Содержание к диссертации
Введение
Глава 1: Состояние и развитие энергетики в Ливии. Обзор и анализ тепловых схем комбинированных газопаровых турбинных установок 13
1 Состояние и развитие энергетики в Ливии 13
1.1 Предстоящие проекты по производителям электроэнергии 13
1.1.1 Проекты линий электропередач 14
1.1.2 Использование солнечных электростанций 14
1.1.3 Изучение возможностей использования энергии ветра в республике 15
1.2 Современное состояние и перспективы использования газопаровых установок 17
1.3 Комбинированные установки на базе ГТУ 20
1.4 Типовые тепловые схемы энергетических комбинированных установок с промперегревом пара и без него и разным числом контуров 42
1.5 Основные производители энергетических комбинированных установок 49
1.6 Постановка и задачи исследований 52
Глава 2: Теоретическое исследование возможностей построения газопаровых установок на базе существующих в Ливии ГТУ ..53
2.1 Тепловые схемы и основные характеристики ГТУ 53
2.1.1 Тепловая схема одновальной ГТУ простого типа 53
2.1.2 Тепловая схема ГТУ с охлаждаемой высокотемпературной турбиной 62
2.1.3 Определение параметров рабочего процесса в характерных сечениях проточной части ГТУ при использовании стандартного углеводородного топлива 68
2.2 Уточнение параметров рабочего процесса и характеристик ГТУ при учете зависимости теплоемкости рабочего тепла от температуры 71
2.3 Влияние характеристик ГТУ на КПД и располагаемую мощность за турбиной 74
2.4 Выбор параметров паровых турбин комбинированных установок...75
2.5 Показатели котла-утилизатора 76
2.6 Математические модели 78
2.6.1 Газопровые установки с котлом- утилизатором 78
2.6.2 Расчёт энтальпии продуктов сгорании 84
2.6.3 Основные уравнения для теплофизических свойств воды и водяного пара 89
2.6.4 Дополнительные уравнения для теплофизических свойств воды и водяного пара 98
2.7 Теплообмен в котле - утилизаторе 108
2.8 Расчетное исследование возможности повышения экономичности газопаровых установок на базе ГТУ GT13D,GT13E1,GT13E2 111
Глава 3: Исследование показателей работы компрессора и ГТУ в целом при впрыске воды в компрессор 121
3.1 Результаты исследований показателей работы компрессора при впрыске воды 121
3.2 Впрыск воды в воздушный тракт как эффективный способ улучшения параметров работы газотурбинных установок 122
3.3 Результаты исследований показателей газотурбинной установки с впрыском воды в проточные части компрессора 125
3.3.1 Обобщение опытных данных 125
3.3.2 Влияние температуры наружного воздуха на КПД и мощность ГТУ 129
Глава 4: Повышение показателей ГТУ за счет впрыска воды или пара в камеру сгорания ГТУ 141
4.1 Применение впрыска в камеру сгорания воды или пара для повышения показателей ГТУ 141
4.1.1 Характеристики контактных установок 141
4.1.2 Влияние впрыска воды в камеру сгорания на основные показатели ГТУ 144
4.1.3 Результаты расчётных исследований по впрыску воды или пара в камеру сгорания ГТУ 150
Заключение 163
Список литературы 167
- Современное состояние и перспективы использования газопаровых установок
- Уточнение параметров рабочего процесса и характеристик ГТУ при учете зависимости теплоемкости рабочего тепла от температуры
- Впрыск воды в воздушный тракт как эффективный способ улучшения параметров работы газотурбинных установок
- Влияние впрыска воды в камеру сгорания на основные показатели ГТУ
Введение к работе
Энергетика является ведущей областью в создании и укреплении материально-технической базы всей экономики. Достижения энергетики проявляются во всех сферах деятельности общества.
На современном этапе жизни общества огромное значение имеет бесперебойное снабжение промышленности топливом, экономия энергии, сбережение энергоресурсов.
Преимущество электрической энергии перед другими видами в простоте и экономности её передачи на большие расстояния, лёгкой делимости между потребителями разной мощности, в высоком уровне гигиенических условий труда.
Большое значение для устойчивой работы промышленности, улучшения жизни населения имеет централизация электроснабжения, т.е. создание единой энергосистемы. Энергосистема обеспечивает распределение между электростанциями, рациональное использование не совпадения во времени нагрузки в различных часовых поясах системы. Она позволяет сохранить резерв мощностей на электрических станциях и полностью запитать электрооборудование.
Как известно, газотурбинной установкой называют силовую установку, состоящую из газотурбинного двигателя, вспомогательного оборудования, воздухозаборного устройства с фильтрами и шумоглушителями, газоотводящего тракта с теплоутилизационным оборудованием и др. За сравнительно короткий срок, отсчитываемый с послевоенного времени, газотурбинная установка прошла сложный путь развития и получила значительное распространение в различных областях промышленности. Современным транспортным ГТД присущи следующие достоинства: небольшие габариты и масса; быстрота запуска, высокая маневренность, агрегатность и компактность; упрощение вспомогательных механизмов и систем, и, как следствие, надёжность; большие потенциальные возможности по дальнейшему улучшению характеристик. Последнее достигается за счёт:
1. Повышения КПД турбин и компрессоров путём разработки и внедрения новых эффективных профилей, снижения общих потерь энергии в турбинных и компрессорных ступенях; совершенствования аэродинамических свойств и уменьшения потерь давления в воздухоприёмных, газо-выпускных, переходных патрубках, диффузорах, теплообменных аппаратах и фильтрах;
2. Применения новых жаропрочных материалов, совершенствования и разработки новых систем охлаждения лопаточных аппаратов, дисков и других элементов турбин с целью дальнейшего увеличения начальной температуры газа;
3. Создания эффективных теплообменных аппаратов;
4. Совершенствования и разработки новых камер сгорания для использования тяжёлого топлива;
5. Утилизации теплоты отработавших газов, так как их температура достаточно велика.
Наряду с достоинствами у ГТУ имеется также ряд недостатков:
• сравнительно небольшой ресурс;
• повышенные требования к качеству топлива; выброс больших масс газов высокой температуры до 600-650 °С, что снижает КПД установки.
Паротурбинные установки уступают газотурбинным в отношении массы и габаритов, требуют большего числа вспомогательных механизмов и систем, на запуск установки уходит больше времени, но зато к числу преимуществ паротурбинной установки можно отнести следующие:
• высокая надёжность, большой межремонтный период и срок службы; • возможность работы на самых дешёвых низкосортных видах топлива; достаточная безопасность.
Стремление сочетать достоинства установок различных типов явилось одной из главных причин создания комбинированных энергетических установок. Это позволяет существенно снизить полную массу энергетической установки, сочетать высокую экономичность установки на режимах полной и частичной нагрузок, а также значительно улучшить другие показатели работы двигателя.
Общей установленной мощности явно недостаточно для решения поставленных перед энергетикой Ливии задач. Предполагаемое строительство солнечных и ветряных электростанций не обеспечивает необходимых высоких темпов развития энергетики.
Поэтому нужно создавать мощные тепловые электростанции традиционных типов, а также внедрять перспективные комбинированные установки, обладающие высоким коэффициентом полезного действия. Решить задачу повышения выработки электроэнергии можно не только за счет строительства новых электростанций, но и путем модернизации действующих. Поэтому в работе рассмотрены вопросы модернизации газотурбинных установок (ГТУ) на тепловых электростанциях.
Модернизация может быть осуществлена за счет создания комбинированных газопаровых установок на базе существующих в Ливии газотурбинных установок (ГТУ), а также внедрения ряда мероприятий по впрыску воды или пара в компрессор и камеру сгорания ГТУ. Поэтому исследования в этой области являются актуальными для Ливии.
Комбинированные газопаровые установки (ГПУ) получили развитие в ряде областей промышленности, особенно в электроэнергетике и в судовой энергетике. В последние годы газотурбинные и газопаровые установки (ГТУ и ГПУ) заняли важное место в электроэнергетике мира. Вследствие того, что доля газа в топливном балансе мира высока (более 60 %), внедрение высокоэффективных газопаровых технологий является общепризнанной стратегией развития тепловой энергетики [51]. Уже много стран в мире применяют ГПУ с утилизационными котлами для новых электростанций, работающих на природном газе. Сейчас их КПД уже достиг 52—54 % и в ближайшей перспективе возрастет до 58—60 %.
В настоящее время разработаны ГТД четвёртого и пятого поколения, на базе которых будут создаваться ГПУ нового поколения. Это требует программных продуктов нового поколения на основе математических моделей оборудования с большим числом уровней котлов-утилизаторов по давлению, с впрыском воды или пара в проточные частые ГТУ, в связи с этим тема является актуальной для Ливии.
Целью работы является повышение выработки электроэнергии за счет модернизации существующих в Ливии ГТУ.
Задачи исследования:
• изучение, выбор и обоснование модернизации существующих ГТУ путем преобразование их в ГПУ;
• На базе анализа, обработки и обобщения опубликованных опытных данных, определение влияния впрыска воды в проточные части компрессора на его мощность и на показатели ГТУ в целом.
• Выполнение сравнительного анализа влияния впрыска воды или пара в камеру сгорания на КПД и мощность ГТУ.
Публикации. По теме диссертация опубликовано 7 печатных работ.
Структура и объем работы. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы.
Основной текст изложена на 172 страницах, диссертация содержит 76 рисунков, 29 таблиц, список использованных источников, включающий 68 наименования.
Основное содержание работы Во введении
Обоснована актуальность темы диссертации, сформулирована цель исследования, приведены основные защищаемые положения, практическая ценность работа, дано описание структуры диссертации. В первой главе представлен анализ обзор и современное состояние развития энергетики в Ливии. Приведена структура выработки энергии; рассмотрены объемы выработки электрической энергии на тепловых станциях в Ливии, обзор и анализ тепловых схем комбинированных газопаровых турбинных установок ГПУ, имеющих большое число тепловых схем, различающихся числом контуров по давлению пара (от 1ого до Зех) числом цилиндров паровой турбины (от 1ого до Зех), наличием или отсутствием промперегрева пара. На рис.2 показана обобщенная тепловая схема энергетической ГПУ (трехконтурная с промперегревом пара, три паровые турбины). Остальные варианты ГПУ рассмотрены при описании модели и компьютерной программы.
Кроме того, выполнен обзор парогазовых установок, применяемых в составе тепловых электростанций. Во второй главе
Проведены теоретические исследования характеристик газопаровых установок различных структур:
с одним, двумя и тремя уровнями давления пара с промежуточным перегревом пара.
Выбор параметров паровых турбин комбинированных установок.
Для выбора паротурбинных установок (ПТУ) комбинированного цикла был проведен анализ КУ.
Рассмотрены теоретические аспекты выбора параметров в характерных сечениях газопаровых установок. Оценка параметров за ГТУ. Третья глава посвящена изучению и обобщению опубликованных опытных данных влияния впрыска воды в проточные части компрессора на мощность и КПД ГТУ.
В приведенных исследованиях были получены и обобщены опытные данные о значительном увеличении мощности и экономичности работы газотурбинной установки при впрыске воды в проточные части компрессора. В четвертой главе проводится численный анализ влияния различных впрысков воды или пара в камеру сгорания газотурбиной установки (ГТУ). Были проанализированы результаты исследование энергетических показателей rry(GT13D,GT13El,GT13E2).
Диссертация выполнена на кафедре турбинных двигателей и установок Санкт-Петербургского государственного политехнического университета под руководством профессора, д.т.н., Рассохина В.А.
Современное состояние и перспективы использования газопаровых установок
Электрическая энергия широко используется в промышленности для приведения в действие самых различных механизмов и непосредственно в технических процессах, на транспорте, в быту. Известно, что электрическая энергия является базовой формой энергии для современной цивилизации. Можно без преувеличения сказать, что без электрической энергии невозможна нормальная жизнь современного общества.
Таким образом, надежное энергоснабжение экономики и населения страны электроэнергией, повышение эффективности функционирования и обеспечение устойчивого развития электроэнергетики на базе новых современных технологий, и снижение вредного воздействия на окружающую среду являются стратегическими целями развития электроэнергетики. Во всех странах отмечается непрекращающийся рост производства электроэнергии. В таблице 1.3 приведены прогнозные данные об изменении выработки электроэнергии в мире [49].
С учетом прогнозируемых объемов спроса на электроэнергию при оптимистическом и благоприятном вариантах развития суммарное производство электроэнергии в Ливии может возрасти по сравнению с 2004 года более чем в 1,58 раза к 2010 году (см.рис.1.3) [62].
Для сравнения, на программу модернизации энергетики США предполагается выделить средства из федерального бюджета около 43 млрд. долл. в год до 2015 г. Эффективность преобразования энергии первичного топлива намечается довести от 35-40 % до 70-80 % при одновременном снижении затрат на производства электроэнергии на 10-25% и уменьшении вредных выбросов в окружающую среду [15].
Прогноз производства электроэнергии в Ливии (МВт.ч) Теперь 100% населения Ливии обеспечены электрической энергией. По статическим данным 2003 года, наибольшее потребление отмечено в жилищно-коммунальном комплексе и на промышленных объектах (см. табл. 1.4).
Комбинированные газопаротурбинные установки (КГПТУ) получили развитие в ряде областей промышленности, особенно в электроэнергетике и в судовой энергетике. В последние годы газотурбинные и газопаровые установки (ГТУ и ГПУ) заняли важное место в электроэнергетике мира. Вследствие того, что доля газа в топливном балансе мира высока (более 60 %), внедрение высокоэффективных газпароовых технологий является общепризнанной стратегией развития тепловой энергетики [51]. Многие страны применяют КГПТУ с утилизационными котлами для новых электростанций, работающих на природном газе. Сейчас их КПД уже достиг 52—54 % и в ближайшей перспективе возрастет до 58—60 %. Например, созданы морские КГПТУ на базе газотурбинных двигателей второго поколения (СССР), и четвертого поколения (США). Новая ГТУ У94. ЗА - фирмы Siemens мощностью 240 МВт при частоте вращения 50 с"1 имеет КПД 38%. Использование уходящих газов ГТУ с температурой 562 С и расходом 610 кг/с обеспечит работу КГПТУ с паротурбинной установкой трех давлений и промперегревом на начальные параметры пара 10,5 МПа/550 С с КПД на уровне 58 % [45]. Пути повышения эффективности утилизационных паровых циклов до конца еще не исследованы и представляют собой сложную многопараметрическую задачу. Поэтому нужно создавать тепловые электростанции традиционных типов, а также внедрять перспективные комбинированные установки, обладающие высоким коэффициентом полезного действия. Решить задачу повышения выработки электроэнергии можно не только за счет строительства новых электростанций, но и путем модернизации действующих. Поэтому в работе рассмотрены вопросы модернизации газотурбинных установок (ГТУ) на тепловых электростанциях.
Модернизация может быть осуществлена за счет создания комбинированных газопаровых установок на базе существующих газотурбинных двигателей (ГТУ) в Ливии (см.таб.1.2), а также внедрением ряда мероприятия по впрыску воды или пара в проточные части основных элементов (ГТУ). Поэтому исследование в этой области является актуальным для Ливии.
Показатели газопаровых установок с низконапорным парогенератором (НПГ) зависят от начальной температуры газа Тз при повышении Тз несколько возрастает удельная мощность и заметно повышается экономичность [4]. Переход на более высокие параметры пара и усложнение тепловой схемы парового контура несколько увеличивает экономичность комбинированной установки, но влияние температуры газа Тз на экономию топлива остается практически без изменения.
Уточнение параметров рабочего процесса и характеристик ГТУ при учете зависимости теплоемкости рабочего тепла от температуры
Для выбора паровых турбин комбинированного цикла был проведен анализ КУ. Как известно, в бинарных ГПУ наибольшее КПД соответствует максимальной мощности паровой турбины. Влияние температуры и давления пара приведены на рис.2.11. Каждому значению температуры пара перед турбиной будет соответствовать оптимальное давление пара, при котором мощность паровой турбины достигает максимальной величины.
Анализ параметров с ограничением по влажности позволяет выбирать начальные параметры паровых турбин. Рис.( 2.12 а,б,в,г)
На показатели газопаровой установки большое влияние оказывает расход пара d , который генерируется за счет теплоты отходящих от газовой турбины газов[5].
Рассмотрим процесс теплообмена в котле-утилизаторе в Ts - диаграмме (рис.2.13). Здесь весь процесс генерации пара, включая перегрев пара и подогрев питательной воды, осуществляется за счет теплоты отходящих от турбины газов. При некотором расходе пара d процесс генерации пара определяется точками a-B-c-d , а минимальный температурный напор будет иметь место в точке В и составлять д7ітш Температура уходящих газов Т5 определяется балансом теплоты в низкотемпературной части котла-утилизатора, который представлен на диаграмме площадями 5-х-в -5 И а-в-в а . При уменьшении расхода пара d температура перегрева пара будет повышаться, а процесс генерации пара будет определяться точками аі - в -Ci - di- Из рисунка видно, что температурный напор в точке d\ уменьшается, поэтому существует такой расход пара, которому отвечают минимальные температурные напоры ATimin и дТ2тіп. при этом температурный напор в точке а повышается, поэтому в рассматриваемой схеме понижение расхода пара d всегда связано с увеличение температуры уходящих газов Т5 , а точка 5 на диаграмме смещается в положение 51 . Повышение расхода пара d приводит к смещению процесса генерации пара в положение а2 - в - С2 - d2 , что связано с понижением температуры уходящих газов Т5 . При значении d pr/Cec линия подогрева питательной воды параллельна линии охлаждения газа, что обеспечит минимальный AT = AT температурный напор по всей линии а- в , включая точку аС "J3mm і mm . При d срГ/ свод минимальный температурный напор имеет место в сечении на входе воды в экономайзер, а его величина шзтт -l s, g этом случае температурный напор в сечении в АТХ =ТХ -ТВЪ возрастает (рис.2.13). Для парогенератора газопаровой установки могут быть написаны два уравнения теплового баланса: - для испарительно-перегревательной части Gr Срг(Т4-Тх)= Gn( id-iB); - для экономайэерной части Gr Срг(Тх-Т5)= Gn( ів-іа); Где Тх -температура газа в сечении парогенераторе с минимальным температурным напором при d СРг/Свод , Т.е. Tx=TB+ATimin . Обычно эти уравнения используются для нахождения расхода пара d и температуры уходящих газов Т5 . При заданных параметрах пара расход пара
Впрыск воды в воздушный тракт как эффективный способ улучшения параметров работы газотурбинных установок
Одним из известных и во многих случаях эффективном способом улучшения параметров работы газотурбинных установок является впрыск воды в воздушный тракт. В последнее время значительно возросло количество публикаций и патентов на эту тему, относящихся к применению указанного впрыска. В них рассматриваются в основном схемы ГТУ и ГПУ с различными местами впрыска воды: в воздухозаборник для уменьшения температуры воздуха перед компрессором, в лопаточный аппарат компрессора, в воздух между компрессором и регенератором, в воздух, поступающий на охлаждение горячих элементов газовой турбины, в газы с выхлопа ГТ, отбираемые перед котлом-утилизатором и подаваемые на вход компрессора.
В отечественной практике отмечено появление интереса к использованию впрыска воды для испарительного охлаждения воздуха перед компрессором и в его лопаточном аппарате в процессе сжатия воздуха, а также для очистки компрессора «на ходу». В последнее время он широко используется для повышения производительности и коэффициента полезного действия ГТУ, для снижения выбросов оксида азота [10,11,50,54,57,60,61,65,66]. Наиболее показательны в этом плане работы фирм ФГУП ММПП «Салют», ЦИАМ, НПО ЦКТИ, «Энергомаш (ЮК) Лимитед», СПбГПУ др. Работы этих фирм в настоящее время содержат результаты расчетов и экспериментальной апробации на натурных компрессорах [см. например, 10,36]. Полученные результаты свидетельствуют о высокой эффективности впрыска — кпд компрессора может увеличится на 4...6 % относительных, мощность — на 20...30 %. Из окончательно внедренных и используемых в эксплуатации отметим работы на турбовинтовых двигателях карьерных вентиляторов. Они также полностью подтверждают высокую эффективность впрыска воды в компрессор [21].
В зарубежном газотурбостроении, особенно в США, применение впрыска воды перед компрессором и в его проточную часть получило широкое распространение. В настоящее время устройства для впрыска функционируют более чем на 700 ГТУ [66,57,60,56,67]. Впрыск воды перед компрессором и в его проточную часть применяют фирмы General Electric, Siemens, Alstom, Hitachi и другие. С его помощью мощность ГТУ может быть увеличена на 10...25 %, что важно при высокой температуре наружного воздуха. При этом одновременно возрастает кпд установки на 3...5 % относительных. В процессе длительной эксплуатации ГТУ с впрыском воды не было обнаружено, какого либо вредного его воздействия на компрессор и агрегат в целом. Эрозионная, коррозионная и вибрационная опасности для лопаточного аппарата компрессора при правильном выполнении впрыска воды отсутствуют.
Опыт эксплуатации ГТУ с впрыском воды показывает, что в этом случае на 20...40 % снижается количество оксидов азота в уходящих газах. Кроме того, впрыск воды дает возможность осуществлять промывку лопаточного аппарата "на ходу" без использования моющих средств.
Отмечается быстрое внедрение разработанных устройств впрыска (примерно одна неделя) и небольшой срок его окупаемости (несколько месяцев) [56,59].
В качестве устройство для распыла воды чаще применяют разработки фирмы Мее Fog, в которых с помощью игольчатых форсунок достигается распыл воды с размерами капель в среднем 5 mkm. Учитывая нестабильность работы этих форсунок, а также требуемое ими высокое давление воды, ряд фирм разработали свои специальные центробежные форсунки, обеспечивающие распыл холодной воды до 10...20 mkm. Предварительный подогрев впрыскиваемой воды до температуры 150...250 ОС при давлении воды 15...23 МПа позволяет получать капли со средним размером 2...4 mkm. Известны также способы впрыска воды через отверстия в корпусе компрессора, через полые лопатки компрессора, через перфорированные трубки, прикрепленные к стойкам перед лопаточным аппаратом компрессора.
На основе анализа результатов экспериментальных исследований и длительной эксплуатации ряда газовых турбин можно сделать вывод о том, что допустимое солесодержание воды составляет, вероятно, 0,4...0,5 мг/л. По наблюдениям в процессе эксплуатации на натурных агрегатах этот предел солесодержания воды может быть увеличен. Следует отметить, что допустимое солесодержание воды ограничивает только катионы металлов, в первую очередь, щелочных. Количество последних не должно превышать 0,1 мг/л.
В Санкт-Петербургском государственном политехническом университете были разработаны комплекс программ расчетов процессов движения и испарения воды в воздушном тракте ГТУ, параметров работы компрессора и ГТУ в целом [35]. С его помощью был разработан способ оптимального использования впрыска воды в компрессор, позволяющий получить максимально возможное приращение мощности и КПД установки. В компрессоре рекомендуется производить одновременный впрыск определенного количества воды перед различными ступенями компрессора. В этом случае в потоке воздуха в компрессоре обеспечивается достаточно интенсивное испарение воды, но избыточное количество воды и связанные с ним потери от наличия влаги в компрессоре минимальны. После достижения предельного оптимального суммарного впрыска в различные места компрессора дальнейшее увеличение мощности рационально осуществлять впрыском воды за компрессором перед регенератором. В этом случае каждый процент впрыскиваемой воды увеличивает мощность установки на 3,5...5,5% в зависимости от температуры наружного воздуха. КПД установки при этом практически не изменяется.
В литературе приводятся результаты расчетов параметров работы перспективных, по мнению авторов ГТУ, работающих по циклу ТОРНАТ [66]. В этом случае осуществляется впрыск в лопаточный аппарат компрессора регенеративной ГТУ горячей воды (200...250 оС) и с большим давлением ее перед форсунками (до 15...20 МПа). Авторы ожидают, что кпд этих ГТУ составит 52.. .56 %. Обзор имеющихся в литературе сведений по форсировке ГТУ
Впрыск воды в проточную часть компрессора свидетельствует о наличии определенных перспектив его применения. Это обусловлено ростом степени повышения давления и снижением удельной работы сжатия компрессора при впрыске воды. Положительное воздействие впрыска воды .увеличивается с ростом параметров компрессора. В осевых компрессорах удельная работа сжатия может быть снижена на 3—5%, а степень повышения давления при неизменном расходе воздуха — на 30%. Это позволяет форсировать мощность энергетических и приводных ГТУ на 20% с одновременным увеличением КПД на 4% относительных.
В технологических ГТУ типа ГТТ-3 впрыск позволяет на 1,5—2 % повысить расход воздуха, подаваемого в аппараты, в ГТУ типа ГТТ-12 — до 6—8:%. В центробежных компрессорах эффективность впрыска существенно зависит от условий его работы (температуры газа перед отсеками, величины давления газа и др.). В них впрыск воды может снизить удельную работу сжатия до 8%.
Влияние впрыска воды в камеру сгорания на основные показатели ГТУ
Перед впрыском в газовый тракт воду целесообразно подогревать в регенераторе (водяном экономайзере) отходящим теплом. Регенератор можно дополнить или заменить воздухоподогревателем.
Процессу смешения продуктов сгорания с пароводяным рабочим телом соответствует уравнение теплового баланса: где tCM — температура газопаровой смеси; tT — начальная температура газов; Ср — средняя изобарная теплоемкость газов в интервале температур tT - tCM ; Рабочая температура перед современными газовыми турбинами обычно составляет величину порядка 700С и выше. Это заведомо позволяет при парциальных давлениях водяного пара до 10 ата пренебречь зависимостью теплосодержания перегретого водяного пара от давления, не выходя за пределы обычной точности технических расчетов. Тогда выражение (4-6) можно заменить приближенным равенством: где ср — средняя теплоемкость водяного пара в идеально-газовом состоянии в интервале температур tCM = 100 С. При более высоких парциальных давлениях теплосодержание водяного пара следует определять по і—s -диаграмме, считая, что рп есть полное давление. Эффективная работа установки (без учета потерь в теплообменных аппаратах), отнесенная к 1 кг воздуха, определится из выражения: где Ьто — изоэнтропический теплоперепад газопаровой смеси в турбине; hKo — изоэнтропический теплоперепад воздуха в компрессоре; rjMH?] M — механический к. п. д. соответственно компрессора и турбины. Чем больше впрыскивают воды, тем меньше коэффициент избытка воздуха а за камерой сгорания. Поэтому возможность увеличения d ограничивается максимальной температурой газов перед камерой смешения: Независимо от того, в каком месте тракта между компрессором и турбиной осуществляется впрыск воды, сохраняют силу и уравнения (4-7)— (4-9). Максимальное относительное количество воды, которое может быть впрыснуто в газовый тракт
Если в установке имеется водяной экономайзер или регенеративный воздухоподогреватель, то из знаменателя надо вычесть тепло, утилизированное в них. Из формулы (4-8) видно, что при впрыске воды в газовый тракт увеличивается мощность установки, отнесенная к расходу воздуха. Это увеличение обусловлено как ростом общего расхода через турбину, так и увеличением теплоперепада hTo в связи с большей удельной теплоемкостью потока. Увеличение мощности проектируемой установки при данных размерах компрессора и степени повышения давления определяется из соотношения: где индекс «0» относится к режиму без ввода пара. С ростом d увеличивается объем рабочего тела, протекающего через турбину. Увеличение мощности установки при впрыске воды в случае заданных размеров проточной части турбины определяется приближенным соотношением: где N — мощность при данном значении d и неизменных размерах проточной части турбины; RT и RCM— газовые постоянные продуктов сгорания и газопаровой смеси. При выводе выражения (4-13) не учитывалось влияние паро-содержания на показатель изоэнтропы. Влияние впрыска воды в газовый тракт на основные энергетические показатели иллюстрируется примером расчета, результаты которого отражены на рис. 4.4. Была рассмотрена ГТУ, выполненная по схеме рис. 4.3 и имеющая следующие параметры: температура перед турбиной t2 — 700 С; температура наружного воздуха ti = 20 С; температура воды за насосом ґн = 20 С; к. п. д. турбины и компрессора г}т=?]к=0,86; степень повышения давления в компрессоре сгк=6; потеря давления в теплообменных аппаратах Ар/р=0,04; топливо — природный газ ( н = 11 ОООккал I кг). Кривая I характеризует рост предельной мощности установки при неизменных размерах компрессоров, кривая II — аналогичный показатель при неизменных размерах проточной части турбины.
Если регенерация отсутствует, то к. п. д. установки характеризуется кривой III. Максимально возможное паросодержание (при коэффициенте избытка воздуха, равном 1,05) dMAKC. Точки 1 , 1" и Г" отвечают показателям установки при максимальном паросодержашш. Если питательная вода нагревается в регенераторе (водяном экономайзере) до 158С (температура кипения при давлении за камерой сгорания), то к. п. д. установки характеризуется кривой IV; точки 2 , 2" и 2 " отвечают показателям установки при соответствующем максимальном паросодержании dX[AKCn. Кроме того, был рассмотрен случай, когда газопаровая смесь за турбиной разветвляется на два потока, один из которых идет через водяной экономайзер, а другой — через регенеративный воздухоподогреватель. Принимая в каждом из этих аппаратов степень регенерации равной 0,75, получим к. п. д., характеризующийся кривой V. Максимальное паросодержание достигнет величины dMAKC, а основным показателям установки будут отвечать точки 3 , 3" и 3 ". С ростом d в данной схеме будет увеличиваться доля потока газопаровой смеси через водяной экономайзер. Если допустить в экономайзере парообразование, то, начиная с некоторого значения d, заданная степень регенерации сможет быть обеспечена одним водяным экономайзером, и надобность в регенераторе отпадет.
