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 Q_тв = Q_тг = Q_т и с_рв = с_рг = с_р

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

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.