 |
Анализ тепловой экономичности разомкнутого цикла ГТУ
|
|
|
|
ЦИКЛЫ ГАЗОТУРБИННЫХ УСТАНОВОК
В газотурбинных установках (ГТУ) используется рабочее тело в виде газов, которые производят техническую работу в газовых турбинах (ГТ).
 |
ГТУ могут иметь замкнутый (р.8.1) и разомкнутый (р. 8.2) циклы.
В ГТУ, выполненной по замкнутому циклу, газ компрессором нагнетается в теплообменник, где к нему подводится теплота от внешнего источника (это могут быть продукты сгорания органического топлива), и поступают в газовую турбину. Здесь они, расширяясь до меньшего давления, совершают полезную техническую работу, часть которой идет на привод компрессора. Из турбины газы поступают в охладитель, где от них отводится теплота во внешнюю среду (например, за счет пропуска воды из внешнего водоема через охладитель). Из охладителя газы поступают в компрессор и далее цикл повторяется. Компрессор и газовая турбина расположены на одном валу с электрическим генератором. Пусковой двигатель приводит во вращение вал ГТУ только при ее пуске, в рабочем режиме его отключают от вала специальной муфтой сцепления.
ГТУ с замкнутым циклом практически не используются в современной энергетике. Основными недостатками таких ГТУ являются: громоздкость, обусловленная большими размерами газовых теплообменников; низкий КПД, который сильно зависит от температур газов перед турбиной (наличие теплообменника ТО снижает эту температуру по отношению к температуре греющих газов на 50 оС и более) и перед компрессором (охладитель ОХЛ повышает температуру газов по отношению к температуре внешней среды на 20 оС и более). Как будет показано в дальнейшем, снижение температуры газов перед турбиной и повышение температуры газов перед компрессором всегда приводят к снижению КПД ГТУ.
|
|
|
 |
Применение в энергетике ГТУ с разомкнутым циклом (рис. 8.2).
 |
В таких ГТУ воздух забирается компрессором из атмосферы и при большом давлении подается в камеру сгорания, где осуществляется изобарное сжигание жидкого или газообразного топлива. Продукты сгорания органического топлива имеют температуру более 2000 оС. При таких высоких температурах металл камеры сгорания может разрушиться, поэтому в камеру сгорания подается в 5 и более раз больше воздуха, чем требуется для сгорания топлива, что позволяет снизить температуру газов и осуществить воздушную защиту металла камеры сгорания. Схема камеры сгорания показана на рис. 8.3. Топливо подается в форсунку (или газовую горелку) 1, расположенную внутри жаропрочной трубы 2, куда поступает воздух и происходит сгорание топлива. Жаропрочных труб в камере сгорания несколько. Они концентрически расположены одна в другой и смещены по ходу движения газа. В зазоры между трубами поступает воздух, который создает теплоизоляционный слой, защищающий их от выгорания. Сами трубы и омывающий их поток воздуха снаружи защищают корпус камеры сгорания 3 от высоких температур продуктов сгорания топлива. В связи с тем, что для охлаждения камеры сгорания в нее поступает воздуха больше, чем необходимо для сгорания топлива, температура газов на выходе из камеры сгорания ниже температуры горения топлива.
Снижение температуры продуктов сгорания топлива обусловлено не только условием надежной работы металла камеры сгорания, но и требованиями к допустимым значениям температур металла первых ступеней газовой турбины. На сегодня металл газовых турбин способен выдержать температуру 1000 – 1300 оС. Такие температуры газов на выходе из камеры сгорания и применяются на современных ГТУ.
Анализ тепловой экономичности разомкнутого цикла ГТУ
|
|
|
Прежде чем приступить к анализу экономичности ГТУ, сделаем ряд допущений, позволяющих упростить этот анализ:
1. Свойства рабочего тела ГТУ во всех точках ее процесса будем считать аналогичными свойствам идеального двухатомного воздуха с постоянной изобарной теплоемкостью. Это допущение близко к истине, т.к. в продуктах сгорания топлива воздух составляет более 80 %, а свойства атмосферного воздуха близки к свойствам идеального газа.
2. Массовое количество рабочего тела во всех точках процесса будем считать одинаковым и равным количеству воздуха, поступающему в компрессор (G). Это допущение объясняется тем, что расход топлива в ГТУ по отношению к расходу воздуха несоизмеримо мал (для современной ГТУ G=600 кг/с, а В=12 кг/с) и составляет около 2 %.
3. Условно будем считать цикл ГТУ замкнутым между точками 4 и 1 (рис. 8.4) по изобарному процессу отвода теплоты от рабочего тела. Очевидно, что газы за ГТУ охлаждаются в окружающей среде при постоянном атмосферном давлении, а воздух в компрессор поступает при том же давлении, поэтому отвод теплоты соответствует изобарному процессу между точками 4 и 1.
В соответствии с вышепринятыми допущениями обратимый (идеальный) цикл ГТУ в P,v- и T,s- диаграммах будет представлен рис. 8.4.
Методика расчета тепловой экономичности
обратимого цикла ГТУ
Техническая работа обратимого адиабатного процесса сжатия воздуха в компрессоре 1-2 соответствует разности энтальпий этого процесса, а для воздуха со свойствами идеального газа – разности температур, умноженной на изобарную теплоемкость воздуха
. (8.1)
В P,v- диаграмме работа компрессора может быть представлена площадью под процессом 1-2 в проекции на ось давлений 1-2-а-в-1.
Теплота, подведенная к рабочему телу в камере сгорания, соответствует изобарному процессу 2-3 и рассчитывается как
. (8.2)
В T,s- диаграмме q1 соответствует площадь под процессом 23.
Технической работе обратимого адиабатного процесса расширения газа в турбине 3-4 соответствует разность энтальпий этого процесса, а для продуктов сгорания топлива со свойствами идеального газа – разности температур, умноженную на изобарную теплоемкость воздуха 
. (8.3)
В P,v- диаграмме работа турбины может быть представлена площадью под процессом 3-4 в проекции на ось давлений 3-4-а-в-3.
|
|
|
Теплоте, отведенной от рабочего тела в окружающую среду, соответствует изобарный процесс 4-1 и рассчитывается как
. (8.4)
В T,s- диаграмме q2 соответствует площадь под процессом 4-1.
Работа цикла ГТУ может определяться как разность работ турбины и компрессора или как разность подведенной к рабочему телу и отведенной от рабочего тела теплоты: 
. (8.5)
В ГТУ работа компрессора может составлять до 50 % от работы газовой турбины (рис. 8.4, а).
Термический КПД цикла ГТУ определяется выражением
, (8.6)
где 
, т.к. для адиабатных процессов 12 и 34, проходящих в интервале одинаковых давлений Р1 и Р2, справедливо соотношение 
. Отношение давлений 
называют степенью повышения давления в компрессоре. Выразив отношение температур в уравнении (8.6) через степень повышения давления 
, уравнение термического КПД цикла ГТУ: 
. (8.7)
Из уравнения (8.7) следует, что термический КПД цикла ГТУ зависит только от степени повышения давления воздуха в компрессоре, при этом, чем больше степень повышения давления в компрессоре, тем больше термический КПД цикла. Однако это не совсем так.
|
|
|
