теплоэнергетика

пература рабочих газов и перед газовой турбиной, и за ней. Это приводит к очень значительному снижению экономичности ГТУ.

Рис. 9.10. Ротор воздушного компрессора ГТУ ALSTOM GT24: 1 – рабочие лопатки первой ступени; 2 – рабочие лопатки второй ступени; 3 –корпус воздушного компрессора; 4 – отверстия под шпильки фланцевого разъема; 5 – шейка вала под опорный подшипник

Поворот лопаток при снижении нагрузки на 25 – 30° позволяет сузить проходные сечения каналов ВНА и уменьшить расход воздуха в камеру сгорания, поддерживая постоянным соотношение между расходом воздуха и топлива. Установка входного направляющего аппарата позволяет поддерживать температуру газов перед газовой турбиной и за ней постоянной в диапазоне мощности примерно 100 – 80 %.

153

Контрольные вопросы

1.Что входит в состав основного оборудования ГТУ?

2.Изобразите простейшую схему открытой ГТУ со сжиганием топлива при постоянном давлении и опишите ее работу.

3.Назовите преимущества и недостатки ГТУ по сравнению с паротурбинной установкой и предпочтительные области их использования.

4.Как осуществляется привод компрессора ГТУ и какую примерную мощность от мощности газовой турбины он потребляет?

5.Как и по какой зависимости изменяется температура газов при расширении их в газовой турбине?

6.Назовите основные способы повышения КПД ГТУ.

7.С какой целью необходимо охлаждать элементы высокотемпературной газовой турбины?

8.До каких значений температуры необходимо охлаждать направляющие и рабочие лопатки газовой турбины?

9.Перечислите основные способы охлаждения сопловых и рабочих лопаток газовых турбин.

10.Для каких целей предназначены камеры сгорания ГТУ?

11.Назовите основные отличия встроенных камер сгорания от выносных.

12.Определите назначение входного направляющего аппарата (ВНА).

13.Укажите диапазон регулирования нагрузки ВНА и принцип его работы.

154

Раздел 10. Парогазовые установки

10.1. Понятие о парогазовых энергетических технологиях

Основной характеристикой, показывающей эффективность работы теплового двигателя, является термический КПД идеального обратимого цикла Карно при средних температурах подвода и отвода теплоты в этом двигателе. Газотурбинные двигатели имеют очень высокую температуру подвода теплоты в цикл. Температура продуктов сгорания на входе в газовую турбину у современных ГТУ достигает 1400 °С или 1673 К. В то же время температура уходящих из турбины газов достаточно велика и составляет в среднем 550 оС или 823 К. Таким образом,

термический КПД идеального обратимого цикла Карно ГТУ в среднем не превышает ηtГГУ = 1 – Т2 / Т1 = 1 – 823 / 1 673 =

= 0,508 или 50,8 %. Реальный же средний КПД современных ГТУ составляет 36 – 39 %.

Проведя аналогичные рассуждения для оценки паротурбинного цикла современных конденсационных ТЭС, можно определить, что температура пара на входе в турбину составляет 540 оС или 813 К, а температуру конденсации водяных паров после турбины можно в среднем принять 27 оС или 300 К. Сле-

довательно, термический КПД идеального обратимого цикла

Карно ПТУ составит

ηtПТУ = 1 – Т2 / Т1 = 1 – 300 / 813 = 0,63 (63%)

Реальный же КПД современных конденсационных блочных ПТУ составляет 41 – 42 %.

Таким образом, очевидно, что температурный уровень рабочего тела в ГТУ значительно выше, чем в ПТУ, и, следовательно, продукты сгорания, прошедшие газовую турбину и имеющие температуру на уровне 520 – 580 оС, вполне могут быть использованы в паротурбинном цикле для получения пара высоких параметров с дальнейшим направлением его на вход паровой турбины. Идея объединения двух циклов в одной установке родилась несколько десятилетий назад, но в силу целого ряда технологических ограничений реальное воплощение парогазовых технологий началось только в 70 – 80-е гг. ХХ в.

В парогазовых установках совмещены газотурбинный и паротурбинный циклы. В ГТУ продукты сгорания при температуре до 1400 °С подаются на вход газовой турбины и, совершив работу, покидают её при температуре в среднем 550 °С. Эти высокотемпературные газы далее направляются в специальный теплообмен-

155

ник (котел-утилизатор), в котором отдают свою теплоту рабочему телу ПТУ (воде - пару). По ходу движения через поверхности нагрева котла-утилизатора (КУ) вода превращается в перегретый пар высокого давления с температурой 510 – 520 °С. Далее перегретый пар проходит через паровую турбину, совершая работу, и направляется в конденсатор, где конденсируется при температуре 25 – 35 °С. Газы покидают КУ с температурой 100 – 120 оС и направляются в дымовую трубу.

Термический КПД идеального обратимого цикла Карно ПГУ определяется двумя температурами: температурой Т1 продуктов сгорания на входе в газовую турбину и температурой отвода теплоты в конденсаторе паровой турбины – Т2:

При принятых выше температурах Т1= 1 400 °С, или 1673 К, и Т2 = 27 °С, или 300 К, предельное значение термического КПД идеального обратимого цикла Карно ПГУ составит ηtПГУ = = 1 – Т2 / Т1 = 1 – 300 / 1 673 = 0,82 или 82 %. Полученное значение КПД ПГУ существенно выше значений КПД газотурбинного и паротурбинного

циклов.

Реальные циклы ПГУ отличаются от идеальных рядом особенностей, среди которых можно отметить возрастание энтропии в процессах сжатия и расширения рабочих тел, возможность теплообмена лишь при наличии определенно-

156

схем ПГУ, имеющих свои особенности и различия в технологическом процессе.

Наибольшее распространение получили схемы ПГУ утилизационного типа с котлом-утилизатором (рис. 10.1). В этой схеме топливо подается в камеру сгорания (КС) 2 ГТУ, из которой продукты сгорания направляются в газовую турбину 3, а из неё в котел - утилизатор (КУ) 5. На валу газовой турбины находятся компрессор 1 и электрический генератор 4. Энергия вращательного движения ротора газовой турбины распределяется между компрессором и электрогенератором примерно поровну.

В котлеутилизаторе продукты сгорания последовательно проходят пароперегревательные, испарительные и экономайзерные поверхности нагрева. Внутри трубных систем поверхностей нагрева движутся вода, пароводяная смесь и перегретый пар, который направляется на вход паровой турбины. В паровой турбине пар совершает работу, передаваемую ротору турбины, а затем энергия вращения ротора передается электрическому генератору, который вырабатывает электроэнергию.

Таким образом, и газовая и паровая турбины развивают определенную мощность, и в итоге общая электрическая мощность ПГУ

где NэГГУ, NэПТУ – электрические мощности электрогенераторов газовой и паровой турбин.

10.2. Принципиальные схемы ПГУ

Парогазовыми называются энергетические установки, в которых теплота уходящих газов ГТУ прямо или косвенно используется для выработки электроэнергии в паротурбинном цикле.

На рис. 10.2 показана принципиальная схема одноконтурной парогазовой установки утилизационного типа. Уходящие газы ГТУ поступают в котел-утилизатор 8 – теплообменник противоточного типа, в котором за счет тепла горячих газов генерируется пар, направляемый в паровую турбину 5.

В этих установках топливо подается в КС 3 ГТУ, в неё же направляется сжатый в компрессоре 1 воздух. Процессы сжатия в компрессоре воздуха 1 – 2, сгорания топлива 2 – 3 и расширения продуктов сгорания в газовой турбине 3 – 4 проиллюстрированы на рис. 10.3 в Т, s - диаграмме.

157

Рис. 10.2. Принципиальная схема одноконтурной ПГУ утилизационного типа: 1 – компрессор; 2 – газовая турбина; 3 – камера сгорания; 4 – электрогенератор; 5 – паровая турбина; 6 – конденсатор паровой турбины; 7 – питательный насос; 8 – котел-утилизатор; 9 – экономайзер; 10 – барабан; 11 – верхний коллектор; 12 – нижний коллектор; 13 – пароперегреватель; 14 – испарительные поверхности нагрева

Далее выходящие из ГТУ газы направляются в котелутилизатор, где значительная часть теплоты (процесс 4 – 5) передается пароводяному рабочему телу и генерируется перегретый пар, который поступает в паровую турбину.

В котле-утилизаторе и паровой турбине реализуется цикл Ренкина для ПТУ a–b–с–d–e–f–a. Потеря теплоты с уходящими газами ограничивается только площадью 1’-1-5-5’. Для максимальной утилизации теплоты газов в котле-утилизаторе поддерживают минимальные значения температурных напоров θ1 и θ2 между температурой газов и температурами воды, пароводяной смеси и перегретого пара. Температура уходящих газов котла-утилизатора колеблется в диапазоне 100 – 120 °С при работе на природном газе. Электрический КПД ПГУ брутто с КУ можно определить по формуле

где Qгс – теплота сгорания топлива, сжигаемого в КС ГТУ, кВт.

Следует отметить, что измерение теплоты сгорания топлива в кВт можно представить как тепловую мощность, получаемую при сжигании единицы массы условного топлива в единицу времени. Например, при сжигании 1 кг в секунду условного топлива с тепло-

158

той сгорания 29 307 кДж развивается тепловая мощность

29 307 кВт.

На рис.10.3 в процессах 4 – 1 и b-c-d-e показано изменение температур рабочих тел при их движении в поверхностях нагрева КУ. Температура продуктов сгорания плавно снижается от значения в точке 4 (на входе в ко- тел-утилизатор) до

значения tух (в точке 5), температуры уходящих газов. Движущаяся навстречу питательная вода повышает свою температуру в экономайзере (процесс b

– c) до температуры кипения (точка с). С этой температурой вода поступает в испаритель-

ную поверхность нагрева. В ней происходят испарение воды и генерация пара. При этом её температура не изменяется (процесс с – d). В точке d рабочее тело находится в виде сухого насыщенного пара. Далее в пароперегревателе происходит его перегрев до значения t0 (точка е).

Образующийся на выходе из пароперегревателя пар направляется в паровую турбину, где, расширяясь, совершает работу (процесс e – f). Из турбины отработанный пар поступает в конденсатор, конденсируется (процесс f – a) и с помощью питательного насоса 7, повышающего давление питательной воды (процесс a – b), вновь направляется в котел-утилизатор.

Котел-утилизатор представляет собой шахту прямоугольного сечения (рис. 10.2), в которой размещены поверхности нагрева, образованные оребренными трубами, внутрь которых подается

159

рабочее тело паротурбинной установки (вода или пар). В простейшем случае поверхности нагрева котла-утилизатора состоят из трех элементов: экономайзера 9, испарителя 14 и пароперегревателя 13.

Центральным элементом КУ является контур циркуляции испарительных поверхностей нагрева, состоящий из бараба-

на10 (длинного цилиндра, заполняемого наполовину водой), не-

скольких опускных труб, нижнего 11 и верхнего 12 коллекто-

ров и вертикальных труб собственно испарительных поверхностей 14. Испарительные поверхности работают на принципе естественной конвекции. Испарительные трубы находятся в зоне высоких температур, поэтому в них вода нагревается, частично испаряется и превращается в пароводяную смесь (ПВС), которая имеет меньшую плотность, чем вода в опускных трубах. Благодаря наличию разности плотностей воды и ПВС происходит движение в контуре циркуляции. Пароводяная смесь направляется в барабан, где разделяется на воду и насыщенный пар. Насыщенный пар собирается в верхней части барабана и направляется в трубы пароперегревателя 13. Расход пара из барабана 10 компенсируется подводом воды из экономайзера 9. При этом поступающая вода, прежде чем испариться полностью, многократно пройдет через испарительные трубы. Поэтому описанный котел-утилизатор называется котлом с есте-

ственной циркуляцией.

В экономайзере происходит нагрев поступающей питательной воды до температуры, на 10 – 20 °С меньшей, чем температура насыщения в барабане, полностью определяемая давлением в нем. Из барабана сухой насыщенный пар поступает в пароперегреватель, где перегревается сверх температуры насыщения. Температура получаемого перегретого пара t0 всегда, конечно, меньше, чем температура газов tГ, поступающих из газовой турбины (обычно на 25 – 30 °С).

Таким образом, принципиальное отличие паросиловой уста-

новки (ПСУ) ПГУ от обычной паротурбинной установки (ПТУ)

ТЭС состоит только в том, что топливо в котле-утилизаторе не сжигается, а необходимая для генерации перегретого пара теплота берется от уходящих газов ГТУ. Однако сразу же необходимо отметить ряд важных технических отличий паротурбинной установки ПГУ от ПТУ ТЭС.

Во-первых, температура уходящих газов ГТУ tгаз практически однозначно определяется температурой газов перед газовой

160