Цикл, схема, терм КПД ГТУ

ГТУ рабочим телом являются продукты сгорания жидкого или газообразного топлива.На рис.7.6 дана схема простейшей газотурбинной установки со сгоранием топлива при постоянномдавлении. Топливным насосом 5 и компрессором 4 топливо и воздух через форсунки 6 и 7 поступают в камеру сгорания 1. Из камеры продукты сгорания направляются в комбинированные сопла 2, где они расширяются, и поступают на лопатки газовой турбины 3.

На рис.7.7 и рис7.8 представлены идеальный цикл ГТУ на PV и TS диаграммах.

1-2 - адиабатное сжатие до давления Р₂;2-3 – подвод теплоты q₁ при постоянном давлении Р₂ (сгорание топлива);3-4 – адиабатное расширение до первоначального давления Р₁;4-1 – охлаждение рабочего тела при постоянном давлении Р₁ (отвод теплоты q₂);Характеристиками цикла являются: степень повышения давления -  = Р₂/ Р₁ ;степень изобарного расширения Р

абота турбины:

l_т = h₃ – h₄ . (7.10)

Работа компрессора:

l_н = h₂ – h₁ . (7.11)

Полезная работа ГТУ равна разности работ турбины и компрессора:

L_ГТУ = l_т – l_к . (7.12)

Термический к.п.д. цикла ГТУ имеет вид:

Теоретическая мощность газовой турбины, компрессора и установки (ГТУ):

N_т = l_т·D/3600 = (h₃ – h₄)·D/3600 , (7.14)N_к = l_к·D/3600 = (h₂ – h₁)·D/3600 , (7.15)
N_ГТУ = l_ГТУ·D/3600 = [(h₃ – h₄) (h₂ – h₁) ]·D/3600 . (7.16)

Действительный цикл ГТУ отличается от теоретического наличием потерь на трение и вихреообразование в турбине и компрессоре. Эффективными методами повышения экономичности газотурбинных установок являются: регенерация теплоты, ступенчатое сжатие и расширение рабочего тела и пр.

1.9. Схема паротурбинной установки (ПТУ)

На рис. 9.8, 9.9, 9.10представлены схемы паротурбинной установки (ПТУ) и обратимый цикл в p-v- и T-s-диаграммах (цикл Ренкина).

Обозначения: ПК – паровой котел; ПП – пароперегреватель; ЭТ – экранные (испарительные) трубы парового котла; ВЭ – водяной экономайзер; Т –

паровая турбина; К – конденсатор, охлаждаемый водой; Н – насос; ЭГ – генератор электрического тока (потребитель). Цифры на схеме соответствуют узловым точкам обратимого цикла, представленного в p-v- и T-s-диаграммах

Теплота, подводимая к воде и водяному пару в паровом котле (в процессах: 3-4 – нагрев воды до кипения, 4-5 – испарение воды, 5-1 – перегрев пара),

Отводится теплота от водяного пара в процессе его конденсации (2-2¢):

В практических расчетах зачастую можно пренебречь работой насоса, которая, вследствие несжимаемости жидкости, ничтожна по сравнению с работой турбины. В этом случае состояние 3 на диаграммах не изображают (рис. 9.11), т. к. точка 3

На практике этот цикл не осуществляется прежде всего потому, что в реальном цикле, вследствие потерь на привод компрессора, затрачивалась бы большая часть мощности, вырабатываемой турбиной. Экономичнее конденсировать пар полностью, а затем насосом увеличить давление воды от p₂ до p₁ в процессе 2¢-3. Кроме того, процесс расширения сухого насыщенного пара в турбине (5-b) связан с большими потерями на трение, вследствие существенного уменьшения степени сухости в процессе расширения, т. е. увеличения содержания воды в паре. Поэтому в паротурбинных установках применяют перегрев пара в трубах пароперегревателя парового котла. В этом случае процесс расширения 1-2 сдвигается в область перегретого пара, уменьшаются потери на трение при течении пара в проточной части турбины.

1. 10 Цикл Карно для водяного пара

Паротурбинные установки отличаются от двигателей внутреннего сгорания тем, что продукты сгорания топлива являются только промежуточным теплоносителем, а рабочим телом служит пар какой-либо жидкости, чаще всего водяной пар.

В паротурбинных установках процесс получения работы происходит следующим образом (рис. 19.1). Химическая энергия топлива при его сжигании превращается во внутреннюю энергию лродуктов сгорания, которая затем в виде теплоты передается воде

Рис. 19.1

и пару в котле / и перегревателе 2. Полученный пар направляется в паровую турбину 3, где и происходит преобразование теплоты в механическую работу, а затем обычно в электрическую энергию в электрогенераторе 4. Отработавший пар поступает в конденсатор 5, где отдает теплоту охлаждающей воде. Полученный конденсат конденсационным насосом 6 направляется в питательный бак 7, откуда питательная вода забирается питательным насосом 8, сжимается до давления, равного давлению в котле, и подается через подогреватель 9 в паровой котел 1.

Как известно, наиболее совершенным идеальным циклом является цикл Карно. Для насыщенного пара цикл Карно представлен на рис. 19.2. Точка О характеризует начальное состояние ки-лящей воды при давлении р\. Воде при постоянной температуре 7\ц и постоянном давлении рх сообщается удельное количество теплоты Ц\, равное теплоте парообразования г (процесс 0-1). Полученный сухой насыщенный пар от точки / расширяется по адиабате в цилиндре паровой турбины до давления р2 (процесс 1-2). В этом процессе температура пара понижается до Тп2 конденсатора и степень сухости уменьшается от л; = / до х2. Образовавшийся влажный пар со степенью сухости х2 частично конденсируется при постоянной температуре Тв2 и давлении р2 до точки 3 (процесс 2-3). При этом сухость его уменьшается до х3. От пара отводится удельное количество теплоты <72=/2(*2—х3).

Цикл Ренкина для ПТУ

Отвод тепла от влажного пара в конденсаторе нужно производить до тех пор, пока весь пар полностью не сконденсируется. В этом случае сжатию от давления p2 до давления p1 подлежит не влажный пар малой плотности, а вода. Для подачи воды в котел применяют питательный водяной насос, который имеет малые габариты и высокий КПД. Такой цикл был предложен в 50-х годах шотландским физиком и инженером У. Ренкиным. В цикле Ренкина возможного применения перегретого пара, что позволяет повысить среднюю интегральную температуру подвода теплоты и тем самым увеличить КПД цикла.

В турбине 3 происходит преобразование теплоты в работу. Отработанный пар отдает часть тепла охлаждающей воде в холодильнике 4 и насосом 5 подается обратно в котел. В паровом котле 1 за счет теплоты сгорающего в топке топлива происходит процесс парообразования, в пароперегревателе 2 достигаются необходимые параметры пара.

В котле при давлении p1 =const происходит процесс 4-5 – подогрев и 5-6 - испарение воды.

Процесс 6-1 – перегрев пара в пароперегревателе до T1. Таким образом, на выходе из пароперегревателя пар имеет параметры p1, T1, h1 полагаем, что от котла до турбины p1 =const

1-2 – адиабатное расширение пара в турбине до давления p2 Параметры после турбины p2 T2 h2

2-3 – изобарная конденсация пара. В результате получится вода с параметрами h¢2 T¢2. Конденсат после адиабатного сжатия от p2 до p1 в питательном насосе поступает в котел.

3-4 – адиабата сжатия воды насосом.

Графики электрической нагрузки. Суточная и годовая выработка электрической энергии. Коэффициенты использования максимальной нагрузки. Число часов использования максимальной и установленной мощности электростанции.

Графики электрических нагрузок строятся с помощью самопишущих приборов (амперметры, ваттметры), по визуальному отсчету показаний стрелочных приборов через равные промежутки времени, по отсчету показаний счетчиков активной энергии через те же интервалы времени. График, построенный с помощью самопишущего прибора, является криволинейным, а построенный по показаниям счетчиков энергии – ступенчатым, где на каждой ступени показывается средняя мощность за контролируемый промежуток времени.

Нагрузка в каждый момент времени является величиной случайной, закон распределения которой во времени изменяется.

Графики электрических нагрузок строятся как для одиночных электроприемников, так и для их групп. Для одиночных электроприемников строятся индивидуальные графики и для группы электроприемников – групповые графики.

Рис. 1. Сменные графики электрических нагрузок, выраженные кривыми и ломаными линиями: а – с интервалом осреднения 30 мин.; б – с интервалом осреднения 60 мин.

Характер и форма индивидуального графика нагрузки электроприемника определяются технологическим процессом. Групповой график представляет собой результат суммирования индивидуальных графиков электроприемников, входящих в группу. Конфигурация группового графика зависит от многих случайных факторов – различной загрузки отдельных электроприемников, сдвигом во времени их включения и отключения. Устойчивые графики для отдельных предприятий, производств называют типовыми.

Графики электрических нагрузок во времени действия нагрузки делят на сменные, суточные, месячные, сезонные (летние, зимние) и годовые.

Сменные графики строят за время продолжительности смены с учетом технологических перерывов в работе электроприемников. Суточные графики охватывают время от 0 до 24 часов. При построении графика принимают среднюю нагрузку за время осреднения. На этом графике выделяют наиболее загруженную смену, т.е. смену, в течение которой наблюдается наибольший выпуск продукции и наибольшее потребление электроэнергии. Такие графики характерны для предприятий и производств с 2-х – 3-х – сменным и непрерывным режимом работы. Месячные графики строят с целью определения расхода электроэнергии на производственные и непроизводственные нужды и оплаты за электроэнергию. При анализе таких графиков можно выделить недели, декады, в течение которых имеет место наибольший выпуск продукции и наибольшее потребление электроэнергии.

По сезонным и годовым графикам определяют максимальную нагрузку, зависящую от сезонных факторов (отопление, вентиляция, подача воды на непроизводственные нужды), расход электроэнергии за сезон и год. На рис. 2 представлен суточный график активной и реактивной нагрузки группы сельскохозяйственных предприятий при трехсменной работе в зимнее время.

Рис. 2. Суточный график активной (Р), реактивной (Q) нагрузки

Из суточного графика видно, что наиболее загруженной сменой является вечерняя (с 16 до 24 часов), менее загруженной – ночная (с 23 до 7 часов). Максимальная нагрузка наблюдается с 18 до 20 часов. В это время наряду с силовой нагрузкой технологического оборудования добавляется осветительная нагрузка. Максимальная нагрузка из приведенного графика принимается за расчетную нагрузку при выборе электрических устройств по допустимому нагреву.

На графике электрических нагрузок площадь, ограниченная ломаной линией изменения активной нагрузки Р = f(t) и осями координат, представляет собой активную энергию Wa, потребляемую приемниками из сети для преобразования в другие виды.

Площадь, ограниченная линией изменения реактивной нагрузки Q=f(t) и осями координат, выражает реактивную энергию Wp, циркулирующую между сетью и электроприемниками. Эта энергия необходима электроприемникам для создания магнитных полей.

Годовой график нагрузки может быть построен аналогично суточному графику, т. е. по средним мощностям, но не за 30, 60 мин, а за месяц (рис. 3, а).

Рис. 3. Годовой график изменения активной мощности: а – по средним месячным мощностям; б – по продолжительности

Чаще строят годовые графики по продолжительности. Такой график представляет собой кривую изменения убывающей нагрузки в течение года (8760 час). Годовой график по продолжительности (рис. 3, б) можно построить по годовому графику, построенному по средним месячным мощностям (рис. 3, а) или двум характерным суточным графикам нагрузки за зимние и летние сутки.

При этом условно принимают, что продолжительность зимнего периода 213 суток или 183 суток, а летнего – 152 или 182 суток в зависимости от климатического района, в котором находится промышленное предприятие. На рис. 4 показаны графики электрической нагрузки: годовой график по продолжительности (рис. 4, в), построенный на основании суточных графиков – зимнего (рис. 4, а) и летнего (рис. 4, б).

Рис. 4. Графики электрических нагрузок: а – суточный зимнего периода; б – суточный летнего периода; в – годовой график по продолжительности

Для построения годового графика можно воспользоваться вспомогательной таблицей (табл. 1).

Таблица 1

Построенный годовой график по продолжительности еще называют упорядоченным графиком, т.к. он построен по порядку убывающих ординат. Ступенчатый график с ломаной линией изменяющейся нагрузки можно заменить графиком с плавно изменяющейся кривой, но при этом площадь, ограниченная ломаной или плавной кривой и осями координат, должна оставаться постоянной.