Характеристика термодинамического цикла ГТУ и показатели экономичности

Общие сведения и область применения ГТУ

 

Первые газотурбинные установки были спроектированы и изготовлены в начале XX века П.Д. Кузьминским (Россия, 1900 г.), Ф. Штольцем (Германия, 1904 г.), Арменго и Лемалем (Франция, 1906 г.). С именами П.Д. Кузьминского, А.Н. Ложкина (Россия), Хольцварта и Шюле (Германия), а также с разработками фирмы «Brown-Bovery » (Швейцария, 1939 год) связывается проведение исследований по парогазовым установкам.

Газотурбинной называют установку (рис. 28.1), состоящую из компрессора (К) для сжатия воздуха (чаще всего, осевого турбокомпрессора), камеры сгорания (КС) газообразного или жидкого топлива, газовой турбины (ГТ), где рабочей средой являются сжатый в компрессоре воздух с продуктами сгорания топлива (высокотемпературная среда), и электрического генератора (ЭГ). На рис. 28.2 в качестве примера показано компоновочное решение ГТУ V94.3 «Siemens », где позицией I выделен электрогенератор, позицией II - компрессор, III – газовая турбина, IV – камеры сгорания.

 

Рис. 28.1. Принципиальная схема газотурбинной установки простого типа

 

В компрессор атмосферный воздух подается после очистки в комплексной воздухоочистительной установке - КВОУ. В проточной части компрессора воздух сжимается и далее направляется в камеры сгорания, где используется в качестве окислителя газового или жидкого топлива в процессе его сгорания. Продукты сгорания вместе с разогретым до высокой температуры воздухом (далее рабочая среда) с t ₀=1000-1500 ⁰С направляются в газовую турбину, где в проточной части турбинных ступеней происходит процесс расширения рабочей среды с преобразованием ее тепловой энергии в механическую энергию вращающегося ротора. Часть выработанной энергии (50-60%) затрачивается на привод ротора турбокомпрессора, где в проточной части компрессорных ступеней происходит сжатие атмосферного воздуха, а остальная часть в электрогенераторе преобразуется в электрическую энергию.

Рис. 28.2. Газотурбинная энергетическая установка V 94.3 «Siemens »

I – электрогенератор; II - компрессор; III – газовая турбина; IV – камеры сгорания

 

В данной установке, в отличие от паротурбинной (ПТУ), отсутствует конденсатор и вспомогательное оборудование, связанное с регенеративной системой подогрева питательной воды. Кроме того, нет металлоемкого и крупногабаритного котельного агрегата со сложными системами приготовления топлива. ГТУ по своим габаритным характеристикам является очень компактной и легко обслуживаемой в эксплуатации. Но, при этом, имеет место высокий уровень температуры уходящих из турбины газов (400-550⁰С). Поэтому, как правило, рассматриваются различные схемы полезной и эффективной утилизации теплоты уходящих газов. Быстрый пуск, высокая маневренность, полная автоматизация и простота эксплуатации позволяют использовать ГТУ в качестве пиковых энергоустановок.

Недостатки ГТУ перед ПТУ следующие: меньшая единичная мощность газотурбинных установок; более низкий КПД (до 30-32%); ограниченные ресурсные характеристики; более высокие требования к топливу.

Кроме самостоятельного использования в стационарной энергетике в качестве базовых (продолжительность работы не менее 6000 час/год), полупиковых (продолжительность работы 2000-6000 час/год) и пиковых (продолжительность работы 600-2000 час/год) установок, главной перспективой использования ГТУ является их применение в парогазовых установках, КПД которых достигает 50-55% (в перспективе 60%). Газотурбинные установки применяются и в качестве теплофикационных (ГТУ-ТЭЦ, ПГУ-Т) на основе совмещения со специальным котлом или (и) газоводяным подогревателем. Кроме того, они нашли применение в металлургическом производстве для полезного использования теплоты доменных газов, а также в военном и торговом флотах, железнодорожном транспорте в качестве силовых установок. По признаку использования ГТУ подразделяют на энергетические (для привода электрических генераторов - ГТЭ), приводные (для привода компрессоров газоперекачивающих станций и металлургических производств - ГТН) и транспортные (в качестве двигателей в авиационном, водном и железнодорожном транспортах - ГТД). КПД современных энергетических ГТУ, выполненных на основе простого цикла, достигает 38–38,5% при единичной мощности до 280 МВт.

 

Характеристика термодинамического цикла ГТУ и показатели экономичности

 

Реализация ГТУ осуществляется на основе использования термодинамического цикла Брайтона. В энергетических ГТУ (а также в авиационных ГТД) используется цикл, в камере сгорания которого р=const. Рассмотрим термодинамический цикл простой ГТУ в Т,s – диаграмме (рис. 28.3) без учета сопротивления в воздушном и газовом трактах.

Рис. 28.3. Термодинамический цикл Брайтона простой ГТУ

1-2 – расширение рабочей среды в турбине; 2-3 – изобара охлаждения газов за турбиной; 3-4 – процесс сжатия воздуха в компрессоре; 4-1 - изобарный процесс подвода теплоты в камере сгорания

 

Точка 1 (точка С, рис.28.1) определяет состояние газа перед ГТ, а процесс 1-2 (С-d, рис.28.1) – расширение в ней до давления р₃. Точка 3 определяет состояние воздуха перед компрессором, а линия 3-4 – процесс его сжатия в компрессоре до давления р₄. Изоэнтропийные процессы отмечены штриховыми линиями. Линия 4-1 представляет изобарный процесс подвода теплоты в камере сгорания, где температура газов растет от Т₄ до Т₁. В реальных условиях из-за аэродинамического сопротивления газового тракта давление р₁ »(0,97-0,98) р₄, а сопротивления в линии подачи воздуха в компрессор р₃ »(0,96-0,98) р₂. Обычно D р _вх »D р _вых £ 1 кПа.

В зависимости от способа передачи теплоты уходящих из турбины газов холодному источнику различают ГТУ с замкнутым и открытым (разомкнутым) циклами. В энергетических ГТУ применяется открытый цикл. В установках открытого цикла рабочие среды (сначала атмосферный воздух, а затем высокотемпературная среда) однократно проходят через соответствующие элементы ГТУ и удаляются в итоге в окружающую атмосферу. Формирование начальной температуры газов перед ГТ обеспечивается в условиях повышенного избытка воздуха в газах за камерой сгорания. В случае, если давление природного газа в транспортной магистрали меньше давления воздуха за компрессором ГТУ (обычно не более 3 МПа), то оно повышается в дожимающем компрессоре ДК. В качестве дожимающих используются многоступенчатые поршневые или винтовые конструкции компрессоров. В газовой турбине при расширении газов производится работа, полезное значение которой в цикле за вычетом затрат на привод компрессора составляет l_i = l _т - l _к. При этом полезная мощность ГТУ (мощность N_ЭГТУ на выработку электроэнергии) составляет 40-50% от всей мощности ГТ. Следует понимать, что в энергетических газотурбинных установках применение газа существенно упрощает задачу повышения средней температуры рабочей среды при подводе теплоты в цикле Брайтона. В свою очередь, в паротурбинных установках с циклом Ренкина средняя температура подвода теплоты в цикл не превышает температуры 400⁰С.

Основные показатели экономичности газотурбинных циклов следующие:

Термический КПДобратимого цикла Брайтона оценивается на основе удельных значений полезной работы ГТУ l_о = l_{о т} - l_ок и подводимой теплоты q₁:

h_t = l_о / q₁ =(q₁ - q₂) / q₁. (28.1)

Удельная работа изоэнтропийного сжатия воздуха в компрессоре

l_ок = h₄¹ - h₃ = c_рв (Т ₄^I - Т ₃), (28.2)

а удельная работа изоэнтропийного расширения в газовой турбине

l_{о т} = h₁ - h₂¹ = c_рг (Т ₁ - Т ₂^I). (28.3)

Подводимая в цикл теплота q₁ = c_рв (Т ₁ - Т ₄^I). (28.4)

Тогда термический КПД

. (28.5)

Здесь принято, что средние значения удельных теплоемкостей воздуха и газов с_рг=с_рв=с_р.

Введем следующие основные параметры ГТУ:

- p_к = р₄/р₃ = р₁/р₂ – степень повышения давления в компрессоре ( иногда вместо p_к будет использоваться ε_к, что то же самое).

- t = Т₁/Т₃ – степень повышения температуры в цикле.

Тогда с учетом известных газодинамических соотношений можно получить, что

и , (28.6)

где показатель изоэнтропы . (иногда вместо χ будет использоваться К). Обозначив формула для оценки термического КПД цикла ГТУ без учета внутренних потерь в ее оборудовании примет следующий вид:

. (28.7)

Из (28.7) следует, что чем выше степень повышения давления воздуха p_к в компрессоре, тем выше значение h_t.

Внутренний КПД ГТУ. Для действительного цикла удельные работы сжатия в компрессоре и расширения в газовой турбине соответственно равны:

l_к = c_р (Т ₄ - Т ₃); l _т= c_р (Т ₁ - Т ₂). (28.8)

Тогда с учетом потерь внутренний КПД компрессора

. (28.9)

Аналогично внутренние потери в ГТ учитывает ее относительный внутренний КПД

. (28.10)

Полезная (внутренняя) работа ГТУ

l_i = l _т - l _к = h_oi l _oт - l _oк/ h _к (28.11)

в итоге простых преобразований может быть представлена следующим выражением:

. (28.12)

Формула для расчета действительного значения теплоты, затрачиваемой в камере сгорания ГТУ на нагрев 1 кг воздуха от Т₄ до Т₁, имеет вид:

, (28.13)

где h_кс – тепловой КПД камеры сгорания.

Тогда внутренний КПДГТУ

h_I = l_i/q_кс = /[ ]. (28.14)

Формулу (28.14) можно преобразовать к виду:

. (28.15)

В итоге абсолютный внутренний КПД ГТУ h_i=f(t, p_к, h_oi, h_к, h_кс). Для современных ГТУ значения КПД следующие: h_oi =0,85-0,9; h_к =0,83-0,9; h_кс =0,96-0,98.

На рис. 28.4, а представлена зависимость h_i=f(p_к,t), из которой следует, что с ростом степени повышения температуры t=Т₁/Т₃ в цикле h_i ГТУ повышается. При этом рост t возможен как за счет повышения температуры Т₁, так и за счет снижения Т₃. В зимний период эксплуатации при низких значениях температуры атмосферного воздуха снижается его расход на единицу мощности ГТУ и, следовательно, потребляемая компрессором мощность. В свою очередь с ростом t_атм (ростом Т₃) удельный объем воздуха увеличивается и растут затраты мощности ГТУ на привод компрессора. Зависимость h_i=f(t_атм) показанана рис. 28.4, б. Представленная на рис. 28.4, а зависимость свидетельствует о наличии оптимального значения степени сжатия воздуха в компрессоре p_опт. При этом, чем выше значения Т₁ и t, тем больше p_опт. Значения Т₁ сегодня ограничены жаропрочными характеристиками металлов, используемых в конструкциях камер сгорания и газовых турбин. На оптимальное значение p _к влияют конструкция ГТУ, ее тепловая схема, а также значения h_oi, h_к, h_кс.

а) б )

Рис. 28.4. Зависимости h_i=f(t, p_к) (а) и h_i=f(t_атм)(б) для ГТУ

Отношение полезной работы ГТУ к работе газовой турбины называют коэффициентом полезной работы

(28.16)

Чем выше j, тем меньшая часть мощности ГТУ расходуется на сжатие воздуха в компрессоре и тем больше полезная мощность установки. Его значения находятся в пределах 0,35-0,40. С повышением степени сжатия p_к коэффициент полезной работы j уменьшается, а рост степени повышения температуры t приводит к его увеличению.

Внутренняя и электрическая мощности ГТУ

N_i= G_в ×× l_i, (28.17)

где G_в – расход воздуха в установке.

Электрическая мощность ГТУ оценивается по значениям внутренней мощности газовой турбины N_{i ГТ} и компрессора N_{i К} с учетом КПД, определяющих потери на трение в подшипниках соответствующих агрегатов и КПД электрического генератора:

. (28.18)

КПД ГТУ по производству электроэнергии (брутто)

, (28.19)

где В_Т - расход газового топлива (удельный расход топлива в камере сгорания g_Т=B_Т/G_в, кг/кг), Q_Р^н - теплотворная способность топлива, а h _Т= с _рт t _т – его энтальпия.

Параметром ГТУ является удельный расход воздуха

. (28.20)

Тепловую экономичность ГТУ оценивают и с помощью удельного расхода условного топлива нетто, г/(кВт×ч):

, (28.21)

где Э _с.н – доля затрат электроэнергии на собственные нужды ГТУ.

К основным показателям экономичности относится удельный расход теплоты

q_i=3600/h_i.. (28.22)

.