Описание тепловых схем ГТУ

Рисунок 26 — Схема одновальной ГТУ с промежуточным подводом теплоты и промежуточным охлаждением воздуха

В T-s диаграмме (рис. 27) сжатие воздуха в компрессорах низкого и высокого давления соответственно изображено линиями а1b1и а2b2, а охлаждение воздуха в охладителе — линией b1a2. Участок b2е — нагрев воздуха в регенераторе, а участок ec1 — подогрев его в камере сгорания высокого давления. Работе газа в турбинах высокого и низкого давления соответствуют линии c1d1 и c2d2, подводу теплоты в камеру сгорания низкого давления — линия d1c2, а охлаждению отработавшего газа в регенераторе — участок d2f. Рисунок 27 — Т-s диаграмма теплового процесса ГТУ с промежуточным сжиганием топлива и промежуточным охлаждением воздуха

Используются и более сложные схемы ГТУ, позволяющие, например, двукратно охлаждать воздух и размещать турбины и компрессоры на разных валах (многовальные ГТУ). Такие ГТУ обладают большей экономичностью, чем простые, хорошими показателями на частичных нагрузках и широким диапазоном устойчивой работы.

зобара, соответствующая давлению атмосферного воздуха 4а-1, условно за-, мыкает цикл, который является на самом деле открытым. В газотурбинном двигателе рассмотренной схемы из-за конструктивнь трудностей с обеспечением длительной прочности деталей турбины при указанных выше температурах газа практически трудно получить кпд больше 34+36%. Как показано на рис. 1.3,6, с повышением температуры газа площщ занимаемая циклом ГТД, растёт, что соответствует увеличению эффективно сти цикла. Так, например, при Т3 = 1600 К можно достичь кпд двигателя пр< стой схемы примерно 42+44%. Этим объясняется тот факт, что высокая температура газа стала характерным признаком современных ГТД (см. табл.ГИ применяемых для выработки электрической энергии. Увеличить полезную работу цикла ГТД можно за счёт снижения затраченной работы сжатия в компрессоре путём приближения процесса сжати к изотермическому, который предусмотрен в цикле Карно. Действительно, к показано на рис. 1.5,а, в этом случае за счёт сжатия воздуха в нескольких ко!

прессорах и введения промежуточного охлаждения между ними (участок 1−1цикла) можно увеличить площадь цикла. Аналогичного результата можно достичь путём введения многоступе! чатого подогрева рабочего тела при расширении в турбине (участок 3−3' цш на рис. 1.5,6,). Видно, что площадь цикла ГТД в этом случае возрастает. На практике подобные решения осуществить конструктивно трудно. Поэтому

Изобара, соответствующая давлению атмосферного воздуха 4а-1, условно за-, мыкает цикл, который является на самом деле открытым. В газотурбинном двигателе рассмотренной схемы из-за конструктивнь трудностей с обеспечением длительной прочности деталей турбины при указанных выше температурах газа практически трудно получить кпд больше 34+36%. Как показано на рис. 1.3,6, с повышением температуры газа площщ занимаемая циклом ГТД, растёт, что соответствует увеличению эффективно сти цикла. Так, например, при Т3 = 1600 К можно достичь кпд двигателя пр< стой схемы примерно 42+44%. Этим объясняется тот факт, что высокая температура газа стала характерным признаком современных ГТД (см. табл.ГИ применяемых для выработки электрической энергии. Увеличить полезную работу цикла ГТД можно за счёт снижения затраченной работы сжатия в компрессоре путём приближения процесса сжати к изотермическому, который предусмотрен в цикле Карно. Действительно, к показано на рис. 1.5,а, в этом случае за счёт сжатия воздуха в нескольких ко!

прессорах и введения промежуточного охлаждения между ними (участок 1−1цикла) можно увеличить площадь цикла. Аналогичного результата можно достичь путём введения многоступе! чатого подогрева рабочего тела при расширении в турбине (участок 3−3' цш на рис. 1.5,6,). Видно, что площадь цикла ГТД в этом случае возрастает. На практике подобные решения осуществить конструктивно трудно.

Поэтому

Изобара, соответствующая давлению атмосферного воздуха 4а-1, условно за-, мыкает цикл, который является на самом деле открытым. В газотурбинном двигателе рассмотренной схемы из-за конструктивнь трудностей с обеспечением длительной прочности деталей турбины при указанных выше температурах газа практически трудно получить кпд больше 34+36%. Как показано на рис. 1.3,6, с повышением температуры газа площщ занимаемая циклом ГТД, растёт, что соответствует увеличению эффективно сти цикла. Так, например, при Т3 = 1600 К можно достичь кпд двигателя пр< стой схемы примерно 42+44%. Этим объясняется тот факт, что высокая температура газа стала характерным признаком современных ГТД (см. табл.ГИ применяемых для выработки электрической энергии. Увеличить полезную работу цикла ГТД можно за счёт снижения затраченной работы сжатия в компрессоре путём приближения процесса сжати к изотермическому, который предусмотрен в цикле Карно. Действительно, к показано на рис. 1.5,а, в этом случае за счёт сжатия воздуха в нескольких ко! прессорах и введения промежуточного охлаждения между ними (участок 1−1цикла) можно увеличить площадь цикла.

5.2 Многовальные ГТУПростейший газотурбинный двигатель имеет только одну турбину, которая приводит компрессор и одновременно является источником полезной мощности. Это накладывает ограничение на режимы работы двигателя. Иногда двигатель выполняется многовальным. В этом случае имеется несколько последовательно стоящих турбин, каждая из которых приводит свой вал. Турбина высокого давления всегда приводит компрессор двигателя, а последующие могут приводить как внешнюю нагрузку, так и дополнительные компрессоры самого двигателя, расположенные перед основным. Преимущество многовального двигателя в том, что каждая турбина работает при оптимальном числе оборотов и нагрузке. При нагрузке, приводимой от вала одновального двигателя, была бы очень плоха приемистость двигателя, то есть способность к быстрой раскрутке, так как турбине требуется поставлять мощность и для обеспечения двигателя большим количеством воздуха, и для разгона нагрузки. При двухвальной схеме легкий ротор высокого давления быстро выходит на режим, обеспечивая двигатель воздухом, а турбину низкого давления большим количеством газов для разгона. Также есть возможность использовать менее мощный стартер для разгона при пуске только ротора высокого давления. При постоянной частоте вращения вала осевого компрессора и переменной частоте вращения силового вала температура перед газовой турбиной высокого давления может практически оставаться постоянной в достаточно широком диапазоне изменения частоты вала силовой турбины. Т. е. полезная мощность ГТУ будет изменяться пропорционально изменению характеристик силовой турбины. Рисунок 28 — Схема многовальной ГТУ простого цикла со свободной силовой турбиной.

1 — камера сгорания; 2 — компрессор; 3 — турбина; 4 — силовая турбина; 5 — нагрузка. Кроме того, двухвальные ГТУ имеют несколько лучшие экономические характеристики не только на частичных нагрузках, но и на расчетной нагрузке, когда одновальная установка, имея некоторый запас по мощности, на номинальной нагрузке будет обеспечивать режим работы нагнетателя ниже расчетного.

5.3 Комбинированные газотурбинные установки

Повысить эффективность ГТУ можно также за счет рационального использования теплоты отходящих газов в установках так называемого парогазового цикла (рис.

29) или парогазовых установках (ПГУ), которые сочетают в себе цикл газовой турбины на уровне высоких температур рабочего тела и цикл паровой турбины, работающей на отходящих продуктах сгорания ГТУ. Рисунок 29 — Принципиальная схема и температурная диаграмма одноконтурной ПГУ1 — компрессор; 2 — камера сгорания; 3 — газовая турбина; 4 — нагнетатель; 5 — котел-утилизатор; 6 — паровая турбина; 7 — электрический генератор; 8 — конденсатор; 9 — барабан; 10 — питательный насос; 11 — дымовая труба; ts — температура на выхлопе газовой турбины; tп. п — температура перегретого пара; tнас — температура кипения воды; tух — температура уходящих газов; tп. в — температура питательной воды; Δtэк — разность температур на «холодном» конце испарительной поверхности. На схеме в верхней части показан цикл ГТУ, в нижней части цикл паросиловой установки. На инии 1−2 цикла ГТУ осуществляется процесс сжатия воздуха в осевом компрессоре, на линии 2−3 — подвод теплоты в регенераторе и камере сгорания, на линии 3−4 — процесс расширения продуктов сгорания в турбине, на 4−1 в пределах участка 4−5 осуществляется отвод теплоты от продуктов сгорания, прошедших газовую турбину, к воде и пару в котле-утилизаторе паросиловой установки. По этой схеме продукты сгорания ГТУ после турбины низкого давления поступают в котел-утилизатор для выработки пара высокого давления. Полученный пар из котла-утилизатора поступает в паровую турбину, где, расширяясь, вырабатывает полезную работу, идущую на привод нагнетателя или электрогенератора. Отработанный пар после паровой турбины проходит конденсатор, и полученная жидкость вновь насосом направляется в котел-утилизатор, замыкая цикл силовой установки. Схема цикла ПГУ в T-S координатах приведена на рисунке 30. Рисунок 30 — Схема цикла парогазовой установки на T-S диаграмме

Подвод теплоты к воде в котле-утилизаторе идет на линии 1'-2', где она нагревается до температуры кипения, а на линии 2'-3' испаряется, превращаясь в сухой насыщенный пар. Полученный пар поступает в пароперегреватель, который обычно составляет одно целое с паровым котлом, перегревается там (линия 3'-4') до нужной температуры t и затем поступает в паровую турбину, где расширяется по линии 4'-5'. На линии 1'-5' пар конденсируется в конденсаторе и вода насосом вновь подается в котел-утилизатор. Цикл замыкается. КПД подобных установок может достигать 40−45%.К недостаткам подобных схем относятся определенное удорожание энергопривода КС, усложнение эксплуатации. Заключение

В данном реферате были рассмотрены основные тепловые схемы и обратимые (идеальные) и реальные циклы газотурбинных установок. На основе изученного материала можно сделать следующие выводы:

КПД (эффективность) любого цикла ГТУ всегда меньше, чем у цикла Карно с одинаковыми параметрами;

— увеличить эффективность цикла ГТУ (приблизить показатели к показателям цикла Карно) можно путем повышения максимальной температуры цикла, использования внутреннего возвращения теплоты в цикл (регенерации), использования промежуточного охлаждения воздуха при сжатии и вторичного подогрева газа при расширении, а также утилизации теплоты в парогазовом цикле. В общем, на сегодняшний день ГТУ нашли широкое применение, а усовершенствование конструкций и материалов позволит в будущемсоздать предпосылки для ещё большего внедрения ГТУв различных отраслях промышленности и народного хозяйства. Список использованной литературы:

Буров В.Д., Цанев С. В. Газотурбинные и парогазовые установки ТЭС. — М.: Издательский дом МЭИ, 2009. — 584 с. Зысин Л. В. Парогазовые и газотурбинные тепловые электростанции: учебное пособие.

— СПб.: Изд-во Политехн. Ун-та, 2010. — 368 с. Рыбалко В. В., Часовских А. А. Методика теплового расчета газотурбинных энергетических установок: учебное пособие. — СПб: СПбГТУ РП, 2002.

— 120с. Латыпов Р. Ш. Вопросы рациональной эксплуатации газотурбинных установок:

Учебное пособие. УФА: УГНТУ, 2000. — 100 с. Степанов И. Р. Парогазовые установки. Основы теории, применение и перспективы. -

Апатиты: изд. Кольского научного центра РАН, 2000. — 169с. Ромахова Г. А. Газотурбинные установки электростанций.

СПб: СПбГПу, 2008

Рудаченко А. В. Газотурбинные установки для транспорта природного газа: учебное пособие. — Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2010. — 217 с.