Идеальные циклы газовых турбин

 

В энергетических установках постепенно внедряется новый газовый двигатель - газовая турбина, которая при известных условиях может конкурировать не только с поршневыми газовыми двигателями, но и с чрезвычайно широко распространенными паровыми турбинами, являю­щимися до сих пор основными двигателями мощных и сверхмощных тепловых электростанций.

Однако фактически рентабельность газотурбинной установки тесно связана с разрешением проблемы выпуска жаропрочных сталей, пригод­ных для работы в условиях высоких начальных температур рабочего тела (700° С и более).

На рис. 3.13 изображена принципиальная схема работы газотурбин­ной установки, состоящей из объединенных общим валом газовой турби­ны 1, нагнетателя (компрессора) 2, электрического генератора 3 и пускового электродвигателя 4, камеры сгорания 5, насоса 6 и топливного ба­ка 7 (для жидкого топлива).

Рис. 3.13. Схема газотурбинной установки.

В идеализированном виде рабочие процессы газотурбинной уста­новки происходят следующим образом. Воздух из окружающей среды засасывается нагнетателем, сжимается адиабатно до требуемого давле­ния и подается в камеру сгорания, в нее же подается жидкое или газо­образное топливо, которое там и сгорает. Продукты сгорания при тре­буемой температуре, регулируемой количеством подаваемого воздуха (который подается с большим избытком, чтобы обеспечить приемлемые температуры продуктов сгорания), поступают в сопла газовой турбины, где их энергия в процессе адиабатного истечения преобразуется в кинетическую. Истекающие из сопел струи попадают на лопатки турбины (рис. 3.14), где кинетическая энергия газа расходуется на вращение вала установки и передается электрическому генератору, здесь механическая энергия - энергия вращения вала преобразуется в электрическую энергию.

Рис. 3.1 4. Схематическое изображение турбинного колеса

газовой турбины: 1 – вал; 2 – диск; 3 – лопатки; 4 – сопло.

Процесс горения в камере сгорания можно организовать так, чтобы он проходил при постоянном давлении или же при постоянном объеме. Сообразно с этим различают газовые турбины, работающие по циклу с подводом теплоты при постоянном давлении и по циклу с подводом теп­лоты при постоянном объеме. Каждый из этих идеальных циклов можно отобразить на диаграммах p - v и Т - s и для каждого из них можно найти термический КПД.

Цикл газотурбинной установки, работающей с под­водом теплоты при постоянном давлении, изображенный на диаграммах p - v и Т - s, (рис. 3.15 и 3.16), состоит из следующих процессов:

- адиабатного сжатия воздуха в нагнетателе (линия 1-2);

- изобарного подвода теплоты q₁,количество которого выражается на диаграмме s- Т площадью 2-3-4’-1’ и равно с_р(Т₃-Т₂) (линия 2-3);

- адиабатного расширения продуктов сгорания в соплах газовой тур­бины (линия 3-4);

- замыкающего изобарного процесса, в котором от рабочего тела от­водится теплота в количестве c_p (T ₄ - T ₁), выражаемое на диаграмме Т - s площадью 4-1-1’4' (линия 4-1).

Полезная работа, совершаемая газотурбинной установкой, опреде­ляется на диаграмме p - v площадью заштрихованной фигуры 1-2-3-4, а количество использованной теплоты на диаграмме Т - s - площадью 1-2-3-4. Полезная работа установки, т.е. работа, которая может быть ис­пользована на привод электрического генератора, очевидно, равна раз­ности работ, совершаемой газовой турбиной и расходуемой на привод нагнетателя и насоса.

Рис. 3.1 5. Изображение цикла идеальной газотурбинной установки, работающей с подводом теплоты при постоянном давлении, на диаграмме p - v.

Рис. 3.1 6. Изображение цикла идеальной газотурбинной установки, работающей с подводом теплоты при постоянном давлении, на диаграмме Т - s.

Для рассматриваемого цикла может быть записано следующее выражение:

                                                              (3.9)

При сокращении на с_р и вынесении за скобки в числителе T ₁, а в зна­менателе Т₂ получим

                                                             (3.10)

Из сопоставления адиабат 1-2 и 3 - 4 следует, что

                                                                      (3.11)

а поэтому

                                   (3.12)

               (3.13)

Термический КПД газо­турбинного цикла с подводом теплоты при постоянном давлении увеличи­вается с ростом степени сжатия и не зависит от начальной температуры рабочего тела.

Цикл газотурбинной установки, работающей с подводом теплоты при постоянном объеме, изображенный на диаграммах p - v и Т - s, показан на рис. 3.17 и 3.18.

Эти графики здесь не разбираются, поскольку рассмотрение их ме­тодом, примененным выше к циклу с подводом теплоты при постоянном давлении, не представляет трудностей.

Термический КПД рассматриваемого цикла определяется так:

             (3.14)

Это выражение представляют обычно в несколько ином виде.

Рис. 3.1 7. Изображение цикла идеальной газотурбинной установки,

работающей с подводом теплоты при постоянном объеме, на диаграмме p - v.

Рис. 3.1 8. Изображение цикла идеальной газотурбинной установки,

работающей с подводом теплоты при постоянном объеме, на диаграмме Т - s.

Цикл Ренкина

 

Большая часть производимой в мире электроэнергии получается на тепловых электростанциях с приводом генератора от паросиловой установки (ПСУ). Эта установка состоит из котельного агрегата и паровой машины. В качестве машины обычно используют турбину.

Основной цикл паросиловых установок (ПСУ) - цикл Ренкина с перегретым паром существенно более эффективен, чем цикл Карно с фазовыми переходами. Схема такой ПСУ представлена на рис. 3.19.

Рис. 3.19. Схема паросиловой установки работающей по циклу

Ренкина с перегретым паром: КА - котлоагрегат; Э - экономайзер;

ПК - паровой котел; ПП - пароперегреватель; ПТ - паровая турбина;

конденсатор; ПН - питательный насос.

Котельный агрегат предназначается для получения пара высокого давления за счет тепловой энергии (обычно - энергии сжигаемого органического топлива). Современный энергетический котельный агрегат является сложным комплексом разнообразного оборудования. По сути, он представляет собой совокупность различных теплообменных аппаратов, в которых тепловая энергия продуктов сгорания используется для нагревания воды, ее испарения и перегрева получаемого сухого насыщенного пара. Размеры энергетического котельного агрегата чрезвычайно велики, и для его транспортировки необходимо несколько товарных эшелонов.

    Для более полного использования выделяющейся при сгорании топлива теплоты котлоагрегат оснащают специальными теплообменниками - экономайзерами. В них покидающие топочное пространство продукты сгорания отдают свою теплоту подаваемой в котел воде. При этом температура выходящих дымовых газов понижается, что способствует уменьшению тепловых потерь агрегата в целом и повышению КПД. Теплота отходящих газов используется также в воздухоподогревателях для подогрева подаваемого в топочное пространство воздуха.

В котельном агрегате (КА) установки основная часть теплоты, выделяющейся при сжигании в топке топлива, используется для осуществления парообразования и получения перегретого пара с необходимыми параметрами.

Котлоагрегат (рис. 3.19) включает в себя: питательный насос (ПН), подающий конденсат в котел; экономайзер (Э), в котором конденсат подогревается отходящими дымовыми газами перед поступлением его в паровой котел, что позволяет уменьшить тепловые потери и поднять КПД ПСУ; паровой котел (ПК), в котором вода нагревается до температуры кипения и затем превращается в пар; пароперегреватель (ПП), в трубках которого температура сухого насыщенного пара при постоянном давлении поднимается выше температуры насыщения при давлении p_s.

    В паровой турбине (ПТ) воздействующим на ее лопатки расширяющимся паром совершается положительная работа. В конденсаторе (К) поступающий из ПТ влажный насыщенный пар конденсируется, превращаясь в воду. При этом он отдает часть несработанной в турбине тепловой энергии. Цикл ПСУ в p - v -, T - s - и h - s -координатах изображен на рис. 3.20. Поступающий из питательного насоса в котлоагрегат конденсат имеет параметры, соответствующие точке с. В экономайзере и паровом котле конденсат нагревается при постоянном давлении до температуры кипения (изобара cz) и затем превращается в сухой насыщенный пар (изобарно-изотермический процесс парообразования z ' z "). При прохождении через трубки пароперегревателя сухой насыщенный пар перегревается (изобара z " z). Таким образом, точка z соответствует перегретому пару, который поступает в турбину.

Рис. 3.20. Цикл паросиловой установки: а - в p - v -координатах;

б - в T - s -координатах; в - в h - s -координатах.

 

    В межлопаточных каналах турбины пар расширяется в адиабатном процессе zb с совершением положительной работы. Образовавшийся в результате расширения влажный насыщенный пар поступает в конденсатор, где при постоянных температуре и давлении превращается в воду (изобарно-изотермический процесс b а). При конденсации пара его удельный объем уменьшается в тысячи раз, поэтому давление р _b в конденсаторе при работе установки существенно меньше атмосферного давления, благодаря чему понижается противодавление на выходе из турбины и совершаемая паром работа увеличивается. Образовавшийся конденсат нагнетается насосом в котлоагрегат.

    Тогда из-за практической несжимаемости воды и большой скорости процесса нагнетания этот процесс можно считать одновременно изохорным, изотермическим и изоэнтропийным, и поэтому в T - s -и h - s -координатах его изображают точкой. В связи с этим принято считать энтальпии в точках а и с одинаковыми: h_a = h_c. В действительности температура конденсата в процессе повышения его давления слегка увеличивается и точка с лежит несколько выше точки а (см. рис. 3.20).

    Как и для любого иного цикла, термический КПД цикла Ренкина рассчитывают по формуле

                                          .                                           (3.15)

    Теплота к рабочему телу подводится в экономайзере, паровом котле и пароперегревателе, т.е.

. (3.16)

    Принимая h_c = h_a, получим q ₁ = h_z - h_a.                                   (3.17)

Учитывая, что работа цикла равна разности подведенной и отведенной теплоты, . (3.18)

    Это показывает, что эффективность цикла Ренкина растет при увеличении разности энтальпий пара на входе в турбину и на выходе из нее. КПД цикла также зависит от энтальпии h_a конденсата.