Денисов-Винский Н.Д. Термодинамические основы циклов теплоэнергетических установок

Подождите немного. Документ загружается.

Нагретый здесь до состояния 5 воздух поступает в камеру сгорания КС, а охлаждённый до

температуры T

газ выбрасывается в атмосферу. В камере сгорания при изобарном горении

топлива подводится теплота q

и образуются газы с параметрами состояния 3, которые

далее поступают в турбину и в процессе обратимого адиабатного расширения до состояния

4 совершают работу, после чего, пройдя регенератор, выбрасываются в атмосферу.

Выражение для термического КПД предельного регенеративного цикла ГТУ отличается от

такового для простого цикла только тем, что подвод теплоты q

рассматривается в нём для

другого диапазона температур:

Проанализировать же, что изменяется в характере зависимостей этого КПД от

параметров газа, удобно, снова применив выражение его через средние температуры подвода

и отвода теплоты. Из диаграммы цикла (рис. 41) можно заключить, что средняя температура

подвода теплоты в регенеративном цикле выше, чем в простом, а средняя температура

отвода теплоты ниже (в отличие от регенеративного цикла ПТУ). Оба эти фактора ведут к

тому, что термический КПД при введении регенерации теплоты увеличивается. При

возрастании температуры газа перед турбиной средняя температура подвода теплоты,

повышается, а средняя температура отвода теплоты остается неизменной. Поэтому, в

отличие от простого цикла, с увеличением температуры газа перед турбиной термический

КПД регенеративного цикла возрастает.









 

1243

hhhh

кт

рег













Н.Д. Денисов-Винский

E-mail: denisov.vinskiy@yandex.ru

Курс «Общая энергетика», НОУ ВПО МИЭЭ, 2010 год

Если же при постоянной температуре Т

увеличить давление газа после компрессора

(цикл 1 - 2а - 5а – За - 4а - 6а - 1 на рис.42), то снизится Т

1ср

и повысится Т

2ср

. Поэтому при

увеличении степени повышения давления β термический КПД предельного регенеративного

цикла уменьшается и сокращается интервал температур, в котором можно осуществить

регенерацию теплоты, вплоть до ситуации, когда регенерация будет вообще невозможна.

Рис. 42. Рис. 43.

Н.Д. Денисов-Винский

E-mail: denisov.vinskiy@yandex.ru

Курс «Общая энергетика», НОУ ВПО МИЭЭ, 2010 год

[

8.3.

Цикл

ГТУ

многоступенчатым

сжатием

воздуха

расширением

газа

]

Как было установлено ранее, в ГТУ значительная доля работы затрачивается на сжатие

воздуха в компрессоре. Поэтому для повышения экономичности ГТУ следует всемерно

стремиться к уменьшению работы компрессора.

Работа, затрачиваемая на сжатие воздуха в компрессоре, есть техническая работа.

Очевидно, что она будет тем меньше, чем меньше удельный объем сжимаемого воздуха,

который, в свою очередь, тем меньше, чем ниже его температура. С этой целью, например,

в тихоходных поршневых компрессорах охлаждают воздух в процессе его сжатия в цилиндре.

В ГТУ же, где применяются ротационные компрессоры, охлаждение воздуха в процессе

сжатия невозможно, процесс в них протекает адиабатно и сопровождается значительным

ростом температуры воздуха.

Рис. 44.

Рис. 45.

Н.Д. Денисов-Винский

E-mail: denisov.vinskiy@yandex.ru

Курс «Общая энергетика», НОУ ВПО МИЭЭ, 2010 год

Поэтому уменьшить затрачиваемую работу здесь можно только, если по достижении

некоторого промежуточного давления воздух вывести из компрессора в теплообменник, где

охладить его до первоначальной температуры, а затем снова направить в следующую

ступень компрессора для продолжения сжатия.

В то же время на примере цикла ПТУ было показано, что увеличить среднюю температуру

подвода теплоты в цикле и работу турбины можно, если при расширении рабочего тела при

некотором промежуточном давлении к нему подвести дополнительное количество теплоты.

Это должно привести к повышению КПД цикла.

Рассмотрим, как это осуществляется, на примере ГТУ с двухступенчатым сжатием

воздуха и двухступенчатым расширением газа, принципиальная схема которой приведена на

рис.44. Действительный цикл этой ГТУ в Т,s-диаграмме представлен на рис.45.

Атмосферный воздух сначала сжимается необратимо адиабатно в компрессоре низкого

давления КНД до состояния 2д при промежуточном давлении р

. Затем он направляется в

промежуточный охладитель ОХ, где при постоянном давлении отдает теплоту охлаждающей

воде и температура его снижается до первоначальной (точка 3 на рис. 45). После этого в

компрессоре высокого давления КВД воздух сжимается адиабатно необратимо до состояния

4д при конечном давлении р

, с которым поступает в камеру сгорания высокого давления

КСВД, куда подается и топливо. При изобарном горении топлива здесь образуются продукты

сгорания с параметрами состояния 5.

Адиабатное необратимое расширение этого газа сначала производится в турбине высокого

давления ТВД до давления р

, с которым он поступает в камеру сгорания низкого давления

КСНД, куда также подается топливо. В продуктах сгорания после КСВД остается еще

большое количество кислорода, что позволяет провести процесс изобарного горения топлива

и в КСНД, в результате чего температура рабочего тела повышается до Т

. Окончательное

расширение газа до атмосферного давления происходит в турбине низкого давления ТНД, и с

параметрами состоянии 8д, он выбрасывается в атмосферу.

Н.Д. Денисов-Винский

E-mail: denisov.vinskiy@yandex.ru

Курс «Общая энергетика», НОУ ВПО МИЭЭ, 2010 год

Работа такой ГТУ определяется как разность работ двух турбин и двух компрессоров:

а подведённая теплота – как сумма теплот, подведённых в двух камерах сгорания:

Тогда формула для внутреннего КПД цикла принимает вид:

Важной задачей при расчете многоступенчатого цикла является выбор промежуточных

давлений при сжатии воздуха и при расширении газа. Подойти к ее решению при выборе

промежуточных давлений сжатия в компрессорах можно следующим образом.

КНД

КВД

ТНД

ТВД

ГТУ

lllll 

КСНД

КСВД

qqq 

















   

дд

дддд

ГТУ

мн

hhhh

hhhhhhhh

6745

34128765









Н.Д. Денисов-Винский

E-mail: denisov.vinskiy@yandex.ru

Курс «Общая энергетика», НОУ ВПО МИЭЭ, 2010 год

[

ЦИКЛЫ

ПАРОГАЗОВЫХ

УСТАНОВОК

]

[

9.1.

Причины

применения

комбинированных

циклов

]

Проведенное рассмотрение термодинамических циклов паротурбинных и газотурбинных

установок показывает, что оба эти типа основных энергетических машин имеют

существенно более низкую экономичность, чем та, которая теоретически может быть

достигнута при применяющихся в этих установках источниках теплоты. Другими словами,

эксергия топлива используется в этих установках далеко не полностью и эксергетический

КПД их невысок.

Рассматривая перспективы повышения экономичности энергетических установок, в

качестве очевидного можно назвать путь повышения параметров (прежде всего начальной

температуры) рабочего вещества, используемого в циклах этих установок. Прогресс в этом

направлении зависит от успехов в создании новых жаростойких материалов и в

конструировании основных агрегатов установок. В то же время, рассмотрев область

температур, освоенную промышленностью, можно указать способ повышения полноты

использования топлива. Он состоит в том, чтобы в заданном интервале температур

использовать не просто один из этих циклов, а совокупность двух связанных между собой

общим тепловым потоком циклов. В таких комбинированных циклах существует

возможность сочетать разные виды циклов или разные рабочие вещества, используя

преимущества каждого из них в своей области температур.

Эффективность любого цикла определяется его конфигурацией, т.е. совокупностью

составляющих его процессов. К сожалению, до сих пор не удалось найти рабочее вещество,

свойства которого как при высоких температурах, так и при температурах, близких к

температуре окружающей среды, позволяли бы организовать процессы, наиболее

желательные с точки зрения достижения высокого термического КПД цикла.

Н.Д. Денисов-Винский

E-mail: denisov.vinskiy@yandex.ru

Курс «Общая энергетика», НОУ ВПО МИЭЭ, 2010 год

Так, например, свойства воды позволяют весьма эффективно и просто организовать

отдачу теплоты в цикле при температурах, близких к температуре окружающей среды,

в изобарно-изотермическом процессе конденсации пара при достаточно легко поддерживаемых

давлениях в конденсаторе, равных 2 - 4 кПа. В то же время подвод теплоты в пароводяном

цикле характеризуется средней температурой, намного отличающейся от максимальной

(500 – 600 °С). Связано это с тем, что вода имеет достаточно низкую критическую

температуру (374 °С) и подвод теплоты при высоких температурах производится к

перегретому или сверхкритическому пару, форма изобар которого такова, что повышение

максимальной температуры незначительно увеличивает среднюю температуру и

соответственно термический КПД цикла.

Рис. 46. Рис. 47.

Н.Д. Денисов-Винский

E-mail: denisov.vinskiy@yandex.ru

Курс «Общая энергетика», НОУ ВПО МИЭЭ, 2010 год

В газотурбинной установке рабочее тело - воздух нагревается непосредственно при

сжигании топлива, что упрощает задачу создания оборудования и достижения высоких

температур (вплоть до 1100 - 1300 °С). В то же время отдача теплоты в цикле на изобаре

от газообразных неконденсирующихся продуктов сгорания должна происходить в широком

диапазоне температур, значительно более высоких, чем температура окружающей среды.

Естественно, что это существенно снижает термический КПД цикла. Этот недостаток

газов как рабочего вещества цикла можно в некоторой степени компенсировать

применением регенерации. Однако в этом случае из-за громоздкого регенератора ГТУ теряет

многие свои привлекательные качества. Следовательно, можно заключить, что воздух

обладает свойствами, делающими его привлекательным для использования в

высокотемпературной части цикла, а вода - для применения в его низкотемпературной части.

Комбинированные парогазовые установки (ПГУ), в которых в высокотемпературной области

используется газотурбинная установка, а в низкотемпературной - паротурбинная, нашли

достаточно широкое распространение в современной энергетике. Существует несколько

вариантов совместного использования циклов ГТУ и ПТУ. Общим для всех них является

использование теплоты уходящих газов ГТУ, температура которых, как показано ранее,

может быть очень высокой.

Н.Д. Денисов-Винский

E-mail: denisov.vinskiy@yandex.ru

Курс «Общая энергетика», НОУ ВПО МИЭЭ, 2010 год

[

9.2.

Цикл

ПГУ

газоводяным

подогревателем

]

Комбинированная установка включает в себя ГТУ с компрессором К (рис.48), камерой

сгорания КС, газовой турбиной ГТ и ПТУ с паровым котлом ПК, паровой турбиной ПТ,

конденсатором Кн и регенеративными подогревателями питательной воды РП (на схеме

показан один из них). Кроме этого, имеется газоводяной подогреватель ГВП питательной

воды, который установлен параллельно регенеративным подогревателям. Этот

подогреватель является общим элементом комбинированной установки, так как в нем

подогрев питательной воды осуществляется теплотой уходящих газов ГТУ перед выбросом

их в атмосферу.

Рис. 48.

Рис. 49.

Н.Д. Денисов-Винский

E-mail: denisov.vinskiy@yandex.ru

Курс «Общая энергетика», НОУ ВПО МИЭЭ, 2010 год

В случае остановки ГТУ по тем или иным причинам ГВП клапанами Кл-3 отключается от

схемы ПТУ и питание котла водой производится через регенеративные подогреватели.

Действительный цикл комбинированной установки в Т,s диаграмме представлен на рис.49.

Здесь цикл 1 – 2д – 3 - 4д – 5 – 1 есть цикл ГТУ, в которой газ после расширения в турбине

(точка 4д) при атмосферном давлении охлаждается в ГВП до состояния 5, отдавая теплоту

питательной воде цикла ПТУ, и только после этого отдает теплоту Q

2г

окружающей среде.

В цикле ПТУ 6 - 7д – 8 – 9 - 6 подогрев питательной воды от состояния 8 до состояния 9

производится в ГВП за счет теплоты газа ГТУ, а дальнейший подвод теплоты Q

1в

осуществляется за счёт топлива в котле. Таким образом, комбинированный цикл является

частично бинарным, т.е. в низкотемпературном цикле часть теплоты (та, что подводится

в ГВП) получена из высокотемпературного цикла, а остальная часть – от продуктов сгорания

топлива.

Величина кратности циркуляции воздуха:

Внутренний КПД комбинированного цикла можно определить как









5489

hhhhm



















   

9623

761243

hhhhm

hhhhhhm

lml

ддд

вг

ПТУ

ГТУ

ПГУ













Н.Д. Денисов-Винский

E-mail: denisov.vinskiy@yandex.ru

Курс «Общая энергетика», НОУ ВПО МИЭЭ, 2010 год