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 р₂), 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 %.