Циклы газотурбинных установок (ГТУ).

В ГТУ рабочим телом являются продукты сгорания жид­кого или газообразного топлива.

На рис.1.9, а дана схема ГТУ со сгоранием топлива при постоянном давле­нии. Топливным насосом 5 и компрессором 4 топливо и воздух через форсунки 6 и 7 поступают в камеру сгорания 1. Из камеры продукты сгорания направляются в комбинированные сопла 2, где они расширяются, и поступают на лопатки газовой турбины 3.

 На рис.1.9, б, в представлен идеальный цикл ГТУ на PV и TS диаграм­мах.

                  а)                                        б)                                             в)

Рис. 1.9. Схема (а) и идеальный цикл ГТУ на PV (б) и TS (в) диаграммах

На рис. 1.9, б:

· 1-2 - адиабатное сжатие до давления Ру,

· 2-3 - подвод теплоты q, при постоянном давлении Р₂ (сгорание топлива);

· 3-4 - адиабатное расширение до первоначального давления Ру,

· 4-1 - охлаждение рабочего тела при постоянном давлении Р/( отвод теплоты q ₂). Характеристиками цикла являются:

· степень повышения давления: λ = Р₂ / Р₁;

· степень изобарного расширения: ρ = v _{3 /} v ₂.

Работа турбины: A_T = h ₃ - h ₄.

Работа компрессора: A_K = h ₃ - h ₄,.

Полезная работа ГТУ равна разности работ турбины и компрессора:

                                                A = A_T – A_K.                                                   (1.18)

Термический КПД цикла ГТУ:      

                                     η = 1 – 1/ λ ^{(γ-1)/ γ}                                                          (1.19)

Основные понятия теории теплообмена.

Перенос теплоты происходит при условии, что в различных точках тела температура неодинакова и может передаваться тремя спо­собами: 1) теплопроводностью; 2) конвекцией; 3) излучением.

Теплопроводность - молекулярный перенос теплоты при непосредственном контакте тел, имеющих различную температуру.

Конвекция - перенос теплоты при перемещении и перемешивании всей массы неравномерно нагретой жидкости или газа. Перенос теплоты зависит от скорости движения жидкости или газа прямо пропорционально.

Излучение - перенос энергии от одного тела к другому посредством электромагнитных волн.

Совокупность значений температуры в данный момент времени для всех точек изучаемого пространства называют температурным полем. Математическое выражение температурного поля связывает температуру t с пространственными координатами любой точки телах, у, z в данный момент времени т: t = f (x. у, z, τ).

Температурное поле может быть одно-, двух- и трехмерным. Если t тела не изменяется с течением времени, то температурное поле стационарно: t ~ f (x. у, z), δt / δx = 0.

Совокупность точек пространства, имеющих в данный момент одинаковую t, образует изотермическую поверхность.

Вектор grad t, равный по абсолютной величине частной производной от температуры по нормали к изотермической поверхности в данной точке и направленный в сторону возрастания температуры, называется температурным градиентом:

grad t = δt / δx.

С количественной стороны процесс теплообмена характеризуется тепловым потоком Q (Вт) (количество теплоты, проходящее в единицу времени через поверхность теплообмена F в нормальном к ней направлении) и плотностью теплового потока q (Вт/м²) (направленный по нормали к F тепловой поток, приходящийся на единицу поверхности теплообмена):

Q = q ∙ F; q = Q / F.

Теплопроводность.

Процесс теплопроводности описывается законом Фурье: Элементарное количество теплоты dQ_T, передаваемое теплопроводностью, пропорционально падению температуры в теле (градиенту температуры с обратным знаком), времени dτ и площади сечения dF, перпендикулярного направлению теплового потока:

                                           dQ_T = - λ ∙(δt / δx)∙ dF dτ,                                         (1.20)

где δt / δx - температурный градиент; λ - коэффициент теплопроводности, Вт/(м ∙ К). Коэффициент теплопроводности является физическим параметром вещества, характеризующим способность тела проводить теплоту, и зависит от рода вещества, давления и температуры. На величину λ влияет влажность вещества

Конвективный теплообмен. Конвективным теплообменом называется одновременный перенос теплоты конвекцией и теплопроводностью.

В инженерных расчетах часто определяют конвективный теплообмен между потоками жидкости или газа и поверхностью твердого тела. Этот процесс называют теплоотдачей.

Основные факторы, влияющие на процесс теплоотдачи:

· Природа возникновения движения жидкости вдоль поверхности стенки. Самопроизвольное движение жидкости (газа) в поле тяжести, обусловленное разностью плотностей её горячих и холодных слоев, называют свободным движением (естественная конвекция). Движение вследствие разности давлений, создаваемой насосом, вентилятором и другими устройствами, называется вынужденным (вынужденная конвекция).

· Режим движения жидкости. Упорядоченное, слоистое, спокойное, без пульсаций движение называется ламинарным. Беспорядочное, хаотическое, вихревое движение называется турбулентным.

· Физические свойства жидкостей и газов. Большое влияние на конвективный

теплообмен оказывают физические параметры: коэффициент теплопроводности (λ), удельная теплоемкость (с), плотность (ρ), коэффициент температуропроводности (а = λ / c_p ∙ ρ), коэффициент динамической вязкости (μ) или кинематической вязкости (v = μ / ρ), температурный коэффициент объемного расширения (β = 1 / T).

· Форма (плоская, цилиндрическая), размеры и положение поверхности (горизонтальная, вертикальная).

Процесс теплообмена между поверхностью тела и средой описывается законом Ньютона - Рихмана: количество теплоты, передаваемое конвективным теплообменом прямо пропорционально разности температур поверхности тела (t _ст) и окружающей среды (t _ж):

                                                   Q = α ( t _ст - t _ж) ∙ F,                                             (1.21)

где а - коэффициент теплоотдачи (Вт/(м² К)), характеризует интенсивность теплообмена между поверхностью тела и окружающей средой и включает в себя факторы, влияющие на процесс конвективного теплообмена.

Тепловое излучение.

Источником теплового излучения является внутренняя энергия нагретого тела. Количество лучистой энергии зависит от физических свойств и температуры излучающего тела.

Энергетическая светимость (излучательность) тела R - энергия, излучаемая в единицу времени с единицы площади нагретого тела во всем интервале длин волн.

Лучеиспускательная способность тела есть количество энергии, излучаемое в единицу времени единицей поверхности нагретого тела, в единичном интервале частот или длин волн.

Для абсолютно черного тела связь между излучательной способностью и абсолютной температурой выражается законом Стефана-Больцмана:

Мощность излучения абсолютно чёрного тела, приходящаяся на единицу площади поверхности, прямо пропорциональна четвёртой степени температуры тела:

                                                                  R = σ · T ⁴                                                                          (1.22)

где R – излучательная способность черного тела, Вт/м². σ – Постоянная Стефана - Больцмана (константа излучения абсолютно черного тела) = 5.67 · 10^-8 Вт/(м²·К⁴)

Теплопередача.

Теплопередачей называется передача теплоты от горячего к холодному теплоносителю через разделяющую их стенку, при этом ограждающая стенка является проводником теплоты, через которую теплота передается теплопроводностью, а от стенки к окружающей среде конвекцией и излучением.

Теплопер едача через плоскую стенку. Рассмотрим однослойную плоскую стенку толщиной δ и теплопроводностью λ (рис.1.9). Температура горячей жидкости (среды) t ` _ж, холодной жидкости (среды) t `` _ж.

Рис.1.10. Схема теплопередачи между двумя жидкостями через плоскую стенку (а) и графический способ определения температурного поля в стенке (б)

Количество теплоты, переданной от горячей жидкости (среды) к стенке по закону Ньютона-Рихмана, имеет вид:

                                                Q = α₁ ∙ (t ` _ж - t ₁) • F,                                            (1.23)

где α₁ - коэффициент теплоотдачи от горячей среды с температурой t _ж к поверхности стенки с температурой t ₁; F - расчетная поверхность плоской стенки.

Типы теплообменных аппаратов. Теплообменным аппаратом называют всякое устройство, в котором одна жидкость - горячая среда, передает теплоту другой жидкости — холодной среде. По принципу работы различают регенеративные, смесительные и рекуперативные аппараты.

В регенеративных аппаратах горячий теплоноситель отдает свою теплоту аккумулирующему устройству, которое в свою очередь периодически отдает теплоту второй жидкости - холодному теплоносителю, т. е. одна и та же поверхность нагрева омывается то горячей, то холодной жидкостью.

В смесительных аппаратах передача теплоты от горячей к холодной жидкости происходит при непосредственном смешении обеих жидкостей.

В рекуперативных аппаратах, получивших наибольшее распространение, теплота от горячей к холодной жидкости передается через разделительную стенку.

В теплообменных аппаратах движение жидкости осуществляется по трем основным схемам: 1) прямотоком (направление движения горячего и холодного теплоносителей совпадают ); 2) противотоком (направление движения горячего теплоносителя противоположно движению холодного теплоносителя); 3) перекрестным током (горячий теплоноситель движется перпендикулярно направлению холодного теплоносителя).

Расчет теплообменных аппаратов. Цель расчета - определение поверхности теплообмена или конечных температур рабочих жидкостей. Основными расчетными уравнениями теплообмена при стационарном режиме являются уравнения теплопередачи и теплового баланса.

Уравнение теплопередачи:

                                                     Q = k · F · ( t ₁ – t ₂),                                           (1.24)

где Q -тепловой поток, Вт; k - средний коэффициент теплопередачи, Вт/(м К); F - поверхность теплообмена, м^г; t ₁ и t ₂ - соответственно температуры горячего и холодного теплоносителей, К.

Уравнение теплового баланса:

                                Q = G ₁ · c ₁ ·  (t `<sub>1</sub> – t ``<sub>1</sub>) = G <sub>2</sub> · c <sub>2</sub> ·  (t `₂ – t ``₂),                        (1.25)

где G ₁, G ₂; c ₁ c ₂, t ₁, t ₂ - соответственно расходы теплоемкости и температуры теплоносителей (индексы: 1 и 2 - горячий и холодный теплоносители; штрих и два штриха - на входе и выходе теплообменника), кг/с, кДж/(кг К), К.

При прохождении через теплообменный аппарат рабочих жидкостей изменяются температуры горячих и холодных теплоносителей. На изменение температур влияет схема движения жидкостей и величины условных эквивалентов.

Рис.1.11. Температурные графики для аппаратов с прямотоком (а) и аппаратов с противотоком

При прямотоке (рис. 1.11, а) конечная температура холодного теплоносителя всегда ниже конечной температуры горячего теплоносителя. При противотоке (рис. 1.11, 6) конечная t холодной жидкости может быть значительно выше конечной t горячей жидкости. Следовательно, в аппаратах с противотоком можно нагреть холодную среду, при одинаковых начальных условиях, до более высокой температуры, чем в аппаратах с прямотоком.

Уравнение теплопередачи для элемента поверхности теплообмена dF справедливо в дифференциальной форме:

                                                              dQ = k·dF·Δt.                                           (1.26)

Тепловой поток, переданный через всю поверхность F при постоянном среднем коэффициенте теплопередачи k, определяется интегрированием уравнения (1.26):

Q =∫ k·dF·Δt = k·F·Δt _cp,

где Δt _cp - средний логарифмический температурный напор по всей поверхности нагрева.

1.4. Традиционные способы преобразования энергии органического и ядерного топлива

          1.4.1   Тепловые конденсационные электрические станции.

Тепловые конденсационные электрические станции (КЭС) вырабатывают около 50% всей электроэнергии в РФ. По виду используемого топлива различают угольные, мазутные, газовые и газомазутные КЭС. В соответствии с начальными параметрами пара различают КЭС с докритическим (около 13 МПа) и сверхкритическим (около 24 МПа) давлением пара. Для турбоагрегатов мощностью до 200 МВт применяют докритическое давление пара, а при мощности более 250 МВт - сверхкритическое.

Особенности КЭС.

1) строятся по возможности ближе к месторождениям топлива;

2) большую часть выработанной электроэнергии отдают в сети повышенных напряжений (110-750 кВ);

3) работают по свободному графику выработки электроэнергии;

4) низкоманевренны: разворот турбин и набор нагрузки из "холодного" состояния требует 3-40 ч;

5) имеют относительно низкий КПД (η=25 - 40%).

В котел подается топливо (угольная пыль), подогретые воздух и питательная вода. Образующиеся при сгорании топлива дымовые газы отсасываются из котла дымососом и выбрасываются через дымовую трубу (высотой 100 - 250 м) в атмосферу. Пар из котла при давлении до 30 МПа и температуре до 650°С подается в паровую турбину, где, проходя через ряд ступеней, совершает механическую работу - вращает турбину и жестко связанный с ней ротор генератора.

Воздух, попадающий в конденсатор, удаляется с помощью эжектора. Конденсатным насосом конденсат подается в деаэратор, предназначенный для удаления из питательной воды кислорода, вызывающего коррозию труб котла. В деаэратор также поступает химически очищенная вода. После деаэратора питательная вода подается в котел.

Мощность КЭС достигает 4 ГВт. На них устанавливаются энергоблоки мощностью 200,300, 500, 800 и 1200 МВт.

Паровые турбины. Действие паровой турбины основано на непрерывном процессе преобразования в механическую работу энергии подводимого рабочего тела (пара). Полученный в парогенераторе перегретый пар (t = 540 °C, P=24 МПа) по паропроводам через сопла поступает в турбину - тепловой двигатель с вращательным движением ротора, снабженного рабочими дисками с лопатками. Между рабочими дисками расположены неподвижные диски с каналами (соплами). В соплах внутренняя энергия пара преобразуется в кинетическую энергию упорядоченного движения молекул. После выхода пара из сопла в результате расширения происходит увеличение его скорости от величины V₀ до V₁ и снижение давления от Р ₀ до Р₁. Температура пара также снижается. Движущиеся частицы пара, попадая на лопатки рабочих дисков ротора, оказывают на них давление и вращают ротор.

Совокупность соплового и рабочего дисков называют ступенью давления турбины. Пройдя все ступени (20...30 шт.) и отдав им свою энергию, пар (Р = 0,04 МПа, t = 35 °C) попадает в конденсатор. Регулирование количества пара, проходящего через турбину, осуществляется путем изменения степени открытия регулирующих клапанов на входе в турбину.

По способу действия различают активные, реактивные и комбинированные турбины. В активной турбине расширение пара между рабочими лопатками не происходит и его давление не изменяется.

Движущее усилие в активной турбине возникает вследствие поворота струи пара, при котором появляются центробежные силы f. При этом составляющие сил f₁ взаимно уничтожаются, а составляющие f₂ - суммируются и совершают работу по перемещению лопатки и всего ротора турбины.

Один из способов уменьшения числа оборотов вала состоит в применении многоступенчатых турбин и реактивного принципа работы пара на лопатках турбины.

В реактивной турбине каналы между лопатками имеют сечения, подобные соплам. В результате расширения пара появляется реактивная сила. Движущая лопасти сила f складывается из активной f _акт и реактивной f _реакт сил. За счет разности давлений по сторонам лопатки создается аксиальная сила f_акс, которая в сумме с f дает результирующее усилие f_Σ. Осевое усилие f_акс уничтожается специальным разгрузочным поршнем.

Конденсаторы. Пар, выходящий из турбины, направляется для охлаждения и конденсации в специальное устройство - конденсатор. Конденсатор представляет собой цилиндрический корпус, внутри которого имеется большое число латунных трубок. По трубкам протекает охлаждающая вода, поступающая в конденсатор обычно при температуре 10-15°С и выходящая из него при температуре 20-25°С. Пар обтекает трубки сверху вниз, конденсируется и удаляется. Давление в конденсаторе поддерживается в пределах 3-4 кПа, что достигается охлаждением пара.

Основными потребителями воды на КЭС являются конденсаторы, газоохладители генераторов, маслоохладители. Применяется прямоточная, оборотная и смешанная система водоснабжения. Наиболее простой является прямоточная система водоснабжения.

Паровые котлы требуют большого количества воздуха для сжигания топлива, при котором образуется еще больше продуктов сгорания. Совокупность газовоздухопроводов и теплообменных поверхностей нагрева, тягодутьевых машин и золоуловителей, дымовой трубы и внешних газоходов составляет газовоздушный тракт КЭС (рис. 3.31).

 

 

Рис. 1.12. Газовоздушный тракт КЭС

Воздух к котлу подается дутьевым вентилятором, создающим необходимый напор для преодоления максимального сопротивления воздушного тракта. После воздухоподогревателя поток воздуха разделяется на две части: первичный, поступающий в систему пылеприготовления в качестве сушильного агента и через дроссель 1 для транспортировки топлива в топку, и вторичный, направляемый через дроссель 2 непосредственно к устройствам для сжигания топлива (рис. 3.31).

Продукты сгорания топлива охлаждаются в воздухоподогревателе, очищаются от золы в золоуловителях, и дымососом выбрасываются через дымовую трубу в атмосферу.

Теплоэлектроцентрали.

Электростанции, выполняющие функции выработки электроэнергии и теп­лофикации потребителей, называются теплоэлектроцентралями (ТЭЦ).

Котельные установки.

Комплекс устройств и агрегатов, обеспечивающих получение горячей воды или водяного пара под давлением, называют котельной установкой. Она состоит из котла и вспомогательного оборудования. Котлом называют устройство для полу­чения горячей воды или водяного пара с давлением выше атмосферного за счет сгорания органического топлива. Котлы бывают паровые и водогрейные. По назна­чению различают отопительные, промышленные и энергетические котлы.

Основными характеристиками паровых котлов являются паропроизводительность G, т/ч или кг/с, давление р _{n е} МПа, температура пара t_{n е} °C и питательной во­ды t_пв°С. Водогрейные котлы характеризуются теплопроизводительностью Q, МВт (Гкал/ч), температурой t _в °C и давлением подогретой воды.

Принципиальная схема котельной установки

На рис.3.34 приведена принципиальная схема котельной установки, рабо­тающей на твердом топливе.

Рис. 1.13. Принципиальная схема котельной установки

Топливо 1 с угольного склада подается в бункер сырого угля 2, из которого направляется в систему пылеприготовления, состоящую из питателя 3 угля и угле­размольной мельницы 4. Пылевидное топливо по пылепроводам 5 транспортирует­ся к горелкам 8 первичным воздухом, поступающим по воздуховоду 6. С помощью дутьевого вентилятора 23 по воздуховоду 12 к горелкам 8 подводится вторичный воздух. Для устойчивого горения вторичный воздух нагревается до 250...400 °C в воздухоподогревателе 19.

Поступающая в котел питательная вода подогревается в экономайзере 17 и далее подается в топочные экраны 7 и 9, где происходит процесс парообразования. Сухой насыщенный пар поступает в ширмовый 10 и конвективный 14 па­роперегреватели, после чего перегретый пар направляется к потребителю (напри­мер, к паровой турбине). Пройдя экономайзер 17 и воздухоподогреватель 19, про­дукты сгорания топлива очищаются от золы в золоулавливающем устройстве 24 и дымососом 25 выбрасываются в атмосферу через дымовую трубу 26. Зола и вы­павший в нижнюю часть топки шлак удаляются потоком воды по каналу 27.

Рис.1.14. Основные схемы получения пара в котлах с естественной (а) и принудительной (б) циркуляцией и прямоточных (в)