Газотурбинные установки

Лекция 3

Вопросы и проблемы преобразования потенциальной энергии природных энергоресурсов в полезную мощность.

Теплосиловой установкой называется совокупность агрегатов, позволяющих химическую энергию топлива преобразовать в теплоту и механическую энергию вместе или раздельно.

Паротурбинные электростанции

Получили большое распространение. Они являются основными источниками электрической энергии. Простейшая принципиальная схема паротурбинной электростанции, которая снабжает потребителя только электроэнергией, показана на рис. 3.1.

Здесь выработанный котлом 1 пар поступает в турбину 2. Отработавший в турбине пар конденсируется в конденсаторе 3.Конденсат пара конденсатным насосом 4 перекачивается в питательный бак 5 откуда

Рис.3.1. Принципиальные схемы паротурбинных электростанций

а – схема конденсационной станции; б – схема теплофикационной станции с промежуточным отбором; в - схема теплофикационной станции с противодавлением.

питательным насосом 6 нагнетается в котел. Потери пара и конденсата восполняются добавлением воды 9. Охлаждаемая вода подается в конденсатор цируляционными насосами 8. Механическая энергия, выработанная паровой турбиной превращается в электрическую в генераторе 7. Станции, работающие по такой схеме, называют конденсационными. Теплофикационная электростанция (рис. 3б) отличается от конденсационной тем, что определенная частично отработавшего пара направляется к потребителю теплоты 10 и лишь остальной пар поступает в часть низкого давления турбины, где и расширяется до давления в конденсаторе.

Электростанция, в которой пар лишь частично расширяется в турбине и затем весь поступает к потребителю (рис.3в) называется противодавленческой.

Газотурбинные установки

Простейшая ГТУ состоит из компрессора, в котором сжимается атмосферный воздух, камеры сгорания, где в среде этого воздуха сжигается топливо, и турбины, в которой расширяются продукты сгорания.

Рис. 3.2. Принципиальная схема простейшей газотурбинной установки

а — принципиальная схема: 1 — компрессор; 2 — камера сгорания; 3 — турбина; 4 — электрогенератор;
б — термодинамический цикл ГТУ в ТS-диаграмме;
в — баланс энергии.

На рис.3. 2 показаны схема, термодинамический цикл и тепловой баланс такой установки. Процесс (цикл), работающей таким образом ГТУ называется разомкнутым или открытым. Рабочее тело (воздух, продукты сгорания) постоянно возобновляется — забирается из атмосферы и сбрасывается в нее

Так как средняя температура газов при расширении существенно выше, чем воздуха при сжатии, мощность, развиваемая турбиной, оказывается больше мощности, необходимой для вращения компрессора. Их разность представляет собой полезную мощность ГТУ.КПД ГТУ, как и любого теплового двигателя, представляет собой отношение полезной мощности N_ГТУ к расходу теплоты, полученной при сжигании топлива:

η_ГТУ = N_ГТУ/ Q_T.

Из баланса энергии следует, что N_ГТУ = Q_T — ΣQ_П, где ΣQ_П - общее количество отведенной из цикла ГТУ теплоты, равное сумме внешних потерь.

Основную часть потерь теплоты ГТУ простого цикла составляют потери с уходящими газами:

ΔQух ≈ Qух — Qв; ΔQух - Qв ≈ 65…80%.

Доля остальных потерь значительно меньше:

а) потери от недожога в камере сгорания ΔQкс / Qт ≤ 3%;

б) потери из-за утечек рабочего тела; ΔQут / Qт ≤ 2%;

в) механические потери (эквивалентная им теплота отводится из цикла с маслом, охлаждающим подшипники) ΔNмех / Qт ≤ 1%;

г) потери в электрическом генераторе ΔNэг / Qт ≤ 1…2%;

д) потери теплоты конвекцией или излучением в окружающую среду ΔQокр / Qт ≤ 3%.

Теплота, которая отводится из цикла ГТУ с отработавшими газами, может быть частично использована вне цикла ГТУ, в частности, в паросиловом цикле.

Принципиальные схемы парогазовых установок различных типов приведены на рис. 3.3.

В общем случае КПД ПГУ:

Здесь — Qгту количество теплоты, подведенной к рабочему телу ГТУ;

Qпсу — количество теплоты, подведенной к паровой среде в котле.

В простейшей бинарной парогазовой установке по схеме, показанной на рис. 3а, весь пар вырабатывается в котле-утилизаторе: η_УПГ = 0,6…0,8 (в зависимости, главным образом, от температуры уходящих газов).

При Т_Г = 1400…1500 К η_ГТУ ≈ 0,35, и тогда КПД бинарной ПГУ может дос-тигать 50-55 %.

Температура отработавших в турбине ГТУ газов высока (400-450оС), следовательно, велики потери теплоты с уходящими газами и КПД газотурбинных электростанций составляет 38 %, т. е. он практически такой же, как КПД современных паротурбинных электростанций.

Газотурбинные установки работают на газовом топливе, которое существенно дешевле мазута. Единичная мощность современных ГТУ достигает 250 МВт, что приближается к мощности паротурбинных установок. К преимуществам ГТУ по сравнению с паротурбинными установками относятся:

1. незначительная потребность в охлаждающей воде;

2. меньшая масса и меньшие капитальные затраты на единицу мощности;