книги / Основы термодинамики циклов теплоэнергетических установок

Комбинированные газовые циклы. Большим недостат­ ком поршневых двигателей внутреннего сгорания является выброс в атмосферу отработавших газов с относительно высоким давлением, что вызывает значительные потери воз­ можной работы, называемые потерями от неполноты расширения. Эти потери могут быть значительно уменьше­ ны, если выхлопные газы направить в специальную утили­ зационную турбину. Полученную таким образом дополни­ тельную работу обычно используют на привод воздуходув­ ки, повышающей давление воздуха на всасе в цилиндр пор­ шневого двигателя и этим самым увеличивающей его мощ­ ность. На рис. 5.7 приведены схема такой комбинированной установки и ее цикл. Здесь: 12345 — цикл, осуществляе­ мый в поршневом двигателе Д и пл. 156— работа, используе­ мая в газовой турбине Т Указанная дополнительная ра­ бота цикла равна уменьшению потерь тепла с уходящими газами:

где q2д„ = cv(T5— Т2) — отводимое тепло в цикле поршне­ вого двигателя; q2т = ср(Та— 7\) — отводимое тепло с уходящими газами утилизационной турбины.

Другая комбинированная схема поршневого двигате­ ля и газовой турбины показана на рис. 5.8. Здесь сочетает­ ся с газовой турбиной так называемый свободно-поршневой генератор газа (СПГГ), состоящий из поршневого двигателя внутреннего сгорания Д и поршневого компрессора К и ресивера Рес. Вся мощность двигателя целиком расходует­ ся на сжатие воздуха. Полезная мощность установки выра­ батывается только в турбине. На этом же рисунке показан

36,4%. Соответственно меняется и оптимальное значение верхней температуры цикла. Если для чистого Не она рав­ на 950 К и для С02 — 878 К, то для указанной смеси — 980 К. Оптимальные верхняя температура цикла Т3 и ве­ личина */|£ значительно повышаются при многоступенчатом сжатии (рис. 5.9, б). Внутренний абсолютный к.п.д. такого цикла с трехступенчатым сжатием на смеси 0,1 Н е й 0,9 С02 повышается до = 39,6%, а верхняя температура Т3 — до 1023 К (750°С). При экономической оптимизации ско­ ростей газа и поверхностей нагрева общий выигрыш от применения смеси резко уменьшается.

§ 5.3. Комбинированные парогазовые циклы

Совместное использование в тепловом двигателе газов и паров имеет уже довольно давнюю историю. Первую попыт­ ку создать комбинированную установку, в которой одно­ временно участвуют два рабочих тела — продукты сгорания и водяной пар — сделал русский инженер П. Д. Кузьмин­ ский еще в 1892— 1900 гг. Идея заключалась в том, что тепло, выделяющееся при сгорании топлива, частично от­ давалось воде, протекающей через змеевики, расположен­ ные в камере сгорания. Вода в змеевиках имела давление свыше 5,0 МПа, что должно было исключить полное паро­ образование и отложение накипи. Перегретая вода через дроссель направлялась в поток газа, идущий от камеры сго­ рания к газовой турбине. Таким образом, получалась паро-

газовая смесь допустимой температуры, которая совершала работу в турбине. Учитывая, что на подачу воды затрачи­ вается незначительная работа, общая работа сжатия отно­ сительно чисто газотурбинных установок 'уменьшается. Смерть П. Д. Кузьминского помешала завершить это ис­ следование. Однако его идея нашла свое возрождение в работах Сибирского отделения АН СССР (схема акад. С. А. Христиновича), где используется тот же принцип сме­ шения двух рабочих тел — продуктов сгорания и водяного пара.

Простейшая схема, демонстрирующая указанный прин­ цип, показана на рис. 5.10. В компрессоре К воздух сжи­ мается и подается в камеру сгорания КС, туда же посту­ пает топливо. Образовавшиеся там'продукты сгорания на­ правляются в турбину Т. Насосом Н химически очищен­ ная вода подается в газоводяной подогреватель Я, где она охлаждает уходящие газы, а затем поступает в охлаждаю­ щий камеру сгорания змеевик. Из змеевика пар поступает в поток газа, смешивается с ним, перегревается и одновре­ менно охлаждает газ до заданной температуры. Таким об­ разом, в турбину попадает смесь водяного пара и продуктов сгорания, которая после совершения работы направляется в газоводяной подогреватель. Конденсация отработанного пара происходит в атмосферном воздухе. Как видно, здесь параллельно осуществляются два цикла: один чисто газо­ вый с подводом тепла при постоянном давлении, а другой чисто паровой с конденсацией отработавшего пара в окру-

жающей среде. Схематическое изображение этих циклов показано на Т — s-диаграмме (рис. 5.11).

Теплу охлаждения продуктов сгорания в подогрева­ теле П соответствует пл. 4578 под изобарой отработавших газов, а теплу охлаждения пара в том же подогревателе — пл. eghf. Сумма их равна теплоте подогрева воды, в свою очередь равной пл. beam под верхней изобарой парового цикла. Заштрихованные площадки под газовым (5167) и паровым (gamh) циклами представляют собой теплоту, отдаваемую окружающей среде парогазовой смесью, выбра­ сываемой в атмосферу. Подводимое тепло топлива измеряет­ ся суммой пл. 6238 (<71газ) и ticdf (qln).

Полезная работа всей установки определяется суммой площадей газового 1234 и парового abedeg циклов. Следует только иметь в виду, что указанные циклы обычно строят для 1 кг продуктов сгорания и d кг водяного пара. Здесь d = DBmnfGrSL3— отношение массы водяного пара к массе продуктов сгорания, называемое относительным расходом пара.

Суммарный термический к.п.д. такого комбинированного (двойного) цикла

где / газ и dl„ — соответственно работа газового и парового циклов; <71газ и d дщ— подводимое тепло топлива в газовом и

паровом циклах (тепло, подводимое к воде в газоводяном подогревателе в qln не включается).

£ В 1908— 1930 гг. в Германии осуществлялась другая идея комбинирования парового и газового циклов в созданной опытной установке Хольцварта—Шюле. Это было сочета­ ние газотурбинной установки, работающей по циклу с подводом тепла при v = const, и паротурбинной с разделен­ ными потоками водяного пара и продуктов сгорания. Схе­ ма этой установки и ее цикл показаны на рис. 5.12.

Здесь воздух, сжатый в компрессоре К> подавался в камеру сгорания КС, туда же поступало и топливо. Продук­ ты сгорания сначала расширялись в турбине высокого дав­ ления ТВД, затем охлаждались в теплообменнике ТО и снова расширялись в турбине низкого давления ТНД. От­ работавшие газы после турбины дополнительно охлажда­ лись в водяном подогревателе ВП. Водяной пар вырабаты­ вался в паровом котле ПК и змеевике, расположенном в камере сгорания КС. Компрессор приводился в движение паровой турбиной Т Обе газовые турбины приводили в движение электрический генератор. Как видно, в этой уста­ новке было применено двухступенчатое расширение газа с его промежуточным охлаждением водяным паром. Теплота охлаждения газовой части установки целиком использова­ лась в паровой ее части. Полезная работа паровой части расходовалась на сжатие воздуха в компрессоре. Работа газовых турбин соответствовала полезной работе всего реального цикла.

газовую турбину (после отдачи части тепла водяному па­ ру). Пл. 4567g9 — теплота продуктов сгорания, отведенная к водяному пару в ГО и ВП. Пл. gabf— часть этой теплоты, использованная на подогрев питательной воды.

Таким образом, цикл установки Хольцварта— Шюле является частично бинарным и обеспечивает более высокий термический к.п.д., чем цикл парогазовой установки со смешением рабочих тел. Однако большие потери в газовой части цикла, низкая начальная температура газов н боль­ шие потери от необратимости теплообмена между газом и паром сделали эту установку неэкономичной.

Дальнейший шаг в развитии парогазовых установок был сделан в 1932 г. фирмой «Броун— Бовери», создавшей осо­ бую конструкцию паровых котлов, работающих при высо­ ком давлении продуктов сгорания (0,3—0,4 МПа). Эти про­ дукты сгорания после выхода из парогенератора работали в газовой турбине, приводившей в движение высоконапор­ ный нагнетатель воздуха. Таким образом осуществлялся вспомогательный цикл ГТУ постоянного горения (при р = const), вся выработка энергии которого использовалась на собственные нужды котлоагрегата. В 1944 г. А. Н . Ложкин (Центральный котлотурбинный институт) предло­ жил увеличить мощность этой газовой турбины и выраба­ тывать за счет этого дополнительное количество электри­ ческой энергии (рис. 5.13). Этим создается комбинирован­ ная парогазовая установка (без смешения рабочих тел) с более высоким к.п.д., чем чисто паровые. Как видно из ри­ сунка, в этой установке воздух, сжатый в компрессоре К, поступает в топку высоконапорного парогенератора {ВПГ)у куда также подается топливо. Здесь часть его теп­ лоты сгорания отдается на выработку и перегрев водяного пара, направляемого в паровую турбину. Отработавший в турбине пар поступает в конденсатор.

Продукты сгорания (заданной температуры) из ВПГ направляются в газовую турбину /Т , а оттуда — в газово­ дяной подогреватель ГВП и дальше выбрасываются в ат­ мосферу. Компрессор снова засасывает воздух, подает в камеру сгорания ВПГ и т. д. Таким образом осуществляется «открытый» цикл ГТУ постоянного горения. Конденсат пара питательным насосом снова подается через газоводяной подогреватель в ЛЯГ, там вырабатывается водяной пар,

направляется в турбину и т. д., т. е. осуществляется парал­ лельно обычный цикл Ренкина. Связь между этими циклами заключается в том, что теплота отработавших газов газовой турбины используется на подогрев питательной воды, вы­ тесняя регенеративные отборы пара. По приведенной схеме (ЦКТИ) построено и работает несколько установок мощ­ ностью до 200 МВт. Полезная мощность газовой части обыч­ но составляет около 20—25% от паровой.

Из Т — s-диаграммы (рис. 5.13) видно, что комбиниро­ ванный цикл парогазовой установки (ПГУ) ЦКТИ является частично бинарным, поскольку часть отводимого тепла га­ зового цикла (пл. 45g7) подводится к паровому циклу и соответствует там пл. befg. Соответствующая часть паро-. вого цикла (пл. abee’) представляет собой бинарную под­ стройку к газовому циклу и повышает его к.п.д. Правая часть парового цикла (пл. cde'e) является как бы пристрой­ кой комбинированного цикла и при низких параметрах паровой части несколько снижает эффективность таких установок. Процесс З'З газовой части цикла ПГУ соответ­ ствует отдаче части теплоты сгорания топлива водяному пару при его выработке в ВПГ.

Рассмотренный цикл ПГУ может быть осуществлен также и в схемах без высоконапорного парогенератора с использованием обычных паровых котлов, к тому же ра­ ботающих на твердом топливе. При этом небольшое коли­ чество жидкого или газообразного топлива должно расхо­ доваться только в газовой части установки.

Соответствующая схема ПГУ со сбросом газов в топку парового котла была предложена проф. И. И. Кирилловым (Ленинградский политехнический институт) (рис. 5.14). Здесь воздух, сжатый компрессором К » подается в камеру сгорания КС, оттуда продукты сгорания направляются в газовую турбину ГТ, где совершают работу расширения. Отработавшие в турбине газы подаются в топку парового котла ПК вместо воздуха для горения топлива, поскольку эти газы содержат до 16— 18% кислорода. В хвостовой час­ ти ПК вместо воздухоподогревателя устанавливается во­ дяной экономайзер ВЭ, где уходящие газы охлаждаются конденсатом водяного пара. Подогрев этого конденсата в регенеративных подогревателях сохраняется только час­ тично. Приведенный на этом же рисунке цикл ПГУ пол­ ностью подобен циклу ПГУ ЦКТИ. Однако здесь тепло отводится от продуктов сгорания топлива к водяному пару уже по изобаре 4'4 (рис. 5.14).

Несмотря на идентичность приведенных идеальных цик­ лов парогазовых установок, установки со сбросом газов в топку котла оказываются менее экономичными (на 1—2% по расходу топлива). Причиной этому является меньшая масса продуктов сгорания, работающих в газовой турбине, поскольку значительная часть топлива здесь сжигается в топке парового котла.

Вторым недостатком этой схемы (как и схемы ЦКТИ) является невозможность раздельной работы газовой и паровой частей установки, что очень важно для повышения надежности ее эксплуатации. Этот недостаток может быть устранен, если применить более простую схему комбиниро­ вания, используя выхлопные газы ГТУ только для подо­ грева питательной воды (рис. 5.15). Там же приведен цикл этой ПГУ в Т — s-координатах. Как видно, эта ПГУ сос­ тоит из простейшей газовой и простейшей паровой устано­ вок без регенерации.

Экономия топлива по сравнению с раздельной работой газотурбинной и паротурбинной установок здесь достигает­ ся именно за счет исключения регенеративных отборов па­ ра при обеспечении такого же подогрева питательной воды на входе в котлоагрегат за счет утилизации отбросного теп­ ла ГТУ При этом каждый килограмм выработанного в кот­ лоагрегате пара произведет в турбине большую работу. Эта дополнительная работа, очевидно, будет соответствовать недовыработке отборного пара в турбине при наличии реге­ нерации (см. пл. efd парового цикла).