книги / Основы технической термодинамики, термохимии и анализ циклов газотурбинных установок

Найдем оптимальную общую степень повышения давления, при которой достигается абсолютный максимум работы по всем трем не­

V

Из сопоставления уравнений (3.106) и (3.108) с уравнениями со­

Эти результаты объясняются тем, что идеальный цикл ПО+ПТ при частном максимуме работы, когда соблюдаются равенства (3.105), превращается как бы в два цикла Брайтона с одинаковыми относительными параметрами кИ= л(2 и Тг/Тх. Давления в точках 2' и

4' на рис. 3.22 при этом равны (Р2 = Р4), но температуры в этих точ­ ках в общем случае различны, т.е. Т2' * т' Количество подводи­ мой в цикле ПО+ПТ теплоты не равно суммарной теплоте, подводи­ мой в двух циклах Брайтона и поэтому ч"?ти* л, Бр ■

Если же цикл ПО+ПТ соответствует абсолютному максимуму работы и в дополнение к равенствам (3.105), общая степень повыше­ ния давления определяется уравнением (3.107), то оба параметра со­ стояния в точках 2' и 4' цикла на рис.3.22 совпадают, т.е. р ' = Р4 и

Т2 =т' Поэтому, естественно совпадают и эти точки. В этом случае

(п. 3.3 и 3.4) можно определить оптимальный путь перехода от к tfmuLx ПРИ соответствующем согласованном изменении па­ раметров цикла пк, пк1 и пТ1 от их значений, определяемых урав-

неиями (3.105) и (3.107), к тем значениям, которые определяются уравнениями (3.112). Изменение параметров цикла должно обеспе­ чивать в каждой точке оптимальной зависимости r\nonT=f (£попт)

максимум работы при любом значении КПД и максимум КПД при любом значении работы.

Однако аналитическое решение этой задачи в данном случае ус­ ложняется наличием трех, а не двух, как ранее, независимых пара­ метров цикла (при TjTi = const). Поэтому, не приводя достаточно

громоздких выкладок, ограничимся графическим изображением ука­ занной оптимальной зависимости на рис. 3.23 при 7^/Tj =4,94, где для

сравнения приведены также оптимальные зависимости еще трех циклов — с одним промежуточным охлаждением, с одним промежу­ точным теплоподводом и цикла Брайтона (для этого цикла зависи­ мость не оптимальная, а единственная, так как у цикла Брайтона только один независимый параметр пк). Штриховкой показана ори­

ентировочная область выбора рациональных параметров приведен­ ных тепловых схем ГТУ с учетом конкурирующего влияния эконо­ мичности и работы цикла на технико-экономические критерии, ко­ торые, как неоднократно отмечалось, выходят за рамки термодина­ мического анализа. Заметим, что фактически рис. 3.23 содержит также показатели пятой схемы регенеративной, поскольку, как было показано в п. 3.2, термодинамические показатели этой схемы и цикла Брайтона совпадают на основном участке.

Из рис. 3.23 можно сделать два основных вывода.

1. При максимальной работе все циклы обладают примерно оди­ наковыми термическими КПД. У циклов Брайтона и ПО+ПТ эти КПД равны, у цикла ПО несколько выше, а у цикла ПТ — ниже при­ мерно на2...3 %.

Рис. 3.23. Сопоставление термодинамических показателей циклов Брайтона, с одним промежуточным охлаждением, с одним промежуточным теплоподводом и с промежуточными охлаждением и теплоподводом:

Т

□ — значение термического КПД обратимого цикла Карно T|f оцк = 1---- - при 7^/7] =4,94;

Гэ

О — значение максимальной работы £f mgx цикла Брайтона при Т3/Т{= 4,94; Д — значение максимальной работы £f max цикла с промежуточным охлаждением при 7^/7| = 4,94; О — значение максимальной работы £{^ цикла с промежуточным теплоподводом при 7^/7j =

= 4,94; X — значение максимальной работы £ цикла с промежуточными охлаждением

итеплоподводом при Т3/Т}= 4,94; 2302? — область оптимальных значений Пк.

2.Термодинамические преимущества цикла ПО+ПТ перед дру­ гими циклами (например, в пределах заштрихованной области) мож­ но использовать по-разному — в направлениях преимущественного увеличения либо работы, либо КПД. Так, при равных КПД циклов Брайтона и ПО+ПТ работа последнего вдвое больше. Если же работу цикла ПО+ПТ принять, например, только в 1,5 раза больше макси­ мальной работы цикла Брайтона, то КПД цикла ПО+ПТ превзойдет КПД цикла Брайтона на 22...28% (относительных).

Таким образом, применение цикла ПО+ПТ позволяет существен­ но повысить термодинамические показатели.

Вреальных условиях с учетом всех видов потерь в элементах ГТУ термодинамические показатели и оптимальные параметры всех тепловых схем изменяются, разумеется, весьма существенно (работа

иКПД уменьшаются почти вдвое, существенно снижаются потреб­ ные степени повышения давления). Но результаты сопо­ ставления реальных тепловых схем простейшей и ПО+ПТ оказыва­ ются довольно близким к приведенным выше для идеальных циклов.

Основное различие результатов обусловлено тем, что при удво­ енной работе цикла ПО+ПТ относительное влияние потерь на тер­ модинамические показатели этого цикла заметно снижается по срав­ нению с циклом Брайтона. Это положение остается справедливым, несмотря на то, что в схеме ПО+ПТ имеются дополнительные поте­ ри давления при промежуточном охлаждении воздуха и при теплоподводе во второй камере сгорания.

Внаибольшей степени снижение относительных потерь в цикле ПО+ПТ отражается на внутренних КПД сравниваемых циклов. Так, при максимальных работах внутренние КПД реальных циклов ПО+ПТ и Брайтона неодинаковы, как у идеальных циклов, а КПД цикла ПО+ПТ на 10% относительных выше, но внутренняя работа лишь ненамного больше удвоенной внутренней работы цикла

40%).

Таким образом, термодинамические преимущества тепловой схе­ мы ПО+ПТ в реальных условиях заметно усиливаются. Поэтому реализация по этой тепловой схеме отечественной энергетической установки типа ГТ-100 ЛМЗ было вполне оправданным.

Г л а в а 4.

РЕАЛИЗАЦИЯ ЦИКЛОВ ГТУ В ТЕПЛОВЫХ СХЕМАХ

ПАРОГАЗОВЫХ УСТАНОВОК

В настоящее время, как известно, основу отечественной энерге­ тики составляют паротурбинные установки (ПТУ) тепловых и атом­ ных электростанций. В энергосистемах наряду с мощными паротур­ бинными установками для покрытия пиков электрических нагрузок применяются газотурбинные установки. Однако в настоящее время традиционные ПТУ и ГТУ вытесняются комбинированными парога­ зовыми установками (ПГУ), обладающими более высокими технико­ экономическими и экологическими показателями.

Объединение ГТУ и ПТУ в составе комбинированных парогазо­ вых установок может осуществляться различными способами. Этим способам соответствуют различные тепловые схемы ПГУ, отличаю­ щиеся, как по составу оборудования, так и по основным технико­ экономические показателям.

Первые комбинированные парогазовые установки были установ­ лены в начале пятидесятых годов XX столетия на электростанциях США и Западной Европы. Эти установки имели небольшую мощ­ ность и, как правило, выполнялись либо по схеме со сбросом отрабо­ танных газов ГТУ в котел, либо по схеме с подогревом питательной воды в паротурбинном цикле.

Одновременно с развитием энергетических ГТУ совершенствова­ лись и комбинированные парогазовые установки, в частности повы­ шались такие их важнейшие показатели, как: термическая эффектив­ ность и удельная полезная работа.

Особенно интенсивно ПГУ развивались в последние два десятиле­ тия. К концу двадцатого столетия КПД лучших парогазовых устано­ вок приблизился к 60 %, а единичная мощность превысила 750 МВт. Поэтому парогазовые установки практически повсеместно признаны наиболее перспективными тепловыми энергетическими установками для электростанций начала двадцать первого века. Доля ПГУ в энер­ гетике многих стран мира постоянно увеличивается. В Российской Федерации за последнее время, например, введены в строй комбини­ рованные ПГУ в Санкт-Петербурге на Северо-Западной ТЭЦ, а так­ же в Калининграде.

4.1. Основные термодинамические показатели парогазовых установок

Комбинированные парогазовые установки различных типов

итепловых схем обладают по сравнению с паро- и газотурбинны­ ми установками наиболее высокими значениями основных энерге­ тических показателей.

Воснову всех типов ПГУ положена идея сочетания циклов газо

ипаротурбинных установок, позволяющая использовать теплоту рабочего тела, выходящего из газовой турбины, в паротурбинной установке.

Представляет интерес опеределение предельного значения КПД идеального бинарного цикла при заданных значениях КПД, входя­ щих в него высоко и низкотемпературных циклов ГТУ и ПТУ, соот­ ветственно. Схематично эти циклы приведены в координатах Т - S на рис. 4.1. Под идеальным будем понимать такой бинарный цикл, в котором соблюдаются следующие условия: вся отводимая от высо­ котемпературного цикла теплота используется в качестве подво­

димой в низкотемпературном цикле, т.е. q2 = q, ; отсутствует до­ полнительный теплоподвод к низкотемпературному циклу.

Рис. 4.1. Идеальный бинарный цикл:

1 - высокотемпературный цикл (цикл ГТУ);

2 - низкотемпературный цикл (цикл ПТУ)

Выражения термических КПД циклов 1 и 2 представятся в виде:

7ц = 1—(Чг/Ч|)>

7а — (Ч2/Ч1 )—1 (Ч2/Ч2)-

Из последнего выражения следует:

Яз = 0 -ПлУ\г ■

Общий термический КПД бинарного цикла может быть пред­ ставлен следующим выражением:

Vti =1-(Ч2/Ч.)=1-0-%ХЧ2/Я|)-

Выражение термического КПД идеального бинарного цикла по­ сле соотвествующих преобразований представится в виде:

Из выражения (4.1) следует, что значение общего КПД бинарно­ го цикла всегда выше наибольшего из двух значений КПД высоко­ температурного (?7|,) и низкотемпературного {rj2l) циклов. Даже при сравнительно небольших значениях КПД обоих циклов (Vu=V2t=0.3) значение КПД бинарного цикла составляет приблизи­ тельно 77,г =0,51.

На рис. 4.2 представлен цикл комбинированной установки, со­ стоящей из трех, последовательно расположенных по температур­ ным уровням, циклов.

Рис. 4.2. Цикл комбинированной установки, состоящей из трех циклов