Motoare cu turbină cu gaz. Cicluri ciclu turbină de gaz

Turbinele cu gaz (GTU) sunt un complex energetic relativ compact, în care o turbină de putere și un generator funcționează împreună. Sistemul este utilizat pe scară largă în așa-numita energie energetică la scară mică. Excelent pentru furnizarea de energie electrică și termică a întreprinderilor mari, a așezărilor la distanță și a altor consumatori. De regulă, turbinele cu gaz funcționează cu combustibil lichid sau gaz.

La marginea progresului

În construirea capacităților de putere ale centralelor electrice, rolul principal revine instalațiilor cu turbine cu gaz și evoluția lor ulterioară - instalații cu ciclu combinat (CCGT). Astfel, centralele electrice din SUA de la începutul anilor 1990, mai mult de 60% dintre facilitățile de intrare și modernizate face deja turbine cu gaz și CCGT, iar în unele țări, ponderea lor a ajuns la 90%, în câțiva ani.

Într-un număr mare, se construiesc, de asemenea, GTU simple. Instalația de turbine cu gaz - mobilă, economică și ușor de reparat - sa dovedit a fi soluția optimă pentru acoperirea sarcinilor de vârf. La începutul secolului (1999-2000), capacitatea totală a instalațiilor cu turbină cu gaz a ajuns la 120.000 MW. Pentru comparație: în cei 80 de ani, capacitatea totală a sistemelor de acest tip a fost de 8000-10 000 MW. O parte semnificativă a GTU (mai mult de 60%) a fost destinată funcționării ca parte a instalațiilor binare mari cu ciclu combinat, cu o capacitate medie de aproximativ 350 MW.

Istoricul istoric

Bazele teoretice ale aplicării tehnologiilor de abur-gaze au fost studiate în detaliu în țara noastră la începutul anilor `60. Deja la acel moment a devenit clar: modul general de dezvoltare a energiei termice este legat de tehnologiile de abur-gaz. Cu toate acestea, pentru punerea lor în aplicare cu succes, au fost necesare unități de turbine cu gaze fiabile și foarte eficiente.

Este un progres esențial în construcția turbinelor cu gaz care a determinat saltul calitativ modern al ingineriei energetice termice. O serie de companii străine au rezolvat cu succes problema creării turbinelor eficiente staționare de gaze într-un moment când dureri de cap interne organizații de conducere în condițiile unei economii de comandă angajate în promovarea tehnologiei turbinelor cu abur puțin avansată (PTU).

Dacă în anii `60 coeficientul de eficiență plante ale turbinelor cu gaz a fost de 24-32%, la sfarsitul anilor `80 turbinele cu gaz cele mai bune energie staționară au deja eficiența (pentru utilizare de sine stătătoare) 36-37%. Acest lucru le-a permis să creeze CCGT-uri, eficiența cărora a ajuns la 50%. Până la începutul secolului nou, acest indicator a fost egal cu 40%, și în combinație cu gazul-abur - și cel puțin 60%.

Comparație între centralele cu turbină cu abur și cele cu ciclu combinat

În instalațiile cu aburi și gaze bazate pe GTU, perspectiva cea mai apropiată și realistă a fost creșterea eficienței de 65% sau mai mult. În același timp, pentru unitățile de turbine cu abur (dezvoltate în URSS), numai în cazul soluției cu succes a unui număr de probleme științifice complexe legate de generarea și utilizarea parametrilor de abur supercritice, vă puteți baza pe eficiența nu mai mult de 46-49%. Astfel, motoarele cu aburi pierde fără speranță sistemele de abur în ceea ce privește eficiența.

În mod semnificativ inferior, centralele cu turbină cu abur, de asemenea, în ceea ce privește costul și timpul de construcție. În 2005, pe piața mondială a energiei, prețul de 1 kW pentru o CPC cu o capacitate de 200 MW sau mai mare a fost de 500-600 $ / kW. Pentru CCGT de capacități mai mici, costul era în intervalul de 600-900 $ / kW. Motoarele cu turbină cu gaze puternice corespund valorilor de 200-250 $ / kW. Cu o scădere a capacității unității, prețul lor crește, însă nu depășește de obicei 500 $ / kW. Aceste valori sunt de câteva ori mai mici decât costul unui kilowatt de energie electrică pentru sistemele cu turbină cu abur. De exemplu, prețul unui kilowatt instalat pentru centralele cu condensare cu turbine cu abur variază între 2000-3000 $ / kW.

Schema instalației de turbine cu gaz

Instalația include trei noduri de bază: o turbină cu gaz, camera de combustie și compresorul de aer. Și toate unitățile sunt adăpostite într-un singur corp prefabricat. Componentele rotoarelor și turbinele sunt conectate rigid între ele, bazându-se pe rulmenți.

În jurul compresorului sunt amplasate camere de combustie (de exemplu, 14 bucăți), fiecare în carcasa proprie. Pentru a intra în compresor aerul este conducta de admisie, de la turbina cu gaz, aerul curge prin conducta de eșapament. Corpul GTU se bazează pe suporturi puternice plasate simetric pe un singur cadru.

Principiul de funcționare

Cele mai multe instalații GTU utilizează principiul combustiei continue sau un ciclu deschis:

• În primul rând, mediul de lucru (aerul) este pompat la presiunea atmosferică de un compresor adecvat.
• Apoi, aerul este comprimat la o presiune mai mare și trimis în camera de combustie.
• Este alimentat cu combustibil, care arde la presiune constantă, asigurând o aprovizionare constantă cu căldură. Datorită combustiei de combustibil, temperatura fluidului de lucru crește.
• Mai mult, fluidul de lucru (acum este un gaz care este un amestec de produse de aer și de ardere) curge către turbina de gaze în care se extinde la presiunea atmosferică, efectuează lucrul mecanic util (transformă turbina, generează energie electrică).
• După turbină, gazele sunt evacuate în atmosferă, prin care se închide ciclul de funcționare.
• Diferența dintre funcționarea turbinei și compresor este percepută de un generator electric amplasat pe un arbore comun cu o turbină și un compresor.

Instalații de combustie intermitente

Spre deosebire de proiectul anterior, în instalațiile de combustie intermitente se folosesc două supape în loc de una.

• Compresorul pompează aerul în camera de combustie prin prima supapă cu cea de-a doua supapă închisă.
• Când presiunea din camera de ardere crește, prima supapă este închisă. Ca urmare, volumul camerei se dovedește a fi închis.
• Cu vane închise în cameră, combustibilul este ars, în mod natural, arderea lui are loc la un volum constant. Ca urmare, presiunea fluidului de lucru este în continuare mărită.
• Apoi, se deschide o a doua supapă și fluidul de lucru intră în turbina cu gaz. Presiunea din fața turbinei va scădea treptat. Când se apropie atmosfericul, a doua valvă trebuie închisă, iar prima ar trebui să se deschidă și să repete secvența de acțiuni.

Cicluri ciclu turbină de gaz

Pornind de la implementarea practică a unui ciclu termodinamic, designerii trebuie să se confrunte cu o serie de obstacole tehnice insurmontabile. Exemplul cel mai tipic: la o umiditate a aburului de peste 8-12% pierdere în partea care curge turbină cu abur cresterea brusca, cresterea sarcinilor dinamice, eroziunea are loc. Acest lucru duce în cele din urmă la distrugerea părții care curge din turbină.

Ca urmare a acestor limitări, doar două termodinamice de bază ciclu: ciclu Ciclul Rankine și ciclul Brighton. Cele mai multe centrale electrice sunt construite pe o combinație de elemente ale acestor cicluri.

Ciclul Rankine este utilizat pentru organismele de lucru care efectuează o tranziție de fază pe parcursul ciclului, centralele cu abur funcționează în acest ciclu. Pentru organismele de lucru care nu pot fi condensate în condiții reale și pe care le numim gaze, utilizați ciclul Brighton. Pentru acest ciclu funcționează instalațiile cu turbină cu gaz și motoarele ICE.

Combustibilul utilizat

Majoritatea covârșitoare a GTU-urilor este proiectată pentru funcționarea pe gaze naturale. Uneori combustibilul lichid este utilizat în sistemele cu putere redusă (mai puțin frecvent - mediu, foarte rar - putere mare). O nouă tendință este trecerea sistemelor compacte cu turbină cu gaz la utilizarea de materiale combustibile solide (cărbune, mai puțin turbă și lemn). Aceste tendințe sunt legate de faptul că gazul este o materie primă tehnologică valoroasă pentru industria chimică, unde utilizarea sa este adesea mai profitabilă decât în ​​sectorul energetic. Producția de unități de turbine cu gaz capabile să funcționeze eficient pe combustibili solizi câștigă impuls.

Diferența dintre ICE și GTU

Diferența principală motoare cu ardere internă și complexe cu turbină cu gaz sunt reduse la următoarele. În ICE, procesele de comprimare a aerului, arderea combustibilului și extinderea produselor de combustie apar în același element structural, numit cilindrul motorului. În GTU, aceste procese sunt separate prin noduri structurale separate:

• Compresiunea se efectuează în compresor;
• combustia de combustibil, respectiv, într-o cameră specială;
• Extinderea produselor de ardere se efectuează într-o turbină cu gaz.

Ca urmare, instalațiile cu turbină cu gaz și ICE nu sunt foarte asemănătoare, deși lucrează în cicluri termodinamice similare.

producție

Odată cu dezvoltarea generării de energie la scară mică, creșterea eficienței sistemului GTU și PTU are o pondere din ce în ce mai mare în sistemul energetic global al lumii. În consecință, din ce în ce mai mult în cerere profesie promițătoare mecanicist al instalațiilor de turbine cu gaz. În urma partenerilor occidentali, un număr de producători ruși au stăpânit producția de instalații de tip turbină cu gaze rentabile. Prima centrală electrică cu gaze cu abur a noii generații din Federația Rusă a fost centrala termoelectrică Nord-Vest din St. Petersburg.