Арсеньев Л.В., Тырышкин В.Г. Комбинированные установки с газовыми турбинами

Подождите немного. Документ загружается.

чего тела. Удельная работа контактной установки определяется

как

ЧГПУ

•=

—К

—

где

/г

гл

/г„.

1г

—соответственно

работа газовой турбины,

компрессора, условного парового контура и насоса. В последу-

ющих преобразованиях работой насоса из-за ее малости будем

пренебрегать.

Рис.

IV.3.

Предельный ввод

воды в контактную установку

в зависимости от температу-

ры газа

и степени повы-

шения давления при исполь-

зовании природного газа в

качестве топлива

---^

^~-

-^02

•^-.

—-—

"—"~——г

Рис. IV 4. Изменение коэффи-

циента избытка воздуха ос в

камере сгорания контактной

ГПУ для природного газа в

зависимости от

и d при

я„=

Поскольку процесс расширения пара даже при относительно

низких температурах

и принятых значениях

заканчивается

в области перегретого пара, удельная работа

КГПУ

при раздель-

ном рассмотрении расширения газа и пара будет равна

~{n

(JC

— 1)/% +

[ 1

(я

т)

Здесь v — коэффициент потерь давления в газовоздушном

тракте установки;

г|

— к. п. д. процесса расширения

газа и пара.

Поскольку действительный процесс расширения совершается

в одной турбине смесью рабочих тел, то удельная работа контакт-

ной установки может быть также найдена по уравнению

/гкгпу

=с

рсч

d)r

—(n

v)~"'

jT)

(IV.4)

Удельная теплоемкость смеси

см

определяется теплоемкостью

рабочих тел и их расходом

1+£топ

„

, d

рсм

-\-gTon-j-d

(IV.5)

112

Газовая постоянная

смеси

найдется по аналогичному

уравнению:

Тогда показатель степени

см

в уравнении

(IV.4),

равный

сч

Уравнения

(IV.4)—(IV.7)

позволяют при заданных параметрах

найти удельную работу контактной установки. Добавка паро-

водяного рабочего тела во всех случаях повышает удельную

работу установки. Здесь необходимо отметить, что при заданных

параметрах

и одинаковом расходе d при вводе воды удель-

ная мощность контактной установки оказывается несколько выше,

чем при вводе пара. Это объясняется тем, что генерация пара

в этом случае требует дополнительного расхода топлива в камере

сгорания, поэтому относительный расход топлива

tou

заметно выше, чем при вводе пара.

Внутренний к. п. д. контактной установки можно записать

„

g-ron)

К.

т —

-f

ЛКГПУ

"топ

а через параметры рабочих тел

-c

К'

О/л,.

УзУ

-(у"кГ"

1л

TVq

-Г-—

•

V.9)

^топ

"топ

Из уравнений

(IV.8)

(IV.9)

видно, что значение

,,y

опре-

деляется не только приращением удельной работы, но и затратами

топлива.

Если ввести

к. п. д.

газового

парового контуров

т)

ГТ

Т]ПТУ>

определяемые начальными параметрами рабочих тел, то после

несложных преобразований получим следующее выражение для

определения к. п. д. комбинированной установки:

ЛКГПУ

Р)

ЛГГУ

КГГУ-ГГ^7•

(

)

Здесь

— коэффициент, характеризующий долю топлива,

подведенную к пароводяному рабочему телу,

^топ/(<?топ

+<??оп);

— коэффициент утилизации, характеризующий долю

теплоты пароводяного рабочего тела, подведенную за счет утили-

зации,

ут

—

)/(i

—

При отсутствии утилизации, когда вводится в установку не-

подогретая

вода, к. п. д. установки равен

(IV. И)

К.

д. контактной установки зависит от коэффициента утили-

зации fey, и с его увеличением во всех случаях возрастает

(рис. IV 5). Экономия топлива в КГПУ по сравнению с ГТУ

Д<7

СПКГПУ—'^ГТУУ'ЧКГПУ

тем

выше при увеличении

ьт

чем

выше коэффициент р. Ввод неподогретой воды при всех темпера-

турах

уменьшает экономичность установки, поэтому увеличе-

ние

в этом случае приводит к понижению

Aq.

При достаточно

малых значениях

экономичность контактной установки может

оказаться ниже экономичности соответствующей ГТУ. Для каж-

дых параметров рабочих тел существует такая величина

при

которой

Д<7

= 0, т. е. экономия топлива в контактной установке

отсутствует. С повышением тем-

пературы это значение несколь-

ко повышается. Так, при

1100

К значение

= 0,2,

а при

= 1500 К

= 0,21.

Рассмотренная зависимость

построена при

= 15. Качест-

венный характер влияния

на экономию топлива не изме-

нится и при других значе-

ниях

На рост к. п. д. контактной

ГПУ влияет распределение топ-

лива по обоим рабочим телам,

Рис.

IV.5.

Экономия топлива в контакт-

ной газопаровой установке при

я„

= 15.

—

— температура

газа

1100

К,

температура

газа

1500

выраженное коэффициентом

р.

Для анализа этого влияния рас-

смотрим выражение

Поскольку при принятых условиях коэффициент

опре-

деляет расход пара d, то условие целесообразности увеличения

расхода пара имеет вид

Лпту

«ут

(IV.

12)

Чем выше утилизация отходящей теплоты, определяемая

коэффициентом

тем при меньшем

т)

пТУ

выгодно развивать

паровой контур.

Для случая

г|

ГТУ

ЛПТУ^

—

ут

)

расход

пара d не влияет

на к. п. д. установки и его можно выбирать исходя из соображе-

ний единичной мощности.

Приведенные уравнения для определения основных показате-

лей контактной ГПУ предполагают рассмотрение раздельного

расширения газа и пара от начальной температуры

в диапазоне

давления

—

При этом предполагается, что смесь находится

в состоянии идеального газа, а конденсация воды отсут-

ствует. Кроме того, принято, что теплоемкость и энтальпия пере-

П4

гретого

пара,

входящего в смесь, зависит только от его темпе-

ратуры. Такой метод расчетных исследований оказывается суще-

ственно проще, а приемлемость подобного подхода к анализу кон-

тактных установок показана в работе [22].

IV.3. ВЛИЯНИЕ ПАРАМЕТРОВ РАБОЧИХ ТЕЛ

НА ПОКАЗАТЕЛИ КГПУ

Поскольку в контактной установке параметры газа

определяют также и параметры пара, а влияние расхода паро-

водяного тела уже было проанализировано, здесь остановимся на

рассмотрении параметров

Начальная температура рабочих тел

однозначно влияет

как на удельную работу, так и на к. п. д. установки: с ее возраста-

нием оба показателя контактной установки повышаются. Более

сложное влияние на

Krn

Г|КГПУ

оказывает степень повышения

давления, поэтому этот показатель рассмотрим подробнее.

Полезная работа контактной установки зависит от степени

повышения давления в компрессоре, так как

влияет как на

работу расширения газа, так и пара

(IV.3).

Для того чтобы опре-

делить влияние

рассмотрим выражение

KrnV

/(dn

)

= 0.

Решение этого уравнения позволяет найти оптимальное значение

для получения максимальной полезной работы. Уравнение

для

я„

opt

имеет вид

„h

, \

Ср

т]

т|

1 /

"к

opt = (

+ ётоп)

—~

„

—

+ .

рв

-Гётоп

г+тп)

(IV.

13)

т|

т v

При выводе этого уравнения принято, что

?»

Рассмотрение выражения

(IV.

13) показывает, что tt

Kopt

для

получения максимальной удельной работы контактной установки

больше, чем этот параметр в газотурбинной установке. Причем

различие значений

кор4

для КГПУ и ГТУ тем заметнее, чем

больше вводится пароводяного рабочего тела: при d =

0,2

opt

для КГПУ оказывается в 1,5 раза больше, чем

Kopt

для ГТУ;

при d = 0,5 это различие возрастает более чем в 2,5 раза.

Для анализа влияния

на к. п. д. контактной установки

следует рассмотреть выражение для определения подвода теплоты

сгорания топлива. В газовую часть цикла подводится

я"

- 1 \

<7топ

= (1 +

ётоп)

рг

рв

Г,

1^1

-iL_

(IV.

14)

Теплота сгорания топлива паровой части составит

Следовательно,

влияет только на величину

<7топ.

115

Для определения оптимального значения

обеспечивающего

получение максимального

кпд

контактной установки, необхо-

димо приравнять нулю производную

chl

KrTy

/(dn

После некоторых

преобразований

получим следующее выражение:

„л

Г/1

„

срг

iir.

тЛк

"к

opt —

""Г

ётоп^

— ^ — -

Ср

[

—

Срп

Ли.

T'l

рг

11г. т

(IV.

16)

Значение оптимальной степени повышения давления для полу-

чения максимального к. п. д. контактной установки оказывается

также существенно выше аналогич-

ного параметра газотурбинной уста-

новки. При этом наибольшее влияние

оказывает расход пароводяного ра-

бочего тела d, а значение коэффи-

циента утилизации сказывается кос-

венно через к. п. д. установки

Т)™ГПУ

•

На рис.

IV.6

приведены

Kopt

для

получения максимальной удельной

работы и к. п. д. установки при раз-

личных расходах d. Величины

Kopt

значительнее, и их достижение при

простой тепловой схеме затрудни-

тельно.

Выражения

(IV.

13) и

(IV.

16) по-

лучены для простой тепловой схемы

газового контура. Аналогичное влия-

ние ввода пароводяного рабочего тела

на

opt

имеет место для более слож-

ных тепловых схем контактных уста-

новок. Так, в работе [5] получено

выражение

кор1

для получения

максимального к. п. д. контактной установки с двумя компрес-

сорами. При относительно небольшом расходе пара d

z 0200

/022

•^026

"Л

opt

20,

да

0,1

02 03

Рис. IV 6. Зависимость

для получения максимальных

значений полезной работы и

к. п

при различных расходах

пара

~ ~" ~

|чopt,

KOpt

(1 + d)

B0R

]

выражение для

кор4

имеет

вид-

opt

рв

—

'ПКГПУ

Здесь также расход пара сильно влияет на значение

Kopt

116

IV.4.

ОСОБЕННОСТИ

РАБОТЫ КОТЛА-УТИЛИЗАТОРА

В КОНТАКТНОЙ ГАЗОПАРОВОЙ УСТАНОВКЕ

Условное разделение работы контактной установки на два

цикла — газовый и пароводяной — позволяет разделить процесс

генерации пара в котле-утилизаторе на две части пар, генериру-

емый за счет отходящей теплоты газового контура,

и пар, гене-

рируемый за счет отходящей теплоты парового контура,

Рас-

ходы пара, найденные по общему уравнению баланса теплоты,

следующие.

для газового контура

оп)

(Т*

ТШ:

Кп

(IV.

18)

для парового контура

йут

(Id

—

В этом случае общий расход пара

~Ь

gTon)

срг

(^4

—

)

(

rf—

'a)

—('e

—

»m)

V •

Подставив значение общего расхода пара d в уравнение

(IV

19),

получим

(1 +gTOn)

gpr

(^4

—

)

,ту

nix

[('/-«)/(t«-»m)-l]('f-«

)*T

Уравнения

(IV.

18)—(IV.21)

позволяют найти расход пара контакт-

ной установки при введении газового и парового контуров.

Общий расход пара d в контактной установке можно получить,

не разделяя газопаровую смесь на два рабочих тела. Тогда расход

пара d будет

см

(id

—

(

—

см

{Ti

—

ь)сы

В этом уравнении температура за турбиной

определяется

расширением газопаровой смеси.

Приведенные уравнения получены на основе общих уравнений

теплового баланса котла-утилизатора Использование этих урав-

нений ограничено минимальными температурными напорами, воз-

никающими на различных участках процесса генерации пара

Одно из ограничений при относительно небольшом расходе пара

м/

во

определяется минимальным температурным напором

A/imin,

имеющим место в конце газоводяного подогревателя.

Процесс теплообмена в котле-утилизаторе в

TQ-диаграмме

пред-

ставлен на рис.

IV.7.

Процесс

4—5

определяет охлаждение газо-

паровой смеси, а процесс а — b — с — / — генерацию пара. Если

для простоты построения принять независимость положения

точки 4 от расхода пара d, то сечения с минимальным температур-

ным напором

A/min

будут определяться смещением про-

цесса а — b — с — /.

117

При расходе пара

определяемом условием d — (1 +

-j-

ёюп)(Ср

см/с

ВО

д),

линия подогрева воды определится точками

а'

— b — с' — /' В этом случае минимальный температурный

напор имеет место во всех точках процесса подогрева питательной

воды, а температура уходящих газов

Т*,

—

Ata.n-

Расход

пара в этом случае будем называть граничным

а уравнение

для его определения будет иметь вид

=JEL-

'+gj°i

(IV

23)

вод

—

рп/

вод

Легко показать, что в контактной установке этому условию

отвечает значительно больший расход пара, чем в установке

с раздельными контурами рабочих тел, для которой

= (1 +

ётоп)

рг

/с

вод

Так, если принять

Б0Д

4,19

кДж/(кг-К),

= 1,1

кДж/(кг-К),

ра

= 2,1

кДж/(кг-К),

то для контакт-

ной ГПУ граничный расход пара

г=»

0,56,

а при раздельных кон-

турах

*>=>

0,26

Следует отметить, что для кон-

тактных ГПУ расход пара d больше

Рис

7 Рабочие

процессы'

в значений

вряд ли целесообразен

котле-утилизаторе в TQ-диа

из-за

ограничений, связанных с поте-

грамме рей питательной воды и с минималь-

ной температурой уходящих газов.

С уменьшением расхода пара d при d

•<

линия подогрева

воды а — Ь на рис IV 7 пойдет несколько круче, а процесс гене-

рации пара будет определяться точками

— Ь — с —

Этот

процесс характеризуется сохранением минимального температур-

ного напора в точке

Ъ,

температуру воды в которой будем обозна-

чать

Тогда температура газа в сечении с минимальным темпе-

ратурным напором

-f

]fflln

В этом случае уравнение

теплового баланса для

испарительно-перегревательнои

части котла

определяет расход пара d, уравнение для нахождения которого

имеет вид

у/

7 '

с"

с с'

РГ

4~£топ)

—

A^i

мп)

/ту

04)

('/

—

ра

{Ti

—

mln

)

Если перегрев пара в котле-утилизаторе выразить через коэф-

фициент утилизации

то вместо (IV.24) можно написать

рг

~Ь

Ятод)

{Tj

—

~~ ^ ( ) (

)

(Ы

—

'a)

— ('ft —

la)

—

(T4

—

Д/j

min

)

Уравнение теплового баланса водоподогревательной части

(линия а — Ь на рис

IV.7)

позволяет найти

для чего служит

уравнение

mln

)

d(i

)l[{\

)

(IV.26)

118

Температура уходящих газов

Г,

будет падать с возрастанием

расхода пара d.

Контактные ГПУ часто рассматриваются как пиковые уста-

новки, для которых температура уходящих газов обычно задается.

При принятом значении

для определения расхода пара следует

воспользоваться уравнением

Рг

+gTon)

Ai?i

min

—

^5)

/ту

пу\

in)

raln

Г.)

•

l J

С понижением расхода пара d при прочих неизменных усло-

виях повышается его перегрев в котле

и падает температурный

напор на входе газа в котел

— Г,. При достаточно ма-

лых расходах пара d, наряду с

А/

1га1п

в конце

водоподогреватель-

ной части появляются ограничения по минимальному температур-

ному напору

3mln

К0Н

паронагревательной части котла-

утилизатора. Расход пара, найденный по высокотемпературной

части котла, будет

ру

~ЬgTQa)l(Tj —

—

Д<х

щ)

/jY

'[T

-M

2mm

-T

(r/c

)]

^°

}

где

— скрытая теплота парообразования.

Найденный по уравнению

(IV.28)

расход пара будет соответ-

ствовать максимальному коэффициенту утилизации

YTnax

кото-

рый определяется минимальным температурным напором

А/

2тш

—

А^2

mln

)

—

'а

ут maxj •

— 'а

С повышением

2mln

коэффициент утилизации

ma4

падает.

IV.5. ПРЕДЕЛЬНАЯ МОЩНОСТЬ КОНТАКТНОЙ ГПУ

Ввод воды или пара может рассматриваться как средство

форсировки

действующих газотурбинных установок, спроектиро-

ванных для работы по газотурбинному циклу. Расход воды или

пара, введенных в тракт высокого давления, а следовательно,

и возможная форсировка ГТУ, определяются в этом случае про-

пускной способностью элементов установки. Рассмотрим возмож-

ности увеличения мощности ГПУ по сравнению с ГТУ при нали-

чии ограничений по пропускной способности турбины или ком-

прессора.

Мощность ГТУ простой тепловой схемы составит

(IV.30)

119

Ввод пароводяного рабочего тела повышает мощность уста-

новки, которая также при единичном расходе воздуха через ком-

прессор

Ок

будет

(1 +

Ton

+ d)

см

Гз

[ 1 -

~'"

см

]

т)

—

где

оп

gron

—

относительный расход топлива в ГТУ и контакт-

ной установке.

Рассмотрим случай, при котором расход вводимого пароводя-

ного тела ограничен пропускной способностью турбины, которая

будет определяться не только вводом пара или воды, но и измене-

нием физических свойств рабочего тела. Предельный расход через

турбину

лимитируется обычно высотой последней лопатки и вы-

ходной скоростью газа. Если принять эти показатели неизмен-

ными, то будет справедливо равенство

Тогда для

соотношения расходов можно написать

Оси

RrT*

М'-0-"Г

)

1т1

Ломком

[l-(n7

»V~

«)T,

]

Здесь

„,

—г

—

+8топ)

-\-dc

'"СМ

—

-ПСМ/*\СМ

„

_1_

ЛЕ>

~Г

gTon)

Кг

~Г

аКп

Уравнение

(IV.32)

позволяет получить выражение для опре-

деления соотношения расхода воздуха через компрессоры ГТУ

и контактной установки при сохранении пропускной способности

турбины.

Это выражение будет иметь вид

RjTj /ту

ОО\

Приращение мощности установки за счет ввода воды или пара

в этом случае составит:

ЛЛГ

Krn

^ГТУ

(1 +

ron

)

[ 1 -

v)-"'r

Tj,

8-гоп)

рг

l-[l

—(it

v)~'"

jTi

чу

+dR

—

£,

—

{

v)-

™]

см

[1-(Я

УГ"'

СМ

]ЛГ.

СМ

Qc т

"к

C+g*5n)flr

1-[1-(я

у)

]т]

С'

120

Относительное приращение мощности в этом случае будет

ДУУ

Яг

(l+gion)c

ФГТУ

1-[1-(ЯнУ)~'"

Зт1

см

(1+£топ)Яг

(IV.35)

^I-[l-(

rtK

cMJ

где

— коэффициент полезной работы газотурбинной установки,

hr.

rTy

С помощью уравнения

(IV.35)

на рис.

IV.8

построена мощно-

стная характеристика контактной ГТУ. Эта характеристика

показывает, что даже при неизмен-

ной пропускной способности

турбины

контактный цикл существенно повы-

шает мощность установки. Так, при

вводе 10 % пара мощность контакт-

ной установки на 35 % превышает

мощность ГТУ при

1100 К. С

повышением температуры газа при-

рост мощности падает, но даже при

= 1500

ЛЯ

достигает 12 %. От

расхода пара или воды зависимость

прироста мощности близка к линей-

ной и уже при d = 0,22 удваивается.

Следует отметить, что при огра-

ниченной пропускной способности

газовой турбины увеличение мощнос-

ти установки при вводе пароводяного

тела определяется уменьшением мощности компрессора, так как

требуемый расход воздуха при росте d понижается.

При создании контактной ГПУ может возникнуть ситуация,

при которой рассматривается заданный компрессор при неизмен-

ных значениях

Турбины в этом случае для ГТУ и кон-

тактной ГПУ оказываются различными. На основании уравне-

ний

(IV.30)

(IV.31)

приращение мощности в контактной уста-

новке запишется в виде

АН

0,1

Рис.

IV.8.

Мощностные

харак-

теристики контактной ГПУ при

я„=

—

••

предельная мощность по

турбине; — — — — предельная

мощность по компрессору

AiV

r,[l-(n

v) '"г]

ра

1 - (Я

УГ

™

(IV.36)

относительный

рост мощности при

неизменном

компрессоре

составит

IPIL

'-("^r"'

(IV

.37)

- "

121

ФГТУ

I-h