Экономичность газотурбинных установок на частичных нагрузках и холостом ходу

Важнейшими характеристиками переменного режима работы газотурбинной установки является эффективно- термодинамический КПД (h_е) и расход топливного газа (В) на режимах частичной нагрузки.

При регулировании работой установки изменением частоты вращения турбины в диапазоне, характерном для эксплуатации ГТУ на газопроводах, можно утверждать, что зависимость относительного расхода топлива (В/В₀) от относительной мощности (N/N₀₎ носит линейный характер. Следовательно, в этих условиях расход топливного газа на холостом ходу В_х.х. является основным показателем изменения КПД ГТУ на частичных нагрузках. Согласно данным Рис. 3.4 можно записать:

В = В_х.х. + N×tga = В_х.х. + (3.5)

где N, N₀ - соответственно текущая мощность (N) и мощность ГТУ на расчетном режиме (N₀₎.

В относительных единицах имеем:

(3.6)

Соответственно КПД установки:

(3.7)

Из уравнений (3.6) и (3.7) следует, что при условии = 0, и h_е = 1. Это значит, что кпд ГТУ не изменяется, и во всем диапазоне частичных мощностей остается равным КПД на расчетной нагрузке. К сожалению на практике так не бывает. В условиях когда , из уравнения (3.6) следует, что . Это значит, что при снижении нагрузки двигатель не снижает расхода топлива , что является естественно, весьма нежелательным явлением.

Анализ характеристик для различных типов ГТУ показывает, что величина относительного расхода топливного газа на холостом ходу для эксплуатируемых установок стационарного типа изменяется в относительно небольших пределах и ее в расчетах принимают на уровне В этих условиях уравнение (3.6) принимает вид:

(3.8)

В эксплуатационных условиях характеристики агрегата, как правило, заметно изменяются по условиям режима работы установки, а также из-за ухудшения его технического состояния (снижение КПД компрессора, турбины и т. д.), что вызывает перерасход топливного газа по установке. Естественно, что изменяется в сторону увеличения и расход топлива на холостом ходу . Поэтому определение характера и темпа изменения этой величины при изменении термодинамических характеристик ГТУ, а также при изменении относительных КПД компрессора и турбины в эксплуатационных условиях представляет определенный практический интерес.

Результаты расчетов по определению величины относительного расхода топливного газа на холостом ходу при различных термодинамических параметрах цикла (q₀ , p_{к,0 )} и КПД турбомашин характеризуются табл. 3.1 [ ], которые свидетельствуют о том, что величина снижается с ростом q₀ и уменьшением p_к0 . Обращает внимание на себя и то, что повышение относительных КПД турбомашин значительно снижает расход топливного газа на холостом ходу, что свидетельствует о сильном влиянии их на экономичность установки при режимах работы на режимах частичных нагрузок [2].

Таблица 3.1.

Влияние термодинамических параметров цикла и КПД

турбомашин на расход топливного газа на холостом ходу

Относительный расход топлива	q0 = 3,5	q0 = 4,0
pк0	pк0	pк0	pк0
при hт = hк = 0,85 при hт = hк = 0,90	0,284 0,212	0,360 0,272	0,290 0,223	0,391 0,310

Рассмотрим влияние регенерации теплоты отходящих газов на изменение относительного расхода топливного газа на холостом ходу.

Уравнение теплового баланса по регенератору регенеративной ГТУ как уже было указано (раздел 1.4, глава 1) записывается в виде:

(3.9)

где t_j - температура воздуха на выходе из регенератора после подогрева его теплом отходящих из турбины газов; - температура воздуха на входе в регенератор после осевого компрессора в реальном цикле; к – коэффициент теплопередачи от продуктов сгорания к воздуху на поверхности регенератора; F – поверхность регенератора; q_m - средняя разность температур теплопередачи в пределах регенератора:

(3.10)

Сопоставляя соотношения (3.9) и (3.10), получим:

(3.11)

Записывая уравнение (3.11) для двух режимов работы ГТУ и сопоставляя их между собой (F = idem) получим (в условиях равенства теплоемкостей) уравнение 1.56 (раздел 4, глава 1), показывающего, что с уменьшением нагрузки, коэффициент регенерации несколько возрастает, что свидетельствует о некоторой стабилизации КПД установки на частичных режимах работы регенеративной ГТУ.