Газотурбинен генератор. Газови турбини и газотурбинни агрегати с ниска мощност на руския пазар. Проектиране на газова турбина

"Турбо", "турбореактивен", "турбовитлов" - тези термини са влезли здраво в лексикона на инженерите от 20-ти век, занимаващи се с проектиране и поддръжка на превозни средства и стационарни електрически инсталации. Използват се дори в свързани области и реклама, когато искат да придадат на името на продукта някакъв намек за специална мощност и ефективност. В авиацията, ракетите, корабите и електроцентралите най-често се използва газовата турбина. Как е организирано? Работи ли на природен газ (както може да подсказва името) и какви са те? По какво се различава турбината от другите видове двигатели с вътрешно горене? Какви са неговите предимства и недостатъци? В тази статия се прави опит да се отговори на тези въпроси възможно най-пълно.

Руският лидер в машиностроенето UEC

Русия, за разлика от много други независими държави, образувани след разпадането на СССР, успя до голяма степен да запази машиностроителната индустрия. По-специално, компанията Saturn се занимава с производството на електроцентрали със специално предназначение. Газовите турбини на тази компания се използват в корабостроенето, суровинната индустрия и енергетиката. Продуктите са високотехнологични, изискват специален подход при инсталиране, отстраняване на грешки и експлоатация, както и специални познания и скъпо оборудване при планова поддръжка. Всички тези услуги са достъпни за клиентите на UEC – Газови турбини, както се нарича днес. В света няма толкова много такива предприятия, въпреки че принципът на подреждане на основния продукт на пръв поглед е прост. Натрупаният опит е от голямо значение, което дава възможност да се вземат предвид много технологични тънкости, без които е невъзможно да се постигне трайна и надеждна работа на уреда. Ето само част от продуктовата гама на UEC: газови турбини, електроцентрали, газопомпени агрегати. Сред клиентите са "Росатом", "Газпром" и други "китове" на химическата промишленост и енергетиката.

Производството на такива сложни машини изисква индивидуален подход във всеки отделен случай. Изчисляването на газова турбина в момента е напълно автоматизирано, но материалите и характеристиките на електрическите схеми имат значение във всеки отделен случай.

И всичко започна толкова лесно...

Търсене и двойки

Първите експерименти за преобразуване на транслационната енергия на потока в ротационна сила са извършени от човечеството в древни времена с помощта на обикновено водно колело. Всичко е изключително просто, течността тече отгоре надолу, в нейния поток са поставени остриета. Колелото, оборудвано с тях по периметъра, се върти. Вятърната мелница работи по същия начин. След това дойде ерата на парата и колелото се завъртя по-бързо. Между другото, така нареченият "еолипил", изобретен от древногръцката чапла около 130 години преди раждането на Христос, е бил парен двигател, който работи точно на този принцип. По същество това беше първата газова турбина, известна на историческата наука (в края на краищата парата е газообразно агрегатно състояние на водата). Днес обаче е прието тези две понятия да се разделят. След това изобретението на Херон е третирано в Александрия без особен ентусиазъм, макар и с любопитство. Индустриалното оборудване от турбинен тип се появява едва в края на 19-ти век, след като шведът Густав Лавал създава първия в света активен блок, оборудван с дюза. Приблизително в същата посока работи инженер Парсънс, снабдявайки машината си с няколко функционално свързани стъпки.

Раждането на газовите турбини

Век по-рано на някакъв Джон Барбър му хрумна брилянтна идея. Защо първо трябва да загреете парата, не е ли по-лесно да използвате директно отработените газове, генерирани по време на изгарянето на горивото, и по този начин да елиминирате ненужното посредничество в процеса на преобразуване на енергия? Така се появи първата истинска газова турбина. Патентът от 1791 г. излага основната идея за използване в карета без кон, но елементи от него се използват днес в съвременните ракетни, самолетни, танкови и автомобилни двигатели. Началото на процеса на изграждане на реактивни двигатели е дадено през 1930 г. от Франк Уитъл. Той дойде с идеята да използва турбина за задвижване на самолет. По-късно тя намери развитие в многобройни турбовитлови и турбореактивни проекти.

Газова турбина на Никола Тесла

Известният учен-изобретател винаги е подхождал по нестандартен начин към изследваните въпроси. На всички изглеждаше очевидно, че колелата с лопатки или остриета "улавят" движението на средата по-добре от плоските предмети. Тесла, по обичайния си начин, доказа, че ако сглобите роторна система от дискове, подредени последователно по оста, тогава, като вземете граничните слоеве с газов поток, тя ще се върти не по-лошо, а в някои случаи дори по-добре от многолопатково витло. Вярно е, че посоката на движещата се среда трябва да е тангенциална, което не винаги е възможно или желателно в съвременните единици, но дизайнът е значително опростен - изобщо не се нуждае от остриета. Газова турбина по схемата на Tesla все още не се строи, но може би идеята просто чака времето си.

електрическа схема

Сега за основното устройство на машината. Представлява комбинация от въртяща се система, монтирана на ос (ротор) и неподвижна част (статор). На вала има диск с работни лопатки, образуващи концентрична решетка, те се въздействат от газ, подаван под налягане през специални дюзи. След това разширеният газ влиза в работното колело, също оборудвано с остриета, наречени работници. За входа на сместа въздух-гориво и изхода (изпускателната) се използват специални тръби. Компресорът също участва в цялостната схема. Може да се направи по различен принцип, в зависимост от необходимото работно налягане. За работата му част от енергията се взема от оста, която се използва за компресиране на въздуха. Газовата турбина работи чрез процеса на изгаряне на сместа въздух-гориво, придружен от значително увеличаване на обема. Валът се върти, енергията му може да се използва полезно. Такава схема се нарича едноверига, но ако се повтори, тогава се счита за многоетапна.

Предимства на самолетните турбини

От около средата на петдесетте години се появи ново поколение самолети, включително пътнически (в СССР това са Ил-18, Ан-24, Ан-10, Ту-104, Ту-114, Ту-124 и др. ), в чиито проекти буталните двигатели на самолети бяха окончателно и безвъзвратно изместени от турбинни. Това показва по-голяма ефективност на този тип електроцентрала. Характеристиките на газовата турбина превъзхождат параметрите на карбурираните двигатели в много отношения, по-специално по отношение на мощност / тегло, което е от първостепенно значение за авиацията, както и също толкова важни показатели за надеждност. По-нисък разход на гориво, по-малко движещи се части, по-добра екологична ефективност, намален шум и вибрации. Турбините са по-малко критични за качеството на горивото (което не може да се каже за горивните системи), по-лесни са за поддръжка, изискват по-малко смазочно масло. Като цяло на пръв поглед изглежда, че те не се състоят от метал, а от солидни добродетели. Уви, не е така.

Има недостатъци на газотурбинните двигатели

Газовата турбина се нагрява по време на работа и предава топлина към околните конструктивни елементи. Това е особено важно, отново в авиацията, когато се използва схема за оформление на redan, която включва измиване на долната част на опашната част със струя. А самият корпус на двигателя изисква специална топлоизолация и използването на специални огнеупорни материали, които могат да издържат на високи температури.

Охлаждането на газови турбини е сложно техническо предизвикателство. Не е шега, те работят в режим на практически постоянна експлозия, настъпваща в тялото. Ефективността в някои режими е по-ниска от тази на карбураторните двигатели, но при използване на двуконтурна схема този недостатък се елиминира, въпреки че дизайнът става по-сложен, както в случая с включването на "бустерни" компресори в схемата. Ускоряването на турбините и достигането до работния режим изисква известно време. Колкото по-често уредът стартира и спира, толкова по-бързо се износва.

Правилно приложение

Е, никоя система не е без недостатъци. Важно е да се намери такова приложение на всеки от тях, в което предимствата му да се проявят по-ясно. Например танкове като американския Abrams, който се задвижва от газова турбина. Може да се напълни с всичко, което гори, от високооктанов бензин до уиски, и дава много мощност. Това може да не е много добър пример, тъй като опитът в Ирак и Афганистан показа уязвимостта на лопатките на компресора към пясъка. Ремонтът на газови турбини трябва да се извършва в САЩ, в завода-производител. Вземете резервоара там, след това обратно и разходите за самата поддръжка, плюс аксесоари ...

Хеликоптерите, руските, американските и други страни, както и мощните моторни лодки, са по-малко засегнати от запушване. При течни ракети те са незаменими.

Съвременните военни и граждански кораби също имат газотурбинни двигатели. А също и енергия.

Тригенераторни електроцентрали

Проблемите, пред които са изправени производителите на самолети, не са толкова тревожни за тези, които произвеждат промишлено оборудване за производство на електроенергия. Теглото в този случай вече не е толкова важно и можете да се съсредоточите върху параметри като ефективност и обща ефективност. Газотурбинните генератори имат масивна рамка, надеждна рамка и по-дебели остриета. Напълно възможно е генерираната топлина да се оползотвори, използвайки я за различни нужди, от вторично рециклиране в самата система, до отопление на битови помещения и топлозахранване на хладилни агрегати абсорбционен тип. Този подход се нарича тригенератор и ефективността в този режим се доближава до 90%.

Атомни електроцентрали

За газовата турбина няма фундаментална разлика кой е източникът на нагрятата среда, която дава енергията си на нейните лопатки. Това може да бъде изгоряла смес въздух-гориво или просто прегрята пара (не непременно вода), основното е, че осигурява непрекъснатото му захранване. В основата си електроцентралите на всички атомни електроцентрали, подводници, самолетоносачи, ледоразбивачи и някои военни надводни кораби (ракетният крайцер Петър Велики, например) са базирани на газова турбина (GTU), въртяща се от пара. Проблемите с безопасността и околната среда диктуват затворен първичен цикъл. Това означава, че първичният топлинен агент (в първите проби тази роля играеше олово, сега е заменен с парафин) не напуска зоната около реактора, обтичайки горивните елементи в кръг. Нагряването на работното вещество се извършва в следващите вериги, а изпареният въглероден диоксид, хелий или азот завърта турбинното колело.

Широко приложение

Сложните и големи инсталации почти винаги са уникални, тяхното производство се извършва на малки партиди или като цяло се правят единични екземпляри. Най-често единиците, произведени в големи количества, се използват в мирни сектори на икономиката, например за изпомпване на въглеводородни суровини през тръбопроводи. Именно те се произвеждат от компанията UEC под марката Saturn. Газовите турбини на помпените станции отговарят напълно на името си. Те наистина изпомпват природен газ, използвайки собствената си енергия за работата си.

Газова турбина обикновено се нарича непрекъснато работещ двигател. След това ще говорим за това как е подредена газова турбина, какъв е принципът на работа на агрегата. Характеристика на такъв двигател е, че вътре в него енергията се произвежда от компресиран или нагрят газ, резултатът от което е механичната работа върху вала.

История на газовата турбина

Интересното е, че турбинните механизми са разработвани от инженерите много дълго време. Първата примитивна парна турбина е създадена през 1 век пр.н.е. д.! Разбира се, това е от съществено значение
Този механизъм достигна своя разцвет едва сега. Турбините започват да се развиват активно в края на 19 век, едновременно с развитието и усъвършенстването на термодинамиката, машиностроенето и металургията.

Принципите на механизмите, материалите, сплавите са се променили, всичко е подобрено и сега, днес, човечеството познава най-съвършената от всички съществуващи досега форми на газова турбина, която е разделена на различни видове. Има авиационна газова турбина, има и индустриална.

Прието е да се нарича газова турбина вид топлинен двигател, работните й части са предопределени само с една задача - да се въртят поради действието на газова струя.

Тя е подредена по такъв начин, че основната част на турбината е представена от колело, върху което са прикрепени комплекти лопатки. , действайки върху лопатките на газова турбина, ги кара да се движат и въртят колелото. Колелото от своя страна е здраво закрепено към вала. Този тандем има специално име - роторът на турбината. В резултат на това движение, възникващо вътре в двигателя на газова турбина, се получава механична енергия, която се предава на електрически генератор, на корабно витло, на самолетно витло и други работни механизми с подобен принцип на действие.

Активни и реактивни турбини

Въздействието на газовата струя върху лопатките на турбината може да бъде двойно. Следователно турбините са разделени на класове: клас активни и реактивни турбини. Реактивните и активните газови турбини се различават по принципа на устройството.

Импулсна турбина

Активната турбина се характеризира с това, че има висока скорост на газовия поток към лопатките на ротора. С помощта на извито острие газовата струя се отклонява от траекторията си. В резултат на отклонението се развива голяма центробежна сила. С помощта на тази сила остриетата се привеждат в движение. По време на целия описан път на газа част от енергията му се губи. Такава енергия е насочена към движението на работното колело и вала.

реактивна турбина

При реактивната турбина нещата са малко по-различни. Тук притокът на газ към лопатките на ротора се извършва при ниска скорост и под въздействието на високо ниво на налягане. Формата на лопатките също е отлична, поради което скоростта на газа се увеличава значително. Така газовата струя създава вид реактивна сила.

От описания по-горе механизъм следва, че устройството на газова турбина е доста сложно. За да може такъв агрегат да работи безпроблемно и да носи печалба и полза на собственика му, трябва да поверите поддръжката му на професионалисти. Фирмите със сервизен профил предоставят сервизна поддръжка на инсталации, използващи газови турбини, доставки на компоненти, всякакви части и части. DMEnergy е една такава компания (), която осигурява на своя клиент спокойствие и увереност, че няма да остане сам с проблемите, които възникват по време на работата на газова турбина.

Електроцентралите с относително малък капацитет могат да включват както газотурбинни двигатели (GTE), така и бутални двигатели (RP). В резултат на това клиентите често питат кое задвижване е по-добро. И въпреки че е недвусмислено невъзможно да се отговори, целта на тази статия е опит да се разбере този въпрос.

Въведение

Изборът на типа двигател, както и техният брой за задвижване на електрически генератори в електроцентрала с всякакъв капацитет, е сложна техническа и икономическа задача. Опитите за сравняване на бутални и газотурбинни двигатели като задвижване се правят най-често с използване на природен газ като гориво. Техните основни предимства и недостатъци са анализирани в техническата литература, в брошурите на производителите на електроцентрали с бутални двигатели и дори в Интернет.

Като правило се дава обобщена информация за разликата в разхода на гориво, в цената на двигателите, без да се вземат предвид тяхната мощност и условия на работа. Често се отбелязва, че е за предпочитане съставът на електроцентрали с мощност 10-12 MW да се формира на базата на бутални двигатели, а по-висока мощност - на базата на газови турбини. Тези препоръки не трябва да се приемат като аксиома. Едно нещо е очевидно: всеки тип двигател има своите предимства и недостатъци и при избора на задвижване са необходими някои, поне ориентировъчни, количествени критерии за тяхната оценка.

В момента руският енергиен пазар предлага доста широка гама от бутални и газотурбинни двигатели. Сред буталните двигатели преобладават вносните двигатели, а сред газотурбинните двигатели местните.

През последните години в „Каталога на газотурбинното оборудване“ редовно се публикува информация за техническите характеристики на газотурбинните двигатели и базираните на тях електроцентрали, предложени за експлоатация в Русия.

Подобна информация за бутални двигатели и електроцентрали, от които те са част, може да се получи само от рекламни брошури на руски и чуждестранни компании, които доставят това оборудване. Информацията за цената на двигателите и електроцентралите най-често не се публикува, а публикуваната информация често не е вярна.

Директно сравнение на бутални и газотурбинни двигатели

Обработката на наличната информация дава възможност за формиране на таблицата по-долу, която съдържа както количествена, така и качествена оценка на предимствата и недостатъците на буталните и газотурбинните двигатели. За съжаление някои от характеристиките са взети от рекламни материали, чиято пълна точност е изключително трудно или почти невъзможно да се провери. Данните, необходими за проверка на резултатите от работата на отделни двигатели и електроцентрали, с редки изключения, не се публикуват.

Естествено, дадените цифри са обобщени, за конкретни двигатели те ще бъдат строго индивидуални. Освен това някои от тях са дадени в съответствие със стандартите на ISO, а реалните работни условия на двигателите се различават значително от стандартните.

Представената информация дава само качествена характеристика на двигателите и не може да се използва при избора на оборудване за конкретна електроцентрала. Някои коментари могат да бъдат дадени за всяка позиция на таблицата.

Енергийният пазар има много голям избор от двигатели със значителни разлики в техническите характеристики. Конкуренцията между двигателите от разглежданите типове е възможна само в диапазона на единична електрическа мощност до 16 MW. При по-високи мощности газотурбинните двигатели почти напълно заместват буталните двигатели.

Трябва да се има предвид, че всеки двигател има индивидуални характеристики и само те трябва да се използват при избора на тип задвижване. Това дава възможност да се формира съставът на основното оборудване на електроцентрала с даден капацитет в няколко варианта, вариращи преди всичко електрическата мощност и броя на необходимите двигатели. Универсалността затруднява избора на предпочитания тип двигател.

Относно ефективността на буталните и газотурбинните двигатели

Най-важната характеристика на всеки двигател в електроцентралите е ефективността на генериране на енергия (KPIe), която определя основния, но не и пълния обем на потребление на газ. Обработката на статистически данни за стойностите на ефективността дава възможност да се покажат ясно областите на приложение, в които според този показател един тип двигател има предимства пред друг.

Взаимното подреждане и конфигурация на трите избрани на фиг. 1 зони, в които има точкови изображения на стойностите на електрическата ефективност на различни двигатели, ни позволява да направим някои изводи:

• дори в рамките на един и същи тип двигатели с една и съща мощност има значително разсейване в стойностите на ефективността за генериране на електроенергия;
• с единична мощност над 16 MW, газотурбинните двигатели в комбиниран цикъл осигуряват стойност на КПД над 48% и имат монопол на пазара;
• електрическата ефективност на газотурбинните двигатели до 16 MW, работещи както в прости, така и в комбинирани цикли, е по-ниска (понякога много значително) от тази на буталните двигатели;
• газотурбинните двигатели с единична мощност до 1 MW, които се появиха наскоро на пазара, превъзхождат по ефективност двигатели с мощност 2-8 MW, които днес се използват най-често в електроцентрали;
• естеството на промяната в ефективността на газотурбинните двигатели има три зони: две с относително постоянна стойност - съответно 27 и 36% и една с променлива - от 27 до 36%; в рамките на две зони коефициентът на ефективност слабо зависи от електрическата мощност;
• стойността на КПД за генериране на електроенергия на буталните двигатели е в постоянна зависимост от тяхната електрическа мощност.

Тези фактори обаче не са причина да се даде приоритет на буталните двигатели. Дори ако електроцентралата ще произвежда само електрическа енергия, когато се сравняват опциите на оборудването с различни видове двигатели, ще е необходимо да се извършат икономически изчисления. Необходимо е да се докаже, че цената на спестения газ ще плати разликата в цената на буталните и газотурбинните двигатели, както и допълнителното оборудване за тях. Количеството спестен газ не може да се определи, ако е неизвестен режимът на работа на станцията за доставка на електроенергия през зимата и лятото. В идеалния случай, ако са известни необходимите електрически натоварвания - максимално (зимен работен ден) и минимално (лятна ваканция).

Използване както на електрическа, така и на топлинна енергия

Ако електроцентралата трябва да произвежда не само електрическа, но и топлинна енергия, тогава ще е необходимо да се определи от кои източници е възможно да се покрие потреблението на топлина. Като правило има два такива източника - използваната топлина на двигателите и/или котелното помещение.

При буталните двигатели се оползотворява топлината на охлаждащото масло, сгъстен въздух и отработени газове, при газови турбини - само топлината на отработените газове. Основното количество топлина се възстановява от отработените газове с помощта на отпадъчни топлообменници (UHE).

Количеството възстановена топлина до голяма степен зависи от режима на работа на двигателя за генериране на електричество и от климатичните условия. Неправилната оценка на режимите на работа на двигателя през зимата ще доведе до грешки при определяне на количеството използвана топлина и неправилен избор на инсталираната мощност на котелното помещение.

Графиките на фиг. 2 показват възможностите за регенериране на топлина от газотурбинни и бутални двигатели за целите на топлоснабдяването. Точките на кривите отговарят на данните на производителя за възможностите на наличното оборудване за рекуперация на топлина. На двигателя със същата електрическа мощност производителите инсталират различни UTO - въз основа на конкретни задачи.

Предимствата на газотурбинните двигатели по отношение на генерирането на топлина са неоспорими. Това е особено вярно за двигатели с електрическа мощност 2-10 MW, което се обяснява с относително ниската стойност на тяхната електрическа ефективност. С увеличаване на ефективността на газотурбинните двигатели количеството използвана топлина трябва неизбежно да намалява.

При избора на бутален двигател за захранване и топлоснабдяване на конкретно съоръжение, необходимостта от използване на котелна сграда като част от електроцентрала е почти извън съмнение. Работата на котелното изисква увеличаване на потреблението на газ над необходимото за генериране на електроенергия. Възниква въпросът как се различават разходите за газ за енергийното захранване на съоръжението, ако в единия случай се използват само газотурбинни двигатели с рекуперация на отработената топлина, а в другия случай се използват бутални двигатели с рекуперация на топлина и котелно помещение. Само след задълбочено проучване на характеристиките на потреблението на електрическа и топлинна енергия на обекта може да се отговори на този въпрос.

Ако приемем, че очакваната консумация на топлина на даден обект може да бъде напълно покрита от използваната топлина на газотурбинния двигател, а липсата на топлина при използване на бутален двигател се компенсира от котелното помещение, тогава е възможно да се идентифицира естеството от изменението на общия разход на газ за енергийното снабдяване на обекта.

Използвайки данните на фиг. 1 и 2 е възможно характерните точки на зоните, отбелязани на фиг. 1, получете информация за спестяване на газ или превишаване при използване на различни видове задвижващи механизми. Те са представени в таблицата:

Абсолютните стойности на спестяванията на газ са валидни само за конкретен обект, чиито характеристики са включени в изчислението, но общият характер на зависимостта е отразен правилно, а именно:
с относително близки стойности на електрическа ефективност (разлика до 10%), използването на бутални двигатели и котелно помещение води до прекомерен разход на гориво;

• с относително близки стойности на електрическа ефективност (разлика до 10%), използването на бутални двигатели и котелно помещение води до прекомерен разход на гориво;
• с разлика в стойностите на ефективността над 10%, работата на буталните двигатели и котелната ще изисква по-малко газ, отколкото при газотурбинните двигатели;
• има определен момент с максимална икономия на газ при използване на бутални двигатели и котелно помещение, където разликата между стойностите на ефективността на двигателите е 13-14%;
• колкото по-висока е ефективността на буталния двигател и колкото по-ниска е ефективността на газовата турбина, толкова по-големи са икономиите на газ.

Като добавка

Като правило задачата не се ограничава до избора на типа задвижване, изисква се да се определи съставът на основното оборудване на електроцентралата - вида на блоковете, техния брой, спомагателното оборудване.

Изборът на двигатели за производство на правилното количество електричество определя възможностите за генериране на рекуперирана топлина. В този случай е необходимо да се вземат предвид всички характеристики на промените в техническите характеристики на двигателя, свързани с климатичните условия, с естеството на електрическото натоварване, и да се определи ефектът от тези промени върху доставката на използвана топлина.

Също така трябва да се помни, че електроцентралата включва не само двигатели. На нейната площадка обикновено има повече от дузина спомагателни структури, чиято работа също влияе върху техническите и икономическите показатели на електроцентралата.

Както вече споменахме, от техническа гледна точка съставът на оборудването на електроцентралата може да се формира по няколко начина, така че окончателният му избор може да бъде оправдан само от икономическа гледна точка.

В същото време познаването на характеристиките на конкретните двигатели и тяхното влияние върху икономическите показатели на бъдеща електроцентрала е изключително важно. При извършване на икономически изчисления е неизбежно да се вземат предвид моторния ресурс, поддръжката, времето и цената на основния ремонт. Тези показатели също са индивидуални за всеки конкретен двигател, независимо от неговия тип.

Не може да се изключи влиянието на факторите на околната среда върху избора на типа двигатели за електроцентралата. Състоянието на атмосферата в района, където ще работи електроцентралата, може да бъде основен фактор при определянето на типа на двигателя (независимо от икономически съображения).

Както вече беше отбелязано, данни за цената на двигателите и базираните на тях електроцентрали не се публикуват. Производителите или доставчиците на оборудване се позовават на възможната разлика в конфигурацията, условията на доставка и други причини. Цените ще бъдат представени само след попълване на корпоративния въпросник. Следователно информацията в първата таблица, че цената на буталните двигатели с мощност до 3,5 MW е по-ниска от цената на газотурбинните двигатели със същата мощност, може да се окаже невярна.

Заключение

По този начин в класа на мощността на блока до 16 MW нито газотурбинните, нито буталните двигатели могат да бъдат дадени еднозначно предпочитание. Само задълбочен анализ на очакваните режими на работа на конкретна електроцентрала за производство на електрическа и топлинна енергия (като се вземат предвид характеристиките на конкретни двигатели и множество икономически фактори) напълно ще оправдае избора на тип двигател. Специализирана фирма може да определи състава на оборудването на професионално ниво.

Препратки

1. Габич А. Приложение на газотурбинни двигатели с ниска мощност в енергетиката // Газотурбинни технологии. 2003, бр. 6. С. 30-31.
2. Буров В. Д. Газотурбинни и газобутални електроцентрали с ниска мощност // Минно списание. 2004, специален брой. стр. 87-89,133.
3. Каталог на газотурбинното оборудване // Газотурбинни технологии. 2005. С. 208.
4. Салихов А. А., Фаткулин Р. М., Абрахманов Р. Р., Щаулов В. Ю. Развитие на мини-CHP с използване на газови бутални двигатели в Република Башкортостан. 2003, бр. 11. С. 24-30.

Тази статия, с незначителни промени, е взета от сп. "Турбини и дизели", № 1 (2) за 2006г.
Автор - В.П. Вершински, ООО "Газпроменергосервис".

Газова турбина е двигател, в който в процеса на непрекъсната работа основният орган на устройството (роторът) преобразува (в други случаи пара или вода) в механична работа. В този случай струята на работното вещество действа върху лопатките, фиксирани около обиколката на ротора, като ги привежда в движение. По посока на газовия поток турбините се разделят на аксиални (газът се движи успоредно на оста на турбината) или радиални (перпендикулярно движение спрямо същата ос). Има както едностепенни, така и многостепенни механизми.

Газова турбина може да действа върху лопатките по два начина. Първо, това е активен процес, когато газът се подава към работната зона с високи скорости. В този случай газовият поток има тенденция да се движи по права линия, а извитата част на острие, която стои на пътя му, го отклонява, като се завърта. Второ, това е процес от реактивен тип, когато скоростта на подаване на газ е ниска, но се използват високи налягания. тип в чист вид почти никога не се среща, тъй като в техните турбини присъства той, който действа върху лопатките заедно със силата на реакция.

Къде се използва днес газовата турбина? Принципът на действие на устройството позволява да се използва за задвижвания на генератори на електрически ток, компресори и др. Турбините от този тип намират широко приложение в транспорта (корабни газотурбинни инсталации). В сравнение с парните колеги, те имат сравнително малко тегло и размери, не изискват подреждане на котелно помещение, кондензатор.

Газовата турбина е готова за работа доста бързо след стартиране, развива пълна мощност за около 10 минути, лесна е за поддръжка, изисква малко вода за охлаждане. За разлика от двигателите с вътрешно горене, той няма инерционни ефекти от коляновия механизъм. един и половина пъти по-къс от дизеловите двигатели и повече от два пъти по-лек. Устройствата имат възможност да работят с нискокачествено гориво. Горните качества позволяват да се разглеждат двигатели от този вид от особен интерес за кораби и подводни криле.

Газовата турбина като основен компонент на двигателя има редица съществени недостатъци. Сред тях те отбелязват висок шум, по-малко от дизеловите двигатели, ефективност, кратък живот при високи температури (ако използваната газова среда има температура около 1100 ° C, тогава турбината може да се използва средно до 750 часа).

Ефективността на газовата турбина зависи от системата, в която се използва. Например устройствата, използвани в енергетиката с начална температура на газовете над 1300 градуса по Целзий, от въздуха в компресора не повече от 23 и не по-малко от 17, имат коефициент от около 38,5% по време на автономни операции. Такива турбини не са много разпространени и се използват главно за покриване на пикове на натоварване в електрически системи. Днес в редица топлоелектрически централи в Русия работят около 15 газови турбини с мощност до 30 MW. При многостепенните инсталации се постига много по-висок коефициент на ефективност (около 0,93) поради високата ефективност на конструктивните елементи.

Принципът на работа на газотурбинните инсталации

Фиг. 1. Схема на газотурбинен агрегат с едновалов газотурбинен двигател с прост цикъл

Чист въздух се подава към компресора (1) на газотурбинния силовия агрегат. Под високо налягане въздухът от компресора се изпраща в горивната камера (2), където се подава и основното гориво, газ. Сместа се запалва. При изгаряне на смес от газ и въздух се генерира енергия под формата на поток от горещи газове. Този поток се втурва с висока скорост към турбинното колело (3) и го върти. Кинетичната енергия на въртене през вала на турбината задвижва компресора и електрическия генератор (4). От клемите на генератора, генерираната електрическа енергия, обикновено през трансформатор, се изпраща към електрическата мрежа, към консуматорите на енергия.

Газовите турбини се описват с термодинамичния цикъл на Брайтън. Цикълът на Брайтън/Джоул е термодинамичен цикъл, който описва работните процеси на газотурбинни, турбореактивни и рамно-реактивни двигатели с вътрешно горене, както и газотурбинни двигатели с външно горене със затворен контур от газообразен (монофазен) работен флуид.

Цикълът е кръстен на американския инженер Джордж Брайтън, който е изобретил буталния двигател с вътрешно горене, който работи на този цикъл.

Понякога този цикъл се нарича още цикъл на Джаул – в чест на английския физик Джеймс Джоул, който установява механичния еквивалент на топлината.

Фиг.2. P,V циклова диаграма на Брайтън

Идеалният цикъл на Брайтън се състои от процеси:

• 1-2 Изентропична компресия.
• 2-3 Изобарна топлина.
• 3-4 Изентропично разширение.
• 4-1 Изобарно отвеждане на топлината.

Като се вземат предвид разликите между реалните адиабатни процеси на разширяване и свиване от изоентропичните, се конструира реален цикъл на Брайтън (1-2p-3-4p-1 на T-S диаграмата) (фиг. 3)

Фиг.3. Цикълна диаграма на T-S Brayton
Идеален (1-2-3-4-1)
Реално (1-2p-3-4p-1)

Топлинната ефективност на идеалния цикъл на Брайтън обикновено се изразява с формулата:

• където P = p2 / p1 - степента на повишаване на налягането в процеса на изоентропна компресия (1-2);
• k - индекс на адиабата (за въздух равен на 1,4)

Особено трябва да се отбележи, че този общоприет начин за изчисляване на ефективността на цикъла прикрива същността на протичащия процес. Ограничаващата ефективност на термодинамичния цикъл се изчислява чрез температурното съотношение по формулата на Карно:

• където T1 е температурата на хладилника;
• T2 - температура на нагревателя.

Точно същото температурно съотношение може да бъде изразено чрез съотношенията на налягането, използвани в цикъла, и индекса на адиабата:

По този начин ефективността на цикъла на Брайтън зависи от началната и крайната температура на цикъла точно по същия начин, както ефективността на цикъла на Карно. При безкрайно малко нагряване на работния флуид по линията (2-3), процесът може да се счита за изотермичен и напълно еквивалентен на цикъла на Карно. Количеството нагряване на работния флуид Т3 в изобарния процес определя количеството работа, свързано с количеството на работния флуид, използвано в цикъла, но по никакъв начин не влияе на топлинната ефективност на цикъла. Въпреки това, при практическото изпълнение на цикъла, нагряването обикновено се извършва до възможно най-високите стойности, ограничени от топлоустойчивостта на използваните материали, за да се сведе до минимум размерът на механизмите, които компресират и разширяват работния флуид.

На практика триенето и турбуленцията причиняват:

• Неадиабатична компресия: за дадено общо съотношение на налягането температурата на изпускане на компресора е по-висока от идеалната.
• Неадиабатно разширение: въпреки че температурата на турбината пада до нивото, необходимо за работа, компресорът не се влияе, съотношението на налягането е по-високо, в резултат на което разширението не е достатъчно, за да осигури полезна работа.
• Загуби на налягане във всмукателния въздух, горивната камера и изхода: в резултат на това разширението не е достатъчно, за да осигури полезна работа.

Както при всички циклични топлинни двигатели, колкото по-висока е температурата на горене, толкова по-висока е ефективността. Ограничаващият фактор е способността на стоманата, никела, керамиката или други материали, които изграждат двигателя, да издържат на топлина и налягане. Голяма част от инженерната работа е насочена към отстраняване на топлината от части на турбината. Повечето турбини също се опитват да възстановят топлината от отработените газове, които иначе се губят.

Рекуператорите са топлообменници, които пренасят топлина от отработените газове към сгъстен въздух преди изгаряне. При комбиниран цикъл топлината се предава към системите на парната турбина. А в комбинираната топлина и електроенергия (CHP), отпадната топлина се използва за производство на топла вода.

Механично газовите турбини могат да бъдат значително по-прости от буталните двигатели с вътрешно горене. Простите турбини могат да имат една подвижна част: вал/компресор/турбина/променлив ротор (вижте изображението по-долу), без горивната система.

Фиг.4. Тази машина има едностепенен радиален компресор,
турбина, рекуператор и въздушни лагери.

По-сложните турбини (тези, които се използват в съвременните реактивни двигатели) могат да имат множество валове (намотки), стотици турбинни лопатки, движещи се лопатки на статора и обширна система от сложни тръбопроводи, горивни камери и топлообменници.

Като общо правило, колкото по-малък е двигателят, толкова по-висока е скоростта на вала(ите), необходима за поддържане на максималната линейна скорост на лопатките.

Максималната скорост на лопатките на турбината определя максималното налягане, което може да бъде достигнато, което води до максимална мощност, независимо от размера на двигателя. Реактивният двигател се върти с около 10 000 об/мин, а микротурбината с около 100 000 об/мин.