Количественные показатели термодинамических циклов ПГУ

Основные расчетные соотношения цикла ГТУ

Температура воздуха после компрессора:

. (1)

Температура газов на выходе из турбины:

. (1а)

Степень повышения давления в компрессоре:

, (1б)

коэффициент полезного действия идеального цикла:

. (1в)

Количество подведенной теплоты в цикле ГТУ:

. (2)

Количество отведенной теплоты:

. (3)

Полезная работа цикла:

(4)

где ε = (k-1)/k.

Производная от полезной работы по степени сжатия, при которой полезная работа максимальна, будет равна

. (5)

Отсюда оптимальная степень сжатия при ограниченной температуре перед газовой турбиной будет равна [13]

. (6)

На рис. 1 приведены зависимости удельной полезной работы от степени повышения давления в компрессоре, рассчитанная при температурах на входе в газовую турбину равных 1000 и 1100 °С. Оптимальное значение степени повышения давления при температуре 1000 °С составило ~ 15. С увеличением температуры газов перед турбиной возрастает и оптимальное значение степени повышения давления.

Цифры у кривых – температура газов на входе в турбину

Теплота в камере сгорания подводится за счет сжигания природного газа. Сжигание осуществляется с повышенным коэффициентом избытка воздуха, поскольку температура T₃ ограничена. Количество природного газа, сожженного в камере, сгорания в расчете на 1 кг рабочего тела определится из следующих соображений. Массовый расход газа через турбину:

. (7)

Рис. 1. Зависимость полезной работы ГТУ от степени повышения давления

Суммарное количество теплоты, выделившееся при сжигании газа в турбине с расходом B_г, будет равно .Удельное количество теплоты на 1 кг рабочего тела

, (8)

с другой стороны, это количество теплоты . Отсюда находим требуемый избыток воздуха, обеспечивающий допустимую температуру на входе в проточную часть газовой турбины:

. (9)

Таким образом, полезная работа η_г газовой турбины, степень сжатия в компрессоре и коэффициент избытка воздуха оказываются связанными между собой. Чем выше степень сжатия КПД, тем до большей температуры подогревается воздух в компрессоре, тем меньше расход газа в камере сгорания и тем выше коэффициент избытка воздуха на входе в газовую турбину (рис. 59).

Рис. 2. Зависимость коэффициента избытка от степени сжатия в компрессоре

Существуют объективные показатели, с помощью которых можно осуществить количественную оценку характеристик парогазовых установок. Один из таких показателей - это доля теплоты топлива газотурбинной установки δ. Этот показатель представляет собой отношение количества теплоты, выделенной при сжигании топлива в газотурбинной части установки, к общему количеству теплоты, выделенной в парогазовой установке.

Сжигание топлива в камере сгорания газовой турбины согласно условиям прочности лопаток турбин осуществляется с повышенными значениями коэффициента избытка воздуха α_г. В этом случае объем продуктов сгорания практически равен объему воздуха, подаваемого на горение:

, (10)

где B_г – расход топлива, сжигаемый в газовой турбине; G_г – расход продуктов сгорания, покидающих газовую турбину. При сжигании дополнительного количества топлива в парогенераторе B_прасход продуктов сгорания почти не изменится и будет связан с суммарным расходом топлива соотношением

. (11)

Приравнивая расход продуктов сгорания, получим соотношение между суммарным расходом топлива и расходом топлива на газовую турбину в виде

. (12)

Совершенно очевидно, что соотношение теплоты, выделенной при сжигании топлива в газотурбинной части установки, к общему количеству теплоты, подведенному к парогазовой установке, также будет пропорционально отношению коэффициентов избытка воздуха:

. (13)

Отношение расхода топлива B_п, дополнительно сожженного в парогенераторе, к расходу топлива B_г, сожженного в газовой турбине, выразится соотношением

. (14)

В ПКУПГ в паротурбинной части топливо сжигается до полного использования кислорода выхлопных газов газовой турбины, значение α_ух близко к единице и доля теплоты топлива газотурбинной установки минимальна. При α_ух = α_г, δ = 1 сжигание топлива в паротурбинной части не производится, что соответствует бинарным ПГУ с котлами-утилизаторами.

Второй показатель, позволяющий осуществлять количественную оценку некоторых характеристик парогазовых циклов, – степень бинарности цикла β. Степень бинарности показывает, какую часть в суммарном количестве теплоты, подведенной к рабочему телу нижнего цикла, составляет теплота, отведенная от рабочего тела верхнего цикла. Применительно к парогазовым установкам можно записать:

, (15)

где η_г – термический КПД газотурбинной установки.

Разделив числитель и знаменатель на B_г, с учетом (114) получим:

. (16)

При (в случае ПГУКУ) степень бинарности цикла равна единице. Для ПГУПГ с увеличением степени повышения давления степень бинарности цикла уменьшается (рис. 60).

Третий показатель – отношение электрической мощности теплофикационной установки к ее тепловой мощности у:

, (17)

где N_э и Ф – соответственно электрическая и тепловая мощность установки.

Рис. 3. Зависимость степени бинарности цикла от степени

сжатия в компрессоре