Gasturbinengenerator. Gasturbinen und Gasturbineneinheiten mit geringer Leistung auf dem russischen Markt. Konstruktion von Gasturbinen

"Turbo", "Turbojet", "Turboprop" - diese Begriffe haben sich fest in das Lexikon der Ingenieure des 20. Jahrhunderts eingeschrieben, die sich mit der Konstruktion und Wartung von Fahrzeugen und stationären elektrischen Anlagen befassen. Sie werden auch in verwandten Bereichen und in der Werbung eingesetzt, wenn sie dem Namen des Produkts einen Hauch von besonderer Kraft und Effizienz verleihen möchten. In der Luftfahrt, Raketen, Schiffen und Kraftwerken wird die Gasturbine am häufigsten eingesetzt. Wie ist es organisiert? Wird es mit Erdgas betrieben (wie der Name vermuten lässt) und wie sind sie beschaffen? Wie unterscheidet sich eine Turbine von anderen Arten von Verbrennungsmotoren? Was sind seine Vor- und Nachteile? In diesem Artikel wird versucht, diese Fragen so umfassend wie möglich zu beantworten.

Russischer Maschinenbauführer UEC

Im Gegensatz zu vielen anderen unabhängigen Staaten, die nach dem Zusammenbruch der UdSSR entstanden sind, gelang es Russland, die Maschinenbauindustrie weitgehend zu erhalten. Die Firma Saturn beschäftigt sich insbesondere mit der Produktion von Spezialkraftwerken. Die Gasturbinen dieses Unternehmens werden im Schiffbau, in der Rohstoffindustrie und im Energiebereich eingesetzt. Die Produkte sind High-Tech, sie erfordern einen besonderen Ansatz bei Installation, Fehlersuche und Betrieb sowie spezielle Kenntnisse und teure Ausrüstung für planmäßige Wartung. All diese Dienstleistungen stehen den Kunden von UEC – Gas Turbines, wie es heute heißt – zur Verfügung. Es gibt nicht so viele solcher Unternehmen auf der Welt, obwohl das Prinzip der Anordnung der Hauptprodukte auf den ersten Blick einfach ist. Die gesammelten Erfahrungen sind von großer Bedeutung, wodurch viele technologische Feinheiten berücksichtigt werden können, ohne die ein dauerhafter und zuverlässiger Betrieb des Geräts nicht möglich ist. Hier ist nur ein Teil der UEC-Produktpalette: Gasturbinen, Kraftwerke, Gaspumpeinheiten. Zu den Kunden gehören "Rosatom", "Gazprom" und andere "Wale" der chemischen Industrie und Energie.

Die Herstellung solch komplexer Maschinen erfordert jeweils eine individuelle Herangehensweise. Die Berechnung einer Gasturbine ist derzeit vollautomatisiert, jedoch kommt es im Einzelfall auf die Materialien und Eigenschaften der Schaltpläne an.

Dabei fing alles so einfach an...

Suchen und Paare

Die ersten Versuche, die Translationsenergie der Strömung in Rotationskraft umzuwandeln, wurden von der Menschheit in der Antike mit einem gewöhnlichen Wasserrad durchgeführt. Alles ist extrem einfach, Flüssigkeit fließt von oben nach unten, Schaufeln werden in ihrem Fluss platziert. Das Rad, das am Umfang mit ihnen ausgestattet ist, dreht sich. Die Windmühle funktioniert genauso. Dann kam das Dampfzeitalter, und das Rad drehte sich schneller. Eine Dampfmaschine, die genau nach diesem Prinzip funktioniert, war übrigens das sogenannte „Eolipil“, das der antike Grieche Heron etwa 130 Jahre vor Christi Geburt erfand. Im Grunde war dies die erste der Geschichtswissenschaft bekannte Gasturbine (schließlich ist Dampf ein gasförmiger Aggregatzustand von Wasser). Heute ist es jedoch üblich, diese beiden Konzepte zu trennen. Herons Erfindung wurde dann in Alexandria ohne große Begeisterung, wenn auch mit Neugier behandelt. Industrieanlagen vom Turbinentyp tauchten erst Ende des 19. Jahrhunderts auf, nachdem der Schwede Gustaf Laval das weltweit erste aktive Triebwerk mit Düse geschaffen hatte. Ungefähr in die gleiche Richtung arbeitete Ingenieur Parsons, der seine Maschine mit mehreren funktionell zusammenhängenden Schritten versorgte.

Die Geburtsstunde der Gasturbine

Ein Jahrhundert zuvor hatte ein gewisser John Barber eine geniale Idee. Warum muss man den Dampf erst erhitzen, ist es nicht einfacher, das bei der Kraftstoffverbrennung entstehende Abgas direkt zu nutzen und dadurch unnötige Vermittlungen im Energieumwandlungsprozess zu eliminieren? So entstand die erste echte Gasturbine. Das Patent von 1791 legt die Grundidee fest, in einer pferdelosen Kutsche verwendet zu werden, aber Elemente davon werden heute in modernen Raketen-, Flugzeug-, Panzer- und Automotoren verwendet. Der Beginn des Strahltriebwerksbaus wurde 1930 von Frank Whittle gegeben. Er hatte die Idee, mit einer Turbine ein Flugzeug anzutreiben. Später fand sie Entwicklung in zahlreichen Turboprop- und Turbojet-Projekten.

Nikola-Tesla-Gasturbine

Der berühmte Wissenschaftler und Erfinder hat sich den untersuchten Themen immer auf ungewöhnliche Weise genähert. Es schien allen klar, dass Räder mit Schaufeln oder Schaufeln die Bewegung des Mediums besser „einfangen“ als flache Gegenstände. Tesla hat auf seine charakteristische Weise bewiesen, dass, wenn man ein Rotorsystem aus Scheiben zusammenbaut, die in Reihe auf der Achse angeordnet sind, es durch das Aufnehmen der Grenzschichten mit einem Gasstrom nicht schlechter, in einigen Fällen sogar besser rotiert als ein mehrblättriger Propeller. Die Richtung des sich bewegenden Mediums sollte zwar tangential sein, was bei modernen Einheiten nicht immer möglich oder wünschenswert ist, aber das Design ist stark vereinfacht - es werden überhaupt keine Klingen benötigt. Eine Gasturbine nach dem Tesla-Schema wird noch nicht gebaut, aber vielleicht wartet die Idee nur auf ihre Zeit.

Schaltplan

Nun zum grundlegenden Gerät der Maschine. Es ist eine Kombination aus einem auf einer Achse montierten rotierenden System (Rotor) und einem feststehenden Teil (Stator). Auf der Welle befindet sich eine Scheibe mit Arbeitsschaufeln, die ein konzentrisches Gitter bilden, sie werden durch Gas beeinflusst, das unter Druck durch spezielle Düsen zugeführt wird. Dann tritt das expandierte Gas in das Laufrad ein, das ebenfalls mit Schaufeln ausgestattet ist, die Arbeiter genannt werden. Für den Einlass des Luft-Kraftstoff-Gemisches und den Auslass (Auspuff) werden spezielle Rohre verwendet. Auch der Kompressor ist in das Gesamtkonzept eingebunden. Es kann je nach erforderlichem Arbeitsdruck nach einem anderen Prinzip hergestellt werden. Für seinen Betrieb wird der Achse ein Teil der Energie entnommen, die zum Komprimieren der Luft verwendet wird. Die Gasturbine arbeitet durch den Verbrennungsprozess des Luft-Kraftstoff-Gemisches, begleitet von einer erheblichen Volumenzunahme. Die Welle dreht sich, ihre Energie kann sinnvoll genutzt werden. Ein solches Schema wird als Einzelschaltung bezeichnet, aber wenn es wiederholt wird, wird es als mehrstufig betrachtet.

Vorteile von Flugzeugturbinen

Seit etwa Mitte der fünfziger Jahre ist eine neue Generation von Flugzeugen aufgetaucht, einschließlich Passagierflugzeugen (in der UdSSR sind dies Il-18, An-24, An-10, Tu-104, Tu-114, Tu-124 usw. ), in deren Konstruktionen Flugzeugkolbenmotoren endgültig und unwiderruflich durch Turbinentriebwerke verdrängt wurden. Dies deutet auf einen höheren Wirkungsgrad dieses Kraftwerkstyps hin. Die Eigenschaften der Gasturbine sind den Parametern von Vergasermotoren in vielerlei Hinsicht überlegen, insbesondere in Bezug auf Leistung / Gewicht, was für die Luftfahrt von größter Bedeutung ist, sowie ebenso wichtige Indikatoren für die Zuverlässigkeit. Geringerer Kraftstoffverbrauch, weniger bewegliche Teile, bessere Umweltleistung, weniger Geräusche und Vibrationen. Turbinen sind weniger kritisch für die Kraftstoffqualität (was von Kraftstoffsystemen nicht gesagt werden kann), sie sind einfacher zu warten und benötigen weniger Schmieröl. Überhaupt scheinen sie auf den ersten Blick nicht aus Metall zu bestehen, sondern aus soliden Tugenden. Leider ist es nicht.

Es gibt Nachteile von Gasturbinentriebwerken

Die Gasturbine erwärmt sich im Betrieb und gibt Wärme an die umgebenden Bauteile ab. Dies ist besonders kritisch, wiederum in der Luftfahrt, wenn ein Redan-Layout-Schema verwendet wird, bei dem der untere Teil des Leitwerks mit einem Jetstream gewaschen wird. Und das Motorgehäuse selbst erfordert eine spezielle Wärmedämmung und die Verwendung spezieller feuerfester Materialien, die hohen Temperaturen standhalten.

Die Kühlung von Gasturbinen ist eine komplexe technische Herausforderung. Es ist kein Scherz, sie arbeiten im Modus einer praktisch permanenten Explosion, die im Körper auftritt. Der Wirkungsgrad ist in einigen Modi geringer als der von Vergasermotoren. Bei Verwendung eines Zweikreisschemas wird dieser Nachteil jedoch beseitigt, obwohl die Konstruktion komplizierter wird, wie im Fall der Einbeziehung von "Booster" -Kompressoren in das Schema. Das Beschleunigen von Turbinen und das Erreichen des Betriebsmodus erfordert einige Zeit. Je öfter das Gerät startet und stoppt, desto schneller verschleißt es.

Richtige Anwendung

Nun, kein System ist fehlerfrei. Es ist wichtig, eine solche Anwendung für jeden von ihnen zu finden, in der sich seine Vorteile deutlicher manifestieren. Zum Beispiel Panzer wie der amerikanische Abrams, der von einer Gasturbine angetrieben wird. Es kann mit allem gefüllt werden, was brennt, von Benzin mit hoher Oktanzahl bis hin zu Whiskey, und es gibt eine Menge Kraft ab. Dies ist vielleicht kein sehr gutes Beispiel, da die Erfahrung im Irak und in Afghanistan gezeigt hat, wie anfällig Kompressorschaufeln gegenüber Sand sind. Die Reparatur von Gasturbinen muss in den USA im Herstellerwerk erfolgen. Nehmen Sie den Tank hin, dann zurück, und die Kosten für die Wartung selbst, plus Zubehör ...

Hubschrauber, russische, amerikanische und andere Länder sowie leistungsstarke Schnellboote sind weniger von Verstopfungen betroffen. In Flüssigkeitsraketen sind sie unverzichtbar.

Moderne Kriegsschiffe und Zivilschiffe haben auch Gasturbinentriebwerke. Und auch Energie.

Trigenerator-Kraftwerke

Die Probleme der Flugzeughersteller sind für diejenigen, die Industrieanlagen zur Stromerzeugung herstellen, nicht so besorgniserregend. Das Gewicht spielt in diesem Fall keine so große Rolle mehr und Sie können sich auf Parameter wie Wirkungsgrad und Gesamtwirkungsgrad konzentrieren. Gasturbinen-Generatoreinheiten haben einen massiven Rahmen, einen zuverlässigen Rahmen und dickere Schaufeln. Es ist durchaus möglich, die erzeugte Wärme für verschiedene Zwecke zu nutzen, von der Sekundärverwertung in der Anlage selbst über die Beheizung von Wohnräumen bis hin zur thermischen Versorgung von Absorptionskältemaschinen. Dieser Ansatz wird als Trigenerator bezeichnet, und der Wirkungsgrad in diesem Modus nähert sich 90 %.

Atomkraftwerke

Für eine Gasturbine spielt es keine grundlegende Rolle, woher das erhitzte Medium kommt, das seine Energie an seine Schaufeln abgibt. Es kann ein verbranntes Luft-Kraftstoff-Gemisch oder einfach überhitzter Dampf (nicht unbedingt Wasser) sein, Hauptsache, es sorgt für seine unterbrechungsfreie Stromversorgung. Im Kern basieren die Kraftwerke aller Kernkraftwerke, U-Boote, Flugzeugträger, Eisbrecher und einiger militärischer Überwasserschiffe (z. B. des Raketenkreuzers Peter der Große) auf einer durch Dampf angetriebenen Gasturbine (GTU). Die Themen Sicherheit und Ökologie bestimmen den geschlossenen Kreislauf des Primärkreislaufs. Das bedeutet, dass der primäre Wärmeträger (in den ersten Mustern spielte Blei diese Rolle, jetzt ist es durch Paraffin ersetzt worden) die reaktornahe Zone nicht verlässt und die Brennelemente im Kreis umströmt. Die Erwärmung des Arbeitsstoffes erfolgt in nachgeschalteten Kreisläufen und das verdampfte Kohlendioxid, Helium oder Stickstoff versetzt das Turbinenrad in Rotation.

Breite Anwendung

Komplexe und große Anlagen sind fast immer Unikate, deren Produktion in Kleinserien erfolgt oder generell Einzelstücke angefertigt werden. Am häufigsten werden in großen Mengen produzierte Einheiten in friedlichen Wirtschaftssektoren eingesetzt, beispielsweise zum Pumpen von Kohlenwasserstoffrohstoffen durch Pipelines. Diese werden von der Firma UEC unter der Marke Saturn hergestellt. Gasturbinen von Pumpstationen stimmen voll und ganz mit ihrem Namen überein. Sie pumpen wirklich Erdgas und nutzen dessen eigene Energie für ihre Arbeit.

Eine Gasturbine wird üblicherweise als kontinuierlich arbeitender Motor bezeichnet. Als nächstes werden wir darüber sprechen, wie eine Gasturbine angeordnet ist, was das Funktionsprinzip der Einheit ist. Ein Merkmal eines solchen Motors ist, dass in ihm Energie durch komprimiertes oder erhitztes Gas erzeugt wird, dessen Ergebnis mechanische Arbeit an der Welle ist.

Geschichte der Gasturbine

Interessanterweise werden Turbinenmechanismen schon sehr lange von Ingenieuren entwickelt. Die erste primitive Dampfturbine entstand im 1. Jahrhundert v. e.! Natürlich ist es unerlässlich
Dieser Mechanismus hat erst jetzt seine Blütezeit erreicht. Turbinen wurden Ende des 19. Jahrhunderts gleichzeitig mit der Entwicklung und Verbesserung der Thermodynamik, des Maschinenbaus und der Metallurgie aktiv entwickelt.

Die Prinzipien von Mechanismen, Materialien und Legierungen haben sich geändert, alles wurde verbessert, und heute kennt die Menschheit die perfekteste aller bisher existierenden Formen einer Gasturbine, die in verschiedene Typen unterteilt ist. Es gibt eine Fluggasturbine und eine industrielle.

Es ist üblich, eine Gasturbine als eine Art Wärmekraftmaschine zu bezeichnen, deren Arbeitsteile nur mit einer Aufgabe vorbestimmt sind - sich aufgrund der Wirkung eines Gasstrahls zu drehen.

Es ist so angeordnet, dass der Hauptteil der Turbine durch ein Rad dargestellt wird, an dem Schaufelsätze befestigt sind. , wirkt auf die Schaufeln einer Gasturbine, bringt sie in Bewegung und dreht das Rad. Das Rad wiederum ist starr an der Welle befestigt. Dieses Tandem hat einen besonderen Namen - den Turbinenrotor. Als Ergebnis dieser Bewegung, die innerhalb des Gasturbinentriebwerks stattfindet, wird mechanische Energie gewonnen, die an einen elektrischen Generator, an einen Schiffspropeller, an einen Flugzeugpropeller und andere Antriebsmechanismen eines ähnlichen Funktionsprinzips übertragen wird.

Aktiv- und Strahlturbinen

Der Aufprall des Gasstrahls auf die Turbinenschaufeln kann zweifach sein. Daher werden Turbinen in Klassen eingeteilt: die Klasse der aktiven und reaktiven Turbinen. Reaktive und aktive Gasturbinen unterscheiden sich im Prinzip der Vorrichtung.

Impulsturbine

Eine aktive Turbine zeichnet sich dadurch aus, dass eine hohe Gasströmung zu den Rotorblättern erfolgt. Mit Hilfe einer gekrümmten Schaufel weicht der Gasstrahl von seiner Flugbahn ab. Als Ergebnis der Umlenkung entwickelt sich eine große Zentrifugalkraft. Mit Hilfe dieser Kraft werden die Klingen in Bewegung versetzt. Während des gesamten beschriebenen Weges des Gases geht ein Teil seiner Energie verloren. Diese Energie wird auf die Bewegung des Laufrads und der Welle gerichtet.

Strahlturbine

Bei einer Strahlturbine ist das etwas anders. Dabei erfolgt die Gasströmung zu den Rotorblättern mit geringer Geschwindigkeit und unter Einwirkung eines hohen Druckniveaus. Auch die Form der Schaufeln ist hervorragend, wodurch die Gasgeschwindigkeit deutlich erhöht wird. Der Gasstrahl erzeugt also eine Art Reaktionskraft.

Aus dem oben beschriebenen Mechanismus folgt, dass die Vorrichtung einer Gasturbine ziemlich kompliziert ist. Damit ein solches Gerät reibungslos funktioniert und seinem Besitzer Gewinn und Nutzen bringt, sollten Sie seine Wartung Fachleuten anvertrauen. Auf Service spezialisierte Unternehmen bieten Servicewartung von Anlagen mit Gasturbinen, Lieferungen von Komponenten, allen Arten von Teilen und Teilen. DMEnergy ist ein solches Unternehmen (), das seinen Kunden die Gewissheit gibt, dass er mit den Problemen, die beim Betrieb einer Gasturbine auftreten, nicht allein gelassen wird.

Kraftwerke mit relativ kleiner Kapazität können sowohl Gasturbinentriebwerke (GTE) als auch Kolbentriebwerke (RP) umfassen. Infolgedessen fragen Kunden häufig nach welcher Antrieb ist besser. Und obwohl es eindeutig unmöglich ist, darauf zu antworten, ist der Zweck dieses Artikels ein Versuch, dieses Problem zu verstehen.

Einführung

Die Wahl des Motortyps sowie deren Anzahl zum Antrieb elektrischer Generatoren in einem Kraftwerk beliebiger Leistung ist eine komplexe technische und wirtschaftliche Aufgabe. Versuche, Kolben- und Gasturbinentriebwerke als Antrieb zu vergleichen, werden meist mit Erdgas als Kraftstoff unternommen. Ihre grundsätzlichen Vor- und Nachteile sind in der Fachliteratur, in den Prospekten der Hersteller von Kraftwerken mit Kolbenmotoren und sogar im Internet analysiert worden.

In der Regel werden verallgemeinerte Informationen über den Unterschied im Kraftstoffverbrauch und in den Motorkosten gegeben, ohne deren Leistung und Betriebsbedingungen zu berücksichtigen. Es wird oft darauf hingewiesen, dass es vorzuziehen ist, die Zusammensetzung von Kraftwerken mit einer Leistung von 10-12 MW auf der Basis von Kolbenmotoren und einer höheren Leistung auf der Basis von Gasturbinen zu bilden. Diese Empfehlungen sollten nicht als Axiom verstanden werden. Eines liegt auf der Hand: Jeder Motortyp hat seine Vor- und Nachteile, und bei der Auswahl eines Antriebs braucht es einige, zumindest indikative, quantitative Kriterien zu deren Bewertung.

Derzeit bietet der russische Energiemarkt eine ziemlich breite Palette von Kolben- und Gasturbinenmotoren. Bei Kolbenmotoren überwiegen importierte Motoren und bei Gasturbinenmotoren einheimische.

Informationen über die technischen Eigenschaften von Gasturbinentriebwerken und darauf basierenden Kraftwerken, die für den Betrieb in Russland vorgeschlagen wurden, wurden in den letzten Jahren regelmäßig im "Katalog der Gasturbinenausrüstung" veröffentlicht.

Ähnliche Informationen über Kolbenmotoren und Kraftwerke, zu denen sie gehören, können nur aus den Broschüren russischer und ausländischer Unternehmen entnommen werden, die diese Ausrüstung liefern. Informationen über die Kosten von Motoren und Kraftwerken werden meistens nicht veröffentlicht, und veröffentlichte Informationen sind oft nicht wahr.

Kopf-an-Kopf-Vergleich von Hubkolben- und Gasturbinentriebwerken

Die Aufbereitung der vorliegenden Informationen ermöglicht die Bildung der nachfolgenden Tabelle, die sowohl eine quantitative als auch eine qualitative Bewertung der Vor- und Nachteile von Hubkolben- und Gasturbinentriebwerken enthält. Leider stammen einige der Merkmale aus Werbematerialien, deren vollständige Richtigkeit nur sehr schwer oder kaum zu überprüfen ist. Die zur Überprüfung erforderlichen Daten zu den Ergebnissen des Betriebs einzelner Motoren und Kraftwerke werden mit seltenen Ausnahmen nicht veröffentlicht.

Natürlich sind die angegebenen Zahlen verallgemeinert, für bestimmte Motoren sind sie streng individuell. Darüber hinaus werden einige von ihnen gemäß ISO-Normen angegeben, und die tatsächlichen Betriebsbedingungen der Motoren weichen erheblich von der Norm ab.

Die präsentierten Informationen geben nur eine qualitative Charakteristik der Motoren wieder und können nicht bei der Auswahl der Ausrüstung für ein bestimmtes Kraftwerk verwendet werden. Zu jeder Position der Tabelle können einige Kommentare abgegeben werden.

Der Energiemarkt hat eine sehr große Auswahl an Motoren mit erheblichen Unterschieden in den technischen Eigenschaften. Wettbewerb zwischen den Motoren der betrachteten Typen ist nur im Bereich der elektrischen Einheitsleistung bis 16 MW möglich. Bei höheren Leistungen ersetzen Gasturbinentriebwerke Kolbentriebwerke fast vollständig.

Dabei ist zu berücksichtigen, dass jeder Motor individuelle Eigenschaften hat und nur diese bei der Auswahl eines Antriebstyps herangezogen werden sollten. Dies ermöglicht es, die Zusammensetzung der Hauptausrüstung eines Kraftwerks mit einer bestimmten Kapazität in mehreren Versionen zu bilden, wobei vor allem die elektrische Leistung und die Anzahl der erforderlichen Motoren variiert werden. Die Vielseitigkeit erschwert die Wahl des bevorzugten Motortyps.

Über den Wirkungsgrad von Kolben- und Gasturbinentriebwerken

Das wichtigste Merkmal eines jeden Motors in Kraftwerken ist der Wirkungsgrad der Stromerzeugung (KPIe), der den Hauptanteil, aber nicht den gesamten Gasverbrauch bestimmt. Die Aufbereitung statistischer Daten zu den Wirkungsgradwerten ermöglicht es, eindeutig aufzuzeigen, in welchen Anwendungsbereichen laut dieser Kennzahl ein Motortyp Vorteile gegenüber einem anderen hat.

Die gegenseitige Anordnung und Konfiguration der drei in Abb. 1-Zonen, in denen sich Punktbilder der Werte des elektrischen Wirkungsgrads verschiedener Motoren befinden, lässt uns einige Schlussfolgerungen ziehen:

• selbst innerhalb des gleichen Motorentyps mit gleicher Leistung gibt es eine erhebliche Streuung der Wirkungsgradwerte für die Stromerzeugung;
• mit einer Einheitsleistung von mehr als 16 MW bieten Gasturbinentriebwerke im kombinierten Zyklus einen Wirkungsgrad von mehr als 48 % und monopolisieren den Markt;
• der elektrische Wirkungsgrad von Gasturbinentriebwerken bis 16 MW, die sowohl in einfachen als auch in kombinierten Zyklen betrieben werden, ist niedriger (manchmal sehr deutlich) als der von Kolbentriebwerken;
• Gasturbinenmotoren mit einer Einheitsleistung von bis zu 1 MW, die kürzlich auf dem Markt erschienen sind, sind Motoren mit einer Leistung von 2-8 MW, die heute am häufigsten in Kraftwerken eingesetzt werden, in Bezug auf die Effizienz überlegen;
• Die Art der Änderung des Wirkungsgrads von Gasturbinentriebwerken hat drei Zonen: zwei mit einem relativ konstanten Wert - 27 bzw. 36% und eine mit einem variablen - von 27 bis 36%; innerhalb von zwei Zonen hängt der Wirkungsgrad schwach von der elektrischen Leistung ab;
• der wirkungsgrad für die stromerzeugung von kolbenmotoren ist in ständiger abhängigkeit von deren elektrischer leistung.

Diese Faktoren sind jedoch kein Grund, Kolbenmotoren den Vorrang zu geben. Selbst wenn das Kraftwerk nur elektrische Energie erzeugen wird, müssen beim Vergleich von Ausrüstungsoptionen mit verschiedenen Motortypen wirtschaftliche Berechnungen durchgeführt werden. Es muss nachgewiesen werden, dass die Kosten für eingespartes Gas die Differenz der Kosten für Hubkolben- und Gasturbinentriebwerke sowie für zusätzliche Ausrüstung dafür decken. Die eingesparte Gasmenge kann nicht ermittelt werden, wenn die Betriebsweise der Station für die Stromversorgung im Winter und Sommer nicht bekannt ist. Idealerweise, wenn die erforderlichen elektrischen Lasten bekannt sind - Maximum (Winterarbeitstag) und Minimum (Sommerruhetag).

Nutzung sowohl elektrischer als auch thermischer Energie

Wenn das Kraftwerk nicht nur elektrische, sondern auch thermische Energie erzeugen muss, muss ermittelt werden, aus welchen Quellen der Wärmeverbrauch gedeckt werden kann. In der Regel gibt es zwei solcher Quellen – die genutzte Wärme von Motoren und/oder das Kesselhaus.

Bei Kolbenmotoren wird die Wärme des Kühlöls, der Druckluft und der Abgase genutzt, bei Gasturbinenmotoren nur die Wärme der Abgase. Mit Hilfe von Abwärmetauschern (UWT) wird die Hauptwärme aus den Abgasen zurückgewonnen.

Die Menge der zurückgewonnenen Wärme hängt maßgeblich von der Betriebsweise des Motors zur Stromerzeugung und von den klimatischen Bedingungen ab. Eine falsche Bewertung der Motorbetriebsarten im Winter führt zu Fehlern bei der Bestimmung der genutzten Wärmemenge und zu einer falschen Wahl der installierten Leistung des Kesselhauses.

Diagramme in Abb. 2 zeigen die Möglichkeit der rückgewonnenen Wärmebereitstellung von Gasturbinen- und Kolbenmotoren für Wärmebereitstellungszwecke. Die Punkte auf den Kurven entsprechen den Angaben des Herstellers zur Leistungsfähigkeit der verfügbaren Geräte zur Wärmerückgewinnung. Auf dem Motor mit der gleichen elektrischen Leistung installieren die Hersteller verschiedene UTOs - basierend auf bestimmten Aufgaben.

Die Vorteile von Gasturbinentriebwerken in Bezug auf die Wärmeerzeugung sind unbestreitbar. Dies gilt insbesondere für Motoren mit einer elektrischen Leistung von 2-10 MW, was durch den relativ geringen Wert ihres elektrischen Wirkungsgrades erklärt wird. Da die Effizienz von Gasturbinentriebwerken zunimmt, muss die Menge an genutzter Wärme unvermeidlich abnehmen.

Bei der Auswahl eines Kolbenmotors für die Strom- und Wärmeversorgung einer bestimmten Anlage ist die Notwendigkeit, ein Kesselhaus als Teil eines Kraftwerks zu verwenden, nahezu zweifelsfrei. Der Betrieb des Kesselhauses erfordert eine Erhöhung des Gasverbrauchs über das hinaus, was zur Stromerzeugung erforderlich ist. Es stellt sich die Frage, wie sich die Gaskosten für die Energieversorgung der Anlage unterscheiden, wenn im einen Fall nur Gasturbinentriebwerke mit Abgaswärmerückgewinnung und im anderen Fall Kolbenmotoren mit Wärmerückgewinnung und Kesselhaus zum Einsatz kommen. Diese Frage kann nur nach einer gründlichen Untersuchung der Merkmale des Strom- und Wärmeverbrauchs des Objekts beantwortet werden.

Geht man davon aus, dass der geschätzte Wärmeverbrauch eines Objekts vollständig durch die genutzte Wärme des Gasturbinentriebwerks gedeckt werden kann und die fehlende Wärme beim Einsatz eines Kolbenmotors durch das Kesselhaus kompensiert wird, dann ist es möglich, die Art zu identifizieren der Veränderung des Gesamtgasverbrauchs zur Energieversorgung des Objekts.

Unter Verwendung der Daten in Abb. 1 und 2 ist es möglich, die charakteristischen Punkte der in den Fign. 1 erhalten Sie Informationen über Gaseinsparungen oder Überschreitungen bei der Verwendung verschiedener Arten von Stellantrieben. Sie sind in der Tabelle dargestellt:

Die absoluten Werte der Gaseinsparungen gelten nur für ein bestimmtes Objekt, dessen Eigenschaften in die Berechnung einbezogen wurden, aber die allgemeine Art der Abhängigkeit wird korrekt wiedergegeben, nämlich:
bei relativ engen Werten des elektrischen Wirkungsgrads (Unterschied bis zu 10%) führt die Verwendung von Kolbenmotoren und einem Heizraum zu einem übermäßigen Kraftstoffverbrauch;

• bei relativ engen Werten des elektrischen Wirkungsgrads (Unterschied bis zu 10%) führt die Verwendung von Kolbenmotoren und einem Heizraum zu einem übermäßigen Kraftstoffverbrauch;
• Bei einem Unterschied der Wirkungsgradwerte von mehr als 10% wird für den Betrieb von Kolbenmotoren und des Kesselhauses weniger Gas benötigt als für Gasturbinentriebwerke.
• es gibt einen bestimmten Punkt mit maximalen Gaseinsparungen bei der Verwendung von Hubkolbenmotoren und einem Heizraum, wo der Unterschied zwischen den Effizienzwerten von Motoren 13-14% beträgt;
• Je höher der Wirkungsgrad eines Kolbenmotors und je niedriger der Wirkungsgrad einer Gasturbine, desto größer die Gaseinsparung.

Als Ergänzung

In der Regel beschränkt sich die Aufgabe nicht auf die Wahl des Antriebstyps, sondern es muss die Zusammensetzung der Hauptausrüstung des Kraftwerks bestimmt werden - die Art der Einheiten, ihre Anzahl und die Zusatzausrüstung.

Die Wahl der Motoren zur Erzeugung der richtigen Strommenge bestimmt die Möglichkeiten zur Erzeugung von rückgewonnener Wärme. In diesem Fall müssen alle Merkmale von Änderungen der technischen Eigenschaften des Motors in Verbindung mit klimatischen Bedingungen und der Art der elektrischen Last berücksichtigt und die Auswirkungen dieser Änderungen auf die Bereitstellung von Nutzwärme bestimmt werden.

Es muss auch daran erinnert werden, dass das Kraftwerk nicht nur Motoren umfasst. Auf seinem Gelände befinden sich meist mehr als ein Dutzend Nebenbauwerke, deren Betrieb auch die technische und wirtschaftliche Leistungsfähigkeit des Kraftwerks beeinflusst.

Wie bereits erwähnt, kann die Zusammensetzung der Kraftwerksausrüstung aus technischer Sicht auf mehrere Arten gebildet werden, so dass ihre endgültige Wahl nur aus wirtschaftlicher Sicht gerechtfertigt werden kann.

Gleichzeitig ist die Kenntnis der Eigenschaften bestimmter Motoren und deren Einfluss auf die Wirtschaftlichkeit eines zukünftigen Kraftwerks von großer Bedeutung. Bei der Durchführung wirtschaftlicher Berechnungen ist es unvermeidlich, die Motorressourcen, die Wartbarkeit, den Zeitplan und die Kosten größerer Reparaturen zu berücksichtigen. Diese Anzeigen sind auch für jeden spezifischen Motor unabhängig von seinem Typ individuell.

Der Einfluss von Umweltfaktoren auf die Wahl des Motorentyps für das Kraftwerk kann nicht ausgeschlossen werden. Der Zustand der Atmosphäre im Bereich, in dem das Kraftwerk betrieben werden soll, kann ein wesentlicher Faktor für die Bestimmung des Motortyps sein (unabhängig von wirtschaftlichen Erwägungen).

Wie bereits erwähnt, werden Daten zu den Kosten von Motoren und darauf basierenden Kraftwerken nicht veröffentlicht. Hersteller oder Lieferanten von Geräten weisen auf die mögliche Abweichung in Konfiguration, Lieferbedingungen und anderen Gründen hin. Die Preise werden erst nach dem Ausfüllen des Unternehmensfragebogens präsentiert. Daher kann sich die Angabe in der ersten Tabelle, dass die Kosten für Hubkolbenmotoren mit einer Leistung von bis zu 3,5 MW niedriger sind als die Kosten für Gasturbinentriebwerke gleicher Leistung, als falsch herausstellen.

Fazit

So können in der Blockleistungsklasse bis 16 MW weder Gasturbinen- noch Kolbenmotoren eindeutig bevorzugt werden. Nur eine gründliche Analyse der erwarteten Betriebsweisen eines bestimmten Kraftwerks zur Strom- und Wärmeerzeugung (unter Berücksichtigung der Eigenschaften spezifischer Motoren und zahlreicher wirtschaftlicher Faktoren) rechtfertigt die Wahl des Motortyps vollständig. Ein Fachbetrieb kann die Zusammensetzung der Ausrüstung auf professioneller Ebene bestimmen.

Verweise

1. Gabich A. Anwendung von Gasturbinentriebwerken geringer Leistung im Energiesektor // Gasturbinentechnologien. 2003, Nr. 6. S. 30-31.
2. Burov VD Gasturbinen- und Gaskolbenkraftwerke mit geringer Leistung // Mining magazine. 2004, Sonderheft. S. 87-89.133.
3. Katalog der Gasturbinenausrüstung // Gasturbinentechnologien. 2005. S. 208.
4. Salikhov A. A., Fatkulin R. M., Abrakhmanov R. R., Shchaulov V. Yu. Entwicklung von Mini-KWK mit Gaskolbenmotoren in der Republik Baschkortostan. 2003, Nr. 11. S. 24-30.

Dieser Artikel ist mit geringfügigen Änderungen der Zeitschrift „Turbines and Diesels“, Nr. 1 (2) für 2006 entnommen.
Autor - V.P. Vershinsky, OOO "Gazpromenergoservis".

Eine Gasturbine ist ein Motor, bei dem das Hauptorgan des Geräts (der Rotor) im Dauerbetrieb (in anderen Fällen Dampf oder Wasser) in mechanische Arbeit umwandelt. Dabei wirkt der Strahl des Arbeitsmittels auf die am Umfang des Rotors befestigten Schaufeln und versetzt diese in Bewegung. In Richtung der Gasströmung werden Turbinen in axial (Gas bewegt sich parallel zur Turbinenachse) oder radial (senkrechte Bewegung relativ zur gleichen Achse) unterteilt. Es gibt sowohl ein- als auch mehrstufige Mechanismen.

Eine Gasturbine kann auf zwei Arten auf die Schaufeln einwirken. Erstens handelt es sich um einen aktiven Prozess, bei dem dem Arbeitsbereich Gas mit hoher Geschwindigkeit zugeführt wird. In diesem Fall bewegt sich der Gasstrom tendenziell geradlinig, und der ihm im Weg stehende gebogene Schaufelteil lenkt ihn ab und dreht sich. Zweitens ist es ein reaktiver Prozess, wenn die Gaszufuhrrate niedrig ist, aber hohe Drücke verwendet werden. Typ in seiner reinen Form wird fast nie gefunden, weil es in ihren Turbinen vorhanden ist, die zusammen mit der Reaktionskraft auf die Schaufeln wirken.

Wo wird die Gasturbine heute eingesetzt? Das Funktionsprinzip des Geräts ermöglicht den Einsatz für Antriebe von Stromgeneratoren, Kompressoren usw. Turbinen dieser Art sind im Transportwesen (Schiffsgasturbinenanlagen) weit verbreitet. Im Vergleich zu Dampfanaloga haben sie ein relativ geringes Gewicht und Abmessungen, sie erfordern keine Anordnung eines Heizraums, einer Kondensationseinheit.

Die Gasturbine ist nach dem Start recht schnell betriebsbereit, entwickelt in ca. 10 Minuten die volle Leistung, ist wartungsfreundlich, benötigt wenig Wasser zur Kühlung. Im Gegensatz zu Verbrennungsmotoren hat es keine Trägheitseffekte vom Kurbelmechanismus. eineinhalb Mal kürzer als Dieselmotoren und mehr als doppelt so leicht. Die Geräte können mit minderwertigem Kraftstoff betrieben werden. Die oben genannten Eigenschaften machen es möglich, Motoren dieser Art als besonders interessant für Schiffe und Tragflügelboote zu betrachten.

Die Gasturbine als Hauptkomponente des Triebwerks hat eine Reihe erheblicher Nachteile. Unter ihnen stellen sie hohe Geräusche, weniger als Dieselmotoren, Effizienz und kurze Lebensdauer bei hohen Temperaturen fest (wenn das verwendete Gasmedium eine Temperatur von etwa 1100 ° C hat, kann die Turbine durchschnittlich bis zu 750 Stunden verwendet werden).

Der Wirkungsgrad einer Gasturbine hängt von dem System ab, in dem sie eingesetzt wird. Beispielsweise haben in der Energiewirtschaft verwendete Geräte mit einer Anfangstemperatur von Gasen über 1300 Grad Celsius, von Luft im Kompressor nicht mehr als 23 und nicht weniger als 17, während des autonomen Betriebs einen Koeffizienten von etwa 38,5%. Solche Turbinen sind nicht sehr weit verbreitet und werden hauptsächlich zur Abdeckung von Lastspitzen in elektrischen Systemen eingesetzt. Heute laufen etwa 15 Gasturbinen mit einer Leistung von bis zu 30 MW in mehreren thermischen Kraftwerken in Russland. Bei mehrstufigen Anlagen wird durch den hohen Wirkungsgrad der Strukturelemente ein deutlich höherer Wirkungsgrad (ca. 0,93) erreicht.

Das Funktionsprinzip von Gasturbinenanlagen

Abb.1. Schema einer Gasturbineneinheit mit einem Einwellen-Gasturbinentriebwerk eines einfachen Zyklus

Dem Verdichter (1) des Gasturbinentriebwerks wird saubere Luft zugeführt. Unter hohem Druck wird Luft vom Kompressor in die Brennkammer (2) geleitet, wo auch der Hauptbrennstoff Gas zugeführt wird. Das Gemisch entzündet sich. Bei der Verbrennung eines Gas-Luft-Gemisches wird Energie in Form eines heißen Gasstroms erzeugt. Diese Strömung strömt mit hoher Geschwindigkeit auf das Turbinenrad (3) zu und dreht es. Die kinetische Rotationsenergie durch die Turbinenwelle treibt den Kompressor und den elektrischen Generator (4) an. Von den Anschlüssen des Stromgenerators wird der erzeugte Strom, normalerweise über einen Transformator, an das Stromnetz zu den Energieverbrauchern gesendet.

Gasturbinen werden durch den thermodynamischen Brayton-Zyklus beschrieben.Der Brayton/Joule-Zyklus ist ein thermodynamischer Zyklus, der die Arbeitsprozessevon Gasturbinen-, Turbostrahl- und Staustrahl-Verbrennungsmotoren sowie Gasturbinen-Verbrennungsmotorenmit äußerer Verbrennung mit einem geschlossenen Kreislauf eines Gases beschreibt (einphasiges) Arbeitsmedium.

Der Zyklus ist nach dem amerikanischen Ingenieur George Brighton benannt, der den Hubkolben-Verbrennungsmotor erfand, der mit diesem Zyklus betrieben wurde.

Manchmal wird dieser Zyklus auch als Joule-Zyklus bezeichnet – zu Ehren des englischen Physikers James Joule, der das mechanische Äquivalent von Wärme etablierte.

Abb.2. P,V Brayton-Zyklusdiagramm

Der ideale Brayton-Zyklus besteht aus den Prozessen:

• 1-2 Isentrope Kompression.
• 2-3 Isobarer Wärmeeintrag.
• 3-4 Isentrope Expansion.
• 4-1 Isobare Wärmeabfuhr.

Unter Berücksichtigung der Unterschiede zwischen realen adiabatischen Expansions- und Kontraktionsprozessen und isentropischen Prozessen wird ein echter Brayton-Zyklus konstruiert (1-2p-3-4p-1 im T-S-Diagramm) (Abb. 3).

Abb. 3. T-S Brayton-Zyklusdiagramm
Optimal (1-2-3-4-1)
Real (1-2p-3-4p-1)

Der thermische Wirkungsgrad eines idealen Brayton-Zyklus wird normalerweise durch die Formel ausgedrückt:

• wobei P = p2 / p1 - der Grad der Druckerhöhung im Prozess der isentropischen Kompression (1-2);
• k - Adiabatischer Index (für Luft gleich 1,4)

Es sei besonders darauf hingewiesen, dass diese allgemein anerkannte Art der Berechnung der Kreislaufeffizienz das Wesentliche des laufenden Prozesses verschleiert. Der Grenzwirkungsgrad des thermodynamischen Kreisprozesses wird über das Temperaturverhältnis nach der Carnot-Formel berechnet:

• wobei T1 die Kühlschranktemperatur ist;
• T2 - Heizungstemperatur.

Genau das gleiche Temperaturverhältnis lässt sich durch die im Kreislauf verwendeten Druckverhältnisse und den Adiabatenindex ausdrücken:

Somit hängt die Effizienz des Brayton-Zyklus genauso von der Anfangs- und Endtemperatur des Zyklus ab wie die Effizienz des Carnot-Zyklus. Bei einer infinitesimalen Erwärmung des Arbeitsmediums entlang der Linie (2-3) kann der Prozess als isotherm und dem Carnot-Kreisprozess vollständig äquivalent betrachtet werden. Die Erwärmungsmenge des Arbeitsfluids T3 im isobaren Prozess bestimmt die Arbeitsmenge in Bezug auf die Menge des im Kreislauf verwendeten Arbeitsfluids, beeinflusst aber in keiner Weise den thermischen Wirkungsgrad des Kreislaufs. In der praktischen Umsetzung des Zyklus wird jedoch normalerweise auf die höchstmöglichen Werte erhitzt, die durch die Hitzebeständigkeit der verwendeten Materialien begrenzt sind, um die Größe der Mechanismen zu minimieren, die das Arbeitsmedium komprimieren und expandieren.

In der Praxis verursachen Reibung und Turbulenzen:

• Nicht-adiabatische Verdichtung: Bei einem gegebenen Gesamtdruckverhältnis ist die Austrittstemperatur des Verdichters höher als ideal.
• Nicht-adiabatische Expansion: Die Turbinentemperatur sinkt zwar auf das für den Betrieb notwendige Niveau, der Verdichter wird jedoch nicht beeinflusst, das Druckverhältnis ist höher, dadurch reicht die Expansion nicht aus, um nutzbare Arbeit zu leisten.
• Druckverluste im Lufteinlass, Brennraum und Auslass: Dadurch reicht die Expansion nicht aus, um nutzbare Arbeit zu leisten.

Wie bei allen zyklischen Wärmekraftmaschinen gilt: Je höher die Verbrennungstemperatur, desto höher der Wirkungsgrad. Der begrenzende Faktor ist die Fähigkeit von Stahl, Nickel, Keramik oder anderen Materialien, aus denen der Motor besteht, Hitze und Druck standzuhalten. Ein Großteil der technischen Arbeit konzentriert sich darauf, Wärme von Teilen der Turbine abzuführen. Die meisten Turbinen versuchen auch, Wärme aus Abgasen zurückzugewinnen, die ansonsten verschwendet werden.

Rekuperatoren sind Wärmetauscher, die vor der Verbrennung Wärme von Abgasen auf Druckluft übertragen. In einem kombinierten Zyklus wird Wärme an die Dampfturbinensysteme übertragen. Und in der Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) wird Abwärme zur Warmwasserbereitung genutzt.

Mechanisch können Gasturbinen wesentlich einfacher sein als Hubkolben-Verbrennungsmotoren. Einfache Turbinen können ein bewegliches Teil haben: Welle/Kompressor/Turbine/alternative Rotorbaugruppe (siehe Abbildung unten), ohne das Kraftstoffsystem.

Abb.4. Diese Maschine hat einen einstufigen Radialkompressor,
Turbine, Rekuperator und Luftlager.

Komplexere Turbinen (die in modernen Strahltriebwerken verwendet werden) können mehrere Wellen (Spulen), Hunderte von Turbinenschaufeln, bewegliche Statorschaufeln und ein umfangreiches System komplexer Rohrleitungen, Brennkammern und Wärmetauscher haben.

Als allgemeine Regel gilt: Je kleiner der Motor, desto höher die Drehzahl der Welle(n), die erforderlich ist, um die maximale lineare Geschwindigkeit der Blätter aufrechtzuerhalten.

Die maximale Drehzahl der Turbinenschaufeln bestimmt den maximal erreichbaren Druck, was zu maximaler Leistung führt, unabhängig von der Motorgröße. Das Strahltriebwerk dreht sich mit etwa 10.000 U/min und die Mikroturbine mit etwa 100.000 U/min.