Кой първи описа принципа на работа на газова турбина. Принципът на работа на GTU. Какъв може да бъде ресурсът на инсталацията преди основен ремонт

Разработването на нови видове газови турбини, нарастващото търсене на газ в сравнение с други видове гориво, мащабните планове на промишлените потребители за създаване на собствени мощности предизвикват нарастващ интерес към изграждането на газови турбини.

РПазарът на малко поколение има големи перспективи за развитие. Експертите прогнозират увеличение на търсенето на разпределена енергия от 8% (в момента) до 20% (до 2020 г.). Тази тенденция се обяснява с относително ниската тарифа за електроенергия (2-3 пъти по-ниска от тарифата за електроенергия от централизираната мрежа). Освен това, според Максим Загорнов, член на общия съвет на Деловая Россия, президент на Асоциацията на дребномащабното производство на електроенергия на Урал, директор на групата компании MKS, малкото производство е по-надеждно от мрежата: в в случай на авария във външната мрежа, доставката на електроенергия не спира. Допълнително предимство на децентрализираната енергия е скоростта на въвеждане в експлоатация: 8-10 месеца, за разлика от 2-3 години за създаване и свързване на мрежови линии.

Денис Черепанов, съпредседател на комисията по енергетика на Деловая Россия, твърди, че бъдещето принадлежи на собственото поколение. Според Сергей Есяков, първи заместник-председател на комисията по енергетика на Държавната дума, в случай на разпределена енергия във веригата енергия-потребител, решаващата връзка е потребителят, а не енергийният сектор. Със собственото си производство на електроенергия потребителят декларира необходимите мощности, конфигурации и дори вида на горивото, като в същото време спестява цената на получен киловат енергия. Освен всичко друго, експертите смятат, че могат да се постигнат допълнителни спестявания, ако електроцентралата работи в режим на комбинирано производство: използваната топлинна енергия ще се използва за отопление. Тогава периодът на изплащане на електроцентралата ще бъде значително намален.

Най-активно развиващата се област на разпределена енергия е изграждането на газотурбинни електроцентрали с малък капацитет. Газотурбинните електроцентрали са предназначени за работа при всякакви климатични условия като основен или резервен източник на електроенергия и топлина за промишлени и битови съоръжения. Използването на такива електроцентрали в отдалечени райони ви позволява да постигнете значителни спестявания, като елиминирате разходите за изграждане и експлоатация на дълги електропроводи, а в централни райони - да увеличите надеждността на електро- и топлоснабдяването както на отделни предприятия и организации, така и на територии като цяло. Помислете за някои газови турбини и газотурбинни агрегати, които се предлагат от известни производители за изграждане на газотурбинни електроцентрали на руския пазар.

General Electric

Решенията за вятърни турбини на GE са много надеждни и подходящи за приложения в широк спектър от индустрии, от нефт и газ до комунални услуги. По-специално, газотурбинните агрегати GE от фамилията LM2500 с мощност от 21 до 33 MW и ефективност до 39% се използват активно в малко поколение. LM2500 се използва като механично задвижване и задвижване на електрогенератор, те работят в електроцентрали в прост, комбиниран цикъл, режим на когенерация, офшорни платформи и тръбопроводи.

През последните 40 години турбините на GE от тази серия са най-продаваните турбини в своя клас. Общо в света са инсталирани над 2000 турбини от този модел с общо време на работа от над 75 милиона часа.

Основни характеристики на турбините LM2500: лек и компактен дизайн за бърз монтаж и лесна поддръжка; достигане на пълна мощност от момента на стартиране за 10 минути; висока ефективност (в прост цикъл), надеждност и наличност в своя клас; възможността за използване на горивни камери с двойно гориво за дестилат и природен газ; възможността за използване на керосин, пропан, коксов газ, етанол и LNG като гориво; ниски емисии на NOx при използване на DLE или SAC горивни камери; коефициент на надеждност - повече от 99%; коефициент на готовност - повече от 98%; Емисии на NOx - 15 ppm (DLE модификация).

За да предостави на клиентите си надеждна поддръжка през целия жизнен цикъл на генериращото оборудване, GE откри специализиран център за енергийни технологии в Калуга. Предлага на клиентите най-съвременни решения за поддръжка, инспекция и ремонт на газови турбини. Компанията има внедрена система за управление на качеството в съответствие с ISO 9001.

Kawasaki Heavy Industries

Японската компания Kawasaki Heavy Industries, Ltd. (KHI) е диверсифицирана инженерингова компания. Важно място в производствената му програма заемат газовите турбини.

През 1943 г. Kawasaki създава първия газотурбинен двигател в Япония и сега е един от световно признатите лидери в производството на газови турбини с малка и средна мощност, като е натрупал референции за повече от 11 000 инсталации.

С екологичността и ефективността като приоритет, компанията постигна голям успех в развитието на технологиите за газови турбини и активно преследва обещаващи разработки, включително в областта на новите енергийни източници като алтернатива на изкопаемите горива.

Имайки добър опит в криогенните технологии, технологиите за производство, съхранение и транспортиране на втечнени газове, Kawasaki провежда активна научноизследователска и развойна дейност в областта на водорода като гориво.

По-специално, компанията вече има прототипи на турбини, които използват водород като добавка към метановото гориво. В бъдеще се очакват турбини, за които, много по-енергийно ефективен и абсолютно екологичен, водородът ще замени въглеводородите.

GTU Kawasaki GPB серияса предназначени за работа с базово натоварване, включително както успоредни, така и изолирани схеми на взаимодействие в мрежата, докато обхватът на мощността е базиран на машини от 1,7 до 30 MW.

В моделната гама има турбини, които използват впръскване на пара за потискане на вредните емисии и използват DLE технология, модифицирана от инженерите на компанията.

Електрическа ефективност, в зависимост от цикъла на генериране и мощността, съответно от 26,9% за GPB17 и GPB17D (турбини M1A-17 и M1A-17D) до 40,1% за GPB300D (турбина L30A). Електрическа мощност - от 1700 до 30 120 kW; топлинна мощност - от 13 400 до 8970 kJ / kWh; температура на отработените газове - от 521 до 470°C; разход на отработени газове - от 29,1 до 319,4 хил. m3/h; NOx (при 15% O2) - 9/15 ppm за газови турбини M1A-17D, M7A-03D, 25 ppm за турбина M7A-02D и 15 ppm за турбини L20A и L30A.

По отношение на ефективността, газовите турбини на Kawasaki, всяка в своя клас, са или световен лидер, или един от лидерите. Общата топлинна ефективност на блоковете в когенерационни конфигурации достига 86-87%. Компанията произвежда редица GTU във версии с двойно гориво (природен газ и течно гориво) с автоматично превключване. В момента три модела газови турбини са най-търсени сред руските потребители - GPB17D, GPB80D и GPB180D.

Газовите турбини Kawasaki се отличават с: висока надеждност и дълъг експлоатационен живот; компактен дизайн, който е особено атрактивен при подмяна на оборудване на съществуващи производствени мощности; лекота на поддръжка поради разделената конструкция на корпуса, подвижни горелки, оптимално разположени ревизионни отвори и др., което опростява проверката и поддръжката, включително от персонала на потребителя;

Екологичност и икономичност. Горивните камери на турбините на Kawasaki са проектирани с помощта на най-модерните техники за оптимизиране на горивния процес и постигане на най-добра ефективност на турбината, както и за намаляване на NOx и други вредни вещества в отработените газове. Екологичните характеристики също се подобряват чрез използването на усъвършенствана технология за потискане на сухи емисии (DLE);

Възможност за използване на широка гама от горива. Могат да се използват природен газ, керосин, дизелово гориво, леки горива тип А, както и свързан нефтен газ;

Надеждно следпродажбено обслужване. Високо ниво на обслужване, включително безплатна онлайн система за наблюдение (TechnoNet) с отчети и прогнози, техническа поддръжка от висококвалифициран персонал, както и смяна на газотурбинен двигател по време на основен ремонт (времето на престой на GTU е намалено до 2- 3 седмици) и др. .d.

През септември 2011 г. Kawasaki представи най-съвременна система за горивна камера, която намалява емисиите на NOx до по-малко от 10 ppm за газотурбинния двигател M7A-03, дори по-ниско, отколкото изискват настоящите разпоредби. Един от проектантските подходи на компанията е да създаде ново оборудване, което да отговаря не само на модерните, но и на бъдещите, по-строги изисквания за екологична ефективност.

Високо ефективната 5 MW газова турбина GPB50D с турбина Kawasaki M5A-01D използва най-новите доказани технологии. Високата ефективност на централата я прави оптимална за електричество и комбинирано производство. Също така, компактният дизайн на GPB50D е особено изгоден при надграждане на съществуващи инсталации. Номиналната електрическа ефективност от 31,9% е най-добрата в света сред 5 MW централи.

Турбината M1A-17D, чрез използването на оригинален дизайн на горивната камера със сухо потискане на емисиите (DLE), има отлични екологични характеристики (NOx< 15 ppm) и эффективности.

Свръх ниското тегло на турбината (1470 кг), най-ниското в класа, се дължи на широкото използване на композитни материали и керамика, от които са направени например лопатките на работното колело. Керамиката е по-устойчива на работа при повишени температури, по-малко податлива на замърсяване от металите. Газовата турбина има електрическа ефективност близо 27%.

В Русия досега Kawasaki Heavy Industries, Ltd. реализира редица успешни проекти в сътрудничество с руски компании:

Мини-ТЕЦ "Централен" във Владивосток

По поръчка на JSC Далекоизточна компания за управление на енергията (JSC DVEUK) 5 GTU GPB70D (M7A-02D) бяха доставени на ТЕЦ Централна. Станцията осигурява електричество и топлина на потребителите в централната част на развитието на остров Руски и кампуса на Далекоизточния федерален университет. ТЕЦ Централна е първото енергийно съоръжение в Русия с турбини на Kawasaki.

Мини-CHP "Oceanarium" във Владивосток

Този проект е реализиран и от АД "ДВЕУК" за електрозахранването на намиращия се на острова научно-образователен комплекс "Приморски океанариум". Бяха доставени две газови турбини GPB70D.

GTU, произведен от Kawasaki в Gazprom PJSC

Руският партньор на Kawasaki, MPP Energotechnika LLC, базиран на газовата турбина M1A-17D, произвежда контейнерна електроцентрала Korvette 1.7K за монтаж на открити площи с диапазон на температурата на околната среда от -60 до + 40 °С.

В рамките на споразумението за сътрудничество бяха разработени и сглобени пет ЕГТЕПС КОРВЕТ-1.7К в производствените мощности на МПП Енерготехника. Зоните на отговорност на компаниите в този проект бяха разпределени както следва: Kawasaki доставя газотурбинния двигател M1A-17D и системите за управление на турбината, Siemens AG доставя високоволтовия генератор. MPP Energotehnika LLC произвежда блок контейнер, устройство за изпускане и всмукване на въздух, система за управление на захранващия блок (включително системата за възбуждане SHUVGM), електрическо оборудване - основно и спомагателно, завършва всички системи, сглобява и доставя цялостна електроцентрала, а също така продава АСУ ТП.

EGTES Korvet-1.7K е преминал междуведомствени тестове и се препоръчва за използване в съоръженията на Газпром PJSC. Газотурбинният агрегат е разработен от MPP Energotechnika LLC в съответствие с техническото задание на PJSC Gazprom в рамките на Програмата за научно и техническо сътрудничество на PJSC Gazprom и Японската агенция за природни ресурси и енергетика.

Турбина за ПГУ 10 MW в НРУ ​​МПИ

Kawasaki Heavy Industries Ltd., произведе и достави цялостна газотурбинна инсталация GPB80D с номинална мощност 7,8 MW за Националния изследователски университет „MPEI” в Москва. CHP MPEI е практическо обучение и, произвеждайки електрическа и топлинна енергия в промишлен мащаб, ги предоставя на самия Московски енергиен институт и ги доставя на комуналните мрежи на Москва.

Разширяване на географията на проектите

Kawasaki, обръщайки внимание на предимствата на развитието на местната енергия в посока на разпределено производство, предложи да започне реализация на проекти, използващи газови турбини с минимален капацитет.

Mitsubishi Hitachi Power Systems

Моделната гама турбини H-25 е представена в диапазона на мощността от 28-41 MW. Пълният пакет от производство на турбини, включително R&D и център за дистанционно наблюдение, се извършва в завода в Hitachi, Япония от MHPS (Mitsubishi Hitachi Power Systems Ltd.). Образуването му се пада на февруари 2014 г. поради сливането на производствените сектори на признатите лидери в машиностроенето Mitsubishi Heavy Industries Ltd. и Хитачи ООД

Моделите H-25 са широко използвани по целия свят както за обикновен цикъл поради висока ефективност (34-37%), така и за комбиниран цикъл в конфигурация 1x1 и 2x1 с ефективност 51-53%. Притежавайки високотемпературни показатели на отработените газове, GTU успешно се е доказал и в режим на комбинирано производство с обща ефективност на инсталацията над 80%.

Дългогодишният опит в производството на газови турбини за широк спектър от мощности и добре обмисленият дизайн на индустриална турбина с един вал отличават N-25 с висока надеждност с коефициент на наличност на оборудването над 99%. Общото време на работа на модела надхвърли 6,3 милиона часа през втората половина на 2016 г. Съвременната газова турбина е изработена с хоризонтално аксиално разделяне, което гарантира нейната лекота на поддръжка, както и възможност за подмяна на части от горещия път при мястото на операцията.

Противоточната тръбно-пръстеновидна горивна камера осигурява стабилно горене на различни видове гориво, като природен газ, дизелово гориво, втечнен нефтен газ, димни газове, коксов газ и др. предварително смесване на газовъздушната смес (DLN). Газотурбинният двигател H-25 е 17-степенен аксиален компресор, свързан с тристепенна активна турбина.

Пример за надеждна работа на N-25 GTU в малки производствени мощности в Русия е работата като част от когенерационен блок за собствени нужди на завода Ammoniy JSC в Менделеевск, Република Татарстан. Когенерационният блок осигурява на производствената площадка 24 MW електроенергия и 50 t/h пара (390°C / 43 kg/cm3). През ноември 2017 г. на обекта беше успешно извършена първата проверка на горивната система на турбината, която потвърди надеждната работа на машинните компоненти и възли при високи температури.

В нефтения и газовия сектор N-25 GTU бяха използвани за експлоатация на обекта на Sakhalin II Onshore Processing Facility (OPF) на Sakhalin Energy Investment Company, Ltd. OPF се намира на 600 км северно от Южно-Сахалинск в зоната на сушата на морския газопровод и е едно от най-важните съоръжения на компанията, отговорно за подготовката на газ и кондензат за последващо пренасяне по тръбопровод до терминала за износ на нефт и завода за втечнен природен газ. . Технологичният комплекс включва четири газови турбини N-25, които са в търговска експлоатация от 2008 г. Когенерационният блок на базата на N-25 GTU е максимално интегриран в интегрираната енергийна система на OPF, по-специално топлината от отработените газове на турбината се използва за нагряване на суров нефт за нуждите на рафинирането на нефт .

Индустриалните газотурбинни генераторни установки на Siemens (наричани по-долу GTU) ще помогнат да се справят с трудностите на динамично развиващия се пазар на разпределено производство. Газовите турбини с единична номинална мощност от 4 до 66 MW напълно отговарят на високите изисквания в областта на промишленото комбинирано производство на енергия, по отношение на ефективност на инсталацията (до 90%), експлоатационна надеждност, гъвкавост на обслужване и безопасност на околната среда, осигурявайки нисък живот разходи за цикъл и висока възвръщаемост на инвестицията. Опитът на Siemens в изграждането на индустриални газови турбини и изграждането на топлоелектрически централи на тяхна основа има повече от 100 години.

GTU на Siemens, вариращи от 4 до 66 MW, се използват от малки комунални услуги, независими производители на електроенергия (напр. промишлени предприятия) и нефтената и газовата индустрия. Използването на технологии за разпределено производство на електрическа енергия с комбинирано производство на топлинна енергия дава възможност да се откаже от инвестиране в много километри електропроводи, като се сведе до минимум разстоянието между източника на енергия и съоръжението, което го консумира, и да се постигнат сериозни икономии на разходи чрез покриване отоплението на промишлени предприятия и инфраструктурни съоръжения чрез рекуперация на топлина. Стандартна Mini-TPP, базирана на Siemens GTU, може да бъде построена навсякъде, където има достъп до източник на гориво или неговото бързо доставяне.

SGT-300 е индустриална газова турбина с номинална електрическа мощност от 7,9 MW (виж Таблица 1), която съчетава прост, надежден дизайн с най-новите технологии.

Таблица 1. Спецификации на SGT-300 за механично задвижване и производство на енергия

1) Електрически 2) Монтиран на вала

Ориз. 1. Конструкция на газогенератора SGT-300

За промишлено производство на електроенергия се използва едновалов вариант на газовата турбина SGT-300 (виж фиг. 1). Той е идеален за комбинирано производство на топлина и електроенергия (CHP). Газовата турбина SGT-300 е индустриална газова турбина, първоначално проектирана за производство и има следните оперативни предимства за работещи организации:

Електрически КПД - 31%, което е средно с 2-3% по-високо от КПД на газови турбини с по-ниска мощност, поради по-високата стойност на КПД се постига икономически ефект за пестене на горивен газ;

Газогенераторът е оборудван с нискоемисионна суха горивна камера по DLE технология, която позволява да се постигнат нива на емисии на NOx и CO, които са повече от 2,5 пъти по-ниски от установените в нормативните документи;

GTP има добри динамични характеристики поради едноваловия си дизайн и осигурява стабилна работа на генератора при колебания в натоварването на външната свързана мрежа;

Промишленият дизайн на газовата турбина осигурява дълъг експлоатационен живот и е оптимален по отношение на организирането на сервизната работа, която се извършва на обекта на експлоатация;

Значително намаляване на отпечатъка на сградата, както и на инвестиционните разходи, включително закупуването на механично и електрическо оборудване за цялото предприятие, неговото инсталиране и пускане в експлоатация, когато се използва решение на базата на SGT-300 (фиг. 2).

Ориз. 2. Тегло-размерни характеристики на блока SGT-300

Общото време на работа на монтирания парк на SGT-300 е повече от 6 милиона часа, като времето на работа на водещия GTU е 151 хил. часа Съотношение наличност/наличност - 97,3%, коефициент на надеждност - 98,2%.

OPRA (Холандия) е водещ доставчик на енергийни системи, базирани на газови турбини. OPRA разработва, произвежда и предлага на пазара най-съвременни газотурбинни двигатели около 2 MW. Основната дейност на компанията е производство на електроенергия за нефтената и газовата промишленост.

Надеждният двигател OPRA OP16 осигурява по-висока производителност при по-ниска цена и по-дълъг живот от всяка друга турбина в своя клас. Двигателят работи с няколко вида течни и газообразни горива. Има модификация на горивната камера с намалено съдържание на замърсители в отработените газове. Електроцентралата OPRA OP16 1,5-2,0 MW ще бъде надежден помощник в тежки условия на работа.

Газовите турбини OPRA са идеалното оборудване за производство на електроенергия в електрически и малки когенерационни системи извън мрежата. Дизайнът на турбината се разработва повече от десет години. Резултатът е прост, надежден и ефективен газотурбинен двигател, включително модел с ниски емисии.

Отличителна черта на технологията за преобразуване на химическа енергия в електрическа енергия в OP16 е патентованата COFAR система за приготвяне и контрол на подаването на горивна смес, която осигурява режими на горене с минимално образуване на азотни и въглеродни оксиди, както и минимум неизгорели остатъци от гориво. Патентованата геометрия на радиалната турбина и като цяло конзолната конструкция на сменяемия патрон, включително вал, лагери, центробежен компресор и турбина, също са оригинални.

Специалистите на ОПРА и МОН Инженеринг разработиха концепцията за създаване на уникален единен технически комплекс за преработка на отпадъци. От 55-60 милиона тона от всички ТБО, генерирани в Русия годишно, една пета - 11,7 милиона тона - се пада на столичния регион (3,8 милиона тона - Московска област, 7,9 милиона тона - Москва). В същото време 6,6 милиона тона битови отпадъци се извозват от Москва извън околовръстния път на Москва. Така повече от 10 милиона тона боклук се утаяват в Московска област. От 2013 г. от 39 депа в Московска област са закрити 22. Те трябва да бъдат заменени от 13 комплекса за сортиране на отпадъци, които ще бъдат пуснати в експлоатация през 2018-2019 г., както и четири инсталации за изгаряне на отпадъци. Същата ситуация се наблюдава и в повечето други региони. Изграждането на големи заводи за преработка на отпадъци обаче не винаги е изгодно, така че проблемът с преработката на отпадъците е много актуален.

Разработената концепция за единен технически комплекс съчетава изцяло радиални OPRA инсталации с висока надеждност и ефективност със системата за газификация / пиролиза на MES, която позволява ефективно преобразуване на различни видове отпадъци (включително ТБО, нефтени утайки, замърсена земя, биологични и медицински отпадъци, отпадъци от дървообработване, траверси и др.) в отлично гориво за генериране на топлина и електричество. В резултат на дългогодишно сътрудничество е проектиран и в процес на изпълнение стандартизиран комплекс за преработка на отпадъци с капацитет 48 т/ден. (фиг. 3).

Ориз. 3. Общо устройство на стандартен комплекс за преработка на отпадъци с капацитет 48 т/ден.

Комплексът включва блок за газификация на МЕС със склад за отпадъци, две газови турбини OPRA с обща електрическа мощност 3,7 MW и топлинна мощност 9 MW, както и различни спомагателни и защитни системи.

Внедряването на такъв комплекс дава възможност на площ от 2 хектара да се получи възможност за автономно енергийно и топлоснабдяване на различни промишлени и комунални съоръжения, като същевременно се реши въпросът за рециклиране на различни видове битови отпадъци.

Разликите между разработения комплекс и съществуващите технологии произтичат от уникалната комбинация от предлаганите технологии. Малките (2 t / h) обеми на консумираните отпадъци, заедно с малката необходима площ на обекта, правят възможно поставянето на този комплекс непосредствено в близост до малки населени места, промишлени предприятия и т.н., значително спестявайки пари за постоянно транспортиране на отпадъци до местата им за депониране. Пълната автономност на комплекса ви позволява да го разположите почти навсякъде. Използването на разработения стандартен проект, модулни конструкции и максимална степен на заводска готовност на оборудването позволява да се сведе до минимум времето за строителство до 1-1,5 години. Използването на нови технологии гарантира най-високата екологичност на комплекса. Уредът за газификация на MES едновременно произвежда газови и течни фракции гориво, като поради двугоривната природа на OPRA GTU те се използват едновременно, което повишава гъвкавостта на горивото и надеждността на захранването. Ниските изисквания на OPRA GTU към качеството на горивото повишават надеждността на цялата система. Устройството MES позволява използването на отпадъци със съдържание на влага до 85%, следователно не е необходимо сушене на отпадъци, което повишава ефективността на целия комплекс. Високата температура на отработените газове на OPRA GTU позволява да се осигури надеждно топлоснабдяване с топла вода или пара (до 11 тона пара на час при 12 бара). Проектът е стандартен и мащабируем, което позволява изхвърляне на всякакви количества отпадъци.

Изчисленията показват, че цената на производството на електроенергия ще бъде от 0,01 до 0,03 евро за 1 kWh, което показва високата икономическа ефективност на проекта. Така компанията OPRA за пореден път потвърди фокуса си върху разширяване на гамата от използвани горива и повишаване на гъвкавостта на горивата, както и фокусиране върху максималното използване на „зелени“ технологии в своето развитие.

Турбината е всяко въртящо се устройство, което използва енергията на движеща се работен флуид (флуид), за да произвежда работа. Типичните флуиди за турбини са: вятър, вода, пара и хелий. Вятърните мелници и водноелектрическите централи са използвали турбини от десетилетия, за да въртят електрически генератори и да произвеждат енергия за промишлеността и жилищата. Простите турбини са известни много по-дълго, първата от тях се появява в древна Гърция.

В историята на производството на електроенергия обаче самите газови турбини се появяват не толкова отдавна. Първата практична газова турбина започва да произвежда електричество в Нюшател, Швейцария през 1939 г. Той е разработен от Brown Boveri Company. Първата газова турбина за захранване на самолет също работи през 1939 г. в Германия, използвайки газова турбина, проектирана от Ханс П. фон Охайн. В Англия през 30-те години на миналия век изобретяването и проектирането на газовата турбина от Франк Уитъл доведе до първия полет с турбина през 1941 г.

Фигура 1. Схема на самолетна турбина (а) и газова турбина за наземно използване (б)

Терминът "газова турбина" е лесно подвеждащ, защото за мнозина означава турбинен двигател, който използва газ като гориво. Всъщност газовата турбина (показана схематично на фигура 1) има компресор, който доставя и компресира газ (обикновено въздух); горивната камера, където изгарянето на горивото загрява компресирания газ и самата турбина, която извлича енергия от потока на горещи, сгъстени газове. Тази енергия е достатъчна за захранване на компресора и остава за полезни приложения. Газовата турбина е двигател с вътрешно горене (ICE), който използва непрекъснатото изгаряне на гориво, за да произвежда полезна работа. По това турбината се различава от карбураторните или дизеловите двигатели с вътрешно горене, където горивният процес е периодичен.

Тъй като използването на газови турбини започва през 1939 г. по едно и също време в енергетиката и в авиацията, различни имена се използват за авиационни и наземни газови турбини. Авиационните газови турбини се наричат ​​турбореактивни или реактивни двигатели, а другите газови турбини се наричат ​​газотурбинни двигатели. На английски има още повече имена за тези, като цяло, двигатели от същия тип.

Използване на газови турбини

При турбореактивен самолет енергията от турбината задвижва компресор, който изтегля въздух в двигателя. Горещият газ, напускащ турбината, се изхвърля в атмосферата през изпускателната дюза, която създава тяга. На фиг. 1а показва диаграма на турбореактивен двигател.

Фигура 2. Схематично представяне на турбореактивен двигател на самолета.

Типичен турбореактивен двигател е показан на фиг. 2. Такива двигатели създават тяга от 45 kgf до 45 000 kgf с собствено тегло от 13 kg до 9 000 kg. Най-малките двигатели задвижват крилати ракети, най-големите - огромни самолети. Газовата турбина на фиг. 2 е турбовентилатор с компресор с голям диаметър. Тягата се създава както от въздуха, който се засмуква от компресора, така и от въздуха, който преминава през самата турбина. Двигателят е голям и способен да генерира висока тяга при ниски скорости на излитане, което го прави най-подходящ за търговски самолети. Турбореактивният двигател няма вентилатор и създава тяга с въздух, който преминава изцяло през газовия път. Турбореактивните двигатели имат малки предни размери и произвеждат най-голяма тяга при високи скорости, което ги прави най-подходящи за използване в бойни самолети.

При неавиационни газови турбини част от енергията от турбината се използва за задвижване на компресора. Останалата енергия - "полезна енергия" се отстранява от вала на турбината чрез устройство за оползотворяване на енергия като електрически генератор или корабно витло.

Типична наземна газова турбина е показана на фиг. 3. Такива инсталации могат да генерират енергия от 0,05 MW до 240 MW. Настройката, показана на фиг. 3 е газова турбина, получена от самолета, но по-лека. По-тежките агрегати са проектирани специално за използване на земята и се наричат ​​индустриални турбини. Въпреки че произведените от самолети турбини все повече се използват като основни генератори на енергия, те все още се използват най-често като компресори за изпомпване на природен газ, захранване на кораби и използвани като допълнителни генератори на енергия по време на периоди на пиково търсене. Газовите турбинни генератори могат да се включват бързо, доставяйки енергия, когато е най-необходима.

Фигура 3. Най-простата, едностепенна, наземна газова турбина. Например в енергетиката. 1 - компресор, 2 - горивна камера, 3 - турбина.

Най-важните предимства на газовата турбина са:

1. Той е в състояние да генерира много енергия с относително малък размер и тегло.
2. Газовата турбина работи в режим на постоянно въртене, за разлика от буталните двигатели, работещи с постоянно променящи се товари. Следователно турбините издържат дълго време и изискват относително малко поддръжка.
3. Въпреки че газовата турбина се стартира с помощта на спомагателно оборудване като електрически двигатели или друга газова турбина, стартирането отнема минути. За сравнение, времето за стартиране на парна турбина се измерва в часове.
4. Газова турбина може да използва различни горива. Големите наземни турбини обикновено използват природен газ, докато авиационните турбини са склонни да използват леки дестилати (керосин). Може да се използва и дизелово гориво или специално обработено мазут. Възможно е да се използват и горими газове от процеса на пиролиза, газификация и рафиниране на нефт, както и биогаз.
5. Обикновено газовите турбини използват атмосферен въздух като работен флуид. Когато произвежда електричество, газовата турбина не се нуждае от охлаждаща течност (като вода).

В миналото един от основните недостатъци на газовите турбини беше тяхната ниска ефективност в сравнение с други двигатели с вътрешно горене или парни турбини в електроцентрали. Въпреки това, през последните 50 години подобренията в техния дизайн са увеличили топлинната ефективност от 18% през 1939 г. на газова турбина Neuchatel до сегашната ефективност от 40% при обикновен цикъл и около 55% в комбиниран цикъл (повече за това по-долу) . В бъдеще ефективността на газовите турбини ще се увеличи още повече, като се очаква ефективността да се повиши до 45-47% в простия цикъл и до 60% в комбинирания цикъл. Тази очаквана ефективност е значително по-висока в сравнение с други обичайни двигатели като парни турбини.

Цикли на газови турбини

Диаграмата на последователността показва какво се случва, когато въздухът влезе, премине през газовия път и излезе от газовата турбина. Обикновено циклограмата показва връзката между обема на въздуха и налягането в системата. На фиг. 4а показва цикъла на Брайтън, който показва промяната в свойствата на фиксиран обем въздух, преминаващ през газова турбина по време на нейната работа. Основните области на тази циклограма също са показани в схематичното изображение на газовата турбина на фиг. 4б.

Фигура 4а. Цикълна диаграма на Брайтън в P-V координати за работния флуид, показваща потоците на работа (W) и топлина (Q).

Фигура 4b. Схематична илюстрация на газова турбина, показваща точки от цикловата диаграма на Брайтън.

Въздухът се компресира от точка 1 до точка 2. Налягането на газа се увеличава, докато обемът на газа намалява. След това въздухът се нагрява при постоянно налягане от точка 2 до точка 3. Тази топлина се произвежда от горивото, което се въвежда в горивната камера и гори непрекъснато.

Горещият сгъстен въздух от точка 3 започва да се разширява между точки 3 и 4. Налягането и температурата в този интервал падат, а обемът на газа се увеличава. В двигателя на фиг. 4b, това е представено от потока на газ от точка 3 през турбината до точка 4. Това произвежда енергия, която след това може да се използва. На фиг. 1а, потокът е насочен от точка 3" към точка 4 през изходната дюза и създава тяга. "Полезна работа" на фиг. 4а е показана с крива 3'-4. Това е енергията, способна да задвижи задвижващия вал на земна турбина или създаване на тяга за двигател на самолета Цикъл Брайтън завършва на фиг. 4 с процес, при който обемът и температурата на въздуха намаляват с отделянето на топлина в атмосферата.

Фигура 5. Система със затворена верига.

Повечето газови турбини работят в режим на отворен цикъл. При отворен кръг въздухът се взема от атмосферата (точка 1 на фиг. 4а и 4б) и се изхвърля обратно в атмосферата в точка 4, така че горещият газ се охлажда в атмосферата, след като бъде изхвърлен от двигателя. В газова турбина, работеща в затворен цикъл, работният флуид (течност или газ) се използва постоянно за охлаждане на отработените газове (в точка 4) в топлообменника (показан схематично на фиг. 5) и се изпраща към входа на компресора . Тъй като се използва затворен обем с ограничено количество газ, турбината със затворен цикъл не е двигател с вътрешно горене. В система със затворен цикъл, горенето не може да се поддържа и конвенционалната горивна камера се заменя с вторичен топлообменник, който загрява сгъстен въздух, преди да влезе в турбината. Топлината се осигурява от външен източник, като ядрен реактор, пещ с кипящ слой на въглища или друг източник на топлина. Беше предложено да се използват газови турбини със затворен цикъл при полети до Марс и други дългосрочни космически полети.

Газова турбина, която е проектирана и работи в съответствие с цикъла на Брайсън (Фигура 4), се нарича газова турбина с обикновен цикъл. Повечето газови турбини на самолети работят на прост цикъл, за да поддържат теглото и предния размер на двигателя възможно най-малки. Въпреки това, за използване на суша или море, става възможно да се добави допълнително оборудване към обикновената циклична турбина, за да се повиши ефективността и/или мощността на двигателя. Използват се три вида модификации: регенерация, междинно охлаждане и двойно нагряване.

Регенерацияпредвижда монтаж на топлообменник (рекуператор) по пътя на отработените газове (точка 4 на фиг. 4б). Сгъстен въздух от точка 2 на фиг. 4b се загрява предварително на топлообменника от отработените газове преди да влезе в горивната камера (фиг. 6а).

Ако регенерацията е добре изпълнена, тоест ефективността на топлообменника е висока, а спадът на налягането в него е малък, ефективността ще бъде по-голяма, отколкото при обикновен турбинен цикъл. Трябва обаче да се вземе предвид и цената на регенератора. Регенераторите са използвани в газотурбинните двигатели на танковете Abrams M1 - основният боен танк на операция "Пустинна буря" - и в експериментални газотурбинни двигатели на превозни средства. Газовите турбини с регенерация повишават ефективността с 5-6% и тяхната ефективност е още по-висока при работа при частично натоварване.

Междуохлажданесъщо така включва използването на топлообменници. Интеркулер (междинен охладител) охлажда газа по време на неговото компресиране. Например, ако компресорът се състои от два модула, високо и ниско налягане, между тях трябва да се монтира междинен охладител за охлаждане на газовия поток и намаляване на количеството работа, необходима за компресиране в компресора с високо налягане (фиг. 6b). Охлаждащият агент може да бъде атмосферен въздух (т.нар. въздушни охладители) или вода (напр. морска вода в турбината на кораба). Лесно е да се покаже, че мощността на газова турбина с добре проектиран междинен охладител се увеличава.

двойно нагряванесе използва в турбините и е начин за увеличаване на мощността на турбината без промяна на работата на компресора или повишаване на работната температура на турбината. Ако газовата турбина има два модула, високо и ниско налягане, тогава се използва пренагревател (обикновено друга горивна камера) за повторно загряване на газовия поток между турбините с високо и ниско налягане (фиг. 6в). Може да увеличи изходната мощност с 1-3%. Двойното нагряване в турбините на самолетите се осъществява чрез добавяне на форсаж на дюзата на турбината. Това увеличава сцеплението, но значително увеличава разхода на гориво.

Газова турбинна електроцентрала с комбиниран цикъл често се съкращава като CCGT. Комбиниран цикъл означава електроцентрала, в която газова турбина и парна турбина се използват заедно за постигане на по-голяма ефективност, отколкото когато се използват поотделно. Газовата турбина задвижва електрически генератор. Отработените газове от турбината се използват за производство на пара в топлообменник, тази пара задвижва парна турбина, която също произвежда електричество. Ако за отопление се използва пара, инсталацията се нарича когенерационна електроцентрала. С други думи, в Русия често се използва съкращението CHP (Heat and Power Plant). Но в когенерационните централи по правило не работят газови турбини, а обикновени парни турбини. И използваната пара се използва за отопление, така че CHP и CHP не са синоними. На фиг. 7 е опростена диаграма на когенерационна електроцентрала, показваща два топлинни двигателя, инсталирани последователно. Най-горният двигател е газова турбина. Той предава енергия на долния двигател - парната турбина. След това парната турбина прехвърля топлината към кондензатора.

Фигура 7. Схема на централа с комбиниран цикъл.

Ефективността на комбинирания цикъл \(\nu_(cc) \) може да бъде представена с доста прост израз: \(\nu_(cc) = \nu_B + \nu_R - \nu_B \times \nu_R \) С други думи, това е сумата от ефективността на всеки от етапите минус тяхната работа. Това уравнение показва защо когенерацията е толкова ефективна. Да приемем, че \(\nu_B = 40%\) е разумна горна граница за ефективността на газова турбина с цикъл на Брайтън. Разумна оценка на ефективността на парна турбина, работеща по цикъла на Ранкин на втория етап на комбинирано производство, е \(\nu_R = 30% \). Замествайки тези стойности в уравнението, получаваме: \(\nu_(cc) = 0,40 + 0,30 - 0,40 \ по 0,3 = 0,70 - 0,12 = 0,58 \). Тоест ефективността на такава система ще бъде 58%.

Това е горната граница за ефективността на когенерационната електроцентрала. Практическата ефективност ще бъде по-ниска поради неизбежната загуба на енергия между етапите. На практика при въведените в експлоатация през последните години когенерационни системи е постигната ефективност от 52-58%.

Компоненти на газовата турбина

Работата на газова турбина е най-добре да бъде разделена на три подсистеми: компресор, горивна камера и турбина, както е показано на фиг. 1. След това ще разгледаме накратко всяка една от тези подсистеми.

Компресори и турбини

Компресорът е свързан към турбината чрез общ вал, така че турбината да може да върти компресора. Газовата турбина с един вал има един вал, свързващ турбината и компресора. Газова турбина с два вала (фиг. 6b и 6c) има два конични вала. По-дългият е свързан към компресор с ниско налягане и турбина с ниско налягане. Той се върти вътре в по-къс кух вал, който свързва компресора за високо налягане с турбината с високо налягане. Валът, свързващ турбината и компресора за високо налягане, се върти по-бързо от вала на турбината и компресора за ниско налягане. Газова турбина с три вала има трети вал, свързващ турбината и компресора за средно налягане.

Газовите турбини могат да бъдат центробежни, аксиални или комбинирани. Центробежният компресор, при който сгъстен въздух излиза около външния периметър на машината, е надежден, обикновено струва по-малко, но е ограничен до коефициент на компресия от 6-7 към 1. Те ​​са били широко използвани в миналото и се използват все още днес в малки газови турбини.

При по-ефективни и продуктивни аксиални компресори сгъстен въздух излиза по оста на механизма. Това е най-често срещаният тип газов компресор (вижте фигури 2 и 3). Центробежните компресори се състоят от голям брой еднакви секции. Всяка секция съдържа въртящо се колело с турбинни лопатки и колело с фиксирани лопатки (статори). Секциите са подредени по такъв начин, че сгъстеният въздух последователно преминава през всяка секция, като дава част от енергията си на всяка от тях.

Турбините имат по-опростен дизайн от компресора, тъй като е по-трудно да се компресира газовият поток, отколкото да се накара да се разшири обратно. Аксиални турбини като тези, показани на фиг. 2 и 3 имат по-малко секции от центробежния компресор. Има малки газови турбини, които използват центробежни турбини (с радиално впръскване на газ), но най-често срещаните са аксиалните турбини.

Проектирането и производството на турбина е трудно, тъй като е необходимо да се увеличи живота на компонентите в потока горещ газ. Проблемът с надеждността на конструкцията е най-важен в първия етап на турбината, където температурите са най-високи. Специални материали и сложна система за охлаждане се използват за направата на турбинни лопатки, които се топят при температура 980-1040 градуса по Целзий в газов поток, чиято температура достига 1650 градуса по Целзий.

Горивната камера

Успешният дизайн на горивната камера трябва да отговаря на много изисквания, а правилният й дизайн е предизвикателство още от времето на турбините на Уитъл и фон Охин. Относителното значение на всяко от изискванията за горивната камера зависи от приложението на турбината и, разбира се, някои изисквания са в противоречие помежду си. При проектирането на горивна камера компромисите са неизбежни. Повечето от изискванията за дизайн са свързани с цената, ефективността и екологичността на двигателя. Ето списък с основните изисквания за горивна камера:

1. Висока ефективност на изгаряне на гориво при всякакви работни условия.
2. Ниско недоизгаряне на гориво и емисии на въглероден окис (въглероден оксид), ниски емисии на азотен оксид при голямо натоварване и липса на видими емисии на дим (минимизиране на замърсяването на околната среда).
3. Малък спад на налягането, когато газът преминава през горивната камера. 3-4% загуба на налягане е типичен спад на налягането.
4. Горенето трябва да е стабилно при всички режими на работа.
5. Горенето трябва да е стабилно при много ниски температури и ниско налягане на голяма надморска височина (за самолетни двигатели).
6. Изгарянето трябва да е равномерно, без пулсации или смущения.
7. Температурата трябва да е стабилна.
8. Дълъг експлоатационен живот (хиляди часове), особено за промишлени турбини.
9. Възможност за използване на различни видове гориво. Сухопътните турбини обикновено използват природен газ или дизелово гориво. За авиационни керосинови турбини.
10. Дължината и диаметърът на горивната камера трябва да съответстват на размера на двигателя.
11. Общите разходи за притежаване на горивна камера трябва да бъдат сведени до минимум (това включва първоначалните разходи, разходите за експлоатация и поддръжка).
12. Горивната камера за самолетни двигатели трябва да има минимално тегло.

Горивната камера се състои от най-малко три основни части: корпус, пламъчна тръба и система за впръскване на гориво. Корпусът трябва да издържа на работното налягане и може да бъде част от конструкцията на газовата турбина. Корпусът затваря относително тънкостенна пламъчна тръба, в която се извършва горенето и системата за впръскване на гориво.

В сравнение с други видове двигатели, като дизелови и бутални автомобилни двигатели, газовите турбини произвеждат най-малко количество замърсители на въздуха на единица мощност. Сред емисиите от газови турбини, неизгорялото гориво, въглеродния оксид (въглероден оксид), азотните оксиди (NOx) и дима са от най-голямо безпокойство. Въпреки че приносът на турбините на самолетите към общите емисии на замърсители е по-малко от 1%, емисиите директно в тропосферата се удвояват между 40 и 60 градуса северна ширина, причинявайки 20% увеличение на концентрациите на озон. В стратосферата, където летят свръхзвукови самолети, емисиите на NOx причиняват разрушаване на озона. И двата ефекта вредят на околната среда, така че намаляването на азотните оксиди (NOx) в емисиите на самолетни двигатели е това, което трябва да се случи през 21-ви век.

Това е доста кратка статия, която се опитва да обхване всички аспекти на приложенията на турбините, от авиацията до енергетиката, без да разчита на формули. За да се запозная по-добре с темата, мога да препоръчам книгата "Газова турбина в железопътния транспорт" http://tapemark.narod.ru/turbo/index.html. Ако пропуснете главите, свързани със спецификата на използването на турбините на железницата, книгата все пак е много разбираема, но много по-подробна.

Турбината е двигател, при който потенциалната енергия на сгъваема течност се преобразува в кинетична енергия в лопатковия апарат, а последната в работните колела в механична работа, предавана на непрекъснато въртящ се вал.

По своя дизайн парните турбини представляват топлинен двигател, който работи постоянно. По време на работа прегрята или наситена водна пара навлиза в пътя на потока и поради своето разширяване принуждава ротора да се върти. Въртенето се получава в резултат на парния поток, действащ върху апарата с остриета.

Парната турбина е част от конструкцията на парната турбина, която е предназначена да генерира енергия. Има и инсталации, които освен електричество могат да генерират и топлинна енергия – парата, която е преминала през парните лопатки, влиза в мрежовите бойлери. Този тип турбини се наричат ​​индустриално-когенерационни или когенерационни турбини. В първия случай се осигурява извличане на пара за промишлени цели в турбината. В комплект с генератор, парната турбина е турбинен агрегат.

Видове парни турбини

Турбините се разделят в зависимост от посоката, в която се движи парата, на радиални и аксиални. Потокът на пара в радиалните турбини е насочен перпендикулярно на оста. Парните турбини могат да бъдат едно-, дву- и трикорпусни. Парната турбина е оборудвана с различни технически устройства, които предотвратяват навлизането на околния въздух в корпуса. Това са различни уплътнения, които се доставят с водна пара в малко количество.

В предната част на вала е разположен предпазен регулатор, предназначен да изключва подаването на пара при увеличаване на скоростта на турбината.

Характеристики на основните параметри на номиналните стойности

· Номинална мощност на турбината- максималната мощност, която турбината трябва да развива дълго време на клемите на електрогенератора, при нормални стойности на основните параметри или когато те се променят в границите, определени от промишлеността и държавните стандарти. Една контролирана турбина за извличане на пара може да развие мощност над номиналната си мощност, ако това е в съответствие с условията на якост на нейните части.

· Икономическа мощност на турбината- мощността, при която турбината работи с най-голяма ефективност. В зависимост от параметрите на жива пара и предназначението на турбината, номиналната мощност може да бъде равна на икономическата мощност или повече с 10-25%.

· Номинална температура на регенеративно загряване на захранваща вода- температурата на захранващата вода след последния нагревател по посока на водата.

· Номинална температура на охлаждащата вода- температурата на охлаждащата вода на входа на кондензатора.

газова турбина(фр. turbine от лат. turbo завъртане, въртене) е непрекъснат топлинен двигател, в чийто лопатков апарат енергията на компресирания и нагрят газ се преобразува в механична работа върху вала. Състои се от ротор (лопатки, фиксирани върху дискове) и статор (направляващи лопатки, фиксирани в корпуса).

Газът с висока температура и налягане влиза през апарата на турбинната дюза в зоната с ниско налягане зад частта на дюзата, като едновременно се разширява и ускорява. Освен това газовият поток навлиза в лопатките на турбината, като им дава част от кинетичната си енергия и придава въртящ момент на лопатките. Лопатките на ротора предават въртящ момент през турбинните дискове към вала. Полезни свойства на газовата турбина: газовата турбина, например, задвижва генератор, разположен на същия вал с нея, което е полезната работа на газовата турбина.

Газовите турбини се използват като част от газотурбинни двигатели (използвани за транспорт) и газотурбинни агрегати (използвани в топлоелектрически централи като част от стационарни GTU, CCGT). Газовите турбини се описват от термодинамичния цикъл на Брайтън, при който въздухът първо се компресира адиабатично, след това изгаря при постоянно налягане и след това адиабатично се разширява обратно до начално налягане.

Видове газови турбини

- Самолетни и реактивни двигатели

- Спомагателен захранващ блок

- Промишлени газови турбини за производство на електроенергия

- Турбовалови двигатели

- Радиални газови турбини

- Микротурбини

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

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.

Статията описва как се изчислява ефективността на най-простата газова турбина, дават се таблици на различни газови турбини и инсталации с комбиниран цикъл, за да се сравни тяхната ефективност и други характеристики.

В областта на промишленото използване на газови турбини и паро-газови технологии Русия изостава много от напредналите страни по света.

Световни лидери в производството на електроцентрали с голям капацитет и комбиниран цикъл: GE, Siemens Wistinghouse, ABB - постигнати стойности на единична мощност на газотурбинни централи от 280-320 MW и ефективност над 40%, с използване на пароенергийна надстройка в комбиниран цикъл (наричан още бинарен) - мощности 430-480 MW с ефективност до 60%. Ако имате въпроси относно надеждността на CCGT - прочетете статията.

Тези впечатляващи цифри служат като еталон при определяне на пътищата за развитие на енергетиката в Русия.

Как се определя ефективността на газовата турбина?

Ето няколко прости формули, за да покажат каква е ефективността на газовата турбина:

Вътрешна мощност на турбината:

• Nt = Gex * Lt, където Lt е работата на турбината, Gex е дебитът на отработените газове;

Вътрешно захранване на GTU:

• Ni gtu \u003d Nt - Nk, където Nk е вътрешната мощност на въздушния компресор;

Ефективна мощност на GTU:

• Nef \u003d Ni gtu * Механизъм за ефективност, механизъм за ефективност - ефективност, свързана с механични загуби в лагерите, може да се вземе 0,99

Електроенергия:

• Nel \u003d Ne * Например ефективност, където ефективността например е ефективността, свързана със загубите в електрическия генератор, можем да вземем 0,985

Налична топлина на горивото:

• Qsp = Gtop * Qrn, където Gref - разход на гориво, Qrn - най-ниската работна калоричност на горивото

Абсолютна електрическа ефективност на газотурбинна инсталация:

• Ефективност \u003d Nel / Q dist

Ефективността на CCGT е по-висока от ефективността на GTUтъй като централата с комбиниран цикъл използва топлината на отработените газове на газовата турбина. Зад газовата турбина е монтиран котел за отпадъчна топлина, в който топлината от отработените газове на газовата турбина се прехвърля към работния флуид (захранваща вода), генерираната пара се изпраща към парната турбина за генериране на електричество и топлина.

Прочетете също: Как да изберем газотурбинна инсталация за CCGT инсталация

Ефективността на CCGT обикновено се представя чрез съотношението:

• Ефективност на PGU \u003d ефективност на GTU * B + (ефективност на 1-GTU * B) * ефективност на PSU

B е степента на бинарност на цикъла

Efficiency PSU - Ефективност на парна електроцентрала

• B = Qks/(Qks+Qku)

Qks е топлината на горивото, изгорено в горивната камера на газова турбина

Qku - топлина на допълнително гориво, изгорено в котела за отпадъчна топлина

В същото време се отбелязва, че ако Qku = 0, тогава B = 1, т.е. инсталацията е напълно двоична.

Влияние на степента на бинарност върху ефективността на CCGT

Нека представим последователно таблици с характеристиките на ефективността на газовите турбини и след тях показателите на CCGT с тези газови двигатели и да сравним ефективността на отделна газова турбина и ефективността на CCGT.

Характеристики на съвременните мощни газови турбини

Газови турбини АББ

Инсталации с комбиниран цикъл с газови турбини ABB

Газови турбини GE

Прочетете също: Защо да строим топлоелектрически централи с комбиниран цикъл? Какви са предимствата на инсталациите с комбиниран цикъл.

Инсталации с комбиниран цикъл с газови турбини GE

Сименс газови турбини

Инсталации с комбиниран цикъл с газови турбини Siemens

Газови турбини Westinghouse-Mitsubishi-Fiat

Термична турбина с постоянно действие, при която топлинната енергия на сгъстен и нагрят газ (обикновено продукти от горенето на горивото) се преобразува в механична ротационна работа върху вал; е конструктивен елемент на газотурбинен двигател.

Нагряването на сгъстен газ, като правило, се случва в горивната камера. Възможно е също така да се извърши отопление в ядрен реактор и т. н. Газовите турбини се появяват за първи път в края на 19 век. като газотурбинен двигател и по дизайн се доближиха до парна турбина. Конструктивно газовата турбина е поредица от подредени фиксирани лопатки на дюзовия апарат и въртящи се джанти на работното колело, които в резултат образуват проточна част. Степенът на турбината е дюзов апарат, комбиниран с работно колело. Степента се състои от статор, който включва неподвижни части (корпус, лопатки на дюзата, обвивни пръстени) и ротор, който е набор от въртящи се части (като роторни лопатки, дискове, вал).

Класификацията на газова турбина се извършва според много конструктивни характеристики: по посока на газовия поток, броя на етапите, метода на използване на топлинната разлика и метода на подаване на газ към работното колело. По посока на газовия поток газовите турбини могат да бъдат разграничени аксиални (най-често срещаните) и радиални, както и диагонални и тангенциални. При аксиалните газови турбини потокът в меридионалния участък се транспортира главно по цялата ос на турбината; при радиалните турбини, напротив, тя е перпендикулярна на оста. Радиалните турбини се делят на центростремителни и центробежни. В диагонална турбина газът тече под известен ъгъл спрямо оста на въртене на турбината. Работното колело на тангенциална турбина няма лопатки; такива турбини се използват при много ниски скорости на газовия поток, обикновено в измервателни уреди. Газовите турбини са единични, двустепенни и многостъпални.

Броят на степените се определя от много фактори: предназначението на турбината, нейната конструктивна схема, общата мощност и разработена от една степен, както и задействания спад на налягането. Според метода на използване на наличната топлинна разлика се разграничават турбини със степени на скорост, при които само потокът се върти в работното колело, без промяна на налягането (активни турбини), и турбини със степени на налягане, при които налягането намалява както в дюзови апарати и върху лопатките на ротора (реактивни турбини). При частичните газови турбини газът се подава към работното колело по част от обиколката на дюзовия апарат или по цялата му обиколка.

В многостепенна турбина процесът на преобразуване на енергия се състои от редица последователни процеси в отделни етапи. Сгъстен и нагрят газ се подава към междулопатковите канали на дюзовия апарат с начална скорост, където в процеса на разширение част от наличната топлинна капка се преобразува в кинетичната енергия на изтичащата струя. По-нататъшното разширяване на газа и превръщането на топлинната капка в полезна работа се случват в междулопатковите канали на работното колело. Газовият поток, действащ върху лопатките на ротора, създава въртящ момент на главния вал на турбината. В този случай абсолютната скорост на газа намалява. Колкото по-ниска е тази скорост, по-голямата част от енергията на газа се превръща в механична работа върху вала на турбината.

Ефективността характеризира ефективността на газовите турбини, която е съотношението на работата, отстранена от вала, към наличната газова енергия пред турбината. Ефективната ефективност на съвременните многостъпални турбини е доста висока и достига 92-94%.

Принципът на работа на газовата турбина е следният: газът се впръсква в горивната камера от компресор, смесва се с въздух, образува горивна смес и се запалва. Получените продукти от горенето с висока температура (900-1200 °C) преминават през няколко реда лопатки, монтирани на вала на турбината и предизвикват въртене на турбината. Получената механична енергия на вала се предава чрез скоростна кутия към генератор, който генерира електричество.

Термална енергиягазовете, напускащи турбината, влизат в топлообменника. Също така, вместо за производство на електричество, механичната енергия на турбината може да се използва за работа на различни помпи, компресори и т.н. Най-често използваното гориво за газовите турбини е природният газ, въпреки че това не изключва възможността за използване на други видове газообразни горива . Но в същото време газовите турбини са много капризни и поставят високи изисквания към качеството на приготвянето му (необходими са определени механични включвания, влажност).

Температурата на газовете, излизащи от турбината, е 450-550 °C. Количественото съотношение на топлинната и електрическата енергия в газовите турбини варира от 1,5: 1 до 2,5: 1, което прави възможно изграждането на системи за комбинирано производство, които се различават по вида на охлаждащата течност:

1) директно (пряко) използване на отработени горещи газове;
2) производство на пара ниско или средно налягане (8-18 kg/cm2) във външен котел;
3) производство на топла вода (по-добре, когато необходимата температура надвишава 140 °C);
4) производство на пара под високо налягане.

Голям принос за развитието на газовите турбини имат съветските учени Б. С. Стечкин, Г. С. Жирицки, Н. Р. Брилинг, В. В. Уваров, К. В. Холщевиков, И. И. Кирилов и др. Създаването на газови турбини за стационарни и мобилни газотурбинни инсталации е постигнато от чуждестранни компании (швейцарската Brown-Boveri, в която е работил известният словашки учен А. Стодола, и Sulzer, американската General Electric и др.).

В бъдеще развитието на газовите турбини зависи от възможността за повишаване на температурата на газа пред турбината. Това се дължи на създаването на нови топлоустойчиви материали и надеждни системи за охлаждане на лопатките на ротора със значително подобрение на пътя на потока и др.

Благодарение на широко разпространения преход през 90-те години. природен газ като основно гориво за производство на електроенергия, газовите турбини заеха значителен сегмент от пазара. Въпреки факта, че максималната ефективност на оборудването се постига при мощности от 5 MW и повече (до 300 MW), някои производители произвеждат модели в диапазона 1-5 MW.

Газовите турбини се използват в авиацията и електроцентралите.

• Предишна: ГАЗОВ АНАЛИЗАТОР
• следното: ГАЗОВ ДВИГАТЕЛ