книги / Основы технической термодинамики, термохимии и анализ циклов газотурбинных установок

ной КПД штатной ПТУ. При этом значения величин КПД т]1псу.^ в

случаях применения НГТУ и ВГТУ составят ^ пгу_ку=0,46 и /7£пгу_ку=0,5, соответственно, что на ~20%...30% (относительных) выше по сравнению с КПД брутто ПТУ

ПГУ-ВПГ, наряду с указанным выше, имеет следующие недос­ татки.

1.Низкая эксплутационная надежность из-за невозможности эксплуатации ГТУ и ПТУ в автономном режиме работы в случае возникновения нештатной ситуации.

2.Сокращение ресурса лопаточных венцов турбины вследствие их эрозионного износа твердыми частицами тугоплавких оксидов металлов, поступающих в поток продуктов сгорания в результате коррозии теплообменных поверхностей встроенного в КС высоко­ напорного парогенератора.

3.Ограниченность возможностей развития данного типа ПГУ при сохраняющейся в развитии ГТУ тенденции увеличения темпе­

ратуры газа на входе в турбину Тзкс с учетом уменьшения разности температур Тзпг-Тзкс и дополнительной тепловой мощности ДО,, а также роли высоконапорного парогенератора в общем теплоподводе в ПТУ.

На основании вышеизложенного можно сделать вывод о том, что создание ПГУ-ВПГ нецелесообразно.

4.6. ПГУ с открытым пароводяным контуром

Существуют три основных варианта тепловой схемы ПГУ с от­ крытым пароводяным контуром (ПГУ-О), которая приведена на рис. 4.8. Рассмотрим рабочий процесс, протекающий в ПГУ в соответстветствии с вариантами тепловых схем ПГУ-О. 1, ПГУ-0.2 и ПГУ-О.З.

Особенность рабочего процесса, протекающего в ПГУ-О. 1, свя­ зана со впрыском в КС ГТУ воды, которая, испаряясь в продуктах сгорания, образует на выходе из КС, т.е. на входе в турбину парога­ зовую смесь. Теоретически максимальный массовый расход воды 6В0д ограничивается максимальной удельной теплотой, выделяемой при сгорании топлива при коэффициенте избытка воздуха ат = 1, т.е.

, (кДж/кг) (4.29)

где Gb2 — расход воздуха на входе в КС; £ — коэффициент полно­ ты сгорания;

GT— расход топлива; 10 - теоретически необходимое количест­ во воздуха для сгорания 1 кг топлива. Эта теплота расходуется на нагрев воды, парообразование, перегрев пара, а также на нагрев продуктов сгорания до заданной температуры парогазовой смеси на выходе из КС.

Как правило, величина расхода впрыскиваемой воды составля­ ет приблизительно 2...4% от величины расхода воздуха Gb2, т.е. ве­ личина расхода воды либо равна, либо превышает в два раза вели­ чину расхода топлива. Расход рабочего тела (парогазовой смеси) на газовую турбину оказывается большим, чем в обычной ГТУ, и оп­ ределяется следующим выражением:

Кроме того, значения величин газовой постоянной и удельной изобарной теплоемкости для парогазовой смеси выше, чем для продуктов сгорания, поскольку молекулярная масса водяного па­ ра, равная //=18, в 1,6... 1,7 раз меньше, чем для продуктов сгора­ ния, у которых /*«30. Оба эти фактора приводят к увеличению мощности турбины, приблизительно на 3...5%. Известно, что уве­ личение мощности турбины на 1% приводит к соответствующему увеличению мощности ГТУ, приблизительно, на 3%. Поэтому в результате впрыска воды в КС мощность ГТУ может быть увели­ чена на ~ 10... 15% (относительных).

Однако для осуществления процессов нагрева воды, парообразо­ вания и перегрева пара должен быть обеспечен необходимый уро­ вень подводимой тепловой мощности Q1r, а, следовательно, и рас­ хода топлива. При этом значение величины температуры парогазо­ вой смеси на входе в турбину должно быть таким же, как и в обыч­ ной ГТУ, работающей без впрыска воды в камеру сгорания. В слу­ чае неравенства значений этих температур, объективное сопостав­ ление энергетических показателей ПГУ-0 и ГТУ не представляется возможным. Величина КПД каждой из этих установок определяется

отношением величин мощностей электрической (или механической) и подводимой тепловой. Значения величин этих мощностей в ПГУ-0.1 возрастают. Как следует из анализа результатов многочис­ ленных расчетов, выполненных при различных значениях величин Тзкс = тзп-г и як>увеличение значения отношения GB0fl/GB2 приводит к изменению величины КПД ПГУ-0.1 в пределах ±3% (относи­ тельных). Таким образом, впрыск воды в КС приводит к сущест­ венному повышению мощности ПГУ-0.1 и почти не оказывает влияние на ее топливную экономичность. Впрыск воды может при­ меняться в ГТУ, выполненных как по простой, так и по сложным тепловым схемам.

По парожидкостному контуру все три варианта ПГУ-0 являются открытыми, т.е. пар вместе с продуктами сгорания выбрасываются в окружающую среду. При этом необходим непрерывный расход хи­ мически подготовленной воды. В приводимых результатах термо­ динамического расчета энергетической эффективности ПГУ-0 этот расход не принимается во внимание. Однако стоимость химически подготовленной воды может изменяться в очень широких пределах в зависимости от конкретных условий эксплуатации ПГУ-0 и дос­ тигать весьма высоких значений.

Во втором варианте ПГУ-0.2 (см. рис. 4.8) вода перед поступле­ нием в КС предварительно подогревается, испаряется и перегрева­ ется в теплообменном аппарате — парогенераторе (ПГ) до 400...450°С парогазовой смесью, выходящей из ГТУ при темпера­ туре 520...530°С. Поскольку в рассматриваемом случае часть отво­ димой из цикла ГТУ теплоты расходуется на предварительный по­ догрев воды, впрыскиваемой затем в КС, то это обстоятельство по­ зволяет при анализе ПГУ-0.2 использовать понятие бинарности цикла. Однако эта часть отводимой теплоты не велика, поскольку расход пара, в рассматриваемом случае, составляет 2...6% от расхо­ да воздуха на входе в КС.

Ограничение расходов, впрыскиваемых в КС, воды или пара обусловлено их отрицательным влиянием на некоторые основные характеристики рабочего процесса в КС. Наряду с этим, такое огра­ ничение расходов воды или пара связано с необходимостью внесе­ ния изменений в конструкции камеры сгорания и турбины, выпол­ нение которых не является целесообразным, так как исключает воз­ можность использования ГТУ на двух режимах ее эксплуатации: на

режиме ПГУ-О, т.е. при налиии впрыска воды или пара в КС и на режиме обычной ГТУ, т.е. при отсутствии впрыска воды или пара.

Из анализа результатов расчетов максимальной удельной теп­ ловой мощности, определяемой уравнением (4.29), следует, что расход пара в ПГУ-0.2 намного превосходит максимальный расход воды в ПГУ-О. 1. Поэтому конструкция ГТУ для этих двух ПГУ не может быть универсальной, а должна создаваться индиви­ дуально для ПГУ-О. 1 и ПГУ-0.2.

Приведем удельные затраты энергии на дополнительный теплоподвод к впрыскиваемым в КС 1 кг воды или пара для случая при­

равна 4800 кДж/кг. В ПГУ-0.2 эта затрачиваемая энергия, подводи­ мая в ПГ, составляет -3300 кДж/кг, а в КС — 1500 кДж/кг. Таким образом, на дополнительный теплоподвод к впрыскиваемым в КС 1кг воды или пара в ПГУ-О.2 затрачивается энергии приблизитель­ но в 3 раза меньше, чем в ПГУ-О. 1. При равенстве величин относи­ тельных расходов воды GBOfl/G02 в ПГУ-О. 1 и ПГУ-О.2 удельная мощность этих установок одинакова, однако величина КПД в ПГУ- О.2 выше, чем в ПГУ-О. 1. С увеличением величины отношения GBofl/GB2 величина КПД ПГУ-О.2 возрастает, а ПГУ-О. 1 — почти не изменяется. Так, например, в ПГУ-О.2 при значении величины от­ ношения GBofl/Ge2, равной GBOfl/GB2 =0,06, значения величин мощно­ сти и КПД возрастают по сравнению с ГТУ приблизительно на 18...20% и 8... 10%, соответственно. Вместе с тем следует отметить, что впрыск воды или пара в КС наряду с указанным выше влиянием на энергетические показатели установок, оказывает положительное влияние на содержание в продуктах сгорания высокотоксичных ок­ сидов азота (NOJ. В некоторых ГТУ впрыск воды осуществляется в сравнительно небольших количествах (-1,5...2%), что оказывает соответственно небольшое влияние на величину их энергетических показателей, однако приводит значительному снижению эмиссии оксидов азота.

В третьем варианте ПГУ-О.З (см. рис. 4.8) вода поступает в сис­ тему охлаждения диска турбины, где, протекая по радиально уста­ новленным на диске трубкам, испаряется, а затем поступает в сис­ тему охлаждения полых сопловых и рабочих лопаток турбины. От­ работавший в системе охлаждения пар, выбрасывается в проточную

часть турбины, где образующаяся парогазовая смесь совершает ра­ боту.

Парожидкостное охлаждение из-за высоких значений величин теплофизических характеристик теплоносителя обладает большей эффективностью по сравнению с воздушным. Предполагается, что при парожидкостном охлаждении можно существенно повысить среднемассовую температуру продуктов сгорания на входе в турби­ ну до 1773...1873К (1500...1600°С) при сохранении достаточно низкой температуры материала лопаток (800...85СГС), допустимой с точки зрения обеспечения их прочности. Это способствует значи­ тельному повышению основных энергетических показателей ГТУ

— располагаемой удельной работы цикла и КПД.

Одним из преимуществ применения парожидкостного охлажде­ ния по сравнению с воздушным охлаждением наиболее теплона­ пряженных деталей газовых турбин является большая величина удельной полезной работы установки, связанная с тем, что в случае парожидкостного охлаждения все рабочее тело, проходящее через компрессор и камеру сгорания, в последствии совершает работу в турбине. Поскольку в случае применения воздушного охлаждения значение величины расхода воздуха, отбираемого для этих целей из компрессора, составляет приблизительно 20% и более от расхода воздуха на входе в компрессор, то нетрудно оценить соответствую­ щее увеличение удельной полезной работы установки из-за замены воздушного охлаждения парожидкостным.

Таким образом, в рассматриваемом варианте ПГУ-О.З, в отличие от вариантов ПГУ-O.l и ПГУ-0.2, на энергетические показатели ГТУ оказывают положительное влияние следующие факторы: уве­ личенные значения температуры, удельных расхода и изобарной теплоемкости парогазовой смеси на входе в турбину; отсутствие от­ боров воздуха из компрессора на охлаждение деталей турбин. Для снижения содержания оксидов азота в продуктах сгорания может быть предусмотрен отвод части охлаждающего пара (например, после охлаждения 1-го соплового аппарата турбины) не в проточ­ ную часть турбины, а на вход в КС, как показано на рис. 4.8.

В настоящее время во многих отечественных и зарубежных про­ изводственных фирмах, научно-исследовательских организациях и высших учебных заведениях энергомашиностроительного профиля проводятся исследования по разработке систем парожидкостого ох-

лаждения теплонапряженных деталей и узлов газовых турбин. Од­ нако обеспечение надежной работы таких систем встречает боль­ шие трудности, в основном технические и технологические. Вне­ дрение в эксплуатацию парожидкостного охлаждения пока остается проблематичным. Реализация двух предыдущих вариантов ПГУ-0 на базе любой из существующих ГТУ во много раз проще и требует лишь незначительных конструктивных изменений КС.

Впрыск воды или пара осуществляется с давних пор в ряде ГТУ, выпускаемых зарубежными фирмами. Например, ГТУ MS7001 фирмы Дженерал Электрик мощностью 150 МВт, находящаяся в эксплуатации с 1992 г., в том числе в составе ПГУ-КУ STAG 107 F. Массовый расход химически подготовленной воды составляет 15,1 кг/с, т.е. приблизительно 3% от расхода воздуха на входе в компрессор.

Фирмой Дженерал Электрик разработаны также две ПГУ-КУ типов S107H и S109H общей мощностью 400 и 480 МВт, соответст­ венно. ГТУ, входящие в состав этих ПГУ-КУ, имеют паровую сис­ тему охлаждения деталей и узлов турбины, выполненную по замк­ нутой схеме. При этом, пар поступает из КУ в систему охлаждения, из которой после завершения процесса охлаждения деталей и узлов турбины вновь возвращается в КУ в более нагретом состоянии. Зна­ чение величины температуры газа на выходе из КС ГТУ составляет приблизительно 1700К (~1430°С), а КПД ПГУ-КУ-----60%.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Арсеньев Л.В., Богов И.А., Левин Е.Е., Подобуев Ю.С., Тырышкин В.Г.

Стационарные газотурбинные установки. Справочник. - Л.: Машинострое­

ние, 1989.-543 с., ил.

2. Дорофеев В.М., Маслов В.Г. Термогазодинамический расчет газотур­ бинных силовых установок. - М.: Машиностроение, 1973. - 144 с., ил.

3. Ольховский Г.Г. Энергетические газотурбинные установки. - М.: Энергоатомиздат, 1985. - 304 с., ил.

4.Померанцев В.В. Основы практической теории горения. - Л.: Энергия,

1973.-273 с., ил.

5.Турбины тепловых и атомных электростанций: Учебник для вузов. — 2-е изд., перераб. И доп. / А.Г. Костюк, В.В. Фролов, А.Е. Булкин, А.Д. Трух-

ний\ Под ред. А.Г. Костюка, В.В. Фролова. — М.: Издательство МЭИ, 2001. - 488 с., ил.