Конструкция типовой газотурбинной установки

 

Рассмотрим конструкцию газотурбинной установки на примере ГТ-100-750 (ЛМЗ) (рис. 1.5.).

 

 

Рис. 1.5. Продольный разрез ГТ-100-750

 

Газотурбинная установка ГТ-100-750 предназначена для работы в энергетических системах для покрытия пиковых нагрузок, может быть использована для несения базовой нагрузки, рассчитана для работы на газообразном и жидком топливе. При температуре наружного воздуха 278 К температура перед турбинами 1023 К, мощность составляет 100 МВт, КПД – 28 %.

ГТ-100-750 выполнена по прямой, двухвальной схеме: состоит из компрессора низкого (1) и высокого (3) давления, воздухоохладителя (2), турбин высокого (5) и низкого (8) давления, камер сгорания высокого (4) и низкого (6) давления и электрогенератора (7). Турбина высокого давления вращает компрессор высокого давления, а турбина низкого давления вращает компрессор низкого давления и электрогенератор. Компрессор, турбины и камеры сгорания имеют общий корпус, образуют блок турбомашин.

Компрессор низкого давления восьмиступенчатый. Корпус сварной конструкции с литым входным патрубком, направляющие лопатки устанавливаются в обоймах. Ротор наборный, состоит из отдельных дисков, насаженных на вал. Проточная часть выполнена с постоянным наружным диаметром 2070 мм. производительность компрессора ~ 435 кг/с. КПД проточной части 88 %. Высота лопаток первой ступени 520 мм, окружная скорость 325 м/с.

Компрессор высокого давления 13-ступенчатый. Корпус сварнолитой конструкции, ротор барабанного типа.

Турбина высокого давления трёхступенчатая, низкого давления – пятиступенчатая. Роторы турбин сборные, состоят из отдельных дисков: ротор турбины высокого давления из трёх, ротор турбины низкого давления – из пяти отдельных дисков, соединённых болтами. Стяжные болты размещены вблизи корневого диаметра лопаток.

В установке широко применено охлаждение воздухом узлов и деталей, подверженных воздействию высоких температур. Охлаждение роторов производится продувкой воздуха через щелевые зазоры между гребнями дисков и хвостовиками лопаток. Воздух на охлаждение (отводится после компрессора) проходит концевые уплотнения турбин и подводится к хвостовому креплению рабочих лопаток. Охлаждение обойм направляющих аппаратов и сегментов производится воздухом, отбираемым для этой цели из компрессора: сначала первых ступеней, а затем и последующих ступеней. Интенсивному охлаждению подвергаются внутренние подшипники, работающие в условиях высоких температур.

Камеры сгорания высокого и низкого давления имеют по двенадцати жаровых труб каждая. В каждой жаровой трубе имеется горелка, рассчитанная на сжигание жидкого и газообразного топлива. Тепло отработавших газов используется для подогрева воды в специальном теплофикационном подогревателе.

Пуск установки производится через редуктор от специальной пусковой турбины, которая может работать на топливном газе или паре.

 

1.6. Паротурбинная установка и её экономичность

 

Простейшая паротурбинная установка состоит из питательного насоса (1), котла (2), пароперегревателя (3), паровой турбины (4), конденсатора (5) и электрического генератора (6) (рис. 1.6.).

 

 

Рис. 1.6. Принципиальная схема паротурбинной установки:

1 – питательный насос; 2 – котёл; 3 – пароперегреватель; 4 – турбина;

5 – конденсатор; 6 – электрогенератор

 

Рабочим веществом паротурбинной установки является водяной пар. В паросиловых установках применяется цикл с полной конденсацией отработавшего пара в конденсаторе, называемый циклом Ренкина. Идеальный цикл Ренкина для паросиловой турбинной установки, работающей на перегретом паре, изображён в Т, s-диаграмме на рис. 1.7.

 

Рис. 1.7. Идеальный цикл Ренкина для паросиловой турбинной установки, работающей на перегретом паре, в Т, s-диаграмме

 

На этой диаграмме показаны: а’а – процесс адиабатного сжатия воды в питательном насосе; ab – процесс нагрева воды в котле до температуры кипения; bc – испарение воды в котле; cd – перегрев пара в пароперегревателе; de – изоэнтропное расширение пара в турбине; ea’ – конденсация отработавшего пара в конденсаторе.

Процессы нагрева, испарения и перегрева воды в котле происходят при постоянном давлении. Следовательно, всё количество теплоты q₁, переданное 1 кг воды и пара, целиком идёт на повышение энтальпии рабочего вещества от энтальпии питательной воды h_п.в до энтальпии свежего пара h₀ и равно их разности:

 

q₁ = h₀ – h_п.в.

 

Это количество теплоты в Т, s-диаграмме изображается площадью 1abcd21.

Из турбины пар поступает в конденсатор, где при постоянном давлении конденсируется и отдаёт теплоту q₂ охлаждающей воде. Эту теплоту можно определить как разность энтальпий отработавшего пара при изоэнтропном расширении его в турбине h_кt и конденсата (в идеальном цикле Ренкина):

 

q₂ = h_кt – .

 

Полезная теоретическая работа 1 кг пара равна разности между подведённой и отведённой теплотой:

 

L = q₁ – q₂ = (h₀ – h_п.в) – (h_кt – ) = (h₀ – h_кt) – (h_п.в – ).

 

Разность энтальпий h₀ – h_кt представляет собой работу 1 кг пара в идеальной турбине. Разность энтальпий h_п.в – есть работа, затрачиваемая на сжатие 1 кг воды в питательном насосе.

Полезная теоретическая работа 1 кг пара эквивалентна заштрихованной площади в Т, s-диаграмме. Отношение этой работы к подведённой теплоте называется абсолютным или термическим КПД идеальной установки:

 

 

Вычитая и прибавляя в знаменателе этого выражения величину , получаем:

 

Если экономичность турбинной установки рассматривать без учёта работы питательного насоса, то абсолютный КПД идеального цикла будет равен:

 

 

где величину H₀ = h₀ – h_кt принято называть располагаемым теплоперепадом турбины.

Значения располагаемого теплоперепада Н₀ удобно определять при помощи h, s-диаграммы (рис. 1.8).

 

 

Рис. 1.8. Процесс расширения пара в турбине в h, s-диаграмме

 

Для этого на ней находится начальная энтальпия h₀, соответствующая точке пересечения заданных начальных параметров пара перед турбиной p₀ и t₀. Из этой точки проводится вертикальная линия изоэнтропного расширения пара в турбине до заданного конечного давления p_к. Длина полученного отрезка H₀ = h₀ – h_кt определяет теоретическую работу 1 кг пара в турбине и является располагаемым теплоперепадом турбины.

Значение Н₀ можно определить также расчётным путём. При этом, если расширение заканчивается в области перегретого пара, используется уравнение идеального газа:

 

где k = 1,3 – показатель изоэнтропы для перегретого пара; р₀, р_к – начальное и конечное давление пара; v₀ – начальный удельный объём пара.

В действительности процесс расширения пара в турбине имеет значительную степень необратимости, так как течение его в проточной части сопровождается заметными потерями работы. Поэтому линия процесса расширения отклоняется от изоэнтропы на диаграммах h, s (рис. 1.8) и Т, s (рис. 1.9) в сторону увеличения энтропии.

 

 

Рис. 1.9. Действительный тепловой цикл в T, s-диаграмме

 

В результате увеличения энтропии отработавшего пара при неизменном давлении энтальпия его повышается, разность начальной и конечной энтальпий, представляющая собой действительную работу, развиваемую 1 кг пара в турбине, соответственно уменьшается и становится равной:

 

L_т = h₀ – h_к = H_i.

 

Действительную работу, которую развивает 1 кг пара внутри турбины, принято называть используемым теплоперепадом H_i турбины.

Отношение использованного теплоперепада H_i к располагаемому H₀ называется относительным внутренним КПД h_оi турбины:

 

h_оi = H_i/ H₀ .

 

Отношение использованного теплоперепада H_i к теплоте, подведённой к 1 кг рабочего вещества в котле q₁, называется абсолютным внутренним КПД турбоустановки h_i :

 

 

Абсолютный внутренний КПД можно представить и как отношение внутренней мощности турбины N_i к секундному расходу теплоты Q, подведённой к рабочему веществу в котле:

 

.

 

Эффективная мощность N_е, которая может быть передана валу приводимой машины, меньше внутренней мощности N_i на величину механических потерь DN_м турбины:

N_е = N_i – DN_м .

 

Отношение эффективной мощности к внутренней называется механическим КПД турбины:

 

h_м = N_е/ N_i .

 

Теоретическая мощность идеальной турбины, в которой использованный теплоперепад равен располагаемому, определяется уравнением:

 

N₀ = G×H₀.

 

Отношение эффективной мощности к теоретической называется относительным эффективным КПД h_ое турбины:

 

 

Отношение эффективной мощности турбины к расходуемому количеству теплоты, подведённой в котле, называется абсолютным эффективным КПД турбоустановки:

 

 

Отношение мощности на зажимах электрического генератора N_э к эффективной мощности N_е называется КПД электрического генератора h_э.г :

 

h_э.г = N_э/ N_е .

 

Отношение электрической мощности генератора к теоретической мощности идеальной турбины называется относительным электрическим КПД турбоагрегата:

 

 

Произведение термического КПД на относительный электрический называется абсолютным электрическим КПД турбоустановки:

 

h_э = h_t×h_о.э = h_t×h_oi×h_м×h_э.г.

 

Существуют два пути повышения экономичности турбоустановки. Первый путь направлен на увеличение термического КПД цикла за счёт повышения разности средней температуры подвода теплоты в котле и температуры, при которой отводится теплота в конденсаторе. Второй путь заключается в совершенствовании конструкции турбины и генератора, главным образом в уменьшении потерь в проточной части турбины, механических потерь и потерь в генераторе.

При оценке эффективности электрической станции в целом необходимо дополнительно учитывать потери теплоты в котле, расход энергии на привод питательных насосов, потери давления и теплоты в паропроводах и др.

Внутренняя мощность турбины, Дж/с, определяется по формуле:

 

N_i = G×H_i .

 

Удельный расход пара на выработку 1 кВт×ч электроэнергии равен:

 

 

Экономичность конденсационных турбин, как правило, оценивается по удельному расходу теплоты на один выработанный киловатт-час и подсчитывается по формуле:

 

где h₀ – энтальпия свежего пара, кДж/кг; – энтальпия конденсата отработавшего пара, кДж/кг.

Поскольку 1 кВт = 1кДж/с, отношение расхода теплоты, выраженного в килоджоулях в секунду, к 1 кВт является безразмерной величиной:

 

 

представляющей собой обратную величину абсолютного электрического КПД.