Добавил:
ajieiiika26@gmail.com Делаю контрольные работы, курсовые, дипломные работы. Писать на e-mail. Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

75 группа 2 вариант / ГТ и ПГУ / Книги / Общая энергетика. Часть 2

..pdf
Скачиваний:
268
Добавлен:
18.01.2018
Размер:
4.88 Mб
Скачать

Раздел 7. ГАЗОТУРБИННЫЕ УСТАНОВКИ

7.1. Принцип действия ГТУ

По принципу действия газовая турбина аналогична паровой, с тем отличием, что рабочим теплом является не пар, а газообразные продукты сгорания топлива в смеси с воздухом или нагретые до высоких температур газы.

Вначале 20 века были построены первые газотурбинные установки (ГТУ) П.Д. Кузьминским в России, Штольце в Германии, Арменго и Лемалем во Франции. В 1939 г. швейцарская фирма «Браун-Бовери» создала первую энергетическую ГТУ, испытанную А. Стодолой.

Газотурбинная установка – это тепловой двигатель, рабочим телом в котором являются газообразные продукты сгорания топлива в смеси с воздухом во всех точках теплового цикла.

ВГТУ происходит последовательное преобразование химической энергии топлива в тепловую энергию продуктов сгорания, тепловой (потенциальной) энергии рабочего тела в кинетическую энергию потока газов, которая, в свою очередь, преобразуется в механическую энергию вращения ротора газовой турбины. В состав оборудования простейшей ГТУ входят: компрессор (К), камера сгорания (КС), газовая турбина (ГТ). Компрессор засасывает воздух из атмосферы, сжимает его до заданного давления и подает в камеру сгорания. Туда же подается топливо, которое смешивается с воздухом и сгорает. Образовавшиеся газообразные продукты сгорания направляются в газовую турбину (рис. 7.1), заставляя вращаться ротор. Механическая энергия вращения ротора ГТ передается электрическому генератору (ЭГ) и компрессору.

ГТУ имеют ряд преимуществ в сравнении с ПТУ:

1)они более компактны, так как топливо сжигается не в громоздком котле, а в небольшой по размерам камере сгорания, расположенной вблизи газовой турбины. Кроме того, в ГТУ нет конденсационной установки;

2)они более маневренны: обеспечивают быстрый запуск и набор нагрузки (0,5 ÷ 30 мин), так как толщина стенок корпуса ГТ значительно меньше, чем у паровой турбины, потому что давле-

ние рабочей среды в ГТУ ниже, чем в ПТУ, примерно в

10 – 15 раз;

3)ГТУ проще по конструкции и в обслуживании;

4)при одинаковой мощности с ПТУ, ГТУ требуют меньше за-

166

трат металла, следовательно, должны иметь более низкую стоимость;

5)для ГТУ не требуется большого количества воды;

6)ГТУ имеют более низкую стоимость 1 КВт установленной мощности при строительстве новых электростанций.

Рис. 7.1. Схема газотурбинного агрегата:

К – воздушный компрессор; КС – камера сгорания; ГТ – газовая турбина; ЭГ – электрический генератор

К недостаткам ГТУ, на данный момент времени, можно отнести следующее:

1) по единичной мощности ГТУ пока уступают паротурбинным установкам, однако следует отметить, что в последние годы наблюдается стремительный рост единичной мощности газотурбинных агрегатов;

2)ГТУ имеют меньшую экономичность, чем паросиловые установки. КПД современных ГТУ достигает 36 ÷ 38 %, а паротурбинные энергоблоки имеют КПД 40 ÷ 42 %.

3)ГТУ более требовательны к сортам и качеству топлива и могут хорошо работать только на качественном газообразном (природный газ) или жидком топливе, например дизельном. Паротурбинные энергоблоки могут работать на любом топливе, включая низкокачественное.

4)ГТУ менее долговечны в эксплуатации, чем ПТУ.

167

7.2.Термодинамические циклы ГТУ

7.2.1.ГТУ со сгоранием топлива при постоянном давлении

Рассмотрим цикл ГТУ со сгоранием топлива при постоянном давлении в T, s - диаграмме (рис. 7.2). Схема газотурбинного агрегата приведена на рис. 7.1.

Воздух из атмосферы поступает в компрессор (рис. 7.1), где

 

подвергается

сжа-

 

тию

в

процессе

 

1 – 2. Сжатый воз-

 

дух подается в ка-

 

меру сгорания, ку-

 

да

одновременно

 

подается

топливо.

 

В камере сгорания

 

(процесс 2 - 3) осу-

 

ществляется

под-

 

вод теплоты к ра-

 

бочему

телу

 

при

 

постоянном

дав-

 

лении. Полученное

 

рабочее

тело

 

высокотемператур-

 

ная смесь продук-

 

тов

сгорания

с

 

воздухом

– посту-

 

пает

в

газовую

 

турбину, где в про-

 

цессе 3 – 4 расши-

Рис. 7.2. Термодинамический цикл ГТУ со сго-

рения

продуктов

сгорания

происхо-

ранием топлива при постоянном давлении в

T, s - диаграмме

дит

последова-

 

тельное

преобра-

зование потенциальной энергии рабочего тела в кинетическую, а кинетической – в механическую работу на валу газовой турбины, точно так же, как в паровой турбине.

Впроцессе 4 – 1 осуществляется отвод теплоты из цикла ГТУ

вокружающую среду, т.е. выброс продуктов сгорания в атмосферу.

Таким образом осуществляется простейший цикл ГТУ со сгоранием топлива при постоянном давлении.

168

7.2.2. ГТУ с регенерацией теплоты отработавших газов

Одним из способов повышения экономичности ГТУ является использование теплоты отработавших в турбине газов для подогрева воздуха, поступающего в камеру сгорания (рис 7.3). Для этого воздух, сжатый в компрессоре, перед камерой сгорания нагревают в регенера-

торе продуктами сгора-

ния, отработавшими в

Рис. 7.3. Схема ГТУ с регенерацией тепло-

газовой

турбине. Ре-

ты отработавших газов

 

 

 

 

 

 

генератор (Р) – теп-

 

лообменный

аппарат

 

поверхностного

типа.

 

Продукты

сгорания

 

отдают часть теплоты

 

воздуху и выбрасыва-

 

ются в атмосферу, а

 

подогретый воздух по-

 

ступает в камеру сго-

 

рания. На рис 7.4.

 

приведен

термодина-

 

мический

цикл

ГТУ

с

 

регенерацией теплоты

 

отработавших газов в

 

T, s - диаграмме.

 

 

Площадь I

показы-

 

вает в T, s - диаграм-

 

ме количество

теп-

 

 

лоты,

 

полученное

 

Рис. 7.4. Термодинамический цикл ГТУ с

одним

килограммом

 

регенерацией теплоты отработавших газов

воздуха

в регенера-

 

в T, s - диаграмме

 

 

торе, а площадь II – количество теплоты, отданной одним килограммом продуктов сгорания воздуху.

Регенерация позволяет повысить экономичность ГТУ за счет экономии топлива на 20...25 %.

169

7.2.3. ГТУ со ступенчатым сжатием воздуха

Из термодинамики известно, что работа, затрачиваемая на сжатие газа, будет наименьшей, если процесс сжатия осуществлять изотермически, т.е. при T = const. Однако в компрессоре такое сжатие осуществить невозможно. Для приближения процесса сжатия воздуха к изотермическому применяют ступенчатое сжатие с охлаждением воздуха после каждой ступени в промежуточных воздухоохладителях. На рис. 7.5 приведена схема ГТУ со ступенчатым сжатием воздуха.

Воздух в этом случае первоначально сжимается в компрессоре низкого давления (КНД) и затем проходит воздухоохладитель. После воздухоохладителя он направляется в компрессор высокого давления (КВД), в котором сжимается до рабочих параметров.

Рис. 7.5. Схема ГТУ со ступенчатым сжатием воздуха

Затем воздух направляется в регенератор (Р), где дополнительно нагревается теплом продуктов сгорания, выходящих из газовой турбины. Из регенератора горячий воздух подается в камеру сгорания (КС), где служит окислителем для сгорающего топлива. Термодинамический цикл ГТУ со ступенчатым сжатием воздуха в T, s - диаграмме приведен на рис. 7.6.

ВT, s - диаграмме показаны процессы сжатия воздуха: 1 – 2’

вКНД и 1’ – 2 в КВД. Отрезок 2’ – 1’ показывает процесс охлаждения воздуха.

Совершенно очевидно, что чем больше ступеней сжатия с последующим охлаждением, тем ближе процесс к изотермическому и тем меньше энергии затрачивается на повышение давления воздуха перед подачей его в камеру сгорания и, сле-

170

довательно, повышается КПД ГТУ в целом. Но при этом установка усложняется и заметно дорожает. Поэтому в ГТУ обычно применяют двухступенчатое сжатие. Большее число ступеней сжатия применяется редко.

Рис. 7.6. Термодинамический цикл ГТУ со ступенчатым сжатием воздуха в T, s - диаграмме

Наряду с ГТУ простого цикла существуют ГТУ сложного цикла, которые могут содержать несколько компрессоров, турбин и камер сгорания. В частности, к ГТУ этого типа относятся ГТ-100-750, строившиеся в СССР в 70-е годы (рис. 7.7).

Газотурбинная установка ГТ-100-750 выполнена двухвальной. На одном валу расположены компрессор высокого давления (КВД) и приводящая его турбина высокого давления (ТВД).

171

Этот вал имеет переменную частоту вращения.

На втором валу расположены турбина низкого давления (ТНД), приводящая компрессор низкого давления (КНД), и электрический генератор (ЭГ), поэтому этот вал имеет постоянную частоту вращения 50 с-1.

Воздух в количестве 447 кг/с поступает из атмосферы в КНД и сжимается в нем до давления примерно 4,3 бар и затем подается в воздухоохладитель (ВО), где охлаждается водой с 176 до 35 °С. Это позволяет уменьшить работу, затрачиваемую на сжатие воздуха в компрессоре высокого давления (КВД), степень повышения давления в котором составляет πк = 6,3.

Из КВД воздух поступает в камеру сгорания высокого давления (КСВД), из которой продукты сгорания с температурой 750 °С направляются в ТВД. Из ТВД газы, содержащие значительное количество кислорода, поступают в камеру сгорания низкого давления (КСНД), в которой сжигается дополнительное топливо, и образовавшиеся продукты сгорания поступают в турбину низкого давления. Отработавшие в ТНД газы с температурой 390 °С выходят либо в дымовую трубу, либо в теплообменник для использования теплоты уходящих газов.

Рис. 7.7. Схема газотурбинной установки ГТ-100-750 ЛМЗ

Экономичность ГТУ очень существенно зависит от температуры уходящих газов. Усложнение схемы установки позволяет повысить ее экономичность, но одновременно требует увеличения капиталовложений и усложняет эксплуатацию.

172

7.3.Конструкции ГТУ

7.3.1.Конструктивная схема ГТУ

Конструкцию газовой турбины рассмотрим на примере ГТУ фирмы Siemens. Общий вид ГТУ электрической мощностью 160 МВт показан на рис. 7.8. Газотурбинная установка работает следующим образом. Воздух из атмосферы поступает на вход воздушного компрессора, который представляет собой роторную турбомашину с проточной частью, которая состоит из вращающихся и неподвижных решеток.

Рис. 7.8. Общий вид ГТУ электрической мощностью

160 МВт фирмы Siemens

Ротор компрессора приводится во вращение газовой турбиной. Таким образом, мощность, развиваемая газовой турбиной, частично затрачивается на привод компрессора, а оставшаяся часть преобразуется в электрическую энергию в генераторе.

173

Принципиальная схема ГТУ мощностью 160 МВт фирмы Siemens показана на рис. 7.9.

Рис. 7.9. Принципиальная схема ГТУ фирмы Siemens:

1 – входной патрубок воздушного компрессора; 2 – воздух из атмосферы; 3 – проточная часть воздушного компрессора; 4 – сжатый воздух; 5 – зона ввода вторичного воздуха; 6 – корпус камеры сгорания;

7 – пламенная труба; 8 – горелочные устройства; 9 – горящий факел; 10 – горячие газы; 11 – проточная часть газовой турбины;

12 – уходящие газы ГТУ; 13 – опорный подшипник; 14 – выходной диффузор; 15 – вал; 16 – опорно-упорный подшипник;

17 – вал для присоединения электрогенератора

174

Поток сжатого воздуха подается в две камеры сгорания (рис. 7.9). При этом в большинстве случаев поток воздуха, идущий из компрессора, разделяется на два потока: первичный и вторичный. Первичный воздух (20...40 %) подается в активную зону горения к горелочным устройствам и участвует в процессе сгорания как окислитель, туда же подается топливо. При сжигании топлива образуются продукты сгорания топлива высокой температуры.

Остальной воздух (60...80 %) добавляется в поток после сгорания. Вторичный воздух, смешиваясь с газообразными продуктами сгорания, понижает температуру газов перед газовой турбиной до заданного значения. Это необходимо по следующей причине: в активной зоне камеры сгорания при сжигании природного газа температура горения поддерживается на уровне 1700...2000 °С, тогда как допустимая по условиям надежности лопаточного аппарата газовой турбины температура газа на входе в турбину должна быть на уровне 1100...1400 °С. При подмешивании относительно холодного воздуха второго потока получают газы (их обычно называют рабочими газами) с допустимой для деталей газовой турбины температурой. Рабочие газы подаются в проточную часть газовой турбины. В газовой турбине рабочие газы расширяются практически до атмосферного давления и поступают в выходной диффузор 14, а из него либо сразу в дымовую трубу, либо предварительно в какой-либо теплообменник, использующий теплоту уходящих газов ГТУ. Вследствие расширения газов в газовой турбине последняя вырабатывает мощность. Весьма значительная ее часть (примерно половина) тратится на привод компрессора, а оставшаяся часть – на привод электрогенератора. Это и есть полезная мощность ГТУ, которая указывается при ее маркировке.

На рис. 7.10 показано устройство газотурбинной установки ГТЭ – 45. Атмосферный воздух от комплексного воздухоочистительного устройства (КВОУ), в котором воздух очищается от механических примесей (пыли и т.п.), поступает в шахту 1, а из нее через входной направляющий аппарат 2 проходит к проточной части 3 воздушного компрессора. В компрессоре происходит сжатие воздуха. Степень повышения давления в компрессоре составляет πк = 17, и, таким образом, давление в тракте ГТУ не превышает 1,7 МПа (17 бар). При сжатии в компрессоре воздух нагревается.

175

Соседние файлы в папке Книги