Циклы парогазовых установок

К.п.д. газовых турбин ограничивается температурой рабочего тела и единичной мощностью из-за возрастающих затрат энергии на собственные нужды. Если первое ограничение из-за отсутствия термически прочных и стойких металлов в настоящее время практически неустранимо, то второе ограничение может быть устранено полностью или частично, если в турбину вместо низкоэнтальпийного подавать высокоэнтальпийное рабочее тело при той же температуре. Последнее можно получить путем добавки к продуктам сгорания присадки высокоэнтальпийного вещества. Чаще всего к продуктам камеры сгорания ГТУ добавляют воду.

ГТУ, работающие с рабочими телами, состоящими из смесей паров воды и газа или использующие в тепловой схеме газ и пар, называются парогазовыми установками, а их циклы - парогазовыми.

Впервые идея создания энергетической установки с двумя рабочими телами (водяной пар и продукты сгорания топлива), смешиваемыми перед подачей в турбину, была высказана русским инженером П.Д. Кузьминским. Сжатый воздух в таких установках из компрессора 1 (рис. 15.1) направляется в камеру сгорания 2, куда насосом 5 через регенеративный подогреватель 4 подается химически очищенная вода. В камере сгорания 2 происходит смешение горячих продуктов сгорания (газов) с подогретой водой, в связи с чем камера сгорания выполняет следующие функции: сжигание топлива, испарение воды и смешение продуктов сгорания с паром. Образовавшаяся при этом парогазовая смесь из камеры сгорания 2 поступает в турбину 3, а затем через регенеративный подогреватель 4 либо выбрасывается в атмосферу, либо направляется в специальный конденсатор. Впрыск воды в продукты сгорания снижает температуру газов до приемлемых значений и повышает удельную энтальпию рабочего тела, за счет чего можно увеличить единичную мощность установки.

Более широкое применение на практике нашли парогазовые установки с раздельными рабочими телами. В период освоения циклов с раздельными рабочими телами было опробовано несколько различных тепловых схем. Наиболее эффективной оказалась схема, в которой паровой цикл по отношению к газовому явился полностью утилизационным. В такой схеме паровая часть установки работает без дополнительной затраты топлива. Установка (рис. 15.2) состоит из высокотемпературной газовой турбины 3, котла - утилизатора 4 и паровой турбины 5. Из компрессора 1 сжатый воздух подается в камеру сгорания 2, где в результате сгорания топлива образуется рабочее тело со средней температурой 1370 - 1570 К. Такая высокая температура рабочего тела, поступающего в турбину 3, требует охлаждения лопаточного аппарата. Это охлаждение осуществляется вторым рабочим телом, т.е. водяным паром. Охлаждающее устройство 8 в газовой турбине является пароперегревателем паровой части комбинированной парогазовой схемы. В нем охлаждается газ газовой турбины за счет перегрева пара, поступающего из котла-утилизатора 4.

Из пароперегревателя 8 пар идет в паровую турбину 5, которая, как и газовая, совершает работу. Отработанный пар из турбины 5 через конденсатор 6 насосом 7 вновь подается в котел-утилизатор 4. Электрический к.п.д. парогазовой установки, работающей по такой схеме, достигает
50 % и более. Подводимая теплота в рассматриваемом цикле (рис. 15.3) определяется только удельной теплотой газовой части цикла q_1г (пл. 6238). Полезная работа всей установки определяется суммой полезной работы газового цикла l_г (пл. 1234) и работой парового цикла l_п (пл. aвcd). Подведенная теплота парового цикла (пл. fвce) складывается из теплоты уходящих газов, поступающих в котел-утилизатор (пл. 4¢7f5), и теплоты, затраченной на перегрев пара в пароперегревателе 8
(пл. 4¢487). Термические потери теплоты цикла изображены пл. 15f6 (теплота уходящих газов котла-утилизатора) и пл. fade (теплота, теряемая паром в конденсаторе). С учетом сказанного термический к.п.д. цикла определится отношением

,

где d - относительный расход пара в кг пара на 1 кг газа.