Рекуперативный турбовальный двигатель с интеркулером

(Рис. 3-3 [b])

В этом случае используются как интеркулер, так и рекуператор. Увеличение мощности от промежуточного охлаждения сопровождается улучшением SFC, так как отвод тепла также приводит к увеличению возврата тепла в рекуператор, из-за более низкой температуры воздуха, поступающего от компрессора.

Замкнутый цикл (рис. 3-3 [b])

Все описанные нами конфигурации двигателей представляли собой открытые циклы, в которых воздух поступает из атмосферы и проходит через двигатель только один раз. В конфигурации с закрытым циклом рабочая жидкость постоянно рециркулирует. Это может быть воздух или другой газ, например гелий.

Как правило, газовые турбины имеют рекуперативную конфигурацию с интеркулером, как показано на рисунке 3-3 (b). Тем не менее, камеру сгорания заменяют теплообменником, так как топливо не может сжигаться напрямую. Источником тепла для цикла может быть отдельная камера сгорания, в которой обычно сжигаются непригодные виды топлива, такие как уголь; или же ядерный реактор.

На выходе из рекуператора рабочая жидкость должна пройти через устройство предварительного охлаждения, где тепло отводится во внешнюю среду, такую как морская вода, чтобы восстановить фиксированную входную температуру, обычно между 15 ° C и 30 ° C. Давление на входе в газовую турбину обеспечивается посредством вспомогательного компрессора, поддерживающего большой резервуар, называемый аккумулятором. Высокая плотность рабочей жидкости на входе двигателя обеспечивает очень высокую выходную мощность, что является основным преимуществом замкнутого цикла. Давление на входе в газовую турбину обычно в 20 раз превышает атмосферное. Кроме того, изменения уровня давления позволяет регулировать мощность без изменения SFC.

Комбинированный цикл (рис. 3-4 [a])

На Рисунке 3-4 (a) показана простейшая конфигурация комбинированного цикла. Газовая турбина представляет собой конфигурацию с простым циклом, но при этом значительная часть неиспользуемого тепла восстанавливается в HRSG ((тепло)утилизационный паровой котел). Это теплообменник с выхлопными газами турбины на горячей стороне и закачиваемой под высоким давлением водой, образующей пар, на холодной стороне. Первым компонентом котла-утилизатора является экономайзер, где вода нагревается при постоянном давлении, пока не достигнет своей температуры насыщения, а затем испаряется. Как только пар полностью испарится, температура повышается дальше в пароперегревателе.

Затем пар под высоким давлением и при высокой температуре проходит через паровую турбину, которая обеспечивает до 45% дополнительной мощности в дополнение к мощности газовой турбины. На выходе из паровой турбины доля влажности пара обычно составляет 10%. Остальная часть пара затем конденсируется одним из нескольких возможных способов. Наиболее распространенный метод состоит в использовании градирен, где происходит теплообмен с холодной водой, как правило, подаваемой из местных источников, таких, как реки. Когда весь пар конденсируется, вода поступает обратно к насосам, готовая к повторной циркуляции. Таким образом, паровая установка также представляет собой «замкнутый цикл».

На Рисунке 3-4 (a) представлена конфигурация парового цикла с одним отбором пара. Наиболее сложная форма парового цикла использует тройной повторный нагрев под давлением, при котором пар расширяется, проходя последовательно через три турбины. В промежутках между последовательными турбинами, он возвращается в HRSG, и температура вновь поднимается, как правило, до уровня, присутствующего на входе в первую турбину. Этот цикл имеет самую высокую эффективность и удельную мощность.

Рисунок 3-2. Конфигурации турбовального двигателя: (a) одноконтурный турбовальный двигатель - показан с холодным приводом, (b) двигатель со свободной силовой турбиной - показан с горячим приводом, (c) рекуперативный двигатель со свободной силовой турбиной - показан горячий привод. [3-1]

Рисунок 3-3. Конфигурации двигателя с интеркулером: (a) двигатель со свободной силовой турбиной и интеркулером - показан горячий привод, (b) одноконтурный рекуперативный турбовальный двигатель с замкнутым циклом и интеркулером. [3-1]

В парогазовой установке газовая турбина участвует в высокотемпературном цикле, так как она горячее, а паровая установка – в низкотемпературном цикле.

Комбинированное производство тепла и электроэнергии (Рисунок 3-4 [b])

Некоторые формы комбинированного производства тепла и электроэнергии или установки ТЭЦ (когенерационные) описаны далее, в порядке возрастания сложности.

В простейших механизмах отработанное тепло газовых турбин используется непосредственно в производственном процессе, например, для сушки на бумажной фабрике или цементном заводе.

Добавление котла-утилизатора на выходе из газовой турбины позволяет преобразовывать тепло в пар, обеспечивая большую гибкость того процесса, для которого оно может быть использовано, например, для химического производства или отопления помещений в больнице или на фабрике.

Рисунок 3-4. Конфигурации комбинированного цикла: (a). Комбинированный цикл с одним отбором пара, (b) Комбинированное производство тепла и электроэнергии (ТЭЦ) с дополнительным сжиганием топлива. [3-1]

Наконец, на рисунке 3-4 (b) показана самая сложная конфигурация ТЭЦ, которая использует дополнительное сжигание топлива. Здесь отработанное тепло газовой турбины с простым циклом используется повторно, чтобы пар поднялся к HRSG, затем попал в котел, где топливо сжигается в загрязненном воздухе, чтобы образовался дополнительный пар. Котел обеспечивает гибкость соотношения тепла и электроэнергии. Как только пар теряет все свое полезное тепло, он поступает в конденсатор и насосы для рециркуляции.