Принципиальные схемы газотурбинных установок открытого цикла

Газотурбинным двигателем (ГТД) можно назвать такой двигатель, в котором в качестве рабочего тела (в отличие от паровых турбин) используется неконденсирующийся газ (воздух, продукты сгорания топлива или нейтральные газы), а качестве тягового двигателя применяется газовая турбина, а все основные процессы цикла (в отличие от поршневых двигателей) совершаются в различных конструктивных элементах установки [3]. Сам термин «турбина» происходит от латинских слов turbineus – вихреобразный, или turbo – волчек. Турбина и есть тот двигатель, в котором механическая работа на валу машины получается за счет преобразования кинетической энергии газовой струи, в свою очередь получаемую в результате преобразования потенциальной энергии рабочего тела – энергии сгоревшего топлива.

Получаемая в двигателе полезная работа определяется как разность между работой расширения и работой сжатия.

Основным отличительным признаком газотурбинного двигателя, например, от поршневых двигателей внутреннего сгорания, является организация круговых процессов. В поршневых машинах, как известно, все основные процессы цикла – сжатие, подвод тепла и расширение последовательно сменяют друг друга в одном и том же замкнутом пространстве система цилиндр – поршень), а в газотурбинном двигателе все эти процессы непрерывно осуществляются в различных его элементах, последовательно расположенных по ходу движения рабочего тела (компрессор – камера сгорания - газовая турбина).

В зависимости от способов организации подвода тепла топлива к рабочему телу, организации процессов сжатия и расширения, газотурбинные установки (ГТУ) могут быть выполнены по открытому (разомкнутому), закрытому (замкнутому) и полузамкнутому циклам.

В ГТУ открытого цикла, наружный воздух, пройдя систему очистных фильтров, процесс сжатия в компрессоре, систему подвода тепла топлива в камере сгорания и процесс расширения образовавшихся продуктов сгорания в газовой турбине, через выхлопную трубу выбрасывается в атмосферу и его уже нельзя вернуть в установку вновь в качестве рабочего тела.

В ГТУ закрытого цикла, рабочее тело (например, воздух), находящиеся под относительно высоким давлением, постоянно циркулирует в системе, последовательно проходит процессы сжатия, подвода тепла, расширения и охлаждения перед поступлением вновь на сжатие. При этом процессы охлаждения рабочего тела и подвод тепла осуществляются с использованием соответствующих теплообменных аппаратов, исключая тем самым непосредственный контакт между рабочим телом, топливом и продуктами его сгорания.

ГТУ полузакрытого типа являются установками промежуточной схемы - между установками открытого и закрытого циклов.

Рабочий процесс ГТУ простейшей схемы осуществляется следующим образом: атмосферный воздух, пройдя систему воздушных фильтров, поступает на вход осевого компрессора (К), где сжимается до давления 0,6-1,6 МПа. После сжатия в компрессоре, воздух с температурой примерно 240-340 ⁰С поступает в камеру сгорания (КС), где за счет сжигания подводимого топлива, температура рабочего тела доводится до величины, обусловленной жаростойкостью лопаток и дисков газовой турбины (Т) – в стационарных ГТУ порядка 800-950 ⁰С; в авиационных – порядка 1000-1150 ⁰С. После прохождения газовой турбины, продукты сгорания с температурой порядка 400-500 ⁰С выбрасываются в атмосферу.

Мощность, развиваемая газовой турбиной, идет на привод осевого компрессора (большая ее часть, примерно 65 – 70 %) и на привод центробежного нагнетателя, либо для выполнения какой-то другой полезной нагрузки. КПД таких установок в настоящее время могут находиться на уровне 28-32%.

В одновальных установках все элементы ГТУ – осевой компрессор, газовая турбина и нагнетатель (полезная нагрузка) находятся на одном валу, что естественно приводит к тому, что при работе они все имеют одну и туже частоту вращения. Это приводит к тому, что при использовании их, например, на газопроводах различные законы изменения характеристик одновальной ГТУ и нагнетателя, при снижении частоты вращения, приводят к тому, что ГТУ быстрее теряет мощность, чем снижается мощность, потребляемая нагнетателем. Это приводит к тому, что одновальная ГТУ может обеспечить режим работы нагнетателя только в ограниченном диапазоне изменения частоты вращения его вала. При ухудшении КПД нагнетателя или элементов ГТУ, осуществить работу агрегата с приводом от одновальной газотурбинной установки в широком диапазоне изменения частоты вращения вала нагнетателя будет уже невозможно.

В ГТУ с «разрезным» валом, вал силовой турбины и нагнетателя, не будучи механически связанными с валом осевого компрессора и турбины высокого давления, может иметь практически любую частоту вращения, ему необходимую.

Рабочий процесс газотурбинной установки с регенерацией тепла отходящих газов осуществляется следующим образом: атмосферный воздух после прохождения системы воздушных фильтров (на схемах они не показаны), где он очищается от пыли и других примесей, поступает на вход осевого компрессора (К), где сжимается до давления 0,6-0,8 МПа и после сжатия в компрессоре воздух поступает в регенератор -воздухоподогрева-тель (Р), где за счет использования тепла отходящих из турбины газов его температура повышается, обычно на 230-280 ⁰С. После регенератора воздух поступает в камеру сгорания (КС), куда одновременно извне подается топливный газ, в результате чего температура газов перед турбиной высокого давления (ТВД) доводится до заданной величины. После расширения газов в газовой турбине, продукты сгорания проходят регенератор, в котором они частично охлаждаются, подогревая тем самым сжатый воздух после осевого компрессора перед поступлением его в камеру сгорания, и далее через выхлопную трубу выбрасываются в атмосферу.

Коэффициент полезного действия газотурбинной установки с регенерацией тепла отходящих газов в настоящее время достигает величины порядка 30-33%.

Наличие регенератора в схемах ГТУ, наряду со значительной экономией топливного газа, сопровождается неизбежными потерями мощности установки на преодоление гидравлических сопротивлений рабочего тела в газовоздушных трактах воздухоподогревателя, усложняет и удорожает установку, увеличивает расходы на ее обслуживание. Поэтому вопрос о целесообразности использования регенеративных установок на магистральных газопроводах решается на основе термодинамических и основанных на них технико-экономических расчетах.

В настоящее время на магистральных газопроводах относительно широкое распространение получили и получают газотурбинные установки авиационного типа, имеющей две ступени сжатия воздуха без его промежуточного охлаждения между компрессорами и в конструктивном отношении выполненные как трехвальные установки. Такие схемы имеют два компрессора и три последовательно расположенные газовые турбины: турбина высокого давления (ТВД), турбина среднего давления (ТСД) и турбина низкого давления (ТНД) – силовая турбина, находящаяся на одном валу с нагнетателем газа. Компрессор первой ступени сжатия приводится во вращение от турбины среднего давления , компрессор второй ступени сжатия – от турбины высокого давления. Конструктивно вал компрессора первой ступени сжатия и турбины среднего давления располагается внутри вала, соединяющего компрессор второй ступени сжатия и турбину высокого давления. Компрессоры первой и второй ступени сжатия работают на различных частотах вращения. Газотурбинные установки подобных схем позволяют получить высокие соотношения давлений сжатия в цикле – на уровне 16-20, что в сочетании с относительно высокими температурами газов перед ТВД в авиационных ГТУ (1000-1150 ⁰С) позволяет получать КПД установки на уровне 34-35% и даже выше.

Желание получить в газотурбинных установках большую удельную мощность и высокий КПД, привело к разработке и созданию установок с несколькими ступенями сжатия воздуха в осевых компрессорах и его промежуточным охлаждением в процессе сжатия между компрессорами, несколькими ступенями подогрева рабочего тела между газовыми турбинами в процессе его расширения и с регенерацией теплоты отходящих газов. Комплексное использование теплотехнических мероприятий: промежуточное охлаждение воздуха в процессе его сжатия, регенеративный погрев воздуха после компрессоров и промежуточный подвод тепла в процессе расширения, дают наибольший эффект как на пути повышения КПД установки (который может достигать величины порядка 40-45%), так и удельной мощности ГТУ.

В последние годы, с целью повышения КПД установок за счет рационального использования тепла отходящих газов ГТУ, делаются попытки использовать на газопроводах установки так называемого парогазового цикла.

По этой схеме продукты сгорания ГТУ после турбины низкого давления поступают в котел-утилизатор для выработки пара высокого давления. Полученный пар из котла-утилизатора поступает в паровую турбину, где расширяясь вырабатывает полезную работу, идущую на выработку электроэнергии на нужды компрессорной станции или привод нагнетателей. Отработанный пар после паровой турбины проходит конденсатор, конденсируется и полученная жидкость, насосом вновь подается в котел-утилизатор, замыкая тем самым цикл силовой установки. КПД таких установок может достигать величины порядка 45-48% и даже выше. Однако, установки таких схем , прежде всего в силу своей дороговизны, необходимости наличия питательной воды на компрессорной станции и ее специальной подготовки, несомненно сдерживают развитие таких установок и в силу отмеченных причин они вряд ли выйдут из стадии использования на газопроводах только отдельных образцов.

Таким образом, в настоящее время на магистральных газопроводах в основном используются три типа газотурбинных установок: стационарные, авиационные и судовые [11].