Gaasiturbiini generaator. Gaasiturbiinid ja väikese võimsusega gaasiturbiiniagregaadid Venemaa turul. Gaasiturbiini disain

"Turbo", "turboreaktiivmootor", "turbopropeller" – need terminid on kindlalt sisenenud 20. sajandi inseneride leksikoni, kes tegelevad sõidukite ja statsionaarsete elektripaigaldiste projekteerimise ja hooldamisega. Neid kasutatakse isegi seotud valdkondades ja reklaamides, kui soovitakse toote nimele anda aimu erilisest võimsusest ja tõhususest. Lennunduses, rakettides, laevades ja elektrijaamades kasutatakse gaasiturbiini kõige sagedamini. Kuidas see on korraldatud? Kas see töötab maagaasil (nagu nimi võib arvata) ja millised need on? Mille poolest erineb turbiin teist tüüpi sisepõlemismootoritest? Millised on selle eelised ja puudused? Selles artiklis püütakse neile küsimustele võimalikult täielikult vastata.

Venemaa masinaehituse juht UEC

Venemaal, erinevalt paljudest teistest pärast NSV Liidu lagunemist tekkinud iseseisvatest riikidest, õnnestus masinaehitustööstus suures osas säilitada. Eelkõige tegeleb Saturni ettevõte eriotstarbeliste elektrijaamade tootmisega. Selle ettevõtte gaasiturbiine kasutatakse laevaehituses, toorainetööstuses ja energeetikas. Tooted on kõrgtehnoloogilised, nõuavad erilist lähenemist paigaldamisel, silumisel ja kasutamisel, samuti eriteadmisi ja kalleid seadmeid plaanilise hoolduse käigus. Kõik need teenused on saadaval UEC - Gas Turbines, nagu seda tänapäeval nimetatakse, klientidele. Selliseid ettevõtteid pole maailmas nii palju, kuigi põhitoote korraldamise põhimõte on esmapilgul lihtne. Kogunenud kogemustel on suur tähtsus, mis võimaldab arvestada paljude tehnoloogiliste peensustega, ilma milleta pole seadme vastupidavat ja usaldusväärset tööd võimatu saavutada. Siin on vaid osa UEC tootevalikust: gaasiturbiinid, elektrijaamad, gaasipumpamisseadmed. Klientide hulgas on "Rosatom", "Gazprom" ja teised keemiatööstuse ja energeetika "vaalad".

Selliste keerukate masinate valmistamine nõuab igal üksikjuhul individuaalset lähenemist. Gaasiturbiini arvutamine on praegu täielikult automatiseeritud, kuid juhtmestiku skeemide materjalid ja omadused on igal üksikjuhul olulised.

Ja kõik algas nii lihtsalt...

Otsingud ja paarid

Esimesed katsed voolu translatsioonienergia muutmiseks pöörlemisjõuks tegi inimkond iidsetel aegadel tavalise vesiratta abil. Kõik on ülimalt lihtne, vedelik voolab ülevalt alla, terad asetatakse selle voolu. Nendega ümber perimeetri varustatud ratas pöörleb. Tuuleveski töötab samamoodi. Siis saabus auruajastu ja ratas keeras kiiremini. Muide, nn "eolipil", mille leiutas Vana-Kreeka Heron umbes 130 aastat enne Kristuse sündi, oli aurumasin, mis töötab täpselt sellel põhimõttel. Sisuliselt oli see esimene ajalooteadusele teadaolev gaasiturbiin (aur on ju gaasiline vee agregatsiooni olek). Tänapäeval on aga kombeks need kaks mõistet eraldada. Seejärel käsitleti Heroni leiutist Aleksandrias ilma erilise entusiasmita, kuigi uudishimulikult. Turbiini tüüpi tööstusseadmed ilmusid alles 19. sajandi lõpus, pärast seda, kui rootslane Gustaf Laval oli loonud maailma esimese düüsiga varustatud aktiivjõuseadme. Ligikaudu samas suunas töötas insener Parsons, varustades oma masinat mitme funktsionaalselt ühendatud astmega.

Gaasiturbiinide sünd

Sajand varem oli ühel John Barberil geniaalne idee. Miks on vaja kõigepealt auru soojendada, kas pole lihtsam kasutada otse kütuse põlemisel tekkivat heitgaasi ja seeläbi välistada tarbetu vahendus energia muundamise protsessis? Nii tekkis esimene päris gaasiturbiin. 1791. aasta patent sätestab hobusteta vankris kasutamise põhiidee, kuid selle elemente kasutatakse tänapäeval kaasaegsetes raketi-, lennuki-, tanki- ja automootorites. Reaktiivmootorite ehitamise protsessi alguse andis 1930. aastal Frank Whittle. Ta tuli välja ideega kasutada lennuki liikumapanemiseks turbiini. Hiljem leidis ta arengut paljudes turbopropeller- ja turboreaktiivmootorite projektides.

Nikola Tesla gaasiturbiin

Kuulus teadlane-leiutaja on uuritavatele küsimustele alati ebastandardselt lähenenud. Kõigile tundus ilmselge, et labade või labadega rattad "püüavad" kandja liikumist paremini kinni kui lamedad esemed. Tesla tõestas oma tavapärasel viisil, et kui teljele järjestikku paigutatud ketastest kokku panna rootorisüsteem, siis gaasivooluga piirkihte korjates ei pöörle see halvemini, mõnel juhul isegi paremini kui mitme labaga propeller. Tõsi, liikuva kandja suund peaks olema tangentsiaalne, mis tänapäevaste seadmete puhul pole alati võimalik ega soovitav, kuid disain on oluliselt lihtsustatud - see ei vaja üldse labasid. Tesla skeemi järgi gaasiturbiini veel ei ehitata, kuid võib-olla ootab idee alles oma aega.

elektriskeem

Nüüd masina põhiseadmest. See on kombinatsioon pöörlevast süsteemist, mis on paigaldatud teljele (rootor) ja fikseeritud osast (staator). Võllil on kontsentrilise võre moodustav töölabadega ketas, mida mõjutab spetsiaalsete düüside kaudu rõhu all tarnitav gaas. Seejärel siseneb paisutatud gaas tiivikusse, mis on samuti varustatud labadega, mida nimetatakse töötajateks. Õhu-kütuse segu sisselaskeava ja väljalaskeava (heitgaasi) jaoks kasutatakse spetsiaalseid torusid. Kompressor osaleb ka üldises skeemis. Seda saab valmistada erineval põhimõttel, sõltuvalt vajalikust töörõhust. Selle tööks võetakse teljelt osa energiast, mida kasutatakse õhu kokkusurumiseks. Gaasiturbiin töötab õhu-kütuse segu põlemisprotsessi abil, millega kaasneb märkimisväärne mahu suurenemine. Võll pöörleb, selle energiat saab kasulikult kasutada. Sellist skeemi nimetatakse üheahelaliseks, kuid kui seda korratakse, peetakse seda mitmeastmeliseks.

Lennuki turbiinide eelised

Umbes viiekümnendate keskpaigast alates on ilmunud uue põlvkonna lennukid, sealhulgas reisijate lennukid (NSV Liidus on need Il-18, An-24, An-10, Tu-104, Tu-114, Tu-124 jne. ), mille konstruktsioonides asendati lennukite kolbmootorid lõplikult ja pöördumatult turbiinmootoritega. See näitab seda tüüpi elektrijaama suuremat efektiivsust. Gaasiturbiini omadused on paljuski paremad kui karburaatoriga mootorite parameetrid, eriti võimsuse / kaalu osas, mis on lennunduse jaoks ülimalt oluline, aga ka sama oluliste töökindluse näitajate osas. Madalam kütusekulu, vähem liikuvaid osi, parem keskkonnamõju, väiksem müra ja vibratsioon. Turbiinid on kütuse kvaliteedi suhtes vähem kriitilised (mida ei saa öelda kütusesüsteemide kohta), neid on lihtsam hooldada, nad vajavad vähem määrdeõli. Üldiselt tundub esmapilgul, et need ei koosne metallist, vaid kindlatest voorustest. Paraku ei ole.

Gaasiturbiinmootoritel on puudusi

Gaasiturbiin soojeneb töötamise ajal ja kannab soojust ümbritsevatele konstruktsioonielementidele. See on eriti kriitiline, jällegi lennunduses, kui kasutatakse redani paigutusskeemi, mis hõlmab sabaosa alumise osa pesemist joavooluga. Ja mootori korpus ise nõuab spetsiaalset soojusisolatsiooni ja spetsiaalsete tulekindlate materjalide kasutamist, mis taluvad kõrgeid temperatuure.

Gaasiturbiinide jahutamine on keeruline tehniline väljakutse. Pole nali, need töötavad kehas peaaegu püsiva plahvatuse režiimis. Mõne režiimi kasutegur on madalam kui karburaatormootoritel, kuid kaheahelalise skeemi kasutamisel see puudus kõrvaldatakse, kuigi disain muutub keerulisemaks, nagu ka "võimendus" kompressorite skeemi kaasamisel. Turbiinide kiirendamine ja töörežiimi jõudmine nõuab omajagu aega. Mida sagedamini seade käivitub ja seiskub, seda kiiremini see kulub.

Õige rakendus

Noh, ükski süsteem pole vigadeta. Oluline on leida igaühele selline rakendus, milles selle eelised selgemalt väljenduksid. Näiteks sellised tankid nagu Ameerika Abrams, mida toidab gaasiturbiin. Seda saab täita kõigega, mis põleb, alates kõrge oktaanarvuga bensiinist kuni viskini, ja see annab palju jõudu. See ei pruugi olla väga hea näide, sest Iraagi ja Afganistani kogemus on näidanud kompressori labade haavatavust liiva suhtes. Gaasiturbiinide remont tuleb teha USA-s, tootmistehases. Viige paak sinna, siis tagasi ja hoolduskulud ise, pluss tarvikud ...

Vähem mõjutavad ummistused helikoptereid, Venemaa, Ameerika ja teisi riike, aga ka võimsaid kiirkaatreid. Vedelrakettides on need asendamatud.

Kaasaegsetel sõja- ja tsiviillaevadel on ka gaasiturbiinmootorid. Ja ka energiat.

Trigeneraatoriga elektrijaamad

Lennukitootjate probleemid ei ole nii murettekitavad neile, kes toodavad elektrienergia tootmiseks tööstuslikke seadmeid. Kaal pole sel juhul enam nii oluline ja saate keskenduda sellistele parameetritele nagu tõhusus ja üldine efektiivsus. Gaasiturbiini generaatoritel on massiivne raam, töökindel raam ja paksemad labad. Tekkivat soojust on täiesti võimalik ära kasutada, kasutades seda väga erinevateks vajadusteks, alates teisest ringlussevõtust süsteemis endas kuni olmeruumide kütmiseni ja absorptsioon-tüüpi külmutusseadmete soojusvarustuseni. Seda lähenemisviisi nimetatakse trigeneraatoriks ja selle režiimi efektiivsus läheneb 90%.

Tuumaelektrijaamad

Gaasiturbiini jaoks ei ole põhimõttelist vahet, mis on kuumutatud keskkonna allikas, mis annab selle labadele energia. See võib olla põletatud õhu-kütuse segu või lihtsalt ülekuumendatud aur (mitte tingimata vesi), peaasi, et see tagab selle katkematu toite. Põhimõtteliselt põhinevad kõigi tuumaelektrijaamade, allveelaevade, lennukikandjate, jäämurdjate ja mõnede sõjaliste pealveelaevade (näiteks Peeter Suure raketiristleja) elektrijaamad auruga pöörleval gaasiturbiinil (GTU). Ohutus- ja keskkonnaprobleemid nõuavad suletud esmast ahelat. See tähendab, et esmane soojusagent (esimestes proovides mängis seda rolli plii, nüüd on see asendatud parafiiniga) ei välju reaktorilähedasest tsoonist, voolates ringikujuliselt ümber kütuseelementide. Tööaine kuumutamine toimub järgnevates ahelates ja aurustunud süsinikdioksiid, heelium või lämmastik pöörab turbiini ratast.

Lai rakendus

Keerulised ja suured installatsioonid on peaaegu alati ainulaadsed, nende tootmine toimub väikeste partiidena või üldiselt tehakse üksikuid koopiaid. Kõige sagedamini kasutatakse suurtes kogustes toodetud üksusi rahumeelsetes majandussektorites, näiteks süsivesinike tooraine pumpamiseks läbi torustike. Just neid toodab UEC ettevõte kaubamärgi Saturn all. Pumbajaamade gaasiturbiinid vastavad täielikult nende nimele. Nad pumpavad tõesti maagaasi, kasutades oma tööks oma energiat.

Gaasiturbiini nimetatakse tavaliselt pidevalt töötavaks mootoriks. Järgmisena räägime sellest, kuidas gaasiturbiin on paigutatud, milline on seadme tööpõhimõte. Sellise mootori eripäraks on see, et selle sees toodetakse energiat kokkusurutud või kuumutatud gaasiga, mille tulemuseks on mehaaniline töö võllil.

Gaasiturbiini ajalugu

Huvitav on see, et turbiinimehhanisme on insenerid välja töötanud väga pikka aega. Esimene primitiivne auruturbiin loodi 1. sajandil eKr. e.! Muidugi, see on hädavajalik
See mehhanism on jõudnud oma hiilgeaega alles nüüd. Turbiine hakati aktiivselt arendama 19. sajandi lõpus, samaaegselt termodünaamika, masinaehituse ja metallurgia arendamise ja täiustamisega.

Mehhanismide, materjalide, sulamite põhimõtted on muutunud, kõike on täiustatud ja tänapäeval tunneb inimkond kõigist varem eksisteerinud gaasiturbiini vormidest kõige täiuslikumat, mis on jagatud eri tüüpideks. Seal on lennunduse gaasiturbiin ja on tööstuslik.

Gaasiturbiini on tavaks nimetada omamoodi soojusmootoriks, selle tööosad on ette määratud ainult ühe ülesandega - pöörlema ​​gaasijoa toimel.

See on paigutatud nii, et turbiini põhiosa kujutab ratas, millele on kinnitatud labade komplektid. , toimides gaasiturbiini labadele, paneb need liikuma ja ratast pöörlema. Ratas on omakorda jäigalt kinnitatud võlli külge. Sellel tandemil on eriline nimi - turbiini rootor. Selle gaasiturbiini mootori sees toimuva liikumise tulemusena saadakse mehaaniline energia, mis edastatakse elektrigeneraatorile, laeva propellerile, lennuki propellerile ja teistele sarnase tööpõhimõttega töömehhanismidele.

Aktiiv- ja reaktiivturbiinid

Gaasijoa mõju turbiini labadele võib olla kahekordne. Seetõttu jagunevad turbiinid klassidesse: aktiiv- ja reaktiivturbiinide klass. Reaktiivsed ja aktiivsed gaasiturbiinid erinevad seadme tööpõhimõtte poolest.

Impulssturbiin

Aktiivturbiini iseloomustab asjaolu, et rootori labadele liigub suur gaasivool. Kumera tera abil kaldub gaasijuga oma trajektoorilt kõrvale. Läbipainde tulemusena tekib suur tsentrifugaaljõud. Selle jõu abil pannakse terad liikuma. Kogu gaasi kirjeldatud teekonna jooksul kaob osa selle energiast. Selline energia suunatakse tiiviku ja võlli liikumisele.

reaktiivturbiin

Reaktiivturbiini puhul on asjad mõnevõrra erinevad. Siin toimub gaasivool rootori labadele madalal kiirusel ja kõrge rõhu mõjul. Suurepärane on ka labade kuju, tänu millele suureneb gaasi kiirus oluliselt. Seega tekitab gaasijuga omamoodi reaktiivjõu.

Ülalkirjeldatud mehhanismist järeldub, et gaasiturbiini seade on üsna keeruline. Selleks, et selline seade töötaks tõrgeteta ning tooks selle omanikule kasumit ja kasu, peaksite selle hooldamise usaldama professionaalidele. Teenindusprofiiliga ettevõtted pakuvad gaasiturbiine kasutavate paigaldiste hooldushooldust, komponentide tarneid, igasuguseid osi ja detaile. DMEnergy on üks selline ettevõte (), mis annab oma kliendile meelerahu ja kindlustunde, et ta ei jää gaasiturbiini töö käigus tekkivate probleemidega üksi.

Suhteliselt väikese võimsusega elektrijaamad võivad sisaldada nii gaasiturbiinmootoreid (GTE) kui ka kolbmootoreid (RP). Seetõttu küsivad kliendid sageli milline ajam on parem. Ja kuigi sellele on ühemõtteliselt võimatu vastata, on selle artikli eesmärk katse seda probleemi mõista.

Sissejuhatus

Mootori tüübi ja nende arvu valimine elektrigeneraatorite juhtimiseks mis tahes võimsusega elektrijaamas on keeruline tehniline ja majanduslik ülesanne. Kolb- ja gaasiturbiinmootoreid ajamina võrreldakse kõige sagedamini kasutades kütusena maagaasi. Nende põhimõttelisi eeliseid ja puudusi on analüüsitud tehnilises kirjanduses, kolbmootoriga elektrijaamade tootjate brošüürides ja isegi Internetis.

Reeglina antakse üldistatud teavet kütusekulu erinevuse, mootorite maksumuse kohta, arvestamata nende võimsust ja töötingimusi. Sageli märgitakse, et 10-12 MW võimsusega elektrijaamade koosseis eelistatakse moodustada kolbmootorite ja suurema võimsusega - gaasiturbiinide baasil. Neid soovitusi ei tohiks võtta aksioomina. Üks on ilmne: igal mootoritüübil on oma eelised ja puudused ning ajami valimisel on nende hindamiseks vaja mõningaid, vähemalt soovituslikke, kvantitatiivseid kriteeriume.

Praegu pakub Venemaa energiaturg üsna laia valikut nii kolb- kui ka gaasiturbiinmootoreid. Kolbmootorite hulgas on ülekaalus imporditud mootorid ja gaasiturbiinmootorite seas kodumaised.

Teavet Venemaal kasutamiseks kavandatud gaasiturbiinmootorite ja nendel põhinevate elektrijaamade tehniliste omaduste kohta on viimastel aastatel regulaarselt avaldatud gaasiturbiiniseadmete kataloogis.

Sarnast teavet kolbmootorite ja elektrijaamade kohta, millesse need kuuluvad, saab ainult neid seadmeid tarnivate Venemaa ja välismaiste ettevõtete brošüüridest. Teavet mootorite ja elektrijaamade maksumuse kohta enamasti ei avaldata ning avaldatud teave ei vasta sageli tõele.

Kolb- ja gaasiturbiinmootorite otsene võrdlus

Olemasoleva teabe töötlemine võimaldab moodustada alloleva tabeli, mis sisaldab nii kvantitatiivset kui ka kvalitatiivset hinnangut kolb- ja gaasiturbiinmootorite eeliste ja puuduste kohta. Kahjuks on osa omadusi võetud reklaammaterjalidest, mille täielikku täpsust on äärmiselt raske või peaaegu võimatu kontrollida. Üksikute mootorite ja elektrijaamade töötulemuste kontrollimiseks vajalikke andmeid, välja arvatud harvad erandid, ei avaldata.

Loomulikult on esitatud arvud üldistatud, konkreetsete mootorite puhul on need rangelt individuaalsed. Lisaks on osa neist antud ISO standardite järgi ning mootorite tegelikud töötingimused erinevad oluliselt standardist.

Esitatud teave annab ainult mootorite kvalitatiivsed omadused ja seda ei saa kasutada konkreetse elektrijaama seadmete valimisel. Tabeli iga positsiooni kohta saab anda mõned kommentaarid.

Energiaturul on väga suur valik mootoreid, mille tehnilistes omadustes on olulisi erinevusi. Konkurents kõnealuste tüüpide mootorite vahel on võimalik ainult ühiku elektrivõimsuse vahemikus kuni 16 MW. Suuremate võimsuste korral asendavad gaasiturbiinmootorid peaaegu täielikult kolbmootoreid.

Tuleb arvestada, et igal mootoril on individuaalsed omadused ja ainult neid tuleks ajamitüübi valikul kasutada. See võimaldab kujundada teatud võimsusega elektrijaama põhiseadmete koosseisu mitmes versioonis, varieerides ennekõike elektrivõimsust ja vajalike mootorite arvu. Mitmekülgsus muudab eelistatud mootoritüübi valimise keeruliseks.

Kolb- ja gaasiturbiinmootorite efektiivsusest

Elektrijaamade kõigi mootorite kõige olulisem omadus on elektritootmise efektiivsus (KPIe), mis määrab gaasi tarbimise peamise, kuid mitte täismahu. Tõhususe väärtuste statistiliste andmete töötlemine võimaldab selgelt näidata rakendusvaldkondi, milles selle näitaja järgi on ühel mootoritüübil eelised teise ees.

Nende kolme vastastikune paigutus ja konfiguratsioon, mis on esile tõstetud joonisel fig. 1 tsoonid, mille sees on erinevate mootorite elektritõhususe väärtuste täppkujutised, võimaldab meil teha mõned järeldused:

• isegi sama tüüpi sama võimsusega mootorite puhul on elektritootmise efektiivsuse väärtustes märkimisväärne hajumine;
• ühikuvõimsusega üle 16 MW annavad kombineeritud tsüklis gaasiturbiinmootorid kasuteguri väärtuse üle 48% ja neil on turul monopol;
• nii liht- kui ka kombineeritud tsüklis töötavate kuni 16 MW gaasiturbiinmootorite elektriline kasutegur on madalam (vahel väga oluliselt) kolbmootoritest;
• hiljuti turule tulnud kuni 1 MW ühikuvõimsusega gaasiturbiinmootorid on efektiivsuse poolest paremad kui tänapäeval elektrijaamades kõige sagedamini kasutatavad mootorid võimsusega 2-8 MW;
• gaasiturbiinmootorite efektiivsuse muutuse olemusel on kolm tsooni: kaks suhteliselt püsiva väärtusega - vastavalt 27 ja 36% ning üks muutujaga - 27 kuni 36%; kahe tsooni piires sõltub efektiivsuskoefitsient nõrgalt elektrivõimsusest;
• kolbmootorite elektrienergia tootmise efektiivsuse väärtus on pidevas sõltuvuses nende elektrivõimsusest.

Need tegurid ei ole aga põhjus kolbmootorite eelistamiseks. Isegi kui elektrijaam hakkab tootma ainult elektrienergiat, on erinevat tüüpi mootoritega varustusvõimaluste võrdlemisel vaja teha majanduslikke arvutusi. On vaja tõestada, et säästetud gaasi maksumus maksab kinni kolb- ja gaasiturbiinmootorite ning nende lisaseadmete maksumuse erinevuse. Kokkuhoitud gaasi kogust ei saa kindlaks teha, kui jaama töörežiim talvel ja suvel elektriga varustamiseks on teadmata. Ideaalis, kui on teada vajalikud elektrikoormused - maksimum (talvine tööpäev) ja minimaalne (suvine puhkepäev).

Nii elektri- kui soojusenergia kasutamine

Kui elektrijaam peab tootma mitte ainult elektri-, vaid ka soojusenergiat, siis tuleb kindlaks teha, millistest allikatest on võimalik soojustarbimist katta. Selliseid allikaid on reeglina kaks - mootorite ja/või katlamaja ärakasutatud soojus.

Kolbmootorite puhul kasutatakse ära jahutusõli, suruõhu ja heitgaaside soojust, gaasiturbiinide puhul ainult heitgaaside soojust. Põhiline soojushulk saadakse heitgaasidest tagasi heitsoojusvahetite (UHE) abil.

Tagastatud soojuse hulk sõltub suuresti elektrienergia tootmise mootori töörežiimist ja kliimatingimustest. Mootori töörežiimide ebaõige hindamine talvel toob kaasa vigu kasutatud soojuse hulga määramisel ja katlamaja installeeritud võimsuse vale valiku.

Joonisel 2 olevad graafikud näitavad gaasiturbiin- ja kolbmootoritest soojusvarustuse taaskasutamise võimalust soojusvarustuse eesmärgil. Kõveratel olevad punktid vastavad tootja andmetele saadaolevate seadmete võimaluste kohta soojuse taaskasutamiseks. Sama elektrivõimsusega mootorile paigaldavad tootjad erinevaid UTO-sid - konkreetsete ülesannete alusel.

Gaasiturbiinmootorite eelised soojuse tootmisel on vaieldamatud. See kehtib eriti 2-10 MW elektrivõimsusega mootorite kohta, mis on seletatav nende elektrilise kasuteguri suhteliselt madala väärtusega. Gaasiturbiinmootorite kasuteguri kasvades peab paratamatult vähenema ka kasutatava soojuse hulk.

Konkreetse rajatise toite- ja soojusvarustuseks kolbmootori valimisel on katlamaja kasutamise vajadus elektrijaama osana peaaegu väljaspool kahtlust. Katlamaja toimimine eeldab gaasitarbimise suurendamist üle elektrienergia tootmiseks vajaliku. Tekib küsimus, kuidas erinevad gaasikulud objekti energiavarustuseks, kui ühel juhul kasutatakse ainult heitgaaside soojustagastusega gaasiturbiinmootoreid ning teisel juhul soojustagastusega kolbmootoreid ja katlamaja. Sellele küsimusele saab vastata alles pärast objekti elektri- ja soojustarbimise omaduste põhjalikku uurimist.

Kui eeldada, et objekti hinnangulise soojustarbimise saab täielikult katta gaasiturbiinmootori ärakasutatud soojusega ning kolbmootori kasutamisel soojuse puudumise kompenseerib katlamaja, siis on võimalik tuvastada selle olemus. gaasi kogutarbimise muutusest objekti energiavarustuseks.

Kasutades joonisel fig. 1 ja 2, on võimalik joonistel fig. 1, saate teavet gaasi säästmise või ületamise kohta erinevat tüüpi täiturmehhanismide kasutamisel. Need on esitatud tabelis:

Gaasi kokkuhoiu absoluutväärtused kehtivad ainult konkreetse objekti puhul, mille omadused on arvutusse kaasatud, kuid sõltuvuse üldist olemust kajastatakse õigesti, nimelt:
suhteliselt lähedaste elektritõhususe väärtustega (erinevus kuni 10%) põhjustab kolbmootorite ja katlaruumi kasutamine liigset kütusekulu;

• suhteliselt lähedaste elektritõhususe väärtustega (erinevus kuni 10%) põhjustab kolbmootorite ja katlaruumi kasutamine liigset kütusekulu;
• kui efektiivsusväärtuste erinevus on üle 10%, kulub kolbmootorite ja katlamaja tööks vähem gaasi kui gaasiturbiinmootorite puhul;
• kolbmootorite ja katlaruumi kasutamisel on teatud punkt maksimaalse gaasisäästuga, kus mootorite efektiivsusväärtuste erinevus on 13-14%;
• mida suurem kasutegur on kolbmootoril ja mida madalam on gaasiturbiini kasutegur, seda suurem on gaasi kokkuhoid.

Täiendusena

Reeglina ei piirdu ülesanne ainult ajami tüübi valikuga, selleks on vaja kindlaks määrata elektrijaama põhiseadmete koosseis - agregaatide tüüp, nende arv, abiseadmed.

Mootorite valik õige koguse elektrienergia tootmiseks määrab ära võimalused soojuse taaskasutamiseks. Sel juhul on vaja arvesse võtta kõiki kliimatingimustega seotud mootori tehniliste omaduste muutuste iseärasusi ja elektrikoormuse olemust ning määrata nende muutuste mõju kasutatud soojuse vabanemisele.

Samuti tuleb meeles pidada, et elektrijaam ei hõlma ainult mootoreid. Selle objektil on tavaliselt üle tosina abiehitise, mille toimimine mõjutab ka elektrijaama tehnilist ja majanduslikku jõudlust.

Nagu juba mainitud, saab elektrijaama seadmete koosseisu tehnilisest küljest kujundada mitmel viisil, mistõttu selle lõplikku valikut saab põhjendada vaid majanduslikust aspektist.

Samas on ülimalt oluline teadmine konkreetsete mootorite omadustest ja nende mõjust tulevase elektrijaama majandustulemusele. Majandusarvutuste tegemisel tuleb paratamatult arvestada mootoriressurssi, hooldatavust, ajastust ja kapitaalremondi maksumust. Need näitajad on ka iga konkreetse mootori puhul individuaalsed, olenemata selle tüübist.

Ei saa välistada ka keskkonnategurite mõju elektrijaama mootorite tüübi valikule. Atmosfääri seisund piirkonnas, kus elektrijaam töötab, võib olla peamine tegur mootori tüübi määramisel (sõltumata majanduslikest kaalutlustest).

Nagu juba märgitud, andmeid mootorite ja nendel põhinevate elektrijaamade maksumuse kohta ei avaldata. Seadmete tootjad või tarnijad viitavad võimalikule erinevusele konfiguratsioonis, tarnetingimustes ja muudel põhjustel. Hinnad esitatakse alles pärast ettevõtte küsimustiku täitmist. Seetõttu võib valeks osutuda esimeses tabelis olev info, et kuni 3,5 MW võimsusega kolbmootorite maksumus on madalam sama võimsusega gaasiturbiinmootorite omahinnast.

Järeldus

Seega ei saa agregaatide võimsusklassis kuni 16 MW üheselt eelistada ei gaasiturbiin- ega kolbmootoreid. Ainult konkreetse elektrijaama eeldatavate töörežiimide põhjalik analüüs elektri ja soojuse tootmiseks (võttes arvesse konkreetsete mootorite omadusi ja arvukaid majanduslikke tegureid) õigustab täielikult mootoritüübi valikut. Spetsialiseerunud ettevõte saab määrata seadmete koostise professionaalsel tasemel.

Viited

1. Gabich A. Madala võimsusega gaasiturbiinmootorite rakendamine energiasektoris // Gaasiturbiinide tehnoloogiad. 2003, nr 6. S. 30-31.
2. Burov VD Madala võimsusega gaasiturbiini- ja gaasikolbelektrijaamad // Kaevandusajakiri. 2004, erinumber. lk 87-89133.
3. Gaasiturbiiniseadmete kataloog // Gaasiturbiinide tehnoloogiad. 2005. S. 208.
4. Salikhov A. A., Fatkulin R. M., Abrakhmanov R. R., Shchaulov V. Yu. Mini-CHP arendamine gaasi-kolbmootorite abil Baškortostani Vabariigis. 2003, nr 11. S. 24-30.

See artikkel väikeste muudatustega on võetud ajakirjast "Turbiinid ja diiselmootorid", nr 1 (2) 2006. aasta kohta.
Autor - V.P. Vershinsky, OOO "Gazpromenergoservis".

Gaasiturbiin on mootor, mille pideva töö käigus muundub seadme põhiorgan (rootor) (muul juhtudel aur või vesi) mehaaniliseks tööks. Sel juhul mõjub töötava aine juga ümber rootori ümbermõõdu fikseeritud labadele, pannes need liikuma. Gaasivoolu suunas jagunevad turbiinid aksiaalseteks (gaas liigub paralleelselt turbiini teljega) või radiaalseteks (risti liikumine sama telje suhtes). On nii ühe- kui ka mitmeastmelisi mehhanisme.

Gaasiturbiin võib labadele mõjuda kahel viisil. Esiteks on see aktiivne protsess, mille käigus gaas juhitakse tööpiirkonda suurel kiirusel. Sel juhul kipub gaasivool liikuma sirgjooneliselt ja selle teele jääv kõver teraosa tõrjub selle kõrvale, pöörates ennast ise. Teiseks on see reaktiivset tüüpi protsess, kui gaasi etteandekiirus on madal, kuid kasutatakse kõrget rõhku. Tüüpi puhtal kujul peaaegu kunagi ei leita, sest nende turbiinides on see olemas, mis mõjub labadele koos reaktsioonijõuga.

Kus gaasiturbiini tänapäeval kasutatakse? Seadme tööpõhimõte võimaldab seda kasutada elektrivoolugeneraatorite, kompressorite jms ajamite jaoks. Seda tüüpi turbiine kasutatakse laialdaselt transpordis (laeva gaasiturbiinipaigaldised). Võrreldes aurukolleegidega on neil suhteliselt väike kaal ja mõõtmed, nad ei vaja katlaruumi, kondensatsiooniseadme paigutust.

Gaasiturbiin on peale käivitamist üsna kiiresti töövalmis, arendab täisvõimsuse ca 10 minutiga, seda on lihtne hooldada, vajab jahutamiseks vähest vett. Erinevalt sisepõlemismootoritest ei avalda see vändamehhanismi inertsiaalset mõju. diiselmootoritest poolteist korda lühem ja üle kahe korra kergem. Seadmetel on võimalus töötada madala kvaliteediga kütusega. Ülaltoodud omadused võimaldavad pidada seda tüüpi mootoreid eriti huvipakkuvateks laevadel ja tiiburlaevadel.

Gaasiturbiinil kui mootori põhikomponendil on mitmeid olulisi puudusi. Nende hulgas märgivad nad kõrget müra, vähem kui diiselmootoritel, efektiivsust, lühikest eluiga kõrgetel temperatuuridel (kui kasutatava gaasikeskkonna temperatuur on umbes 1100 ° C, siis saab turbiini kasutada keskmiselt kuni 750 tundi).

Gaasiturbiini kasutegur sõltub süsteemist, milles seda kasutatakse. Näiteks elektritööstuses kasutatavatel seadmetel, mille gaaside algtemperatuur on üle 1300 kraadi Celsiuse järgi, kompressori õhust mitte üle 23 ja mitte vähem kui 17, on autonoomsete toimingute ajal koefitsient umbes 38,5%. Sellised turbiinid ei ole väga levinud ja neid kasutatakse peamiselt elektrisüsteemide koormuse tippude katmiseks. Tänapäeval töötab paljudes Venemaa soojuselektrijaamades umbes 15 gaasiturbiini võimsusega kuni 30 MW. Mitmeastmelistel tehastel saavutatakse konstruktsioonielementide kõrge efektiivsuse tõttu palju kõrgem efektiivsusindeks (umbes 0,93).

Gaasiturbiinijaamade tööpõhimõte

Joonis 1. Lihtsa tsükliga ühevõllilise gaasiturbiinmootoriga gaasiturbiini agregaadi skeem

Gaasiturbiini jõuseadme kompressorisse (1) suunatakse puhas õhk. Kõrgsurve all suunatakse kompressorist õhk põlemiskambrisse (2), kuhu antakse ka põhikütus, gaas. Segu süttib. Gaasi-õhu segu põletamisel tekib energia kuumade gaaside vooluna. See vool sööstab suurel kiirusel turbiinirattale (3) ja pöörab seda. Pöörlemiskineetiline energia läbi turbiini võlli juhib kompressorit ja elektrigeneraatorit (4). Elektrigeneraatori klemmidest suunatakse toodetud elekter, tavaliselt trafo kaudu, elektrivõrku, energiatarbijatele.

Gaasiturbiine kirjeldab Braytoni termodünaamiline tsükkel Braytoni/Joule'i tsükkel on termodünaamiline tsükkel, mis kirjeldab gaasiturbiini, turboreaktiiv- ja reaktiivmootoriga sisepõlemismootorite tööprotsesse, samuti gaasiturbiiniga välispõlemismootorite suletud ahelaga gaasilise tsükliga. (ühefaasiline) töövedelik.

Tsikkel on oma nime saanud Ameerika inseneri George Brightoni järgi, kes leiutas sellel tsiklil töötava kolb-sisepõlemismootori.

Mõnikord nimetatakse seda tsüklit ka Joule'i tsükliks - inglise füüsiku James Joule'i auks, kes kehtestas soojuse mehaanilise ekvivalendi.

Joonis 2. P,V Braytoni tsüklidiagramm

Ideaalne Braytoni tsükkel koosneb järgmistest protsessidest:

• 1-2 Isentroopne kokkusurumine.
• 2-3 Isobaarne soojussisend.
• 3-4 Isentroopiline paisumine.
• 4-1 Isobaarne soojuse eemaldamine.

Võttes arvesse erinevusi tegelike adiabaatiliste paisumis- ja kokkutõmbumisprotsesside vahel isentroopsetest, konstrueeritakse tõeline Braytoni tsükkel (T-S diagrammil 1-2p-3-4p-1) (joonis 3)

Joonis 3. T-S Braytoni tsükliskeem
Ideaalne (1-2-3-4-1)
Real (1-2p-3-4p-1)

Ideaalse Braytoni tsükli soojustõhusust väljendatakse tavaliselt valemiga:

• kus P = p2 / p1 - rõhu suurenemise aste isentroopse kokkusurumise protsessis (1-2);
• k - adiabaatiline indeks (õhu puhul 1,4)

Eriti tuleb märkida, et see üldtunnustatud viis tsükli efektiivsuse arvutamiseks varjab käimasoleva protsessi olemust. Termodünaamilise tsükli piirav efektiivsus arvutatakse temperatuuri suhte kaudu, kasutades Carnot' valemit:

• kus T1 on külmiku temperatuur;
• T2 - küttekeha temperatuur.

Täpselt sama temperatuuri suhet saab väljendada tsüklis kasutatavate rõhusuhete ja adiabaatilise indeksi kaudu:

Seega sõltub Braytoni tsükli efektiivsus tsükli alg- ja lõpptemperatuurist täpselt samamoodi nagu Carnot tsükli efektiivsus. Töövedeliku lõpmatult väikese kuumutamise korral piki joont (2-3) võib protsessi pidada isotermiliseks ja täiesti samaväärseks Carnot' tsükliga. Töövedeliku T3 kuumutamise hulk isobaarises protsessis määrab tsüklis kasutatava töövedeliku kogusega seotud töömahu, kuid ei mõjuta kuidagi tsükli soojuslikku kasutegurit. Tsükli praktilisel rakendamisel kuumutatakse aga tavaliselt kõrgeimate võimalike väärtusteni, mida piirab kasutatud materjalide kuumakindlus, et minimeerida töövedelikku kokkupressivate ja laiendavate mehhanismide suurust.

Praktikas põhjustavad hõõrdumine ja turbulents:

• Mitteadiabaatiline kokkusurumine: antud kogurõhusuhte korral on kompressori tühjendustemperatuur ideaalsest kõrgem.
• Mitteadiabaatiline paisumine: kuigi turbiini temperatuur langeb tööks vajaliku tasemeni, ei mõjuta see kompressorit, rõhusuhe on suurem, mistõttu paisumisest ei piisa kasuliku töö tagamiseks.
• Rõhukaod õhu sisselaskeavas, põlemiskambris ja väljalaskeavas: selle tulemusena ei ole paisumine kasuliku töö tagamiseks piisav.

Nagu kõigi tsükliliste soojusmootorite puhul, mida kõrgem on põlemistemperatuur, seda suurem on kasutegur. Piiravaks teguriks on terase, nikli, keraamika või muude mootorit moodustavate materjalide võime taluda kuumust ja survet. Suur osa inseneritööst on keskendunud turbiini osadest soojuse eemaldamisele. Enamik turbiine üritab soojust tagasi võtta ka muidu raisku läinud heitgaasidest.

Rekuperaatorid on soojusvahetid, mis kannavad soojuse heitgaasidest enne põlemist suruõhku. Kombineeritud tsüklis kantakse soojus üle auruturbiinisüsteemidele. Ja soojuse ja elektri koostootmises (CHP) kasutatakse heitsoojust sooja vee tootmiseks.

Mehaaniliselt võivad gaasiturbiinid olla tunduvalt lihtsamad kui kolb-sisepõlemismootorid. Lihtturbiinidel võib olla üks liikuv osa: võll/kompressor/turbiin/alternatiivne rootor (vt allolevat pilti), välja arvatud kütusesüsteem.

Joonis 4. Sellel masinal on üheastmeline radiaalkompressor,
turbiin, rekuperaator ja õhklaagrid.

Keerulisematel turbiinidel (need, mida kasutatakse tänapäevastes reaktiivmootorites) võib olla mitu võlli (pooli), sadu turbiinilabasid, liikuvad staatorilabad ja ulatuslik keerukate torustike, põlemiskambrite ja soojusvahetite süsteem.

Üldreeglina on nii, et mida väiksem on mootor, seda suurem on võlli(te) kiirus, mis on vajalik labade maksimaalse lineaarkiiruse säilitamiseks.

Turbiini labade maksimaalne kiirus määrab maksimaalse rõhu, mida on võimalik saavutada, mille tulemuseks on maksimaalne võimsus, olenemata mootori suurusest. Reaktiivmootor pöörleb umbes 10 000 pööret minutis ja mikroturbiin umbes 100 000 pööret minutis.