Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

теплоэнергетика

.pdf
Скачиваний:
761
Добавлен:
07.03.2015
Размер:
6.46 Mб
Скачать

Механическая энергия вращения ротора ГТ передается электрическому генератору (ЭГ) и компрессору.

Можно сформулировать основные достоинства и недостатки ГТУ в сравнении с ПТУ

Достоинства:

1)они более компактны, так как топливо сжигается не в громоздком котле, а в небольшой по размерам камере сгорания, расположенной вблизи газовой турбины. Кроме того, в ГТУ нет конденсационной установки;

2)они более маневренны: обеспечивают быстрый запуск и набор нагрузки (0,5 ÷ 30 мин), так как толщина стенок корпуса ГТ значительно меньше, чем у паровой турбины, потому что давление рабочей среды в ГТУ ниже, чем в ПТУ, примерно в 10 – 15 раз;

3)ГТУ проще по конструкции и в обслуживании;

4)при одинаковой мощности с ПТУ, ГТУ требуют меньше затрат металла, следовательно, должны иметь более низкую стоимость;

5)для ГТУ не требуется большого количества воды;

6)ГТУ имеют более низкую стоимость 1 КВт установленной мощности при строительстве новых электростанций.

Недостатки:

1)по единичной мощности ГТУ пока уступают паротурбинным установкам, однако следует отметить, что в последние годы наблюдается стремительный рост единичной мощности газотурбинных агрегатов;

2)ГТУ имеют меньшую экономичность, чем паросиловые установки. КПД современных ГТУ достигает 36 ÷ 39 %, а паротурбинные энергоблоки имеют КПД 40 ÷ 42 %.

3)ГТУ более требовательны к сортам и качеству топлива и могут хорошо работать только на качественном газообразном (природный газ) или жидком топливе, например дизельном. Паротурбинные энергоблоки могут работать на любом топливе, включая низкокачественное.

4)ГТУ менее долговечны в эксплуатации, чем ПТУ.

141

9.2.Конструкции ГТУ

9.2.1.Конструктивная схема ГТУ

Конструкцию газовой турбины рассмотрим на примере ГТУ фирмы Siemens. Общий вид ГТУ электрической мощностью 160 МВт показан на рис. 9.2.

Рис. 9.2. Общий вид ГТУ фирмы Siemens: Iэлектрический генератор; II – компрессор; III – газовая турбина; IV – камера сгорания; 1 – ротор электрогенератора; 2 – промвал;

3 – выходной вал компрессора; 4 – канал подвода воздуха; 5 – вал турбокомпрессора; 6 – перепускной воздухопровод; 7 – рабочие лопатки газовой турбины; 8 – выходной диффузор; 9 – выходной вал турбины; 10 – камера сгорания; 12 – горелочные устройства; 13 – воздушный канал компрессор-камера сгорания; 14 – воздух с компрессора на охлаждение деталей ГТ; 15 – подвод газа к горелкам; 16 – рабочие лопатки компрессора; 17 – привод ВНА; 18 – опора

Газотурбинная установка работает следующим образом. Воздух из атмосферы поступает на вход воздушного компрессора, который представляет собой роторную турбомашину с проточной частью, которая состоит из вращающихся и неподвижных решеток. Ротор компрессора приводится во вращение газовой

142

турбиной. Таким образом, мощность, развиваемая газовой турбиной, частично затрачивается на привод компрессора, а оставшаяся часть преобразуется в электрическую энергию в генераторе. Принципиальная схема ГТУ фирмы Siemens показана на рис. 9.3.

Рис. 9.3. Принципиальная схема ГТУ фирмы Siemens:

1 – входной патрубок воздушного компрессора; 2 – воздух из атмосферы; 3 – проточная часть воздушного компрессора; 4 – сжатый воздух; 5 – зона ввода вторичного воздуха; 6 – корпус камеры сгорания;

7 – пламенная труба; 8 – горелочные устройства; 9 – горящий факел; 10 – горячие газы; 11 – проточная часть газовой турбины;

12 – уходящие газы ГТУ; 13 – опорный подшипник; 14 – выходной диффузор; 15 – вал; 16 – опорно-упорный подшипник;

17 – вал для присоединения электрогенератора

143

Поток сжатого воздуха подается в две камеры сгорания (рис. 9.3). При этом в большинстве случаев поток воздуха, идущий из компрессора, разделяется на два потока: первичный и вторичный. Первичный воздух (20...40 %) подается в активную зону горения к горелочным устройствам и участвует в процессе сгорания как окислитель, туда же подается топливо. При сжигании топлива образуются продукты сгорания топлива высокой температуры.

Остальной воздух (60...80 %) добавляется в поток после сгорания. Вторичный воздух, смешиваясь с газообразными продуктами сгорания, понижает температуру газов перед газовой турбиной до заданного значения. Это необходимо по следующей причине: в активной зоне камеры сгорания при сжигании природного газа температура горения поддерживается на уровне 1700...2000 °С, тогда как допустимая по условиям надежности лопаточного аппарата газовой турбины температура газа на входе в турбину должна быть на уровне 1100...1400 °С. При подмешивании относительно холодного воздуха второго потока получают газы (их обычно называют рабочими газами) с допустимой для деталей газовой турбины температурой. Рабочие газы подаются в проточную часть газовой турбины. В газовой турбине рабочие газы расширяются практически до атмосферного давления и поступают в выходной диффузор 14, а из него либо сразу в дымовую трубу, либо предварительно в какой-либо теплообменник, использующий теплоту уходящих газов ГТУ. Вследствие расширения газов в газовой турбине последняя вырабатывает мощность. Весьма значительная ее часть (примерно половина) тратится на привод компрессора, а оставшаяся часть – на привод электрогенератора. Это и есть полезная мощность ГТУ, которая указывается при ее маркировке.

На рис. 9.4 показано устройство газотурбинной установки ГТЭ – 45. Атмосферный воздух от комплексного воздухоочистительного устройства (КВОУ), в котором воздух очищается от механических примесей (пыли и т.п.), поступает в шахту 1, а из нее через входной направляющий аппарат 2 проходит к проточной части 3 воздушного компрессора. В компрессоре происходит сжатие воздуха. Степень повышения давления в компрессоре составляет πк = 17, и, таким образом, давление в тракте ГТУ не превышает 1,7 МПа (17 бар). При сжатии в компрессоре воздух нагревается.

144

Оценить этот нагрев можно по простому приближенному соотношению

0,25

T2 / T1 = к , (9.1)

где Т2 и Т1 – абсолютные температуры воздуха за и перед компрессором.

Если, например, Т1 = 300 К, т.е. температура окружающего воздуха 27 °С, а к = 17, то Т2 = 609 К и, следовательно, воздух нагревается на Δt = (609 – 300) = (336 – 27) = 309 оC.

1 4

5 6

2

7

 

3

9

8

Рис. 9.4. Устройство газотурбинной установки ГТЭ – 45:

1 – шахта подвода воздуха от воздухоочистительного устройства; 2 – входной направляющий аппарат; 3 – ротор воздушного компрессо-

ра; 4 – подвод газов из камеры сгорания; 5 – пламенная труба камеры сгорания; 6 – ротор газовой турбины; 7 – выходной патрубок ГТУ (диффузор); 8 – горелочные устройства; 9 – трубопроводы подачи топливного газа

Таким образом, за компрессором температура воздуха составляет 300 – 340 °С. Воздух после компрессора движется к горелочному устройству 8, к которому подается и топливный газ.

145

Поскольку топливо должно поступать в камеру сгорания, где давление 1,7 МПа, то давление газа должно быть большим. Для возможности регулирования его расхода в камеру сгорания требуется давление газа примерно вдвое больше, чем давление в камере. Как правило, в подводящем к электростанции газопроводе давление газа ниже, чем необходимо для подачи в камеру сгорания. Поэтому между газораспределительным пунктом (ГРП) и камерой сгорания устанавливают дожимной газовый компрессор, который создает необходимое давление газа для подачи его в камеру сгорания.

Внутри камеры сгорания образуются газы высокой температуры. После подмешивания вторичного воздуха на выходе из камеры сгорания температура газов снижается до 1208 °С, и они поступают в проточную часть газовой турбины. В ней газы расширяются до практически атмосферного давления и выходят в диффузор с температурой около 500 °С. За газовой турбиной устанавливают диффузор – плавно расширяющийся канал, при течении в котором скоростной напор газов частично преобразуется в давление. Далее продукты сгорания направляются либо в дымовую трубу, либо в теплообменник для утилизации тепловой энергии. Одна из характерных особенностей ГТУ состоит в том, что компрессор требует примерно половины мощности, развиваемой газовой турбиной. В первом, достаточно грубом приближении температуру газов за турбиной можно оценить по простому соотношению

 

 

 

T3 / T4 =

0,25

,

(9.2)

 

 

 

к

где T3 – температура газов перед турбиной, К; T4 – температура

газов после турбины, К;

к

– степень повышения давления в

компрессоре.

 

 

 

 

 

 

 

Поэтому, если

 

к

=

17, а

температура

перед турбиной

 

 

 

 

 

 

 

 

Т3 = 1 208°С, что соответствует 1 481 К, то температура за ней составляет: T4 = T3 / к0,25 = 1 481 / 17 0,25 = 729,4 К = 456,4 оС.

Таким образом, температура газов за ГТУ достаточно высока,

изначительное количество теплоты, полученной при сжигании топлива, в буквальном смысле уходит в дымовую трубу. При автономной работе типичных ГТУ их КПД составляет 35 – 36 %,

итолько последние образцы ГТУ имеют КПД, сопоставимый с КПД паротурбинных установок. Эти ГТУ с КПД 37 – 39 % будут устанавливаться на электростанциях в ближайшее время.

146

Для существенного повышения эффективности использования ГТУ необходима утилизация теплоты уходящих газов в кот- ле-утилизаторе, который вырабатывает перегретый пар высоких параметров. Этот пар используется в паровой турбине для выработки дополнительной электроэнергии. Реализация комбинированного цикла дает возможность создать парогазовую установку (ПГУ), КПД которой по выработке электрической энергии может достигать 58 – 60 %.

9.2.2.Конструкция газовой турбины

Газовая турбина является наиболее сложным элементом ГТУ, что обусловлено, в первую очередь, очень высокой температурой рабочих газов, протекающих через ее проточную часть: температура газов перед турбиной 1200 – 1400 °С в настоящее время считается «стандартной», и ведущие фирмы работают над освоением начальной температуры 1450 – 1500 °С. Напомним, что «стандартная» начальная температура для паровых турбин составляет 540 °С, а в перспективе – 600 – 620 °С.

5

2

3

4

1

 

 

 

7

6

 

Рис. 9.5. Продольный разрез газовой турбины ГТУ:

1 – рабочие лопатки компрессора; 2 – камера сгорания; 3 – сопловые лопатки газовой турбины; 4 – рабочие лопатки газовой турбины; 5 – выходной патрубок (диффузор); 6 – задняя подвижная опора;

7 – рама, на которой крепится ГТУ

147

Газовая турбина обычно имеет 3 – 4 ступени, т.е. 6 – 8 венцов решеток (рис. 9.5), и чаще всего охлаждаются лопатки всех венцов, кроме рабочих лопаток последней ступени.

Воздух для охлаждения сопловых лопаток подводится внутрь

через их торцы

и сбрасывается

через

многочисленные

 

 

(600

700

отверстий

 

 

диаметром 0,5 – 0,6 мм)

 

 

отверстия, расположен-

 

 

ные в соответствующих

 

 

зонах профиля(рис. 9.6).

 

 

К

рабочим

лопаткам

 

 

охлаждающий

воздух

 

 

подводится

через от-

 

 

верстия, выполненные в

 

 

торцах хвостовиков.

 

 

Стремление

повы-

 

 

сить

начальную темпе-

 

 

ратуру

газа

 

связано,

 

 

прежде всего, с выиг-

Рис. 9.6. Сопловые

(слева) и рабочие

рышем в экономичности

(справа) лопатки газовой турбины ГТУ

газотурбинной

установ-

ки, который дает это повышение. Известно, что повышение начальной температуры с 1100 до 1450 °С дает увеличение абсолютного КПД с 32 до 40 %, т.е. приводит к экономии топлива в 25 %. Конечно, часть этой экономии связана не только с повышением температуры, но и с совершенствованием других элементов ГТУ, но определяющим фактором все-таки является начальная температура.

Для обеспечения длительной работы газовой турбины используют два основных приёма:

а) применение для наиболее нагруженных деталей жаропрочных материалов, способных сопротивляться действию высоких механических нагрузок и температур (в первую очередь, для сопловых и рабочих лопаток). Поэтому для лопаток газовых турбин используют сплавы на никелевой основе (нимоники), которые способны при реально действующих механических нагрузках и необходимом сроке службы выдержать температуру

800 – 850 °С;

б) охлаждение наиболее горячих деталей.

Для охлаждения большинства современных ГТУ используется воздух, отбираемый из различных ступеней воздушного ком-

148

прессора. Уже работают ГТУ, в которых для охлаждения используется водяной пар, являющийся лучшим охлаждающим агентом, чем воздух. Охлаждающий воздух после нагрева в охлаждаемой детали сбрасывается в проточную часть газовой турбины.

9.2.3. Камеры сгорания ГТУ

Камеры сгорания ГТУ предназначены для преобразования химической энергии топлива в тепловую энергию продуктов сгорания.

Камеры сгорания ГТУ отличаются большим разнообразием. На рис. 9.7 показана ГТУ типа 13Е мощностью 140 МВт фирмы ABB с одной выносной камерой сгорания. Главный недостаток выносных камер сгорания – большие габариты, которые хорошо видны на рис. 9.7. Справа от камеры размещается газовая турбина, слева – компрессор.

Воздух из компрессора 2 (рис. 9.7) из кольцевого диффузора поступает в пространство между корпусом камеры и пламенной трубой 7 и затем используется для горения газа и для охлаждения пламенной трубы.

Пройдя в зазоре между корпусом и пламенной трубой и охладив ее, воздух поступает к горелочным модулям, к которым подается топливо. Горение происходит на коротком участке пламенной трубы, где температура составляет примерно 1450 °С. Изнутри пламенная труба покрыта термостойкими керамическими плитками, защищающими ее от действия высокой температуры. Сама пламенная труба выполнена из инконеля – сплава на основе никеля с высоким содержанием хрома. В нижней части пламенной трубы имеются специальные окна 3, через которые подводится вторичный воздух (рис. 9.8). Его смешение с продуктами сгорания и тщательное перемешивание в кольцевой камере подвода продуктов сгорания к газовой турбине 14 (рис. 9.7.) обеспечивает перед сопловым аппаратом 1-й ступени газовой турбины температуру газов 1100 °С.

Температура за соплами 1-й ступени при стандартных условиях составляет 1050 °С.

149

Рис 9.7. ГТУ фирмы АВВ мощностью 140 МВт с одной выносной камерой сгорания: 1 – выходной конец вала к электрогенератору; 2 – воздушный компрессор; 3 – камера сгорания; 4 – газовая турбина; 5 – площадка обслуживания; 6 – корпус камеры сгорания; 7 – пламенная труба камеры сгорания; 8 – горизонтальный разъём; 9 – задняя опора ГТУ; 10 – трубопровод подачи воздуха на охлаждение газовой турбины; 11 – стойка крепления корпуса переднего подшипника; 12 – стойка выходного диффузора газовой турбины; 13 – выходной диффузор компрессора; 14 – кольцевая камера подвода продуктов сгорания к газовой турбине; 15 – входная воздушная шахта; 16 – горелочное устройство; 17 – выходной диффузор газовой турбины; 18 – антипомпажный клапан; 19 – передний подшипник; 20 – ротор ГТУ

Фотография, представленная на рис. 9.8, дает вид на крышку пламенной трубы изнутри (со стороны выхода газов). Хорошо видно расположение всех восьми горелочных модулей 1, облицовочных керамических плиток 2 и окон для прохода вторичного воздуха 3.

150

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]