Рабенко В.С. Термодинамические циклы газотурбинных установок

Подождите немного. Документ загружается.

Рис. 5.3. Цикл ГТУ с изохорным подводом теплоты в p, υ – диаграмме

Рис. 5.4. Термодинамический цикл ГТУ с изохорным подводом теплоты

в Т, s – диаграмме

В адиабатном процессе 3-4t (без теплообмена с внешней сре-

дой) в газовой турбине происходит последовательное преобразова-

ние потенциальной энергии рабочего тела в кинетическую, а кине-

тической в механическую работу на валу.

В процессе 4t-1 осуществляется условный изобарный отвод те-

плоты из цикла простой ГТУ в окружающую среду – выброс про-

дуктов сгорания в атмосферу. Изобарный процесс 4t-1 является

процессом отдачи теплоты (q

) холодному источнику (окружающей

среде). В компрессор забирается из атмосферы новый воздух.

Таким образом осуществляется цикл простой ГТУ со сгорани-

ем при υ =const.

Основным показателем любого идеального цикла, характери-

зующим его экономичность, является термический КПД.

Термический КПД рассматриваемого обратимого цикла

ГТУ будет равен:

ГТУ

= 1 – [c

4 t

– T

)] / [c

– T

2 t

)] =

= 1 – k (T

2 t

) [(T

– 1) /(T

– 1) ] .

Отношение температур T

можно заменить отношением

давлений:

π = p

/ p

– степень изохорного повышения давления.

Используя уравнения термодинамических процессов, можно

получить:

ГТУ

= 1 – [k (π

1 / k

– 1)] / [ε

(π

– 1)] .

Выводы.

1. Термический КПД ГТУ с подводом теплоты при υ =const

зависит от k , ε

и π .

2. Из формулы следует, что с увеличением степени повышения

давления (τ = T

2 t

/ T

= (p

/ p

)

(k – 1) / k

= ε

) и отношения абсолют-

ных температур конца и начала подвода теплоты (T

) терми-

ческий КПД цикла ГТУ с изохорным подводом теплоты увеличива-

ется.

Зависимость η

ГТУ

= f(ε

, T

) при k = 1,4 = const показана на

рис. 5.5.

Примечание. Термический КПД цикла можно определить, если

воспользоваться изображением цикла на T,s-диаграмме, в виде отно-

шения площади 1-2t-3-4t-1 (внутри цикла) к площади под процессом 2t-

3 (см. рис. 4).

Рис. 5.5. Зависимость термического КПД цикла ГТУ с изохорным подводом

теплоты от степени повышения давления и отношения абсолютных температур

конца и начала подвода теплоты при k =1,4

5.3. Сравнительный анализ термодинамических циклов

простых ГТУ с p = const и υ = const

При анализе и сопоставлении различных термодинамических

циклов наибольший интерес представляют их экономичность и

значение термического КПД. Чем выше значение η

, тем более бла-

гоприятны исходные условия для обеспечения высокой экономич-

ности соответствующего реального теплового двигателя.

Эталонным циклом для всех тепловых двигателей является

цикл Карно, имеющий тот же температурный перепад, что и

сравниваемый цикл. Так как термический КПД цикла Карно явля-

ется наибольшим при выбранных температурах холодного и горя-

чего источников теплоты, то качество любого другого цикла,

протекающего в этом же интервале температур, будет тем

большим, чем ближе значение термического КПД исследуемого

цикла к циклу Карно.

Вместе с тем во многих случаях возникает необходимость

сравнивать различные цикли между собой (а не с циклом Карно).

Для того, чтобы провести это сравнение, необходимо выбрать ус-

ловия, при которых оно проводится. Такими условиями могут быть

равенства подведенных количеств теплоты, степеней повышения

давления и т.п. Циклы в этом случае изображаются на T,s-

диаграмме и проводится сравнение их площадей. Изложенный ме-

тод сравнения циклов применим для циклов ГТУ.

Пусть циклы ГТУ с подводом теплоты при р = const и υ = const

имеют одинаковые степени повышения давления ε

и количества

подведённый теплоты q

(рис. 5.6). Отсюда следует, что подведен-

ная теплота:

1 p

= q

1 υ

= F(3

– c – a – 2t – 3

) = F(3

– b – a – 2t – 3

) .

Отведенная теплота в циклах разная:

2 υ

= F(4t

– b – a – 1 – 4t

) < F(4t

– b – a – 1 – 4t

) .

Здесь: F – площадь.

Рис. 5.6. Сравнение циклов ГТУ с изобарным и изохорным подводом теп-

лоты при одинаковых ε

и q

В силу этого, при одинаковых условиях, термический КПД

цикла ГТУ с изохорным подводом теплоты выше термического

КПД цикла ГТУ с изобарным подводом теплоты.

На рис. 5.7 показано изменение термического КПД циклов ГТУ

в зависимости от степени повышения давления при одинаковых

значениях показателя адиабаты и степени повышения температуры

в цикле. Из сравнения ясно, что термический КПД ГТУ с подводом

теплоты при постоянном объеме существенно выше, чем КПД ГТУ

с подводом теплоты при постоянном давлении. Это различие уси-

ливается в области малых значений степени повышения давления

Рис. 5.7. Зависимость термического КПД от степени повышения давления

(k = 1,38): 1 – КПД цикла ГТУ с подводом теплоты при p = const; 2 – тоже при υ =

const

Однако термодинамические преимущества цикла ГТУ с изо-

хорным подводом теплоты в значительной степени снижаются за

счёт уменьшения КПД турбины η

. В процессе работы данной

ГТУ давление газа в камере сгорания периодически изменяется, а,

следовательно, меняется и скорость истечения газа из сопел турби-

ны. Это обстоятельство в значительной степени снижает КПД тур-

бины, влияние которого на экономичность ГТУ весьма велико. По-

этому нельзя ожидать заметной разницы внутренних КПД сравни-

ваемых циклов (с учетом потерь в турбине и компрессоре). Кроме

того, практическое распространение ГТУ с изохорным подводом

теплоты сдерживается из-за сложности конструкции и ненадёжной

работы клапанов при высокой температуре в камере сгорания

Глава 6. ЗАМКНУТЫЕ ГТУ (ЗГТУ)

В зависимости от способа передачи части теплоты холодному ис-

точнику ГТУ разделяют на ГТУ открытого цикла и ГТУ замкнутого

цикла.

В циклах ГТУ открытого цикла в качестве исходного рабочего те-

ла служит воздух. Воздух как рабочее тело ГТУ обладает двумя уни-

кальными достоинствами:

1) является окислителем топлива;

2) является экологически чистым рабочим телом, поэтому отвод

теплоты из цикла осуществляется путем выброса продуктов сгорания в

атмосферу.

У ГТУ замкнутого цикла (ЗГТУ) рабочим телом может служить

любой газ: воздух, гелий, азот, аргон, углекислый газ, водород и т.п.

Основная идея – повышение единичной мощности и эффективно-

сти ГТУ за счёт изменения массового расхода рабочего тела при неиз-

менной степени повышения давления в цикле, что невозможно в ГТУ

открытого цикла.

Принципиальная схема замкнутой ГТУ [4, 41, 62] приведена на

рис. 6.1. Отработавший в турбине газ не удаляется в атмосферу, как в

ГТУ открытого цикла, а направляется в охладитель, где охлаждается

до первоначальной температуры Т

с отдачей теплоты q

окружающей

среде. Охладитель представляет собой теплообменник поверхностного

типа, в котором охлаждающей средой служит обычная вода. С точки

зрения термодинамики охладитель выполняет роль теплоприёмника

(холодного источника). Охлажденный газ поступает в компрессор, где

сжимается от давления p

до p

, за счет чего температура его повыша-

ется от Т

до Т

. После компрессора газ направляется в нагреватель. В

замкнутых ГТУ вместо камеры сгорания устанавливается нагреватель,

в котором рабочее тело (газ или воздух) пропускается внутри трубок.

Снаружи эти трубки нагреваются за счет внешнего источника теплоты.

Принцип работы нагревателя схож с принципом работы парового кот-

ла. Поэтому нагреватель ЗГТУ иногда называют «воздушным котлом».

В нагревателе температура рабочего газа возрастает до Т

, далее газ

поступает в турбину, где расширяется, совершая работу. Температура

при этом падает до T

. Турбина вращает компрессор, а избыточную

часть своей мощности отдает потребителю. Затем цикл снова повторя-

ется.

Так же, как и в ГТУ разомкнутого цикла, в ЗГТУ осуществляется

цикл, состоящий из двух адиабат 1 – 2 и 3 – 4 и двух изобар 2 – 3 и 4 –

1. Поэтому цикл, совершаемый рабочим телом ЗГТУ, имеет такой же

вид, как и для разомкнутой ГТУ. На рис. 6.2 представлен цикл простой

ЗГТУ, аналогичный открытому циклу простой ГТУ.

Следовательно, все формулы, полученные для схем ГТУ разомк-

нутого цикла, будут справедливы и для замкнутых ГТУ.

Нетрудно заметить, что в замкнутой ГТУ циркулирует одно и то

же массовое количество рабочего тела. Мощность установки регули-

руется изменением давления газа в её контуре за счет изменения мас-

сового расхода рабочего газа при сохранении практически неизмен-

ными степени повышения давления ε

= p

/ p

и Т

(максимальной

и минимальной температур цикла).

Рис. 6.1. Принципиальная схема простой замкнутой ГТУ

Рис. 6.2. Цикл простой ЗГТУ в Т,s-диаграмме (цикл простой ГТУ со сгоранием при

p=const)

ЗГТУ имеет следующие отличия от ГТУ открытого цикла:

а) рабочее тело циркулирует по замкнутому контуру и изолирова-

но от окружающей среды;

б) вместо камеры сгорания устанавливается нагреватель, рабо-

тающий по принципу котельного агрегата;

в) замена камеры сгорания нагревателем позволяет применять

любое органическое топливо, в том числе твердое и высокосернистое.

В качестве источника тепла может быть применен и газоохлаждаемый

ядерный реактор.

На рис. 6.3 представлена схема ЗГТУ с регенерацией теплоты от-

работавших в турбине газов. Наличие регенератора (теплообменный

аппарат поверхностного типа) позволяет повысить КПД ЗГТУ и одно-

временно уменьшить поверхность охладителя. Вода после охладителя

может быть использована для теплофикации. Ее можно нагревать до

200– 230

C, не снижая при этом КПД установки.

Рис. 6.3. Принципиальная схема замкнутой ГТУ с регенерацией: 1 – нагрева-

тель (воздушный котёл); 2 – нагрузка; 3 – турбина; 4 –компрессор; 5 – охладитель; 6 –

регенератор

На рис. 6.4 представлена схема ЗГТУ с двухступенчатым сжатием

рабочего тела и регенерацией.

Преимущества ЗГТУ, по сравнению с ГТУ открытого цикла:

1. В ЗГТУ кроме воздуха рабочим телом может быть любой газ.

Это позволяет выбрать вещество, позволяющее сделать цикл ГТУ тер-

модинамически более совершенным или получить другие достоинства.

2. Отсутствие в циркулирующем газе веществ, вызывающих кор-

розию и эрозию, позволяет повысить надежность и долговечность га-

зовой турбины.

3. ЗГТУ могут работать на любом виде органического топлива, в

том числе на твердом топливе и тяжелых сортах жидкого топлива (ма-

зутах).

Источник тепла

Охладитель

4 5

1 2

Охладитель

Рис. 6.4. Схема ЗГТУ с одновальным ГТД, двухступенчатым сжатием рабочего

тела и регенерацией: 1 – предварительный охладитель; 2 – подогреватель рабочего

тела; 3 – компрессор низкого давления; 4 – компрессор высокого давления; 5 – турби-

на; 6 – нагрузка; 7 – промежуточный охладитель

4. ЗГТУ могут работать на атомной энергии совместно с газовым

атомным реактором. Примером этому может служить гелий, обла-

дающий лучшими теплофизическими свойствами, чем воздух, но он

значительно дороже и отличается огромной текучестью. Однако то

обстоятельство, что гелий при прохождении через атомный реактор не

становится радиоактивным, является решающим в деле использования

его в качестве теплоносителя в атомных установках с газовыми реак-

торами.

5. В ЗГТУ можно достичь высокого давления газа перед компрес-

сором. Это позволяет увеличить массовый расход газа через газовую

турбину и тем самым создать турбоагрегат большой мощности, либо

при неизменной мощности значительно снизить вес её за счёт умень-

шения поверхности теплообменников, размеров ГТУ и диаметров тру-

бопроводов.

6. В связи с тем, что в замкнутых ГТУ мощность регулируется из-

менением давления газа в контуре, КПД установки в широком диапа-

зоне изменения нагрузки остается неизменным;

Недостатки ЗГТУ.

1. По сравнению с ГТУ открытого цикла ЗГТУ более сложны,

имеют большие габариты (громадный «газовый» котел), металлоем-

кость и стоимость. Габариты нагревателя такой установки превышают

габариты котельного агрегата паротурбинной установки той же мощ-

ности. Поэтому ЗГТУ до сих пор имеют очень ограниченное примене-

ние.

2. КПД ЗГТУ невысок, чтобы конкурировать с паротурбинными

установками.

3. Вследствие «внешнего» подвода теплоты к нагревателю и пере-

дачи теплоты через поверхность труб рабочему телу максимальная

температура рабочего тела в цикле ЗГТУ меньше, чем в ГТУ открыто-

го цикла (табл. 6.1). Это также приводит к существенному снижению

КПД установки.

4. Утечки рабочего тела через неплотности конструкции ЗГТУ

уменьшают работу и КПД. Это вынуждает иметь в ЗГТУ дополни-

тельную схему автоматической подпитки утечки. Особенно актуальна

эта проблема для ЗГТУ с газоохлаждаемыми ядерными реакторами, в

которых в качестве рабочего тела предполагается применять гелий,

обладающий высокой текучестью.

Таблица 6.1. Основные характеристики ряда зарубежных ЗГТУ

Фирма– изготовитель Характерис

тика

«Эшер Висс»

«Фьюджи»,

«Эшер Висс»

GHH

«Фьюджи

» GHH «Эшер

Висс»,

«Биско»

EVD

Рабочее тело

Воздух

Топливо Уголь

Природный

газ

Уголь

Доменный

газ

Уголь

Жидкое

газ

Доменный

газ

Мощность, МВт

2,3 2 6,6 12 14,3 30 50

Температура

перед

компрессором,

°С

20 20 20 25 30 20 25

Давление

перед

компрессором,

МПа

0,735 0,735 0,745

0,683 0,816 – 1,05

Температура

перед

турбиной, °С

660 660 680 680 710 720 750

КПД

на зажимах

генератора,

25 26 28 29 29,5 31 –