Вторичные энергоресурсы газотурбинных установок

КУ ЛЕКЦИЯ 3

Краткие сведения о ГТУ.

СИМЕНС ( см. план лекции)

Рабочим телом энергетических ГТУ являются продукты горения, образующиеся при сжигании топлива в камере сгорания ГТУ. Схемы ГТУ и приведены на рис. 3.6.

Недостаток одновальной ГТУ (рис. 3.6.а.) в низкой экономичночти на частичных нагрузках и плохой приемистости, поэтому применение таких ГТУ ограничено. Упомянутых недостатков не имеет двухвальная ГТУ со свободной силовой турбиной (рис. 3.6.б.). В связи с тем, что в современных ГТУ стационарного типа не применяют регенерации тепла, все шире применяются трехвальные двухкаскадные двигатели со свободной силовой турбиной турбиной (рис. 3.6.в.). Их главное преимущество – высокий КПД (до 35%) благодаря возможности достижения высоких степеней повышения давления в двух компрессорах. В новейших двигателях достигает 30 и даже более.

Пример Определение к –та исп.на част.нагр. -- тема маг дис.

За последние 40 лет благодаря повышению технического совершенства электрический КПД лучших ГТУ достиг 40% и вырос в 1,6 раза по сравнению с 60-ми годами ХХ века (табл. 1.1). Учитывая тот факт, что капитальные затраты на строительство ГТУ в 3-4 раза ниже аналогичных для парогазовых электростанций (325-400 $/кВт для ГТУ и 1150-1600 $/кВт для ПГУ), а сроки возведения – в 3-4 раза меньше (1-2 года для ГТУ и 6-8 лет для ПГУ) [27], то ГТУ составляют серьезную конкуренцию ПТУ, традиционно использующимся для производства электрической энергии.

для производства электрической энергии.

Рис. 1.3. Схема ГТУ: ОК ‑ осевой компрессор, ГТ ‑ газовая турбина; КВОУ ‑ комплексная воздухоочистительная установка; КС ‑ камера сгорания; ЭГ ‑ электрогенератор	Рис. 1.4. Термодинамический цикл ГТУ

Таблица 1.1.

Параметры энергетических ГТУ [27]

Параметр	Годы
Начальная температура газов перед ГТ, t0, 0С			900-1000	1100-1250	1300-1400
Жаропрочность материалов лопаточного аппарата газовой турбины, 0С
Электрический КПД ГТУ, ηГТ.э, %	24-25	26-27	28-30	32-34	38-40
Температура уходящих газов, tГТ.ух, 0С

.

а)

б)

в)

3.6. Схемы газотурбинных установок: а) одновальная; б) двухвальная; в) трехвальная

В связи с тем, что термодинамические параметры ГТУ на расчетном режиме практически не зависят от числа валов, а зависят главным образом от и , КПД компрессоров турбин и камер сгорания, для упрощения дальнейшего анализа исключим из рассмотрения трехвальные схемы, ограничившись одновальной и двухвальной.

Пример Определение к –та исп.на част.нагр. -- тема маг дис.

Таблица 1.1.

Параметры энергетических ГТУ [27]

Параметр	Годы
Начальная температура газов перед ГТ, t0, 0С			900-1000	1100-1250	1300-1450
Жаропрочность материалов лопаточного аппарата газовой турбины, 0С
Электрический КПД ГТУ, ηГТ.э, %	24-25	26-27	28-30	32-34	38-40
Температура уходящих газов, tГТ.ух, 0С

Пример Определение к –та исп.на част.нагр. -- тема маг дис.

За последние 40 лет благодаря повышению технического совершенства электрический КПД лучших ГТУ достиг 40% и вырос в 1,6 раза по сравнению с 60-ми годами ХХ века (табл. 1.1). Учитывая тот факт, что капитальные затраты на строительство ГТУ в 3-4 раза ниже аналогичных для парогазовых электростанций (325-400 $/кВт для ГТУ и 1150-1600 $/кВт для ПГУ), а сроки возведения – в 3-4 раза меньше (1-2 года для ГТУ и 6-8 лет для ПГУ) [27], то ГТУ составляют серьезную конкуренцию ПТУ, традиционно использующимся для производства электрической энергии.

Вторичными энергоресурсамиГТУ являются теплота уходящих газов и теплота, отводимая с маслом при охлаждении узлов и механизмов ГТУ. В последние годы температура уходящих газов имеет тенденцию к увеличению (с 350 ⁰С в 1970 году до 630 ⁰С в настоящий момент), что связано с особенностями термодинамического цикла ГТУ при увеличении начальной температуры перед турбиной. Для большинства современных ГТУ температура уходящих газов лежит в диапазоне 400 – 630 ⁰С и именно они являются главным ВЭР ГТУ. Помимо этого, к ВЭР ГТУ относится теплота, отводимая с маслом от подшипников ГТУ (температурный уровень – 85 – 95 ⁰С).

Способы использования теплоты уходящих газов ГТУ.

1. РЕГЕНЕРАЦИЯ

Регенерация теплоты - подогрев воздуха после компрессора выхлопными газами - возможна при условии, что .. Для этого в схему установки необходимо ввести дополнительное устройство – теплообменник. [12] Схема и тепловая диаграмма ГТУ с регенерацией теплоты представлены на рис. 1.11, 1.12. Воздух из компрессора направляется в теплообменник, где он получает теплоту от газов, вышедших из турбины. После подогрева воздух направляется в камеру сгорания, где для достижения определенной температуры он должен получить меньшее количество теплоты сгорания топлива.

Рис. 1.11 Схема ГТУ с регенерацией теплоты (ТО – теплообменник)[12]

Рис.1.12 Тепловая диаграмма ГТУ с регенерацией теплоты

В процессе 4-5 продукты сгорания охлаждаются в теплообменнике и эта теплота передается воздуху в процессе 2-6. Количество теплоты регенерации рассчитывается по формуле:

.

При полной регенерации (идеальном теплообменнике) воздух можно нагреть до температуры T₆, равной температуре T₄, а продукты сгорания охладить до температуры T₅, равной температуре воздуха T₂.

Работа цикла остается прежней, а количество подведенной теплоты уменьшается; теперь теплота q^p₁ подводится в камере сгорания только в процессе 6-3.

Термический КПД цикла в этом случае равен:

В реальных условиях теплота регенерации передается не полностью, так как теплообменники не идеальные. Нагрев воздуха осуществляется до точки 6', а продукты сгорания охлаждаются до точки 5′. В этом случае термический КПД должен учитывать степень регенерации, определяемую как отношение количества теплоты, переданного воздуху, к тому количеству теплоты, которое могло бы быть передано при охлаждении газов до температуры воздуха:

.

Величина степени регенерации определяется качеством и площадью рабочих поверхностей теплообменника (регенератора). С учетом степени регенерации теплота регенерации равна

Термический КПД цикла с учетом степени регенерации:

В настоящее время регенерация теплоты в основном находит применение в стационарных установках из-за большого веса и габаритов регенератора.

Регенерация широко используется в ГТУ промышленного типа, имеющих низкие степени повышения давления π_К (ГТК-10, ГТК-16), что позволяет экономить 25…28% топлива, и продолжает совершенствоваться за счёт замены пластинчатых регенераторов на трубчатые (степень регенерации 0,82). Однако использование регенерации в энергетических ГТУ, созданных на базе авиационных и судовых двигателей и имеющих высокие значения π_К, неэффективно [16].

ТЕПЛОФИКАЦИОННЫЕ ГТУ.

Также возможно использование теплоты уходящих газов ГТУ для целей теплоснабжения, рис. 1.2. По своему эксплуатационному ресурсу ГТУ уступают ПТУ. Работа ГТУ с утилизатором теплоты на переменных режимах теплопотребления, в частности в режиме с неполной нагрузкой, приводит к увеличению потерь тепла в окружающую среду, поэтому целесообразна работа таких установок в базовом режиме, где регулирование теплоотпуска осуществляется прочим оборудованием [3].

Рис. 1.2. Простейшая тепловая схема ГТУ-ТЭЦ [3]

Преимуществом ГТУ является более значительная удельная выработка электроэнергии на тепловом потреблении по сравнению с ПТУ, при этом образуется излишек электроэнергии, который может значительно превышать собственные нужды котельной.
Таким образом, использование ГТУ для когенерации электроэнергии в котельных наиболее предпочтительно для строящихся и расширяющихся водогрейных котельных.

В настоящее время в Москве реализуется программа модернизации котельных надстройкой газотурбинных двигателей малой и средней мощности [36]. Как показывают расчёты, в этом случае коэффициент использования тепла топлива составляет 80 – 82%. Однако неравномерность отопительной нагрузки и её полное отсутствие в летний период резко снижают преимущества теплофикационного варианта использования уходящих газов ГТУ.