Проектирование установки парогазового цикла

2.1.Описание газотурбинных установок.

 

Газотурбинные установки относятся  к числу двигателей внутреннего  сгорания. Газ, получившийся в результате сгорания топлива в камере сгорания, направляется на турбину. Продукты сгорания, расширяясь в сопловом аппарате и  на рабочих лопатках турбины, производят на колесе турбины механическую работу. Простейшая схема газотурбинной установки дана на рис.3.

В её состав входят: К – компрессор, КГ – камера горения, ГТ – газовая турбина, ТН – топливный насос, ПМ – пусковой мотор.

Компрессор забирает воздух из атмосферы. сжимает его до нужного давления и подаёт в камеру горения, куда от топливного насоса поступает топливо. Компрессор приводится в действие от газовой турбины, но мощность, им потребляемая, меньше мощности, развиваемой турбиной. В результате, одновременно с вращением компрессора, турбина дает полезную мощность на привод электрогенератора. Рабочим телом в данном случае служат продукты сгорания топлива. Отработавший газ из турбины выбрасывается в атмосферу. Пусковой мотор необходим для раскручивания системы роторов, в том числе - компрессора, с целью получения начального сжатия воздуха при пуске установки.

Газотурбинная установка, работающая по такой схеме, называется установкой открытого цикла.

Более сложная схема газотурбинной  установки, работающей по замкнутому циклу, дана на рис.4.

В качестве рабочего тела здесь используется воздух или же какой-то другой газ, циркулирующий  в замкнутом контуре и не смешивающийся  с продуктами сгорания.

Камера горения здесь заменена газовым котлом ГК, представляющем из себя трубчатую конструкцию, подобную обычным водотрубным котлам, работающим на органическом топливе. На схеме В - подвод воздуха, ПС - отвод продуктов сгорания.

Кроме известных уже элементов  в схему включен регенератор - Р и охладитель воздуха - 0.

Регенератор - теплообменный аппарат, служащий для подогрева рабочего газа, идущего в газовый котел, теплом, содержащимся в отработавшем газовом потоке, идущем из турбины.

Охладитель воздуха перед компрессором обеспечивает отвод тепла в окружающую среду в соответствии со вторым законом  термодинамики.

В настоящее время практически  все газотурбинные установки  работают по схеме открытого цикла.

2.1.1.Основные достоинства и недостатки газотурбинных установок

К достоинствам газотурбинных установок  можно отнести:

1. Газотурбинная установка проще  по устройству, чем паросиловая  из-за отсутствия котельной установки,  сложной системы паропроводов, конденсатора, а также большого числа вспомогательных  механизмов, применяющихся в паровых  установках.

Металлозатраты и вес газотурбинной установки на единицу мощности вследствие указанных причин будут значительно меньше, чем паротурбинной.

2. Установка требует минимального  расхода воды - практически только  на охлаждение масла, идущего  к подшипникам.

З. Для газотурбинных установок  характерен быстрый ввод турбоагрегата  в работу. Пуск мощных установок  из холодного состояния до принятия нагрузки занимает порядка 15 ¸ 18 минут, в то время как подготовка к пуску паросиловой установки занимает несколько часов, увеличиваясь с повышением начальных параметров пара.

2.1.2.Недостатки газотурбинных установок:

1. Для того, чтобы установка давала  полезную мощность, начальная температура  газа перед турбиной должна  быть больше 550 °С, т.е., весьма высокой. Это вызывает определенные трудности при практическом выполнении газовых турбин, требуя как специальных весьма жаростойких материалов, так и специальных систем охлаждения наиболее высокотемпературных частей.

2. На привод компрессора расходуется  до 50 ¸ 70 % мощности, развиваемой турбиной. Поэтому полезная мощность газотурбинной установки гораздо меньше фактической мощности газовой турбины.

3. В газотурбинных установках  исключено применение твердого  топлива по обычной схеме. Наилучшие  виды топлива для ГТУ - природный  газ и качественное жидкое (керосин). Мазут же требует специальной  подготовки для удаления шлакообразующих  примесей.

4. Единичная мощность газотурбинной  установки ограничена. На конец XX века она составляет 120 ¸ 150 МВт. Это обусловлено большими габаритными размерами установки из-за невысокого начального давления газа перед турбиной - до 25 кгс/см² и его гораздо меньшей работоспособности по сравнению с водяным паром.

5. Очень большая шумность при  работе, значительно превышающая  ту, что имеет место при эксплуатации  паротурбинных установок.

2.2. Циклы газотурбинных установок.

 

В основе работы ГТУ лежат идеальные  циклы, состоящие из простейших термодинамических  процессов. Термодинамическое изучение этих циклов базируется на предположениях аналогичных тем, которые были сделаны  в предыдущем разделе (циклы ДВС), а именно: циклы обратимы, подвод теплоты происходит без изменения  химического состава рабочего тела цикла, отвод теплоты предполагается обратимым, гидравлические и тепловые потери отсутствуют, рабочее тело представляет собой идеальный газ с постоянной теплоемкостью.

К числе возможных идеальных циклов ГТУ относят:

цикл с подводом теплоты при  постоянном давлении (р = const) - цикл Брайтона;

цикл с подводом теплоты при постоянном объеме (v = const);

цикл с регенерацией теплоты.         

Во всех циклах ГТУ отвод теплоты  при наличии полного расширения в турбине происходит при постоянном давлении.         

Из-за сложной конструкции камеры сгорания цикл ГТУ с изохорным  подводом теплоты применяется крайне редко даже несмотря на то, что имеет повышенный КПД по сравнению с циклом Брайтона. Из перечисленных циклов наибольшее применение получил цикл с подводом теплоты при р =const.

При рассмотрении термодинамических  циклов тепловых двигателей делаются следующие допущения:

1. Химический состав рабочего  тела в течение всего цикла  не изменяется. Тем самым процесс  сгорания топлива заменяется  процессом подвода тепла q₁, извне и, следовательно, не учитываются потери, возникающие при сгорании топлива.

2. Процессы теплообмена и массообмена продуктов сгорания с окружающей средой заменены процессами отвода тепла q₂ от рабочего тела.

3. Процесс сжатия и расширения  протекает адиабатно, т.е. без теплообмена с окружающей средой.

4. Количество рабочего тела при  протекании цикла не изменяется. Поэтому не учитываются потери, возникающие при замене отработавших газов свежим зарядом.

5. Теплоемкость рабочего тела  не зависит от температуры,  т.е. принимается, что рабочим  телом является идеальный газ.

2.2.1.ГТУ  с подводом теплоты при постоянном давлении.

На рис.7. изображен термодинамический  цикл ГТУ на PV- и TS-диаграммах. Рабочее тело вначале сжимается в компрессоре по адиабате 3-4, затем к нему подводятся теплота q₁ при постоянном давлении (изобара 4-1), после чего рабочее тело расширяется в турбине без теплообмена с внешней средой (адиабата 1-2) до давления окружающей среды. Изобарный процесс 2-3 является процессом отдачи теплоты холодному источнику теплоты (окружающей среде).

Рис. 7. Термодинамический  цикл ГТУ с подводом теплоты при  постоянном давлении на PV- и TS-диаграммах

Основные характеристики цикла  определяются отношением объемов и  давлений в узловых точках цикла. К ним относятся степень адиабатного  сжатия ; степень повышения давления в процессе адиабатного сжатия степень повышения температуры в цикле .

Основным показателем любого идеального цикла, характеризующим его экономичность, является термический к.п.д.

Для установления характера и степени  влияния параметров цикла на термический  к.п.д. преобразуем уравнение подставив в него значения: 

 

  и    

где: - теплоемкость рабочего тела при постоянном давлении.

Тогда получим:    

 

Используя известные из термодинамики  уравнения связи параметров в  различных процессах, выразим все  температуры в характерных точках через температуру Т₃ :

   для процесса 3-4:            (а)

где: ; 

для процесса 4-1:            (б) 

для процесса 2-1:   (в)

Подставив полученные значения температур (а), (б) и (в) получим: 

             

Произведя сокращения, окончательно получим:

 

Формула показывает, что термический к.п.д. рассматриваемого цикла зависит от работы компрессора и от природы рабочего тела (показателя адиабаты К). Чем выше К и чем больше сжимается воздух компрессором, тем выше .

Термический к.п.д. цикла можно определить по TS-диаграмме в виде отношения площади 34123 внутри цикла к площади под процессом 4-1 . 3). При изменении нагрузки ГТУ, т.е. при изменении подводимого количества теплоты к рабочему  телу (например, при уменьшении), процесс расширения новых циклов показан пунктирными кривыми на рис. 7. Степень повышения давления и показатель адиабаты при этом не изменяются. Это свидетельствует о том, что изменение нагрузки на термический к.п.д.  цикла не влияет.

2.2.2.Цикл ГТУ с подводом теплоты при постоянном объеме

 

Рис. 9.  Термодинамический цикл ГТУ с изохорным подводом теплоты на P\/- и TS-диаграммах.

Рассуждая аналогично, получаем выражение  для термического к.п.д. рассматриваемого цикла:        

Из этой формулы следует, что с увеличением степени повышения давления и в отношения абсолютных температур конца и начала подвода теплоты термический к.п.д цикла ГТУ с изохорным подводом теплоты увеличивается.

Зависимость при K = const (К = 1,4) показана на рис. 10.Термический к.п.д. цикла можно определить, если воспользоваться изображением цикла ни TS-диаграмме, в виде отношения площади 34123 (внутри цикла) к площади под процессом 4-1.

2.2.3. Сравнение эффективности циклов  при P= const и V = const.

Рис.11. Сравнение идеальных  циклов ГТУ.

Представим идеальные циклы  ГТУ в T-S диаграммах. При одинаковых максимальных температурах (рис.11 а) площадь ac1ze, соответствующая циклу с изобарическим подводом тепла, больше площади acze, соответствующей циклу с изохорным подводом тепла, т.е. кпд цикла с изобарным подводом тепла больше кпд цикла с изохорным подводом тепла.

2.2.4. Цикл ГТУ с регенерацией теплоты

 

 

 Регенерация теплоты - подогрев воздуха после компрессора выхлопными газами - возможна при условии, что  .. Для этого в схему установки необходимо ввести дополнительное устройство – теплообменник. Схема и тепловая диаграмма ГТУ с регенерацией теплоты представлены на рис. 12, 13. Воздух из компрессора направляется в теплообменник, где он получает теплоту от газов, вышедших из турбины. После подогрева воздух направляется в камеру сгорания, где для достижения определенной температуры он должен получить меньшее количество теплоты сгорания топлива.

Рис. 13. Тепловая диаграмма ГТУ с регенерацией теплоты 

 

 

         В процессе 4-5 продукты сгорания охлаждаются в теплообменнике и эта теплота передается воздуху в процессе 2-6. Количество теплоты регенерации рассчитывается по формуле:

.     

При полной регенерации (идеальном  теплообменнике) воздух можно нагреть  до температуры T₆, равной температуре T₄, а продукты сгорания охладить до температуры T₅, равной температуре воздуха T₂.

Работа цикла остается прежней, а количество подведенной теплоты  уменьшается; теперь теплота q^p₁ подводится в камере сгорания только в процессе 6-3.          

Термический КПД цикла в этом случае равен:

         

В реальных условиях теплота регенерации  передается не полностью, так как  теплообменники не идеальные. Нагрев воздуха  осуществляется до точки 6', а продукты сгорания охлаждаются до точки 5′. В  этом случае термический КПД должен учитывать степень регенерации, определяемую как отношение количества теплоты, переданного воздуху, к  тому количеству теплоты, которое могло  бы быть передано при охлаждении газов  до температуры воздуха:

.

Величина степени регенерации  определяется качеством и площадью рабочих поверхностей теплообменника (регенератора). С учетом степени  регенерации теплота регенерации  равна

Термический КПД цикла с учетом степени регенерации:

    

 

В настоящее время регенерация  теплоты в основном находит применение в стационарных установках из-за большого веса и габаритов регенератора.

2.2.5.Сравнение  циклов с регенерацией и без  регенерации теплоты.

 

Рис.14. а) Сравнение циклов без регенерации и с регенерацией при одинаковых β и Tmax. б) Сравнение циклов без регенерации и с регенерацией при одинаковых β и q1.

 

На рис.14.а изображен обычный и предельно-регенеративный цикл с подводом теплоты при постоянном объеме с адиабатическим сжатием воздуха, имеющие одинаковые значения β и Tmax, а на рисунке 14.б. изображен тот же цикл, но при одинаковых β и q1, но с различными  Tmax.

Для того, чтобы регенерация теплоты в начальном цикле 12341 была возможна, температура T4 в конце адиабатического расширения продуктов сгорания должна быть больше температуры T2 на выходе из компрессора, т.е. точка 4 должна лежать выше точки 2 и правее точки 6. Поэтому средняя температура отвода теплоты в регенеративном цикле будет меньше, чем в цикле без регенерации. Средняя температура подвода теплоты, будет выше, чем в цикле без регенерации, так как теплота подводится на участке 53’, соответствующем верхней части изохоры.

Применение регенерации увеличивает  эффективный к.п.д. установки, а также  позволяет уменьшить наибольшее давление в цикле без снижения его экономичности.