Wer hat zuerst das Funktionsprinzip einer Gasturbine beschrieben? Das Funktionsprinzip von GTU. Was kann die Ressource der Installation vor der Überholung sein?

Die Entwicklung neuartiger Gasturbinentypen, die steigende Nachfrage nach Gas im Vergleich zu anderen Brennstoffarten, groß angelegte Pläne industrieller Verbraucher zum Aufbau eigener Kapazitäten sorgen für ein wachsendes Interesse am Gasturbinenbau.

R Der Kleinerzeugungsmarkt hat große Entwicklungsperspektiven. Experten prognostizieren einen Anstieg der Nachfrage nach dezentraler Energie von 8 % (aktuell) auf 20 % (bis 2020). Dieser Trend erklärt sich durch den relativ niedrigen Stromtarif (2-3 Mal niedriger als der Tarif für Strom aus dem zentralen Netz). Darüber hinaus ist laut Maxim Zagornov, Mitglied des Generalrats von Delovaya Rossiya, Präsident des Verbandes der Kleinstromerzeugung des Urals, Direktor der MKS-Unternehmensgruppe, die kleine Erzeugung zuverlässiger als das Netz: in Bei einem Unfall im externen Netz wird die Stromversorgung nicht unterbrochen. Ein weiterer Vorteil der dezentralen Energie ist die Schnelligkeit der Inbetriebnahme: 8-10 Monate statt 2-3 Jahre für Erstellung und Anschluss von Netzleitungen.

Denis Cherepanov, Co-Vorsitzender des Delovaya Rossiya-Ausschusses für Energie, behauptet, dass die Zukunft seiner eigenen Generation gehört. Laut Sergei Yesyakov, Erster stellvertretender Vorsitzender des Staatsduma-Ausschusses für Energie, ist bei dezentraler Energie in der Kette der Energieverbraucher der Verbraucher und nicht der Energiesektor das entscheidende Glied. Bei der eigenen Stromerzeugung gibt der Verbraucher die erforderlichen Kapazitäten, Konfigurationen und sogar die Art des Brennstoffs an und spart gleichzeitig den Preis für ein Kilowatt erhaltener Energie. Experten gehen unter anderem davon aus, dass zusätzliche Einsparungen erzielt werden können, wenn das Kraftwerk im Blockheizkraftwerk betrieben wird: Die genutzte Wärmeenergie wird zum Heizen genutzt. Dann verkürzt sich die Amortisationszeit des Kraftwerks erheblich.

Der sich am aktivsten entwickelnde Bereich der dezentralen Energie ist der Bau von Gasturbinenkraftwerken geringer Strom. Gasturbinenkraftwerke sind für den Betrieb unter allen klimatischen Bedingungen als Haupt- oder Backup-Strom- und Wärmequelle für Industrie- und Haushaltsanlagen ausgelegt. Durch den Einsatz solcher Kraftwerke in abgelegenen Gebieten können Sie erhebliche Einsparungen erzielen, indem Sie die Kosten für den Bau und Betrieb langer Stromleitungen und in zentralen Gebieten eliminieren, um die Zuverlässigkeit der Strom- und Wärmeversorgung sowohl für einzelne Unternehmen als auch für Organisationen und Gebiete zu erhöhen als Ganzes. Betrachten Sie einige Gasturbinen und Gasturbineneinheiten, die von namhaften Herstellern für den Bau von Gasturbinenkraftwerken auf dem russischen Markt angeboten werden.

General Electric

Die Windturbinenlösungen von GE sind äußerst zuverlässig und eignen sich für Anwendungen in einer Vielzahl von Branchen, von Öl und Gas bis hin zu Versorgungsunternehmen. Insbesondere GE-Gasturbineneinheiten der LM2500-Familie mit einer Leistung von 21 bis 33 MW und einem Wirkungsgrad von bis zu 39 % werden aktiv in der Kleinerzeugung eingesetzt. Der LM2500 wird als mechanischer Antrieb und als Stromgeneratorantrieb eingesetzt, sie arbeiten in Kraftwerken im einfachen, GuD-, Kraft-Wärme-Kopplungs-Modus, Offshore-Plattformen und Pipelines.

GE-Turbinen dieser Serie sind seit 40 Jahren die meistverkauften Turbinen ihrer Klasse. Insgesamt wurden weltweit mehr als 2.000 Turbinen dieses Modells mit einer Gesamtbetriebszeit von mehr als 75 Millionen Stunden installiert.

Hauptmerkmale der LM2500-Turbinen: leichtes und kompaktes Design für schnelle Installation und einfache Wartung; Erreichen der vollen Leistung ab dem Moment des Starts in 10 Minuten; hohe Effizienz (in einem einfachen Zyklus), Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit in seiner Klasse; die Möglichkeit der Verwendung von Dual-Fuel-Brennkammern für Destillat und Erdgas; die Möglichkeit, Kerosin, Propan, Kokereigas, Ethanol und LNG als Brennstoff zu verwenden; niedrige NOx-Emissionen mit DLE- oder SAC-Brennkammern; Zuverlässigkeitsfaktor - mehr als 99%; Bereitschaftsfaktor - mehr als 98%; NOx-Emissionen - 15 ppm (DLE-Modifikation).

Kunden durchgehend zuverlässig zu unterstützen Lebenszyklus Stromerzeugungsanlagen GE eröffnete ein spezialisiertes Energy Technology Center in Kaluga. Es bietet Kunden modernste Lösungen für die Wartung, Inspektion und Reparatur von Gasturbinen. Das Unternehmen hat ein Qualitätsmanagementsystem nach ISO 9001 implementiert.

Kawasaki Heavy Industries

Das japanische Unternehmen Kawasaki Heavy Industries, Ltd. (KHI) ist ein diversifiziertes Engineering-Unternehmen. Einen wichtigen Platz in seinem Produktionsprogramm nehmen Gasturbinen ein.

1943 baute Kawasaki Japans erstes Gasturbinentriebwerk und ist heute einer der weltweit anerkannten Marktführer in der Produktion von Gasturbinen kleiner und mittlerer Leistung mit Referenzen für mehr als 11.000 Installationen.

Mit Priorität auf Umweltfreundlichkeit und Effizienz hat das Unternehmen große Fortschritte bei der Entwicklung von Gasturbinentechnologien gemacht und verfolgt aktiv vielversprechende Entwicklungen, auch im Bereich neuer Energiequellen als Alternative zu fossilen Brennstoffen.

Kawasaki verfügt über gute Erfahrungen mit kryogenen Technologien, Technologien für die Produktion, Speicherung und den Transport von Flüssiggasen und forscht und entwickelt aktiv auf dem Gebiet der Verwendung von Wasserstoff als Kraftstoff.

Insbesondere verfügt das Unternehmen bereits über Prototypen von Turbinen, die Wasserstoff als Zusatz zum Methankraftstoff verwenden. In Zukunft werden Turbinen erwartet, bei denen Wasserstoff wesentlich energieeffizienter und absolut umweltfreundlich Kohlenwasserstoffe ersetzt.

GTU Kawasaki GPB-Serie sind für den Grundlastbetrieb ausgelegt, einschließlich paralleler und isolierter Netzwerkinteraktionsschemata, während der Leistungsbereich auf Maschinen von 1,7 bis 30 MW basiert.

In der Modellpalette gibt es Turbinen, die Dampfeinspritzung verwenden, um schädliche Emissionen zu unterdrücken, und die von den Ingenieuren des Unternehmens modifizierte DLE-Technologie verwenden.

Elektrischer Wirkungsgrad je nach Erzeugungszyklus und Leistung von 26,9 % für GPB17 und GPB17D (M1A-17- und M1A-17D-Turbinen) bis 40,1 % für GPB300D (L30A-Turbine). Elektrische Leistung - von 1700 bis 30 120 kW; thermische Leistung - von 13.400 bis 8970 kJ / kWh; Abgastemperatur - von 521 bis 470°C; Abgasverbrauch - von 29,1 bis 319,4 Tausend m3/h; NOx (bei 15 % O2) – 9/15 ppm für die Gasturbinen M1A-17D, M7A-03D, 25 ppm für die Turbine M7A-02D und 15 ppm für die Turbinen L20A und L30A.

In Bezug auf die Effizienz sind Kawasaki-Gasturbinen, jede in ihrer Klasse, entweder weltweit führend oder gehören zu den führenden. Der thermische Gesamtwirkungsgrad von Kraftwerkseinheiten in KWK-Konfigurationen erreicht 86-87 %. Das Unternehmen produziert eine Reihe von GTUs in Dual-Fuel-Versionen (Erdgas und flüssiger Kraftstoff) mit automatischer Umschaltung. Derzeit sind drei Modelle von Gasturbinen bei russischen Verbrauchern am gefragtesten - GPB17D, GPB80D und GPB180D.

Kawasaki-Gasturbinen zeichnen sich aus durch: hohe Zuverlässigkeit und lange Lebensdauer; kompaktes Design, das besonders attraktiv ist, wenn die Ausrüstung bestehender Erzeugungsanlagen ersetzt wird; Wartungsfreundlichkeit durch geteiltes Design des Körpers, abnehmbare Brenner, optimal angeordnete Inspektionsöffnungen usw., was die Inspektion und Wartung, auch durch das Personal des Benutzers, vereinfacht;

Umweltfreundlichkeit und Wirtschaftlichkeit. Die Brennkammern der Kawasaki-Turbinen sind mit den fortschrittlichsten Techniken konstruiert, um den Verbrennungsprozess zu optimieren und den besten Turbinenwirkungsgrad zu erreichen sowie NOx und andere Schadstoffe im Abgas zu reduzieren. Die Umweltleistung wird auch durch den Einsatz fortschrittlicher Trockenemissionsunterdrückungstechnologie (DLE) verbessert;

Fähigkeit, eine breite Palette von Brennstoffen zu verwenden. Erdgas, Kerosin, Dieselkraftstoff, leichte Heizöle Typ A sowie Erdölbegleitgas können verwendet werden;

Zuverlässiger After-Sales-Service. Hohes Serviceniveau, einschließlich eines kostenlosen Online-Überwachungssystems (TechnoNet) mit Berichten und Prognosen, technischer Unterstützung durch hochqualifiziertes Personal sowie Inzahlungnahme des Austauschs eines Gasturbinentriebwerks während einer Generalüberholung (GTU-Ausfallzeit wird auf 2- 3 Wochen) usw. .d.

Im September 2011 führte Kawasaki ein hochmodernes Brennkammersystem ein, das die NOx-Emissionen für das M7A-03-Gasturbinentriebwerk auf weniger als 10 ppm senkte, sogar noch niedriger als die aktuellen Vorschriften. Einer der Designansätze des Unternehmens besteht darin, neue Geräte zu entwickeln, die nicht nur modernen, sondern auch zukünftigen, strengeren Umweltleistungsanforderungen entsprechen.

Die hocheffiziente 5-MW-GPB50D-Gasturbine mit einer Kawasaki M5A-01D-Turbine verwendet die neuesten bewährten Technologien. Der hohe Wirkungsgrad der Anlage macht sie optimal für Strom und Kraft-Wärme-Kopplung. Auch die kompakte Bauweise des GPB50D ist besonders vorteilhaft bei der Nachrüstung bestehender Anlagen. Der elektrische Nennwirkungsgrad von 31,9 % ist der weltweit beste unter den 5-MW-Anlagen.

Die M1A-17D-Turbine hat durch die Verwendung eines originalen Brennkammerdesigns mit Trockenemissionsunterdrückung (DLE) eine hervorragende Umweltleistung (NOx< 15 ppm) и эффективности.

Das ultraniedrige Gewicht der Turbine (1470 kg), das niedrigste in der Klasse, ist auf die weit verbreitete Verwendung von Verbundwerkstoffen und Keramik zurückzuführen, aus denen beispielsweise die Laufradschaufeln hergestellt werden. Keramiken sind widerstandsfähiger gegen den Betrieb bei erhöhten Temperaturen und weniger anfällig für Verunreinigungen als Metalle. Die Gasturbine hat einen elektrischen Wirkungsgrad von fast 27 %.

In Russland hat Kawasaki Heavy Industries, Ltd. eine Reihe erfolgreicher Projekte in Zusammenarbeit mit russischen Unternehmen umgesetzt:

Mini-TPP "Central" in Wladiwostok

Im Auftrag von JSC Far Eastern Energy Management Company (JSC DVEUK) wurden 5 GTUs GPB70D (M7A-02D) an TPP Tsentralnaya geliefert. Die Station versorgt die Verbraucher im zentralen Teil der Entwicklung der Insel Russki und des Campus der Far Eastern Federal University mit Strom und Wärme. TPP Tsentralnaya ist das erste Kraftwerk in Russland mit Kawasaki-Turbinen.

Mini-BHKW „Ozeanarium“ in Wladiwostok

Dieses Projekt wurde auch von JSC "DVEUK" für die Stromversorgung des auf der Insel gelegenen Wissenschafts- und Bildungskomplexes "Primorsky Oceanarium" durchgeführt. Zwei GPB70D-Gasturbinen wurden geliefert.

GTU hergestellt von Kawasaki in Gazprom PJSC

Der russische Partner von Kawasaki, MPP Energotechnika LLC, produziert auf Basis der Gasturbine M1A-17D ein Containerkraftwerk Korvette 1.7K für die Installation im Freien mit einem Umgebungstemperaturbereich von -60 bis + 40 °C.

Im Rahmen der Kooperationsvereinbarung wurden fünf EGTEPS KORVET-1.7K in den Produktionsstätten von MPP Energotechnika entwickelt und montiert. Die Verantwortungsbereiche der Unternehmen in diesem Projekt waren wie folgt verteilt: Kawasaki liefert das M1A-17D-Gasturbinentriebwerk und die Turbinenleitsysteme, die Siemens AG liefert den Hochspannungsgenerator. MPP Energotechnika LLC stellt einen Blockcontainer, eine Abgas- und Luftansaugvorrichtung, ein Steuerungssystem für Antriebseinheiten (einschließlich des Erregungssystems SHUVGM), elektrische Ausrüstung - Haupt- und Hilfsausrüstung her, komplettiert alle Systeme, montiert und liefert ein komplettes Kraftwerk und verkauft es auch APCS.

EGTES Korvet-1.7K hat abteilungsübergreifende Tests bestanden und wird für den Einsatz in den Einrichtungen von Gazprom PJSC empfohlen. Das Gasturbinenaggregat wurde von MPP Energotechnika LLC gemäß der Aufgabenstellung von PJSC Gazprom im Rahmen des Programms für wissenschaftliche und technische Zusammenarbeit von PJSC Gazprom und der Agentur entwickelt natürliche Ressourcen und Energie in Japan.

Turbine für CCGT 10 MW bei NRU MPEI

Kawasaki Heavy Industries Ltd., hat eine komplette Gasturbinenanlage GPB80D mit einer Nennleistung von 7,8 MW für die National Research University „MPEI“ in Moskau gefertigt und geliefert. CHP MPEI ist eine praktische Ausbildung und erzeugt Strom und Wärme im industriellen Maßstab, versorgt sie mit dem Moskauer Institut für Energietechnik selbst und speist sie in die Versorgungsnetze von Moskau ein.

Erweiterung der Geografie der Projekte

Kawasaki machte auf die Vorteile der Entwicklung lokaler Energie in Richtung dezentraler Erzeugung aufmerksam und schlug vor, mit der Umsetzung von Projekten zu beginnen, die Gasturbinen mit minimaler Kapazität verwenden.

Mitsubishi Hitachi Power Systems

Die Modellpalette der H-25-Turbinen wird im Leistungsbereich von 28-41 MW vorgestellt. Das komplette Paket der Turbinenproduktion, einschließlich F&E und Fernüberwachungszentrum, wird im Werk in Hitachi, Japan, von MHPS (Mitsubishi Hitachi Power Systems Ltd.) durchgeführt. Seine Gründung fällt auf Februar 2014 aufgrund der Fusion der Erzeugungsbereiche des anerkannten Marktführers im Maschinenbau Mitsubishi Heavy Industries Ltd. und Hitachi Ltd.

H-25-Modelle werden weltweit sowohl für den einfachen Zyklusbetrieb aufgrund des hohen Wirkungsgrads (34-37 %) als auch für den kombinierten Zyklus in 1x1- und 2x1-Konfiguration mit 51-53 % Wirkungsgrad eingesetzt. Mit Hochtemperaturindikatoren für Abgase hat sich die GTU auch erfolgreich im KWK-Modus mit einem Gesamtanlagenwirkungsgrad von mehr als 80 % bewährt.

Langjähriges Know-how in der Fertigung von Gasturbinen für unterschiedlichste Leistungen und eine durchdachte Konstruktion einer einwelligen Industrieturbine zeichnen die N-25 durch hohe Zuverlässigkeit mit einer Anlagenverfügbarkeit von über 99 % aus. Die Gesamtbetriebszeit des Modells überstieg in der zweiten Hälfte des Jahres 2016 6,3 Millionen Stunden. Die moderne Gasturbine ist mit einer horizontalen axialen Teilung ausgeführt, was eine einfache Wartung sowie die Möglichkeit gewährleistet, Teile des heißen Pfads am Ende auszutauschen Einsatzort.

Die Gegenstrom-Rohrringbrennkammer sorgt für eine stabile Verbrennung verschiedener Brennstoffarten wie Erdgas, Dieselkraftstoff, Flüssiggas, Rauchgase, Kokereigas etc. Vormischung des Gas-Luft-Gemisches (DLN). Das H-25-Gasturbinentriebwerk ist ein 17-stufiger Axialkompressor, der mit einer dreistufigen aktiven Turbine gekoppelt ist.

Ein Beispiel für den zuverlässigen Betrieb des N-25 GTU in kleinen Erzeugungsanlagen in Russland ist der Betrieb als Teil eines Blockheizkraftwerks für den Eigenbedarf des JSC Ammonii-Werks in Mendeleevsk, Republik Tatarstan. Das Blockheizkraftwerk versorgt die Produktionsstätte mit 24 MW Strom und 50 t/h Dampf (390°C / 43 kg/cm3). Im November 2017 wurde die erste Inspektion des Turbinenfeuerungssystems am Standort erfolgreich durchgeführt, die den zuverlässigen Betrieb der Maschinenkomponenten und Baugruppen bei hohen Temperaturen bestätigte.

Im Öl- und Gassektor wurden N-25 GTUs für den Betrieb der Sakhalin II Onshore Processing Facility (OPF) der Sakhalin Energy Investment Company, Ltd. Der OPF befindet sich 600 km nördlich von Juschno-Sachalinsk im Anlandungsbereich der Offshore-Gaspipeline und ist eine der wichtigsten Einrichtungen des Unternehmens, die für die Aufbereitung von Gas und Kondensat für den anschließenden Pipelinetransport zum Ölexportterminal und zur LNG-Anlage verantwortlich ist. Der technologische Komplex umfasst vier N-25-Gasturbinen, die seit 2008 im kommerziellen Betrieb sind. Das Blockheizkraftwerk auf Basis des N-25 GTU ist maximal in das integrierte Stromsystem OPF integriert, insbesondere die Wärme aus den Abgasen von Die Turbine wird zum Erhitzen von Rohöl für den Bedarf der Ölraffination verwendet.

Siemens Industrial Gas Turbine Generator Sets (im Folgenden als GTU bezeichnet) wird dazu beitragen, die Schwierigkeiten des sich dynamisch entwickelnden Marktes der dezentralen Stromerzeugung zu bewältigen. Gasturbinen mit einer Nennleistung von 4 bis 66 MW erfüllen die hohen Anforderungen im Bereich der industriellen kombinierten Energieerzeugung in Bezug auf Anlageneffizienz (bis zu 90%), Betriebssicherheit, Serviceflexibilität und Umweltsicherheit und gewährleisten eine geringe Lebensdauer Zykluskosten und hoher Return on Investment. Siemens verfügt über mehr als 100 Jahre Erfahrung im Bau von Industriegasturbinen und darauf aufbauenden thermischen Kraftwerken.

Siemens GTUs von 4 bis 66 MW werden von kleinen Energieversorgern, unabhängigen Stromerzeugern (z. B. Industrieanlagen) und der Öl- und Gasindustrie eingesetzt. Der Einsatz von Technologien zur dezentralen Stromerzeugung mit kombinierter Wärmeenergieerzeugung ermöglicht es, auf die Investition in viele Kilometer Stromleitungen zu verzichten, die Entfernung zwischen der Energiequelle und dem Objekt, das sie verbraucht, zu minimieren und durch Abdeckung erhebliche Kosteneinsparungen zu erzielen Heizung Industrieunternehmen und Infrastruktureinrichtungen durch Wärmerückgewinnung. Ein Standard-Mini-TPP auf Basis einer Siemens GTU kann überall dort gebaut werden, wo Zugang zu einer Brennstoffquelle oder deren sofortige Versorgung besteht.

SGT-300 ist eine Industriegasturbine mit einer elektrischen Nennleistung von 7,9 MW (siehe Tabelle 1), die ein einfaches, zuverlässiges Design mit modernster Technologie kombiniert.

Tabelle 1. Spezifikationen des SGT-300 für mechanischen Antrieb und Stromerzeugung

1) Elektrisch 2) Auf Welle montiert

Reis. 1. Aufbau des Gasgenerators SGT-300

Für die industrielle Stromerzeugung wird eine Einwellenversion der SGT-300-Gasturbine verwendet (siehe Abb. 1). Es ist ideal für die Kraft-Wärme-Kopplung (KWK)-Produktion. Die SGT-300-Gasturbine ist eine industrielle Gasturbine, die ursprünglich für die Stromerzeugung konzipiert wurde und die folgenden betrieblichen Vorteile für Betreiberorganisationen bietet:

Elektrischer Wirkungsgrad - 31%, was dank eines höheren Wirkungsgradwertes im Durchschnitt 2-3% höher ist als der Wirkungsgrad von Gasturbinen mit geringerer Leistung, wirtschaftlicher Effekt zum Einsparen von Brenngas;

Der Gasgenerator ist mit einer emissionsarmen Trockenbrennkammer mit DLE-Technologie ausgestattet, die es ermöglicht, NOx- und CO-Emissionen zu erreichen, die mehr als 2,5-mal niedriger sind als die in behördlichen Dokumenten festgelegten;

Der GTP hat aufgrund seiner Einwellenbauweise gute dynamische Eigenschaften und gewährleistet einen stabilen Betrieb des Generators bei Lastschwankungen des extern angeschlossenen Netzes;

Das industrielle Design der Gasturbine sorgt für eine lange Revisionslebensdauer und ist optimal für die Organisation von Servicearbeiten, die am Einsatzort durchgeführt werden;

Eine deutliche Reduzierung des Gebäude-Fußabdrucks sowie der Investitionskosten, einschließlich des Kaufs von anlagenweiter mechanischer und elektrischer Ausrüstung, ihrer Installation und Inbetriebnahme, wenn eine Lösung auf Basis von SGT-300 verwendet wird (Abb. 2).

Reis. 2. Gewichts- und Größenmerkmale des SGT-300-Blocks

Die Gesamtbetriebszeit der installierten Flotte von SGT-300 beträgt mehr als 6 Millionen Stunden, wobei die Betriebszeit der führenden GTU 151.000 Stunden beträgt Verfügbarkeit/Verfügbarkeitsverhältnis - 97,3 %, Zuverlässigkeitsverhältnis - 98,2 %.

OPRA (Niederlande) ist ein führender Anbieter von Energiesystemen auf Basis von Gasturbinen. OPRA entwickelt, fertigt und vertreibt modernste Gasturbinentriebwerke mit rund 2 MW. Die Haupttätigkeit des Unternehmens ist die Stromerzeugung für die Öl- und Gasindustrie.

Der zuverlässige OPRA OP16-Motor bietet eine höhere Leistung zu geringeren Kosten und eine längere Lebensdauer als jede andere Turbine seiner Klasse. Der Motor wird mit verschiedenen Arten von flüssigen und gasförmigen Kraftstoffen betrieben. Es erfolgt eine Modifikation des Brennraums mit reduziertem Schadstoffgehalt im Abgas. Das Kraftwerk OPRA OP16 1,5-2,0 MW wird ein zuverlässiger Helfer unter rauen Betriebsbedingungen sein.

OPRA-Gasturbinen sind die perfekte Ausrüstung für die Stromerzeugung in netzunabhängigen elektrischen und kleinen KWK-Systemen. Das Design der Turbine befindet sich seit mehr als zehn Jahren in der Entwicklung. Das Ergebnis ist ein einfaches, zuverlässiges und effizientes Gasturbinentriebwerk, einschließlich eines emissionsarmen Modells.

Ein charakteristisches Merkmal der Technologie zur Umwandlung chemischer Energie in elektrische Energie in OP16 ist das von COFAR patentierte System zur Kraftstoffgemischaufbereitung und -versorgung, das Verbrennungsmodi mit minimaler Bildung von Stickstoff und Kohlenoxiden sowie einem Minimum an unverbrannten Kraftstoffrückständen bietet. Original sind auch die patentierte Geometrie der Radialturbine und die generell freitragende Bauweise der Wechselkartusche inklusive Welle, Lagerung, Radialverdichter und Turbine.

Die Spezialisten von OPRA und MES Engineering haben das Konzept entwickelt, einen einzigartigen einheitlichen technischen Komplex für die Abfallverarbeitung zu schaffen. Von den 55-60 Millionen Tonnen aller Siedlungsabfälle, die in Russland pro Jahr erzeugt werden, fällt ein Fünftel - 11,7 Millionen Tonnen - auf die Hauptstadtregion (3,8 Millionen Tonnen - die Region Moskau, 7,9 Millionen Tonnen - Moskau). Gleichzeitig werden 6,6 Millionen Tonnen aus Moskau außerhalb der Moskauer Ringstraße exportiert Hausmüll. So siedeln sich mehr als 10 Millionen Tonnen Müll in der Region Moskau an. Seit 2013 wurden von 39 Deponien in der Region Moskau 22 geschlossen, die durch 13 Abfallsortierkomplexe, die 2018-2019 in Betrieb genommen werden, sowie vier Abfallverbrennungsanlagen ersetzt werden sollen. Die gleiche Situation tritt in den meisten anderen Regionen auf. Der Bau großer Abfallverarbeitungsanlagen ist jedoch nicht immer rentabel, daher ist das Problem der Abfallverarbeitung sehr relevant.

Das entwickelte Konzept eines einzigen technischen Komplexes kombiniert vollständig radiale OPRA-Anlagen mit hoher Zuverlässigkeit und Effizienz mit dem MES-Vergasungs- / Pyrolysesystem, das die effiziente Umwandlung verschiedener Abfallarten (einschließlich MSW, Ölschlamm, Altlasten, biologische und medizinische Abfälle) ermöglicht Abfälle, Altholzverarbeitung, Schwellen etc.) zu einem hervorragenden Brennstoff zur Wärme- und Stromerzeugung. Als Ergebnis der langjährigen Zusammenarbeit wurde ein standardisierter Abfallverarbeitungskomplex mit einer Kapazität von 48 Tonnen / Tag entworfen und befindet sich in der Umsetzung. (Abb. 3).

Reis. 3. Allgemeines Layout eines Standard-Abfallverarbeitungskomplexes mit einer Kapazität von 48 Tonnen/Tag.

Der Komplex umfasst eine MES-Vergasungsanlage mit Mülldeponie, zwei OPRA GTUs mit einer elektrischen Gesamtleistung von 3,7 MW und einer thermischen Leistung von 9 MW sowie diverse Hilfs- und Schutzsysteme.

Die Umsetzung eines solchen Komplexes ermöglicht es, auf einer Fläche von 2 Hektar eine Möglichkeit zur autonomen Energie- und Wärmeversorgung verschiedener Industrie- und Kommunaleinrichtungen zu erhalten und gleichzeitig das Problem des Recyclings verschiedener Arten von Haushaltsabfällen zu lösen.

Die Unterschiede zwischen den entwickelten komplexen und bestehenden Technologien ergeben sich aus der einzigartigen Kombination der vorgeschlagenen Technologien. Kleine (2 t/h) verbrauchte Abfallmengen zusammen mit einer kleinen erforderlichen Fläche des Standorts ermöglichen es, diesen Komplex direkt in der Nähe von kleinen Siedlungen, Industrieunternehmen usw. zu platzieren, wodurch beim ständigen Transport von Abfällen zu ihren erheblich Geld gespart wird Entsorgungsstellen. Die vollständige Autonomie des Komplexes ermöglicht es Ihnen, ihn fast überall einzusetzen. Die Verwendung des entwickelten Standardprojekts, modularer Strukturen und der maximalen Fabrikreife der Ausrüstung ermöglicht es, die Bauzeit auf 1-1,5 Jahre zu minimieren. Der Einsatz neuer Technologien sorgt für höchste Umweltfreundlichkeit des Komplexes. Die MES-Vergasungseinheit produziert gleichzeitig Gas- und Flüssigbrennstofffraktionen, und aufgrund der Dual-Brennstoff-Natur der OPRA GTU werden sie gleichzeitig verwendet, was die Brennstoffflexibilität und Zuverlässigkeit der Stromversorgung erhöht. Die geringen Anforderungen des OPRA GTU an die Kraftstoffqualität erhöhen die Zuverlässigkeit des Gesamtsystems. Die MES-Einheit ermöglicht die Verwendung von Abfällen mit einem Feuchtigkeitsgehalt von bis zu 85 %, daher ist keine Abfalltrocknung erforderlich, was die Effizienz des gesamten Komplexes erhöht. Die hohe Temperatur der Abgase des OPRA GTU ermöglicht eine zuverlässige Wärmeversorgung mit Heißwasser oder Dampf (bis zu 11 Tonnen Dampf pro Stunde bei 12 bar). Das Projekt ist standardisiert und skalierbar, was die Entsorgung beliebiger Abfallmengen ermöglicht.

Die Berechnungen zeigen, dass die Stromerzeugungskosten zwischen 0,01 und 0,03 Euro pro 1 kWh liegen werden, was die hohe Wirtschaftlichkeit des Projekts zeigt. Damit bekräftigte das Unternehmen OPRA erneut seinen Fokus auf die Erweiterung des Kraftstoffspektrums und die Erhöhung der Kraftstoffflexibilität sowie den Fokus auf die maximale Nutzung „grüner“ Technologien in seiner Entwicklung.

Eine Turbine ist eine rotierende Vorrichtung, die die Energie eines sich bewegenden Arbeitsfluids (Fluids) nutzt, um Arbeit zu erzeugen. Typische Turbinenflüssigkeiten sind: Wind, Wasser, Dampf und Helium. Windmühlen und Wasserkraftwerke nutzen Turbinen seit Jahrzehnten, um elektrische Generatoren anzutreiben und Energie für Industrie und Wohnungsbau zu erzeugen. Einfache Turbinen sind schon viel länger bekannt, die ersten davon tauchten im antiken Griechenland auf.

In der Geschichte der Stromerzeugung tauchten jedoch Gasturbinen selbst vor nicht allzu langer Zeit auf. Die erste praktische Gasturbine begann 1939 in Neuchâtel, Schweiz, mit der Stromerzeugung. Es wurde von der Brown Boveri Company entwickelt. Auch die erste Gasturbine zum Antrieb eines Flugzeugs lief 1939 in Deutschland mit einer von Hans P. von Ohain konstruierten Gasturbine. In England in den 1930er Jahren führte die Erfindung und Konstruktion der Gasturbine durch Frank Whittle 1941 zum ersten Flug mit Turbinenantrieb.

Abbildung 1. Schema einer Flugzeugturbine (a) und einer Gasturbine für den Bodeneinsatz (b)

Der Begriff „Gasturbine“ ist leicht irreführend, da er für viele ein Turbinentriebwerk bedeutet, das Gas als Brennstoff verwendet. Tatsächlich hat eine Gasturbine (in Abbildung 1 schematisch dargestellt) einen Kompressor, der Gas (normalerweise Luft) liefert und komprimiert; die Brennkammer, in der das komprimierte Gas durch die Verbrennung von Brennstoff erhitzt wird, und die Turbine selbst, die dem Strom heißer, komprimierter Gase Energie entzieht. Diese Energie reicht aus, um den Kompressor anzutreiben, und bleibt für nützliche Anwendungen übrig. Eine Gasturbine ist ein Verbrennungsmotor (ICE), der die kontinuierliche Verbrennung von Brennstoff nutzt, um nützliche Arbeit zu leisten. Darin unterscheidet sich die Turbine von Vergaser- oder Diesel-Verbrennungsmotoren, bei denen der Verbrennungsprozess intermittierend ist.

Da der Einsatz von Gasturbinen 1939 gleichzeitig in der Energiewirtschaft und in der Luftfahrt begann, werden unterschiedliche Bezeichnungen für Flug- und Landgasturbinen verwendet. Fluggasturbinen werden als Turbostrahl- oder Strahltriebwerke bezeichnet, und andere Gasturbinen werden als Gasturbinentriebwerke bezeichnet. Im Englischen gibt es noch mehr Namen für diese im Allgemeinen Motoren des gleichen Typs.

Einsatz von Gasturbinen

In einem Flugzeug-Turbojet treibt die Energie der Turbine einen Kompressor an, der Luft in das Triebwerk saugt. Das die Turbine verlassende heiße Gas wird durch die Schubdüse in die Atmosphäre ausgestoßen, wodurch Schub erzeugt wird. Auf Abb. 1a zeigt ein Diagramm eines Strahltriebwerks.

Abbildung 2. Schematische Darstellung eines Flugzeug-Turbostrahltriebwerks.

Ein typisches Turbojet-Triebwerk ist in Abb. 1 gezeigt. 2. Solche Motoren erzeugen einen Schub von 45 kgf bis 45.000 kgf bei einem Eigengewicht von 13 kg bis 9.000 kg. Die kleinsten Triebwerke treiben Marschflugkörper an, die größten - riesige Flugzeuge. Die Gasturbine in Abb. 2 ist ein Turbofan-Triebwerk mit einem Kompressor mit großem Durchmesser. Schub entsteht sowohl durch die vom Kompressor angesaugte Luft als auch durch die Luft, die durch die Turbine selbst strömt. Das Triebwerk ist groß und in der Lage, bei niedrigen Startgeschwindigkeiten einen hohen Schub zu erzeugen, wodurch es am besten für Verkehrsflugzeuge geeignet ist. Das Turbojet-Triebwerk hat keinen Lüfter und erzeugt Schub mit Luft, die vollständig durch den Gasweg strömt. Turbojets haben kleine Frontabmessungen und erzeugen bei hohen Geschwindigkeiten den größten Schub, wodurch sie sich am besten für den Einsatz in Kampfflugzeugen eignen.

Bei nicht luftfahrttechnischen Gasturbinen wird ein Teil der Energie der Turbine zum Antrieb des Verdichters verwendet. Die restliche Energie – „Nutzenergie“ – wird der Turbinenwelle an einer Energienutzungseinrichtung wie einem elektrischen Generator oder einer Schiffsschraube entnommen.

Eine typische landgestützte Gasturbine ist in Fig. 1 gezeigt. 3. Solche Anlagen können Energie von 0,05 MW bis 240 MW erzeugen. Die in Abb. 3 ist eine vom Flugzeug abgeleitete, aber leichtere Gasturbine. Schwerere Einheiten sind speziell für den Bodeneinsatz konzipiert und werden als Industrieturbinen bezeichnet. Während von Flugzeugen abgeleitete Turbinen zunehmend als primäre Stromgeneratoren eingesetzt werden, werden sie immer noch am häufigsten als Kompressoren zum Pumpen von Erdgas, zum Antreiben von Schiffen und als zusätzliche Stromgeneratoren in Zeiten mit Spitzenbedarf verwendet. Gasturbinengeneratoren können sich schnell einschalten und Energie liefern, wenn sie am dringendsten benötigt wird.

Abbildung 3. Die einfachste, einstufige, landgestützte Gasturbine. Zum Beispiel im Bereich Energie. 1 - Kompressor, 2 - Brennkammer, 3 - Turbine.

Die wichtigsten Vorteile einer Gasturbine sind:

1. Es ist in der Lage, bei relativ geringer Größe und Gewicht viel Leistung zu erzeugen.
2. Die Gasturbine arbeitet im Gegensatz zu Kolbenmotoren, die mit ständig wechselnden Lasten arbeiten, in einem konstanten Rotationsmodus. Daher halten Turbinen lange und benötigen relativ wenig Wartung.
3. Obwohl die Gasturbine mit Hilfsgeräten wie Elektromotoren oder einer anderen Gasturbine gestartet wird, dauert das Starten Minuten. Zum Vergleich wird die Anlaufzeit einer Dampfturbine in Stunden gemessen.
4. Eine Gasturbine kann eine Vielzahl von Brennstoffen verwenden. Große landgestützte Turbinen verwenden normalerweise Erdgas, während Flugturbinen dazu neigen, leichte Destillate (Kerosin) zu verwenden. Es kann auch Dieselkraftstoff oder speziell behandeltes Heizöl verwendet werden. Es ist auch möglich, brennbare Gase aus dem Prozess der Pyrolyse, Vergasung und Ölraffination sowie Biogas zu verwenden.
5. Typischerweise verwenden Gasturbinen atmosphärische Luft als Arbeitsmedium. Bei der Stromerzeugung benötigt eine Gasturbine kein Kühlmittel (z. B. Wasser).

In der Vergangenheit war einer der Hauptnachteile von Gasturbinen ihr geringer Wirkungsgrad im Vergleich zu anderen Verbrennungsmotoren oder Dampfturbinen in Kraftwerken. In den letzten 50 Jahren haben Verbesserungen in ihrem Design jedoch den thermischen Wirkungsgrad von 18 % im Jahr 1939 bei einer Neuchatel-Gasturbine auf den aktuellen Wirkungsgrad von 40 % im einfachen Zyklusbetrieb und etwa 55 % im kombinierten Zyklus erhöht (mehr dazu weiter unten). . In Zukunft wird der Wirkungsgrad von Gasturbinen noch weiter steigen, wobei der Wirkungsgrad im einfachen Zyklus auf 45-47 % und im kombinierten Zyklus auf bis zu 60 % steigen soll. Diese erwarteten Wirkungsgrade sind wesentlich höher als bei anderen gängigen Motoren wie Dampfturbinen.

Gasturbinenzyklen

Das Ablaufdiagramm zeigt, was passiert, wenn Luft in die Gasturbine eintritt, durch den Gasweg strömt und aus der Gasturbine austritt. Typischerweise zeigt ein Zyklogramm die Beziehung zwischen Luftvolumen und Systemdruck. Auf Abb. 4a zeigt den Brayton-Zyklus, der die Änderung der Eigenschaften eines festen Luftvolumens zeigt, das durch eine Gasturbine während ihres Betriebs strömt. Die wesentlichen Bereiche dieses Zyklogramms sind auch in der schematischen Darstellung der Gasturbine in Abb. 1 dargestellt. 4b.

Abbildung 4a. Brayton-Zyklusdiagramm in P-V-Koordinaten für das Arbeitsmedium, das die Arbeits- (W) und Wärmeströme (Q) zeigt.

Abbildung 4b. Schematische Darstellung einer Gasturbine mit Punkten aus dem Brayton-Zyklusdiagramm.

Die Luft wird von Punkt 1 nach Punkt 2 komprimiert. Der Druck des Gases steigt, während das Volumen des Gases abnimmt. Die Luft wird dann bei konstantem Druck von Punkt 2 nach Punkt 3 erhitzt. Diese Wärme wird dadurch erzeugt, dass der Brennstoff in die Brennkammer eingeführt wird und kontinuierlich verbrennt.

Heiße Druckluft aus Punkt 3 beginnt sich zwischen den Punkten 3 und 4 auszudehnen. In diesem Intervall sinken Druck und Temperatur, das Gasvolumen nimmt zu. Bei dem Motor in Abb. In 4b ist dies durch den Gasstrom von Punkt 3 durch die Turbine zu Punkt 4 dargestellt. Dadurch wird Energie erzeugt, die dann genutzt werden kann. In Abb. In Fig. 1a wird die Strömung von Punkt 3" nach Punkt 4 durch die Austrittsdüse geleitet und erzeugt Schub. "Nutzarbeit" in Fig. 4a wird durch die Kurve 3'-4 gezeigt. Dies ist die Energie, die in der Lage ist, die Antriebswelle von a anzutreiben Bodenturbine oder Schuberzeugung für ein Flugzeugtriebwerk Der Zyklus Brighton endet in Abb. 4 mit einem Prozess, bei dem das Volumen und die Temperatur der Luft abnehmen, wenn Wärme an die Atmosphäre abgegeben wird.

Abbildung 5. System mit geschlossenem Kreislauf.

Die meisten Gasturbinen arbeiten in einem Modus mit offenem Kreislauf. In einem offenen Kreislauf wird Luft aus der Atmosphäre entnommen (Punkt 1 in Abb. 4a und 4b) und an Punkt 4 wieder in die Atmosphäre ausgestoßen, sodass das heiße Gas in der Atmosphäre gekühlt wird, nachdem es aus dem Motor ausgestoßen wurde. In einer Gasturbine, die in einem geschlossenen Kreislauf arbeitet, wird das Arbeitsfluid (Flüssigkeit oder Gas) ständig verwendet, um die Abgase (am Punkt 4) im Wärmetauscher (in Abb. 5 schematisch dargestellt) zu kühlen und zum Verdichtereinlass zu leiten . Da ein geschlossenes Volumen mit einer begrenzten Gasmenge verwendet wird, ist eine Turbine mit geschlossenem Kreislauf kein Verbrennungsmotor. In einem geschlossenen Kreislaufsystem kann die Verbrennung nicht aufrechterhalten werden und die herkömmliche Brennkammer wird durch einen Sekundärwärmetauscher ersetzt, der die komprimierte Luft erwärmt, bevor sie in die Turbine eintritt. Wärme wird von einer externen Quelle bereitgestellt, wie etwa einem Kernreaktor, einem kohlebefeuerten Wirbelschichtofen oder einer anderen Wärmequelle. Es wurde vorgeschlagen, Gasturbinen mit geschlossenem Kreislauf bei Flügen zum Mars und anderen Langzeit-Weltraumflügen einzusetzen.

Eine Gasturbine, die nach dem Bryson-Kreisprozess (Abbildung 4) konstruiert und betrieben wird, wird als Einfachkreislauf-Gasturbine bezeichnet. Die meisten Gasturbinen in Flugzeugen arbeiten mit einem einfachen Zyklus, um das Gewicht und die Frontabmessung des Triebwerks so gering wie möglich zu halten. Für Land- oder Seenutzung wird es jedoch möglich, hinzuzufügen optionale Ausrüstung zu einer einfachen Zyklusturbine, um die Effizienz und/oder Leistung des Motors zu erhöhen. Es werden drei Arten von Modifikationen verwendet: Regeneration, Zwischenkühlung und doppelte Erwärmung.

Regeneration sieht die Installation eines Wärmetauschers (Rekuperators) auf dem Weg der Abgase vor (Punkt 4 in Abb. 4b). Druckluft von Punkt 2 in Abb. 4b wird am Wärmetauscher durch Abgase vorgewärmt, bevor sie in die Brennkammer eintreten (Abb. 6a).

Wenn die Regeneration gut implementiert ist, dh der Wirkungsgrad des Wärmetauschers hoch und der Druckabfall darin gering ist, ist der Wirkungsgrad größer als bei einem einfachen Turbinenkreislauf. Allerdings sollten auch die Kosten des Regenerators berücksichtigt werden. Die Regeneratoren wurden in Gasturbinentriebwerken in den Panzern Abrams M1 – dem Hauptkampfpanzer der Operation Desert Storm – und in experimentellen Gasturbinentriebwerken von Fahrzeugen eingesetzt. Gasturbinen mit Regeneration erhöhen den Wirkungsgrad um 5-6 % und ihr Wirkungsgrad ist sogar noch höher, wenn sie unter Teillast betrieben werden.

Ladeluftkühlung beinhaltet auch die Verwendung von Wärmetauschern. Ein Ladeluftkühler (Intercooler) kühlt das Gas während seiner Verdichtung. Wenn der Kompressor beispielsweise aus zwei Modulen besteht, Hoch- und Niederdruck, sollte zwischen ihnen ein Zwischenkühler installiert werden, um den Gasstrom zu kühlen und die zum Verdichten im Hochdruckkompressor erforderliche Arbeitsmenge zu reduzieren (Abb. 6b). Das Kühlmittel kann atmosphärische Luft (sog. Luftkühler) oder Wasser (z. B. Meerwasser in einer Schiffsturbine) sein. Es ist leicht zu zeigen, dass die Leistung einer Gasturbine mit einem gut ausgelegten Ladeluftkühler erhöht wird.

doppelte Heizung wird in Turbinen verwendet und ist eine Möglichkeit, die Leistungsabgabe einer Turbine zu erhöhen, ohne den Betrieb des Kompressors zu ändern oder die Betriebstemperatur der Turbine zu erhöhen. Wenn die Gasturbine zwei Module hat, Hoch- und Niederdruck, wird ein Überhitzer (normalerweise eine weitere Brennkammer) verwendet, um den Gasstrom zwischen der Hoch- und der Niederdruckturbine zu überhitzen (Abb. 6c). Es kann die Ausgangsleistung um 1-3% erhöhen. Die doppelte Erwärmung in Flugzeugturbinen wird durch Hinzufügen eines Nachbrenners an der Turbinendüse realisiert. Das erhöht die Traktion, erhöht aber den Kraftstoffverbrauch deutlich.

GuD-Gasturbinenkraftwerk wird oft als CCGT abgekürzt. Kombinierter Zyklus bedeutet ein Kraftwerk, in dem eine Gasturbine und eine Dampfturbine zusammen verwendet werden, um einen höheren Wirkungsgrad als bei getrennter Verwendung zu erreichen. Die Gasturbine treibt einen elektrischen Generator an. Aus Turbinenabgasen wird in einem Wärmetauscher Dampf erzeugt, der eine Dampfturbine antreibt, die ebenfalls Strom erzeugt. Wird mit Dampf geheizt, spricht man von einem Blockheizkraftwerk. Mit anderen Worten, in Russland ist die Abkürzung CHP (Heat and Power Plant) gebräuchlich. Aber in KWK-Anlagen arbeiten in der Regel keine Gasturbinen, sondern gewöhnliche Dampfturbinen. Und der gebrauchte Dampf wird zum Heizen verwendet, also sind BHKW und BHKW nicht synonym. Auf Abb. 7 ist ein vereinfachtes Diagramm eines Blockheizkraftwerks, das zwei in Reihe installierte Wärmekraftmaschinen zeigt. Der oberste Motor ist eine Gasturbine. Es überträgt Energie auf den unteren Motor - die Dampfturbine. Die Dampfturbine überträgt die Wärme dann auf den Kondensator.

Abbildung 7. Diagramm eines GuD-Kraftwerks.

Die Effizienz des kombinierten Zyklus \(\nu_(cc) \) kann durch einen ziemlich einfachen Ausdruck dargestellt werden: \(\nu_(cc) = \nu_B + \nu_R - \nu_B \times \nu_R \) Mit anderen Worten, es ist die Summe der Effizienz jeder Stufe abzüglich ihrer Arbeit. Diese Gleichung zeigt, warum Kraft-Wärme-Kopplung so effizient ist. Angenommen, \(\nu_B = 40%\) ist eine vernünftige Obergrenze für den Wirkungsgrad einer Brayton-Zyklus-Gasturbine. Eine vernünftige Schätzung des Wirkungsgrads einer Dampfturbine, die im Rankine-Zyklus in der zweiten Stufe der Kraft-Wärme-Kopplung arbeitet, ist \(\nu_R = 30% \). Setzen wir diese Werte in die Gleichung ein, erhalten wir: \(\nu_(cc) = 0,40 + 0,30 - 0,40 \times 0,3 = 0,70 - 0,12 = 0,58 \). Das heißt, der Wirkungsgrad eines solchen Systems beträgt 58%.

Dies ist die Obergrenze für den Wirkungsgrad eines Blockheizkraftwerks. Der praktische Wirkungsgrad wird aufgrund des unvermeidlichen Energieverlusts zwischen den Stufen geringer sein. Praktisch in in Betrieb genommenen Blockheizkraftwerken letzten Jahren erreicht einen Wirkungsgrad von 52-58%.

Gasturbinenkomponenten

Der Betrieb einer Gasturbine lässt sich am besten in drei Teilsysteme unterteilen: Verdichter, Brennkammer und Turbine, wie in Abb. 1. Als nächstes werden wir jedes dieser Subsysteme kurz betrachten.

Kompressoren und Turbinen

Der Kompressor ist über eine gemeinsame Welle mit der Turbine verbunden, so dass die Turbine den Kompressor drehen kann. Eine Einwellen-Gasturbine hat eine einzige Welle, die die Turbine und den Verdichter verbindet. Eine zweiwellige Gasturbine (Fig. 6b und 6c) hat zwei konische Wellen. Der längere ist mit einem Niederdruckkompressor und einer Niederdruckturbine verbunden. Er rotiert in einer kürzeren Hohlwelle, die den Hochdruckverdichter mit der Hochdruckturbine verbindet. Die Welle, die Turbine und Hochdruckverdichter verbindet, dreht sich schneller als die Welle von Turbine und Niederdruckverdichter. Eine Dreiwellen-Gasturbine hat eine dritte Welle, die die Turbine und den Mitteldruckverdichter verbindet.

Gasturbinen können zentrifugal oder axial oder eine Kombination sein. Der Zentrifugalkompressor, bei dem die Druckluft am äußeren Umfang der Maschine austritt, ist zuverlässig, kostet normalerweise weniger, ist aber auf ein Verdichtungsverhältnis von 6-7 zu 1 begrenzt. Sie waren in der Vergangenheit weit verbreitet und werden noch heute verwendet in kleinen Gasturbinen.

Bei effizienteren und produktiveren Axialkompressoren tritt Druckluft entlang der Achse des Mechanismus aus. Dies ist die häufigste Art von Gaskompressoren (siehe Abbildungen 2 und 3). Radialkompressoren bestehen aus einer großen Anzahl identischer Sektionen. Jeder Abschnitt enthält ein rotierendes Rad mit Turbinenschaufeln und ein Rad mit feststehenden Schaufeln (Statoren). Die Abschnitte sind so angeordnet, dass die Druckluft nacheinander durch jeden Abschnitt strömt und jedem von ihnen einen Teil ihrer Energie gibt.

Turbinen sind einfacher aufgebaut als Kompressoren, da es schwieriger ist, den Gasstrom zu komprimieren, als ihn wieder zu expandieren. Axialturbinen wie die in Abb. 2 und 3 haben weniger Abschnitte als ein Zentrifugalkompressor. Es gibt kleine Gasturbinen, die Zentrifugalturbinen (mit radialer Gaseinspritzung) verwenden, aber Axialturbinen sind am häufigsten.

Die Konstruktion und Herstellung einer Turbine ist schwierig, weil es erforderlich ist, die Lebensdauer der Komponenten im Heißgasstrom zu erhöhen. Das Problem der Konstruktionszuverlässigkeit ist in der ersten Stufe der Turbine am kritischsten, wo die Temperaturen am höchsten sind. Spezielle Materialien und ein ausgeklügeltes Kühlsystem werden verwendet, um Turbinenschaufeln herzustellen, die bei einer Temperatur von 980 bis 1040 Grad Celsius in einem Gasstrom schmelzen, dessen Temperatur 1650 Grad Celsius erreicht.

Die Brennkammer

Ein erfolgreiches Brennkammerdesign muss viele Anforderungen erfüllen, und sein richtiges Design ist seit den Tagen der Whittle- und von Ohin-Turbinen eine Herausforderung. Die relative Wichtigkeit jeder der Anforderungen an die Brennkammer hängt von der Anwendung der Turbine ab, und natürlich stehen einige Anforderungen im Widerspruch zueinander. Bei der Auslegung einer Brennkammer sind Kompromisse unvermeidlich. Die meisten Konstruktionsanforderungen beziehen sich auf den Preis, die Effizienz und die Umweltfreundlichkeit des Motors. Hier ist eine Liste der grundlegenden Anforderungen an eine Brennkammer:

1. Hohe Kraftstoffverbrennungseffizienz unter allen Betriebsbedingungen.
2. Geringe Kraftstoff- und Kohlenmonoxidemissionen (Kohlenmonoxid) im Unterbrand, geringe Stickoxidemissionen bei hoher Belastung und keine sichtbaren Rauchemissionen (Minimierung der Umweltbelastung).
3. Geringer Druckabfall, wenn Gas durch die Brennkammer strömt. 3-4 % Druckverlust sind ein typischer Druckverlust.
4. Die Verbrennung muss in allen Betriebsarten stabil sein.
5. Die Verbrennung muss bei sehr niedrigen Temperaturen und niedrigem Druck in großer Höhe (für Flugzeugtriebwerke) stabil sein.
6. Die Verbrennung sollte gleichmäßig sein, ohne Pulsationen oder Unterbrechungen.
7. Die Temperatur muss stabil sein.
8. Lange Lebensdauer (tausende von Stunden), insbesondere für Industrieturbinen.
9. Benutzerfreundlichkeit verschiedene Typen Treibstoff. Landturbinen verwenden normalerweise Erdgas oder Dieselkraftstoff. Für Flugzeugkerosinturbinen.
10. Länge und Durchmesser des Brennraums müssen der Größe des Motoraggregats entsprechen.
11. Die Gesamtkosten für den Besitz einer Brennkammer sollten auf einem Minimum gehalten werden (dies umfasst Anschaffungskosten, Betriebs- und Wartungskosten).
12. Die Brennkammer für Flugtriebwerke muss ein Mindestgewicht haben.

Die Brennkammer besteht aus mindestens drei Hauptteilen: Mantel, Flammrohr und Kraftstoffeinspritzsystem. Das Gehäuse muss dem Betriebsdruck standhalten und kann Teil des Gasturbinendesigns sein. Der Mantel schließt ein relativ dünnwandiges Flammrohr ab, in dem die Verbrennung und das Brennstoffeinspritzsystem stattfinden.

Im Vergleich zu anderen Motortypen wie Diesel- und Hubkolbenmotoren erzeugen Gasturbinen die geringste Menge an Luftschadstoffen pro Leistungseinheit. Unter den Gasturbinenemissionen sind unverbrannter Brennstoff, Kohlenmonoxid (Kohlenmonoxid), Stickoxide (NOx) und Rauch von größter Bedeutung. Obwohl der Beitrag von Flugzeugturbinen zu den gesamten Schadstoffemissionen weniger als 1 % beträgt, verdoppelten sich die Emissionen direkt in die Troposphäre zwischen dem 40. und 60. Grad nördlicher Breite, was zu einem Anstieg der Ozonkonzentration um 20 % führte. In der Stratosphäre, wo Überschallflugzeuge fliegen, verursachen NOx-Emissionen Ozonabbau. Beide Effekte schaden der Umwelt, daher ist die Reduzierung von Stickoxiden (NOx) in Flugzeugtriebwerksemissionen das, was im 21. Jahrhundert geschehen muss.

Dies ist ein ziemlich kurzer Artikel, der versucht, alle Aspekte von Turbinenanwendungen abzudecken, von der Luftfahrt bis zur Energie, ohne sich auf Formeln zu verlassen. Um sich besser in das Thema einzuarbeiten, kann ich das Buch „Gas Turbine in Railway Transport“ http://tapemark.narod.ru/turbo/index.html empfehlen. Wenn Sie die Kapitel überspringen, die sich auf die Besonderheiten des Einsatzes von Turbinen bei der Eisenbahn beziehen, ist das Buch immer noch sehr verständlich, aber viel ausführlicher.

Eine Turbine ist ein Motor, in dem die potentielle Energie eines kompressiblen Fluids im Schaufelapparat in kinetische Energie umgewandelt wird und diese in den Laufrädern in mechanische Arbeit, die auf eine kontinuierlich rotierende Welle übertragen wird.

Dampfturbinen stellen bauartbedingt eine Wärmekraftmaschine dar, die ständig in Betrieb ist. Während des Betriebs tritt überhitzter oder gesättigter Wasserdampf in den Strömungsweg ein und zwingt aufgrund seiner Ausdehnung den Rotor zur Drehung. Die Rotation erfolgt durch den auf den Schaufelapparat einwirkenden Dampfstrom.

Die Dampfturbine ist Teil des Dampfturbinendesigns, das zur Energieerzeugung ausgelegt ist. Es gibt auch Anlagen, die neben Strom auch Wärmeenergie erzeugen können - der Dampf, der durch die Dampfschaufeln getreten ist, gelangt in die Warmwasserbereiter des Netzes. Dieser Turbinentyp wird als industrielle Kraft-Wärme-Kopplung oder KWK-Turbinen bezeichnet. Im ersten Fall erfolgt die Dampfentnahme für industrielle Zwecke in der Turbine. Zusammen mit einem Generator ist eine Dampfturbine eine Turbineneinheit.

Typen von Dampfturbinen

Turbinen werden je nach Richtung, in die sich der Dampf bewegt, in Radial- und Axialturbinen unterteilt. Der Dampfstrom in Radialturbinen ist senkrecht zur Achse gerichtet. Dampfturbinen können ein-, zwei- und dreifach sein. Die Dampfturbine ist mit einer Vielzahl von ausgestattet technische Geräte, die das Eindringen von Umgebungsluft in das Gehäuse verhindern. Dies sind eine Vielzahl von Dichtungen, die in geringer Menge mit Wasserdampf versorgt werden.

Am vorderen Teil der Welle befindet sich ein Sicherheitsregler, der die Dampfzufuhr abschaltet, wenn die Turbinendrehzahl zunimmt.

Eigenschaften der Hauptparameter der Nennwerte

· Nennleistung der Turbine- die maximale Leistung, die die Turbine über einen langen Zeitraum an den Klemmen des Stromgenerators entwickeln muss, bei normalen Werten der Hauptparameter oder wenn sie sich innerhalb der durch Industrie- und Staatsnormen festgelegten Grenzen ändern. Eine geregelte Dampfentnahmeturbine kann über ihre Nennleistung hinaus Leistung entwickeln, wenn dies den Festigkeitsverhältnissen ihrer Teile entspricht.

· Wirtschaftskraft der Turbine- die Leistung, bei der die Turbine mit dem größten Wirkungsgrad arbeitet. Abhängig von den Frischdampfparametern und dem Verwendungszweck der Turbine kann die Nennleistung gleich der Wirtschaftsleistung oder um 10-25 % höher sein.

· Solltemperatur der regenerativen Speisewassererwärmung- die Temperatur des Speisewassers hinter dem letzten Erhitzer in Wasserrichtung.

· Kühlwassernenntemperatur- die Temperatur des Kühlwassers am Eintritt in den Kondensator.

Gasturbine(v. Turbine ab lat. Turbo Wirbel, Rotation) ist eine kontinuierliche Wärmekraftmaschine, in deren Schaufelapparat die Energie von komprimiertem und erhitztem Gas in mechanische Arbeit an der Welle umgewandelt wird. Es besteht aus einem Rotor (auf Scheiben befestigte Schaufeln) und einem Stator (im Gehäuse befestigte Leitschaufeln).

Gas mit hoher Temperatur und hohem Druck tritt durch die Turbinendüsenvorrichtung in den Niederdruckbereich hinter dem Düsenteil ein, wobei es gleichzeitig expandiert und beschleunigt. Ferner tritt der Gasstrom in die Turbinenschaufeln ein, gibt ihnen einen Teil seiner kinetischen Energie und überträgt Drehmoment auf die Schaufeln. Die Rotorblätter übertragen das Drehmoment über die Turbinenscheiben auf die Welle. Nützliche Eigenschaften einer Gasturbine: Eine Gasturbine z. B. treibt mit ihr einen auf der gleichen Welle befindlichen Generator an, was die Nutzarbeit einer Gasturbine ist.

Gasturbinen werden als Teil von Gasturbinentriebwerken (für den Transport) und Gasturbineneinheiten (in Wärmekraftwerken als Teil von stationären GTUs, CCGTs) verwendet. Gasturbinen werden durch den thermodynamischen Zyklus von Brayton beschrieben, bei dem Luft zuerst adiabatisch komprimiert, dann bei konstantem Druck verbrannt und dann adiabatisch wieder auf den Ausgangsdruck expandiert wird.

Arten von Gasturbinen

- Flugzeug- und Strahltriebwerke

- Hilfskraft Power Point

- Industrielle Gasturbinen zur Stromerzeugung

- Turbowellenmotoren

- Radiale Gasturbinen

- Mikroturbinen

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

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 Drehzahl der Klingen 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.

Der Artikel beschreibt, wie der Wirkungsgrad der einfachsten Gasturbine berechnet wird, und es werden Tabellen verschiedener Gasturbinen und Kombikraftwerke gegeben, um deren Wirkungsgrad und andere Eigenschaften zu vergleichen.

Auf dem Gebiet der industriellen Nutzung von Gasturbinen- und Dampfgastechnologien ist Russland weit hinter den fortgeschrittenen Ländern der Welt zurückgeblieben.

Weltweit führend in der Produktion von Hochleistungs-Gas- und GuD-Kraftwerken: GE, Siemens Wistinghouse, ABB – erreichten Werte der Einheitsleistung von Gasturbinenanlagen von 280–320 MW und einen Wirkungsgrad von über 40 %, mit a Nutzung der Dampfkraft-Überstruktur in einem Dampf-Gas-Kreislauf (auch binär genannt) - Kapazitäten von 430-480 MW mit einem Wirkungsgrad von bis zu 60 %. Wenn Sie Fragen zur Zuverlässigkeit von CCGT haben, lesen Sie den Artikel.

Diese beeindruckenden Zahlen dienen als Maßstab für die Bestimmung der Entwicklungspfade der Energietechnikindustrie in Russland.

Wie wird der Wirkungsgrad einer Gasturbine bestimmt?

Hier sind ein paar einfache Formeln, um zu zeigen, wie hoch der Wirkungsgrad einer Gasturbinenanlage ist:

Turbineninterne Leistung:

• Nt = Gex * Lt, wobei Lt der Betrieb der Turbine ist, Gex die Durchflussrate der Abgase ist;

GTU-interne Stromversorgung:

• Ni gtu \u003d Nt - Nk, wobei Nk die interne Leistung des Luftkompressors ist;

GTU-Wirkleistung:

• Nef \u003d Ni gtu * Wirkungsgradmech, Wirkungsgradmech - Wirkungsgrad im Zusammenhang mit mechanischen Verlusten in Lagern, kann mit 0,99 angenommen werden

Elektrische Energie:

• Nel \u003d Ne * Effizienz zB, wo Effizienz zB die Effizienz ist, die mit Verlusten im elektrischen Generator verbunden ist, können wir 0,985 nehmen

Verfügbare Wärme des Brennstoffs:

• Qsp = Gtop * Qrn, wobei Gref - Kraftstoffverbrauch, Qrn - der niedrigste Arbeitsheizwert des Kraftstoffs

Absoluter elektrischer Wirkungsgrad einer Gasturbinenanlage:

• Wirkungsgrad \u003d Nel / Q dist

Die CCGT-Effizienz ist höher als die GTU-Effizienz da das GuD-Kraftwerk die Wärme der Abgase der Gasturbine nutzt. Hinter der Gasturbine ist ein Abhitzekessel installiert, in dem Wärme aus den Gasturbinenabgasen auf das Arbeitsmedium (Speisewasser) übertragen wird, der erzeugte Dampf zur Dampfturbine geleitet wird, um Strom und Wärme zu erzeugen.

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Die CCGT-Effizienz wird normalerweise durch das Verhältnis dargestellt:

• PGU-Effizienz \u003d GTU-Effizienz * B + (1-GTU-Effizienz * B) * PSU-Effizienz

B ist der Binaritätsgrad des Zyklus

Wirkungsgrad PSU - Wirkungsgrad eines Dampfkraftwerks

• B = Qks/(Qks+Qku)

Qks ist die Wärme des in der Brennkammer einer Gasturbine verbrannten Brennstoffs

Qku - Wärme von zusätzlichem Brennstoff, der im Abhitzekessel verbrannt wird

Gleichzeitig wird angemerkt, dass wenn Qku = 0, dann B = 1, d. h. die Installation vollständig binär ist.

Einfluss des Binaritätsgrades auf den GuD-Wirkungsgrad

Lassen Sie uns nacheinander die Tabellen mit den Eigenschaften des Wirkungsgrads von Gasturbinen und danach die Indikatoren des CCGT mit diesen Gasmotoren präsentieren und den Wirkungsgrad einer separaten Gasturbine und den Wirkungsgrad des CCGT vergleichen.

Eigenschaften moderner leistungsstarker Gasturbinen

ABB-Gasturbinen

Kombikraftwerke mit ABB-Gasturbinen

GE-Gasturbinen

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Kombikraftwerke mit GE-Gasturbinen

Siemens-Gasturbinen

GuD-Anlagen mit Siemens-Gasturbinen

Westinghouse-Mitsubishi-Fiat-Gasturbinen

Thermische Turbine mit konstanter Wirkung, in der die thermische Energie von komprimiertem und erhitztem Gas (normalerweise Brennstoffverbrennungsprodukte) an einer Welle in mechanische Rotationsarbeit umgewandelt wird; ist ein Strukturelement eines Gasturbinentriebwerks.

Die Erwärmung von komprimiertem Gas erfolgt in der Regel in der Brennkammer. Es ist auch möglich, in einem Kernreaktor usw. zu heizen. Gasturbinen tauchten erstmals Ende des 19. Jahrhunderts auf. Als Gasturbinentriebwerk näherten sie sich konstruktiv einer Dampfturbine an. Strukturell ist eine Gasturbine eine Reihe von geordnet angeordneten feststehenden Schaufelkränzen des Düsenapparats und rotierenden Kränzen des Laufrads, die dadurch einen Strömungsteil bilden. Die Turbinenstufe ist ein mit einem Laufrad kombinierter Düsenapparat. Die Stufe besteht aus einem Stator mit feststehenden Teilen (Gehäuse, Leitschaufeln, Deckringe) und einem Rotor mit rotierenden Teilen (wie Laufschaufeln, Scheiben, Welle).

Die Klassifizierung einer Gasturbine erfolgt nach vielen Konstruktionsmerkmalen: in Richtung der Gasströmung, der Anzahl der Stufen, der Methode zur Nutzung der Wärmedifferenz und der Methode der Gaszufuhr zum Laufrad. In Richtung der Gasströmung können Gasturbinen axial (am häufigsten) und radial sowie diagonal und tangential unterschieden werden. Bei axialen Gasturbinen wird die Strömung im Meridianschnitt hauptsächlich entlang der gesamten Turbinenachse transportiert; bei radialen Turbinen hingegen steht sie senkrecht zur Achse. Radialturbinen werden in Zentripetal- und Zentrifugalturbinen unterteilt. Bei einer Diagonalturbine strömt das Gas in einem bestimmten Winkel zur Rotationsachse der Turbine. Das Laufrad einer Tangentialturbine hat keine Schaufeln; solche Turbinen werden bei sehr kleinen Gasströmungsgeschwindigkeiten verwendet, normalerweise in Messgeräten. Gasturbinen sind ein-, zwei- und mehrstufig.

Die Anzahl der Stufen wird von vielen Faktoren bestimmt: dem Verwendungszweck der Turbine, ihrem Konstruktionsschema, der Gesamtleistung, die von einer Stufe entwickelt wird, sowie dem ausgelösten Druckabfall. Nach der Methode der Nutzung der verfügbaren Wärmedifferenz unterscheidet man Turbinen mit Drehzahlstufen, bei denen sich nur die Strömung im Laufrad dreht, ohne Druckänderung (aktive Turbinen), und Turbinen mit Druckstufen, bei denen sowohl der Druck abfällt im Düsenapparat und an den Laufschaufeln (Strahlturbinen). Bei Teilgasturbinen wird dem Laufrad entlang eines Teilumfangs der Düsenvorrichtung oder entlang ihres vollen Umfangs Gas zugeführt.

Bei einer mehrstufigen Turbine besteht der Energieumwandlungsprozess aus mehreren aufeinanderfolgenden Prozessen in einzelnen Stufen. Verdichtetes und erhitztes Gas wird den Zwischenschaufelkanälen der Düsenvorrichtung mit einer Anfangsgeschwindigkeit zugeführt, wo beim Expansionsvorgang ein Teil des verfügbaren Wärmetropfens in die kinetische Energie des ausströmenden Strahls umgewandelt wird. Die weitere Expansion des Gases und die Umwandlung des Wärmeabfalls in nutzbare Arbeit erfolgen in den Zwischenschaufelkanälen des Laufrads. Der auf die Rotorblätter wirkende Gasstrom erzeugt ein Drehmoment an der Hauptwelle der Turbine. In diesem Fall nimmt die absolute Geschwindigkeit des Gases ab. Je niedriger diese Drehzahl ist, desto mehr Gasenergie wird an der Turbinenwelle in mechanische Arbeit umgewandelt.

Der Wirkungsgrad charakterisiert den Wirkungsgrad von Gasturbinen, der das Verhältnis der von der Welle abgeführten Arbeit zur verfügbaren Gasenergie vor der Turbine ist. Der effektive Wirkungsgrad moderner mehrstufiger Turbinen ist ziemlich hoch und erreicht 92-94%.

Das Funktionsprinzip einer Gasturbine ist wie folgt: Gas wird von einem Kompressor in die Brennkammer eingeblasen, mit Luft vermischt, bildet ein Brennstoffgemisch und wird gezündet. Die entstehenden Verbrennungsprodukte mit hoher Temperatur (900-1200 °C) passieren mehrere Reihen von Schaufeln, die auf der Turbinenwelle montiert sind, und bringen die Turbine zum Rotieren. Die resultierende mechanische Energie der Welle wird über ein Getriebe auf einen Generator übertragen, der Strom erzeugt.

Wärmeenergie Gase, die die Turbine verlassen, treten in den Wärmetauscher ein. Anstatt Strom zu erzeugen, kann die mechanische Energie der Turbine auch verwendet werden, um verschiedene Pumpen, Kompressoren usw. zu betreiben. Der am häufigsten verwendete Brennstoff für Gasturbinen ist Erdgas, obwohl dies die Möglichkeit der Verwendung anderer Arten von gasförmigen Brennstoffen nicht ausschließen kann . Aber gleichzeitig sind Gasturbinen sehr launisch und stellen hohe Anforderungen an die Qualität ihrer Herstellung (bestimmte mechanische Einschlüsse, Feuchtigkeit sind notwendig).

Die Temperatur der aus der Turbine austretenden Gase beträgt 450-550 °С. Das quantitative Verhältnis von thermischer zu elektrischer Energie in Gasturbinen reicht von 1,5: 1 bis 2,5: 1, was den Bau von Blockheizkraftwerken ermöglicht, die sich in der Art des Kühlmittels unterscheiden:

1) direkte (direkte) Verwendung von heißen Abgasen;
2) Erzeugung von Nieder- oder Mitteldruckdampf (8-18 kg/cm2) in einem externen Kessel;
3) Warmwasserbereitung (besser, wenn die erforderliche Temperatur 140 °C übersteigt);
4) Erzeugung von Hochdruckdampf.

Einen großen Beitrag zur Entwicklung von Gasturbinen leisteten die sowjetischen Wissenschaftler B. S. Stechkin, G. S. Zhiritsky, N. R. Briling, V. V. Uvarov, K. V. Kholshchevikov, I. I. Kirillov und andere Die Schaffung von Gasturbinen für stationäre und mobile Gasturbinenanlagen wurde von Ausländern erreicht Unternehmen (die Schweizer Brown-Boveri, in der der berühmte slowakische Wissenschaftler A. Stodola arbeitete, und Sulzer, die amerikanische General Electric usw.).

BEI weitere Entwicklung Gasturbinen hängt von der Möglichkeit ab, die Gastemperatur vor der Turbine zu erhöhen. Dies liegt an der Schaffung neuer hitzebeständiger Materialien und zuverlässiger Kühlsysteme für Rotorblätter mit einer erheblichen Verbesserung des Strömungspfads usw.

Dank des weit verbreiteten Übergangs in den 1990er Jahren. Erdgas als Hauptbrennstoff für die Stromerzeugung haben Gasturbinen ein bedeutendes Marktsegment besetzt. Obwohl die maximale Effizienz der Geräte bei Leistungen ab 5 MW (bis zu 300 MW) erreicht wird, produzieren einige Hersteller Modelle im Bereich von 1 bis 5 MW.

Gasturbinen werden in der Luftfahrt und in Kraftwerken eingesetzt.

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