Лекция 1. Газовые турбины и газотурбинные установки.

Принцип работы, циклы и схемы газотурбинных установок (ГТУ).

В состав газотурбинной установки (ГТУ) обычно входят камера сгорания, газовая турбина, воздушный компрессор, теплообменные аппараты различного назначения (воздухоохладители, маслоохладители системы смазки, регенеративные теплообменники), и вспомогательные устройства (маслонасосы, элементы водоснабжения и т.д.). Рабочим телом ГТУ служат продукты сгорания топлива, в качестве которого используется природный газ, хорошо очищенные искусственные газы (доменный, коксовый) и специальное газотурбинное жидкое топливо (прошедшее обработку дизельное моторное и соляровое масло).

Также, как и в паровой, в сопловом аппарате и рабочих лопатках проточной части газовой турбины теплота РТ превращается в кинетическую энергию, которая затем преобразуется в механическую на валу вращающегося ротора. Но свойства газа отличаются от свойств водяного пара, поэтому имеется некоторое конструктивное различие между газовыми и паровыми турбинами. В целом же газотурбинные установки (ГТУ) – схемы и оборудование – существенно отличаются от паротурбинных установок (ПТУ): отсутствует парциальный подвод газа, нет регулирующей ступени отборов из промежуточных ступеней, относительно небольшой располагаемый теплоперепад определяет небольшое количество ступеней, разница между лопатками первой и последней ступени у ГТ меньше, чем у ПТ.

ГТУ имеют ряд достоинств по сравнению с ПТУ:

1) более компактны, т.к. топливо сжигается не в громоздком котле, а в небольшой по размерам камере сгорания, расположенной вблизи газовой турбины; кроме того, в ГТУ нет конденсационной установки;

2) обеспечивают быстрый запуск и нагружение;

3) проще по конструкции и в обслуживании;

4) менее емки в смысле затраты металлов и других материалов при одинаковой с паровой турбиной мощности;

5) имеют более низкую стоимость;

6) почти не требуют воды для охлаждения;

7) транспортабельны.

ГТУ уступают паротурбинным установкам:

1) по единичной мощности;

2) на современном этапе развития имеют более низкий КПД, КПД ГТУ простого цикла достигает 14—18%;

3) менее долговечны в эксплуатации;

4) более требовательны к сортам топлива: природный газ, светлые виды жидкого топлива – керосин, дизельное топливо и др.

ГТУ применяют в качестве пиковых и резервных мощностей на ТЭС, на транспорте, а также на электростанциях небольшой мощности.

Наибольшее применение в энергетике нашли ГТУ с разомкнутым циклом (рис. 1).

В таких ГТУ воздух забирается компрессором из атмосферы и при большом давлении подается в камеру сгорания, где осуществляется изобарное сжигание жидкого или газообразного топлива. Продукты сгорания органического топлива имеют температуру более 1200 ^оС. В ГТУ применяются осевые и реже центробежные компрессоры. Осевые компрессоры выполняются многоступенчатыми (число ступеней более 10), так как степень повышения давления в ступени компрессора невысока.

В реальных условиях все процессы в ГТУ являются неравновесными. Неравновесность реальных процессов вызвана потерями работы в газовой турбине и компрессоре, а также потерями давления рабочего тела в тракте ГТУ. Если в первом приближении считать расход рабочего тела одинаковым в любой точке тракта ГТУ, то с учетом названных потерь можно построить реальный цикл в тепловых диаграммах (цикл со сгоранием при p=const рис.2).

Рис.2 Реальный цикл ГТУ в Ts-диаграмме

Описание процессов: 1-2 – действительный процесс сжатия в компрессоре, 2-3 – изобарный подвод теплоты в камере сгорания, 3-4 – действительный процесс расширения продуктов сгорания на лопатках газовой турбины, 4-1 – изобарный отвод теплоты от продуктов сгорания в атмосферу. Точками 2а и 4а отмечено состояние рабочего тела соответственно в конце изоэнтропного сжатия и расширения (идеальные процессы), точкой 0 – параметры окружающей среды. Из-за потерь давления во всасывающем тракте компрессора (линия 0-1) процесс сжатия начинается в точке 1.

Таким образом, на сжатие воздуха в реальном цикле затрачивается бОльшая работа, а при расширении газа в газовой турбине получается меньшая работа по сравнению с идеальным циклом, и в результате КПД цикла получается ниже. Внутренние потери в ГТУ оцениваются внутренним КПД:

,

(1)

где - внутренняя полезная работа ГТУ; - количество теплоты, переданной рабочему телу в камере сгорания, - степень повышения давления в компрессоре; - относительный внутренний КПД газовой турбины; - относительный внутренний КПД компрессора; - тепловой КПД камеры сгорания; , где - коэффициент Пуассона; .

Согласно формуле (1) внутренний КПД равен нулю при двух значениях степени повышения давления в установке:

ü , когда работа газовой турбины и компрессора нет;

ü , когда работа газовой турбины полностью тратится на привод компрессора.

Таким образом, внутренний КПД имеет максимум при вполне определенной, оптимальной степени повышения давления , которая определяется конечной T₃ и начальной T₁ температурами цикла, потерями в турбине и в компрессоре , принятой схемой ГТУ и другими факторами.

С увеличением непрерывно растет . С термодинамических позиций увеличение T₃ как максимальной температуры цикла оправдано для любых схем ГТУ. Однако жаропрочность существующих материалов лопаток и роторов газовых турбин не позволяет иметь очень высокие температуры. Снижение температуры T₁ на входе в компрессор влияет на даже в большей степени, чем повышение T₃, но температура T₁ зависит от климатической обстановки района расположения ГТУ. Поэтому ГТУ экономичнее работает в районах с более низкой среднегодовой температурой воздуха.

КПД простейших ГТУ не превышает 14-18 %, и с целью его повышения ГТУ выполняются с регенеративным подогревом сжатого воздуха отработавшими газами после газовой турбины, а также с несколькими ступенями подвода теплоты и промежуточным охлаждением сжимаемого воздуха, приближая тем самым реальные циклы к циклу Карно. В ГТУ с регенерацией продукты сгорания после газовой турбины имеют более высокую температуру, чем воздух, поступающий в камеру сгорания после сжатия в компрессоре. Это дает возможность усовершенствовать работу установки за счет использования тепла выхлопных газов.