Принципиальная схема утилизационной газотурбинной установки и основы её термодинамического расчёта
Принцип действия газотурбинной установки предусматривает получение полезной механической работы в турбине, работающей на продуктах сжигания газообразного или жидкого топлива.
На рис. 3.1 представлена принципиальная схема газотурбинной установки, состоящая из компрессора, газовой турбины, генератора, камеры сгорания, рекуператора, котла утилизатора.
Рис. 3.1 – Принципиальная схема газотурбинной установки:
1 – компрессор, 2 – газовая турбина, 3 – камера сгорания, 4 – рекуператор,
5 – котёл утилизатор, 6 – дожимной топливный компрессор, 7 – генератор,
8 – блок силовой электроники, 9 – байпасная заслонка, 10 – трубопровод подачи холодной воды, 11 – трубопровод отвода горячей воды, 12 – байпасный газоход
Если давление в камере сгорания выше давления в системе топливоподачи, то устанавливают топливный насос для подачи жидкого топлива в камеру сгорания или дожимной компрессор при использовании газообразного топлива.
На рис. 3.2 представлен идеальный цикл газотурбинной установки в Р-V и T-S диаграммах.
Газотурбинная установка работает следующим образом: очищенный атмосферный воздух попадает в воздухозаборник, откуда он поступает в компрессор, в котором происходит адиабатический (изоэнтропный) процесс сжатия 1-2. После компрессора сжатый воздух поступает в специальный газовоздушный теплообменник (рекуператор 4), в котором он предварительно нагревается выхлопным газом, выходящим из газовой турбины. Процесс подогрева воздуха в рекуператоре изображается отрезком 2-5, процесс охлаждения выхлопного газа 4-6. Подогретый в рекуператоре воздух поступает в камеру сгорания, куда непрерывно подводится и сжигается топливо. В T-S диаграмме подвод теплоты в цикле ГТУ изображается отрезком 5-3. Продукты сгорания из камеры сгорания отводятся в газовую турбину, в которой расширяются по адиабате 3-4, совершая полезную работу цикла ГТУ. Значительная часть полезной работы расходуется на привод компрессора, который сидит на одном валу с газовой турбиной.
|
|
|
Рис. 3.2 – Идеальный цикл газотурбинной установки в Р-V и T-S диаграммах
В некоторых установках осуществляется предварительное смешение сжатого и подогретого воздуха с газообразным топливом до подачи его в камеру сгорания. Предварительное смешение воздуха с газообразным топливом позволяет снизить уровень эмиссии выхлопных газов по NOх.
Как уже было сказано, выхлопные газы из газовой турбины направляются в рекуператор и затем в котёл утилизатор, в котором реализуется процесс охлаждения газа от точки 6 до точки 7. Далее отработанный в установке газ выбрасывается в атмосферу через выхлопную трубу. Процесс 7-1 характеризует потерю теплоты в окружающую среду.
|
|
|
В реальных условиях процессы сжатия в компрессоре и расширения в газовой турбине сопровождаются внутренними потерями, величина которых оценивается внутренним относительным КПД газовой турбины и компрессора. Цикл газотурбинной установки с учётом названных потерь представлен на рис. 3.3а.
Кроме названных потерь в турбомашинах, имеют место потери, обусловленные наличием гидравлических сопротивлений в тракте подачи воздуха и газа в газовую турбину, а также в выхлопном тракте, то есть при движении отработанного в турбине газа в рекуператоре и котле утилизаторе. На рис. 3.3б представлен цикл газотурбинной установки с учётом названных потерь давления.
Как видно из рис. 3.3б, давление перед газовой турбиной Р3д меньше, чем Р2 из-за потерь давления в камере сгорания. В выхлопном патрубке газовой турбины давление выше атмосферного давления на величину потерь в тракте рекуператора и котла-утилизатора. Наличие гидравлических потерь приводит к уменьшению располагаемого перепада турбины. Так, при отсутствии потерь располагаемый перепад определяется отрезком – 3-4, а с учётом гидравлических потерь – отрезком 3д – 4д.
|
|
|
Рис. 3.3 – Реальные циклы газотурбинных установок:
а – цикл ГТУ при действительном процессе сжатия в компрессоре и расширении в турбине; б – цикл ГТУ с учётом потерь давления в тракте подачи рабочего тела в газовую турбину и тракте отвода газа через рекуператор и котёл-утилизатор
Данные потери могут быть учтены введением в расчёт соответствующих коэффициентов гидравлических потерь во всасывающем тракте компрессора 
, камере сгорания 
- и газовыхлопном устройстве 
.
(3.1)
где ∆Р – величина гидравлического сопротивления на участке газовоздушного тракта; Р – давление на входе в рассматриваемый участок.
Полезную удельную работу цикла ГТУ можно записать как разность между действительной удельной работой газовой турбины LГТД и действительной удельной работой сжатия в компрессоре LКД:
(3.2)
где hоiτ, h оiк – внутренний относительный КПД газовой турбины и компрессора (в литературе по газовым турбинам данные КПД принято называть изоэнтропическими или внутренними); Lτ, Lк – теоретическая работа расширения газа в газовой турбине и теоретическая работа сжатия воздуха в компрессоре.
|
|
|
Как известно, работа Lк при адиабатическом сжатии может быть определена из следующего выражения:
(3.3)
где 
‒ степень повышения давления в компрессоре; Р1 – давление во всасывающем патрубке компрессора; Р2 – давление в нагнетательном патрубке компрессора; Т1 – температура воздуха перед компрессором (принимается); Т2 – температура воздуха за компрессором при изоэнтропном процессе сжатия; срв – теплоёмкость воздуха.
(3.4)
где 
‒ коэффициент, учитывающий массу топлива, поступившую в цикл ГТУ при сжигании топлива в камере сгорания; α = 3 7 – общий коэффициент избытка воздуха в камере сгорания; А0 @14,7 – число, характеризующее количество воздуха, необходимое для сжигания 1 кг топлива; срг ‒ теплоёмкость продуктов сгорания; 
‒ степень расширения газа в газовой турбине; Т3 ‒ температура газа на входе в газовую турбину; Т4 ‒ температура газа на выходе из газовой турбины.
Из приведённых соотношений следует, что полезная работа LГТУ зависит от многих факторов. Однако определяющими являются величины степени повышения давления p=pк » pτ и температура Т3.
В некоторых работах по расчёту циклов ГТУ приведена методика определения оптимального значения pКопт, при котором достигается максимальный КПД установки при минимальном удельном расходе топлива на выработку электроэнергии и минимальных массогабаритных показателях.
Значение pКопт можно определить по следующей формуле:
(3.5)
где 
‒ отношение температуры газа перед газовой турбиной к температуре воздуха перед компрессором (необходимо подчеркнуть, что при анализе циклов все температуры определяют по параметрам торможения);
‒ показатель степени; 
среднее значение показателя адиабаты; kВ – показатель адиабаты сжимаемого воздуха; kГ - показатель адиабаты продуктов сгорания.
Теоретическую температуру воздуха на выходе из компрессора и теоретическую температуру газа на выходе из газовой турбины можно определить из соотношения для изоэнтропных процессов сжатия и расширения:
(3.6)
Значения действительных температур газа на выходе из компрессора Т2д и газовой турбины Т4д можно найти из выражений для определения внутреннего относительного КПД этих машин:
, 
(3.7)
Температура газа Т3 во многом зависит от допускаемой температуры металла рабочих лопаток первой ступени газовой турбины и может достигать 1200 -1400 оС.
Развиваемая мощность на валу газотурбинной установки:
, (3.8)
где GГ , GВ - расход рабочего газа, выходящего из камеры сгорания и воздуха, сжимаемого в компрессоре.
В газотурбинных установках, в которых в качестве топлива используется газ, подаваемый из трубопровода с давлением ниже, чем давление в камере сгорания, применяется дожимной компрессор. На его привод также тратится часть полезной мощности, развиваемой газовой турбиной. Мощность газотурбинной установки при этом составит
(3.9)
где Lдк ‒ работа сжатия газа в дожимном компрессоре; Вτ ‒ расход топлива.
Расход топлива определяется из уравнения теплового баланса камеры сгорания:
(3.10)
где hкс ‒ КПД камеры сгорания.
Расход топлива также может быть определён по рассчитанной величине удельного расхода топлива на выработку 1 кВт·ч электроэнергии:
(3.11)
где NГТУЭ ‒ электрическая мощность установки; hЭ ‒ электрический КПД установки; 
‒ внутренний или термический КПД установки; hм ‒ механический КПД; hг ‒ КПД генератора.
При проведении теплового расчёта утилизационного цикла ГТУ определяются расчётные параметры состояния рабочего тела во всех узловых точках цикла, их расходы, а также показатели, характеризующие термодинамическую эффективность. При проведении указанных расчётов, с целью их упрощения, допускается принимать теплоёмкость воздуха и газа постоянными величинами.
Дата добавления: 2021-06-02; просмотров: 74; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!