Газотурбинные установки. Гту в составе судовой энергетической установки

ГАЗОТУРБИННЫЕ УСТАНОВКИ (ГТУ)

Рабочий процесс ГТУ. В современ­ных ГТУ используется цикл со сгоранием при р = const (рис. 6.5).

В состав ГТУ обычно входят камера сгорания, газовая турбина, воздушный компрессор, теплообменные аппараты различного назначения (воздухоохлади­тели, маслоохладители системы смазки, регенеративные теплообменники) и вспо­могательные устройства (маслонасосы, элементы водоснабжения и др.).

Рабочим телом ГТУ служат продукты сгорания топлива, в качестве которого используется природный газ, хорошо очищенные искусственные газы (домен­ный, коксовый, генераторный) и специ­альное газотурбинное жидкое топливо (прошедшее обработку дизельное мотор­ное и соляровое масло).

Подготовка рабочей смеси произво­дится в камере сгорания. Огневой объем камеры (рис. 20.9) разделяется на зону горения, где происходит сгорание топли­ва при температуре порядка 2000 °С, и зону смешения, где к продуктам сгора­ния подмешивают воздух для снижения их температуры до 750-1090 °С в стаци­онарных турбинах и до 1400 °С - в авиационных турбинах.

Принцип работы газовой и паровой турбин одинаков, но конструкция про­точной части газовых турбин значительно проще. Они работают на относительно небольшом располагаемом теплоперепаде и поэтому имеют небольшое число ступеней.

В связи с высокой температурой про­дуктов сгорания детали проточной части турбин (сопла, рабочие лопатки, диски, валы) изготавливают из легированных высококачественных сталей. Для надеж­ной работы у большинства турбин пре­дусмотрено интенсивное охлаждение на­иболее нагруженных деталей корпуса и ротора.

В реальных условиях все процессы в ГТУ являются неравновесными, что связано с потерями работы в турбине и компрессоре, а также с аэродинамиче­скими сопротивлениями в тракте ГТУ. На рис. 20.10 действительный процесс сжатия в компрессоре изображен ли­нией 1-2, а процесс расширения в тур­бине - линией 3-4. Точками 2а и 4а от­мечено состояние рабочего тела соот­ветственно в конце равновесного адиа­батного сжатия и расширения, точ­кой О - параметры окружающей среды. Ввиду потерь давления во всасывающем тракте компрессора (линия 01) процесс сжатия начинается в точке1.

Таким образом, на сжатие воздуха в реальном цикле затрачивается боль­шая работа, а при расширении газа в турбине получается меньшая работа по сравнению с идеальным циклом. КПД цикла получается ниже. Чем больше сте­пень повышения давления π (т. е. выше р 2), тем больше сумма этих потерь по сравнению с полезной работой. При оп­ределенном значении π (оно тем выше, чем больше Т з и внутренний относитель­ный КПД турбины и компрессора, т. е. меньше потери в них) работа турби­ны может стать равной работе, затрачен­ной на привод компрессора, а полезная работа - нулю.

Поэтому наибольшая эффективность реального цикла, в отличие от идеально­го, достигается при определенной (опти­мальной) степени повышения давления, причем каждому значению Тз соответ­ствует свое π опт (рис. 20.11). КПД про­стейших ГТУ не превышает 14-18 %, и с целью его повышения ГТУ выпол­няют с несколькими ступенями подвода теплоты и промежуточным охлаждением сжимаемого воздуха, а также с регене­ративным подогревом сжатого воздуха отработавшими газами после турбины, приближая тем самым реальный цикл к циклу Карно.

ГТУ с утилизацией теплоты уходя­щих газов. Теплоту уходящих из ГТУ га­зов можно использовать для получения пара и горячей воды в обычных тепло­обменниках. Так, установки ГТ-25-700 ЛМЗ снабжены подогревателями, нагревающими воду в системе отопле­ния до 150-160 °С.

Вместе с тем сравнительно высокий уровень коэффициента избытка воздуха в ГТУ позволяет сжигать достаточно большое количество дополнительного топлива в среде продуктов сгорания. В результате из дополнительной камеры сгорания после ГТУ выходят газы с до­статочно высокой температурой, пригод­ные для получения пара энергетических параметров в специально устанавливае­мом для этой цели парогенераторе. На Кармановской ГРЭС по такой схеме строится котел к блоку электрической мощностью 500 МВт.

Применение ГТУ. В последние го­ды ГТУ широко используются в раз­личных областях: на транспорте, в энергетике, для привода стационар­ных установок и др.

Энергетические ГТУ. Га­зовая турбина меньше и легче паровой, поэтому при пуске она прогревается до рабочих температур значительно быстрее. Камера сгорания выводится на режим практически мгновенно, в отличие от парового котла, который требует мед­ленного длительного (многие часы и да­же десятки часов) прогрева во избежа­ние аварии из-за неравномерных тепло­вых удлинений, особенно массивного барабана диаметром до 1,5 м, длиной до 15 м, с толщиной стенки выше 100 мм.

Поэтому ГТУ применяют прежде все­го для покрытия пиковых нагрузок и в качестве аварийного резерва для собственных нужд крупных энергоси­стем, когда надо очень быстро включить агрегат в работу. Меньший КПД ГТУ по сравнению с ПСУ в этом случае роли не играет, так как установки работают в те­чение небольших отрезков времени. Для таких ГТУ характерны частые пуски (до 1000 в год) при относительно малом чис­ле часов использования (от 100 до 1500ч/год). Диапазон единичных мощ­ностей таких ГТУ составляет от 1 до 100 МВт.

ГТУ применяются также для привода электрогенератора и получения электро­энергии в передвижных установках (например, на морских судах). Такие ГТУ обычно работают в диапазоне нагрузок 30-110% номинальной, с частыми пусками и остановками. Единичные мощ­ности таких ГТУ составляют от десятков киловатт до 10МВт. Быстрое развитие атомных энергетических установок с ре­акторами, охлаждаемыми, например, ге­лием, открывает перспективу применения в них одноконтурных ГТУ, работающих по замкнутому циклу (рабочее тело не покидает установку).

Специфическую группу энергетиче­ских ГТУ составляют установки, работа­ющие в технологических схемах химиче­ских, нефтеперерабатывающих, метал­лургических и других комбинатов (энерготехнологические). Они работают в базовом режиме нагруз­ки и предназначены чаще всего для при­вода компрессора, обеспечивающего тех­нологический процесс сжатым воздухом или газом за счет энергии расширения газов, образующихся в результате само­го технологического процесса.

Приводные ГТУ широко ис­пользуются для привода центробежных нагнетателей природного газа на ком­прессорных станциях магистральных трубопроводов, а также насосов для транспортировки нефти и нефтепродук­тов и воздуходувок в парогазовых уста­новках. Полезная мощность таких ГТУ составляет от 2 до 30 МВт.

Транспортные ГТУ широко применяются в качестве главных и фор­сажных двигателей самолетов (турборе­активных и турбовинтовых) и судов мор­ского флота. Это связано с возможно­стью получения рекордных показателей по удельной мощности и габаритным размерам по сравнению с другими типа­ми двигателей, несмотря на несколько завышенные расходы топлива. Газовые турбины весьма перспективны как двига­тели локомотивов, где их незначительные габариты и отсутствие потребности в во­де являются особенно ценными. Транс­портные ГТУ работают в широком диа­пазоне нагрузок и пригодны для кратков­ременных форсировок.

Единичная мощность ГТУ пока не превышает 100МВт, а КПД установки 27-37 %. С повышение начальной температуры газов до 1200 °С мощность ГТУ будет доведена до 200 МВт и КПД установки до 38-40 %.

Газотурбинная установка (ГТУ) состоит из двух основных частей - это силовая турбина и генератор, которые размещаются в одном корпусе. Поток газа высокой температуры воздействует на лопатки силовой турбины (создает крутящий момент).

Утилизация тепла посредством теплообменника или котла-утилизатора обеспечивает увеличение общего КПД установки. ГТУ может работать как на жидком, так и на газообразном топливе. В обычном рабочем режиме - на газе, а в резервном (аварийном) - автоматически переключается на дизельное топливо.

Оптимальным режимом работы газотурбинной установки является комбинированная выработка тепловой и электрической энергии. ГТУ может работать как в базовом режиме, так и для покрытия пиковых нагрузок.

Принципиальная схема простой газотурбинной установки показана на рисунке 1.

Рисунок 1.Принципиальна схема ГТУ: 1 - компрессор; 2 - камера сгорания; 3 - газовая турбина; 4 - электрогенератор

Компрессор 1 засасывает воздух из атмосферы, сжимает его до определенного давления и подает в камеру сгорания 2. Сюда же непрерывно поступает жидкое или газообразное топливо. Сгорание топлива при такой схеме происходит непрерывно, при постоянном давлении, поэтому такие ГТУ называются газотурбинными установками непрерывного сгорания или ГТУ со сгоранием при постоянном давлении.

Горячие газы, образовавшиеся в камере сгорания в результате сжигания топлива, поступают в турбину 3. В турбине газ расширяется, и его внутренняя энергия преобразуется в механическую работу. Отработавшие газы выходят из турбины в окружающую среду (в атмосферу).

Часть мощности, развиваемой газовой турбиной, затрачивается на вращение компрессора, а оставшаяся часть (полезная мощность) отдается потребителю. Мощность, потребляемая компрессором, относительно велика и в простых схемах при умеренной температуре рабочей среды может в 2-3 раза превышать полезную мощность ГТУ. Это означает, что полная мощность собственно газовой турбины долгий быть значительно больше полезной мощности ГТУ.

Так как газовая турбина может работать только при наличии сжатого воздуха, получаемого только от компрессора, приводимого во вращение турбиной, очевидно, что пуск ГТУ должен осуществляться от постороннего источника энергии (пускового мотора), с помощью которого компрессор вращается до тех пор, пока из камеры сгорания не начнет поступать газ определённых параметров и в количестве, достаточном для начала работы газовой турбины. .

Из приведенного описания ясно, что газотурбинная установка состоит из трех основных элементов: газовой турбины, компрессора и камеры сгорания. Рассмотрим принцип действия и устройство этих элементов.

Турбина. На рисунке 2 показана схема простой одноступенчатой турбины.

Основными частями её являются; корпус (цилиндр.) турбины 1, в котором укреплены направляющие лопатки 2, рабочие лопатка 3, установленные по всей окружности на ободе диска 4, закрепленного на валу 5. Вал турбины вращается в подшипниках 6.

В местах выход вала из корпуса установлены концевые уплотнения 7, ограничивающие утечку горячих газов из корпуса турбин. Все вращающиеся части, турбины (рабочие лопатки, диск, вал) составляют её ротор. Корпус с неподвижными направляющими лопатками и уплотнениями образует статор турбины. Диск с лопатками образует рабочее колесо.

Рисунок 2. Схема одноступенчатой турбины

Совокупность ряда направлявших и рабочих лопаток называется турбинной ступенью. На рисунке 3 вверху изображена схема такой турбинной ступени и внизу дано сечение направляющих и рабочих лопаток цилиндрической поверхности а-а, развернутой затем на плоскость чертежа.

Рисунок 3. Схема турбинной ступени

Направляющие лопатки 1 образуют в сечении суживающиеся каналы, называемые соплами. Каналы, образованные рабочими лопатками 2, также обычно имеют суживающуюся форму.

Горячий газ при повышенном давлении поступает в сопла турбины, где происходит его расширение и соответствующее увеличение скорости. При этом давление и температура газа падают.

Таким образом, в соплах турбины совершается преобразование потенциальной энергии газа в кинетическую энергии. После выхода из сопел газ попадает в межлопаточные каналы рабочих лопаток, где изменяет свое направление.

При обтекании газом рабочих лопаток давление на их вогнутой поверхности оказывается большим, чем на выпуклой, и под влиянием этой разности давлений происходит вращение рабочего колеса (направление вращение на рисунке 3 показано стрелкой u).

Таким образом, часть кинетической энергии газа преобразуется на рабочих лопатках в механическую оказаться недопустимей по соображениям прочности рабочих лопаток или диска турбины. В таких случаях турбины выполняются многоступенчатыми.

Схема многоступенчатой турбины показана на рисунке 4.

Рисунок 4. Схема многоступенчатой турбины: 1-подшипники; 2-концевые уплотнения; 3-входной патрубок; 4-корпус; 5-направляющие лопатки; 6-рабочие лопатки; 7-ротор; 8-выходной патрубок турбины

Турбина состоит из ряда последовательно расположенных отдельных ступеней, в которых происходит постепенное расширение газа. Падение давления, приходящееся на каждую ступень, а, следовательно, и скорость с1 в каждой ступени такой турбины, меньше, чем в одноступенчатой. Число ступеней может быть выбрано таким, чтобы при заданной окружной скорости и было получено желаемое отношение.

Компрессор. Схема многоступенчатого осевого компрессора изображена на рисунке 5.

Рисунок 5. Схема многоступенчатого осевого компрессора: 1-входной патрубок; 2-концевые уплотнения; 3-подшипники; 4-входной направляющий аппарат; 5-рабочие лопатки; 6-направляющие лопатки; 7-корпус 8-спрямляющий аппарат; 9-диффузор; 10-выходной патрубок; 11-ротор.

Его основными составными частями являются: ротор 2 с закрепленными на нем рабочими лопатками 5, корпус 7 (цилиндр.), к которому крепятся направляющие лопатки 6 и концевые уплотнения 2, и подшипники 3.

Совокупность одного ряда вращающихся рабочих лопаток и одного ряда расположенных за ними неподвижных направляющих лопаток называется ступенью компрессора.

Засасываемый компрессором воздух последовательно проходит через следующие элементы компрессора, показанные на рисунке 5: входной патрубок 1, входной направляющий аппарат 4, группу ступеней 5, 6, спрямляющий аппарат 8, диффузор 9 и выходной патрубок 10.

Рассмотрим назначение этих элементов. Входной патрубок предназначен для равномерного подвода воздуха из атмосферы к входному направляющему аппарату, который должен придать необходимое направление потоку перед входом в первую степень.

В ступенях воздух сжимается за счет передачи механической энергии потоку воздуха от вращающихся лопаток. Из последней ступени воздух поступает в спрямляющий аппарат, предназначенный для придания потоку осевого направления перед входом в диффузор. В диффузоре продолжается сжатие газа за счет понижения его кинетической энергии.

Выходной патрубок предназначен для подачи воздуха от диффузора к перепускному трубопроводу. Лопатки компрессора 1 (рисунок 6) образуют ряд расширяющихся каналов (диффузоров).

При вращении ротора воздух входит в межлопаточные каналы с большой относительной скоростью (скорость движения воздуха, наблюдаемая с движущихся лопаток). При движении воздуха по этим каналам его давление повышается в результате уменьшения относительной скорости.

В расширяющихся каналах, образованных не-подвижными направляющими лопатками 2, происходит дальнейшее повышение давления воздуха, сопровождающееся соответствующим уменьшением его кинетической энергии.

Таким образом, преобразование энергии в ступени компрессора происходит по сравнению с турбиной ступенью в обратном направлении.

Рисунок 6. Схема ступени осевого компрессора

Камера сгорания. Назначение камеры сгорания заключается в повышения температуры рабочего тела за счет сгорания топлива в среде сжатого воздуха.

Схема камеры сгорания показана на рисунке 7.

Рисунок 7. Камера сгорания

Сгорание топлива, впрыскиваемого через форсунку 1, происходит в зоне горения камеры, ограниченной жаровой трубой 2. В эту зону поступает только такое количество воздуха, которое необходимо для полного и интенсивного сгорания топлива (этот воздух называемся первичным).

Поступающий в зону горения воздух проходит через завихритель 3, который способствует хорошему перемешиванию топлива с воздухом. В зоне горения температура газов достигает 1300... 2000°С. По условиям прочности лопаток газовых турбин такая температура недопустима. Поэтому получающиеся в зоне горения камеры горячие газы разбавляются холодным воздухом, который называется вторичным. Вторичный воздух протекает по кольцевому пространству между жаровой трубкой 2 и корпусом 4. Часть этого воздуха поступает к продуктам сгорания через окна 5, а остальная часть смешивается с горячими глазами после жаровой трубы. Таким образом, компрессор должен подавать в камеру сгорания в несколько раз больше воздуха, чем необходимо для сжигания топлива, а поступающие в турбину продукты сгорания получаются сильно разбавленными воздухом и охлажденными.

Простая газотурбинная установка прерывистого горения

Схема установка прерывистого горения (со сгоранием при постоянном объеме) такая же, что и для установки с изобарным подводом теплоты, и показана на рисунке 1. Эта ГТУ отличается от установи непрерывного горения устройством камеры сгорания (рисунок 8).

Рисунок 8. Камера прерывистого горения: 1-воздушный клапан; 2-топливный клапан; 3-свеча зажигания; 4-сопловой (газовый) клапан.

Камера сгорания ГТУ прерывистого горения имеет клапаны 1, 2 и 4, которые управляются особым распределительным механизмом. Представим себе, что в некоторый момент времена все клапаны закрыты, и камера заполнена смесью воздуха и топлива. При помощи свечи зажигания 3 смесь воспламеняется и давление в камере повышается, так как сгорание происходит при постоянном объеме.

При достижении определенного давления открывается клапан 4 и продукты сгорания поступают к соплам турбины, в которых происходит расширение газа. Давление в камере сгорания падает. После того, как давление в камере упадет до определенной величины, автоматически открывается воздушный клапан 1 и происходит продувка камеры свежим воздухом. Этот воздух проходит также через турбину и охлаждает её лопаточный аппарат.

В конце продувки сопловой клапан 4 закрывается и камера сгорания заполняется сжатым воздухом из компрессора. При работе на газообразном топливе в это же время через клапан 2 подается горючий газ. Этот процесс называется зарядкой камеры. По окончании зарядки закрываются все клапаны и происходит вспышка. Далее цикл повторяется.

Процесс изменения с течением времени давления в камере за весь цикл показан на рисунке 9.

Рисунок 9. Изменение давления в зависимости от времени в камере сгорания

Здесь АВ - вспышка; ВС - расширение; СД - продувка и ДА - зарядка. По данным Хольцварта весь цикл совершается приблизительно за 1,5 с. В этих опытах давление в начале вспышки (т. А) было равно (3...4) Ч 105 Па, а в конце вспышки (т. В) оно возрастало приблизительно до 15 Ч 105 Па.

Способы повышения экономичности ГТУ:

Существует рад способов повышения экономичности ГТУ:

• 1) за счет применения регенерации тепла отработавших в турбине газов;
• 2) путем ступенчатого сжатия воздуха с промежуточным его охлаждением;
• 3) путем применения ступенчатого расширения с промежуточным подогревом рабочего газа;
• 4) путем создания сложных и многовальных установок, что дает возможность повысить экономичность ГТУ особенно при работе на частичных нагрузках;
• 5) путем создания комбинированных установок работающих по парогазовому циклу в с поршневыми камерами сгорания;

Пока мы говорили только о самой газовой турбине, не

* * задавая вопроса, откуда берется газ, приводящий ее в действие.

В паровую турбину рабочий пар поступает из паро­вого котла. Какие же устройства необходимы для того, чтобы питать рабочим газом газовую турбину?

Для работы газовой турбины необходим газ, имеющий большой запас энергии. Энергия газа - его способность совершать при определенных условиях механическую ра­боту- зависит от давления и температуры. Чем сильнее сжат газ и чем выше его температура, тем большую ме­ханическую работу способен он совершить при своем рас­ширении. Значит, для работы турбин необходим сжатый и нагретый газ. Отсюда понятно, какие устройства должны входить в газотурбинную установку (или газо­турбинный двигатель). Это, во-первых, устройство для сжатия воздуха, во-вторых, устройство для его подогрева

И, в-третьих, сама газовая турбина, преобразующая вну­треннюю энергию сжатого и нагретого газа в механиче­скую работу.

Сжатие воздуха - сложная задача. Осуществить ее значительно труднее, чем подать в камеру сгорания жидкое горючее. Например, чтобы подавать в камеру сго­рания с давлением 10 атмосфер один килограмм керосина в секунду, необходимо расходовать около 2 лошадиных сил, а для сжатия до 10 атмосфер одного килограмма воздуха в секунду необходимо примерно 400 лошадиных сил. А в газотурбинных установках на один килограмм керосина приходится примерно 60 килограммов воздуха.

Значит, на подачу воздуха в камеру сгорания с давле­нием 10 атмосфер надо затрачивать в 12 тысяч раз боль­шую мощность, чем на подачу жидкого горючего.

Для сжатия воздуха применяются специальные ма­шины, называемые нагнетателями или компрессорами. Они получают необходимую для их работы механическую энергию от самой газовой турбины. Компрессор и тур-

Бина крепятся на одном валу, и турбина во время работы отдает часть своей мощности воздушному компрессору.

В газотурбинных установках используются компрес­соры двух типов: центробежные и осевые.

В центробежном компрессоре (рис. 6), как показывает его название, для сжатия воздуха используется действие центробежной силы. Такой компрессор состоит из вход­ного патрубка, по которому внешний воздух входит в компрессор; диска с рабочими лопатками, называемого часто крыльчаткой (рис. 7); так называемого диффузора, в который поступает выходящий из крыльчатки воздух, и выходных патрубков, отводящих сжатый воздух к месту назначения, например к камере сгорания газотурбинной установки.

Воздух, входящий в центробежный компрессор, под­хватывается лопатками быстровращающейся крыль­чатки и под действием центробежной силы отбрасывается от центра к окружности. Двигаясь по каналам между лопатками и вращаясь вместе с диском, он сжимается центробежными силами. Чем быстрее вращение крыль­чатки, тем больше сжатие воздуха. В современных ком­прессорах окружная скорость крыльчатки достигает 500 метров в секунду. При этом давление воздуха на выходе из крыльчатки составляет примерно 2,5 атмо­сферы. Помимо повышенного давления, воздух, проходя между лопатками, приобретает большую скорость, близ­кую по величине к окружной скорости крыльчатки. За­тем воздух пропускают через диффузор - постепенно расширяющийся канал. При движении по такому каналу скорость воздуха уменьшается, а давление растет. На выходе из диффузора воздух обычно имеет давление по­рядка 5 атмосфер.

Центробежные компрессоры просты по конструкции. Они имеют малый вес, могут сравнительно эффективно работать при различных числах оборотов вала и расходах воздуха. Эти качества обеспечили им широкое примене­ние в технике. Однако у центробежных компрессоров не­достаточно высок коэффициент полезного действия - всего 70-75%. Поэтому в газотурбинных установках, где на сжатие воздуха затрачивается очень много энергии, чаще применяются компрессоры осевого типа. Их коэф­фициент полезного действия выше, он достигает 85-90 %. Но по своему устройству осевой компрессор сложнее центробежного и имеет больший вес.

Осевой компрессор состоит из нескольких рабочих ко­лес, жестко укрепленных на валу и помещенных в канал, по которому движется воздух. Каждое рабочее колесо представляет собой диск с лопатками на ободе. При бы­стром вращении рабочего колеса лопатки сжимают про­ходящий по каналу воздух и увеличивают его скорость.

За каждым рабочим колесом помещается один ряд не­подвижных лопаток - направляющий аппарат, который еще более повышает давление воздуха и сообщает струе требуемое направление.

Рабочее колесо с расположенным за ним рядом не­подвижных лопаток направляющего аппарата называется ступенью компрессора. Одна ступень осевого компрес­сора увеличивает давление воздуха примерно в 1,3 раза. Чтобы получить большее давление, применяют осевые компрессоры с несколькими ступенями. Для получения высоких давлений используются осевые компрессоры с

14, 16 и большим числом ступеней. В многоступенчатых осевых компрессорах рабочие лопатки иногда крепятся не на отдельных дисках, а на общем пустотелом валу, так называемом барабане. Вращающуюся часть компрес­сора (барабан с рядами лопаток или рабочие колеса, укрепленные на валу) называют ротором (рис. 8), а не­подвижные направляющие лопатки, укрепленные на ко­жухе компрессора,- его статором.

Свое название осевой компрессор получил потому, что воздух движется вдоль его оси, в отличие от центробеж­ного компрессора, в котором воздух перемещается в ра­диальном направлении.

Воздух, сжатый в компрессоре до высокого давления, подается в камеру сгорания. Здесь в поток воздуха впры­скивается через распылители-форсунки жидкое топливо, которое воспламеняется таким же путем, как это де­лается в двигателях внутреннего сгорания,- с помощью электросвечи. Электросвеча работает только в период запуска двигателя. Далее горение происходит непре­рывно. При этом выделяется большое количество тепла. При сгорании одного килограмма керосина выделяется 10 500 калорий тепла.

Чем больше тепла выделится при сгорании топлива, тем выше будет температура газов в конце камеры сгора­ния. Если на 15 килограммов воздуха подать 1 килограмм керосина, то температура газов достигнет примерно 2500° С. При столь высокой температуре газов работа газотурбинной установки была бы весьма эффективной. Однако материал лопаток соплового аппарата и рабочих лопаток турбины не может выдержать такого нагрева. Лучшие современные жаропрочные сплавы, применяемые в авиационных газотурбинных двигателях, позволяют ра­ботать при температуре газов порядка 900° С. В турбинах, работающих на электростанциях, где требуется более длительный срок службы и используются менее дорогие сплавы, допустимая температура газов еще ниже. По­этому в камерах сгорания газотурбинных установок на

1 килограмм керосина или нефти подается 50-80 кило­граммов воздуха. При таком соотношении в конце ка­меры сгорания устанавливается температура газов, допу­скаемая прочностью лопаток.

Проектирование камеры сгорания для газотурбинных установок представляет собой сложную научно-техниче­скую задачу. К камере сгорания предъявляется ряд стро­гих требований, от выполнения которых зависит работо­способность всей установки. Вот важнейшие из этих тре­бований. Во-первых, необходимо обеспечить полное сго­рание топлива. Если топливо не успеет полностью сго­реть в камере сгорания, то часть его энергии будет напрасно потеряна. Экономичность газотурбинной уста­новки понизится. Более того, топливо, не успевшее сгореть в камере сгорания, станет догорать между лопат­ками турбины, что приведет к прогоранию и поломке лопаток, то есть к аварии. Нельзя допускать также, чтобы поступающий в турбину газ вместо одинаковой температуры по всему поперечному сечению имел в одном месте, например, 600° С, а в другом - 1200°. Нужно поэто­му обеспечить хорошее смешение газов перед выходом из камеры, исключить возможность проникновения в турбину отдельных «факелов» газа с повышенной температурой. Наконец, необходимо хорошо охлаждать стенки камеры сгорания, чтобы защитить их от прогорания.

Для решения всех этих задач воздушный поток в ка­мерах сгорания газотурбинных двигателей делят на две части (рис. 9). Меньшая часть потока направляется во внутреннюю часть камеры - в так называемую жаровую трубу. Там топливо сгорает при высокой температуре (высокая температура позволяет достигнуть достаточно

Полного сгорания). Остальная часть воздуха не участвует в горении. Она омывает с внешней стороны жаровую трубу и охлаждает ее. Затем происходит смешивание холодного воздуха с горячими газами. Для лучшего перемешивания в стенках трубы делается большое число мелких отверстий, через которые охлаждающий воздух небольшими порциями вводится внутрь и смешивается с горячими газами. Благодаря такой подаче охлаждаю­щего воздуха температура газа около стенок оказывается ниже, чем в центре жаровой трубы. Это также способ­ствует ее защите от прогорания.

Камера сгорания газотурбинной установки обычно располагается между компрессором и турбиной. При та­ком расположении поток газов идет прямо от входа уста­новки к ее выходу. Но в центре установки проходит вал, соединяющий турбину с компрессором. Этот вал не дол­жен сильно нагреваться, иначе его прочность понизится. Поэтому камеру сгорания делают кольцевой или одну

Общую камеру заменяют 6-10 отдельными камерами, расположенными по окружности вокруг вала.

Вы познакомились с тремя основными частями газо­турбинной установки: воздушным компрессором, камерой сгорания и газовой турбиной. На рис. 10 показана схема газотурбинного двигателя. Вот как он работает.

Компрессор засасывает воздух из атмосферы и сжи­мает его. Сжатый воздух поступает в камеру сгорания, где благодаря сжиганию топлива его температура возра­стает на несколько сот градусов. Давление же газа

Остается примерно постоянным. Поэтому двигатели такого типа называют газотурбинными двигателями с постоян­ным давлением сгорания. Из камеры сгорания газ с вы­соким давлением и температурой, а следовательно, с большим запасом энергии идет в турбину. Там происхо­дит процесс перехода энергии сжатого и нагретого газа в полезную работу.

Газ совершает в турбине работу в процессе расшире­ния, то есть когда снижается его давление. В большин­стве газотурбинных установок давление газа снижается до атмосферного. Значит, в турбине происходит процесс, обратный тому, который идет в компрессоре.

Если бы температура воздуха на выходе из компрес­сора и при входе в турбину была одинакова, то при рас­ширении воздуха в турбине он совершал бы такую же работу, какая была затрачена на его сжатие в компрес­соре - при том условии, что не было бы никаких потерь энергии на трение воздуха и на его завихрение. А с уче­том этих потерь воздух совершал бы в турбине работу меньшую, чем работа, требуемая для вращения компрес­сора. Ясно, что от такой установки не было бы никакой пользы. Но в компрессоре сжимается холодный воздух, а в турбину поступает сильно нагретый газ. Поэтому работа расширения газа оказывается в 1,5-2 ра­за больше, чем требуется для компрессора. Например, если газовая турбина развивает мощность в 10 ООО лошадиных сил, то на вращение соединенного с ней ком­прессора надо затрачивать примерно 6000 лошадиных

Сил. Оставшаяся свободная мощность в 4000 лошадиных сил может быть использована для вращения электрогене­ратора, судового винта, воздушного винта самолета или каких-либо иных механизмов.

Для работы газотурбинного двигателя необходим ряд вспомогательных агрегатов: топливные насосы, автома­тические приборы, регулирующие его работу, система смазки и охлаждения, система управления и др.

Чтобы запустить газотурбинный двигатель, надо рас­крутить его ротор (рис. 11) до нескольких сот оборотов в минуту. Для этой цели служит небольшой вспомога­тельный двигатель, называемый стартером. У больших газотурбинных двигателей стартером часто служат ма­ленькие газотурбинные двигатели мощностью порядка 100 лошадиных сил, а иногда и более. Эти стартеры в свою очередь раскручиваются небольшими электромото­рами, получающими питание от аккумулятора.

ЖДысль о возможности использовать поток горячих га - *** зов для получения механической работы зароди­лась очень давно. Еще 450 лет назад великий итальян­ский ученый Леонардо да Винчи дал описание колеса с лопастями, установленного в дымоходе над очагом. Под действием газового потока такое колесо могло вра­щаться и приводить в действие вертел. Колесо Леонардо да Винчи можно считать прообразом газовой турбины.

В 1791 году англичанин Джон Барбер взял патент на газотурбинную установку. По рисунку, приложенному к патенту, можно было представить, что установка, по мысли автора, должна была работать на горючем газе, получаемом перегонкой твердого или жидкого топлива. Газ с помощью примитивного компрессора нагнетался в резервуар. Из него он поступал в камеру сгорания, где смешивался с воздухом, подаваемым вторым компрессо­ром, и воспламенялся. Продукты сгорания поступали из камеры на колесо турбины. Однако при существовавшем тогда уровне развития техники осуществить газовую тур­бину не представлялось возможным. Первая газовая тур­бина была создана лишь в самом конце XIX века рус­ским изобретателем П. Д. Кузьминским, который, как мы уже говорили, построил и первую паровую турбину для морских судов.

Газотурбинный двигатель, построенный в 1897 году по проекту П. Д. Кузьминского, состоял из воздушного компрессора, камеры сгорания и радиальной турбины (рис. 12). Кузьминский применил охлаждение камеры сгорания водой. Вода охлаждала стенки и затем посту­пала внутрь камеры. Подача воды снижала температуру и в то же время увеличивала массу газов, поступающих в турбину, что должно было повысить эффективность установки. К сожалению, работа Кузьминского не встре­тила никакой поддержки со стороны царского правитель­ства.

Спустя 7 лет, в 1904 году, за границей была по­строена газовая турбина по проекту немецкого инженера Штольца, но практического применения она не получила, так как имела много недостатков.

В 1906 году французские инженеры Арманго и Ле- маль построили газовую турбину мощностью в 25 лоша­диных сил, а затем другую - мощностью уже в 400 ло­шадиных сил. Коэффициент полезного действия этой установки составлял всего 3%.

Испытания первых газотурбинных установок показали, что для повышения их эффективности необходимо до­биться значительного увеличения коэффициента полез­ного действия компрессора и турбины, а также поднять

Температуру газов в камере сгорания. Это побудило мно­гих изобретателей искать другие конструкции газовых турбин. Возникло желание избавиться от компрессора, чтобы избежать больших потерь энергии при сжатии воз­духа. Но турбина может работать лишь тогда, когда давление газов в камере сгорания выше, чем за турби­ной. Иначе газ не потечет из камеры в турбину и не при­ведет в действие ее рабочее колесо. При непрерывном процессе горения в камере неизбежно применение ком­прессора, подающего сжатый воздух. Однако, если сде­лать процесс горения прерывистым, то можно отказаться

От компрессора или использовать компрессор, дающий не­большое сждтие воздуха и соответственно с этим потреб­ляющий меньшую мощность. В такую пульсирующую ка­меру воздух подается в то время, когда в ней нет горения и давление очень низкое. После входа воздуха и впрыска горючего входное отверстие камеры закрывается, проис­ходит вспышка. Так как камера закрыта и газы расши­риться не могут, то давление в ней резко возрастает. После то­го как газы вытекут из камеры в турбину, впускной клапан от­крывается и в камеру входит новая порция воздуха. Так, осуще­ствляя процесс горе­ния при постоянном объеме газов, то есть в замкнутой камере, можно повысить их давление без помощи компрессора.

В 1908 году рус­ский инженер В. В.

Кароводин создал опытную модель та­кой газовой турбины (рис. 13). Закрытие камеры в период го­рения топлива осу­ществлялось в ней с помощью специального клапана. Тур­бина имела четыре камеры сгорания, из которых газ по четырем длинным соплам шел к рабочему колесу. При испытаниях модель развивала мощность 1,6 лошадиной силы; коэффициент полезного действия равнялся всего 3%. Для промышленного применения эта турбина также еще не годилась.

Над созданием газовых турбин с постоянным объе­мом сгорания долго работал и немецкий инженер Хольц - варт. По его проектам в период 1914-1920 годов было
построено несколько турбин мощностью от 500 до 2000 ло­шадиных сил. Однако ни одна из них не годилась для промышленной эксплуатации. Лишь в 30-х годах швей­царской фирме «Броун-Бовери» удалось создать не­сколько пригодных для практической эксплуатации тур­бин с горением при постоянном объеме. В настоящее время работы над подобными турбинами почти полно­стью прекращены.

Наши ученые пошли по другому пути. Инженер

В. X. Абианц в своей книге «Теория авиационных газовых турбин» пишет о трудах советских специалистов:

«Одна из главных заслуг советских ученых заклю­чается в том, что они обосновали целесообразность и перспективность развития турбин с постоянным давле­нием сгорания, в то время как зарубежные (в частности, немецкие) газотурбинисты работали в области турбин с постоянным объемом сгорания. Все последующее разви­тие газовых турбин, в том числе и авиационных, бле­стяще подтвердило прогнозы советских ученых, ибо стол­бовой дорогой развития газовых турбин оказался путь создания турбин с постоянным давлением сгорания».

Трудами советских ученых было доказано, что газо­турбинные установки с постоянным давлением сгорания при достаточно высокой температуре газов могут иметь высокий коэффициент полезного действия.

В 1939 году профессором В. М. Маковским была по­строена на Харьковском турбогенераторном заводе газо­вая турбина с постоянным давлением сгорания. Ее мощ­ность составляла 400 киловатт. Вал, диск и полые ло­патки турбины охлаждались водой. Турбина Маковского предназначалась для работы на горючем газе, получае­мом в результате подземной газификации каменного угля. Она была установлена и успешно испытана на одной из шахт в Горловке.

В настоящее время наши заводы производят различ­ные типы высокоэффективных газовых турбин.

Хотя газотурбинная установка по своему устройству более проста, чем поршневой двигатель внутреннего сго­рания, для создания ее потребовалось провести огромную научно-исследовательскую работу. Вот почему только в наше время, на основе современных достижений науки и техники, удалось создать эффективный газотурбинный двигатель.

Какие же научные проблемы надо было решить уче­ным, прежде чем сделать возможным создание газотур­бинных установок?

При создании газовой турбины необходимо было стре­миться к тому, чтобы возможно полнее использовать энер­гию газа, предельно снизить ее потери на трение и вихре - образование. Большая скорость движения газа через турбину позволяет получить и большую мощность неболь­шой по - размерам установки. Но в то же время такая скорость таит в себе опасность больших потерь энергии. Чем больше скорость движения жидкости или газа, тем больше потери энергии на трение и образование вихрей.

Чтобы построить газотурбинную установку с высоким коэффициентом полезного действия, надо было выбрать наивыгодные размеры, форму и взаимное расположение частей компрессора и турбины. А для этого требовалось изучить движение газов и узнать, как они воздействуют на обтекаемые ими твердые тела. Изучение движения газа требовалось для развития многих отраслей техники.

Первой задачей ученых в этой области было исследо­вать движение газа при сравнительно малых скоростях, когда он практически не сжимается. Поскольку движение несжимаемого газа подчиняется тем же законам, что и движение жидкости, этот раздел науки получил название гидродинамики («гидр» - по-гречески вода).

Одновременно развивалась наука о молекулярном строении газа, о процессах изменения его состояния под действием давления и температуры. Она называется тер­модинамикой (от латинского слова «термо» - теплота).

В процессе развития гидродинамики возникла необхо­димость учитывать характерные особенности газа, отли­чающие его от жидкости. И вот на базе гидродинамики возникла аэродинамика - наука о законах течения воз­духа и обтекания тел воздушным потоком. В то же время появление паровых турбин побудило ученых-термодина - миков исследовать и такие вопросы, как истечение газов и паров из сопел.

В процессе своего развития гидродинамика и термо­динамика, расширяя круг изучаемых вопросов, проникая все глубже и глубже в сущность физических явлений, приближались друг к другу. Так возник еще один новый раздел науки - газовая динамика, изучающая законы движения газа с большими скоростями и тепловые про­цессы, происходящие в газовом потоке.

Эта наука и послужила теоретической основой для развития газотурбинных двигателей. Первые фундамен­тальные работы по теории газовых турбин были выпол­нены выдающимся чешским ученым Стодола, советскими профессорами В. М. Маковским, В. В. Уваровым и рядом других ученых.

Разработка теоретических основ газотурбинной тех­ники и начавшиеся во многих странах мира эксперимен­тальные работы в этой области показали, что важнейшей задачей в развитии двигателей такого типа являлось усо­вершенствование их проточной части, т. е. тех элементов двигателя, по которым течет газ: воздухозаборника, ком­прессора, камеры сгорания, турбины и сопла. В первую очередь стоял вопрос о разработке теории компрессоров и турбин, которые часто называют одним термином «ло­паточные машины». Именно решением этой фундамен­тальной задачи и занялись советские ученые. На основе гениальных трудов Эйлера, Бернулли, Жуковского, Чап­лыгина советские ученые создали теорию газотурбинных двигателей.

Исключительно ценный вклад в теорию газотурбин­ных двигателей внес академик Б. С. Стечкин. Его тру­дами была создана стройная теория лопаточных машин. Им были разработаны методы расчета осевых и центро­бежных компрессоров. Он является творцом теории са­мых распространенных в современной авиации газотур­бинных воздушно-реактивных двигателей.

Глубокие теоретические исследования и плодотворную экспериментальную работу по компрессорам провели профессора К. А. Ушаков, В. Н. Дмитриевский, К. В. Хол­щевников, П. К. Казанджан и ряд других ученых. Значи­тельным вкладом в теорию лопаточных машин явился труд украинского академика Г. Ф. Проскура «Гидродина­мика турбомашины», изданный еще в 1934 году.

Теории газовых турбин и газотурбинных двигателей в целом были посвящены работы профессоров Г. С. Жи -

Ридкого, А. В. Квасникова, П. И. Кириллова, Я. И. Шнеэ, Г. П. Зотикова и многих других.

Большая работа была проделана учеными по созда­нию наиболее выгодной формы турбинных лопаток. Ра­бота лопаток турбины имеет много общего с работой крыла самолета. Однако между ними имеются и суще­ственные различия. Крыло работает изолированно, а тур­бинная лопатка - в соседстве с другими лопатками. В последнем случае получается, как принято говорить, «решетка профилей». Влияние соседних лопаток сильно изменяет картину обтекания газом профиля лопатки. Кроме того, крыло обдувается потоком воздуха, имею­щим перед встречей с самолетом одинаковую скорость вдоль всего размаха крыла. А скорость газа относи­тельно лопатки турбины не одинакова по ее длине. Она зависит от окружной скорости лопаток. Так как лопатки делают довольно длинными, то окружная скорость у корня лопатки значительно меньше, чем у ее конца. Зна­чит, и скорость газа относительно лопатки у ее корня будет иная, чем у внешней окружности рабочего колеса. Поэтому профиль лопатки должен быть таким, чтобы лопатка по всей своей длине работала с наибольшей эффективностью. Задача создания таких лопаток была решена трудами профессора В. В. Уварова и других ученых.

Важнейшей проблемой, от решения которой зависело создание экономичных газотурбинных двигателей, была проблема жаропрочных материалов. Экономичность газо­турбинной установки увеличивается с ростом темпера­туры газов. Но чтобы турбина могла надежно работать при высокой температуре, необходимо изготавливать ее лопатки и диск из таких сплавов, прочность которых со­храняется и при большом нагреве. Поэтому для развития газотурбинной техники требовался высокий уровень раз­вития металлургии. В настоящее время металлургами созданы сплавы, способные выдерживать большие тем­пературы. Лопатки турбины, изготовленные из таких сплавов, могут без специального охлаждения работать при температуре поступающих в турбину газов до 900° С.

Кроме сплавов, существуют и другие жаростойкие материалы, например особая керамика. Но керамика довольно хрупка, это препятствует ее применению в газо­вых турбинах. Дальнейшие работы по усовершенствова­нию жаропрочной керамики могут оказать, однако, суще­ственное влияние на развитие газовых турбин.

Конструкторы газовых турбин разрабатывают также лопатки с искусственным охлаждением. Внутри лопаток делают каналы, по которым пропускают воздух или жид­кость. Диск турбины обычно обдувается воздухом.

Условия горения топлива в газотурбинных установках существенно отличаются от условий в топках паровых котлов или в цилиндрах поршневых двигателей. Газо­турбинный двигатель способен при малых размерах про­изводить громадную работу. Но для этого надо сжигать в малом объеме камеры большое количество горючего. Этого можно добиться лишь при очень большой скорости горения. Частицы топлива находятся в камере сгорания газотурбинного двигателя менее сотой доли секунды. За такое короткое время должно произойти хорошее пере­мешивание топлива с воздухом, его испарение и полное сгорание.

Чтобы успешно решить задачу, необходимо изучить физику горения. Над этим работают в наше время круп­ные коллективы ученых.

Учеными детально исследован и вопрос о максималь­ном использовании тепла, выделяемого при горении топ­лива в газотурбинных установках. Из рабочего колеса турбины газы выходят с высокой температурой и, сле­довательно, уносят с собой в атмосферу большое коли­чество внутренней энергии. Возникло естественное жела­ние использовать тепло отходящих газов. Для этого была предложена следующая схема установки. Газы из рабо­чего колеса, прежде чем выйти в атмосферу, проходят через теплообменник, где передают часть своего тепла сжатому воздуху, вышедшему из компрессора. Воздух, нагреваясь в теплообменнике, повышает свою энергию без расхода на это какого-либо количества горючего. Из теплообменника воздух направляется в камеру сгорания, где его температура поднимается еще выше. Устройством таких теплообменников можно значительно сократить расход топлива на нагревание газа и тем самым повы­сить экономичность установки. Теплообменник представ­ляет собой канал, по которому текут горячие газы. Внутри канала помещается пучок стальных труб, распо­ложенных по потоку газов или перпендикулярно к нему. Внутри этих труб течет воздух. Газ нагревает стенки труб и текущий внутри них воздух. Происходит возврат части тепла из уходящих газов в рабочий воздух. Этот процесс называется процессом регенерации тепла. И теп­лообменники часто называют регенераторами.

Газотурбинные установки с регенерацией тепла яв­ляются значительно более экономичными, чем обычные турбины. К сожалению, теплообменники очень громоздки по своим размерам, что затрудняет их применение на некоторых транспортных установках.

В числе научных проблем, лежащих в основе разви­тия газотурбинной техники, следует отметить и проч­ность конструкций. Для постройки прочных камер сго­рания необходимо знать методы расчета тонкостенных оболочек. Этим занимается один из новых разделов науки о сопротивлении материалов. Сложной задачей является обеспечение прочности рабочих лопаток турбины. Ротор турбины совершает очень большое число оборотов (5000-10 ООО оборотов в минуту, а в некоторых конструк­циях и более), и на лопатки действуют большие центро­бежные силы (несколько тонн на каждую лопатку).

Мы рассказали здесь только о самых главных научных проблемах, решение которых потребовалось для развития газотурбинной техники. Ученые и инженеры продолжают работать над совершенствованием газотурбинных двига­телей. Перед ними стоит еще много нерешенных вопро­сов, много интересных и важных проблем.

Например, исключительно большое значение имеют работы по созданию газовых турбин, использующих в качестве топлива каменный уголь. Известно, что камен­ного угля добывается больше, чем нефти, и он дешевле ее. Сжигание угля в камере сгорания газовой турбины - трудная задача. Его приходится размельчать, превра­щать в угольную пыль. Газы, выходящие из камеры сго­рания, надо очищать от золы. Если в газе содержатся частицы золы размером даже в 0,03-0,05 миллиметра, то лопатки турбины начнут разрушаться, и турбина вый­дет из строя.

Создание очистителей газа - дело сложное. Но ре­шить такую задачу для газотурбинного двигателя можно. У двигателей внутреннего сгорания сжатие воздуха, сго­рание и расширение газа происходят в одном месте - в цилиндре. Установить в цилиндре какой-нибудь очисти­тель оказалось невозможным. Поэтому до сих пор по­пытки сжигания угля в цилиндрах двигателей внутрен­него сгорания ни к чему не привели. В газотурбинной же установке сжатие, сгорание и расширение совершаются в разных местах. Сжатие воздуха осуществляется в ком­прессоре, нагревание - в камере, а расширение - в тур­бине. Очиститель можно поместить между камерой и тур­биной. Нужно только, чтобы он не сильно снижал давле­ние проходящих через него газов и не был слишком велик по размерам.

В наши дни ведутся исследования и по созданию атомных газотурбинных двигателей. В этих двигателях нагрев воздуха осуществляется не за счет сжигания топ­лива, а за счет тепла, выделяющегося в атомном котле. Много трудностей предстоит преодолеть ученым на этом пути. Но нет сомнения, что атомным газотурбинным дви­гателям предстоит большое будущее.

Газотурбинные установки (ГТУ) Газотурбинная установка - это агрегат, состоящий из газотурбинного двигателя, редуктора, генератора и вспомогательных систем. Поток газа, образованный в результате сгорания топлива, воздействуя на лопатки турбины, создает крутящий момент и вращает ротор, который в свою очередь соединен с генератором. Генератор вырабатывает электроэнергию. В основу устройства газотурбинного агрегата положен принцип модульности: ГТУ состоят из отдельных блоков, включая блок автоматики. Модульная конструкция позволяет в кратчайшие сроки производить сервисное обслуживание и ремонт, наращивать мощность, а также экономить средства за счет того, что все работы могут производиться быстро на месте эксплуатации.устройства газотурбинного агрегата На первых этапах развития газотурбинных установок (ГТУ) в них для сжигания топлива применяли два типа камер сгорания. В камеру сгорания первого типа топливо и окислитель (воздух) подавались непрерывно, их горение также поддерживалось непрерывно, а давление не изменялось. В камеру сгорания, второго типа топливо и окислитель (воздух) подавались порциями. Смесь поджигалась и сгорала в замкнутом объеме, а затем продукты сгорания поступали в турбину. В такой камере сгорания температура и давление не постоянны: они резко увеличиваются в момент сгорания топлива.камер сгорания Со временем выявились несомненные преимущества камер сгорания первого типа. Поэтому в современных ГТУ топливо в большинстве случаев сжигают при постоянном давлении в камере сгорания.

Принцип действия газотурбинных установок Рис.1. Схема ГТУ с одновальным ГТД простого цикла В компрессор (1) газотурбинного силового агрегата подается чистый воздух. Под высоким давлением воздух из компрессора направляется в камеру сгорания (2), куда подается и основное топливо газ. Смесь воспламеняется. При сгорании газовоздушной смеси образуется энергия в виде потока раскаленных газов. Этот поток с высокой скоростью устремляется на рабочее колесо турбины (3) и вращает его. Вращательная кинетическая энергия через вал турбины приводит в действие компрессор и электрический генератор (4). С клемм электрогенератора произведенное электричество, обычно через трансформатор, направляется в электросеть, к потребителям энергии.

Газовые турбины описываются термодинамическим циклом Брайтона Цикл Брайтона/Джоуля термодинамический цикл, описывающий рабочие процессы газотурбинного, турбореактивного и прямоточного воздушно-реактивного двигателей внутреннего сгорания, а также газотурбинных двигателей внешнего сгорания с замкнутым контуром газообразного (однофазного) рабочего тела. Рис.2. P,V диаграмма цикла Брайтона Идеальный цикл Брайтона состоит из процессов: 12 Изоэнтропическое сжатие. 23 Изобарический подвод теплоты. 34 Изоэнтропическое расширение. 41 Изобарический отвод теплоты.

С учётом отличий реальных адиабатических процессов расширения и сжатия от изоэнтропических, строится реальный цикл Брайтона (12p34p1 на T-S диаграмме)(рис.3) Рис.3. T-S диаграмма цикла Брайтона Идеального (12341) Реального (12p34p1) Термический КПД идеального цикла Брайтона принято выражать формулой: где П = p2 / p1 степень повышения давления в процессе изоэнтропийного сжатия (12); k показатель адиабаты (для воздуха равный 1,4)

Как и во всех циклических тепловых двигателях, чем выше температура сгорания, тем выше КПД. Сдерживающим фактором является способность стали, никеля, керамики или других материалов, из которых состоит двигатель, выдерживать температуру и давление. Значительная часть инженерных разработок направлена на то, чтобы отводить тепло от частей турбины. Большинство турбин также пытаются рекуперировать тепло выхлопных газов, которые, в противном случае, теряется впустую. Рекуператоры это теплообменники, которые передают тепло выхлопных газов сжатому воздуху перед сгоранием. При комбинированном цикле тепло передается системам паровых турбин. И при комбинированном производстве тепла и электроэнергии (когенерация) отработанное тепло используется для производства горячей воды. Механически газовые турбины могут быть значительно проще, чем поршневые двигатели внутреннего сгорания. Простые турбины могут иметь одну движущуюся часть: вал/компрессор/турбина/альтернативный ротор в сборе, не учитывая топливную систему. Рис.4. Эта машина имеет одноступенчатый радиальный компрессор, турбину, рекуператор, и воздушные подшипники.

Более сложные турбины (те, которые используются в современных реактивных двигателях), могут иметь несколько валов (катушек), сотни турбинных лопаток, движущихся статорных лезвий, а также обширную систему сложных трубопроводов, камер сгорания и теплообменников. Как правило, чем меньше двигатель, тем выше должна быть частота вращения вала(ов), необходимая для поддержания максимальной линейной скорости лопаток. Максимальная скорость турбинных лопаток определяет максимальное давление, которое может быть достигнуто, что приводит к получению максимальной мощности, независимо от размера двигателя. Реактивный двигатель вращается с частотой около об/мин и микро-турбина с частотой около об/мин.

Устройство ГТУ. Основные элементы газотурбинных установок Газотурбинная установка состоит из трех основных элементов: газовой турбины, камер сгорания и воздушного компрессора. На рис. 1-а показана газотурбинная установка, компрессор 1, камеры сгорания 2 и газовая турбина 3 которой расположены в едином сборном корпусе. Роторы 6 и 5 компрессора и турбины жестко соединены друг с другом и опираются на три подшипника. Четырнадцать камер сгорания располагаются вокруг компрессора каждая в своем корпусе. Воздух поступает в компрессор через входной патрубок и уходит из газовой турбины через выхлопной патрубок. Корпус газотурбинной установки опирается на четыре опоры 4 и 8, которые расположены на единой раме 7.

Б)-Тепловая схема Тепловая схема такой газотурбинной установки показана на рис. 1-б. В камеры сгорания топливным насосом подаются топливо и сжатый воздух после компрессора. Топливо перемешивается с воздухом, который служит окислителем, поджигается и сгорает. Чистые продукты сгорания также смешиваются с воздухом, чтобы температура газа, получившегося после смешения, не превышала заданного значения. Из камер сгорания газ поступает в газовую турбину, которая предназначена для преобразования его потенциальной энергии в механическую работу. Совершая работу, газ остывает и давление его уменьшается до атмосферного. Из газовой турбины газ выбрасывается в окружающую среду. Из атмосферы в компрессор поступает чистый воздух. В компрессоре его давление увеличивается и температура растет. На привод компрессора приходится отбирать значительную часть мощности турбины. Газотурбинные установки, работающие по такой схеме, называют установками открытого цикла. Большинство современных ГТУ работает по этой схеме.

Кроме того, применяются замкнутые ГТУ (рис. 2). В замкнутых ГТУ также имеются компрессор 1 и турбина 2. Вместо камеры сгорания используется источник теплоты 4, в котором теплота передается рабочему телу без перемешивания с топливом. В качестве рабочего тела может применяться воздух, углекислый газ, пары ртути или другие газы. Рис. 2. Схема замкнутой ГТУ: 1 - компрессор, 2 - турбина, 3 - электрический генератор, 4 - источник теплоты, 5 - регенератор, 6 – охладитель Рабочее тело, давление которого повышено в компрессоре, в источнике теплоты 4 нагревается и поступает в турбину 2, в которой отдает свою энергию. После турбины газ поступает в промежуточный теплообменник 5 (регенератор), в котором он подогревает воздух, а затем охлаждается в охладителе 6, поступает в компрессор 1, и цикл повторяется. В качестве источника теплоты могут использоваться специальные котлы для нагрева рабочего тела энергией сжигаемого топлива или атомные реакторы.

Устройство современной стационарной высокотемпературной ГТУ Традиционная современная газотурбинная установка (ГТУ) это совокупность воздушного компрессора, камеры сгорания и газовой турбины, а также вспомогательных систем, обеспечивающих ее работу. Совокупность ГТУ и электрического генератора называют газотурбинным агрегатом. Необходимо подчеркнуть одно важное отличие ГТУ от ПТУ. В состав ПТУ не входит котел, точнее котел рассматривается как отдельный источник тепла; при таком рассмотрении котел это «черный ящик»: в него входит питательная вода с температурой tп.в, а выходит пар с параметрами р 0, t0. Паротурбинная установка без котла как физического объекта работать не может. В ГТУ камера сгорания это ее неотъемлемый элемент. В этом смысле ГТУ самодостаточна. Газотурбинные установки отличаются чрезвычайно большим разнообразием, пожалуй, даже большим, чем паротурбинные. Ниже рассмотрим наиболее перспективные и наиболее используемые в энергетике ГТУ простого цикла.

Принципиальная схема такой ГТУ показана на рис.1. Воздух из атмосферы поступает на вход воздушного компрессора, который представляет собой роторную турбомашину с проточной частью, состоящей из вращающихся и неподвижных решеток. Отношение давления за компрессором рb к давлению перед ним ра называется степенью сжатия воздушного компрессора. Ротор компрессора приводится газовой турбиной. Поток сжатого воздуха подается в одну, две (как на рис.1) или более камер сгорания. При этом в большинстве случаев поток воздуха, идущий из компрессора, разделяется на два потока. Первый поток направляется к горелочным устройствам, куда также подается топливо (газ или жидкое топливо). При сжигании топлива образуются продукты сгорания топлива высокой температуры. К ним подмешивается относительно холодный воздух второго потока с тем, чтобы получить газы (их обычно называют рабочими газами) с допустимой для деталей газовой турбины температурой. Рабочие газы с давлением рс (рс

Для изображения схем ГТУ применяют условные обозначения, подобные тем, которые используют для ПТУ (рис.2). Из рассмотрения рис.1 и 2 становится ясным, почему описанная ГТУ называется ГТУ простого термодинамического цикла. Более простой ГТУ быть не может, так как она содержит минимум необходимых компонентов, обеспечивающих последовательные процессы сжатия, нагрева и расширения рабочего тела: один компрессор, одну или несколько камер сгорания, работающих в одинаковых условиях, и одну газовую турбину. Наряду с ГТУ простого цикла, существуют ГТУ сложного цикла, которые могут содержать несколько компрессоров, турбин и камер сгорания.

Газовая турбина Газовая турбина является наиболее сложным элементом ГТУ, что обусловлено в первую очередь очень высокой температурой рабочих газов, протекающих через ее проточную часть: температура газов перед турбиной 1350°С в настоящее время считается «стандартной», и ведущие фирмы, в первую очередь General Electric, работают над освоением начальной температуры 1500°С. Напомним, что «стандартная» начальная температура для паровых турбин составляет 540°С, а в перспективе температура °С. Стремление повысить начальную температуру связано, прежде всего, с выигрышем в экономичности, который она дает. Для обеспечения длительной работы газовой турбины используют сочетание двух средств. Первое средство применение для наиболее нагруженных деталей жаропрочных материалов, способных сопротивляться действию высоких механических нагрузок и температур (в первую очередь для сопловых и рабочих лопаток). Если для лопаток паровых турбин и некоторых других элементов применяются стали (т.е. сплавы на основе железа) с содержанием хрома 1213%, то для лопаток газовых турбин используют сплавы на никелевой основе (нимоники), которые способны при реально действующих механических нагрузках и необходимом сроке службы выдержать температуру °С. Поэтому вместе с первым используют второе средство охлаждение наиболее горячих деталей.

Система охлаждения газовой турбины Для охлаждения большинства современных ГТУ используется воздух, отбираемый из различных ступеней воздушного компрессора. Уже работают ГТУ, в которых для охлаждения используется водяной пар, который является лучшим охлаждающим агентом, чем воздух. Охлаждающий воздух после нагрева в охлаждаемой детали сбрасывается в проточную часть газовой турбины. Такая система охлаждения называется открытой. Существуют замкнутые системы охлаждения, в которых нагретый в детали охлаждающий агент направляется в холодильник и затем снова возвращается для охлаждения детали. Такая система не только весьма сложна, но и требует утилизации тепла, отбираемого в холодильнике. Система охлаждения газовой турбины самая сложная система в ГТУ, определяющая ее срок службы. Она обеспечивает не только поддержание допустимого уровня рабочих и сопловых лопаток, но и корпусных элементов, дисков, несущих рабочие лопатки, запирание уплотнений подшипников, где циркулирует масло и т.д. Эта система чрезвычайно сильно разветвлена и организуется так, чтобы каждый охлаждаемый элемент получал охлаждающий воздух тех параметров и в том количестве, который необходим для поддержания его оптимальной температуры. Излишнее охлаждение деталей так же вредно, как и недостаточное, так как оно приводит к повышенным затратам охлаждающего воздуха, на сжатие которого в компрессоре затрачивается мощность турбины. Кроме того, повышенные расходы воздуха на охлаждение приводят к снижению температуры газов за турбиной, что очень существенно влияет на работу оборудования, установленного за ГТУ (например, паротурбинной установки, работающей в составе ПТУ). Наконец, система охлаждения должна обеспечивать не только необходимый уровень температур деталей, но и равномерность их прогрева, исключающую появление опасных температурных напряжений, циклическое действие которых приводит к появлению трещин.

На рис.17 показан пример схемы охлаждения типичной газовой турбины. В прямоугольных рамках приведены значения температур газов. Перед сопловым аппаратом 1-й ступени 1 она достигает 1350°С. За ним, т.е. перед рабочей решеткой 1-й ступени она составляет 1130°С. Даже перед рабочей лопаткой последней ступени она находится на уровне 600°С. Газы этой температуры омывают сопловые и рабочие лопатки, и если бы они не охлаждались, то их температура равнялась бы температуре газов и срок их службы ограничивался бы несколькими часами.

Газовая турбина обычно имеет 34 ступени, т.е. 68 венцов решеток, и чаще всего охлаждаются лопатки всех венцов, кроме рабочих лопаток последней ступени. Воздух для охлаждения сопловых лопаток подводится внутрь через их торцы и сбрасываются через многочисленные (отверстий диаметром 0,50,6 мм) отверстия, расположенные в соответствующих зонах профиля (рис.18). К рабочим лопаткам охлаждающий воздух подводится через отверстия, выполненные в торцах хвостовиков.

Топливо для газотурбинной установки Газотурбинная установка может работать как на газообразном, так и на жидком топливе. Так, в газотурбинных агрегатах может использоваться: Дизельное топливо Керосин Природный газ Попутный нефтяной газ Биогаз (образованный из отходов сточных вод, мусорных свалок и т.п.) Шахтный газ Коксовый газ Древесный газ и др. Большинство газотурбинных установок могут работать на низкокалорийных топливах с минимальной концентрацией метана (до 30%).

Преимущества газотурбинных электростанций: Минимальный ущерб для окружающей среды: низкий расход масла, возможность работы на отходах производства; выбросы вредных веществ: в пределах 25 мг/кг. Низкий уровень шума и вибраций. Этот показатель не превышает д Ба. Компактные размеры и небольшой вес дают возможность разместить газотурбинную установку на небольшой площади, что позволяет существенно сэкономить средства. Возможны варианты крышного размещения газотурбинных установок небольшой мощности. Возможность работы на различных видах газа позволяет использовать газотурбинный агрегат в любом производстве на самом экономически выгодном виде топлива. Эксплуатация газотурбинных электростанций как в автономном режиме, так и параллельно с сетью. Возможность работы газотурбинной электростанции в течение длительного времени при очень низких нагрузках, в том числе в режиме холостого хода. Максимально допустимая перегрузка: 150% номинального тока в течение 1 минуты, 110% номинального тока в течение 2 часов. Способность системы генератора и возбудителя выдерживать не менее 300% номинального непрерывного тока генератора в течение 10 секунд в случае трехфазного симметричного короткого замыкания на клеммах генератора,тем самым, обеспечивая достаточное время для срабатывания селективных выключателей.

Парогазовые установки (установки комбинированного типа) значительно превосходят все другие по величине КПД благодаря тому, что в них тепловая энергия при преобразовании в электрическую проходит два цикла: сжигание газа и использование пара при охлаждении отработавших в первом контуре продуктов. Парогазовые установки позволяют достичь электрического КПД более 50%. Для сравнения, у работающих отдельно паросиловых установок КПД обычно находится в пределах 33-45%, для газотурбинных установок в диапазоне %. Кроме этого, они соответствуют экологическим требованиям благодаря значительно более низкому уровню выбросов в атмосферу. Парогазовые установки потребляют существенно меньше воды на единицу вырабатываемой электроэнергии по сравнению с паросиловыми установками. Это сокращает стоимость производства: система водного охлаждения более компактна, объем используемой воды меньше.

В поисках путей улучшения экономики газовых турбин ученые и конструкторы разработали оригинальную систему комбинированных установок. Эти установки, которые называются парогазовыми, состоят из сочетания паровой и газовой турбины. Совместное использование парового и газового цикла снижает удельный расход тепла на 4-7% по сравнению с паротурбинной установкой аналогичной мощности и параметров при одновременном уменьшении на 10-12% капиталовложений. Большой опыт строительства ПГУ в зарубежной энергетике показал, что их можно сооружать за короткие сроки На Невинномысской тепловой электростанции в 1972 году впервые в СССР была введена в действие парогазовая установка. Здесь впервые применена комбинированная схема из высоконапорного парогенератора ВПГ, работающего с давлением в топке 650 кн/м 2 (6,5 кгс/см 2), газотурбинной установки мощностью 43 МВт и паротурбинной установки мощностью 160 МВт.

Принцип действия и устройство Парогазовая установка состоит из двух отдельных установок: паросиловой и газотурбинной. В газотурбинной установке турбину вращают газообразные продукты сгорания топлива. Топливом может служить как природный газ, так и продукты нефтяной промышленности (мазут, солярка). На одном валу с турбиной находится первый генератор, который за счет вращения ротора вырабатывает электрический ток. Проходя через газовую турбину, продукты сгорания отдают ей лишь часть своей энергии и на выходе из газотурбины все ещё имеют высокую температуру. С выхода из газотурбины продукты сгорания попадают в паросиловую установку, в котел-утилизатор, где нагревают воду и образующийся водяной пар. Температура продуктов сгорания достаточна для того, чтобы довести пар до состояния, необходимого для использования в паровой турбине (температура дымовых газов около 500 градусов по Цельсию позволяет получать перегретый пар при давлении около 100 атмосфер). Паровая турбина приводит в действие второй электрогенератор. Существуют парогазовые установки, у которых паровая и газовая турбины находятся на одном валу, в этом случае устанавливается только один генератор. Иногда парогазовые установки создают на базе существующих старых паросиловых установок. В этом случае уходящие газы из новой газовой турбины сбрасываются в существующий паровой котел, который соответствующим образом модернизируется. КПД таких установок, как правило, ниже, чем у новых парогазовых установок, спроектированных и построенных «с нуля».

Наиболее перспективны следующие схемы парогазовых установок: с низконапорным и высоконапорным котлами (НПГУ и ВПГУ), а также с подогревом питательной воды выхлопными газами. Рис.1. Схема парогазовой установки с низконапорным котлом: 1 - генератор ГТУ, 2 - компрессор, 3 - камера сгорания, 4,7 - газовая и паровая турбины, 5 - топливоподача, 6 - котел, 8 - генератор паровой турбины, 9 - конденсатор, 10,11 - конденсатный и питательный насосы Схема парогазовой установки с низконапорным котлом показана на рис.1. Паротурбинная установка почти не отличается от обычной. Газы из турбины ГТУ поступают в топку котла ПТУ, куда одновременно подается, топливо для их подогрева. Так как в этом случае в топку котла подаются газы повышенной температуры, расход топлива для их подогрева уменьшается, что увеличивает кпд всей установки. Обычно мощность ГТУ парогазовой установки составляет 12-15% от мощности паровой турбины. Удельный расход теплоты НПГУ по сравнению с ПТУ меньше на 3-5%.

Рис.2. Схема парогазовой установки с высоконапорным котлом: 1,4 газовая и паровая турбины, 2 топливоподача, 3 котел, 5,8 генераторы паровой турбины и ГТУ, 6 конденсатор, 7 экономайзер, 9 компрессор Схема парогазовой установки с высоконапорным котлом показана на рис.2. Компрессор 9 подает в топку воздух под давлением 0,40,6 МПа. Температура газов, поступающих из топки в газовую турбину, равна 750°С. Из турбины газы поступают в экономайзер. За экономайзером их температура на °С ниже, чем после отдельной ГТУ. Средняя температура газов в котле повышается из-за наличия ГТУ в схеме паротурбинной установки (по сравнению с отдельной ПТУ). В результате кпд парогазовой установки по сравнению с отдельными ПТУ и ГТУ увеличивается; при этом на 58% снижается удельный расход топлива. Вследствие увеличения давления в котле его размеры уменьшаются и снижаются затраты на сооружение станции. Одним из недостатков ПГУ является некоторое снижение надежности станции из-за усложнения тепловой схемы. Кроме того, в ПГУ с высоконапорным котлом можно применять только жидкое или газообразное топливо, так как при работе на твердых топливах негорючие частицы, содержащиеся в продуктах сгорания, вызывают эрозию лопаток газовой турбины.

\ Рис.3. Схема замкнутой ГТУ: 1 аккумулятор, 2 регулятор, 3 регенератор, 4 атомный реактор, 5 турбина, 6,8,12 компрессоры низкого и высокого давления и подкачивающий, 7 промежуточный охладитель, 9,11 генераторы, 10 охладителье На атомных электростанциях (АЭС) применяют замкнутые ГТУ (рис.3). Рабочее тело сжимается в компрессоре низкого давления 6, охлаждается в промежуточном охладителе 7, сжимается в компрессоре высокого давления 8, а затем поступает в регенератор 3 и атомный реактор 4. Нагретое в атомном реакторе рабочее тело поступает в турбину 5, оттуда в регенератор 3, а затем в водяной охладитель 10. Утечки восполняются подкачивающим компрессором 12, нагнетающим рабочее тело в аккумулятор 1. Через управляемый регулятор 2 рабочее тело при необходимости может подаваться в тракт ГТУ. Турбина и компрессор замкнутой ГТУ имеют небольшие размеры, так как давление в тракте ГТУ может быть значительно выше атмосферного. Однако в результате появления дополнительных агрегатов (промежуточного охладителя) замкнутые ГТУ больше по массе и размерам, чем ГТУ открытого цикла. Достоинством замкнутых ГТУ является небольшое изменение экономичности при изменении мощности, а также отсутствие эрозии или отложений пыли в проточной части. Замкнутые ГТУ потребляют много воды для охлаждения рабочего тела в охладителе 10. Предполагается использовать замкнутые ГТУ на АЭС с реакторами на быстрых нейтронах, в которых гелий служит в качестве рабочего тела.

Преимущества ПГУ: Парогазовые установки позволяют достичь электрического КПД более 60 %. Для сравнения, у работающих отдельно паросиловых установок КПД обычно находится в пределах %, для газотурбинных установок в диапазоне % Низкая стоимость единицы установленной мощности Парогазовые установки потребляют существенно меньше воды на единицу выра батываемой электроэнергии по сравнению с паросиловыми установками Короткие сроки возведения (9-12 мес.) Нет необходимости в постоянном подвозе топлива ж/д или морским транспорто м Компактные размеры позволяют возводить непосредственно у потребителя (зав ода или внутри города), что сокращает затраты на ЛЭП и транспортировку эл. энергии Более экологически чистые в сравнении с паротурбинными установками Недостатки ПГУ: Низкая единичная мощность оборудования (,1МВт на 1 блок), в то время как современные ТЭС имеют мощность блока до 1200 МВт, а АЭС МВт. Необходимость осуществлять фильтрацию воздуха, используемого для сжигани я топлива.
Тригенерация - это одновременное производство трех видов энергии: электричества, тепла и холода. Данный подход особенно эффективен для регионов с частыми и значительными температурными перепадами. Тригенераторы отлично зарекомендовали себя и все больше компаний, ставящих своей целью максимальную экономию энергии, рассматривают вариант установки оборудования такого типа.

Области применения тригенерационных установок Тригенерационные установки находят широкое применение. В пищевой промышленности, существует потребность в холодной воде с температурой 8-14°С, используемой в технологических процессах. Пивоварни используют холодную воду для охлаждения и хранения готового продукта, на животноводческих фермах такая вода используется для охлаждения молочных продуктов. Производители замороженной продукции работают с температурами от –18 °C до –30 °С круглогодично. Холод используется в различных системах кондиционирования производственных помещений, банков, гостиниц, торговых центров, больниц, стадионов, ледовых дворцов, концертных залов и жилых площадей. Практическая реализация систем тригенерации выполняется достаточно несложно и не требует очень больших капитальных вложений, экономия же от нее дает впечатляющие результаты - установка быстро окупается. Это позволяет считать тригенерацию одним из наиболее простых способов экономии без нарушения налаженных производственных процессов при одновременном решении экологических проблем. Источником утилизируемого тепла могут явиться дизельные, газопоршневые, и газотурбинные электростанции, в которых могут быть использованы как традиционное (газообразное или жидкое), так и возобновляемое (биогаз) топливо.

Принцип работы тригенерации Тригенерация процесс, в котором часть тепловой энергии, вырабатываемой при работе ДВС, используется для охлаждения воды, кондиционирования воздуха или рефрижерации. Технологически схема тригенерации представляет собой соединение когенерационной установки с абсорбционной холодильной машиной. Абсорбционная холодильная машина (также абсорбционная бромистолитиевая холодильная машина, абсорбционный чиллер или АБХМ) промышленная холодильная установка, предназначена для отбора и удаления избыточного тепла и поддержания заданного оптимального температурного и теплового режимов при работе различного рода производственного оборудования, технологических устройств, инструмента, оснастки, а также технологических процессов, связанных с повышенными тепловыми нагрузками. В качестве абсорбента в них используются различные растворы, например, бромида лития (LiBr) в воде.

АБХМ – экономическая и экологическая альтернатива стандартному кондиционированию. Нагрев АБХМ происходит горячей водой или паром и может проходить в одну или две ступени. При одноступенчатой схеме с 1 МВт электрической энергии снимается 600 к Вт холода, при двухступенчатой 1200 к Вт холода. Холодильный коэффициент (ХК) работы (отношение холодопроизводительности к потребляемой мощности) одноступенчатых машин, двухступенчатых машин Возможность производить тепловую энергию в отопительный сезон, а холод в летний период делает эксплуатацию тринерационной установки привлекательной с экономической точки зрения. Действительно, подобного рода схема обеспечивает полную загрузку установки без провалов в потреблении тепловой энергии вне отопительного сезона.

Использование процесса тригенерации более эффективно в летний период, т.к. излишки тепла от работы газопоршневой установки можно направить на получение охлажденной воды, а её, в свою очередь, пустить на технологические нужды или использовать в системе кондиционирования здания. В зимнее время года, когда пропадает потребность в холодной воде, абсорбционная установка может быть отключена. В этом случае, всё вырабатываемое газопоршневой установкой тепло используется в системе отопления. В основах тригенерации заложен принцип использования вырабатываемой тепловой энергии, что значительно удешевляет себестоимость выработки холода.

Тригенерация и преимущества ее использования. - экономичность (для выработки холода используются излишки тепла); - минимальный износ (простая конструкция чиллера); - малошумность (абсорбционная установка работает бесшумно); - экологичность (вода используется в качестве хладагента); - высокий КПД (коэффициент полезного действия достигает 92%)

Тригенерация и экология В системах тригенерации на базе АБХМ практически нет выбросов парниковых газов, отсутствуют вредные химические загрязнения, т. к. в качестве хладагента используется вода. Важно отметить, что использование тригенерации одна из лучших технологий, доступных для сокращения выбросов парниковых газов и других загрязнений окружающей среды.

Схемы и показатели газотурбинных установок электростанций

Газотурбинные электростанции в СССР в качестве самостоятельных энергетических установок получили ограниченное распростра­нение. Серийные газотурбинные установки (ГТУ) обладают невысокой экономичностью, потребляют, как правило, высококачественное топливо (жидкое или газообразное). При ма­лых капитальных затратах на сооружение они характеризуются высокой маневренностью, поэтому в некоторых странах, например в США, их используют в качестве пиковых энергоустановок. ГТУ имеют по сравнению с паровыми турбинами повышенные шумовые характеристики, требующие дополнительной звукоизоляции машинного отделения и воздухозаборных устройств. Воздушный компрес­сор потребляет значительную долю (50-60%) внутренней мощности газовой турбины. Вследствие специфического соотношения мощностей компрессора и газовой турбины диапазон из­менения электрической нагрузки ГТУ невелик.

Единичная мощность установленных газо­вых турбин не превышает 100-150 МВт, что значительно меньше требуемой единичной мощности крупных энергоблоков.

Большинство современных ГТУ работает по схеме непрерывного сгорания топлива и выполняется по открытому (разомкнутому) или закрытому (замкнутому) циклу в зависи­мости от вида сжигаемого топлива.

В ГТУ открытого цикла в качестве топли­ва используется жидкое малосернистое газо­турбинное топливо или природный газ, кото­рые подаются в камеру сгорания (рис. 9.1). Необходимый для сгорания топлива воздух очищается в комплексном воздухоочиститель­ном устройстве (фильтре) и сжимается в ком­прессоре до давления МПа. Для получения заданной температуры газов перед газовой турбиной °С в камере сгорания поддерживается нужный избыток воздуха (2,5-5,0) с учетом теоретической температуры горения топлива, вида топли­ва, способа его сжигания и др. Горячие газы являются рабочим телом в газовой турбине, где они расширяются, а затем при температу­ре °С выбрасываются в дымо­вую трубу.

Рис. 9.1. Принципиальная тепловая схема ГТУ откры­того цикла:

К - воздушный компрессор; ГТ - газовая турбина; Г - элект­рогенератор; ПУ - пусковое устройство; Ф- воздушный фильтр; КС - камера сгорания топлива

ГТУ замкнутого цикла (рис. 9.2) позво­ляют использовать как твердое, так и высо­косернистое жидкое топливо (мазут), сжи­гаемое в камере сгорания, где установлен подогреватель рабочего тела, обычно воздуха. Включение в схему воздухоохладителя умень­шает работу сжатия в компрессоре, а регене­ратора - повышает экономичность ГТУ. Пока не получили применения ГТУ замкнутого цик­ла с другими рабочими телами (гелий и т. п.).

Основные преимущества ГТУ для энерго­системы заключаются в их мобильности. В за­висимости от типа установки ее время пуска и нагружения составляет 5-20 мин. ГТУ ха­рактеризуются более низкой удельной стои­мостью (на 50-80% меньше, чем у базовых энергоблоков), высокой степенью готовности к пуску, отсутствием потребности в охлажда­ющей воде, возможностью быстрого строи­тельства ТЭС при малых габаритах электро­станции и незначительном загрязнении окру­жающей среды. Вместе с тем ГТУ имеют невысокий КПД производства электроэнергии (28-30%), заводское изготовление их слож­нее, чем паровых турбин, они нуждаются в до­рогих и дефицитных видах топлива. Эти обстоятельства определили и наиболее рацио­нальную область использования ГТУ в энер­госистеме в качестве пиковых и обычно авто­номно запускаемых установок с использова­нием установленной мощности 500- 1000 ч/год. Для таких установок предпочти­тельна конструктивная схема в виде одновальной ГТУ простого цикла без регенерации или с регенератором теплоты уходящих газов (рис. 9.3,а, б). Такая схема характеризуется большой простотой и компактностью установ­ки, которая в значительной степени изготав­ливается и монтируется на заводе. Энергети­ческие ГТУ, эксплуатация которых планиру­ется в полубазовой части графика электриче­ской нагрузки, экономически оправдано вы­полнять по более сложной конструктивной схеме (рис. 9.3,в).

Рис. 9.2. Принципиальная схема ГТУ закрытого цикла:

ВП - воздухоподогреватель; ГТ - газовая турбина; Р - реге­нератор; ВК -воздушный компрессор; Г - электрогенератор; ПУ - пусковое устройство

Рис. 9.3. Конструктивные схемы различных типов ГТУ:

а - ГТУ простого цикла без регенерации; б - ГТУ простого цикла с регенератором теплоты уходящих газов; в - двухвальная ГТУ с двухступенчатым подводом теплоты топлива: Т - подвод топлива; КВД. КПД - воздушные компрессоры высо­кого и низкого давления; ГТВД, ГТНД - газовые турбины вы­сокого и низкого давления

В Советском Союзе работают газотурбин­ные электростанции с ГТУ типов ГТ-25-700, ГТ-45-3, ГТ-100-750-2 и других с начальной температурой газов перед газовой турбиной 700-950 °С. Ленинградским металлическим заводом разработаны проекты новой серии ГТУ мощностью 125-200 МВт при начальной температуре газов соответственно 950, 1100 и 1250 °С. Они выполнены по простой схемес открытым циклом работы, одновальными, без регенератора (табл. 9.1). Тепловая схема газотурбинной установки ГТ-100-750-2 ЛМЗ показана на рис. 9.4,а, а компоновка электростанции с такими турбинами - на рис. 9.4,б. Эти ГТУ эксплуатируются на Краснодарской ТЭЦ, на ГРЭС им. Классона Мосэнерго, на пиковой ТЭС в г. Инота Вен­герской Народной Республики и др.

Таблица 9.1

* Турбинаи компрессор двухвальные; вал с турбиной и компрессором высокого давления имеет повышенную частоту вращения.

** Приработе на природном газе (жидком газотурбинном топливе).

Рис. 9.4. Газотурбинная установка ГТ-100-750-2 ЛМЗ:

а - тепловая схема: 1-8 - подшипники ГТУ; / - воздух из атмосферы; II - охлаждающая вода; III - топливо (природ­ный газ); /V - уходящие газы; V - пар к пусковой турбине (р=1,2 МПа, t=235°С); ГШ- глушитель шума; КНД - компрессор низкого давления; ВО - воздухоохладители; КВД - ком­прессор высокого давления; КСВД - камера сгорания высокого давления; ТВД - турбина высокого давления; КСНД - камера сгорания низкого давления; ТНД - турбина низкого давления; ВП - внутренний подшипник; В - возбудитель; ПТ - пусковая турбина; АПК - антипомпажные клапаны за КНД; б - компоновка (поперечный разрез):/ - КНД; 2-ВО; 3 - КВД; 4 - КСВД; 5 - ТВД; 6 - КСНД; 7-ТНД; 8 - ПТ; 9 - дымовая труба; 10 - антипомпажный кла­пан (АПК); Л-электрогенератор (Г); 12- мостовой кран; 13- фильтры для очистки воздуха; 14 - глушители шума; 15 - маслонасосы системы регулирования; 16- теплофикационные подо­греватели; /7 - шиберы на выхлопных газоходах; 18 - масло­охладители

Жидкое газотурбинное топливо, применяе­мое для отечественных ГТУ, на электростан­ции подвергается фильтрации и промывке от солей щелочных металлов. Затем в топливо добавляют присадку с содержанием магния для предотвращения ванадиевой коррозии. По данным эксплуатации такая подготовка топлива способствует длительной работе га­зовых турбин без загрязнения и коррозии проточной части.

Ростовским отделением АТЭП разработан типовой проект пиковой газотурбинной элек­тростанции с ГТУ ГТЭ-150-1100. На рис. 9.5 приведена принципиальная тепловая схема такой ГТУ, рассчитанной на сжигание жид­кого газотурбинного топлива или природного газа. ГТУ выполнена по простой открытой схеме, роторы газовой турбины и компрессора расположены в одном транспортабельном кор­пусе, что значительно сокращает сроки мон­тажа и трудозатраты. Газотурбинные агрега­ты устанавливаются поперечно в машинном зале электростанции с пролетом 36 и ячейкой блока в 24 м. Дымовые газы отводятся в ды­мовую трубу высотой 120 м с тремя металли­ческими газоотводящими стволами.

Рис. 9.5. Принципиальная тепловая схема газотурбин ной установки ЛМЗ ГТЭ-150-1100:

ВК - вспомогательный компрессор пневмораспыления топлива: ПТ - паровая турбина; Р - редуктор блока разгонного устройства; ЭД - электродвигатель вспомогательного компрессора ГТ - газовая турбина; Т - подвод жидкого топлива, соответствующего ГОСТ 10743-75, = 42,32 МДж/кг (10 110 ккал/кг) ДТ - дымовая труба; АПК - антипомпажный клапан

Важной особенностью газотурбинных ус­тановок является зависимость их показателей от параметров наружного воздуха, а в первую очередь от его температуры. Под ее влиянием изменяется расход воздуха через компрессор, соотношение внутренних мощностей компрес­сора и газовой турбины и в итоге - электри­ческая мощность ГТУ и ее КПД. В МЭИ вы­полнены многовариантные расчеты работы ГТЭ-150 на жидком газотурбинном топливе и на тюменском природном газе в зависимости от температуры и давления наружного возду­ха (рис. 9.6, 9.7). Полученные результаты подтверждают повышение тепловой эконо­мичности ГТУ с ростом температуры газов перед газовой турбиной и с понижением температуры наружного воздуха . Повы­шение температуры от =800°С до = =1100°С повышает электрический КПД ГТУ на 3% при = -40 °С и на 19% при = 40 °С. Понижение температуры наружного воздуха с +40 до -40°С приводит к значи­тельному увеличению электрической мощно­сти ГТУ. Для различных начальных темпера­тур это увеличение составляет 140-160%. Для ограничения роста мощности ГТУ при понижении температуры наружного воздуха и с учетом возможности перегрузки электро­генератора (в рассматриваемом случае типа ТГВ-200) приходится воздействовать либо на температуру газов перед газовой турбиной, уменьшая расход топлива (кривые 4 на рис. 9.6 и 9.7), либо на температуру наруж­ного воздуха, подмешивая небольшое количе­ство уходящих газов (2-4%) к засасываемо­му компрессором воздуху. Постоянный расход воздуха в диапазоне нагрузок 100-80% мож­но поддерживать также прикрытием входного направляющего аппарата (ВНА) компрессо­ра ГТУ.

Рис. 9.6. Зависимость электрической мощности ГТУ от температуры наружного воздуха :

1- =1100°С; 2- = 950°С; 3 - = 800 °С; 4- = ; - работа ГТУ на природном газе; работа ГТУ на жидком топливе

Рис. 9.7. Зависимость электрического КПД ГТУ от температуры наружного воздуха (обозначения см. на рис. 9.6)

Изменение электрического КПД в сторону его уменьшения особенно значительно притемпературе наружного воздуха выше 5-10 °С (рис. 9.7). С повышением температуры наружного воздуха от +15 до +40 С С этот КПД уменьшается на 13-27% в зависимости от температуры газов перед газовой турбиной и вида сжигаемого топлива.

Повышение наружной температуры воз­духа увеличивает коэффициент избытка воз­духа за газовой турбиной и температуру ухо­дящих газов, что способствует ухудшению энергетических показателей ГТУ.