Termodinamicheskie_osnovy_ciklov_teploen ergeticheskih_ustanovok_A.A._Aleksandrov (А.А. Александров - Термодинамические основы циклов теплоэнергетических установок), страница 22

127 Глава 9 ЦИКЛЫ ПАРОТАЗОВЫН УСТАНОВОК 9.1. Причины применения комбинированных циклов Проведенное рассмотрение термодинамичсских циклов паротурбинных и газотурбинных установок показывает, что оба эти типа основных энергетических машин имеют существенно более низку1о экономичность, чем та, которая теоретически может быть достигнута при применяющихся в этих установках источниках теплоты. Другими словами, эксергия топлива использушся в этих установках далеко не полностью и эксергетический 1<ПД их невысок.

Рассматривая перспективы повышения экономичности энергетических установок, в качестве очевидного мох<но назвать путь повышения параметров (прежде всего начальной температуры) рабочего вещества, используемого в циклах этих установок. Прогресс в этом направлении зависит от успехов в создании новых жаростойких материалов и в конструировании основных агрегатов установок. В то же время, рассмотрев область тел1ператур, освоенную промышленностью, можно указать способ повышения полноты использования топлива.

Он состоит в том, чтобы в заданном интервале температур использовать не просто один из этих циклов, а совокупность двух связанных между собой общим тепловым потоком циклов. В таких комбинированных циклах существует возможность сочетать разные виды циклов или разные рабочие вещества, используя преимущества каждого из них в своей области температур. Эффективность любого цикла определяется его конфигурацией, т.е.

совокупностью составляющих его процессов, К сожалению, до сих пор не удалось найти рабочее вещество, свойства которого как при высоких температурах, так и при температурах, близких к температуре окружающей среды, позволяли бы организовать процессы, наиболее желательные с точки зрения достижения высокого термического КПД цикла. Так, например, свойства воды позволяют весьма эффективно и просто организовать отдачу теплоты в цикле при температурах, близких к температуре окружающей среды Т, в изобарно-изотермнческом процессе конденсации пара при достаточно легко поддерживаемых давлениях в конденсаторе, равных 2 — 4 кПа. В то же время подвод теплоты в пароводяном цикле характеризуется средней температурой Т,, намного отличающейся от максимальной (500— 128 600 'С). Связано это с тем, что вода имеет достаточно низкую критическую температуру (1„„= 374 'С) и подвод теплоты при высоких температурах производится к перегретому или сверхкритическому пару, форма изобар которого такова, что повышение максимальной температуры незначительно увеличивает среднюю температуру Т, и соответственно термический КПД цикла (рис.

9.1). В газотурбинной установке рабочее тело — воздух нагревается непосредственно при сжигании топлива, что упрощает задачу создания оборудования и достижения высоких температур (вплоть до 1100 — 1300 'С). В то же время отдача теплоты в цикле иа изобаре от газообразных неконденсирующихся продуктов сгорания должна происходить в широком диапазоне температур, значительно более шлсоких, чем температура окружающей среды (рис.

9.2). Естественно, что это существенно снижает термический КПД цикла. Этот недостаток газов как рабочего вещества цикла можно в некоторой степени компенсировать применением регенерации. Однако в этом случае из-за громоздкого регенератора ГТУ теряет многие свои привлекательные качества.

Следовательно, можно заключить, что воздух обладает свойствами, делающими его привлекательным для использования в высокотемпературной части цикла, а вода — для применения в его низкотемпературиой части. Комбинированные парогазовые установки (ПГУ), в которых в высокотемпературной области используется газотурбинная установка, я в низкотемпературной — паротурбинная, нашли достаточно широкое распространение в современной энергетике. Существует несколько вариантов совместного использования циклов ГТУ и ПТУ. 129 Общим для всех них является использование теплоты уходящих газов ГТУ, температура которых, как показано ранее, может быть очень высокой.

9.2. Цикл ПГР с газоводянмм подогревателем Комбинированная установка включает в себя ГТУ с компрессором К (рис. 9.3), камерой сгорания КС, газовой турбиной ГТ и ПТУ с паровым котлом 11К, паровой турбиной ПТ, конденсатором Ки и регенеративными подогревателями питательной воды РП (на схеме показан один из них). Кроме этого, имеется газоводяной подогреватель ГВП питательной воды, который установлен параллельно регенеративным подогревателям. Этот подогреватель является общим элементом комбинированной установки, так как в нем подогрев питательной воды осуществляется теплотой уходяших газов ГТУ перед выбросом их в атмосферу.

В случае остановки ГТУ по тем или иным причинам ГВП клапанами Кл-3 отключается от схемы ПТУ и питание котла водой производится через регенеративные подогреватели. Действительный цикл комбинированной установки в Т, з-диаграмме представлен на рис. 9.4. Здесь цикл 1 — 2д — 3 — 4д — 5 — 1 есть цикл ГТУ, в которой газ после расширения в турбипе (точка 4д) при атмосферном давлении охлаждается в ГВП до состояния 5, отдавая теплоту питательной воде цикла ПТУ, и только после этого отдает теплоту Дз„окружающей среде. В цикле ПТУ 6 — 7д — 8 — 9 — 6 подогрев питательной воды от состояния 8 до состояния 9 производится в ГВП за счет теплоты газа ГТУ, а дальнейший подвод теплоты Топлнао Рис.

9.3 1/ „осУществлЯетсЯ за счет сжиганиЯ то- г в!ива в котле. Таким образом, комбинированный цикл является частично бинарным, т.е. в низкотемпературном цикле часть теплоты (та, что подводится в 1 В<т) получена из высокотемпературно!о цикла, а остальная часть — от продуктов сгорания топлива. Поскольку термодинамические свой- ! стпа газа и воды различны, в газовой и полной частях комбинированного цик- Рпс.

9.4 ла циркулируют разные количества рабочего тела. Соотношение между ними можно определить из теплового баланса узла, связывающего оба эти контура, т.е. ГВП. Эта величина, называемая крот«остью </нркулл!/ни воздуха т, рассчитывается как т = (/!9 — Ьз)/(й4д — Ь5). (9.1) Заметим, что и Т, 8-диаграмма (рис. 9.4) построена соответственно лля газа массой т, кг, и воды массой ! кг. Внутренний КПД комбинированного цикла можно определить как тй пГУ «</ГГУ+ /<ПУ «г((Лз Л4д) (Лгд Л!)) + (Лб Л7д) " . (9.2) О!!+0!! т(Лз — "гд)+("4 — Л9) Доля мощности ПГУ, вырабатываемая ГТУ, может составлять '0 — 25 обад.

9.3. Цикл ПГУ с котлом утилизатором В газовой части ПГУ с котлом-утилизатором (рис. 9.5) атмосферный воздух, сжатый компрессором К, поступает в камеру сгорания КС, где к нему при сжигании топлива подводится теплота ф„,, и далее адиабатно расширяется в газовой турбине ГТ, производя работу, которая используется для вращения компрессора и генератора. Уходящие из турбины газы направляются в топку котла-утилизатора КУ. Содержание кислорода в этих газах может составлять 12 — 17%, н они могут использоваться вместо воздуха для сжигания вводимого в топку топлива и дополнительного подвода теплоты Д<,„. Однако в лучших современных ГТУ, в которых температура газов перед турбиной составляет 1100 †!250 'С, температура уходящих газов может достигать 430 †5 'С.

Это позволяет получать пар в котле-утилнзаторе высоких параметров и без дополнительного подвода тепло- 131 тепляка и Рис. 9.6 Рис. 9.5 ты. Именно такой случай продемонстрирован на Т, я-диаграмме цикла, представленной на рис. 9.6. Полученный пар поступает в паровую турбину ПТ, после адиабатного расширения в ней конденсируется в конденсаторе Кн, и конденсат насосом снова подается в котел- утилизатор. Таким образом, и ГТУ и ПТУ работают по обычным своим циклам.

На схеме (рис. 9.5) обе установки представлены в простейших их вариантах. Реально в схемах ГТУ используются многоступенчатые сжатие и расширение газа, а в схемах ПТУ вЂ” вторичный перегрев пара и регенеративный подогрев питательной воды паром, отбираемым нз турбины.

Объединение же их в единую парогазовую установку снижает расход топлива за счет использования теплоты уходящих после газовой турбины газов в паровом котле. Эффективный КПД комбинированной парогазовой установки ПГУ и его связь с эффективными КПД входящих в ее состав ГТУ и ПТУ з), можно получить следующим образом. По опредегту пту пению Гту Гту пту у)е ПГУ е'ГТУ+ Пту 01кЛе + Ы1ка( 11е )+О!к. )Че . (9.3) 01кс+01ку 01кс + !21ку Введя новую величину и — степень бинарности цикла, составляющую (9.4) 01кЯР!к.с 01к.у)~ 132 приведем это выражение к виду ч'о, в с ' (! -т1 )пт1 .(95) 50 Из (9.5) следует, что при данных КПД ГГУ н ПТУ наивысший КПД ПГУ получается при степени бинарности, равной единице.