конце процесса сжатия Т2 и соответственно температуры газов перед турбиной Ту

На рис. 4.12, б отчетливо видно, что цикл 1-2′-3′-4, в котором п больше, экономичнее цикла 1-2-3-4, ибо по линии 2-3′ подводится больше теплоты qr чем по линии 2-3, при том же количестве отведенной в процессе 4-1 теплоты qr При этом Г2 и Т’3 больше, чем соответственно Т2 и Ту

К сожалению, максимальная температура газов перед турбиной ограничивается жаропрочностью металла, из которого делают ее основные элементы (в авиационных двигателях 1100-1200°С, а в стационарных 750-850°С). Поэтому приходится сознательно идти на снижение температуры горения топлива (за счет подачи излишнего количества воздуха).

При определении оптимального значения к для заданной начальной температуры газа стремятся не только к более высокому КПД, но и к минимальному расходу газа на единицу вырабатываемой мощности.

Чем меньше этот расход, тем меньше размеры турбины и компрессора, а следовательно, размеры всей установки. Значение к, отвечающее максимуму r|f, не совпадает со значением я, отвечающим минимуму расхода газа.

Оптимальные значения к = 3-6, в некоторых случаях 10-12.

Очевидно, что эффективность газотурбинной установки возрастает с понижением температуры воздуха, засасываемого в компрессор. Понижение этой температуры приводит к увеличению полезной мощности газотурбинной установки и, следовательно, к повышению ее КПД.

Чем совершеннее газовая турбина и компрессор, тем эффективнее газотурбинная установка, так как более совершенная турбина вырабатывает большую мощность, а более совершенный компрессор поглощает меньшую мощность и в результате увеличивается полезная мощность и КПД газотурбинной установки. При этом следует отметить, что влияние турбины на КПД газотурбинной установки больше, чем влияние компрессора.

Для повышения КПД ГТУ применяют способ регенерации тепла (рис. 4.13). В отличие от предыдущей принципиальной схемы в нее включен теплообменник (2). Он представляет собой теплообменник, в котором воздух, идущий от компрессора в камеру сгорания, нагревается отработавшими газами, уходящими из турбины в атмосферу. Вследствие частичного использования тепловой энергии отработавших газов КПД установки повышается.

Рис. 4.13. Принципиальная схема газотурбинной установки разомкнутого процесса со сгоранием при постоянном давлении и регенерацией тепла:

• 1 — компрессор; 2 — регенератор; 3 — камера сгорания; 4 — топливный насос;
• 5 — генератор электрического тока; 6 — газовая турбина

Идеальный цикл такой установки в /?,v- и 7>-диаграммах дан на рис. 4.14. Линия 1-2 изображает изоэнтропное сжатие воздуха (в компрессоре); линия 2-3 — изобарный подвод тепла к газу (в регенераторе); линия 3-4 — изобарный подвод тепла в камере сгорания; линия 4-5 — изоэнтропное расширение газа (в турбине); линия 5-6 — изобарный отвод тепла от продуктов сгорания (в регенераторе); линия 6-1 — изобарный отвод тепла от продуктов сгорания (в атмосфере).

Отношение количества тепла, полученного воздухом в регенераторе, к количеству тепла, необходимого для нагрева воздуха до температуры отработавших в турбине газов, называется степенью регенерации а. Так как температура нагретого воздуха, покидающего регенератор, практически всегда меньше температуры отработавших газов, покидающих турбину, то а

Рис. 4.14. Идеальный цикл газотурбинной установки со сгоранием при постоянном давлении и регенерацией тепла

В соответствии с рис. 4.14

Определим термический КПД цикла. Количество тепла, подведенного в цикле (от верхних источников тепла),
составляет

Количество тепла, отведенного в цикле (в нижние источники тепла), меньше, чем в цикле без регенерации, на величину количества тепла, отдаваемого на нагрев в регенераторе, т. е. на величину ср(Тъ- Т2). Поэтому количество тепла, отводимого в цикле, будет

Ч2 = с l(Ts — Г,) — (Г3 — Г2)] = с, [(Г, — Г,) — о(Г5 — Щ

Термический КПД цикла

Обозначим отношение максимальной и минимальной температур в цикле через

Можно показать, что при отсутствии регенерации (ст = 0) уравнение (4.5) переходит в уравнение (4.3).

На рис. 4.15 представлена зависимость rt от ст для некоторых значений к (степень повышения давления в компрессоре). Из рисунка видно, что rt увеличивается с ростом ст, причем это увеличение более значительно при сравнительно небольших значениях л. Однако для получения больших ст требуются регенераторы с большими поверхностями. Кроме того, включение регенератора в схему вызывает дополнительные гидравлические сопротивления. Все это несколько снижает экономичность установки, поэтому увеличение поверхности регенератора, т. е. увеличение ст, производится до определенного предела, зависящего от выполнения всей установки и определяемого окончательно технико-экономическим расчетом. Для установок с процессом р = const обычно а = 0,7-0,8.

Рис. 4.15. Зависимость г|/ от а при некоторых значениях п для цикла газотурбинной установки со сгоранием при р = const

Отметим, что основу современных газотурбинных электростанций России составляют газовые турбины мощностью 25-100 МВт.

В последние годы для электроснабжения газовых и нефтяных месторождений получили широкое распространение газотурбинные электростанции мощностью 2,5-25 МВт. В табл. 4.1 приведены основные характеристики газотурбинных электростанций ЗАО «Искра-Энергетика», а на рис. 4.16- общий вид ГТЭС-4.

Таблица 4.1

Основные характеристики газотурбинных электростанций

В циклах ДВС рабочее тело выбра­сывается из цилиндра с температурой и давлением , которые превышают соответствующие параметры окружаю­щей среды р0, То, практически совпадаю­щие с Поэтому циклам ДВС при­сущи потери эксергии из-за «недорасширения» газов до параметров окружаю­щей среды. Их удается значительно сократить в циклах газотурбинных уста­новок.

Рисунок 8.4 — Схема газотурбинной установки

Воздушный компрессор К сжи­мает атмосферный воздух, повышая его давление от р1до р2 и непрерывно подает его в камеру сгорания КС. Туда же спе­циальным нагнетателем Н непрерывно подается необходимое количество жид­кого или газообразного топлива. Образу­ющиеся в камере продукты сгорания вы­ходят из нее с температурой и практи­чески с тем же давлением (если не учитывать сопротивления), что и на вы­ходе из компрессора ()- следова­тельно, горение топлива (т. е. подвод теплоты) происходит при постоянном давлении.

В газовой турбине Т продукты сгора­ния адиабатно расширяются, в результа­те чего их температура снижается до Т4, а давление уменьшается до атмосферно­го. Весь перепад давлений используется для получения технической работы в турбине . Большая часть этой работы lк расходуется на привод компрессора; разность является полезной и используется, например, на производство электроэнергии в электри­ческом генераторе ЭГ или на другие цели (при использовании жидкого топлива расход энергии на привод топливного насоса невелик, и в первом приближении его можно не учитывать).

Рисунок 8.5 — Цикл газотурбинной установки:

а — в p,v-координатах;

б — в T,s-координатах

Заменив сгорание топлива изобар­ным подводом теплоты (линия 2-3 на рисунке), а охлаждение выброшенных в атмосферу продуктов сгорания — изо­барным отводом теплоты (линия 4-1), получим цикл газотурбинной установки 1-2-3-4.

Полезная работа lц изображается площадью, заключенной внутри контура цикла (площадь 1-2-3-4). На рис. 6.5, а видно, что полезная работа равна разно­сти между технической работой, полу­ченной в турбине (площадь 6-3-4-5), и технической работой, затраченной на привод компрессора (площадь 6-2-1-5). Площадь цикла 1-2-3-4 в Т,s-диаграмме эквивалента этой же полезной работе (рис. б). Теплота, превращенная в работу, получается как разность между количествами подведенной (площадь 8-2-3-7) и отведенной (площадь 1-4-7-8) теплоты. Коэффициент полезного дей­ствия идеального цикла ГТУ

При этом теплоемкость српринята для простоты постоянной. Одной из основных характеристик цикла газотурбинной установки является степень повышения давле­ния в компрессоре , равная отношению давления воздуха после компрессо­ра р2к давлению перед ним. Тогда коэффициент полезного дей­ствия идеального цикла ГТУ

Коэффициент полезного действия идеального цикла непрерывно возрастает с увеличением . Это связано с увеличе­нием температуры в конце процесса сжа­тия и соответственно температуры га­зов перед турбиной .На рис. б от­четливо видно, что цикл 1-2′-3′-4, в кото­ром больше, экономичнее цикла 1-2-3-4, ибо по линии 2′-3′ подводится больше теплоты , чем по линии 2-3, при том же количестве отведенной в процессе 4-1 теплоты . При этом и больше, чем соответственно и .

Дело в том, что с увеличением возрастает эксергия рабочего тела перед турбиной, т. е. уменьшаются потери эксергии при сгорании, поскольку эксергия исходного топлива постоянна (равна теплоте его сгорания). Это и уве­личивает КПД цикла.

Максимальная температура газов пе­ред турбиной ограничивается жаропроч­ностью металла, из которого делают ее •элементы. Применение охлаждаемых ло­паток из специальных материалов позво­лило повысить ее до 1400—1500°С в авиации (особенно на самолетах-пере­хватчиках, где ресурс двигателя мал) и до 1050—1090°С в стационарных тур­бинах, предназначенных для длительной работы. Непрерывно разрабатываются более надежные схемы охлаждения, обеспечивающие дальнейшее повышение температуры. Поскольку она все же ни­же предельно достижимой при горении, приходится сознательно идти на сниже­ние температуры горения топлива (за cчет подачи излишнего количества воз­духа). Это увеличивает эксергетические потери от сгорания в ГТУ иногда до 40 %.

Газы выбрасывают из турбины с тем­пературой . Следовательно, эксергия рабочего тела, которой мы располагаем перед турбиной, использу­ется также не полностью: потери эксер­гии с уходящими газами могут доходить до 10 %. Поэтому КПД ГТУ оказывается пока еще ниже, чем ДВС.

Не имея деталей с возвратно-посту­пательным движением, газовые турбины могут развивать значительно большие мощности, чем ДВС. Предельные мощно­сти ГТУ сегодня составляют 100—200 МВт. Они определяются высотой ло­паток, прочность которых должна выдер­жать напряжения от центробежных уси­лий, возрастающих с увеличением их высоты и частоты вращения вала. Поэто­му газовые турбины применяются пре­жде всего в качестве мощных двигателей в авиации и на морском флоте, а также в маневренных стационарных энергети­ческих установках.

Ряд технологических процессов, осо­бенно химической промышленности, свя­зан с потоками нагретых сжатых газов. Расширение этих газов в газовой турбине позволяет получить энергию, которая обычно используется в этом же процессе, например для нагнетания тех же газов. В этом случае вал турбины непосред­ственно соединяется с валом турбоком­прессора. Такое комбинирование позво­ляет существенно снизить потребление энергии в технологическом процессе. К сожалению, оно используется еще не­достаточно широко, во-первых, из-за кос­ности мышления технологов, а во-вторых, из-за отсутствия турбин на нужные пара­метры, Часто используют авиационные двигатели, выработавшие свой ресурс.

В энергетике газовые турбины иног­да используют для привода воздуходу­вок, нагнетающих воздух в топку котла, работающую под давлением. Для этого продукты сгорания, охлажденные в кот­ле до необходимой температуры, направ­ляются в турбину, сидящую на одном валу с воздуходувкой, и расширяются в ней до атмосферного давления, совер­шая работу.