Цикл ПГУ с котлом-утилизатором

ЦИКЛЫ ПАРОГАЗОВЫХ УСТАНОВОК

 

Идея объединения газотурбинного и паротурбинного циклов в единый парогазовый цикл (ПГУ) возникла из анализа достоинств и недостатков циклов ГТУ и ПТУ. Плюсы и минусы циклов ГТУ и ПТУ можно наглядно показать в T,s- диаграмме, преобразовав их в эквивалентные циклы Карно (рис. 9.1 и 9.2).

 

 

Из рис. 9.1. видно, что достоинство ГТУ – в высоком температурном уровне подвода теплоты к рабочему телу и недостаток – в высокой температуре отвода теплоты от рабочего тела. В ПТУ наоборот, достоинство – в низкой температуре отвода теплоты от рабочего тела, близкой к температуре окружающей среды, и недостаток – в низкой температуре подвода теплоты к рабочему телу.

Из данного анализа очевидна целесообразность использования теплоты уходящих газов ГТУ в качестве источника теплоты для ПТУ (рис. 9.2). В результате такого объединения циклов ГТУ и ПТУ их минусы взаимно уничтожаются, а плюсы остаются.

Циклы, использующие ГТУ и ПТУ в едином комплексе, получили название парогазовых циклов (ПГУ). Существует множество разновидностей циклов ПГУ. Рассмотрим основные их виды.

 

 

Цикл ПГУ с котлом-утилизатором

 

Простейшим из циклов ПГУ является цикл с котлом-утилизатором (ПГУ с КУ). Схема и цикл в T,s- диаграмме ПГУ с КУ представлены на рис. 9.3 и 9.4.

Газы, выходящие из газовой турбины ГТУ, поступают в котел-утилизатор ПТУ, где за счет их изобарного охлаждения нагревается вода и получается пар для паровой турбины. В КУ нет сжигания топлива, топливо сжигается только в камере сгорания ГТУ.

Соотношение расходов газов, выходящих из ГТУ (G), и водяного пара в ПТУ (D) в данной схеме находится в строгом соответствии, определяемым тепловым балансом котла-утилизатора

. (9.1)

В выражении (9.1) повышение энтальпии в насосе ПТУ не учитывается.

Для расчета таких схем в удельных величинах вводится удельный расход газов ГТУ на 1 кг водяного пара ПТУ

. (9.2)

Цикл ПГУ с КУ в T,s- диаграмме строится в соответствии с величиной d, т.е. для 1 кг водяного рабочего тела и d_г кг газового рабочего тела (рис.9.4). При этом размерность удельной энтропии данной диаграммы будет измеряться в Джоулях на килограмм пара и на Кельвин.

 

Удельная теплота, подведенная к рабочему телу, в ПГУ с КУ соответствует процессу 2-3 и рассчитывается как

. (9.3)

Удельная теплота, отведенная от рабочих тел, в данном цикле соответствует процессам: 5-1 (для газа) и вс (для водяного пара). Она рассчитывается как сумма

, (9.4)

где q_2г и q_2п – удельные потери теплоты в газовом и паровом контурах соответственно.

Удельная работа газового цикла определяется как

, (9.5)

где l_iк и l_iгт – удельные работы компрессора и газовой турбины.

Удельная работа парового цикла (без учета работы насоса) определяется как

. (9.6)

Удельная работа цикла ПГУ определяется как сумма работ ГТУ и ПТУ

. (9.7)

Внутренний абсолютный КПД ПГУ с КУ определяется обычным образом:

. (9.8)

КПД ПГУ с КУ может достигать 55 %. Основным недостатком данной схемы является ограничение температуры пара на входе в паровую турбину (Т_о) температурой уходящих газов ГТУ (Т₄). В связи с этим температура t_о не превышает 450 ^оС.

Особенностью ПГУ с КУ является нецелесообразность регенерации как в газовом, так и в паровом контурах. Регенерация в газовом контуре приведет к снижению температуры t_о в паровом контуре, а регенерация в паровом контуре приведет к повышению температуры уходящих газов ГТУ Т₅. Оба эти фактора вызовут снижение КПД ПГУ с КУ.

Второй особенностью ПГУ с КУ является отличие оптимальной степени повышения давления воздуха в компрессоре (n_оптПГУ) от n_опт простого цикла ГТУ. Величина n_оптПГУ > n_опт, нахождение ее численного значения требует оптимизационных расчетов с учетом практически всех параметров ПГУ.