Цикл газотурбиной установки.

Основными недостатками поршневых двигателей внутреннего сгорания являются ограниченность их мощности и невозможность адиабатного расширения рабочего тела до атмосферного давления, котрые отсутствуют в газотурбиннных установках. ГТУ рабочим телом являются продукты сгорания жидкого или газообразного топлива.

На рис.7.6 дана схема простейшей газотурбинной установки со сгоранием топлива при постоянномдавлении. 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.7.7 и рис7.8 представлены идеальный цикл ГТУ на PV и TS диаграммах.

1-2 - адиабатное сжатие до давления Р₂;
2-3 – подвод теплоты q₁ при постоянном давлении Р₂ (сгорание топлива);
3-4 – адиабатное расширение до первоначального давления Р₁;
4-1 – охлаждение рабочего тела при постоянном давлении Р₁ (отвод теплоты q₂);

Характеристиками цикла являются:
степень повышения давления - l = Р₂/ Р₁;
степень изобарного расширения - r = n₃ /n₂.

Работа турбины:

l_т = h₃ – h₄. (7.10)

Работа компрессора:

l_н = h₂ – h₁. (7.11)

Полезная работа ГТУ равна разности работ турбины и компрессора:

L_ГТУ = l_т – l_к. (7.12)

Термический к.п.д. цикла ГТУ имеет вид:

h_t = 1 – 1/ l ^(g-1)/g. (7.13)

Теоретическая мощность газовой турбины, компрессора и установки (ГТУ):

N_т = l_т·D/3600 = (h₃ – h₄)·D/3600, (7.14)

N_к = l_к·D/3600 = (h₂ – h₁)·D/3600, (7.15)

N_ГТУ = l_ГТУ·D/3600 = [(h₃ – h₄) (h₂ – h₁) ]·D/3600. (7.16)

Действительный цикл ГТУ отличается от теоретического наличием потерь на трение и вихреообразование в турбине и компрессоре. Эффективными методами повышения экономичности газотурбинных установок являются: регенерация теплоты, ступенчатое сжатие и расширение рабочего тела и пр.

 

Теплофикационный цикл.

В условиях развитого хозяйства экономически особенно целесообразно вырабатывать электрическую энергию и тепло комбинированным способом в одной теплосиловой установке, называющейся теплоэлектроцентралью. В так называемых конденсационных установках, рассмотренных ранее и вырабатывающих только механическую (или электрическую) энергию, весь отработавший пар конденсируется охлаждающей циркуляционной водой. Последняя нагревается обычно до 15—30° С и уносит с собой огромное количество тепла, которое не может быть использовано вследствие низкой температуры воды. Эти потери с охлаждающей водой составляют в конденсационных установках до 60% тепла, выделяющегося при сгорании топлива

Рис. 6.12. Схема установки для совместной выработки тепловой и электрической энергии: ПК — паровой котел; Т — паровая турбина; К — конденсатор-подогреватель; Н — насос; ТП — теп­ловой потребитель. Цифры соответствуют точкам цикла в Т, s-диаграмме

Стремление к использованию тепла, уносимого циркуляционной (охлаждающей) водой, привело к мысли значительно повысить ее температуру за счет повышения давления отработавшего пара и использовать ее для отопления зданий, технологических процессов самых разнообразных производств, сушки, варки и т. п.

Таким образом осуществляется комбинированная выработка электрической и тепловой энергии. Такие установки называют теплофикационными или теплоэлектроцентралями (ТЭЦ).

Комбинированная выработка электрической и тепловой энергии является основой теплофикации, получившей особое развитие как наиболее передовой и совершенный метод производства тепловой и электрической энергии.

Рис. 6.13. Теплофикационный цикл

На фиг. 6.12 приведена схема теплофикационной установки, где показано, что охлаждающая вода, нагретая в конденсаторе К, не сбрасывается, а поступает в отопительные приборы потребителя. Температура воды для отопления должна быть не ниже 70—100 °С. Температура пара в конденсаторе (подогревателе) должна быть хотя бы на 10—15 ⁰С выше. В большинстве случаев она получается больше 100 ⁰С, а давление насыщенного пара p₂ при этой температуре выше атмосферного. Поэтому турбины, работающие по такой схеме, называются турбинами с противодавлением.

Итак, давление за турбиной с противодавлением получается обычно не менее 0,1—0,15 МПа вместо около 0,004 за конденсационной турбиной, что, конечно, приводит к уменьшению работы пара в турбине и соответствующему увеличению количества отбросной теплоты. Это видно на рис. 6.13, где полезно использованная теплота qц в конденсационном цикле изображается площадью 1-2'-3'-4'-5-6-1, а при противодавлении — площадью 1-2-3-4-5-6-1. Площадь 2-2'-3'-4 дает уменьшение полезной работы из-за повышения давления за турбиной с р'₂ до р₂.

Повышение противодавления (конечного давления пара) приводит к уменьшению выработки механической или электрической энергии, но общее использование тепла при этом значительно повышается. Для идеального случая, в котором не учитываются неизбежные потери, коэффициент использования тепла в комбинированном процессе равен единице. В действительных условиях часть тепла теряется, и экономичность теплофикационных установок достигает 70—75%.

Недостатком приведенной схемы является то, что отбор пара жёстко связан с его расходом через турбину. На практике потребности в электроэнергии и теплоте во времени не совпадают.

Чтобы избавиться от такой жесткой связи, на станциях широко применяют турбины с регулируемым промежуточным отбором пара (рис. 6.14). Такая турбина состоит из двух частей: части высокого давления (ЧВД), в которой пар расширяется до давления p_отб, необходи­мого для теплового потребителя, и части низкого давления (ЧНД), где пар рас­ширяется до давления р₂ в конденсаторе. Через ЧВД проходит весь пар, выраба­тываемый котлоагрегатом. Часть его (при давление р_отб) отбирается и посту-

Рис. 6.14. Установка турбины с регулируемым отбором пара

 

пает к тепловому потребителю ТП. Остальной пар проходит через ЧНД в конденсатор К. Регулируя соотношения пара, проходящего через ЧНД и ТП, можно независимо менять как тепловую, так и электрическую нагрузки турбины с промежуточным отбором, чем и объяс­няется их широкое распространение на ТЭЦ. При необходимости предусматри­ваются два и более регулируемых отбора с разными параметрами пара.

Наряду с регулируемыми каждая турбина имеет еще несколько нерегулируемых отборов пара, исполь­зуемых для регенеративного подогрева питательной воды, существенно повыша­ющего термический КПД цикла.

Своеобразная «теплофикация» мо­жет осуществляться даже на чисто конденсационных станциях, где охлаждаю­щая вода из конденсаторов использует­ся, например, для обогрева бассейнов или водоемов, где искусственно выращи­вается рыба. Отбросная теплота может использоваться для обогрева парников, теплиц и т. д. Конечно, потребное в рай­оне ТЭЦ количество теплоты для этих целей значительно меньше общего коли­чества отбросной теплоты, но тем не ме­нее такое ее использование является эле­ментом безотходной технологии — техно­логии будущего.

Загрузка...

Несмотря на большие потери при передаче теплоты от продуктов сгорания в паровом котле к пару, КПД паросиловых установок в среднем выше, чем у ГТУ, и близок к КПД ДВС

Большой располагае­мый теплоперепад в турбине и связанный с этим относительно низкий удельный расход пара на выработку 1 кВт позво­ляют создать паровые турбины на ко­лоссальные мощности — до 1200 МВт в одном агрегате. Поэтому паросиловые установки безраздельно господствуют как на тепловых, так и на атомных элек­тростанциях. Паровые турбины приме­няют также для привода турбовоздухо­дувок (в частности, в доменном произ­водстве). Недостаток паротурбинных установок — большие затраты металла, связанные прежде всего с большой мас­сой котлоагрегата. Поэтому они практи­чески не применяются на транспорте и их не делают маломощными.