Схема и цикл ГТУ с регенерацией теплоты

Основная идея - снижение расхода топлива за счёт сокраще-

ния потерь теплоты с уходящими газами.

Основные потери в газотурбинной установке - это потери теп-

лоты с уходящими газами, которые составляют 60…70 %, а иногда и

более процентов от подводимой с топливом энергии. В простой ГТУ

газы, покидающие турбину, имеют высокую температуру 400...450

°С. Поэтому экономичность ГТУ существенно повысится, если при-

менить регенерацию теплоты, т.е. использовать часть уходящей те-

плоты для подготовки сжатого воздуха, поступающего в камеру сго-

рания.

Схема ГТУ с регенерацией теплоты показана на рис. 3.1.

Воздух после компрессора 1 пропускался через регенератор 2,

который представляет собой теплообменный аппарат поверхно-

стного типа. Туда же в регенератор 2 после газовой турбины 4 на-

правляются отработавшее газы, которые отдают часть своего тепла

воздуху и затем удаляющая в атмосферу. В регенераторе темпера-

тура воздуха повышается на 180…250°С, так что необходимое ко-

личество топлива, расходуемое на подогрев воздуха в камере

Рис. 3.1 Схема ГТУ о регенера-

цией теплоты уходящих газов:

1-компрессор; 2-регенератор; 3-

камера сгорания; 4-турбина; 5-

нагрузка

Рис. 3.2 Цикл ГТУ с регенерацией

теплоты уходящих газов

сгорания, при этом уменьшает-

ся, экономичность ГТУ возра-

стает но сравнению с эконо-

мичностью простой ГТУ без ре-

генерации. Подогретый воздух

далее поступает в камеру сго-

рания 3.

Рассмотрим цикл ГТУ с

регенерацией теплоты в ТS-ди-

аграмме (рис. 3.2). На этой

диаграмма показаны следую-

щие процессы: 3-4 - сжатие

воздуха в компрессоре 1; 4-4р -

изобарный нагрев воздуха в

регенераторе 2; 4р - 1 - изо-

барный подвод тепла в камере

сгорания; 1-2 - расширение га-

зов в турбина; 2-2р - изобарный

отвод тепла отработавших га-

зов в регенераторе; 2р -3 - изо-

барный отвод тепла с уводя-

щими в атмосферу газами (ус-

ловное замыкание цикла).

Заштрихованная площадь

а44рb изображает на ТS-

диаграмма количество теплоты

q1P, полученное 1 кг воздуха в

регенераторе, а площадь

d2р2e - количество теплоты

q2P, отданное отработавший га-

зами 1 кг воздуха. Они будет,

очевидно, равны при условии

отсутствия потерь тепла в ок-

ружающую среду: q1P = q2P.

Количество теплоты, под-

водимое камере сгорания за

счет топлива, изображается

площадью в4Р1f, и оно меньше площади а41f, изображающей под-

водимое в камере сгорания количество теплоты без регенерации.

Воздух в пределе можно нагреть до температуры газов, выхо-

дящих из турбины Т2 (т. 4Р

max). Тогда максимальное количество теп-

лоты max

1P q которое возможно передать в регенераторе воздуху, мож-

но представить площадью а44Р

maxс, где: 4max 2 T T

= .

Отношение max

1P 1P μ = q q называется степенью регенерации.

Иначе говоря, степенью регенерации, называется отношение коли-

чества теплоты, действительно переданного воздуху в регенерато-

ре, к тому количеству теплоты, которое было бы передано при на-

греве воздуха до температуры газов, уходящих из турбины.

Оценим влияние степени регенерации на внутренний к.п.д.

к.п.д. зависит от степени повышения температуры в цикле

( 1 3 τ = T T ), степени повышения давления в компрессоре ( 1 2 π = P P ),

внутренних к.п.д. компрессора ( iK

η ) и турбины ( iT η ), теплового к.п.д.

камеры сгорания ( T

KC η ), а также степени регенерации (μ ). Величина

внутреннего относительного к.п.д. ГТУ возрастает по мере умень-

шения τ и при увеличении iT η , iK

η , T

KC η .

Влияния степени регенерации и степени повышения давления

на iP η ясно из графиков на рис. 3.3, где показана зависимость

f iP η = (π) для различных значений μ при __________конкретных постоянных

значениях остальных величин: t1 = 850°С; t3 = 15°С; iT η = 0,87; iK

η =

0,88; T

KC η = 0,97.

Из графика видно, что: 1) кривые пересекаются в одной точке

А, соответствующей такому значению степени повышения давления

π, пря котором T4 = T2. В этом случае регенерация становится не-

возможный; 2) при повышении степени регенерации μ оптималь-

ная степень повышения давления πопт снижается. Это облегчает

проектирование компрессора; 3) при значениях μ = 0,4…0,5 влия-

ние регенерации на к.п.д. ГТУ становится малоэффективным.

Рис. 3.3 Изменение внутреннего

к.п.д. ГТУ в зависимости от сте-

пени повышения давления при

различных значениях степени

регенерации

При μ > 0,5 с увеличением сте-

пени регенерации экономич-

ность ГТУ соответственно воз-

растает за счет уменьшения

затраты топлива в камере сго-

рания.

Величина μ практически

определяется поверхностью

нагрева F регенератора. Эта

зависимость установлена

проф. В.В. Уваровым:

−

= ⋅ ⋅

K 1

F M Cp B (3.3)

где: B M - массовый расход

воздуха через регенератор,

кг/с;

P C - массовая теплоем-

кость воздуха, Дж/(кг • град);

К - коэффициент тепло-

передача в регенераторе,

Вт/(м2 • град).

Если μ увеличивается от 0,5 до 0,75, F увеличивается в 3 раза.

У большинства современных ГТУ с регенерацией обычно μ =

0,6…0,8. При этом экономия в расходе топлива за счет регенерации

составляет примерно 22...28 %. На практике известны ГТУ с μ = 0,91

(регенератор фирмы "Эшер-Висс") и гелиевые регенераторы с μ =

0,95. Здесь нужно иметь в виду, что при μ > 0,8 поверхность нагрева

регенератора, а, следовательно, его габариты и вес, получаются

обычно очень большими. Выбор оптимального μ производится на

основе технико-экономического расчета с учетом всех влияющих

факторов.

к.п.д. ГТУ с регенерацией теплоты в настоящие время состав-

ляет примерно 25...29 % в то время как без регенерации 20…23 %.

Повышение к.п.д. на 4…5 %, например, для одного агрегата ГТК-10,

позволит__