Цикл газотурбинной установки

В циклах газотурбинных установок рабочим телом служат нагретые до высокой температуры сжатые газы. В качестве таких газов чаще всего используют смесь воздуха и продуктов сго­рания жидкого (или газообразного) топлива.

Принципиальная схема газотурбинной установки (ГТУ с под­водом тепла при р = const) представлена на рис. 4. Воздушный компрессор КП сжимает атмосферный воздух, повышая давление с р₁до р₂,и непрерывно подает его в камеру сгорания КС. Туда же специальным насосом непрерывно подается необходимое ко­личество жидкого или газообразного топлива. Образующиеся в камере продукты сгорания выходят из нее с температурой Т₃ и практически с тем же давлением р₂(если не учитывать сопротив­ления), что и на выходе из компрессора (р₂ - р₃).Следовательно, горение топлива (т.е. подвод теплоты) происходит при постоян­ном давлении.

Рис. 0. Принципиальная технологическая схема электростанции

с газовыми турбинами:

КС - камера сгорания; К - компрессор; ГТ - газовая турбина;

Г - генератор; Т - трансформатор;

В газовой турбине ГТ продукты сгорания (рис. 5) адиабатно расширяются, в результате чего их температура снижается до Т₄(точка 4), а давление уменьшается до атмосферного р₀. Весь перепад давлений р₃ - р₀используется для получения техничес­кой работы в турбине l _тех. Большая часть этой работы l _к расходу­ется на привод компрессора; разность l _тех - l _к затрачивается на производство электроэнергии в электрическом генераторе G или на другие цели. Эта разность и составляет полезную работу цикла (расход энергии на привод топливного насоса невелик, и в пер­вом приближении его можно не учитывать).

а

б

Рис. 5. Цикл ГТУ:

а – в р,ν - диаграмме; б - в Т,s –диаграмме

Заменив сгорание топлива изобарным подводом теплоты (ли­ния 2-3 на рис. 4), а охлаждение выброшенных в атмосферу продуктов сгорания -изобарным отводом тепла (линия 4-1), по­лучим цикл газотурбинной установки 1-2-3-4.

Полезная работа l _ц изображается в р,ν-диаграмме площадью, заключенной внутри контура цикла (1-2-3-4). На рис. 5, а видно, что полезная работа равна разности между технической ра­ботой, полученной в турбине (площадь 6-3-4-5), и технической работой, затраченной на привод компрессора (площадь 6-2-1-5). Площадь цикла 1-2-3-4 в Т,s-диаграмме эквивалентна этой же полезной работе (см. рис. 5, б). Теплота, превращенная в ра­боту, получается как разность между количествами подведенной q₁(площадь 8-2-3-7) и отведенной q₂(площадь 1-4-7-8) теп­лоты. Коэффициент полезного действия идеального цикла ГТУ

η_t = 1 - = 1 - = 1 - . (1)

В формуле (1) теплоемкость с_р принята для простоты посто­янной.

Одной из основных характеристик цикла газотурбинной уста­новки является степень повышения давления в компрессоре π, равная отношению давления воздуха после компрессора р₂ к дав­лению перед ним р₁.Выразим отношение температур в формуле (1) через степень повышения давления π = р₂/р_х из уравнения адиабаты:

.

Поскольку р₄ = р₁ и р₃ = р₂,после ряда преобразований из (1) получим

η_t = 1 - .

Коэффициент полезного действия идеального цикла непрерыв­но возрастает с увеличением π. Это связано с ростом температу­ры в конце процесса сжатия Т₂и соответственно температуры га­зов перед турбиной Т₃.

На рис. 5, б отчетливо видно, что цикл 1-2'-3'-4,в кото­ром πбольше, экономичнее цикла 1-2-3-4, ибо по линии 2'-3' подводится больше теплоты q₁, чем по линии 2-3, при том же ко­личестве отведенной в процессе 4-1 теплоты q₂. При этом и больше, чем соответственно Т₂ и Т₃.

Максимальная температура газов перед турбиной ограничивается жаропрочностью металла, из которого делают ее основные элементы (в авиационных двигателях 1100-1200 °С, а в стационарных 750-850 °С). Поэтому приходится сознательно идти на снижение температуры горения топлива (за счет подачи излишнего количества воздуха).

При определении оптимального значения πдля заданной на­чальной температуры газа стремятся не только к более высокому КПД, но и к минимальному расходу газа на единицу вырабаты­ваемой мощности. Чем меньше этот расход, тем меньше размеры турбины и компрессора, а, следовательно, размеры всей установ­ки. Значение π,отвечающее максимуму η_t, не совпадает со зна­чением π, отвечающим минимуму расхода газа.

Оптимальные значения π= 3-6, в некоторых случаях 10-12.

Очевидно, что эффективность ГТУ возрастает с понижением температуры воздуха, засасываемого в компрессор. Это приводит к увеличению полезной мощности ГТУ и, следовательно, к повы­шению ее КПД.

Чем совершеннее газовая турбина и компрессор, тем эффек­тивнее газотурбинная установка, так как более совершенная тур­бина вырабатывает большую мощность, а более совершенный ком­прессор поглощает меньшую мощность, и в результате увеличи­вается полезная мощность и КПД ГТУ. При этом следует отметить, что влияние турбины на КПД газотурбинной установ­ки больше, чем влияние компрессора.