Цикли газотурбінних установок

Курсова робота на тему «Цикли газотурбінних установок»

ЗМІСТ Вступ

1. Загальні відомості про газові турбіни

1.1 Принцип роботи

1.2 Визначальні особливості

1.3. Схеми конструкцій0

2. Поняття про газотурбінний двигун і ГТУ

3. Термодинамічні основи роботи ГТУ

3.1 Цикл ГТУ з підведенням теплоти у процесі

3.2 Цикл ГТУ з підведенням теплоти у процесі

3.3 Порівняння циклів

3.4 Методи підвищення к. к. д.

4. Використання ГТУ різних типів

4.1 Енергетичні

4.2 Приводні

4.3 Транспортні

4.4 Енерготехнологічні

4.5 З утилізацією теплоти відхідних газів

5. Огляд сучасного стану виробництва ГТУ Висновки Перелік посилань

ВСТУП Головним недоліком поршневих двигунів внутрішнього згоряння є обмеження їх потужності та неможливість адіабатного розширення робочого тіла до атмосферного тиску. Ці недоліки відсутні в газотурбінних установках (ГТУ), де в якості робочого тіла використовують продукти спалювання рідкого чи газоподібного палива. Робоче тіло, яке має високі температуру і тиск, із камери згоряння спрямовується до сопла, де воно розширюється та з великою швидкістю надходить до лопаток газової турбіни; отримання механічної роботи відбувається внаслідок використання кінетичної енергії потоку.

ГТУ мають багато переваг у порівнянні з поршневими двигунами. Газові турбіни вирізняються відносно малою вагою та невеликими габаритами, вони не містять деталей зі зворотньо-поступальним рухом, а також можуть виконуватися з високими числами обертів і великими одиничними потужностями.

Безпосередній обертальний рух, простота обслуговування, висока агрегатна потужність, можливість роботи установок на пальному, що перекачується, і багато іншого забезпечують широке використання ГТУ на магістральних трубопровідах. Їх зазвичай виробляють для функціонування за простими відкритими циклами, у двохвальному чи трьохвальному виконанні, з регенерацією тепла відхідних газів або без регенерації.

Аналіз сучасного становища трубопровідного транспорта природних газів й оцінка перспектив його подальшого розвитку свідчать про те, що газотурбінний тип приводу відцентрових нагнітачів на компресорних станціях (КС) як на даному етапі, так і на найближчу перспективу залишається основним видом енергоприводу КС. Наприклад, відносна частка встановленої потужності компресорних станцій у системі ВАТ «Газпром» складає понад 85%; інше припадає на долю агрегатів із електроприводом та з поршневим типом привода.

Одним із найбільш перспективних напрямків розвитку енергетики (з технічної, економічної й екологічної точок зору) є переобладнання діючих районних котелень у газотурбінні теплоелектроцентралі (ГТУ-ТЕЦ). Такі ГТУ-ТЕЦ забезпечать:

— вдвічі меншу витрату палива на виробництво електроенергії;

— наближення виробництва енергії до споживача та зниження втрат на транспортування енергії;

— підвищення гнучкості енергосистеми під час згладжування коливань у споживанні енергії;

— значне зниження викидів шкідливих речовин у атмосферу порівняно з існуючими ТЕС і котельнями.

Газові турбіни — одна з головних складових частин паливно-енергетичного комплекса багатьох країн світу. Наразі понад 65% нових електрогенеруючих потужностей, які вводять до експлуатації в світі, базуються на використанні парогазових установок і газотурбінних ТЕС. ГТУ нового покоління мають високий коефіцієнт корисної дії (к. к. д.), характеризуються експлуатаційною надійністю, виробляються в усьому світі та забезпечені розвиненою системою сервісного обслуговування. Вони можуть працювати в широкому діапазоні потужностей, використовуються в черговому режимі (очікування), для покриття пікових навантажень, а також при постійному навантаженні.

ГТУ успішно працюють в промисловості, особливо коли потрібно спільне виробництво тепла, механічної енергії і електроенергії. Газові турбіни дозволяють дотримати жорстких вимог з охорони навколишнього середовища. Ці установки здатні працювати на двох видах палива — рідкому і газоподібному. При цьому здійснюється постійна робота на природному газі, а в аварійних ситуаціях відбувається автоматичний перехід на дизельне паливо. Потреба в технічному обслуговуванні в ГТУ відносно мала. Після певного терміну служби, приблизно 30 000−40 000 годин роботи, проводиться заміна гарячих деталей турбіни, включаючи камеру згоряння.

1. ЗАГАЛЬНІ ВІДОМОСТІ ПРО ГАЗОВІ ТУРБІНИ Турбіною називається лопатковий двигун, що перетворює енергію потоку пари, газу чи води, які протікають крізь сопловий апарат і робочі лопатки ротора (лопаті робочого колеса) у механічну енергію. В залежності від характера робочого тіла розрізняють парові, газові та гідравлічні турбіни. Газові турбіни працюють на технологічних і відкидних газах хімічних виробництв, які мають надлишковий тиск, тому вони можуть використовуватися в якості привода турбокомпресорів і турбонасосів.

Турбіни існують одноступінчаті та багатоступінчаті. Одноступінчата турбіна складається зі статора (соплового апарату) та ротора — робочого колеса, що має на периферії лопатки, які утворюють канали, по яких рухається робоче тіло. Багатоступінчата турбіна — декілька послідовно з'єднаних одноступінчатих турбін, які називаються ступінями.

1.1 Принцип роботи Принцип роботи турбіни можна розглянути на прикладі одного ступеню, зображенного на рис. 1.1.

Робоче тіло з підвищенним початковим тиском та початковою температурою надходить до нерухомого сопла A статора. За умови постійної масової витрати робочого тіла на виході з сопла підтримується постійний тиск <. Під впливом різниці тисків потік робочого тіла з постійною швидкістю (м/с) спрямовується до криволінійних каналів B, утворених робочими лопатками. Протікаючи цими каналами, потік створює зусилля, яке викликає обертання робочого колеса турбіни. Позначивши через (м/с) окружну швидкість руху лопаток і побудувавши трикутник швидкостей на вході у канали робочих лопаток, можна знайти відносну швидкість входу потоку в канали робочих лопаток та її напрямок, який визначається кутом .

Абсолютна швидкість входу потока на лопатки:

(1.1)

де — ізоентропійний перепад теплоти від початкових параметрів і до, Дж/кг;

=0,94…0,98 — швидкісний коефіцієнт.

Окружна швидкість робочих лопаток визначається за формулою:

(1.2)

де — середній радіус розташування лопаток щодо вісі вала турбіни, м;

— частота обертання вала турбіни, об/хв.

Зазвичай кут нахилу потоку, який виходить із сопла, до площини робочого колеса приймають 12…18є.

Внаслідок наявності тертя під час руху потока каналом між лопатками відносна швидкість виходу його з каналу буде меншою за і для активних турбін дорівнює

(1.3)

де коефіцієнт приймається =0,85…0,95.

Кут виходу потока стосовно площини обертання колеса зазвичай приймають меншим на 1…10є, аніж. За відомими значеннями, та будують трикутник швидкостей на виході потока з каналів робочих лопаток.

Проекція сили на напрямок окружної швидкості викликає обертання ротора турбіни. На рис. 1.1 представлене зображення трикутників швидкостей потока. Користуючись цими трикутниками швидкостей, у відповідності з відомим рівнянням кількості руху можна записати, що

(1.4)

де — масова витрата робочого тіла через турбіну, кг/с;

.

Потужність (Вт), яку розвиває потік робочого тіла на ободі лопаток:

. (1.5)

Якщо робоче тіло розширюється тільки в соплах статора, а в каналах робочих лопаток ротора відбувається лише зміна напряму потока при постійному тиску, то така турбіна (або її ступінь) називається активною. Якщо робоче тіло розширюється й у соплах ротора, й у каналах робочих лопаток ротора, то така турбіна (або ступінь її) називається реактивною.

З рівняння (1.5) випливає, що питома робота (Дж/кг) ступеня

. (1.6)

Відношення питомої роботи до теплопадіння називається відносним коефіцієнтом корисної дії (к. к. д.) ступеня турбіни на лопатках .

Аналізуючи рівняння (1.5), можна показати, що для досягнення високого значення необхідно забезпечити певне співвідношення між окружною швидкістю руху лопаток та абсолютною швидкістю витікання з сопла. Для активних ступенів це відношення складає 0,4…0,5.

1.2 Визначальні особливості

Газова турбіна є основним елементом газотурбінної установки. Основними характерними особливостями газових турбін є такі:

— робота газових турбін відбувається при високих температурах та малих тисках і тому газові турбіни виконуються з невеликою кількістю ступенів, виготовлених із жаростійких сталей; до матеріалів утилізаційних газових турбін висувають ще додаткові вимоги: вони мають бути корозійно-стійкими через те, що газові потоки хімічної технології майже завжди агресивні до конструкційних матеріалів;

— внаслідок високих температур газових потоків виникає необхідність застосування повітряного чи водяного охолодження деталей турбіни; окрім ускладненя конструкції газової турбіни, в ній виникають додаткові втрати теплоти разом із охолоджуючим теплоносієм і втрати роботи на нагрівання;

— в усіх газових турбінах (окрім тих, що працюють за замкненим циклом) робочими тілами є токсичні речовини, і тому в лабіринтні ущільнення турбіни подається повітря з компресора, щоб виключити потрапляння отруйного газу в приміщення машинної зали, водночас із цим здійснюється охолодження вала й інших деталей турбін;

— наявність у газових турбін камери згоряння. В утилізаційних газових турбінах камерами згоряння є екзотермічні реактори: газоподібні продукти реакції, що в них утворюються, і є робочими тілами. У камерах згоряння газових турбін газоподібне чи рідке паливо спалюється при >105 Па, і тому процес горіння протікає за високих об'ємних теплових напруг. Ця обставина дозволяє використовувати камери згоряння малих об'ємів.

1.3 Схеми конструкцій На рис. 1.2 наведено схему найпростішої циліндричної камери згоряння для рідкого палива. Вона являє собою циліндричний корпус 1, виконаний зі звичайної чи низьколегованої сталі, всередині якої розташована жарова труба 3, що виготовлена з легованої сталі. В жаровій трубі міститься форсунка 7. Первинне повітря (коефіцієнт надлишку =1,5…2,0) надходить до жарової труби крізь спрямовуючі лопатки 2, які забезпечують хороше змішування його з розпиленим форсункою рідким паливом. Щоб знизити температуру продуктів згоряння, утворених у зоні горіння 6, до камери згоряння подається вторинне повітря. Останнє проходить кільцевим каналом, що утворений корпусом камери та жаровою трубою, охолоджуючи її; одна частина його крізь отвори 4 потрапляє всередину жарової труби і, змішуючись із продуктами згоряння, знижує їх температуру, інша частина проходить далі кільцевим каналом, охолоджуючи його стінки, й у зоні 5 змішується з основним потоком, внаслідок чого газова суміш набуває потрібної температури, значення якої складає 1023 К. Коефіцієнт надлишку повітря на виході з камери згоряння сягає значення 5…6 і вище.

Відпрацьовані в газовій турбіни продукти згоряння мають ще доволі велику температуру і тому подальша утилізація продуктів згоряння здійснюється у регенеративному підігрівачі повітря, яке надходить до камери згоряння. Регенератори — це трубчасті (або пластинчаті) теплообмінники, в яких повітря проходить у трубках, а продукти згоряння омивають їх зовні.

Утилізаційні газові турбіни працюють або на технологічних газових потохах, або на газових відходах хімічного виробництва. У першому випадку вони встановлюються зазвичай після екзотермічного реактора, у другому — в кінці технологічного ланцюга. Головним чином ці турбіни призначені для привода компресорів і насосів, які забезпечують технологічний процес стислим повітрям.

Турборозширювальні машини є газовими турбінами, в яких енергія газу під час розширення перетворюється на роботу. Їх використовують для охолодження газів у техніці зріджуванння та розділення газів (турбодетандери), в техніці кондиціонування повітря (турбохолодильники) й у повітряно-холодильних установках.

На рис. 1.3 зображено схему радіальної турборозширювальної машини, в якій потік газу спрямовується від периферії до центра за радіусом. Основними робочими елементами машини є: нерухомий сопловий спрямовуючий апарат 2, в якому відбувається перетворення потенційної енергії газу на кінетичну; робоче колесо 3, під час обертання якого кінетична енергія перетворюється на роботу, яка у свою чергу передається на вал 5.

Турборозширювальні машини існують однота багатоступінчаті, активні та реактивні. У реактивних машин зниження тиску відбувається в сопловому апараті та на колесі, а в активних — тільки в сопловому апараті. Сучасні машини будують на співвідношення початкового тиску до кінцевого 4…30.

2. ПОНЯТТЯ ПРО ГАЗОТУРБІННИЙ ДВИГУН І ГТУ Газотурбінним двигуном (ГТД) можна назвати такий двигун, в якому робочим тілом (на відміну від парових турбін) використовують неконденсуючий газ (повітря, продукти згоряння палива чи нейтральні гази), в якості тягового двигуна застосовують газову турбіну, а всі основні процеси циклу (на відміну від поршневих двигунів) здійснюються в різних конструктивних елементах установки. Сам термін «турбіна» походить од латинських слів turbineus — вихореподібний, або turbo — дзига. Турбіна і є той двигун, в якому механічна робота на валу машини виходить за рахунок перетворення кінетичної енергії газового струменя, у свою чергу одержувану в результаті перетворення потенційної енергії робочого тіла — енергії згорілого палива.

В основі сучасних уявлень перетворення тепла в роботу лежать два найважливіших положення термодинаміки: неможливість створення вічного двигуна першого роду, коли корисна робота виходить без витрати енергії ззовні (наслідок першого початку термодинаміки), і неможливість створення вічного двигуна другого роду, у якому тепло повністю перетворювалося б у роботу (наслідок другого початку термодинаміки). Отже, неодмінною умовою створення і роботи будь-якого теплового двигуна є наявність матеріального середовища — робочого тіла, і щонайменше двох теплових джерел — джерела високої температури (нагрівач), від якого береться тепло для перетворення частини його в роботу, і джерела низької температури, якому віддається частина невикористаного тепла в двигуні.

Це означає, що кожен тепловий двигун має складатися з нагрівача, розширювальної машини, холодильника і компресійної машини. При цьому слід враховувати, що оскільки необхідно безперервно перетворювати тепло на роботу, необхідно і безперервно, поряд з підведенням тепла і розширенням, стискати робоче тіло, причому за таких умов, щоб робота стиснення була меншою за роботу розширення. Отримана в двигуні корисна робота визначається як різниця між роботою розширення і роботою стиснення.

Основною відмітною ознакою газотурбінного двигуна, наприклад, від поршневих двигунів внутрішнього згоряння, є організація кругових процесів. У поршневих машинах, як відомо, всі основні процеси циклу — стиснення, підведення тепла і розширення — послідовно змінюють один одного в одному й тому ж замкнутому просторі (система циліндр — поршень), а в газотурбінному двигуні всі ці процеси безперервно здійснюються в різних його елементах, послідовно розташованих за ходом руху робочого тіла (компресор — камера згоряння — газова турбіна).

Відмінною особливістю терміна газотурбінний двигун від терміна газотурбінна установка є те, що до поняття газотурбінна установка входить не лише поняття газотурбінний двигун, а також і супутні йому елементи, що забезпечують його роботу (система організації підведення циклового повітря, палива, мастила, системи пуску і зупинки агрегату, різного роду контролюючі прилади і т.д.).

ГТУ складається з двох основних частин — це силова турбіна і генератор, які розміщуються в одному корпусі. Потік газу високої температури впливає на лопатки силової турбіни (створює обертаючий момент). Утилізація тепла за допомогою теплообмінника або котла-утилізатора забезпечує збільшення загального к. к. д. установки.

ГТУ може працювати як на рідкому, так і на газоподібному паливі. У звичайному робочому режимі - на газі, а в резервному (аварійному) — автоматично перемикається на дизельне паливо. Оптимальним режимом роботи є комбіноване вироблення теплової та електричної енергії.

3. ТЕРМОДИНАМІЧНІ ОСНОВИ РОБОТИ ГТУ Основними поняттями термодинамічної теорії перетворення тепла на роботу є поняття зовнішньої роботи (робота, що передається зовнішній системі) та зовнішнього теплообміну (тепло, отримане від зовнішніх джерел).

Робочим тілом у циклі ГТУ прийнято вважати ідеальний газ, для якого є справедливим рівняння Клапейрона через те, що газ у циклі установки знаходиться під відносно невисоким тиском. Звідси безпосередньо випливає, що основні функції робочого тіла ГТУ — ентальпія та теплоємність при постійному тиску — є функціями тільки температури, а коефіцієнт Джоуля-Томсона дорівнює нулю, тобто .

Загальноприйняті методи термодинамічних досліджень і розрахунків ГТУ побудовані на основі адіабатичних еталонів. Адіабатичні процеси в якості еталонних прийняті на тій підставі, що з усіх термодинамічних процесів вони є найбільш близькими до реальних процесів, а розрахункові співвідношення при цьому виходять найбільш простими.

У ГТУ, як і у всякому іншому тепловому двигуні, відбувається перетворення тепла згорілого палива в корисну механічну роботу. Для безперервного отримання роботи робоче тіло здійснює замкнутий круговий процес-цикл між двома джерелами тепла — нагрівачем і холодильником. У залежності від способів організації підведення тепла палива до робочого тіла, організації процесів стиснення і розширення, ГТУ можуть бути виконані за відкритим (розімкненим), закритим (замкненим) і напівзамкненим циклами.

У ГТУ відкритого циклу, що становлять найбільший промисловий інтерес і набули найбільшого поширення, зовнішнє повітря, пройшовши систему очисних фільтрів, процес стиснення в компресорі, систему підведення тепла палива в камері згоряння і процес розширення утворених у газовій турбіні продуктів згоряння, через вихлопну трубу викидається в атмосферу, і його вже не можна повернути в установку в якості робочого тіла.

У ГТУ закритого циклу робоче тіло (наприклад, повітря), що знаходиться під відносно високим тиском, постійно циркулює в системі, послідовно проходить процеси стиснення, підведення тепла, розширення та охолодження перед кожним новим надходженням на стиснення. При цьому процеси охолодження робочого тіла і підведення тепла здійснюються з використанням відповідних теплообмінних апаратів, виключаючи тим самим безпосередній контакт між робочим тілом, паливом та продуктами його згорання.

ГТУ напівзакритого типу є установками проміжної схеми між установками відкритого та закритого циклів.

3.1 Цикл ГТУ з підведенням теплоти у процесі

На рис. 3.1 наведено схему найпростішої ГТУ зі згорянням палива при. До камери згоряння 1 крізь форсунки 6 і 7 безперервно надходить повітря з турбокомпресора 4 та пальне з паливного насосу 5. Із камери продукти згоряння спрямовуються у комбіновані сопла 2, всередині яких робоче тіло розширюється до тиску, близького до атмосферного. З сопел продукти згоряння потрапляють на лопатки газової турбіни 3, а потім викидаються в атмосферу з вихлопного патрубка.

На рис. 3.2 та 3.3 зображено ідеальний цикл газотурбінної установки на — ідіаграмах із підведенням теплоти при. У цьому циклі відведення теплоти від робочого тіла здійснюється не за ізохорою, як це відбувається у двигунах внутрішнього згоряння, а за ізобарою. В поршневих двигунах об'єм газів під час розширення обмежений об'ємом циліндру. В газових турбінах такого обмеження немає, тому гази можуть розширюватися до атмосферного тиску.

Робоче тіло, що має початкові параметри, ,, стискається за адіабатою 1−2 до точки 2. Від точки 2 робочому тілу передається деяка кількість теплоти за ізобарою 2−3. Потім робоче тіло розширюється за адіабатою 3−4 до початкового стану та повертається за ізобарою 4−1 до початкового стану, під час цього відводиться теплота .

Характеристиками цикла є: ступінь підвищення тиску в компресорі і ступінь ізобарного розширення .

Кількість підведеної теплоти визначається за формулою

(3.1)

а кількість відведеної теплоти — за наступною формулою:

. (3.2)

Термічний к. к. д. цикла дорівнює

. (3.3)

Виразимо температури, й, користуючись значенням початкової температури робочого тіла :

Для адіабати 1−2

;; (3.4)

для ізобари 2−3

;;; (3.5)

для адіабати 3−4

;. (3.6)

Підставляючи отримані значення температур у рівняння для термічного к. к. д., отримують

(3.7)

або

. (3.8)

Термічний к. к. д. газотурбінної установки з підведенням теплоти при постійному тиску залежить від ступеня підвищення тиску та показника адіабати, збільшуючись разом зі збільшенням цих величин.

Відпрацьований газ після газової турбіни доцільно спрямовувати до теплообмінного апарату для підігрівання повітря, що надходить до камери згоряння, або віддавати на потреби комунального господарства для отримання гарячої води, пари і т. д.

Надіаграмі к. к. д. цикла газотурбінної установки з підведенням теплоти при постійному тиску визначають із співвідношення площин (рис. 3.3):

. (3.9)

Під час розглянення роботи реальних ГТУ необхідно окремо враховувати втрати на незворотність процесів у турбокомпресорі й у газовій турбіні.

Витрата енергії на тертя в компресорі викликає збільшення температури робочого тіла, тому що робота тертя перетворюється на теплоту та сприймається робочим тілом, а це у свою чергу призводить до збільшення роботи, витраченої на стиснення повітря (втратою теплоти до зовнішнього середовища нехтуємо). З рис. 3.4 видно, що теоретичний цикл газотурбінної установки з підведенням теплоти за умови надіаграмі зображується, а реальний цикл —, де лінія є умовною незворотньою адіабатою стиснення в компресорі, а лінія — умовну незворотню адіабату розширення у турбіні.

Теоретична робота стиснення в компресорі дорівнює, а дійсна

або

(3.10)

де — адіабатний к. к. д. турбокомпресора, який дорівнює відношенню

. (3.11)

У наш час сягає 0,8…0,85.

Розширення газу у проточній частині турбіни супроводжується втратами на тертя об стінки сопл, лопаток і на завихрення потоку, внаслідок чого частина кінетичної енергії робочого тіла перетворюється на теплоту, й ентальпія газу на виході з турбіни буде більшою за ентальпію зворотного процеса розширення. Теоретична робота розширення у турбіні дорівнює, а дійсна робота розширення .

Відношення внутрішньої дійсної роботи розширення реальної турбіни до теоретичної роботи ідеальної турбіни називають внутрішнім відносним к. к. д. газової турбіни:

. (3.12)

Чим краще виконана проточна частина турбіни, тим менші в ній втрати від тертя газа та завихорень, тим вищий. В сучасних турбін =0,8…0,9.

Дійсна корисна робота, яку можна отримати в газотурбінній установці, дорівнює різниці дійсних робот розширення та стиснення:

(3.13)

де — механічний к. к. д.

Відношення корисної роботи ГТУ до кількості витраченої теплоти називають ефективним к. к. д. газотурбінної установки:

. (3.14)

Детальний аналіз отриманого рівняння наводиться в спеціальній літературі з газотурбінних установок.

3.2 Цикл ГТУ з підведенням теплоти у процесі

На рис. 3.5 наведено схему ГТУ зі згорянням пального за умови постійного об'єму. В цій установці стиснене у турбокомпресорі 6 повітря надходить із ресивера (ємності великої місткості для вирівнювання тиску) 7 крізь повітряний клапан 8 до камери згоряння 1. Сюди ж паливним насосом 5 крізь паливний клапан 9 подається рідке паливо. Продукти згоряння, пройшовши крізь сопловий клапан 2, розширюються всередині сопла 3 та викликають обертання ротора газової турбіни 4.

Для здійснення періодичного процеса горіння необхідно подавати повітря та пальне крізь керовані клапани 8 і 9 у певні періоди часу. Процес горіння здійснюється при закритих клапанах 2 та 8. Займання палива відбувається від електричної іскри. Наприкінці згоряння пального тиск у камері 1 підвищується, відкривається сопловий клапан 2 і продукти згоряння спрямовуються до сопла 3, де вони розширюються до кінцевого тиску.

На рис. 3.6 і 3.7 на — ідіаграмах зображено ідеальний цикл ГТУ з підведенням теплоти при. Робоче тіло з початковими параметрами, , стискається за адіабатою 1−2 до точки 2, тиск у якій визначається ступенем підвищення тиску. Далі за ізохорою 2−3 робочому тілу передається деяка кількість теплоти, потім робоче тіло розширюється за адіабатою 3−4 до початкового тиску (точка 4) та вертається до початкового стану за ізобарою 4−1, під час цього відводиться теплота .

Характеристиками цикла є ступінь підвищення тиску в компресорі і ступінь додаткового підвищення тиску

.

Кількість теплоти, що підводиться, визначається за формулою

(3.15)

а кількість теплоти, що відводиться, — за формулою

. (3.16)

Підставивши значення і до виразу для термічного к. к. д. цикла, отримують

. (3.17)

Виразимо температури, й, користуючись значенням початкової температури робочого тіла :

для адіабати 1−2

;; (3.18)

для ізохори 2−3

;;; (3.19)

для адіабати 3−4

;;. (3.20)

Підставимо отримані значення температур у вираз для термічного к. к. д. циклу. Тоді

(3.21)

або

. (3.22)

Термічний к. к. д. ГТУ з підведенням теплоти при залежить від, і та збільшується разом зі збільшенням цих величин. Надіаграмі к. к. д. цикла ГТУ з підведенням теплоти при визначається зі співвідношення площин підведенної та відведенної теплоти (рис. 3.7):

. (3.23)

3.3 Порівняння циклів На рис. 3.8 наведені цикли ГТУ за однакових ступенів підвищення тиску й однакових максимальних температурах. Із рисунка видно, що цикл ГТУ з ізохорним підведенням теплоти має більший к. к. д. Дійсно, з рис. 3.8 видно, що в циклі з підведенням теплоти при середньоінтегральна температура підведення теплоти буде вищою, а середньоінтегральна температура відведення теплоти нижчою, ніж у циклі з підведенням теплоти у процесі: >.

Зіставлення циклів ГТУ за різних ступенях підвищення тисків та однакових максимальних температурах доводить справедливість висновку, отриманого під час дослідження роботи поршневих двигунів, про те, що цикл із підведенням теплоти при матиме більший к. к. д., ніж цикл із підведенням теплоти при, тобто к. к. д., що визначений за середньоінтегральними температурами, дає більше значення для циклу ГТУ з підведенням теплоти при (рис. 3.9): >.

3.4 Методи підвищення к. к. д.

Термічний к. к. д. ГТУ зі згорянням палива при росте разом зі збільшенням ступеня підвищення тиску. Однак зростання викликає збільшення температури газів наприкінці згоряння пального, внаслідок чого швидко руйнуються лопатки турбін і соплові апарати, охолодження яких ускладнене.

Щоб підвищити к. к. д. ГТУ, частково змінили умови їх роботи. В установках почали застосовувати регенерацію теплоти, багатоступеневе стиснення повітря в компресорі, багатоступеневе згоряння і т. д. Це дало значний ефект і підвищило в установках рівень досконалості перетворення теплоти на роботи.

Розглянемо дещо детальніше застосування регенерації теплоти в ГТУ зі згорянням палива при (рис. 3.10). Стиснене повітря з турбокомпресора 4 спрямовується до регенератора 8, де отримує теплоту за незмінного тиску від газів, виходячих із камери згоряння 1 через сопло 2 у турбіну 3. Підігріте повітря з регенератора 8 крізь форсунку 7, а пальне з паливного насосу 5 крізь форсунку 6 спрямовується до камери згоряння 1.

Ідеальний цикл такої ГТУ з регенерацією теплоти зображений на рис. 3.11 і 3.12. На цих рисунках: 1−2 — адіабатне стиснення повітря в компресорі; 2−5 — ізобарне підведення теплоти в регенераторі; 5−3 — підведення теплоти за умови постійного тиску в камері згоряння; 3−4 — адіабатне розширення продуктів згоряння в соплах турбіни; 4−6 — ізобарне відведення теплоти від газів у регенераторі; 6−1 — ізобарне відведення теплоти від газів після їх виходу з регенератора до теплоприймача.

Якщо припустити, що охолодження газів у регенераторі відбувається до температури повітря, яке надходить до нього, тобто від до, то регенерація буде повною.

Термічний к. к. д. циклу повної регенерації, коли, знайдемо з рівняння

;; , (3.24)

тоді

. (3.25)

Температури в основних точках цикла визначаються таким чином:

;;. (3.26)

К. к. д. циклу

. (3.27)

Термічний к. к. д. циклу з підведенням теплоти при та повною регенерацією залежить від початкової температури газу і від температури наприкінці адіабатного розширення .

Практично повну регенерацію здійснити неможливо через обмеженість розмірів регенераторів і наявності кінцевої різниці температур між двома потоками газу — того, що нагрівається, і того, що охолоджується. В цьому випадку газ який нагрівається, матиме температуру, дещо меншу за, а охолоджувані гази — температуру, вищу за. Тому термічний к. к. д. циклу має залежати від ступеня регенерації, що визначається як відношення температур:

. (3.28)

Термічний к. к. д. циклу ГТУ з неповною регенерацією, тобто коли <1, визначають таким чином:

. (3.29)

Значення ступеня регенерації залежить від конструкції теплообмінника чи від розміру робочих поверхонь.

Регенерацію теплоти можна здійснити й у ГТУ з підведенням теплоти при. Оскільки процес регенерації відбувається в теплообміннику при постійному тиску, то підведення теплоти в цьому випадку виконується як за ізобарою, так і за ізохорою (рис. 3.13). Даний цикл складається з таких процесів: 1−2 — адіабатне стиснення повітря в компресорі; 2−3 — нагрівання стисненого повітря в регенераторі при; 3−4 — підведення теплоти при всередині камери згоряння; 4−5 — адіабатне розширення продуктів згоряння в соплах турбіни; 5−6 — відведення теплоти від газів у регенераторі при; 6−1 — відведення теплоти від газів до теплоприймача при .

Кількість підведеної та відведеної теплоти становитиме відповідно

;. (3.30)

Термічний к. к. д. цикла, що розглядається, дорівнює

. (3.31)

Термічний к. к. д. циклу ГТУ з підведенням теплоти при внаслідок регенерації теплоти також зростає. Використання регенерації дозволяє зменшити найбільший тиск у циклі без зниження його економічності.

Крім того, економічність ГТУ можна підвищити, здійснивши ізотермне підведення та відведення теплоти. Однак на практиці через конструктивні труднощі неможливо повною мірою здійснити ізотермні процеси стиснення та підведення теплоти. Щоб наблизити дійсний процес стиснення до ізотермного, в компресорах застосовують багатоступінчате стиснення з проміжним охолодженням. Так само у газових турбінах для наближення дійсного процесу підведення теплоти до ізотермного використовують ступінчате згоряння з розширенням продуктів згоряння в окремих ступенях турбіни. Чим більша кількість ступенів розширення та стиснення, тим вищий термічний к. п. д. Проте застосування великої кількості камер згоряння та холодильніків недоцільне, тому що це значною мірою ускладнює конструкцію ГТУ та збільшує втрати від незворотності процесів.

Зазвичай, виходячи з техніко-економічних міркувань, ГТУ виконують із двохступеневим розширенням і трьохступеневим стисненням. У такій установці атмосферне повітря послідовно стискається в окремих ступенях компресора й охолоджується у проміжних холодильниках. Повітря під високим тиском надходить до першої камери згоряння, де нагрівається до максимальної температури. Після розширення в турбіні газ надходить до другої камери згоряння, де внаслідок спалювання пального при постійному тиску він знов нагрівається до граничної температури. Потім продукти згоряння розширюються у другій турбіні (чи у другому ступені турбіни) та викидаються до атмосфери. Якщо у ГТУ здійснюється цикл із регенерацією теплоти, то нагрівання стисненого повітря можна здійснити шляхом охолодження вихлопних газів. Ідеальний цикл такої ГТУ зображений удіаграмі на рис. 3.14.

Вживання цих заходів — регенерація теплоти, поетапне стиснення, ступінчате підведення теплоти — дозволяє значно підвищити к. к. д. ГТУ, а ідеальний цикл за таких умов наближується до узагальненого (регенеративного) циклу Карно.

Усі дійсні ГТУ працюють за розімкненою схемою, в якій продукти згоряння після роботи на лопатках турбіни викидаються до атмосфери. В таких схемах використовують рідкі чи газоподібні палива, які містять мінімальну кількість твердих часток; це допомагає попередити передчасний знос лопаток турбіни.

Під час використання твердих палив ГТУ функціонують за замкненим процесом, де робочим тілом є чисте повітря або інший газ, який нагрівається у поверхневих теплообмінниках. У такій установці одна й та ж сама порція повітря чи газу проходить крізь газову турбіну та теплообмінники, внаслідок чого утворюється замкнений процес робочого тіла.

Замкнений процес має ряд переваг. У ньому можна застосовувати дешеві тверді палива та використовувати повітря високого тиску, що призводить до зменшення об'єму робочого тіла, а відтак і габаритів установки. У цих установках замість повітря застосовують важчі за нього гази та низькокиплячі речовини, наприклад вуглекислоту. Заміна повітря вуглекислотою дозволяє використовувати насос замість компресора, що підвищує к. к. д. та надійність установки. Недоліком замкненої схеми є великі габарити теплообмінників.

4. ВИКОРИСТАННЯ ГТУ РІЗНИХ ТИПІВ Останнім часом ГТУ широко використовують у різноманітних галузях: на транспорті, в енергетиці, для приводу стаціонарних установок і в інших випадках.

4.1 Енергетичні

Газова турбіна менша та легша за парову, тому в момент пуску вона прогрівається до робочих температур значно швидше. Камера згоряння виводиться на режим практично миттєво, на відміну від парового котла, який потребує повільного тривалого (декілька годин або навіть десятків годин) прогріву задля уникнення аварії через нерівномірні теплові подовження, особливо масивного барабана діаметром до 1,5 м, довжиною до 15 м, із товщиною стінки вище 100 мм.

Тому ГТУ застосовують, насамперед, для покриття пікових навантажень і в якості аварійного резерву для власних потреб великих енергосистем, коли необхідно дуже швидко залучити агрегат до робочого процесу. Менший к. к. д. ГТУ порівняно з паросиловими установками (ПСУ) в цьому випадку неважливий, тому що установки функціонують упродовж невеликих проміжків часу. Для таких ГТУ властиві часті пуски (до 1000 на рік), і разом із цим відносно низька кількість годин використання (від 100 до 1500 год/рік). Діапазон одиничних потужностей таких ГТУ складає від 1 до 100 МВт.

Швидке розвинення атомних енергетичних установок із реакторами, що охолоджуються, наприклад, гелієм, відкриває перспективу застосуванню одноконтурних ГТУ, які працюють за замкненим циклом (робоче тіло не залишає установку).

4.2 Приводні

Ці ГТУ широко використовуються для приводу відцентрових нагнітачів природного газу на компресорних станціях магістральних трубопроводів, а також насосів для транспортування нафти та нафтопродуктів і повітрядувок у парогазових установках. Корисна потужність таких ГТУ складає від 2 до 30 МВт.

4.3 Транспортні

Розповсюджені в якості головних і форсажних двигунів літаків (турбореактивних і турбогвинтових) і суден морського флоту. Це пов’язане з можливістю отримання рекордних показників за питомою потужністю та габаритним розмірам порівняно з іншими типами двигунів, незважаючи на дещо підвищені витрати палива. Такі ГТУ зазвичай функціонують у діапазоні навантажень 30−110% номінальної, з частими пусками та зупинками. Одиничні потужності цих ГТУ складають від десятків кВт до 10 МВт.

Газові турбіни вельми перспективні в якості двигунів локомотивів, де їх незначні габарити і відсутність потреб у воді є особливо цінними. Транспортні ГТУ працюють у широкому інтервалі навантажень і можуть бути застосовані для короткочасних форсувань.

4.4 Енерготехнологічні

Специфічну групу енергетичних ГТУ складають установки, що працюють у технологічних схемах хімічних, нафтопереробних, металургійних та інших комбінатів (енерготехнологічні). Вони функціонують у базовому режимі навантаження та призначені частіше за все для приводу компресора, що забезпечує технологічний процес стислим повітрям або газом за рахунок енергії розширення газів, утворених в результаті самого технологічного процесу.

4.5 З утилізацією теплоти відхідних газів Теплоту газів, які виходять із ГТУ, можна використати, щоб отримати пару та гарячу воду. Наприклад, установки ГТ-25−700 ЛМЗ обладнані підігрівачами, що нагрівають воду в ситемі опалення до 150−160 єC.

Разом із тим відносно високий рівень коефіцієнта надлишку повітря в ГТУ дозволяє спалювати додатково достатньо велику кількість пального в середовищі продуктів згоряння. Внаслідок цього з додаткової камери згоряння після ГТУ виходять гази з досить високою температурою, придатні для отримання пари енергетичних параметрів у спеціально встановленому задля такої цілі парогенераторі. К. к. д. ГТУ з регенерацією тепла відхідних газів в теперішній час сягає величини порядку 30−33%.

5. ОГЛЯД СУЧАСНОГО СТАНУ ВИРОБНИЦТВА ГТУ Провідні позиції у виробництві газотурбінних енергетичних установок в Україні займають ВАТ «Турбоатом» (м.Харків), ВАТ «Мотор Січ» (м.Запоріжжя), ДП НВКГ «Зоря-Машпроект» (м.Миколаїв). Ці підприємства розробляють і виготовляють авіаційні газотурбінні двигуни і газотурбінні установки, створені спеціально для енергетичного використання. Вітчизняні ГТУ мають потужність не вище 110 МВт. У найбільш перспективному для парогазових установок класі потужності - близько 200 МВт — ГТУ в Україні не випускаються.

«Турбоатом» виробляє газотурбінні установки ГТЕ-45 в двох модифікаціях: ГТЕ-45−3 і ГТЕ-45−4. Перша модифікація призначена для роботи в автономному режимі, з котлом-утилізатором або підігрівачем мережної води і в складі парогазової установки з низьконапірним парогенератором (ПГУ з НПГ). Друга — для роботи у складі парогазової установки з високонапірним парогенератором (ПГУ з ВПГ).

трубопровідний транспорт газ компресор електростанція Таблиця 5.1 — Технічні характеристики ГТЕ-45

(базовий режим / піковий режим)

«Мотор Січ» виробляє блочно-транспортабельну газотурбінну електростанцію «Мотор Січ ЕГ-1000». Підприємство також випускає установки ПАЕС-2500 і ЕГ-2500T потужністю 2,5 МВт. Вони компенсують недолік електроенергії під час пікових навантажень, працюють в режимі резервування електроенергії. Серед продукції ВАТ — газотурбінні електростанції «Мотор Січ ЕГ-6000», «Мотор Січ ЕГ-8000» блочно-транспортабельного виконання. Працюють в діапазоні температур від -50 єC до +45 єC на газоподібному або рідкому паливі в автономному і паралельному режимах.

Таблиця 5.2 — Технічні характеристики газотурбінних електростанцій ВАТ «Мотор Січ»

«Зоря-Машпроект» виробляє ГТУ потужністю від 2,5 до 110 МВт. Один із напрямів діяльності - випуск промислових ГТУ простого циклу. Такі установки складаються з газотурбінного двигуна і електрогенератора (для використання в енергетиці) або нагнітача (для використання на компресорних станціях).

Таблиця 5.3 — Технічні характеристики ГТУ «Зоря-Машпроект»

За кордоном енергетичні ГТУ випускають понад 40 компаній. Більшість із них виробляє продукцію за ліцензіями лідерів ринку — General Electric, АBB, Siemens. В останні десятиліття різко зросла потужність ГТУ — до 300 МВт. К. к. д. при виробництві електричної енергії досягає 36−38%, а в багатовальних ГТУ, створених на базі авіаційних двигунів з високими ступенями підвищення тиску, к. к. д. може сягати 40%.

На сьогоднішній день найбільш потужну й ефективну енергетичну газову турбіну в світі виробляє Siemens. Потужність турбіни SGT5−8000H у відкритому циклі - 375 МВт, електричний к. к. д. — 39%. У комбінованому циклі (парогазова установка SCC-8000H) потужність становить понад 570 МВт, к. к. д. — понад 60%. SGT5−8000H — синтез важкого сталеливарного виробництва і новітніх технологій. Приблизно 95% турбіни виконано зі сталі. Її частини, в цілому близько 7 тис., підігнані одна до одної з точністю годинникового механізму, а кріплення камери згоряння є технічною новинкою в галузі. Нова турбіна володіє ще цілим рядом інновацій, особливо в області охолодження лопатей турбіни, що зазнають впливу високих температур (до 1500 єC). Високоефективне охолодження турбіни позитивно впливає на швидкість її запуску. Цей фактор стає все більш важливим нині, коли газові турбіни застосовуються як допоміжні системи на вітроелектростанціях.

Таблиця 5.4 — Технічні характеристики SGT5−8000H [6]

ВИСНОВКИ

1. Газова турбіна — тепловий двигун безперервної дії, в лопатковому апараті якого енергія стисненого і нагрітого газу перетворюється в механічну роботу на валу.

2. Газотурбінний двигун — агрегат, у якому: 1) організовано циклічний процес за участі неконденсуючого газу в якості робочого тіла; 2) тяговою частиною є газова турбіна; 3) основні етапи циклу здійснюються в різних конструктивних вузлах установки. Газотурбінна установка (ГТУ) — газотурбінний двигун разом із іншими елементами, що необхідні для забезпечення його функціонування.

3. Більшість сучасних газових турбін працюють за циклом Брайтона (); цикл із підведенням теплоти у процесі у практичних умовах зустрічається значно рідше. Як і в усіх циклічних теплових двигунах, чим вища температура згоряння, тим вищий к. к. д. Стримуючим фактором є здатність сталі, кераміки або інших матеріалів, з яких складається двигун, витримувати температуру і тиск. Утилізація тепла за допомогою теплообмінника чи котла-утилізатора також збільшує загальний к. к. д. установки.

4. У світі за допомогою ГТУ виробляється більше 20% електроенергії, і ця частка безперервно зростає. Електричний к. к. д. сучасних ГТУ становить 35−40%. Під час їх застосування необхідно використовувати не тільки механічну роботу, але також і теплоту відхідних газів, якщо це можливо та доцільно. Із загальної кількості підведеного до камери згоряння ГТУ палива близько 80−85% його можуть бути ефективно використані.

5. Виробництво газових турбін із високим к. к. д. набуває дедалі більшого значення. ГТУ — перспективний тип двигуна, її втілення до промисловості є однією з важливих потреб розвитку енергетики. Цей крок дозволяє вирішувати задачі економії енергетичних ресурсів, регулювання потужності та створення системи екологічної безпеки.

ПЕРЕЛІК ПОСИЛАНЬ

1. Чечёткин, А. В. Теплотехника: Учебник для хим.-технол. спец. вузов / А. В. Чечёткин, Н. А. Занемонец. — М.: Высшая школа, 1986. — 344 с.

2. Теплотехника: Учебник для студентов втузов / А. М. Архаров, С. И. Исаев, И. А. Кожинов и др. — М.: Машиностроение, 1986. — 432 с.

3. Нащокин, В. В. Техническая термодинамика и теплопередача: Учебное пособие для неэнергетических специальностей вузов / В. В. Нащокин. — М.: Высшая школа, 1975. — 496 с.

4. Лариков, Н. Н. Теплотехника: Учебник для вузов / Н. Н. Лариков. — М.: Стройиздат, 1985. — 432 с.

5. Теплотехника: Учебник для вузов / А. П. Баскаков, Б. В. Берг, О. К. Витт и др. — М.: Энергоатомиздат, 1991. — 224 с.

6. Газотурбинные установки набирают мощность. — Режим доступу: http://www.uaenergy.com.ua/c225758200614cc9/0/ef17d10667b719bbc225775f0043e398 — 19. 07. 2010 р. — Заголовок з екрану.