Теплотехника 08 Турбины

Турбина Турбина – это тепловой двигатель, предназначенный для преобразования тепловой энергии рабочего тела в механиче скую энергию вращения ротора. В паровых турбинах рабочим телом является водяной пар (реальный газ), а в газовых – продукты сгорания топлива (почти идеальный газ).

Турбины конденсационные Паровые турбины подразделяются на конденсационные ( типа «К» ) теплофикационные (типа «Т» и «ПТ») : ( типа «К» ) и теплофикационные (типа «Т» и «ПТ») : турбины с теплофикационным отбором пара ( типа «Т» ). турбины с теплофикационным отбором пара ( типа «Т» ). Отбор пара п ри давлениях 0,7-2,5 бар используется в системах теплофикации (отопления и горячего водоснабжения);

Обозначение паровых турбин турбины типа «П» с регулируемыми отборами пара турбины типа «П» с регулируемыми отборами пара при давлениях 5-12 бар, предназначенными для производ ствен ных нужд; турбины типа «ПТ» с двумя отборами пара турбины типа «ПТ» с двумя отборами пара ; турбины с противодавлением ( типа «Р» ), турбины с противодавлением ( типа «Р» ), когда отработавший в турбине пар используется для производственных нужд; Примеры обозначений турбин: К ; ПТ /7; Р /15, где первая цифра – мощность в МВт, вторая – давление свежего пара в барах.

Обозначение паровых турбин Цифра в знаменателе: теплофикационной турбины – давление регулируемого отбора пара в барах; турбины с противодавлением – давление противодавленческого пара. По давлению свежего пара По давлению свежего пара турбины бывают: p 0 40 бар – среднего давления; p 0 90 бар – высокого давления; p бар – повышенного давления; p 0 >р кр – сверхкритического давления.

Газотурбинная установка (ГТУ) Приведена схема ГТУ с изобар- ным горением и регенерацией. 1 – пусковой двигатель; 2 – воздушный компрессор; 3 – топливный ком- прессор для газа (или насос для жидкого топлива); 4 – газовая турбина; 5 – электрогенератор; 6 – камера сгорания; 7 – регенератор

Цикл ГТУ без регенерации Допущения: рабочее тело – идеальный газ; изменение состояния рабочего тела обратимое; цикл замкнутый; сгорание топлива заменяется изобарным подводом теплоты 2-3 от горячего источника к рабочему телу; 23 p 2 3 q1q1 1 4 q2q2 0v T 0s q1q1 q2q

Термический КПД цикла ГТУ выпуск газов в окружающую среду заменяется изобарным отводом теплоты 4-1 от рабочего тела к холодному источнику. 1-2 адиабатное сжатие рабочего тела в компрессоре; 3-4 адиабатное расширение рабочего тела в газовой турбине. термический КПД Основным показателем цикла является его термический КПД:.(1)

Соотношения между параметрами в процессах Для адиабатных процессов 3-4 и 1-2 соотношение между параметрами p 4 v 4 k =p 3 v 3 k ; p 1 v 1 k =p 2 v 2 k. Поделив левые и правые части двух последних соотношений, и сократив p 4 =p 1 и p 3 =p 2, получим: v 4 /v 1 =v 3 /v 2 v 4 /v 1 =v 3 /v 2. В изобарных процессах 2-3 и 4-1 объемы газа изменяются пропорционально температурам Т 4 /Т 1 =v 4 /v 1 Т 3 /Т 2 =v 3 /v 2. Т 4 /Т 1 =v 4 /v 1 ; Т 3 /Т 2 =v 3 /v 2. Поэтому в выражении (1) последняя дробь сокращается.

Окончательное выражение термического КПД цикла ГТУ Вводим понятие степени сжатия в компрессоре : β=р 2 /р 1, учитываем, что для адиабатного процесса : Т 2 /Т 1 =(р 2 /р 1 ) (k-1)/k. Тогда окончательное выражение термического КПД ГТУ η t =1 - 1/β (k-1)/k η t =1 - 1/β (k-1)/k. (2) Из уравнения (2) следует, что при увеличении степени повышения давления β термический КПД растет.

ГТУ с регенерацией теплоты уходящих газов В простейшей схеме ГТУ без регенерации основными являются потери с уходящими газами (Т 4 =400 С и выше). Поэтому все ГТУ бывают с регенерацией теплоты уходящих г азов для подогрева сжатого в компрессоре воздуха перед подачей его в камеру сгорания. На вышеприведенной схеме была изображена именно такая газотурбинная установка.

Учет необратимости в ГТУ Теоретический цикл ГТУ – 12341, действительный – 12д34д и 1-2д – теоретическое и действительное сжатия воздуха в компрессоре; 3-4 и 3-4д – теоретическое и действительное расширения газов в турбине д 3 4 4д Т s 0

Учет необратимости в ГТУ внутренними Необратимые потери в ГТУ учитываются внутренними относительными КПД компрессора: η к =(T 2 -T 1 )/(T 2д -T 1 ) η к =(T 2 -T 1 )/(T 2д -T 1 ) и турбины: η т =(T 3 -T 4д )/(T 3 -T 4 ). η т =(T 3 -T 4д )/(T 3 -T 4 ). Индикаторная Индикаторная работа ГТУ, Дж/кг: работа ГТУ, Дж/кг:.(3)

ГТУ с регенерацией Предельная регенерация: t 5в =t 4г ; t 6г =t 2в, то есть теплота, подведенная к воздуху в регенераторе, равна отданной газами теплоте). Из-за потерь теплоты t 7 t 6 – действительная регенерация. Степень регенерации:. Регенерация повышает КПД газотурбинной установки, то есть снижает удельный расход топлива. T s

Процессы цикла ГТУ с регенерацией Процессы цикла ГТУ с регенерацией теплоты уходящих газов для подогрева воздуха: 1-2 – адиабатное сжатие воздуха в компрессоре; 2-7 – изобарный нагрев воздуха в регенераторе; 7-3 – изобарный подвод теплоты q 1 в камере сгорания; 3-4 – адиабатное расширение газа в турбине; 4-8 – изобарное охлаждение газа в регенераторе; 8-1 – изобарный отвод теплоты q 2 от газа к окружающему воздуху.

Парогазовый цикл (ПГУ) – цикл ГТУ с регенерацией регенерацией, t max ~ 1000 °C; в котором:t max ~ 1000 °C; t min ~ 150 ° C. t min ~ 150 ° C. Теплота охлаждения газов 5-6 в регенераторе идет на подогрев воздуха 2-3. Оставшаяся теплота газов используется для генерации пара в паротурбинной установке. Q1Q1Q1Q1 Q2Q2Q2Q s 0 T

Цикл парогазовой установки (ПГУ) Цикл ПТУ изображен синим цветом. В цикле ПТУ: t max ~600 °C; t min ~30 ° C. В цикле ПГУ: t max ~1000 °C; t min ~30 ° C В цикле ПГУ: t max ~1000 °C; t min ~30 ° C, поэтому КПД ПГУ выше раздельных ГТУ и ПТУ, то есть комбинированный цикл экономичнее. Для генерации 1 кг пара необходимо иметь m кг газа.