Промежуточный подогрев газа в цикле ГТУ

Увеличение полезной работы в цикле может быть достигнуто не только путем уменьшения работы затрачиваемой на сжатие воздуха, но также путем увеличения работы расширения. Из технической термодинамики известно, что работа изотермического расширения газа всегда больше работы изоэнтропийного расширения при той же степени понижения давлений газа. Введение в цикл ГТУ промежуточного подогрева газа (одного или нескольких) приближает процесс расширения к изотермическому, что способствует увеличению работы расширения и КПД цикла.

Принципиальная схема и цикл ГТУ с двухступенчатым расширением и промежуточным подогревом газа представлены на рисунках 2.12, 2.13. Схема ГТУ включает две турбины: турбину высокого давления (ТВД), приводящую компрессор (К) и турбину низкого давления (ТНД), работающую на потребитель механической энергии (П). Между турбинами установлен дополнительный блок камер сгорания (КС2), обеспечивающий промежуточный подогрев газа. В цикле ГТУ (рис. 2.13) процессы 3-4¢ и 3¢-4 соответствуют расширению газа в ТВД и ТНД, а процесс 4¢-3¢ – промежуточному подогреву газа.

Рисунок 2.12 – Принципиальная схема ГТУ с двухступенчатым

расширением и однократным промежуточным подогревом газа

При двухступенчатом расширении суммарная работа турбин определяется по выражению:

,       (2.42)

Рисунок 2.13 – Цикл ГТУ с двухступенчатым расширением

и промежуточным подогревом газа

В циклах ГТУ с промежуточным подогревом расход газа в процессе расширения увеличивается за счет топлива, вводимого в каждую камеру сгорания. Обозначим отношение расходов газа в КС2 и в КС1

 .                                   (2.43)

Так как обычно процессы горения топлива в камерах осуществляются при больших коэффициентах избытка воздуха α, то в газах, поступающих во второй блок камер сгорания достаточно кислорода для окисления поступающего туда топлива. Обычно число последовательно работающих камер сгорания в циклах стационарных и любых транспортных установок (в том числе судовых) принимают не больше двух, так как введение в ГТУ каждой дополнительной камеры усложняет управление установкой.

Эффективный КПД цикла ГТУ с двухступенчатым расширением и однократным промежуточным подогревом можно определить по выражению:

(2.44)

Исследования циклов ГТУ с промежуточным подогревом газа показали, что промежуточный подогрев газа оказывает примерно такое же влияние на КПД цикла без регенерации, как промежуточное охлаждение воздуха. При высоких значением Т₃ (низком отношении Т₁/Т₃ ≤ 0,24) применение однократного промежуточного подогрева газа приводит к снижению КПД цикла в диапазоне степеней повышения давления от π_к =3 до π_к =15. С повышением отношения Т₁/Т₃ ³ 0,30 однократный промежуточный подогрев газа начинает давать экономический эффект при π_к ³ 12. Однако промежуточный подогрев газа более заметно, чем промежуточное охлаждение воздуха увеличивает полезную работу в цикле.

Таким образом, можно сделать следующие выводы о влиянии промежуточного подогрева газа на показатели цикла ГТУ:

1. Промежуточный подогрев газа следует рассматривать, прежде всего, как более эффективное, чем промежуточное охлаждение воздуха, средство уменьшения удельного расхода воздуха в цикле и соответствующего уменьшения размеров турбомашин и теплообменных аппаратов;

2. Промежуточный подогрев газа увеличивает КПД цикла наиболее заметно в тех случаях, когда КПД процесса расширения невысок, температура газа на выходе из камеры сгорания также невелика, а степень повышения давления воздуха в цикле достаточно большая;

3. Экономический эффект от применения промежуточного подогрева газа повышается при введении в цикл регенерации. При отсутствии регенерации применение промежуточного подогрева газа может понизить КПД цикла.