Газовые турбины
Газовые турбины
35.1. Одновальная газотурбинная установка
Газотурбинные установки (ГТУ) применяют на транспорте, электростанциях, в газовой и нефтяной промышленности, на нефтеперерабатывающих заводах, для привода насосов и компрессоров на магистральных газо- и нефтепроводах, на металлургических заводах, предприятиях, химической промышленности и др.
Принципы работы ГТУ и термодинамические показатели их циклов приведены в первом разделе.
Наиболее простой газотурбинной установкой является одновальная, работающая по разомкнутой схеме с внутренним горением при р =const. Она состоит из газовой турбины, камеры сгорания и компрессора, расположенных на одном валу. Воздух для горения засасывается в компрессор, где сжимается до 400 ...600 кПа и направляется в камеру сгорания 4, в которой при указанном давлении сжигается топливо.
Газотурбинная установка компактна, обладает малой массой, не имеет свойственных поршневому двигателю внутреннего сгорания деталей с возвратно-поступательным движением, отличается малыми издержками на содержание, может работать без потребления воды. В газотурбинной установке легко осуществима полная автоматизация процессов.
Расчетный КПД описанной газотурбинной установки при температуре газа перед турбиной 725° С равен 21%.
К достоинствам ГТУ относится возможность сжигания в камере сгорания установки и газообразного, и жидкого топлива. От качества топлива зависят условия надежной работы ГТУ и выбираемая максимальная температура газов. Топливо должно быть свободным от серы, натрия и особенно ванадия.
'Применение дешевого топочного мазута не встречает затруднений, если температура газов перед турбиной не выше 650° С. При более высоких температурах к топливу приходится предъявлять более высокие требования. Достоинством ГТУ является также возможность получения большой мощности в одном газотурбинном агрегате, как и в паротурбинной установке. Вместе с тем ГТУ, выполненная по наиболее простой одновальной схеме, обладает существенным недостатком.
Рекомендуемые материалы
При работе с недогрузкой экономичность установки значительно уменьшается. Наиболее резко снижается КПД ГТУ на частичных нагрузках при работе газовой турбины с постоянной частотой вращения. При уменьшении нагрузки ГТУ подача топлива в камеру сгорания сокращается при почти постоянном поступлении воздуха из компрессора, что приводит к резкому понижению температуры газа перед турбиной и значительному снижению экономичности установки.
На работу ГТУ большое влияние оказывает температура и давление окружающего воздуха. Повышение температуры и снижение атмосферного давления приводят к снижению мощности газотурбинной установки.
35.2. Мероприятия по усовершенствованию газотурбинной
Установки
Регенерация теплоты. Заметное относительное повышение тепловой экономичности ГТУ может быть достигнуто применением регенерации теплоты.
Степень регенерации тесно связана с площадью поверхности нагрева регенератора. Связь между степенью регенерации φ и площадью поверхности нагрева регенератора F легко показать для регенератора с противотоком. Согласно условиям передачи теплоты при равенстве количества теплоты для обеих сторон регенератора (обозначения по рис. 11.12),
(35.1)
Индексом «в» помечены величины, характеризующие воздух, а «г»— газ.
Для противотока можно принять Т5 —Т2 » Т4 —Т6 и среднюю разность температур
DТ = Т4 —Т5 = Т6 —Т2 . (35.2)
Отсюда при Qтв = Qтг = Qт и срв = срг = ср
После вычитания и прибавления Т2 в знаменателе полученной дроби, деления ее числителя и знаменателя на Т4 — Т2 и подстановки значения степени регенерации, согласно
φ = (Т5 – Т2)/(Т4 - Т2),
получаем
(35.3)
При φ = 0 F = 0; при φ = 1 F = ∞.
Очевидно, что выбор степени регенерации связан со стоимостью регенератора, его габаритами и весом.
Промежуточное охлаждение. Для уменьшения мощности, затрачиваемой на сжатие воздуха в компрессоре, в ГТУ применяют промежуточное охлаждение воздуха при сжатии.„Этим достигается значительное увеличение удельной работы газа и некоторое повышение КПД ГТУ.
Промежуточное охлаждение воздуха при сжатии обычно приводит л необходимости деления компрессора на отдельные корпуса. При одном корпусе, особенно в осевых компрессорах, затруднителен отвод воздуха в воздухоохладитель и обратный его подвод к компрессору. Кроме того, с промежуточным охлаждением связано применение более высокого отношения давлений ГТУ, а создание в одном агрегате высоконапорного компрессора с удовлетворительной характеристикой затруднительно. Воздухоохладитель обычно устанавливают между компрессорами низкого и высокого давления.
На рис. 35.1 показана для примера одна из первых газотурбинных установок, выполненных ХТГЗ им. С. М. Кирова. Это двухвальная ГТУ-50-800 мощностью 50000 кВт с двумя промежуточными охлаждениями и регенерацией теплоты. Температура газа перед турбиной 800° С. Засасываемый воздух сжимается в компрессоре низкого давления 1, затем поступает в воздухоохладитель 2. Охлаждающим телом служит вода. Охлажденный воздух сжимается в компрессоре среднего давления 4, откуда опять направляется в воздухоохладитель 5.
После камеры сгорания 8 газ расширяется в турбине высокого давления 9. Далее газы поступают в дополнительную камеру сгорания 10, где повышается их температура, и после этого расширяются в турбине низкого давления 11, а затем используются .в регенераторе 7. Отработавшие газы поступают после регенератора 7 в атмосферу
Из воздухоохладителя 5 воздух поступает в компрессор высокого давления 6, откуда направляется в регенератор 7, где повышается его температура, и далее в камеру сгорания 8.
Генератор электрического тока 3 расположен на валу турбины низкого давления 11.
Необходимо отметить, что воздухоохладитель приводит к потерям давления в воздушном тракте ГТУ. Эта потеря давления, отнесенная к давлению газа перед турбиной, составляет около 2%.
Промежуточный подвод теплоты. Чтобы повысить удельную полезную работу газа, осуществляют промежуточный подвод теплоты к нему. Этим достигается значительное повышение удельной работы воздуха и КПД ГТУ. Промежуточный подвод теплоты осуществляется в дополнительной камере сгорания. Путем дополнительного сжигания топлива в камере температура газа при входе в турбину низкого давления повышается. Она может быть увеличена до начальной температуры газов у турбины высокого давления.
Сжигание топлива происходит в среде продуктов сгорания, содержащих ввиду большого коэффициента избытка воздуха в камере первичного горения еще достаточное количество кислорода.
Дальнейшее расширение газа до конечного давления происходит в турбине низкого давления.
Таким образом, подведем теплоты в камеру сгорания низкого давления можно получить добавочную работу в турбине при этой же затрате мощности на сжатие воздуха в компрессоре. При надлежащем использовании имеется также некоторый выигрыш в КПД установки. Промежуточный подвод теплоты целесообразен в сочетании с другими теплотехническими мероприятиями по повышению КПД ГТУ, например, с промежуточным охлаждением воздуха. При этом КПД газотурбинной установки повышается более заметно. Недостатками промежуточного подогрева являются наличие дополнительной камеры сгорания и сложное выполнение турбины низкого давления ввиду высоких температур газа; появление трудностей в охлаждении дополнительной камеры сгорания, так как используемые для горения в камере газы из турбины высокого давления имеют высокую температуру. Воздух, направляемый в камеру сгорания из компрессора, обычно предварительно используется для охлаждения стенок камеры сгорания. Вместе с тем дополнительная камера сгорания обеспечивает большую свободу оптимального регулирования режимов.
Рис. 35.1 Схема ГТУ-50-800 ХТГЗ им. С.М. Кирова
Рис. 35.2. Схема ГТУ с использованием теплоты: 1 — компрессор; 2 — камера сгорания; 3 — турбина; 4 — регенератор; 5 — теплообменник; 6 — котел-утилизатор с дожиганием |
В случае больших единичных мощностей двигателя, например турбины ХТГЗ мощностью 50 тыс. кВт, получение такой большой мощности возможно лишь при использовании промежуточного подвода теплоты.
Использование теплоты уходящих газов для внешних нужд. На рис. 35.2, а приведена схема газотурбинного двигателя с регенератором и дальнейшим использованием теплоты в утилизационном подогревателе, а на рис. 35.2, б — схема ГТУ без регенератора с дожиганием топлива в котле-утилизаторе.
Использование теплоты в ГТУ является весьма эффективным ввиду высокой температуры и значительного количества газа при выходе из турбины. При использовании отработавшей теплоты экономичность значительно возрастает.
35.3. Многовальные газотурбинные установки
Наиболее простой из многовальных схем ГТУ является двухзальная (рис. 35.3) с выделенной свободной турбиной низкого давления, так называемая «неблокированная» двухвальная схема. На одном валу с турбиной высокого давления 1 расположен компрессор 4. Назначение этой турбины — обеспечить мощность, необходимую для сжатия воздуха. Это так называемая компрессорная турбина. Отработавшие газы из компрессорной турбины поступают в турбину низкого давления (свободную) 3, которая развивает мощность, потребную для приводимого ею во вращение генератора тока 5. Так как обе турбины работать при разных частотах вращения почти независимо друг от друга. Компрессорная, турбина развивает частоту вращения, требуемую для обеспечения заданной подачи компрессора. Свободная же турбина развивает частоту вращения, обусловленную приводимым ею во вращение агрегатом. Воздух из компрессора 4 поступает в регенератор 6, а затем в камеру сгорания 2.
Рис. 35.3. Схема неблокированной двухфазной ГТУ
При снижении нагрузки вместе с уменьшением подачи топлива в камеру сгорания уменьшается частота вращения компрессорной турбины и одновременно количество воздуха, поступающего в камеру. Поэтому при частичных блокированной двух нагрузках может быть сохранена высокая температура газа перед турбиной в относительно большом диапазоне. Более высокая температура обеспечивает экономичность установки. Это достоинство имеет особое значение в стационарных установках, где газовая турбина вращает электрический генератор при постоянной частоте вращения. Однако в сочетании с электрическим генератором применение рассматриваемой схемы ограничено, так как она отличается неблагоприятной динамической характеристикой. Это выражается в том, что при быстром резком снижении
нагрузки (сбросе нагрузки) возможен значительный сброс частоты
вращения и температуры в периоде регулирования двигателя.
Обратите внимание на лекцию "39 Особенности болота как водного объекта".
Двухвальная схема, приведенная на рис. 35.1, отличается от схемы, изображенной на рис. 35.3, тем, что она не содержит свободной турбины. Согласно этой схеме, турбина высокого давления приводит одновременно в движение генератор и компрессор среднего давления. Эта блокированная схема свободна от указанного выше недостатка ГТУ неблокированной схемы.
Необходимо отметить, что применение неблокированной турбины является весьма перспективным в транспортной установке. Для получения требуемой тяговой характеристики свободная турбина (тяговая), связанная непосредственной механической передачей с движущими колесами, должна развивать почти постоянную мощность независимо от ее частоты вращения. Это достигается тем, что компрессорная турбина обеспечивает большую подачу компрессора, в то время как тяговая турбина развивает малую частоту вращения или пускается в ход. При этих условиях обеспечивается необходимый вращающий момент при малых частотах вращения и при трогании.
Рис. 35.4. Зависимость вращающего момента от частоты вращения
В двухвальной установке при небольшой частоте вращения двигателя вращающий момент в 2,5 ...3 раза превышает момент при номинальной частоте вращения (рис. 35.4, кривая В). В одновальной ГТУ, где частота вращения компрессора не отличается от частоты вращения турбины, с уменьшением частоты вращения снижается количество подаваемого воздуха в камеру сгорания, а следовательно, и расход газа через турбину. Вследствие этого вращающий момент резко уменьшается (кривая А). Для сравнения на рисунке показана линия момента для двигателя внутреннего сгорания (кривая С).
Многовальные схемы делают газотурбинную установку сложной и заметно снижают ее основное преимущество — малые габариты и масса.