Газотурбинные установки

11.1 Схемы и циклы газотурбинных установок

В газовой турбине рабочим телом служат газообразные продукты сгорания топлива в смеси с воздухом или нагретые до высокой температуры воздух или какие-то другие га­зы, обладающие требуемыми свойствами.

По принципу действия газовая турбина аналогична паровой. В ее проточной части расширение рабочего тела (газа) также сопровождается превращением теплоты в кинетическую энергию газового потока, которая затем преобразуется в механическую работу на валу вращающегося ротора. Но в связи с применением газа, обладающего свойствами, отличными от свойств водяного пара, имеется некоторое конструктивное различие между газовыми и паровыми турбинами. В целом же газотурбинные установки (ГТУ), а именно их схемы и остальное оборудование существенно отличаются от паротурбинных установок. ГТУ имеют ряд достоинств по сравнению с паротурбинными: 1) 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) обеспечивают быстрый запуск и нагружение (30 с – 30 минут); 3) проще по конструкции и в обслуживании; 4) менее емки в (смысле затраты металлов и других материалов при одинаковой с паровой турбиной мощности; 5) имеют более низкую стоимость; 6) почти не требуют воды для охлаждения.

ГТУ уступают паротурбинным установкам; 1) по единичной мощности; 2) на современном этапе развития имеют более низкий КПД; 3) менее долговечны в эксплуатации; 4) более требовательны к сортам топлива. Так, проб­лема использования твердого топлива в ГТУ до сих пор еще находится в стадии разра­ботки, а применение тяжелых мазутов свя­зано со значительным усложнением, как конст­рукции, так и эксплуатации установок.

Идея создания ГТУ возникла сравнительно давно, но из-за отсутствия необходимых по качеству сталей и низкого уровня производства изготовление тазовых турбин практически стало возможным лишь в конце XIX в. Среди создателей первых образцов газовых турбин наиболее выдающуюся роль сыграли русские инженеры П.Д. Кузьминский и В.К. Кароводин, а также немецкие инженеры Штольце и Хольцварт. Однако, несмотря на постройку и испытание опытных образцов, газовые турбины еще долгое время не имели практического применения. И только лишь в последние три-четыре десятилетия благодаря резко возросшему уровню технического производства, успехам металлургии и развитию теории лопаточных машин были созданы газовые турбины, обладающие сравнительно высокой экономичностью, а также надежностью и дол­говечностью.

С каждым годом газовые турбины получают все более широкое распространение в энергетике. Благодаря возможности быстрого запуска ГТУ часто применяют в качестве пиковых, полупиковых и резервных установок. В ряде случаев считают целесообразным использовать их на электростанциях небольшой мощности как базовые агрегаты обычно с утилизацией теплоты отходящих газов для теплофикации. Вследствие небольших массогабаритных показателей, мобильности и простоты обслуживания ГТУ устанавливают на передвижных и транспортабельных электростанциях на полуприцепах-фургонах и в виде энергопоездов. Для отдаленных районов у нас в стране созданы и успешно эксплуатируются сравнительно мощные плавучие газотурбинные электростанции типа «Северное сияние».

Дальнейшее развитие газовых турбин направлено на повышение их единичной мощности, экономичности, надежности и долговечности, что прежде всего определяется прогрессом в области создания жаростойких материалов и разработкой эффективных спосо­бов охлаждения проточной части газовых турбин.

Большие перспективы имеют также атомные энергетические установки с газовыми турбинами и ядерными реакторами с газовыми теплоносителями. Есть основания полагать, что они будут более экономичными, компактными и простыми по устройству, чем атомные установки, работающие по пароводяному циклу.

11.2 Схемы и циклы простейших ГТУ

Схема простейшей ГТУ открытого типа с горением при постоянном давлении изображена на рисунке 29. Компрессор 1 засасывает из атмосферы воздух, сжимает его до заданного давления и подает в камеру сгорания 4. Туда же с помощью топливного насоса 3 впрыскивается через форсунку 5 топливо, которое смешивается с воздухом и сгорает. Образовавшиеся газообразные продукты сгорания направляются в газовую турбину 8. Следует отметить, что только 20 – 40 % подаваемого компрессором воздуха вводится в активную зону горения 6 и участвует в процессе сгора­ния. Это так называемый первичный воздух. Остальные 60—80% воздуха добавляются в поток уже после активной зоны. Смешиваясь с продуктами сгорания, эта часть воздуха (вторичный, или охлаждающий, воздух) дает возможность понизить температуру газов перед турбиной до заданного значения. Дело в том, что для обеспечения интенсивного и наиболее полного сгорания топлива температура в активной зоне камер сгорания обычно поддерживается на уровне 1800 - 2300 К, тогда как допустимая в настоящее время по условиям надежности и долговечности лопаточного аппарата температура газа на входе в газовую турбину для ГТУ, рассчитанных на длительный срок службы, составляет в зави­симости от применяемого топлива 900 - 1400 К.

1- компрессор, 2 – генератор, 3 – топливный насос, 4 – камера сгорания, 5 – форсунка, 6 – зона горения, 7 – пусковой электродвигатель, 8 – газовая турбина.

Рисунок 29 - Принципиальная схема простейшей ГТУ с горением при постоянном давлении

Мощность, развиваемая турбиной 8, час­тично затрачивается на привод компрессора 1 и других вспомогательных механизмов, а оставшаяся (избыточная) часть передается потребителю, например, преобразуется в электрическую энергию в генераторе 2. Запуск ГТУ производится пусковым электродвигате­лем 7, а зажигание топлива осуществляется обычно только при запуске с помощью уста­новленной в камере сгорания электрической свечи.