Принципиальная схема утилизационной газотурбинной установки и основы ее термодинамического расчета

Принцип действия газотурбинной установки предусматривает получение полезной механической работы в турбине, работающей на продуктах сжигания газообразного или жидкого топлива.

На рис.5.1 представлена принципиальная схема газотурбинной установки, состоящая из компрессора, газовой турбины, генератора, камеры сгорания, рекуператора, котла утилизатора.

Рис. 5.1. Принципиальная схема газотурбинной установки:

1 – компрессор; 2 – газовая турбина; 3 – камера сгорания; 4 – рекуператор; 5 – котел утилизатор; 6 – дожимной топливный компрессор; 7 – генератор; 8 – блок силовой электроники; 9 – байпасная заслонка; 10 – трубопровод подачи холодной воды; 11 – трубопровод отвода горячей воды; 12 – байпасный газоход

Если давление в камере сгорания выше давления в системе топливоподачи, то устанавливают топливный насос для подачи жидкого топлива в камеру сгорания или дожимной компрессор при использовании газообразного топлива.

На рис.5.2 представлен идеальный цикл газотурбинной установки в Р-V и T-S диаграммах.

Газотурбинная установка работает следующим образом: очищенный атмосферный воздух попадает в воздухозаборник, откуда он поступает в компрессор, в котором происходит адиабатический (изоэнтропный) процесс сжатия 1-2. После компрессора сжатый воздух поступает в специальный газовоздушный теплообменник (рекуператор 4), в котором он предварительно нагревается выхлопным газом, выходящим из газовой турбины. Процесс подогрева воздуха в рекуператоре изображается отрезком 2-5, процесс охлаждения выхлопного газа 4-6. Подогретый в рекуператоре воздух поступает в камеру сгорания, куда непрерывно подводится и сжигается топливо. В T-S диаграмме подвод теплоты в цикле ГТУ изображается отрезком 5-3. Продукты сгорания из камеры сгорания отводятся в газовую турбину, в которой расширяются по адиабате 3-4, совершая полезную работу цикла ГТУ. Значительная часть полезной работы расходуется на привод компрессора, который сидит на одном валу с газовой турбиной.

Рис.5.2. Идеальный цикл газотурбинной установки в Р-V и T-S диаграммах

В некоторых установках осуществляется предварительное смешение сжатого и подогретого воздуха с газообразным топливом до подачи его в камеру сгорания. Предварительное смешение воздуха с газообразным топливом позволяет снизить уровень эмиссии выхлопных газов по NO_х.

Как уже было сказано, выхлопные газы из газовой турбины направляются в рекуператор и затем в котел утилизатор, в котором реализуется процесс охлаждения газа от точки 6 до точки 7. Далее отработанный в установке газ выбрасывается в атмосферу через выхлопную трубу. Процесс 7-1 характеризует потерю теплоты в окружающую среду.

В реальных условиях процессы сжатия в компрессоре и расширения в газовой турбине сопровождаются внутренними потерями, величина которых оценивается внутренним относительным КПД газовой турбины и компрессора. Цикл газотурбинной установки с учетом названных потерь представлен на рис.5.3 а.

Кроме названных потерь в турбомашинах, имеют место потери, обусловленные наличием гидравлических сопротивлений в тракте подачи воздуха и газа в газовую турбину, а также в выхлопном тракте, то есть при движении отработанного в турбине газа в рекуператоре и котле утилизаторе. На рис.5.3 б представлен цикл газотурбинной установки с учетом названных потерь давления.

Как видно из рис.5.3 б, давление перед газовой турбиной Р_3д меньше, чем Р₂ из-за потерь давления в камере сгорания. В выхлопном патрубке газовой турбины давление выше атмосферного давления на величину потерь в тракте рекуператора и котла-утилизатора. Наличие гидравлических потерь приводит к уменьшению располагаемого перепада турбины. Так, при отсутствии потерь располагаемый перепад определяется отрезком - 3-4, а с учетом гидравлических потерь – отрезком 3_д – 4_д.

Рис.5.3. Реальные циклы газотурбинных установок:

а – цикл ГТУ при действительном процессе сжатия в компрессоре и расширении в турбине; б – цикл ГТУ с учетом потерь давления в тракте подачи рабочего тела в газовую турбину и тракте отвода газа через рекуператор и котел-утилизатор

Данные потери могут быть учтены введением в расчет соответствующих коэффициентов гидравлических потерь во всасывающем тракте компрессора - , камере сгорания - и газовыхлопном устройстве .

, (5.1)

где величина гидравлического сопротивления на участке газовоздушного тракта;

давление на входе в рассматриваемый участок.

Полезную удельную работу цикла ГТУ можно записать как разность между действительной удельной работой газовой турбины и действительной удельной работой сжатия в компрессоре :

, (5.2)

где – внутренний относительный КПД газовой турбины и компрессора (в литературе по газовым турбинам данные КПД принято называть изоэнтропическими или внутренними);

– теоретическая работа расширения газа в газовой турбине и теоретическая работа сжатия воздуха в компрессоре.

Как известно, работа при адиабатическом сжатии может быть определена из следующего выражения:

= = , (5.3)

где - степень повышения давления в компрессоре;

– давление во всасывающем патрубке компрессора;

– давление в нагнетательном патрубке компрессора;

– температура воздуха перед компрессором (принимается);

– температура воздуха за компрессором при изоэнтропном процессе сжатия;

- теплоемкость воздуха.

(5.4)

где - коэффициент, учитывающий массу топлива, поступившую в цикл ГТУ при сжигании топлива в камере сгорания;

α = 3 7 – общий коэффициент избытка воздуха в камере сгорания;

А₀ - число, характеризующее количество воздуха, необходимое для сжигания 1 кг топлива;

теплоемкость продуктов сгорания;

степень расширения газа в газовой турбине;

температура газа на входе в газовую турбину;

температура газа на выходе из газовой турбины.

Из приведенных соотношений следует, что полезная работа зависит от многих факторов. Однако определяющими являются величины степени повышения давления и температура .

В некоторых работах по расчету циклов ГТУ [23, 24] приведена методика определения оптимального значения , при котором достигается максимальный КПД установки при минимальном удельном расходе топлива на выработку электроэнергии и минимальных массогабаритных показателях.

Значение можно определить по следующей формуле:

, (5.5)

где отношение температуры газа перед газовой турбиной к температуре воздуха перед компрессором (необходимо подчеркнуть, что при анализе циклов все температуры определяют по параметрам торможения);

показатель степени;

среднее значение показателя адиабаты;

показатель адиабаты сжимаемого воздуха;

показатель адиабаты продуктов сгорания.

Теоретическую температуру воздуха на выходе из компрессора и теоретическую температуру газа на выходе из газовой турбины можно определить из соотношения для изоэнтропных процессов сжатия и расширения:

, . (5.6)

Значения действительных температур газа на выходе из компрессора Т_2д и газовой турбины Т_4д можно найти из выражений для определения внутреннего относительного КПД этих машин:

, (5.7)

Температура газа Т₃ во многом зависит от допускаемой температуры металла рабочих лопаток первой ступени газовой турбины и может достигать 1200 1400 ^оС.

Развиваемая мощность на валу газотурбинной установки

, (5.8)

где - расход рабочего газа, выходящего из камеры сгорания и воздуха, сжимаемого в компрессоре.

В газотурбинных установках, в которых в качестве топлива используется газ, подаваемый из трубопровода с давлением ниже, чем давление в камере сгорания, применяется дожимной компрессор. На его привод также тратится часть полезной мощности, развиваемой газовой турбиной. Мощность газотурбинной установки при этом составит

, (5.9)

где - работа сжатия газа в дожимном компрессоре;

расход топлива.

Расход топлива определяется из уравнения теплового баланса камеры сгорания:

, (5.10)

где ─ КПД камеры сгорания.

Расход топлива также может быть определен по рассчитанной величине удельного расхода топлива на выработку 1 кВт·ч электроэнергии:

, (5.11)

где электрическая мощность установки;

электрический КПД установки, ;

внутренний или термический КПД установки;

механический КПД;

КПД генератора.

При проведении теплового расчета утилизационного цикла ГТУ определяются расчетные параметры состояния рабочего тела во всех узловых точках цикла, их расходы, а также показатели, характеризующие термодинамическую эффективность. При проведении указанных расчетов, с целью их упрощения, допускается принимать теплоемкость воздуха и газа постоянными величинами [26].