Схемы и циклы простейших газотурбинных установок ГТУ

В газовой турбине рабочим телом служат газообразные продукты сгорания топлива в смеси с воздухом.

По принципу действия газовая турбина аналогична паровой. В ее проточной части расширение рабочего тела (газа) также сопровождается превращением теплоты в кинетическую энергию газового потока, которая затем преобразуется в механическую работу нам валу вращающегося ротора. Но в связи с применением газа, обладающего свойствами, отличными от свойств водяного пара, имеются конструктивные отличия между газовыми и паровыми турбинами. В целом ГТУ, их схемы и оборудование существенно отличаются от ПТУ.

Достоинства ГТУ по сравнению с ПТУ:

– они более компактны, так как топливо сжигается не в громоздком котле, а в небольшой по размерам камере сгорания (КС), расположенной вблизи газовой турбины; в ГТУ нет конденсационной установки;

– обеспечивают быстрый запуск и нагружение (30 с–30 мин);

– проще по конструкции и в обслуживании;

– менее емки в смысле затраты металлов и других материалов при одинаковой с паровой турбиной мощности;

– имеют более низкую стоимость;

– почти не требуют воды для охлаждения.

ГТУ уступают ПТУ:

– по единичной мощности. Единичная мощность установленных газовых турбин не превышает 100–150 МВт, что значительно меньше единичной мощности крупных энергоблоков;

– на современном этапе развития имеют более низкий КПД 25–30%;

– менее долговечны в эксплуатации;

– более требовательны к сортам топлива. Проблема использования твердого топлива в ГТУ до сих пор еще находится в стадии разработки, а применение тяжелых мазутов связано со значительным усложнением как конструкции, так и эксплуатации установок.

Принципиальная схема простейшей ГТУ показана на рис. 14.1.

Рис. 14.1. Принципиальная схема простейшей ГТУ

ТН – топливный насос; К – компрессор; КС – камера сгорания; ГТ – газовая турбина; Г – электрический генератор

Эта схема с подводом тепла при постоянном давлении. Изобразим цикл идеальной газотурбинной установки (цикл Брайтона) в Р – v и T–s диаграммах рис. 14.2.

Рис. 14.2. Цикл идеальной ГТУ в Р – v и T–s диаграммах

На рис. 14.2 1-2 – процесс изоэнтропного сжатия в компрессоре с увеличением давления, 2-3 – подвод тепла к сжатому газу в камере сгорания по изобаре с увеличением удельного объема и температуры, 3-4 – изоэнтропное расширение газа в турбине с меньшением температуры, удельного объема и давления, 4-1 – процесс охлаждения рабочего тела с уменьшением температуры и удельного объема.

Мы изобразили разомкнутую схему газотурбинного двигателя (ГТД), когда отработавший в газовой турбине газ выбрасывается в дымовую трубу в окружающую среду. Более выгодно применение замкнутых схем, когда газ после турбины охлаждается в специальном поверхностном охладителе.

Термодинамические циклы ГТД по замкнутому и разомкнутому циклу одинаковы и изображаются одинаково в P-v и T-s диаграммах. Поэтому анализ тепловых схем ГТД справедлив как для замкнутых так и для разомкнутых схем.

Следует отметить, что только 20–40% подаваемого компрессором воздуха вводится в активную зону горения и участвует в процессе сгорания. Это, так называемый, первичный воздух. Остальные 60–80% воздуха добавляется в поток уже после активной зоны. Смешиваясь с продуктами сгорания, эта часть воздуха (вторичный или охлаждающий воздух) дает возможность понизить температуру газов перед турбиной до заданного значения. Для обеспечения интенсивного и наиболее полного сгорания топлива температура в активной зоне камер сгорания обычно поддерживается на уровне 1800–2000 К, тогда как допустимая в настоящее время по условиям надежности и долговечности лопаточного аппарата температура газа на входе в газовую турбину составляет в зависимости от применяемого топлива 900–1400 К.

В ГТУ открытого цикла в качестве топлива используется жидкое малосернистое газотурбинное топливо или природный газ, которые подаются в камеру сгорания. Необходимый для сгорания топлива воздух очищается в комплексном воздухоочистительном устройстве (фильтре) и сжигается в компрессоре до давления 0,6–2 МПа. Для получении заданной температуры газов перед газовой турбиной 750–1200 ^оС в в камере сгорания поддерживается нужный избыток воздуха (2,5–5,0) с учетом теоретической температуры горения топлива, вида топлива, способа его сжигания и др.Горячие газы расширяются в газовой турбине, а затем при температуре 450–550 ^оС выбрасываются в дымовую трубу.

Регенерация ГТУ – это использование теплоты отработавших в турбине газов для подогрева поступающего в камеру сгорания воздуха (рис.14.3). Для этого воздух после компрессора пропускают через регенератор Р, который представляет собой теплообменный аппарат поверхностного типа. В тот же регенератор после газовой турбины направляются отходящие газы, которые отдают часть своей теплоты воздуху. Подогретый воздух далее поступает в камеру сгорания.

Рис. 14.3. Принципиальная схема ГТУ с регенерацией

Достоинства и недостатки газотурбинных установок определили наиболее рациональную область использования ГТУ в качестве пиковых и обычно автономно запускаемых установок с использованием установленной мощности 500–1000 ч/год.

Для таких установок предпочтительна конструктивная схема в виде одновальной ГТУ простого цикла без регенерации или с регенератором теплоты уходящих газов.

Такая схема характеризуется большой простотой и компактностью установки, которая в значительной степени изготавливается и монтируется на заводе.

Энергетические ГТУ, эксплуатация которых планируется в полубазовой части графика электрической нагрузки, экономически оправдано выполнять по более сложной конструктивной схеме (см. рис.14.4).

У нас в стране работают газотурбинные электростанции с ГТУ типов ГТ-25-700, ГТ-100-750-2 с начальной температурой газов перед газовой турбиной 700–950 ^оС. Ленинградским металлическим заводом разработаны проекты новой серии ГТУ мощностью 125–200 МВт при начальной температуре газов соответственно 950, 1100 и 1250 ^оС. Они выполнены по простой схеме с открытым циклом работы, одновальными без регенерации.

Рис. 14.4. Принципиальная схема двухвальной ГТУ с двухступенчатым подводом теплоты топлива:

КВД, КНД – воздушные компрессоры высокого и низкого давления;

ГТВД, ГТНД – газовые турбины высокого и низкого давления;

КСВД, КСНД – камеры сгорания высокого и низкого давления

Дата добавления: 2014-11-29