Повышение экономичности газотурбинных установок

схем ГТУ:
а) без регенерации;

б) с применением регенерации;

в) сочетание регенерации с

промежуточным охлаждением воздуха в процессе его сжатия в компрессоре;

г) с регенерацией и промежуточным подогревом газов в газовой турбине;

д) схема с сочетанием вариантов б, в, г.

расхода топлива за счёт сокращения потерь теплоты с уходящими газами.
Основные

потери в газотурбинной установке - это потери теплоты с уходящими газами, которые составляют 60…70 %, а иногда и более процентов от подводимой с топливом энергии. В простой ГТУ газы, покидающие турбину, имеют высокую температуру 400...700 °С. Поэтому экономичность ГТУ существенно повысится, если применить регенерацию теплоты, т.е. использовать часть уходящей теплоты для подготовки сжатого воздуха, поступающего в камеру сгорания.

Степень регенерации

- температура нагрева воздуха в регенераторе

В регенераторе температура воздуха повышается на 180…250С

точке А, соответствующей такому значению степени повышения давления

, при котором T4 = T2. В этом случае регенерация становится невозможный;
при повышении степени регенерации  оптимальная степень повышения давления опт снижается. Это облегчает проектирование компрессора;
при значениях  = 0,4…0,5 влияние регенерации на к.п.д. ГТУ становится малоэффективным.

При  > 0,5 с увеличением степени регенерации экономичность ГТУ соответственно возрастает за счет уменьшения за­траты топлива в камере сгорания.
Величина  практически определяется поверхностью нагрева F регенератора. Эта зависимость установлена проф. В.В. Уваровым:

где:

- массовый расход воздуха через регенератор, кг/с;

- массовая теплоемкость воздуха, Дж/(кг  град);
К - коэффициент теплопереда­ча в регенераторе, Вт/(м2  град).

У большинства современных ГТУ с регенерацией обычно  = 0,6…0,8. При этом экономия в расходе топлива за счет регенерации составляет примерно 22...28 %. На практике известны ГТУ с  = 0,91 (регенератор фирмы "Эшер-Висс") и гелиевые реге­нераторы с  = 0,95. Здесь нужно иметь в виду, что при  > 0,8 поверхность нагрева регенератора, а, следовательно, его габариты и вес, получаются обычно очень большими. Выбор оптимального  производится на основе технико-экономического расчета с учетом всех влияющих факторов.

к.п.д. ГТУ с регенерацией теплоты в настоящие время составляет примерно 39...43 % в то время как без регенерации 35…38 %. Повышение к.п.д. на 4…5 %, например, для одного агрега­та 20 МВт, позволит сэкономить 140...180 м3/ч топливного газа или 0,9...1,1 млн. м3 в год.

расширением и промежуточным подводом теплоты
Основная идея – уменьшение затрачиваемой работы

на сжатие воздуха в компрессоре и увеличение работы, получаемой при расширении рабочего газа в турбине.

Процессы ступенчатого сжатия с промежуточным охлаждением

а, б, в - соответственно двухступенчатое, трехступен­чатое и четырехступенчатое сжатие о проме­жуточным охлаждением после каждой ступени

Внутренний к.п.д. ГТУ с промежуточным охлаждением

Промежуточное охлаждение снижает суммарную работу сжатия и повышает электрическую мощность установки. Более холодный воздух после компрессора не требует дополнительного топлива для его нагрева до начальной температуры перед ГТ , так как он получает больше тепла от выходных газов. Это существенно повышает удельную мощность и эффективность, которая может составить 47 – 48 %.

Находят применение циклы Брайтона с «влажной» регенерацией (Water-Injected Recuperated WIR). Вода в таких циклах впрыскивается после компрессора, а также в регенераторе. Это позволяет охладить сжатый воздух и забрать больше теплоты от уходящих газов, понизив при этом температуру отвода теплоты. Водяные пары, расширяясь в газовой турбине, повышают ее мощность за счет использования дополнительной теплоты.

зависимости от температуры наружного воздуха
Фирма GE разработала ГТУ типа LMS

100 с промежуточным охлаждением воздуха, но без регенерации, с высокой степенью повышения давления = 40. Ее КПД достигает 45 %.

ГТУ со ступенчатым сжатием с промежуточным охлаждением

ступеней с их независимым друг от друга числом оборотов, что

позволяет ре­гулировать мощность ГТУ при частичных нагрузках, не снижая эф­фективности изменением расхода и топлива, и воздуха.

Многовальные ГТУ дают возможность повысить эффективность ГТУ особенно при работе на частичных (неполных) нагрузках.

Изменение относительного к.п.д. ГТУ в зависимости от нагрузки:
1-простая одновальная ГТУ открытого цикла; 2-двухвальная ГТУ открытого цик­ла; 3-замкнутая ГТУ

В одновальных ГТУ мощ­ность в установке регулируется только изменением расхода топлива. Для уменьшения нагрузки, уменьшают расход топлива, а при этом расход воздуха остается постоянным, поскольку компрессор и газовая турбина жестко связаны одним валом.

Отсюда вывод„ что всегда, когда по условиям эксплуатации большую часть времени приходится работать на частичных нагруз­ках, целесообразно применять многовальные ГТУ.

Одна часть, обычно высокого давления 2, служит приводом компрессора 1 и может работать с переменным числом оборотов. Вторая часть, силовая турбина 3, работает со строго постоянным числом оборотов, если она предназначена для привода электрогенератора, и может иметь практически любую скорость вращения, ес­ли она предназначена для привода нагнетателя. Регулирование в ГТУ этого типа осуществляется не только путем изменения расхо­да топлива, но и за счет изменения расхода воздуха, подаваемого компрессором 1.
Такой метод позволяет значительно меньше снижать или вооб­ще не снижать температуру Т1 при работе на частичных нагрузках и тем самым поддерживать к.п.д. цикла на более высоком уровне

Схема простой двухвальной ГТУ открытого цикла:
1-компрессор; 2-ТВД; 3-ТНД (силовая); 4-нагрузка; 5-камера сгорания