Цикл Брайтона ГТУ с подводом теплоты к рабочему телу при постоянном давлении. КПД ГТУ

На рис. 13.6 в Т—5-диаграмме представлены совмещенные термодинамический и действительный циклы ГТУ (циклы Брайтона) со сгоранием при постоянном давлении. Для термодинамического цикла Брайтона ГТУ приняты следующие допущения:

  • 1) цикл замкнут, он осуществляется с неизменным количеством идеального газа, имеющего постоянные состав и теплоемкость;
  • 2) все процессы в цикле обратимы, так как они протекают без тепловых и гидравлических потерь;
  • 3) сжатие в компрессоре и расширение в турбине — процессы адиабатные, протекают при постоянных значениях энтропии, поскольку потери отсутствуют.

Для термодинамического цикла линия 3—4' изображает изоэн- тропийное (адиабатное) сжатие воздуха в компрессоре, сопровождающееся повышением его давления и температуры от начальных значений р3, Т3 до р4, Т4. В действительном же цикле сжатие воздуха сопровождается внутренними потерями в компрессоре, при этом энтропия рабочего тела возрастает (линия 3—4). Теплота

Цикл Брайтона ГТУ с изобарным подводом теплоты к рабочему телу

Рис 13.6. Цикл Брайтона ГТУ с изобарным подводом теплоты к рабочему телу

в камере сгорания подводится по изобаре 4—1, температура возрастает от Т4 до Г1. Из камеры сгорания газы направляются в турбину, в которой в процессе расширения совершают работу. Большая часть работы идет на привод компрессора, а остальная часть — полезная (эффективная) работа — подается потребителю. Линия 12' изображает изоэнтропий- ное расширение рабочего тела в турбине.

В действительном цикле расширение происходит по линии

1—2 с увеличением энтропии и снижением давления и температуры до р2 и Т2. Отвод теплоты в термодинамическом цикле изображается изобарой 2'3; температура рабочего тела понижается до Т3. В действительном цикле линия 23 соответствует охлаждению газов при выходе их из турбины в атмосферу. Характерные точки процессов цикла (1, 2, 3, 4) изображают состояние рабочего тела в точках с аналогичными номерами, показанными на рис. 13.3.

Полезная работа в цикле равна разности между технической работой турбины 1Т и технической работой, затраченной на привод компрессора , т.е. 10 = 1Т - 1К. Эта же полезная работа равна теплоте q0, которая вычисляется как разность между количеством подведенной теплоты (площадь 4' 1 з2 53 4') и отведенной д2 (площадь 2' 3 в3 з22') (см. рис. 13.6).

Термический КПД термодинамического цикла ГТУ можно определить из общего выражения

Здесь

Известно, что для адиабатных процессов 3—4' и 12'

где Р=р43=Рх/р2 — степень повышения давления в адиабатном процессе сжатия; к = ср/с§ — показатель адиабаты (к = 1,67; 1,4; 1,29 соответственно для одно-, двух- и трехатомных газов; для воздуха к = 1,405). Подставив значения q1 и q2 из (13.2) и (13.3) в (13.1), с учетом зависимостей (13.4) и (13.5) получим

Термический КПД газотурбинной установки с подводом теплоты при постоянном давлении зависит от степени повышения давления р и показателя адиабаты к, возрастая с увеличением этих величин. Возрастание тр с увеличением р связано с повышением температуры Г4 в конце процесса сжатия и соответственно температуры газов перед турбиной Тг. На рис. 13.6 видно, что цикл 34"V2', в котором р больше, экономичнее цикла 34'1—2', ибо по линии 4"1' подводится больше теплоты q1, чем по линии 4'1, при том же количестве отведенной в процессе 2'—3 теплоты q2. При этом Т% и Т больше, чем соответственно Т4 и Тг.

С увеличением 7 возрастает эксергия рабочего тела перед турбиной е1 = ср10)-Г0(51-50), здесь Т0 — температура окружающей среды. Таким образом уменьшаются потери эксергии при сгорании топлива, поскольку эксергия исходного топлива постоянна (равна теплоте его сгорания). Это и увеличивает КПД цикла.

Современные ГТУ в большинстве случаев ориентированы на применение в парогазовых установках. Высокая начальная температура газов и умеренное значение (3 позволяют получить максимальный КПД ПГУ г|пгу (см. §14.3). Для ГТУ характерны следующие параметры рабочего тела:

Для ГТУ КПД по производству электроэнергии определяется по выражению

где ЛГ® — мощность электрогенератора, кВт; Вгт — расход топлива в камере сгорания ГТУ, кг/с; 0,? — низшая теплота сгорания топлива на рабочую массу, кДж/кг; гтл — энтальпия подогретого топлива, подводимого в КС, кДж/кг.

Следует иметь в виду, что температура наружного воздуха Гн в оказывает существенное влияние на работу ГТУ. Газовая турбина, работающая при tHB = 0 °С, вырабатывает на 20% больше электроэнергии, чем та же турбина, работающая при tH B = 30 °С. Если место строительства установки расположено на высоте 100 м над уровнем моря, то мощность ГТУ на 1 % меньше, чем мощность ГТУ, расположенной на уровне моря, что обусловлено разницей в давлении воздуха и его плотности. Важно знать экстремальные условия и типичные изменения параметров окружающей среды в течение всего года. Технические характеристики энергетических ГТУ приводятся для нормальных технических условий состояния рабочего вещества:

Выводы. Газотурбинная установка является легким и компактным двигателем, не требующим большого количества охлаждающей воды и имеющим непродолжительный период пуска. В то же время экономичность ее ниже, чем экономичность паротурбинной установки [2]. При применении регенерации КПД ГТУ может быть существенно повышен, но это связано с установкой поверхностного теплообменника очень больших размеров, что снижает перечисленные выше достоинства ГТУ. Кроме того, ГТУ имеют ограничения по используемому топливу (только жидкое или газ), и для них трудно создать агрегат большой единичной мощности (более 200 МВт). Поэтому они нашли широкое применение в качестве привода нагнетателей на газо- и нефтеперекачивающих станциях магистральных трубопроводов, транспортных силовых установок, резервных агрегатов электростанций и основных агрегатов электростанций малой мощности. В последние годы активно развивается их использование на электростанциях в качестве составной части комбинированных парогазовых установок, обеспечивающих максимальную экономичность выработки электроэнергии.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >