Конструкция типовой газотурбинной установки

Рассмотрим конструкцию газотурбинной установки на примере ГТ-100-750 (ЛМЗ) (рис. 1.5.).

Рис. 1.5. Продольный разрез ГТ-100-750

Газотурбинная установка ГТ-100-750 предназначена для работы в энергетических системах для покрытия пиковых нагрузок, может быть использована для несения базовой нагрузки, рассчитана для работы на газообразном и жидком топливе. При температуре наружного воздуха 278 К температура перед турбинами 1023 К, мощность составляет 100 МВт, КПД – 28 %.

ГТ-100-750 выполнена по прямой, двухвальной схеме: состоит из компрессора низкого (1) и высокого (3) давления, воздухоохладителя (2), турбин высокого (5) и низкого (8) давления, камер сгорания высокого (4) и низкого (6) давления и электрогенератора (7). Турбина высокого давления вращает компрессор высокого давления, а турбина низкого давления вращает компрессор низкого давления и электрогенератор. Компрессор, турбины и камеры сгорания имеют общий корпус, образуют блок турбомашин.

Компрессор низкого давления восьмиступенчатый. Корпус сварной конструкции с литым входным патрубком, направляющие лопатки устанавливаются в обоймах. Ротор наборный, состоит из отдельных дисков, насаженных на вал. Проточная часть выполнена с постоянным наружным диаметром 2070 мм. производительность компрессора ~ 435 кг/с. КПД проточной части 88 %. Высота лопаток первой ступени 520 мм, окружная скорость 325 м/с.

Компрессор высокого давления 13-ступенчатый. Корпус сварнолитой конструкции, ротор барабанного типа.

Турбина высокого давления трёхступенчатая, низкого давления – пятиступенчатая. Роторы турбин сборные, состоят из отдельных дисков: ротор турбины высокого давления из трёх, ротор турбины низкого давления – из пяти отдельных дисков, соединённых болтами. Стяжные болты размещены вблизи корневого диаметра лопаток.

В установке широко применено охлаждение воздухом узлов и деталей, подверженных воздействию высоких температур. Охлаждение роторов производится продувкой воздуха через щелевые зазоры между гребнями дисков и хвостовиками лопаток. Воздух на охлаждение (отводится после компрессора) проходит концевые уплотнения турбин и подводится к хвостовому креплению рабочих лопаток. Охлаждение обойм направляющих аппаратов и сегментов производится воздухом, отбираемым для этой цели из компрессора: сначала первых ступеней, а затем и последующих ступеней. Интенсивному охлаждению подвергаются внутренние подшипники, работающие в условиях высоких температур.

Камеры сгорания высокого и низкого давления имеют по двенадцати жаровых труб каждая. В каждой жаровой трубе имеется горелка, рассчитанная на сжигание жидкого и газообразного топлива. Тепло отработавших газов используется для подогрева воды в специальном теплофикационном подогревателе.

Пуск установки производится через редуктор от специальной пусковой турбины, которая может работать на топливном газе или паре.

1.6. Паротурбинная установка и её экономичность

Простейшая паротурбинная установка состоит из питательного насоса (1), котла (2), пароперегревателя (3), паровой турбины (4), конденсатора (5) и электрического генератора (6) (рис. 1.6.).

Рис. 1.6. Принципиальная схема паротурбинной установки:

1 – питательный насос; 2 – котёл; 3 – пароперегреватель; 4 – турбина;

5 – конденсатор; 6 – электрогенератор

Рабочим веществом паротурбинной установки является водяной пар. В паросиловых установках применяется цикл с полной конденсацией отработавшего пара в конденсаторе, называемый циклом Ренкина. Идеальный цикл Ренкина для паросиловой турбинной установки, работающей на перегретом паре, изображён в Т, s -диаграмме на рис. 1.7.

Рис. 1.7. Идеальный цикл Ренкина для паросиловой турбинной установки, работающей на перегретом паре, в Т, s -диаграмме

На этой диаграмме показаны: а’а – процесс адиабатного сжатия воды в питательном насосе; ab – процесс нагрева воды в котле до температуры кипения; bc – испарение воды в котле; cd – перегрев пара в пароперегревателе; de – изоэнтропное расширение пара в турбине; ea’ – конденсация отработавшего пара в конденсаторе.

Процессы нагрева, испарения и перегрева воды в котле происходят при постоянном давлении. Следовательно, всё количество теплоты q ₁, переданное 1 кг воды и пара, целиком идёт на повышение энтальпии рабочего вещества от энтальпии питательной воды h _п.в до энтальпии свежего пара h ₀ и равно их разности:

q ₁ = h ₀ – h _п.в.

Это количество теплоты в Т, s -диаграмме изображается площадью 1 abcd 21.

Из турбины пар поступает в конденсатор, где при постоянном давлении конденсируется и отдаёт теплоту q ₂ охлаждающей воде. Эту теплоту можно определить как разность энтальпий отработавшего пара при изоэнтропном расширении его в турбине h _к _t и конденсата (в идеальном цикле Ренкина):

q ₂ = h _к _t – .

Полезная теоретическая работа 1 кг пара равна разности между подведённой и отведённой теплотой:

L = q ₁ – q ₂ = (h ₀ – h _п.в) – (h _к _t – ) = (h ₀ – h _к _t) – (h _п.в – ).

Разность энтальпий h ₀ – h _к _t представляет собой работу 1 кг пара в идеальной турбине. Разность энтальпий h _п.в – есть работа, затрачиваемая на сжатие 1 кг воды в питательном насосе.

Полезная теоретическая работа 1 кг пара эквивалентна заштрихованной площади в Т, s -диаграмме. Отношение этой работы к подведённой теплоте называется абсолютным или термическим КПД идеальной установки:

Вычитая и прибавляя в знаменателе этого выражения величину , получаем:

Если экономичность турбинной установки рассматривать без учёта работы питательного насоса, то абсолютный КПД идеального цикла будет равен:

где величину H ₀ = h ₀ – h _к _t принято называть располагаемым теплоперепадом турбины.

Значения располагаемого теплоперепада Н ₀ удобно определять при помощи h, s -диаграммы (рис. 1.8).

Рис. 1.8. Процесс расширения пара в турбине в h, s -диаграмме

Для этого на ней находится начальная энтальпия h ₀, соответствующая точке пересечения заданных начальных параметров пара перед турбиной p ₀ и t ₀. Из этой точки проводится вертикальная линия изоэнтропного расширения пара в турбине до заданного конечного давления p _к. Длина полученного отрезка H ₀ = h ₀ – h _к _t определяет теоретическую работу 1 кг пара в турбине и является располагаемым теплоперепадом турбины.

Значение Н ₀ можно определить также расчётным путём. При этом, если расширение заканчивается в области перегретого пара, используется уравнение идеального газа:

где k = 1,3 – показатель изоэнтропы для перегретого пара; р ₀, р _к – начальное и конечное давление пара; v ₀ – начальный удельный объём пара.

В действительности процесс расширения пара в турбине имеет значительную степень необратимости, так как течение его в проточной части сопровождается заметными потерями работы. Поэтому линия процесса расширения отклоняется от изоэнтропы на диаграммах h, s (рис. 1.8) и Т, s (рис. 1.9) в сторону увеличения энтропии.

Рис. 1.9. Действительный тепловой цикл в T, s- диаграмме

В результате увеличения энтропии отработавшего пара при неизменном давлении энтальпия его повышается, разность начальной и конечной энтальпий, представляющая собой действительную работу, развиваемую 1 кг пара в турбине, соответственно уменьшается и становится равной:

L _т = h ₀ – h _к = H_i.

Действительную работу, которую развивает 1 кг пара внутри турбины, принято называть используемым теплоперепадом H_i турбины.

Отношение использованного теплоперепада H_i к располагаемому H ₀ называется относительным внутренним КПД h_о _i турбины:

h_о _i = H_i / H ₀.

Отношение использованного теплоперепада H_i к теплоте, подведённой к 1 кг рабочего вещества в котле q ₁, называется абсолютным внутренним КПД турбоустановки h _i:

Абсолютный внутренний КПД можно представить и как отношение внутренней мощности турбины N_i к секундному расходу теплоты Q, подведённой к рабочему веществу в котле:

Эффективная мощность N_е, которая может быть передана валу приводимой машины, меньше внутренней мощности N_i на величину механических потерь D N _м турбины:

N_е = N_i – D N _м.

Отношение эффективной мощности к внутренней называется механическим КПД турбины:

h_м = N_е / N_i.

Теоретическая мощность идеальной турбины, в которой использованный теплоперепад равен располагаемому, определяется уравнением:

N ₀ = G × H ₀.

Отношение эффективной мощности к теоретической называется относительным эффективным КПД h_{о е} турбины:

Отношение эффективной мощности турбины к расходуемому количеству теплоты, подведённой в котле, называется абсолютным эффективным КПД турбоустановки:

Отношение мощности на зажимах электрического генератора N _э к эффективной мощности N_е называется КПД электрического генератора h_э.г:

h_э.г = N _э/ N_е.

Отношение электрической мощности генератора к теоретической мощности идеальной турбины называется относительным электрическим КПД турбоагрегата:

Произведение термического КПД на относительный электрический называется абсолютным электрическим КПД турбоустановки:

h_э = h _t ×h_о.э = h _t ×h_{o i}×h_м×h_э.г.

Существуют два пути повышения экономичности турбоустановки. Первый путь направлен на увеличение термического КПД цикла за счёт повышения разности средней температуры подвода теплоты в котле и температуры, при которой отводится теплота в конденсаторе. Второй путь заключается в совершенствовании конструкции турбины и генератора, главным образом в уменьшении потерь в проточной части турбины, механических потерь и потерь в генераторе.

При оценке эффективности электрической станции в целом необходимо дополнительно учитывать потери теплоты в котле, расход энергии на привод питательных насосов, потери давления и теплоты в паропроводах и др.

Внутренняя мощность турбины, Дж/с, определяется по формуле:

N_i = G × H_i.

Удельный расход пара на выработку 1 кВт×ч электроэнергии равен:

Экономичность конденсационных турбин, как правило, оценивается по удельному расходу теплоты на один выработанный киловатт-час и подсчитывается по формуле: