Циклы газотурбинных установок

Газотурбинная установка (ГТУ) состоит из воздушного компрессора К, камеры сгорания КС, газовой турбины ГТ (см. рис. 2.1). На одном валу с газовой турбиной находится также топливный насос ТН для подачи мазута или топливный компрессор ТК для подачи природного газа и электрогенератор ЭГ (если ГТУ используется для выработки электроэнергии) или другая нагрузка. Сжатый в компрессоре воздух поступает в камеру сгорания, туда же подается топливо. Сгорание происходит при p = const. Из камеры сгорания газы поступают через сопла на рабочие лопатки газовой турбины и приводят во вращение ее ротор. Отработавшие газы выбрасываются в атмосферу.

Рис. 2.1. Схема ГТУ с подводом теплоты при p = const

На рис. 2.2 представлен теоретический цикл ГТУ с подводом теплоты при p = const. Цикл состоит из двух адиабат и двух изобар и характеризуется степенью повышения давления .

Рис. 2.2. Цикл ГТУ с подводом теплоты при p = const:

1–2 – адиабатное сжатие рабочего тела;

2–3 – изобарный подвод теплоты (горение топлива);

3–4 – адиабатное расширение;

4–1 – изобарный отвод теплоты (с выхлопом продуктов сгорания в окружающую среду)

Количество подведенной в процессе 2–3 удельной теплоты (см. рис. 2.2) находится как

, (2.1)

а количество отведенной в процессе 4–1 удельной теплоты –

. (2.2)

Удельная работа, производимая турбиной:

. (2.3)

Удельная работа, затрачиваемая на привод компрессора:

. (2.4)

Удельная полезная работа цикла

. (2.5)

Термический КПД цикла можно найти по определению, рассчитав долю подводимой теплоты, преобразованной в полезную работу:

, (2.6)

или по характеристикам цикла:

(2.7)

Зная мощность установки N и теплотворность топлива , можно найти расходы рабочего тела и топлива В _т:

; (2.8)

. (2.9)

Одним из способов увеличения термического КПД газотурбинной установки является регенерация теплоты, при которой часть теплоты, отводимой с продуктами сгорания, используется в регенераторе (теплообменном аппарате ТА) для нагрева воздуха перед камерой сгорания (см. рис. 2.3).

Эффективность передачи теплоты от продуктов сгорания к воздуху оценивается степенью регенерации σ

. (2.10)

При степень регенерации σ = 1, то есть вся теплота без потерь передается от газов к воздуху, и температура воздуха на выходе из регенератора достигает максимального значения. В этом случае удельные количества подводимой и отводимой теплоты будут определяться выражениями

; (2.11)

. (2.12)

Рис. 2.3. Схема установки и цикл ГТУ с подводом теплоты

при p = const и с регенерацией теплоты

Реальные (действительные) процессы в турбине и компрессоре являются необратимыми и, в соответствии со вторым законом термодинамики, идут с возрастанием энтропии (рис. 2.4).

Рис. 2.4. Действительный цикл ГТУ

Потери из-за необратимости процессов сжатия в компрессоре и расширения в турбине оцениваются значениями внутренних относительных КПД компрессора

(2.13)

и турбины

, (2.14)

где действительные работы турбины и компрессора

; (2.15)

, (2.16)

а теоретические работы компрессора l _к и турбины l _т рассчитываются по формулам (2.3) и (2.4). Зная значения и , можно найти температуры Т _2д и Т _4д.

При расчете циклов ГТУ считаем, что рабочее тело обладает свойствами воздуха. Теплоемкости находятся по молекулярно-кинетической теории.

Задачи

2.1. Найти параметры в характерных точках цикла и термический КПД цикла ГТУ с подводом тепла при p = const, если параметры воздуха на входе в компрессор р ₁ = 1,05 бар и t ₁ = 17 ^оС, степень повышения давления в компрессоре β = 6. Максимальная температура газов в цикле t ₃ = 750 ^оС.

Определить расход рабочего тела через ГТУ и расход сжигаемого топлива, если мощность установки N = 20 МВт, а теплотворность топлива .