Теплофикационный цикл паросиловой установки

В паросиловом цикле, представленном на рис. 2.7, а, площадь 1-2-3-4-5-6-1 (рис. 2.7, б и в) пропорциональна работе цикла. Площадь под линией процесса 2-3 в Т-s-диаграмме (рис. 2.7, в) пропорциональна теплоте, отведенной от пара при его конденсации в конденсаторе.

В обозначениях цикла паросиловой установки, представленного на рис. 2.12, а, пл. 1-2-3-4-5-1 ~ работе цикла, а пл. 2-3-8-10 ~ теплоте, отведенной в конденсаторе при t₀ = 20 ^ОС.

В теплофикационном цикле паротурбинной установки производство механической работы уменьшено на величину, пропорциональную пл. 6-2-3-7-6, с целью увеличения количества теплоты пропорциональной площади 6-10-9-7-6, отводимой при t₀ = 150-200 ^ОС на удовлетворение нужд промышленности, отопления и т.п.

а	б
в	г
Рис. 2.12. Теплофикационный цикл (а) и три типа установок: с противодавлением (б), с ухудшенным вакуумом (в) и с регулируемыми отборами пара (г); 1- паровой котел; 2 – паровая турбина; 3 – питательный насос; 4 – электрогенератор; 5 – конденсатор; 6 – потребитель теплоты; 7 – сетевой насос; 8 – турбина высокого давления; 9 – регулятор количества отбираемого пара; 10 – турбина низкого давления

В теплофикационных установках используются турбины трех типов:

– с противодавлением, р₂ = 0,12–1,2 МПа (рис. 2.12, б);

– с ухудшенным вакуумом, р₂ = 0,05–0,09 МПа (рис. 2.12, в);

– с регулируемыми отборами пара (рис. 2.12, г).

Турбины с противодавлением относительно просты, малогабаритны и дешевы, но применяются они мало, поскольку количество электроэнергии, вырабатываемое с их помощью, зависит не от электрических, а от тепловых потребителей, весьма нестабильных.

Турбины с ухудшенным вакуумом при отсутствии тепловых потребителей могут работать с расширением пара до глубокого вакуума, как конденсационные, но выработка электроэнергии у них тоже зависит расхода теплоты.

Турбины с регулируемыми отборами не имеют отмеченных недостатков, позволяя свободно изменять электрическую и тепловую нагрузку, т.е. работать по свободному графику. Они в основном применяются на ТЭЦ. На рис. 2.12, г приведена схема такой установки с одним регулируемым, в зависимости от потребителей в электроэнергии и теплоте, отбором пара р_ОТБ . Давление устанавливается с помощью клапана 9, расположенного на магистрали между ступенями турбины высокого 8 и низкого 10 давления.

Критерий эффективности теплофикационного цикла называют в отличие от КПД коэффициентом использования теплоты. Он определяется отношением общего количества получаемой работы w и теплоты q₂ к количеству затраченной теплоты q₁:

В идеальном случае h_И.Т = 100 %, реально – 70–75 %.

Газотурбинные установки

Газотурбинные установки (ГТУ) относятся к числу двигателей внутреннего сгорания. Газ, получившийся в результате сгорания топлива в камере сгорания, направляется в турбину. Продукты сгорания, расширяясь в сопловом аппарате и частично на рабочих лопатках турбины, производят на колесе турбины механическую работу.

В основе работы ГТУ лежат идеальные циклы, состоящие из простейших термодинамических процессов. К числу возможных идеальных циклов ГТУ относятся:

- цикл с подводом теплоты при постоянном давлении р = const;

- цикл с подводом теплоты при постоянном объеме u = const;

- цикл с регенерацией теплоты.

Из перечисленных циклов наибольшее распространение получил цикл с подводом теплоты при р = const.

2.5.1. Цикл с подводом теплоты при р = const

Схема простейшей ГТУ со сгоранием топлива при постоянном давлении представлена на рис. 2.13. Компрессор К, приводимый в движение газовой турбиной ГТ, подает сжатый воздух в камеру сгорания КС, в которую впрыскивается топливо. Продукты сгорания расширяются в сопловом аппарате и частично на рабочих лопатках турбины и выбрасываются в атмосферу.

а	б	в
Рис. 2.13. Схема ГТУ с подводом теплоты при р = const (а) и цикл в диаграммах р-u (б) и Т-s (в): К - компрессор; КС – камера сгорания; ГТ – газовая турбина

В термодинамических диаграммах р-u и Т-s (см. рис. 2.13, б и в) цикл ГТУ 1-2-3-4-1. Работа цикла на р-u-диаграмме представляет собой разность площадей 2"-4-3-2' и 2"-1-2-2', соответственно равных работе турбины и компрессора.

В этих диаграммах: 1-2 – процесс адиабатного сжатия воздуха в компрессоре; 2-3 – подвод теплоты в камеру сгорания при р = const; 3-4 – адиабатное расширение газа в турбине; 4-1 – изобарная отдача теплоты окружающему воздуху.

Параметрами цикла являются: степень повышения давления воздуха p и степень предварительного расширения r:

Термический КПД цикла определяется из выражения

где

Параметры газа в узловых точках цикла находятся по формулам, связывающим параметры газа в адиабатном и изобарном процессах:

точка 2 точка 3 точка 4

Термический КПД цикла

(2.2)

Работа цикла равна

Анализ выражения (2.2) показывает, что термический КПД ГТУ при данном рабочем веществе (данном k) зависит от степени повышения давления в компрессоре, причем с ростом p термический КПД увеличивается. С другой стороны, повышение p приводит к увеличению температуры газов перед рабочими лопатками турбины. Значение этой температуры лимитируется жаропрочностью сплавов, из которых изготовлены лопатки. В настоящее время максимально допустимая температура газов перед турбиной составляет 800-1000 ^ОС и дальнейшее повышение температуры может быть достигнуто только при применении новых жаропрочных материалов и внедрении конструкций турбин с охлаждаемыми лопатками.

2.5.2. Цикл с подводом теплоты при u = const

В газотурбинной установке, работающей с подводом теплоты при u = const (рис. 2.14), процесс сгорания идет в замкнутом объеме камеры. Компрессор К, приводимой во вращение газовой турбиной ГТ, подает сжатый воздух в камеру сгорания КС через управляемый клапан Кл1. Второй клапан Кл2 находится в конце камеры сгорания и предназначен для выхода продуктов сгорания на турбину. Подача топлива осуществляется периодически через топливный клапан Кл3.

В камере сгорания при закрытых клапанах Кл1 и Кл2 происходит процесс горения топлива в постоянном объеме. При увеличении давления клапан Кл2 открывается и продукты сгорания поступают в сопловой аппарат и на лопатки турбины. Далее газ выбрасывается в окружающую среду.

На р-u и Т-s-диаграммах процессы 1-2 – адиабатное сжатие в компрессоре; 2-3 – подвод теплоты при u = const; 3-4 – адиабатное расширение газа в турбине; 4-1 – изобарная отдача газом теплоты окружающему воздуху.

Основными параметрами цикла являются: степень повышения давления воздуха p и степень изохорного повышения давления l:

а	б	в
Рис. 2.14. Схема ГТУ с подводом теплоты при u = const (а) и цикл в диаграммах р-u (б) и Т-s (в): К - компрессор; КС – камера сгорания; Кл1-Кл3 – клапаны; ГТ – газовая турбина

Термический КПД цикла определяется по формуле

Температуры газа в узловых точках цикла находятся по формулам:

точка 2 точка 3 точка 4

Термический КПД цикла

(2.3)

Работа цикла

Анализ формулы (2.3) показывает, что термический КПД цикла зависит от степени повышения давления и величины l, характеризующей количество подведенной теплоты.

Из сравнения между собой циклов с подводом теплоты при р = const и u = const на р-u- и Т-s-диаграммах (рис. 2.15) видно, что при одной и той же величине степени повышения давления и одинаковом количестве отведенной теплоты цикл при u = const выгоднее цикла при р = const.

а	б
Рис. 2.15. Сравнение между собой циклов с подводом теплоты при р = const и u = const на р-u (а) и Т-s (б) диаграммах

Это объясняется большей степенью расширения, которая будет в цикле u = const, а следовательно, и большими значениями термического КПД. Несмотря на это преимущество, цикл с подводом теплоты при u = const широкого применения в практике не нашел в связи с усложнением конструкции камеры сгорания и ухудшением работы турбины в пульсирующем потоке газа.

Цикл с регенерацией теплоты

Одной из мер повышения совершенства перехода теплоты в работу в газотурбинной установке является применение регенерации теплоты. Регенерация теплоты заключается в использовании теплоты отработавших газов для подогрева воздуха, поступающего в камеру сгорания (рис. 2.16). Экономичность ГТУ при применении регенерации повышается.

Воздух из компрессора К направляется в регенеративный теплообменник Р, где он получает теплоту от газов, вышедших из турбины. После подогрева воздух направляется в камеру сгорания КС, в которую подается топливо. Воздух, получивший теплоту от отработавших газов, должен получить в камере сгорания меньше теплоты для достижения определенной температуры газа перед турбиной.

Цикл ГТУ с регенерацией теплоты показан на рис. 2.16. На диаграммах: 1-2 – адиабатное сжатие воздуха в компрессоре; 2-5 - изобарный подогрев воздуха в регенераторе; 5-3 – подвод теплоты при р = const в камере сгорания; 3-4 – адиабатное расширение газа в турбине; 4-6 – отдача теплоты при р = const в регенераторе; 6-1 – отдача теплоты при р = const в окружающую среду.

Если предположить, что охлаждение газов в регенераторе происходит до температуры воздуха, поступающего в него, Т₆ = Т₂, то регенерация будет полной.

а	б	в
Рис. 2.16. Схема ГТУ с регенерацией (а) и цикл в диаграммах р-u (б) и Т-s (в): К - компрессор; Р - регенератор; КС – камера сгорания; ГТ – газовая турбина; ЭГ - электрогенератор

Термический КПД цикла при полной регенерации, когда Т₄ – Т₆ = Т₅ – T₂, рассчитывается по формуле

где

Тогда

При принятых параметрах цикла ГТУ с подводом теплоты при р = const температуры в точках 2, 3 и 4 соответственно равны:

Термический КПД цикла

Анализ последней формулы показывает, что термический КПД цикла при полной регенерации зависит от начальной температуры и от температуры в конце адиабатного расширения. Обычно двигатели работают не при полной регенерации, поэтому Т₆ > Т₂. При этом термический КПД цикла должен учитывать степень регенерации, определяемую как отношение количества теплоты, переданной воздуху, к тому количеству теплоты, которое могло бы быть передано при охлаждении газов до температуры воздуха.

Степень регенерации

Величина степени регенерации определяется качеством и величиной рабочих поверхностей теплообменника (регенератора).

В настоящее время регенерация теплоты находит практическое применение в основном в стационарных установках и реже в транспортных установках из-за большой массы и габаритов регенератора.