Парогазовые установки с впрыском пара
Принципиальная схема и теоретический цикл простейшей ПГУ с впрыском пара представлены на рисунке 4.1 и 4.2. Атмосферный воздух сжимается компрессором и подается в камеру сгорания, в которой происходит сгорание природного газа или распыленного жидкого газотурбинного топлива. Обессоленная вода под давлением, превышающим давление в газовом потоке, подается через поверхности нагрева экономайзера, использующие теплоту уходящих после турбины газов, на впрыск в газовый поток. Впрыскиваемый пар подается непосредственно в камеру сгорания. В результате смешения потоков газа и пара объем рабочего тела, проходящего через газопаровую турбину, увеличивается, что приводит к увеличению мощности турбины. Единый цикл парогазовой смеси можно условно разделить на газовый и паровой, как это показано на рисунке 4.2. Конфигурация этих двух циклов не выявляет очевидных термодинамических преимуществ такого комбинирования, тем более что пароводяной цикл, в котором пар поступает на выхлоп, характеризуется, как известно, низким КПД. Эффективность установки может быть оценена в результате расчета реальных процессов.
Очень привлекательной особенностью схемы является ее крайняя простота, а недостатком - необходимость подачи значительного количества обессоленной воды, которая выбрасывается в атмосферу в виде пара вместе с продуктами сгорания топлива. Конденсация и использование образующейся воды и скрытой теплоты парообразования в простой схеме невозможны. Это может быть связано со значительными трудностями. Однако, последние исследования показывают возможность и перспективность таких решений.
Тепловой расчет рассматриваемой схемы отличается существенными особенностями. Рабочими телами здесь являются воздух, продукты сгорания топлива, вода и образующийся из нее насыщенный, а затем перегретый пар, который смешивается с продуктами сгорания. Образовавшаяся парогазовая смесь совершает работу в турбине, поступает в хвостовую часть установки и далее выбрасывается в атмосферу. В частях установки, где происходит подогрев воды, парообразование и перегрев пара для определения количества теплоты энтальпии пара должны определяться по таблицам воды и водяного пара. Вследствие сравнительно высоких температур парогазовой смеси и низких парциальных давлений водяного пара в проточной части турбины и других элементах схемы процессы, происходящие с водяным паром в газовом потоке, не заходят в область насыщения, а находятся далеко за ее пределами. Поэтому их можно рассчитывать по уравнениям для идеальных газов. Процессы в теплообменных аппаратах протекают практически при постоянных давлениях. Поэтому количество передаваемой в них теплоты можно определять по изменению энтальпии, а последнюю - по средней теплоемкости при постоянном давлении от 0 до t°C. Теплоемкости и энтальпии могут определяться по данным для соответствующих газов и по зависимостям для их смесей.
- компрессор; 2 - камера сгорания; 3-4 - газовая турбина; 5 - регенератор-парогенератор; 6 - электрогенератор; 7 - водяной насос. В-воздух, Т - топливо, УГ - уходящие газы, W - вода, ПП - перегретый пар.
Рисунок 4.1. Схема ПГУ с впрыском пара перед газовой турбиной
16. Общие принципы комбинирования циклов. Бинарные и составные циклы.
Бинарные циклы
На основании проведенного рассмотрения циклов теплосиловых установок
можно сформулировать требования к свойствам наиболее удобного (с термодина-
мической и эксплуатационной точек зрения) рабочего тела. Эти требования таковы:
1. Рабочее тело должно обеспечивать возможно более высокий коэффициент
заполнения цикла. Для этого рабочее тело должно иметь возможно меньшую
изобарную теплоемкость в жидком состоянии [в этом случае изобары в T, s-диа-
грамме, наклон которых определяется величиной , будут идти
достаточно круто, приближаясь к вертикали]. Желательно также, чтобы рабочее
тело обладало возможно более высокими критическими параметрами: при
одной и той же температуре насыщенного пара больший коэффициент заполне-
ния имеет цикл, осуществляемый с рабочим веществом с более высокими кри-
тическими параметрами.
2. Свойства рабочего тела должны быть такими, чтобы высокая верхняя тем-
пература при достаточно высоком коэффициенте заполнения цикла обеспечива-
лась при не слишком высоком давлении пара, т.е. чтобы высокий термический
КПД достигался без перехода к чрезмерно высоким давлениям, которые приво-
дят к большому усложнению установки. Вместе с тем рабочее тело должно быть
таким, чтобы его давление насыщения при низшей температуре цикла (т.е. тем-
пературе, близкой к температуре окружающей среды) было не слишком низким;
слишком низкое давление насыщения потребует применения глубокого вакуума
в конденсаторе, что сопряжено с большими техническими сложностями.
3. Рабочее тело должно быть недорогим; оно не должно быть агрессивным
в отношении конструкционных материалов, из которых выполняется теплоси-
ловая установка; оно не должно причинять вреда обслуживающему персоналу
(т.е. не должно быть токсичным).
К сожалению, в настоящее время рабочие тела, в должной мере удовлетворяю-
щие всем этим условиям, неизвестны. Самое распространенное рабочее тело в
современной теплоэнергетике — вода — не удовлетворяет условию достаточно
низкой теплоемкости в жидкой фазе, но удовлетворяет условию не слишком низ-
кого значения давления в конденсаторе; вода является вполне подходящим рабо-
чим телом для низкотемпературной части цикла. Однако достижение высоких
коэффициентов заполнения пароводяного цикла сопряжено с необходимостью
перехода к высоким давлениям; при этом вследствие сравнительно невысокой
критической температуры длина изобарно-изотермического участка двухфазной
области уменьшается, что снижает темп роста коэффициента заполнения цикла
при переходе к высоким давлениям. Именно вследствие этого средняя темпера-
тура подвода теплоты в пароводяном цикле сравнительно невысока, что, как
показано в § 11.3, приводит к значительным потерям работоспособности.
Другим рабочим телам присущи иные недостатки. Так, например, ртуть
имеет невысокое давление насыщения при высоких температурах и высокие
критические параметры pкр = 151 МПа, Tкр = 1490 °С, а при температуре, напри-
мер, 550 °С давление насыщения составляет всего лишь 1420 кПа; это позволяет
осуществить цикл Ренкина на насыщенном ртутном паре без перегрева с доста-
точно высоким термическим КПД. Однако при температурах, близких к темпе-
ратуре окружающей среды, давление насыщения ртути слишком мало: при Т =
= 30 °С ps
= 0,36 Па, давлению же, обычно применяемому в конденсаторах паро-
вых турбин (ps ≈ 4 кПа), соответствует слишком большая температура насыщения
ртути Ts
= 217,1 °С. Термический КПД цикла со столь высокой нижней температурой был бы невелик. Таким образом, ртуть как рабочее тело хороша для верх-
ней (высокотемпературной) части цикла и неудовлетворительна для нижней.
Так как в настоящее время нет рабочих тел, удовлетворяющих перечислен-
ным требованиям во всем температурном интервале цикла, то можно осущест-
вить цикл, используя комбинацию двух рабочих тел, применяя каждое из них
в той области
15 Работа сжатия в компрессоре ГТУ и пути ее уменьшения. Многоступенчатое сжатие.
При одноступенчатом сжатии работа по повышению давления от до осуществлялась бы по кривой 1-8, а работа, затраченная на сжатие была бы равна площади а-1-2-8-d-a - диаграмма(а).
Промежуточное охлаждение приводит так же к уменьшению температуры в конце сжатия. На диаграмме (б) количество теплоты отведенной от газа после сжатия в первой ступени равна заштрихованной пл. 2-3-f-e-2, а после второй ступени пл. 4-5-h-g-4.
В результате промежуточного охлаждения в компрессоре процесс сжатия приближается к изотермическому. При бесконечно большом числе промежуточных охладителей процесс сжатия будет изотермическим (а) линия 1-3-5-7.
Степень повышения давления в каждой ступени при общем числе определяется соотношением:
В конечном итоге целесообразность использования многоступенчатого сжатия определяется технико-экономическим обоснованием.
Достижение этих целей возможно за счёт
1. Повышения параметров рабочего цикла (температурой перед турбиной, степени сжатия ОК, что в свою очередь возможно использовать жаропрочные материалы для лопаток ГТ, покрытие лопаток или за счёт специальных конструкций лопаток обеспечивающих их охлаждение).
2. Разработка ГТУ по схеме с многоступенчатым сжатием и промежуточным охлаждением воздуха в ОК.
3. Утилизация тепла отходящих газов (применение регенеративных циклов, парогазового цикла, использование утилизационных аппаратов).
4. Применение схем ГТУ (впрыск воды в КС ГТУ).
5. Создание автоматизированных систем контроля технического состояния ГТУ, диагностики и прогнозирования дефектов на ранних стадиях их развития.
6. Совершенствование камеры сгорания для оптимизации процессов горения и обеспечение равномерного температурного поля перед ГТ.
Повышение эффективности использования продуктов сгорания.
КПД ГТУ, применяемых в газовой промышленности, колеблется от 20 до 32%. Большая часть теплоты теряется с выхлопными газами. Использование теплоты продуктов сгорания возможно в следующих направлениях:
- подогрев циклового воздуха сжатого в ОК до подачи в КС (регенерация)
- нагрев воды в системе теплоснабжения и горячего водоснабжения (утилизация)
- нагрев воды до состояния перегретого пара в котле–утилизаторе для совершения им механической работы на паровой турбине (парогазовой установки)
- регенерация тепла в ГТУ повышает КПД на 3-4%
14 Простейший регенеративный цикл ГТУ. Степень регенерации.
Использование тепла уходящих газов (регенерация)
Регенерация тепла в ГТУ повышает КПД ГТУ на 3-4%. В качестве теплообменных аппаратов используются воздухоподогреватели (регенераторы) пластинчатого или трубчатого типа.
Теплообменная поверхность воздухонагревателя I типа выполнена из профилированных листов, II типа из пучков трубок.
Степень регенерации характеризует полноту отдачи тепла цикловому воздуху отходящими газами 0,7-0,85.
Рис. 97. Степень регенерации
T1 – атмосферная
T2 – после осевого компрессора
T3 – перед турбиной
T4 – выхлопные газы
T5 – перед камерой сгорания
1. Увеличение степени регенерации возможно за счёт увеличения поверхности теплопередачи, что приведёт к значительной металлоёмкости и массы воздуха подогревателя.
2. Нагрев воды систем и водоснабжения и тепло – выходящими газами широко применяются на КС.
Влияние впрыска воды на ГТД с регенерацией тепла.
При вводе жидкости в тракт высокого давления ГТД с регенерацией тепла (между компрессором и выходом из камеры сгорания) возрастает удельная мощность и снижается удельный расход топлива при поддержании и степени регенерации цикла. При вводе 3% воды в сечении за компрессором передаваемое тепло возрастет на 8%, а при впрыске 4,46% жидкости на 12%. При вводе воды в камеру сгорания необходимое увеличение передаваемого тепла ещё больше: соответственно на 12% и 17%.
При подаче за компрессор 4,46% воды габариты теплообменника можно уменьшить на 3,8% или получить степень регенерации 0,828 и удельный расход 0,22 кг/кВ·ч, что на 9,5% ниже варианта без добавки жидкости.
2. 1.1. Степень регенерации
Рис. 2.1. Схема ГТУ с регенерацией; 1 – регенератор.
Одним из способов повышения к. п. д. ГТУ является применение регенеративного подогрева воздуха перед его поступлением в камеру сгорания. Повышение температуры воздуха осуществляется в специальном теплообменнике — регенераторе (рис. 2.1) за счет теплоты газов, покидающих ГТУ. Количество теплоты, передаваемой воздуху в регенераторе, характеризуется степенью (коэффициентом) регенерации r, которая определяется как отношение действительной величины повышения энтальпии воздуха в регенераторе к максимальной величине , при которой температура воздуха за регенератором становится равной температуре газа турбиной T4, т. е.
где энтальпия воздуха i4в определяется по температуре T4. Если пренебречь изменением теплоемкости срт, то
(2.1)
При T6 = Т2 степень регенерации r= 0, что соответствует ГТУ простой тепловой схемы. В предельном случае T5 = при r = 1, что может иметь место в идеальном регенераторе с бесконечной поверхностью нагрева. Таким образом, в ГТУ может применяться регенеративный подогрев воздуха, характеризуемый степенью регенерации в диапазоне от 0 до 1 (0 < r < 1).
Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту:
©2015 - 2024 stydopedia.ru Все материалы защищены законодательством РФ.
|