Газотурбинные электростанции

Газотурбинная установка (ГТУ) – это тепловой двигатель, рабочее тело в котором остается газообразным во всех точках теплового цикла. Состоит из воздушного компрессора, камеры сгорания и газовой турбины, а также вспомогательных систем, обеспечивающих ее работу, объединенных гидромеханической системой. Совокупность ГТУ и электрического генератора называют газотурбинным агрегатом.

Газотурбинные установки отличаются чрезвычайно большим разнообразием, пожалуй, даже большим, чем паротурбинные. Газотурбинные установки (ГТУ) могут быть осуществлены по тепловым циклам [6]:

- со сгоранием при постоянном давлении (в открытой камере сгорания),

- со сгоранием при постоянном объеме (в закрытой камере сгорания)

ГТУ с камерой сгорания открытого типа (с подводом теплоты при постоянном давлении) показана на рис.5.3.

Камеры сгорания ГТУ различны:

- выносные, отличаются большими габаритами,

- встроенные - кольцевые, трубчато-кольцевые.

Рис.5.3. Принципиальная схема одновальной ГТУ с камерой сгорания открытого типа (простой цикл)

Из рассмотрения рис.5.3 ясно, почему представленная ГТУ называется ГТУ простого термодинамического цикла. Более простой ГТУ быть не может, так как она содержит минимум необходимых компонентов, обеспечивающих последовательные процессы сжатия, нагревания и расширения рабочего тела: один компрессор, одну или несколько камер сгорания, работающих в одинаковых условиях, и одну газовую турбину.

Малое давление рабочей среды обусловливает небольшую толщину стенок корпуса и легкость их прогрева. Именно это делает ГТУ очень маневренной, т.е. способной к быстрым пускам и остановкам. Если для пуска паровой турбины требуется от одного до нескольких часов, то ГТУ может быть введена в работу за 10—15 мин.

Рис. 5.4. Устройство ГТУ V94.3 Siemens: I – электрогенератор, II – осевой компрессор, III – газовая турбина, IV – камера сгорания; 1 – ротор электрогенератора, 2 – вал-проставка, 3 – передняя опора ротора, 4 – шахта подвода воздуха от комплексного воздухоочистительного устройства, 5 – стяжной болт ротора ГТУ, 6 – обводные трубопроводы, 7 – проточная часть газовой турбины, 8 – выходной патрубок ГТУ (диффузор), 9 – задняя опора ротора, 10 – пламенная труба камеры сгорания, 11 – корпус камеры сгорания, 12 – горелочные устройства, 13 – выходной диффузор компрессора, 14 – трубопровод подачи воздуха на охлаждение корпусных элементов и сопловых лопаток газовой турбины, 15 – трубопроводы подачи топливного газа, 16 – проточная часть компрессора, 17 – серводвигатель входного направляющего аппарата, 18 – передняя опора ГТУ

На рис. 5.4 показано устройство ГТУ V94.3 фирмы Siemens. Атмосферный воздух от комплексного воздухоочистительного устройства (КВОУ) поступает в шахту 4, а из нее — к проточной части 16 воздушного компрессора. В компрессоре происходит сжатие воздуха. Степень сжатия в типичных компрессорах составляет β_к = 13—17, и таким образом давление в тракте ГТУ не превышает 1,3—1,7 МПа (13—17 ат). Это еще одно серьезное отличие ГТУ от паровой турбины, в которой давление пара больше, чем давление газов в ГТУ, в 10—15 раз.

За компрессором температура воздуха составляет 300—350°С. При этом в большинстве случаев сжатый воздух, идущий из компрессора, разделяется на два потока. Первый поток движется между стенками пламенной трубы и корпуса камеры сгорания к горелочному устройству, к которому также подается топливо (газообразное или жидкое). Внутри пламенной трубы 10 образуются продукты сгорания высокой температуры. К ним подмешивается относительно холодный воздух второго потока с тем, чтобы получить газы с допустимой для деталей газовой турбины температурой (их обычно называют рабочими газами). В результате на выходе из камеры сгорания температура снижается, но остается не менее 1350—1400°С.

Из камеры сгорания горячие рабочие газы поступают в проточную часть 7 газовой турбины, принцип действия которой мало отличается от принципа действия паровой турбины (отличие состоит в том, что газовая турбина работает на продуктах сгорания топлива, а не на паре). В турбине энергия газообразных продуктов сгорания преобразуется в механическую работу за счёт вращения струей газа лопаток турбины. Рабочие газы расширяются практически до атмосферного давления, поступают в выходной диффузор 14 и из него - или сразу в дымовую трубу, или в какой-либо теплообменник, использующий теплоту уходящих газов ГТУ. В большинстве случаев в ГТУ пытаются рекуперировать теплоту выхлопных газов, которая в противном случае теряется впустую. Рекуператоры — это теплообменники, которые передают теплоту выхлопных газов сжатому воздуху, направляемому в камеру сгорания.

Для всех циклических тепловых двигателей КПД (коэффициент полезного действия) тем больше, чем выше температура сгорания топлива. Сдерживающим фактором для повышения КПД является способность конструкционных материалов (стали, никеля, керамики), из которых состоит двигатель, выдерживать высокую температуру и давление. Для предупреждения разрушения деталей двигателя используют жаропрочные сплавы, оснащённые системами охлаждения.

Значительная часть (примерно половина) вырабатываемой ГТУ энергии тратится на сжатие воздуха в компрессоре, используется для привода агрегатов двигателя (топливных подкачивающих насосов, масляных насосов), а оставшаяся часть - на привод электрогенератора, это и есть полезная мощность ГТУ.

Температура газов за ГТУ достаточно высока, и значительное количество теплоты, полученной при сжигании топлива, в буквальном смысле уходит в дымовую трубу. Поэтому при автономной работе ГТУ ее КПД невелик: для типичных ГТУ он составляет 35—36%, т.е. существенно меньше, чем КПД ПТУ. Дело кардинальным образом изменяется при установке на «хвосте» ГТУ теплообменника (сетевого подогревателя или котла-утилизатора) — это комбинированный цикл (парогазовая установка ПГУ).

Парогазовая установка объединяет схемы ГТУ и паротурбинной установки (ПТУ). В газовом цикле отработанные горячие газы после газовой турбины с t =350°С отдают в подогревателе часть теплоты, обычно сбрасываемой в атмосферу, питательной воде парового цикла. Это приводит к уменьшению расхода топлива на генерацию пара в паровом котле, а следовательно, к увеличению КПД комбинированного цикла ПГУ относительно цикла ГТУ либо цикла ПТУ в отдельности.