Глава 1. Принципиальные схемы и рабочий процесс газотурбинных установок. Гту схемаПринципиальные схемы газотурбинных установок открытого циклаГазотурбинным двигателем (ГТД) можно назвать такой двигатель, в котором в качестве рабочего тела (в отличие от паровых турбин) используется неконденсирующийся газ (воздух, продукты сгорания топлива или нейтральные газы), а качестве тягового двигателя применяется газовая турбина, а все основные процессы цикла (в отличие от поршневых двигателей) совершаются в различных конструктивных элементах установки [3]. Сам термин «турбина» происходит от латинских слов turbineus – вихреобразный, или turbo – волчек. Турбина и есть тот двигатель, в котором механическая работа на валу машины получается за счет преобразования кинетической энергии газовой струи, в свою очередь получаемую в результате преобразования потенциальной энергии рабочего тела – энергии сгоревшего топлива. Получаемая в двигателе полезная работа определяется как разность между работой расширения и работой сжатия. В зависимости от способов организации подвода тепла топлива к рабочему телу, организации процессов сжатия и расширения, газотурбинные установки (ГТУ) могут быть выполнены по открытому (разомкнутому), закрытому (замкнутому) и полузамкнутому циклам. В ГТУ открытого цикла, наружный воздух, пройдя систему очистных фильтров, процесс сжатия в компрессоре, систему подвода тепла топлива в камере сгорания и процесс расширения образовавшихся продуктов сгорания в газовой турбине, через выхлопную трубу выбрасывается в атмосферу и его уже нельзя вернуть в установку вновь в качестве рабочего тела. В ГТУ закрытого цикла, рабочее тело (например, воздух), находящиеся под относительно высоким давлением, постоянно циркулирует в системе, последовательно проходит процессы сжатия, подвода тепла, расширения и охлаждения перед поступлением вновь на сжатие. При этом процессы охлаждения рабочего тела и подвод тепла осуществляются с использованием соответствующих теплообменных аппаратов, исключая тем самым непосредственный контакт между рабочим телом, топливом и продуктами его сгорания. ГТУ полузакрытого типа являются установками промежуточной схемы - между установками открытого и закрытого циклов. Рабочий процесс ГТУ простейшей схемы осуществляется следующим образом: атмосферный воздух, пройдя систему воздушных фильтров, поступает на вход осевого компрессора (К), где сжимается до давления 0,6-1,6 МПа. После сжатия в компрессоре, воздух с температурой примерно 240-340 0С поступает в камеру сгорания (КС), где за счет сжигания подводимого топлива, температура рабочего тела доводится до величины, обусловленной жаростойкостью лопаток и дисков газовой турбины (Т) – в стационарных ГТУ порядка 800-950 0С; в авиационных – порядка 1000-1150 0С. После прохождения газовой турбины, продукты сгорания с температурой порядка 400-500 0С выбрасываются в атмосферу. Мощность, развиваемая газовой турбиной, идет на привод осевого компрессора (большая ее часть, примерно 65 – 70 %) и на привод центробежного нагнетателя, либо для выполнения какой-то другой полезной нагрузки. КПД таких установок в настоящее время могут находиться на уровне 28-32%. В одновальных установках все элементы ГТУ – осевой компрессор, газовая турбина и нагнетатель (полезная нагрузка) находятся на одном валу, что естественно приводит к тому, что при работе они все имеют одну и туже частоту вращения. Это приводит к тому, что при использовании их, например, на газопроводах различные законы изменения характеристик одновальной ГТУ и нагнетателя, при снижении частоты вращения, приводят к тому, что ГТУ быстрее теряет мощность, чем снижается мощность, потребляемая нагнетателем. Это приводит к тому, что одновальная ГТУ может обеспечить режим работы нагнетателя только в ограниченном диапазоне изменения частоты вращения его вала. При ухудшении КПД нагнетателя или элементов ГТУ, осуществить работу агрегата с приводом от одновальной газотурбинной установки в широком диапазоне изменения частоты вращения вала нагнетателя будет уже невозможно. В ГТУ с «разрезным» валом, вал силовой турбины и нагнетателя, не будучи механически связанными с валом осевого компрессора и турбины высокого давления, может иметь практически любую частоту вращения, ему необходимую. Рабочий процесс газотурбинной установки с регенерацией тепла отходящих газов осуществляется следующим образом: атмосферный воздух после прохождения системы воздушных фильтров (на схемах они не показаны), где он очищается от пыли и других примесей, поступает на вход осевого компрессора (К), где сжимается до давления 0,6-0,8 МПа и после сжатия в компрессоре воздух поступает в регенератор -воздухоподогрева-тель (Р), где за счет использования тепла отходящих из турбины газов его температура повышается, обычно на 230-280 0С. После регенератора воздух поступает в камеру сгорания (КС), куда одновременно извне подается топливный газ, в результате чего температура газов перед турбиной высокого давления (ТВД) доводится до заданной величины. После расширения газов в газовой турбине, продукты сгорания проходят регенератор, в котором они частично охлаждаются, подогревая тем самым сжатый воздух после осевого компрессора перед поступлением его в камеру сгорания, и далее через выхлопную трубу выбрасываются в атмосферу. Коэффициент полезного действия газотурбинной установки с регенерацией тепла отходящих газов в настоящее время достигает величины порядка 30-33%. Наличие регенератора в схемах ГТУ, наряду со значительной экономией топливного газа, сопровождается неизбежными потерями мощности установки на преодоление гидравлических сопротивлений рабочего тела в газовоздушных трактах воздухоподогревателя, усложняет и удорожает установку, увеличивает расходы на ее обслуживание. Поэтому вопрос о целесообразности использования регенеративных установок на магистральных газопроводах решается на основе термодинамических и основанных на них технико-экономических расчетах. В настоящее время на магистральных газопроводах относительно широкое распространение получили и получают газотурбинные установки авиационного типа, имеющей две ступени сжатия воздуха без его промежуточного охлаждения между компрессорами и в конструктивном отношении выполненные как трехвальные установки. Такие схемы имеют два компрессора и три последовательно расположенные газовые турбины: турбина высокого давления (ТВД), турбина среднего давления (ТСД) и турбина низкого давления (ТНД) – силовая турбина, находящаяся на одном валу с нагнетателем газа. Компрессор первой ступени сжатия приводится во вращение от турбины среднего давления , компрессор второй ступени сжатия – от турбины высокого давления. Конструктивно вал компрессора первой ступени сжатия и турбины среднего давления располагается внутри вала, соединяющего компрессор второй ступени сжатия и турбину высокого давления. Компрессоры первой и второй ступени сжатия работают на различных частотах вращения. Газотурбинные установки подобных схем позволяют получить высокие соотношения давлений сжатия в цикле – на уровне 16-20, что в сочетании с относительно высокими температурами газов перед ТВД в авиационных ГТУ (1000-1150 0С) позволяет получать КПД установки на уровне 34-35% и даже выше. Желание получить в газотурбинных установках большую удельную мощность и высокий КПД, привело к разработке и созданию установок с несколькими ступенями сжатия воздуха в осевых компрессорах и его промежуточным охлаждением в процессе сжатия между компрессорами, несколькими ступенями подогрева рабочего тела между газовыми турбинами в процессе его расширения и с регенерацией теплоты отходящих газов. Комплексное использование теплотехнических мероприятий: промежуточное охлаждение воздуха в процессе его сжатия, регенеративный погрев воздуха после компрессоров и промежуточный подвод тепла в процессе расширения, дают наибольший эффект как на пути повышения КПД установки (который может достигать величины порядка 40-45%), так и удельной мощности ГТУ. В последние годы, с целью повышения КПД установок за счет рационального использования тепла отходящих газов ГТУ, делаются попытки использовать на газопроводах установки так называемого парогазового цикла. По этой схеме продукты сгорания ГТУ после турбины низкого давления поступают в котел-утилизатор для выработки пара высокого давления. Полученный пар из котла-утилизатора поступает в паровую турбину, где расширяясь вырабатывает полезную работу, идущую на выработку электроэнергии на нужды компрессорной станции или привод нагнетателей. Отработанный пар после паровой турбины проходит конденсатор, конденсируется и полученная жидкость, насосом вновь подается в котел-утилизатор, замыкая тем самым цикл силовой установки. КПД таких установок может достигать величины порядка 45-48% и даже выше. Однако, установки таких схем , прежде всего в силу своей дороговизны, необходимости наличия питательной воды на компрессорной станции и ее специальной подготовки, несомненно сдерживают развитие таких установок и в силу отмеченных причин они вряд ли выйдут из стадии использования на газопроводах только отдельных образцов. Таким образом, в настоящее время на магистральных газопроводах в основном используются три типа газотурбинных установок: стационарные, авиационные и судовые [11].
Похожие статьи:poznayka.org 1. Основные элементы газотурбинных установок1.1. Общие сведения о газотурбинных установкахГазотурбинный двигатель (ГТД) — один из видов теплового двигателя, в котором газ сжимается и нагревается, а затем энергия сжатого и нагретого газа преобразуется в механическую работу на валу газовой турбины. Газотурбинная установка состоит из трех основных элементов: газовой турбины, камер сгорания и воздушного компрессора. Превращение теплоты в работу осуществляется в нескольких агрегатах ГТД (рис.1)
Рис. 1. Схема газотурбинного двигателя: ТН – топливный насос; КС – камера сгорания; К – компрессор; Т – турбина; ЭГ – электрогенератор. В камеру сгорания топливным насосом подаются топливо и сжатый воздух после компрессора. Топливо перемешивается с воздухом, который служит окислителем, поджигается и сгорает. Чистые продукты сгорания также смешиваются с воздухом, чтобы температура газа, получившегося после смешения, не превышала заданного значения. Из камер сгорания газ поступает в газовую турбину, которая предназначена для преобразования его потенциальной энергии в механическую работу. Совершая работу, газ остывает и давление его уменьшается до атмосферного. Из газовой турбины газ выбрасывается в окружающую среду. Из атмосферы в компрессор поступает чистый воздух. В компрессоре его давление увеличивается и температура растет. На привод компрессора приходится отбирать значительную часть мощности турбины. Газотурбинные установки, работающие по такой схеме, называют установками открытого цикла. Большинство современных ГТУ работает по этой схеме.
Рис. 2. Цикл газотурбинного двигателя. Заменив сгорание топлива изобарным подводом теплоты (линия 2-3 на рис. 2), а охлаждение выброшенных в атмосферу продуктов сгорания – изобарным отводом теплоты (линия 1-4), получается цикл ГТД: 1-2 – сжатие рабочего тела от атмосферного давления до давления в двигателе; 2-3 – горение в камере; 3-4 – процесс адиабатного расширения рабочего тела; 4-1 – отработанные газы выбрасываются в атмосферу Кроме того, применяются замкнутые ГТУ (рис. 3). В замкнутых ГТУ также имеются компрессор 3 и турбина 2. Вместо камеры сгорания используется источник теплоты 1, в котором теплота передается рабочему телу без перемешивания с топливом. В качестве рабочего тела может применяться воздух, углекислый газ, пары ртути или другие газы. Рабочее тело, давление которого повышено в компрессоре, в источнике теплоты 1 нагревается и поступает в турбину 2, в которой отдает свою энергию. После турбины газ поступает в промежуточный теплообменник 5 (регенератор), в котором он подогревает воздух, а затем охлаждается в охладителе 4, поступает в компрессор 3, и цикл повторяется, В качестве источника теплоты могут использоваться специальные котлы для нагрева рабочего-тела энергией сжигаемого топлива или атомные реакторы.
Рис. 3. Схема газотурбинного двигателя, работающего по замкнутому циклу: 1 — поверхностный нагреватель; 2 — турбина; 3 — компрессор; 4 — охладитель; 5 — регенератор; 6 — аккумулятор воздуха; 7 — вспомогательный компрессор. studfiles.net 2. Конструктивные схемы газотурбинных установок2.1 Общие сведенияГазотурбинная установка состоит из следующих трех основных элементов: 1) компрессора, нагнетающего сжатый воздух в камеру сгорания или, в случае закрытого цикла, рабочий агент в турбину; 2) камеры сгорания для сжигания топлива и ввода теплоты в рабочий агент; 3) турбины. Осуществляются газотурбинные установки по открытому и закрытому циклам. В первом случае рабочим агентом является газ — продукт сгорания топлива, который после совершения работы выпускается в атмосферу. Во втором случае продукт сгорания топлива (как и в цикле паровой турбины) служит только для нагревания рабочего тела путем теплообмена, причем рабочим телом может быть воздух или какой-либо газ, непрерывно циркулирующий в системе. Сжигание топлива в газотурбинной установке может осуществляться либо при постоянном давлении, либо при постоянном объеме. Газотурбинные установки со сгоранием при постоянном объеме, вследствие присущих им недостатков, не нашли распространения и в настоящее время не строятся. Рабочий процесс газотурбинной установки со сгоранием при постоянном давлении осуществляется по схеме, показанной на рис. 1. Через патрубок 1 в компрессор 2 засасывается воздух. В компрессоре воздух сжимается и поступает непрерывным потоком в камеру сгорания 3, куда через форсунку 4, при помощи насоса 5 подается топливо. В камере при постоянном давлении происходит сгорание топлива. Получающиеся при сгорании топлива продукты разбавляются добавочным воздухом, поступающим по периферии камеры сгорания, до приемлемой температуры и направляются в газовую турбину 6. В турбине, приобретенная при расширении газа (смеси продуктов сгорания и воздуха), кинетическая энергия преобразуется на лопатках в механическую энергию. Патрубок 7 служит для выпуска отработавшей газовой смеси в атмосферу. Установка снабжена пусковым электродвигателем 8. К. п. д. установки такого типа не превышает 20%, что объясняется большой затратой энергии на сжатие воздуха, подаваемого в камеру сгорания с очень большим избытком. Добиться повышения к. п. д. газотурбинной установки можно несколькими способами, но все они усложняют установку и увеличивают ее вес.
Рис. 1. Схема газотурбинной установки со сгоранием при постоянном давлении. К таким способам относятся: 1) ступенчатый подвод теплоты; 2) регенерация теплоты, т. е. возврат теплоты рабочему телу; 3) ступенчатое сжатие. Ступенчатый подвод теплоты имеет целью приблизить этот процесс к более выгодному изотермическому подводу теплоты (как в цикле Карно). Практически этот процесс осуществляется применением ступенчатого сгорания между ступенями многоступенчатой газовой турбины, для чего перед каждой из промежуточных ступеней устанавливается камера сгорания, где отработавшие в предыдущей ступени газы получают дополнительное тепло за счет сгорания топлива. Турбины со ступенчатым сгоранием могут выполняться с двумя и более ступенями. Преимущество турбины со ступенчатым подводом теплоты состоит, в основном, в том, что она позволяет получить большую мощность установки; исследования многоступенчатых газовых турбин со ступенями сгорания показывают, что при двух ступенях сгорания мощность турбины повышается на 22%, а при трех ступенях— на 30%. Однако большого увеличения термического к. п. д. такие установки не дают, если нет регенерации теплоты. Поэтому газотурбинные установки со ступенчатым подводом теплоты без регенерации ие получили заметного рашростра/нения. Сущность регенерации теплоты заключается в максимальном использовании в установке теплоты уходящих отработавших газов. В газовых турбинах теплота отработавших газов используется в подогревателях воздуха, идущего в камеру сгорания. Воздухоподогреватель, являющийся регенератором, выполняется в виде трубчатого теплообменного аппарата, где для улучшения теплопередачи осуществляется противоток воздуха и газов. Наибольший эффект регенерация будет иметь, если сжатие газа производить по изотерме. Однако изотермическое сжатие практически неосуществимо, к нему лишь приближаются устройством ступенчатого сжатия воздуха в компрессоре. В современных газотурбинных установках для повышения к. п. д. применяются все три приведенных мероприятия, т. е. ступенчатое .сгорание, регенерация и ступенчатое охлаждение. Схема такой установки приведена на рис. 2. Атмосферный воздух поступает в первую ступень низкого давления 1 компрессора, где сжимается и направляется в промежуточный охладитель 2. Из охладителя воздух поступает во вторую ступень 3 компрессора. После сжатия воздуха во второй ступени (высокого давления) компрессора начинается подвод тепла: сначала регенеративным путем — в регенераторе 4, от отработавших газов, а затем в камере сгорания 5—от горящего топлива. После этого газ поступает в ступени высокого давления 6 газовой турбины. Расширившись в ступенях высокого давления, газ поступает во вторую камеру сгорания 7, где снова производится подвод тепла от торящего топлива. Завершается процесс расширением в ступенях низкого давления 5 турбины, после чего газ, пройдя регенератор 4, выходит из установки. В газотурбинных установках, работающих но закрытому (замкнутому) циклу, имеется воздухоподогреватель, в котором нагревают воздух (или другой газ), служащий рабочим телом для газовой турбины. В этом случае одна и та же порция рабочего воздуха (циркуляционного воздуха) проходит через турбину, воздухоподогреватель и охладитель, в результате чего получается замкнутый цикл. С термодинамической точки зрения закрытый цикл не отличается от открытого цикла, так как термодинамика в рассматриваемых ею циклах имеет дело именно с одной и той же порцией рабочего тела. По конструкции же установки, работающие по закрытому циклу, значительно отличаются от установок, работающих по открытому циклу.
Рис. 2. Схема газотурбинной установки со ступенчатым сгоранием, регенерацией ступенчатым охлаждением. Схема ГТУ закрытого цикла показана на рис. 3. Циркулирующий по замкнутому циклу воздух нагнетается компрессором 1 в воздухоподогреватель 2. В воздухоподогревателе воздух нагревается за счет тепла, выделяемого топливом при его сгорании в камере 3. Нагретый и сжатый воздух входит в газовую» турбину 4, где, расширяясь, расходует свою внутреннюю энергию» на получение механической работы. Из турбины воздух выходит со сравнительно высокой температурой, и поэтому он направляется в регенератор 5, где отдает часть своего тепла на подогрев воздуха поступаемого в камеру сгорания (этот воздух не участвует в движении по замкнутому контуру).
Рис. 3. Схема газотурбинной установки с закрытым циклом. Из регенератора циркуляционный воздух поступает в охладитель 6, где он отдает дополнительно значительную часть своего тепла, охлаждается до начальной температуры и уменьшается в. объеме. Охлаждение воздуха в охладителе осуществляется забортной водой. Установки с закрытым циклом по сравнению с открытым циклом менее экономичны, так как имеют ряд дополнительных потерь в теплообменниках. Однако такая установка имеет и ряд преимуществ, основным из которых является возможность использованиям в этой установке теплоты, выделяющейся в атомных реакторах. В настоящее время проводятся большие работы по проектированию таких атомных газотурбинных установок (в том числе в судовых). studfiles.net Тепловая схема и рабочий процесс энергетической гту открытого цикла. Конструктивные особенности газовых турбин и газотурбинных установокТопливо (жидкое или газообразное). При малых капитальных затратах на сооружение они характеризуются высокой маневренностью. ГТУ имеют по сравнению с паровыми турбинами повышенные шумовые характеристики, требующие дополнительной звукоизоляции машинного отделения. Воздушный компрессор потребляет значительную долю (50-60%) внутренней мощности газовой турбины. Большинство ГТУ работает по схеме непрерывного сгорания топлива и выполняется по открытому (разомкнутому) циклу. Компрессор1 засасывает из атмосферы воздух, сжимает его до заданного давления и подаёт в камеру сгорания 4. Туда же с помощью топливного насоса 3 вспрыскивается через форсунку 5 топливо которое смешивается с воздухом и сгорает. Образовавшиеся газообразные продукты сгорания направляются в газовую турбину 8. 20 – 40 % подаваемого компрессором воздуха вводится в активную зону горения 6 и участвует в процессе сгорания – первичный воздух. Остальные 60 – 80% воздуха смешиваются с продуктами сгорания – вторичный воздух, который понижает температуру газов перед турбиной до заданного значения. Мощность, развиваемая турбиной 8, частично затрачивается на привод компрессора 1, а оставшаяся часть преобразуется в электроэнергию в генераторе 2. Запуск ГТУ производится пусковым электродвигателем 7, а зажигание топлива происходит электрической свечой. В ГТУ открытого цикла в качестве топлива используется жидкое малосернистое газотурбинное топливо или природный газ, которые подаются в камеру сгорания. Необходимый для сгорания, топлива воздух очищается в фильтре (Ф) и сжимается в компрессоре (К) до давления Ркк =0,6-2 МПа. Для получения заданной температуры газов перед газовой турбиной (ГТ) tнт= 750-1200 0С в камере сгорания (КС) поддерживается нужный избыток воздуха (2,5-5) с учётом теоретической температуры горения топлива, вида топлива, способа его сжигания . Горячие газы являются рабочим телом в газовой турбине, где они расширяются, а затем при температуре tкт = 450-550 0С выбрасываются в дымовую трубу. Рабочий процесс ГТУ
Цикл замкнут; осуществляется с постоянным количеством газа с постоянной теплоёмкостью; все процессы в цикле обратимы т.к. нет потерь; сжатие в компрессоре и расширение в турбине – процессы адиабатные. Отсюда линия 3 – 4/ - изоэнтропное сжатие воздуха в компрессоре, сопровождается повышением его давления и температуры от начальных р3 и Т3 до р4 и Т4/. Реально сжатие сопровождается внутренними потерями в компрессоре, которые сдвигают этот процесс в сторону увеличения энтропии – линия 3 – 4. Теплота в камере сгорания подводится по изобаре 4 -1, за счёт чего температура возрастает от Т4 до Т1. Линия 1 – 2/ - изоэнтропное расширение рабочего тела в турбине. Реально расширение из-за внутренних потерь в турбине увеличивающих энтропию, происходит по линии 1 – 2. При этом давление снижается до р2, а температура – Т2. Изобара 2/ - 3 – отвод теплоты. В результате чего температура рабочего тела понижается до Т3. Термический к.п.д. цикла , где q1,q2 – подведённая и отведённая в цикле теплота, кДж/кг; l0 – удельная полезная работа цикла, кДж/кг. Основные преимущества ГТУ заключаются в их мобильности. В зависимости от типа установки, ее время пуска и нагружения составляет 5-20 минут. ГТУ характеризуются более низкой удельной стоимостью (на 50-80%)меньше, чем у базовых энергоблоков), высокой степенью готовности к пуску, отсутствием потребности в охлаждающей воде, возможностью быстрого строительства ТЭС, при малых габаритах электростанции и незначительном загрязнении окружающей среды. ГТУ имеют невысокий КПД производства электроэнергии (28-30%), заводское изготовление их сложнее, чем паровых турбин, они нуждаются в дорогих и дефицитных видах топлива. Поэтому ГТУ используют в качестве пиковых установок. Важной особенностью ГТУ является зависимость их показателей от параметров наружного воздуха, в первую очередь от температуры. Под ее влиянием изменяется расход воздуха через компрессор. Повышается тепловая экономичность ГТУ с ростом температуры газов перед газовой турбинойtнт и с понижением температуры наружного воздуха tнв.
Ркт, tкт
№ 14 studfiles.net Глава 1. Принципиальные схемы и рабочий процесс газотурбинных установок1.1. Принципиальные схемы газотурбинных установок открытого циклаГазотурбинным двигателем (ГТД) можно назвать такой двигатель, в котором в качестве рабочего тела (в отличие от паровых турбин) используется неконденсирующийся газ (воздух, продукты сгорания топлива или нейтральные газы), а качестве тягового двигателя применяется газовая турбина, а все основные процессы цикла (в отличие от поршневых двигателей) совершаются в различных конструктивных элементах установки [3]. Сам термин «турбина» происходит от латинских слов turbineus– вихреобразный, илиturbo– волчек. Турбина и есть тот двигатель, в котором механическая работа на валу машины получается за счет преобразования кинетической энергии газовой струи, в свою очередь получаемую в результате преобразования потенциальной энергии рабочего тела – энергии сгоревшего топлива. В основе современных представлений превращения тепла в работу лежат два важнейших положения термодинамики: невозможность создания вечного двигателя первого рода, когда полезная работа получается без затраты энергии извне (следствие первого начала термодинамики), и невозможность создания вечного двигателя второго рода, в котором тепло полностью превращалась бы в работу (следствие второго начала термодинамики). Следовательно, непременным условием создания и работы любого теплового двигателя является наличие материальной среды – рабочего тела и, по меньшей мере двух тепловых источников – источника высокой температуры (нагреватель), от которого берется тепло для преобразования части его в работу, и источника низкой температуры, которому отдается часть неиспользованного тепла в двигателе. Это значит, что каждый тепловой двигатель должен состоять из нагревателя, расширительной машины, холодильника и компрессионной машины. Причем, так как необходимо непрерывно превращать тепло в работу, то необходимо и непрерывно, наряду с подводом тепла и расширением, сжимать рабочее тело, причем при таких условиях, чтобы работа сжатия была бы меньше работы расширения. Получаемая в двигателе полезная работа определяется как разность между работой расширения и работой сжатия. Основным отличительным признаком газотурбинного двигателя, например, от поршневых двигателей внутреннего сгорания, является организация круговых процессов. В поршневых машинах, как известно, все основные процессы цикла – сжатие, подвод тепла и расширение последовательно сменяют друг друга в одном и том же замкнутом пространстве система цилиндр – поршень), а в газотурбинном двигателе все эти процессы непрерывно осуществляются в различных его элементах, последовательно расположенных по ходу движения рабочего тела (компрессор – камера сгорания - газовая турбина). В зависимости от способов организации подвода тепла топлива к рабочему телу, организации процессов сжатия и расширения, газотурбинные установки (ГТУ) могут быть выполнены по открытому (разомкнутому), закрытому (замкнутому) и полузамкнутому циклам. В ГТУ открытого цикла, представляющих наибольший промышленный интерес и получивших наибольшее распространение, наружный воздух, пройдя систему очистных фильтров, процесс сжатия в компрессоре, систему подвода тепла топлива в камере сгорания и процесс расширения образовавшихся продуктов сгорания в газовой турбине, через выхлопную трубу выбрасывается в атмосферу и его уже нельзя вернуть в установку вновь в качестве рабочего тела. В ГТУ закрытого цикла, рабочее тело (например, воздух), находящиеся под относительно высоким давлением, постоянно циркулирует в системе, последовательно проходит процессы сжатия, подвода тепла, расширения и охлаждения перед поступлением вновь на сжатие. При этом процессы охлаждения рабочего тела и подвод тепла осуществляются с использованием соответствующих теплообменных аппаратов, исключая тем самым непосредственный контакт между рабочим телом, топливом и продуктами его сгорания. ГТУ полузакрытого типа являются установками промежуточной схемы - между установками открытого и закрытого циклов. Отличительной особенностью термина газотурбинный двигатель от термина газотурбинная установка является то, что в понятие газотурбинная установка включается не только само понятие газотурбинный двигатель, но и сопутствующие ему элементы, обеспечивающие его работу (система организации подвода циклового воздуха, топлива, смазки, системы пуска и остановки агрегата, разного рода контролирующие приборы и т.д.) Некоторые простейшие схемы ГТУ открытого цикла приведены на Рис.1.1. Схема а) соответствует варианту ГТУ в одновальном исполнении; схема б) – варианту ГТУ в двухвальном исполнении (ГТУ с независимой силовой турбиной). Рабочий процесс ГТУ простейшей схемы Рис. 1.1а и Рис. 1.1б осуществляется следующим образом: атмосферный воздух, пройдя систему воздушных фильтров, поступает на вход осевого компрессора (К), где сжимается до давления 0,6-1,6 МПа. После сжатия в компрессоре, воздух с температурой примерно 240-340 0С поступает в камеру сгорания (КС), где за счет сжигания подводимого топлива, температура рабочего тела доводится до величины, обусловленной жаростойкостью лопаток и дисков газовой турбины (Т) – в стационарных ГТУ порядка 800-950 0С; в авиационных – порядка 1000-1150 0С. После прохождения газовой турбины, продукты сгорания с температурой порядка 400-500 0С выбрасываются в атмосферу. Мощность, развиваемая газовой турбиной, идет на привод осевого компрессора (большая ее часть, примерно 65 – 70 %) и на привод центробежного нагнетателя, либо для выполнения какой-то другой полезной нагрузки. КПД таких установок в настоящее время могут находиться на уровне 28-32%. С точки зрения основных показателей ГТУ на номинальной нагрузке, приведенные схемы ГТУ (а) и (б) между собой ничем не отличаются, но схема (б), получившая развитие на магистральных газопроводах, позволяет стабилизировать показатели работы установки на переменной нагрузке, в силу того, что турбина низкого давления (ТНД), которую иногда называют тяговой или силовой турбиной, может иметь различную частоту вращения силового вала в зависимости от изменения полезной нагрузки и не оказывать при этом практически какого-либо влияния на частоту вращения вала турбины высокого давления (и осевого компрессора), сохраняя тем самым подачу циклового воздуха на постоянном уровне. В этом случае система осевой компрессор- турбина высокого давления выступают как генератор газа в ГТУ. В одновальных установках все элементы ГТУ – осевой компрессор, газовая турбина и нагнетатель (полезная нагрузка) находятся на одном валу, что естественно приводит к тому, что при работе они все имеют одну и туже частоту вращения. Это приводит к тому, что при использовании их, например, на газопроводах различные законы изменения характеристик одновальной ГТУ и нагнетателя, при снижении частоты вращения, приводят к тому, что ГТУ быстрее теряет мощность, чем снижается мощность, потребляемая нагнетателем. Это приводит к тому, что одновальная ГТУ может обеспечить режим работы нагнетателя только в ограниченном диапазоне изменения частоты вращения его вала. При ухудшении КПД нагнетателя или элементов ГТУ, осуществить работу агрегата с приводом от одновальной газотурбинной установки в широком диапазоне изменения частоты вращения вала нагнетателя будет уже невозможно. В ГТУ с «разрезным» валом, вал силовой турбины и нагнетателя, не будучи механически связанными с валом осевого компрессора и турбины высокого давления, может иметь практически любую частоту вращения, ему необходимую. Благодаря этим особенностям, двухвальные ГТУ как без регенерации Рис. 1.1б, так и с регенерацией тепла отходящих газов, Рис 1.1в и получили широкое распространение на газопроводах. Рабочий процесс газотурбинной установки с регенерацией тепла отходящих газов (Рис. 1.1 в) осуществляется следующим образом: атмосферный воздух после прохождения системы воздушных фильтров (на схемах они не показаны), где он очищается от пыли и других примесей, поступает на вход осевого компрессора (К), где сжимается до давления 0,6-0,8 МПа и после сжатия в компрессоре воздух поступает в регенератор -–воздухоподогреватель (Р), где за счет использования тепла отходящих из турбины газов его температура повышается, обычно на 230-280 0С. После регенератора воздух поступает в камеру сгорания (КС), куда одновременно извне подается топливный газ, в результате чего температура газов перед турбиной высокого давления (ТВД) доводится до заданной величины. После расширения газов в газовой турбине, продукты сгорания проходят регенератор, в котором они частично охлаждаются, подогревая тем самым сжатый воздух после осевого компрессора перед поступлением его в камеру сгорания, и далее через выхлопную трубу выбрасываются в атмосферу. Коэффициент полезного действия газотурбинной установки с регенерацией тепла отходящих газов в настоящее время достигает величины порядка 30-33%. Следует заметить, что наличие регенератора в схемах ГТУ, наряду со значительной экономией топливного газа, сопровождается неизбежными потерями мощности установки на преодоление гидравлических сопротивлений рабочего тела в газовоздушных трактах воздухоподогревателя, усложняет и удорожает установку, увеличивает расходы на ее обслуживание. Поэтому вопрос о целесообразности использования регенеративных установок на магистральных газопроводах решается на основе термодинамических и основанных на них технико-экономических расчетах. Сверху Рис. 1.1 в показаны процессы, характеризующие образование цикла ГТУ в координатах Р-v и T-S. На этих графиках линия 1-2 характеризует процесс сжатия воздуха в осевом компрессоре; линия 2-3 – процесс подвода тепла в регенераторе и камере сгорания; линия 3-4 – процесс расширения продуктов сгорания в газовой турбине; линия 4-1 – замыкание цикла, поступление новой порции воздуха на сжатие его в осевом компрессоре. Здесь же приведен цикл ГТУ и в координатах T-S. Линиями 1-2 и 3-4 соответственно показаны обратимые процессы сжатия и расширения; линями 1-21 и 3-41 отмечены соответственно реальные процессы сжатия и расширения рабочего тела в цикле ГТУ. В настоящее время на магистральных газопроводах относительно широкое распространение получили и получают газотурбинные установки авиационного типа. В большинстве своем они выполнены по схеме Рис. 1.1 б, но в ряде случаев они выполнены и по схеме Рис. 1.1 г., имеющей две ступени сжатия воздуха без его промежуточного охлаждения между компрессорами и в конструктивном отношении выполненные как трехвальные установки. Такие схемы имеют два компрессора и три последовательно расположенные газовые турбины: турбина высокого давления (ТВД), турбина среднего давления (ТСД) и турбина низкого давления (ТНД) – силовая турбина, находящаяся на одном валу с нагнетателем газа. Компрессор первой ступени сжатия приводится во вращение от турбины среднего давления , компрессор второй ступени сжатия – от турбины высокого давления. Конструктивно вал компрессора первой ступени сжатия и турбины среднего давления располагается внутри вала, соединяющего компрессор второй ступени сжатия и турбину высокого давления. Компрессоры первой и второй ступени сжатия работают на различных частотах вращения. Газотурбинные установки подобных схем позволяют получить высокие соотношения давлений сжатия в цикле – на уровне 16-20, что в сочетании с относительно высокими температурами газов перед ТВД в авиационных ГТУ (1000-1150 0С) позволяет получать КПД установки на уровне 34-35% и даже выше. Желание получить в газотурбинных установках большую удельную мощность и высокий КПД, привело к разработке и созданию установок с несколькими ступенями сжатия воздуха в осевых компрессорах и его промежуточным охлаждением в процессе сжатия между компрессорами, несколькими ступенями подогрева рабочего тела между газовыми турбинами в процессе его расширения и с регенерацией теплоты отходящих газов (Рис. 1.1 д). Комплексное использование теплотехнических мероприятий: промежуточное охлаждение воздуха в процессе его сжатия, регенеративный погрев воздуха после компрессоров и промежуточный подвод тепла в процессе расширения, дают наибольший эффект как на пути повышения КПД установки (который может достигать величины порядка 40-45%), так и удельной мощности ГТУ. Однако, трудность освоения и использования сложных схем ГТУ, низкие показатели теплообменных аппаратов, отсутствие мобильности при эксплуатации установок приводят к тому, такие установки целесообразны к использованию только в системах большой энергетики. На магистральных газопроводах в первую очередь целесообразно использовать установки, созданные по схемам Рис. 1.1 б, Рис. 1.1 в и Рис. 1.1 г. В последние годы, с целью повышения КПД установок за счет рационального использования тепла отходящих газов ГТУ, делаются попытки использовать на газопроводах установки так называемого парогазового цикла (Рис.1.2)., с точки зрения термодинамики удачно сочетающие в себе особенности цикла газовой турбины и цикла паровой турбины. Цикл такой установки в координатах Т-S приведен на Рис. 1.3 По этой схеме продукты сгорания ГТУ после турбины низкого давления поступают в котел-утилизатор для выработки пара высокого давления. Полученный пар из котла-утилизатора поступает в паровую турбину, где расширяясь вырабатывает полезную работу, идущую на выработку электроэнергии на нужды компрессорной станции или привод нагнетателей. Отработанный пар после паровой турбины проходит конденсатор, конденсируется и полученная жидкость, насосом вновь подается в котел-утилизатор, замыкая тем самым цикл силовой установки. КПД таких установок может достигать величины порядка 45-48% и даже выше. Однако, установки таких схем , прежде всего в силу своей дороговизны, необходимости наличия питательной воды на компрессорной станции и ее специальной подготовки, несомненно сдерживают развитие таких установок и в силу отмеченных причин они вряд ли выйдут из стадии использования на газопроводах только отдельных образцов. Таким образом, в настоящее время на магистральных газопроводах в основном используются три типа газотурбинных установок: стационарные, авиационные и судовые [11]. К стационарным газотурбинным установкам, специально сконструированных для использования на газопроводах, следует отнести установки: ГТ-700-5, ГТК-5 , ГТ-750-6 ГТ-6-750, ГТН-6, ГТК-10-2-4, ГТН-25 мощностью от 4 МВт до 25 МВт; К авиоприводным агрегатам следует отнести установки типа ГПА-Ц-6,3, ГПА-Ц-16 и др., установки импортного производства таких как «Коберpа –182», производства фирмы «Ролл-Ройс» (Великобритания»), «Солар», «Центавр» (США). К судовым газотурбинным агрегатам следует отнести установки типа ГПУ-10 и ДТ-90 (Украина). В общей сложности на газопроводах на конец 2002 г. эксплуатировалось свыше 3 тыс. ГТУ различных типов и схем с общей установленной мощностью свыше 36 млн. кВт, что составляет около 85% общей установленной мощности компрессорных станций ОАО «Газпром». Характеристики приведенных типов ГТУ на конец 2002 г. приведены в табл. 1.1. Таблица 1.1. Типы газотурбинных установок, используемых на газопроводах.
Анализ данных табл. 1.1 показывает, что ряд мощностей ГТУ, используемых на магистральных газопроводах ОАО «Газпром» можно описать рядом примерно следующей последовательности: 4, 6, 10, 16 и 25 мВт. Паспортный КПД используемых агрегатов изменяется в диапазоне 24-35 %, причем численное значение КПД агрегата естественно увеличивается с ростом его мощности. studfiles.net 2. Конструктивные схемы газотурбинных установок2.1 Общие сведенияГазотурбинная установка состоит из следующих трех основных элементов: 1) компрессора, нагнетающего сжатый воздух в камеру сгорания или, в случае закрытого цикла, рабочий агент в турбину; 2) камеры сгорания для сжигания топлива и ввода теплоты в рабочий агент; 3) турбины. Осуществляются газотурбинные установки по открытому и закрытому циклам. В первом случае рабочим агентом является газ — продукт сгорания топлива, который после совершения работы выпускается в атмосферу. Во втором случае продукт сгорания топлива (как и в цикле паровой турбины) служит только для нагревания рабочего тела путем теплообмена, причем рабочим телом может быть воздух или какой-либо газ, непрерывно циркулирующий в системе. Сжигание топлива в газотурбинной установке может осуществляться либо при постоянном давлении, либо при постоянном объеме. Газотурбинные установки со сгоранием при постоянном объеме, вследствие присущих им недостатков, не нашли распространения и в настоящее время не строятся. Рабочий процесс газотурбинной установки со сгоранием при постоянном давлении осуществляется по схеме, показанной на рис. 1. Через патрубок 1 в компрессор 2 засасывается воздух. В компрессоре воздух сжимается и поступает непрерывным потоком в камеру сгорания 3, куда через форсунку 4, при помощи насоса 5 подается топливо. В камере при постоянном давлении происходит сгорание топлива. Получающиеся при сгорании топлива продукты разбавляются добавочным воздухом, поступающим по периферии камеры сгорания, до приемлемой температуры и направляются в газовую турбину 6. В турбине, приобретенная при расширении газа (смеси продуктов сгорания и воздуха), кинетическая энергия преобразуется на лопатках в механическую энергию. Патрубок 7 служит для выпуска отработавшей газовой смеси в атмосферу. Установка снабжена пусковым электродвигателем 8. К. п. д. установки такого типа не превышает 20%, что объясняется большой затратой энергии на сжатие воздуха, подаваемого в камеру сгорания с очень большим избытком. Добиться повышения к. п. д. газотурбинной установки можно несколькими способами, но все они усложняют установку и увеличивают ее вес.
Рис. 1. Схема газотурбинной установки со сгоранием при постоянном давлении. К таким способам относятся: 1) ступенчатый подвод теплоты; 2) регенерация теплоты, т. е. возврат теплоты рабочему телу; 3) ступенчатое сжатие. Ступенчатый подвод теплоты имеет целью приблизить этот процесс к более выгодному изотермическому подводу теплоты (как в цикле Карно). Практически этот процесс осуществляется применением ступенчатого сгорания между ступенями многоступенчатой газовой турбины, для чего перед каждой из промежуточных ступеней устанавливается камера сгорания, где отработавшие в предыдущей ступени газы получают дополнительное тепло за счет сгорания топлива. Турбины со ступенчатым сгоранием могут выполняться с двумя и более ступенями. Преимущество турбины со ступенчатым подводом теплоты состоит, в основном, в том, что она позволяет получить большую мощность установки; исследования многоступенчатых газовых турбин со ступенями сгорания показывают, что при двух ступенях сгорания мощность турбины повышается на 22%, а при трех ступенях— на 30%. Однако большого увеличения термического к. п. д. такие установки не дают, если нет регенерации теплоты. Поэтому газотурбинные установки со ступенчатым подводом теплоты без регенерации ие получили заметного рашростра/нения. Сущность регенерации теплоты заключается в максимальном использовании в установке теплоты уходящих отработавших газов. В газовых турбинах теплота отработавших газов используется в подогревателях воздуха, идущего в камеру сгорания. Воздухоподогреватель, являющийся регенератором, выполняется в виде трубчатого теплообменного аппарата, где для улучшения теплопередачи осуществляется противоток воздуха и газов. Наибольший эффект регенерация будет иметь, если сжатие газа производить по изотерме. Однако изотермическое сжатие практически неосуществимо, к нему лишь приближаются устройством ступенчатого сжатия воздуха в компрессоре. В современных газотурбинных установках для повышения к. п. д. применяются все три приведенных мероприятия, т. е. ступенчатое .сгорание, регенерация и ступенчатое охлаждение. Схема такой установки приведена на рис. 2. Атмосферный воздух поступает в первую ступень низкого давления 1 компрессора, где сжимается и направляется в промежуточный охладитель 2. Из охладителя воздух поступает во вторую ступень 3 компрессора. После сжатия воздуха во второй ступени (высокого давления) компрессора начинается подвод тепла: сначала регенеративным путем — в регенераторе 4, от отработавших газов, а затем в камере сгорания 5—от горящего топлива. После этого газ поступает в ступени высокого давления 6 газовой турбины. Расширившись в ступенях высокого давления, газ поступает во вторую камеру сгорания 7, где снова производится подвод тепла от торящего топлива. Завершается процесс расширением в ступенях низкого давления 5 турбины, после чего газ, пройдя регенератор 4, выходит из установки. В газотурбинных установках, работающих но закрытому (замкнутому) циклу, имеется воздухоподогреватель, в котором нагревают воздух (или другой газ), служащий рабочим телом для газовой турбины. В этом случае одна и та же порция рабочего воздуха (циркуляционного воздуха) проходит через турбину, воздухоподогреватель и охладитель, в результате чего получается замкнутый цикл. С термодинамической точки зрения закрытый цикл не отличается от открытого цикла, так как термодинамика в рассматриваемых ею циклах имеет дело именно с одной и той же порцией рабочего тела. По конструкции же установки, работающие по закрытому циклу, значительно отличаются от установок, работающих по открытому циклу.
Рис. 2. Схема газотурбинной установки со ступенчатым сгоранием, регенерацией ступенчатым охлаждением. Схема ГТУ закрытого цикла показана на рис. 3. Циркулирующий по замкнутому циклу воздух нагнетается компрессором 1 в воздухоподогреватель 2. В воздухоподогревателе воздух нагревается за счет тепла, выделяемого топливом при его сгорании в камере 3. Нагретый и сжатый воздух входит в газовую» турбину 4, где, расширяясь, расходует свою внутреннюю энергию» на получение механической работы. Из турбины воздух выходит со сравнительно высокой температурой, и поэтому он направляется в регенератор 5, где отдает часть своего тепла на подогрев воздуха поступаемого в камеру сгорания (этот воздух не участвует в движении по замкнутому контуру).
Рис. 3. Схема газотурбинной установки с закрытым циклом. Из регенератора циркуляционный воздух поступает в охладитель 6, где он отдает дополнительно значительную часть своего тепла, охлаждается до начальной температуры и уменьшается в. объеме. Охлаждение воздуха в охладителе осуществляется забортной водой. Установки с закрытым циклом по сравнению с открытым циклом менее экономичны, так как имеют ряд дополнительных потерь в теплообменниках. Однако такая установка имеет и ряд преимуществ, основным из которых является возможность использованиям в этой установке теплоты, выделяющейся в атомных реакторах. В настоящее время проводятся большие работы по проектированию таких атомных газотурбинных установок (в том числе в судовых). studfiles.net Система маслоснабжения газотурбинной установки (ГТУ)Система маслоснабжения газотурбинной установки (ГТУ)Система маслоснабжения ГТУ предназначена для подачи масла к подшипникам, в гидравлическую или электрогидравлическую систему регулирования и к трущимся поверхностям (зубчатым передачам, шарнирам и др.). Обычно применяют турбинное масло, имеющее температуру застывания -15°С. В северных районах используют специальные масла, температура застывания которых -45°С. Масла должным иметь определенную вязкость, кислотное число и зольность; водорастворимые кислоты и щелочи, механические примеси, вода и сера должны в них полностью отсутствовать. Чтобы не допустить излишне быстрого окисления масла, его температура после подшипников должна быть не более 70-75°С. Теплота, уносимая маслом, отводится из системы маслоснабжения маслоохладителями, через которые прокачивается охлаждающая вода. Расход масла зависит от количества выделяющейся теплоты в подшипниках и допустимой температуры нагрева.
Рис.1. Схема системы маслоснабжения турбины:1,2 - пусковой и аварийный маслонасосы, 3 - маслобак,4,7 - фильтры, 5,6 - насосы, 8 - отвод в систему регулирования,9 - маслоохладитель, 10 - аварийная емкость,11 - дроссельные шайбы, 12 - слив масла из подшипников турбины При простейшей схеме маслоснабжёния (рис.1) масло из масляного бака 3 через магнитный фильтр 4 подается насосом 5 в системы смазки и регулирования 8. В случае выхода из строя насоса 5 используется резервный насос 6. Затем масло фильтруется еще раз фильтром 7 и, пройдя маслоохладитель 9 и дроссельные шайбы 11, дозирующие его подачу, подается к каждому подшипнику. После подшипников масло по сливным трубопроводам 12 поступает в общий коллектор, а из него — в масляный бак, где освобождается от воздуха и шлака. Емкости бака должно хватать на 4—8 мин работы основного масляного насоса. Давление масла перед подшипниками обычно равно 0,15-0,17 МПа. Если необходимо масло более высокого давления, оно подается дополнительным насосом, устанавливаемым перед входом в систему регулирования. При снижении давления ниже допустимого автоматически включается аварийный масляный электронасос 2. Магнитные фильтры 4 предназначены для отделения мелких металлических частиц, а фильтры 7 задерживают немагнитные включения. Маслоохладители представляют собой трубчатые теплообменники. Внутри трубок течет вода, а снаружи они омываются маслом. Давление воды должно быть меньше давления масла, чтобы случае образования не плотности она не могла попасть в подшипники. Система маслоснабжения подает масло не только к подшипникам турбины, но и к подшипникам потребителя энергии — электрического генератора, нагнетателя природного газа или др. В нагнетателях природного газа масло также подается на его торцовое, уплотнение. Перед сливом в бак это масло очищают от газа. www.gigavat.com |
|
||||||||||||||||||
|
|
||||||||||||||||||
|
