Plinski turbinski generator. Plinske turbine i plinske turbinske jedinice male snage na ruskom tržištu. Dizajn plinske turbine

"Turbo", "turbomlazni", "turboprop" - ovi su pojmovi čvrsto ušli u leksikon inženjera 20. stoljeća koji su se bavili projektiranjem i održavanjem vozila i stacionarnih električnih instalacija. Koriste se čak iu srodnim područjima i oglašavanju, kada nazivu proizvoda žele dati naznaku posebne snage i učinkovitosti. U zrakoplovstvu, raketama, brodovima i elektranama najčešće se koristi plinska turbina. Kako je to organizirano? Radi li na prirodni plin (kao što bi ime sugeriralo), i kakvi su? Po čemu se turbina razlikuje od ostalih vrsta motora s unutarnjim izgaranjem? Koje su njegove prednosti i nedostaci? U ovom članku pokušavamo odgovoriti što potpunije na ova pitanja.

Ruski lider u strojogradnji UEC

Rusija je, za razliku od mnogih drugih neovisnih država nastalih nakon raspada SSSR-a, uspjela u velikoj mjeri očuvati strojogradnju. Konkretno, tvrtka Saturn bavi se proizvodnjom elektrana posebne namjene. Plinske turbine ove tvrtke koriste se u brodogradnji, industriji sirovina i energetici. Proizvodi su visoke tehnologije, zahtijevaju poseban pristup tijekom instalacije, otklanjanja pogrešaka i rada, kao i posebna znanja i skupu opremu tijekom planiranog održavanja. Sve ove usluge dostupne su korisnicima UEC - Plinskih turbina, kako se danas naziva. U svijetu nema toliko takvih poduzeća, iako je princip slaganja glavnog proizvoda na prvi pogled jednostavan. Akumulirano iskustvo je od velike važnosti, što omogućuje uzimanje u obzir mnogih tehnoloških suptilnosti, bez kojih je nemoguće postići izdržljiv i pouzdan rad jedinice. Ovdje je samo dio UEC asortimana proizvoda: plinske turbine, elektrane, plinske pumpe. Među kupcima su "Rosatom", "Gazprom" i drugi "kitovi" kemijske industrije i energetike.

Proizvodnja tako složenih strojeva zahtijeva individualni pristup u svakom slučaju. Proračun plinske turbine trenutno je potpuno automatiziran, ali materijali i značajke dijagrama ožičenja važni su u svakom pojedinačnom slučaju.

A sve je počelo tako lako...

Potrage i parovi

Prve pokuse pretvaranja translacijske energije strujanja u rotirajuću silu čovječanstvo je provelo u davna vremena, koristeći obični vodeni kotač. Sve je krajnje jednostavno, tekućina teče odozgo prema dolje, oštrice su postavljene u njen tok. Kotač, opremljen njima po obodu, vrti se. Na isti način radi i vjetrenjača. Zatim je došlo doba pare, i kotač se okretao brže. Inače, takozvani "eolipil", koji je izumio starogrčki Heron oko 130 godina prije Kristova rođenja, bio je parni stroj koji radi upravo na tom principu. U biti, ovo je bila prva plinska turbina poznata povijesnoj znanosti (na kraju krajeva, para je plinovito agregatno stanje vode). Danas je, međutim, uobičajeno razdvajanje ova dva pojma. Heronov izum je tada u Aleksandriji tretiran bez puno entuzijazma, iako sa radoznalošću. Industrijska oprema turbinskog tipa pojavila se tek krajem 19. stoljeća, nakon što je Šveđanin Gustaf Laval stvorio prvu aktivnu energetsku jedinicu na svijetu opremljenu mlaznicom. Otprilike u istom smjeru radio je inženjer Parsons, opskrbljujući svoj stroj s nekoliko funkcionalno povezanih koraka.

Rođenje plinskih turbina

Stoljeće ranije, izvjesni John Barber imao je briljantnu ideju. Zašto prvo trebate zagrijati paru, nije li lakše izravno iskoristiti ispušni plin koji nastaje tijekom izgaranja goriva i time eliminirati nepotrebno posredovanje u procesu pretvorbe energije? Tako je nastala prva prava plinska turbina. Patent iz 1791. iznosi osnovnu ideju korištenja u kočiji bez konja, ali se njegovi elementi danas koriste u modernim raketnim, zrakoplovnim, tenkovskim i automobilskim motorima. Početak procesa izgradnje mlaznih motora dao je 1930. godine Frank Whittle. Došao je na ideju korištenja turbine za pogon aviona. Kasnije je pronašla razvoj u brojnim turboprop i turbomlaznim projektima.

Plinska turbina Nikola Tesla

Poznati znanstvenik izumitelj uvijek je na nestandardan način pristupao problematici koja se proučava. Svima se činilo očitim da kotači s lopaticama ili oštricama bolje "hvataju" kretanje medija od ravnih predmeta. Tesla je, na svoj uobičajeni način, dokazao da ako sastavite rotorski sustav od diskova raspoređenih u nizu na osi, onda će se, pokupivši granične slojeve strujom plina, rotirati ništa gore, a u nekim slučajevima čak i bolje od propeler s više lopatica. Istina, smjer pokretnog medija trebao bi biti tangencijalan, što nije uvijek moguće niti poželjno u modernim jedinicama, ali dizajn je uvelike pojednostavljen - uopće ne trebaju oštrice. Plinska turbina po Teslinoj shemi se još ne gradi, ali možda ideja samo čeka svoje vrijeme.

kružni dijagram

Sada o temeljnom uređaju stroja. To je kombinacija rotacijskog sustava postavljenog na os (rotor) i fiksni dio (stator). Na osovini se nalazi disk s radnim lopaticama koje tvore koncentričnu rešetku, na njih utječe plin koji se dovodi pod tlakom kroz posebne mlaznice. Zatim ekspandirani plin ulazi u impeler, također opremljen lopaticama, koji se nazivaju radnici. Za ulaz smjese zraka i goriva i izlaz (ispuh) koriste se posebne cijevi. Kompresor je također uključen u cjelokupnu shemu. Može se izraditi po drugačijem principu, ovisno o potrebnom radnom tlaku. Za njegov rad iz osi se uzima dio energije koja se koristi za komprimiranje zraka. Plinska turbina radi putem procesa izgaranja mješavine zraka i goriva, praćenog značajnim povećanjem volumena. Osovina se okreće, njena energija se može korisno iskoristiti. Takva se shema naziva jednokružnim, ali ako se ponavlja, onda se smatra višestupanjskim.

Prednosti zrakoplovnih turbina

Otprilike od sredine pedesetih godina pojavila se nova generacija zrakoplova, uključujući i putničke (u SSSR-u su to Il-18, An-24, An-10, Tu-104, Tu-114, Tu-124 itd. ), u čijim su projektima avionske klipne motore konačno i nepovratno zamijenili turbinski. To ukazuje na veću učinkovitost ove vrste elektrane. Karakteristike plinske turbine u mnogočemu su superiornije od parametara motora s rasplinjačem, posebno u pogledu snage / težine, što je od iznimne važnosti za zrakoplovstvo, kao i jednako važnih pokazatelja pouzdanosti. Manja potrošnja goriva, manje pokretnih dijelova, bolja ekološka učinkovitost, smanjena buka i vibracije. Turbine su manje kritične za kvalitetu goriva (što se ne može reći za sustave goriva), lakše ih je održavati, zahtijevaju manje ulja za podmazivanje. Općenito, na prvi pogled se čini da se ne sastoje od metala, već od čvrstih vrlina. Jao, nije.

Postoje nedostaci plinskoturbinskih motora

Plinska turbina se tijekom rada zagrijava i prenosi toplinu na okolne strukturne elemente. Ovo je posebno kritično, opet u zrakoplovstvu, kada se koristi shema rasporeda redan koja uključuje pranje donjeg dijela repne jedinice mlaznom strujom. A samo kućište motora zahtijeva posebnu toplinsku izolaciju i korištenje posebnih vatrostalnih materijala koji mogu podnijeti visoke temperature.

Hlađenje plinskih turbina je složen tehnički izazov. Nije šala, oni rade u načinu praktički trajne eksplozije koja se događa u tijelu. Učinkovitost u nekim načinima rada je niža od one kod motora s rasplinjačem, međutim, kada se koristi shema s dva kruga, ovaj nedostatak se eliminira, iako dizajn postaje složeniji, kao u slučaju uključivanja "booster" kompresora u shemu. Ubrzanje turbina i postizanje radnog načina zahtijeva određeno vrijeme. Što se jedinica češće pokreće i zaustavlja, brže se troši.

Ispravna primjena

Pa, nijedan sustav nije bez mana. Važno je pronaći takvu primjenu svakog od njih, u kojoj će se jasnije očitovati njegove prednosti. Primjerice, tenkovi poput američkog Abramsa koji pokreće plinska turbina. Može se puniti svime što gori, od visokooktanskog benzina do viskija, i daje veliku snagu. Ovo možda nije baš dobar primjer, jer je iskustvo u Iraku i Afganistanu pokazalo ranjivost lopatica kompresora na pijesak. Popravak plinskih turbina mora se obaviti u SAD-u, u proizvodnom pogonu. Odnesite spremnik tamo, pa natrag, i trošak samog održavanja, plus pribor...

Helikopteri, ruski, američki i druge zemlje, kao i snažni gliseri, manje su pogođeni začepljenjem. U tekućim raketama su neizostavni.

Moderni ratni i civilni brodovi također imaju plinskoturbinske motore. A također i energija.

Trigeneratorske elektrane

Problemi s kojima se susreću proizvođači zrakoplova nisu toliko zabrinjavajući za one koji izrađuju industrijsku opremu za proizvodnju električne energije. Težina u ovom slučaju više nije toliko važna, a možete se usredotočiti na parametre kao što su učinkovitost i ukupna učinkovitost. Agregati plinskih turbina imaju masivan okvir, pouzdan okvir i deblje lopatice. Proizvedenu toplinu sasvim je moguće iskoristiti za razne potrebe, od sekundarne reciklaže u samom sustavu, do grijanja kućnih prostora i toplinske opskrbe apsorpcijskim rashladnim jedinicama. Ovaj pristup se naziva trigenerator, a učinkovitost u ovom načinu rada približava se 90%.

Nuklearne elektrane

Za plinsku turbinu nema temeljne razlike koji je izvor zagrijanog medija koji daje energiju svojim lopaticama. To može biti izgorjela mješavina zraka i goriva, ili jednostavno pregrijana para (ne nužno voda), glavna stvar je da osigurava njezino neprekidno napajanje. U svojoj osnovi, elektrane svih nuklearnih elektrana, podmornica, nosača zrakoplova, ledolomaca i nekih vojnih površinskih brodova (na primjer raketna krstarica Petar Veliki) temelje se na plinskoj turbini (GTU) koja se okreće parom. Pitanja sigurnosti i okoliša diktiraju zatvorenu primarnu petlju. To znači da primarni toplinski agens (u prvim uzorcima tu je ulogu igralo olovo, sada je zamijenjen parafinom) ne napušta zonu blizu reaktora, teče oko gorivih elemenata u krug. Zagrijavanje radne tvari provodi se u sljedećim krugovima, a ispareni ugljični dioksid, helij ili dušik rotira turbinski kotač.

Široka primjena

Složene i velike instalacije gotovo su uvijek jedinstvene, njihova proizvodnja se izvodi u malim serijama ili se općenito izrađuju pojedinačni primjerci. Najčešće se jedinice proizvedene u velikim količinama koriste u mirnim sektorima gospodarstva, na primjer, za pumpanje ugljikovodičnih sirovina kroz cjevovode. Upravo ih proizvodi tvrtka UEC pod markom Saturn. Plinske turbine crpnih stanica u potpunosti su u skladu sa svojim nazivom. Oni stvarno crpe prirodni plin, koristeći vlastitu energiju za svoj rad.

Plinska turbina se obično naziva motorom s kontinuiranim radom. Zatim ćemo govoriti o tome kako je uređena plinska turbina, koji je princip rada jedinice. Značajka takvog motora je da se unutar njega energija proizvodi komprimiranim ili zagrijanim plinom, čiji je rezultat mehanički rad na osovini.

Povijest plinske turbine

Zanimljivo je da su mehanizme turbina inženjeri razvijali jako dugo. Prva primitivna parna turbina nastala je u 1. stoljeću pr. e.! Naravno, bitno je
Ovaj mehanizam je tek sada doživio svoj vrhunac. Turbine su se počele aktivno razvijati krajem 19. stoljeća, istodobno s razvojem i usavršavanjem termodinamike, strojarstva i metalurgije.

Načela mehanizama, materijala, legura su se promijenila, sve je poboljšano, a sada, danas, čovječanstvo poznaje najsavršeniji od svih prethodno postojećih oblika plinske turbine, koji se dijeli na različite vrste. Postoji zrakoplovna plinska turbina, a postoji i industrijska.

Uobičajeno je da se plinska turbina naziva vrstom toplinskog motora, njezini su radni dijelovi unaprijed određeni sa samo jednim zadatkom - rotirati se zbog djelovanja plinskog mlaza.

Postavljena je na način da glavni dio turbine predstavlja kotač na koji su pričvršćeni setovi lopatica. , djelujući na lopatice plinske turbine, tjera ih da se kreću i rotiraju kotač. Kotač je zauzvrat čvrsto pričvršćen na osovinu. Ovaj tandem ima posebno ime - rotor turbine. Kao rezultat tog kretanja koje se događa unutar motora plinske turbine, dobiva se mehanička energija koja se prenosi na električni generator, na brodski propeler, na propeler zrakoplova i druge radne mehanizme sličnog principa rada.

Aktivne i mlazne turbine

Utjecaj mlaza plina na lopatice turbine može biti dvostruk. Stoga se turbine dijele na klase: klasu aktivnih i reaktivnih turbina. Reaktivne i aktivne plinske turbine razlikuju se po principu uređaja.

Pogonska turbina

Aktivnu turbinu karakterizira činjenica da postoji velika brzina protoka plina do lopatica rotora. Uz pomoć zakrivljene oštrice, mlaz plina odstupa od svoje putanje. Kao rezultat otklona razvija se velika centrifugalna sila. Uz pomoć ove sile, oštrice se pokreću. Tijekom cijelog opisanog puta plina gubi se dio njegove energije. Takva energija usmjerava se na kretanje rotora i osovine.

mlazna turbina

U mlaznoj turbini stvari su nešto drugačije. Ovdje se protok plina do lopatica rotora odvija pri maloj brzini i pod utjecajem visoke razine tlaka. Oblik lopatica je također izvrstan, zbog čega je brzina plina značajno povećana. Dakle, mlaz plina stvara neku vrstu reaktivne sile.

Iz gore opisanog mehanizma proizlazi da je uređaj plinske turbine prilično kompliciran. Kako bi takva jedinica radila nesmetano i donosila profit i korist svom vlasniku, trebali biste njezino održavanje povjeriti profesionalcima. Tvrtke uslužnog profila pružaju servisno održavanje instalacija koje koriste plinske turbine, isporuku komponenti, svih vrsta dijelova i dijelova. DMEnergy je jedna takva tvrtka () koja svom kupcu pruža mir i povjerenje da neće ostati sam s problemima koji nastaju tijekom rada plinske turbine.

Elektrane relativno malog kapaciteta mogu uključivati ​​i plinskoturbinske motore (GTE) i klipne motore (RP). Kao rezultat toga, kupci često pitaju koji je pogon bolji. I, iako je na njega nedvosmisleno nemoguće odgovoriti, svrha ovog članka je pokušaj razumijevanja ovog pitanja.

Uvod

Izbor tipa motora, kao i njihov broj za pogon električnih generatora u elektrani bilo kojeg kapaciteta, složen je tehnički i ekonomski zadatak. Pokušaji usporedbe klipnih i plinskoturbinskih motora kao pogona najčešće se vrše korištenjem prirodnog plina kao goriva. Njihove temeljne prednosti i nedostaci analizirani su u tehničkoj literaturi, u brošurama proizvođača elektrana s klipnim motorima, pa čak i na Internetu.

U pravilu se daju generalizirane informacije o razlici u potrošnji goriva, u cijeni motora, bez uzimanja u obzir njihove snage i radnih uvjeta. Često se napominje da je poželjno formirati sastav elektrana snage 10-12 MW na bazi klipnih motora, a veće snage - na bazi plinskih turbina. Ove preporuke ne treba uzeti kao aksiom. Jedno je očito: svaki tip motora ima svoje prednosti i nedostatke, a pri odabiru pogona potrebni su neki, barem indikativni, kvantitativni kriteriji za njihovu ocjenu.

Trenutno rusko energetsko tržište nudi prilično širok raspon klipnih i plinskoturbinskih motora. Među klipnim motorima prevladavaju uvozni, a među plinskoturbinskim motorima domaći.

Podaci o tehničkim karakteristikama plinskoturbinskih motora i elektrana na njima, predloženih za rad u Rusiji, redovito se objavljuju posljednjih godina u Katalogu plinskoturbinske opreme.

Slične informacije o klipnim motorima i elektranama, čiji su dio, mogu se dobiti samo iz brošura ruskih i stranih tvrtki koje isporučuju ovu opremu. Podaci o cijeni motora i elektrana najčešće se ne objavljuju, a objavljeni podaci često nisu istiniti.

Neposredna usporedba klipnih i plinskoturbinskih motora

Obrada dostupnih informacija omogućuje formiranje donje tablice koja sadrži i kvantitativnu i kvalitativnu ocjenu prednosti i nedostataka klipnih i plinskoturbinskih motora. Nažalost, neke karakteristike su preuzete iz promotivnih materijala čiju je potpunu točnost iznimno teško ili gotovo nemoguće provjeriti. Podaci potrebni za provjeru rezultata rada pojedinih motora i elektrana, uz rijetke iznimke, ne objavljuju se.

Naravno, navedene brojke su generalizirane; za specifične motore bit će strogo individualne. Osim toga, neki od njih su dati u skladu s ISO standardima, a stvarni uvjeti rada motora značajno se razlikuju od standardnih.

Prikazani podaci daju samo kvalitativne karakteristike motora i ne mogu se koristiti pri odabiru opreme za pojedinu elektranu. Neki komentari mogu se dati za svaku poziciju u tablici.

Tržište energije ima vrlo velik izbor motora sa značajnim razlikama u tehničkim karakteristikama. Natjecanje između motora razmatranih tipova moguće je samo u rasponu jedinične električne snage do 16 MW. Pri većim snagama plinskoturbinski motori gotovo u potpunosti zamjenjuju klipne motore.

Mora se uzeti u obzir da svaki motor ima individualne karakteristike, a samo njih treba koristiti pri odabiru vrste pogona. To vam omogućuje da formirate sastav glavne opreme elektrane određenog kapaciteta u nekoliko inačica, mijenjajući, prije svega, električnu snagu i broj potrebnih motora. Svestranost otežava odabir željene vrste motora.

O učinkovitosti klipnih i plinskoturbinskih motora

Najvažnija karakteristika svakog motora u elektranama je učinkovitost proizvodnje energije (KPIe), koja određuje glavni, ali ne i puni volumen potrošnje plina. Obrada statističkih podataka o vrijednostima učinkovitosti omogućuje jasno pokazivanje područja primjene u kojima, prema ovom pokazatelju, jedna vrsta motora ima prednosti u odnosu na drugu.

Međusobni raspored i konfiguracija triju istaknutih na Sl. 1 zona, unutar kojih se nalaze točkaste slike vrijednosti električne učinkovitosti različitih motora, omogućuje nam da izvučemo neke zaključke:

• čak i unutar istog tipa motora iste snage, postoji značajan rascjep u vrijednostima ​​učinkovitosti za proizvodnju električne energije;
• s jediničnom snagom većom od 16 MW, plinskoturbinski motori u kombiniranom ciklusu daju vrijednost učinkovitosti veću od 48% i imaju monopol na tržištu;
• električna učinkovitost plinskoturbinskih motora do 16 MW, koji rade u jednostavnim i kombiniranim ciklusima, niža je (ponekad vrlo značajno) od klipnih motora;
• plinskoturbinski motori jedinične snage do 1 MW, koji su se nedavno pojavili na tržištu, po učinkovitosti su superiorniji od motora snage 2-8 MW koji se danas najčešće koriste u elektranama;
• priroda promjene učinkovitosti plinskoturbinskih motora ima tri zone: dvije s relativno konstantnom vrijednošću - 27 i 36%, odnosno, i jednu s promjenjivom - od 27 do 36%; unutar dvije zone, koeficijent učinkovitosti slabo ovisi o električnoj snazi;
• vrijednost učinkovitosti za proizvodnju električne energije klipnih motora u stalnoj je ovisnosti o njihovoj električnoj snazi.

Međutim, ovi čimbenici nisu razlog za davanje prioriteta klipnim motorima. Čak i ako će elektrana proizvoditi samo električnu energiju, kada se uspoređuju opcije opreme s različitim vrstama motora, bit će potrebno izvršiti ekonomske izračune. Potrebno je dokazati da će trošak ušteđenog plina platiti razliku u cijeni klipnih i plinskoturbinskih motora, kao i dodatne opreme za njih. Količina ušteđenog plina ne može se utvrditi ako je nepoznat način rada stanice za opskrbu električnom energijom zimi i ljeti. Idealno, ako su poznata potrebna električna opterećenja - maksimalno (zimski radni dan) i minimalno (ljetni slobodan dan).

Korištenje i električne i toplinske energije

Ako elektrana mora proizvoditi ne samo električnu, već i toplinsku energiju, tada će biti potrebno utvrditi iz kojih izvora je moguće pokriti potrošnju topline. U pravilu postoje dva takva izvora - iskorištena toplina motora i/ili kotlovnice.

Kod klipnih motora koristi se toplina rashladnog ulja, komprimiranog zraka i ispušnih plinova, za plinske turbine - samo toplina ispušnih plinova. Glavna količina topline se povrati iz ispušnih plinova uz pomoć otpadnih izmjenjivača topline (UHE).

Količina povratne topline uvelike ovisi o načinu rada motora za proizvodnju električne energije i o klimatskim uvjetima. Netočna procjena načina rada motora zimi dovest će do pogrešaka u određivanju količine iskorištene topline i pogrešnog izbora instalirane snage kotlovnice.

Grafovi na slici 2 prikazuju mogućnost povratne opskrbe toplinom iz plinskih turbinskih i klipnih motora za potrebe opskrbe toplinom. Točke na krivuljama odgovaraju podacima proizvođača o mogućnostima raspoložive opreme za povrat topline. Na motor iste električne snage proizvođači ugrađuju različite UTO-e - na temelju specifičnih zadataka.

Prednosti plinskoturbinskih motora u smislu proizvodnje topline su neosporne. To se posebno odnosi na motore električne snage od 2-10 MW, što se objašnjava relativno niskom vrijednošću njihove električne učinkovitosti. Kako se povećava učinkovitost plinskoturbinskih motora, količina iskorištene topline neminovno se mora smanjiti.

Prilikom odabira klipnog motora za opskrbu energijom i toplinom određenog objekta, potreba za korištenjem kotlovnice kao dijela elektrane gotovo je nedvojbena. Rad kotlovnice zahtijeva povećanje potrošnje plina iznad onoga što je potrebno za proizvodnju električne energije. Postavlja se pitanje kako se razlikuju troškovi plina za energetsku opskrbu objekta ako se u jednom slučaju koriste samo plinskoturbinski motori s povratom ispušne topline, a u drugom slučaju klipni motori s povratom topline i kotlovnicom. Tek nakon temeljitog proučavanja značajki potrošnje električne energije i topline objekta može se odgovoriti na ovo pitanje.

Ako pretpostavimo da se procijenjena toplinska potrošnja objekta može u potpunosti pokriti iskorištenom toplinom plinskoturbinskog motora, a nedostatak topline pri korištenju klipnog motora nadoknađuje kotlovnica, tada je moguće identificirati prirodu promjene ukupne potrošnje plina za opskrbu energijom objekta.

Koristeći podatke na sl. 1 i 2, moguće je za karakteristične točke zona označenih na sl. 1, dobiti informacije o uštedi plina ili prekoračenju pri korištenju različitih tipova aktuatora. Prikazani su u tablici:

Apsolutne vrijednosti uštede plina vrijede samo za određeni objekt čije su karakteristike uključene u izračun, ali se opća priroda ovisnosti ispravno odražava, naime:
s relativno bliskim vrijednostima električne učinkovitosti (razlika do 10%), korištenje klipnih motora i kotlovnice dovodi do prekomjerne potrošnje goriva;

• s relativno bliskim vrijednostima električne učinkovitosti (razlika do 10%), korištenje klipnih motora i kotlovnice dovodi do prekomjerne potrošnje goriva;
• s razlikom u vrijednostima učinkovitosti većom od 10%, rad klipnih motora i kotlovnice zahtijevat će manje plina nego za plinskoturbinske motore;
• postoji određena točka s maksimalnom uštedom plina pri korištenju klipnih motora i kotlovnice, gdje je razlika između vrijednosti učinkovitosti motora 13-14%;
• što je veća učinkovitost klipnog motora i manja učinkovitost plinske turbine, veća je ušteda plina.

Kao dodatak

U pravilu, zadatak nije ograničen na izbor vrste pogona, potrebno je odrediti sastav glavne opreme elektrane - vrstu jedinica, njihov broj, pomoćnu opremu.

Odabir motora za proizvodnju prave količine električne energije određuje mogućnosti za generiranje povratne topline. U ovom slučaju potrebno je uzeti u obzir sve značajke promjena tehničkih karakteristika motora povezane s klimatskim uvjetima, s prirodom električnog opterećenja, te odrediti učinak tih promjena na oslobađanje iskorištene topline.

Također se mora imati na umu da elektrana uključuje ne samo motore. Na njegovom mjestu obično se nalazi više od desetak pomoćnih objekata, čiji rad također utječe na tehničke i ekonomske performanse elektrane.

Kao što je već spomenuto, tehnički sastav opreme elektrane može se formirati na više načina, pa se njezin konačni izbor može opravdati samo s ekonomskog stajališta.

Pritom je izuzetno važno poznavanje karakteristika specifičnih motora i njihovog utjecaja na ekonomsku učinkovitost buduće elektrane. Prilikom izvođenja ekonomskih proračuna neizbježno je uzeti u obzir motorni resurs, mogućnost održavanja, vrijeme i cijenu većih popravaka. Ovi pokazatelji su također individualni za svaki određeni motor, bez obzira na njegovu vrstu.

Ne može se isključiti utjecaj okolišnih čimbenika na izbor tipa motora za elektranu. Stanje atmosfere u području u kojem će elektrana raditi može biti glavni čimbenik u određivanju vrste motora (bez obzira na bilo kakva ekonomska razmatranja).

Kao što je već napomenuto, podaci o cijeni motora i elektrana na njima se ne objavljuju. Proizvođači ili dobavljači opreme pozivaju se na moguću razliku u konfiguraciji, uvjetima isporuke i drugim razlozima. Cijene će biti predstavljene tek nakon ispunjavanja korporativnog upitnika. Stoga se može pokazati netočnim podatak u prvoj tablici da je cijena klipnih motora snage do 3,5 MW niža od cijene plinskoturbinskih motora iste snage.

Zaključak

Dakle, u klasi snage jedinice do 16 MW, ni plinskoturbinskim ni klipnim motorima ne može se dati jednoznačna prednost. Samo temeljita analiza očekivanih načina rada pojedine elektrane za proizvodnju električne i toplinske energije (uzimajući u obzir karakteristike specifičnih motora i brojne ekonomske čimbenike) u potpunosti će opravdati izbor tipa motora. Specijalizirana tvrtka može odrediti sastav opreme na profesionalnoj razini.

Reference

1. Gabich A. Primjena plinskoturbinskih motora male snage u energetskom sektoru // Plinske turbinske tehnologije. 2003, br. 6. S. 30-31.
2. Burov VD Plinsko-turbinske i plinsko-klipne elektrane male snage // Rudarski časopis. 2004, posebno izdanje. str. 87-89,133.
3. Katalog plinskoturbinske opreme // Tehnologije plinskih turbina. 2005. S. 208.
4. Salikhov A. A., Fatkulin R. M., Abrakhmanov R. R., Shchaulov V. Yu. Razvoj mini-CHP pomoću plinskih klipnih motora u Republici Baškortostan. 2003, broj 11. S. 24-30.

Ovaj članak, uz manje izmjene, preuzet je iz časopisa "Turbine i dizelaši", broj 1 (2) za 2006. godinu.
Autor - V.P. Vershinsky, OOO "Gazpromenergoservis".

Plinska turbina je motor u kojem se, u procesu kontinuiranog rada, glavni organ uređaja (rotor) pretvara (u drugim slučajevima, paru ili vodu) u mehanički rad. U tom slučaju, mlaz radne tvari djeluje na lopatice pričvršćene oko oboda rotora, pokrećući ih. U smjeru strujanja plina turbine se dijele na aksijalne (plin se kreće paralelno s osi turbine) ili radijalne (okomito kretanje u odnosu na istu os). Postoje i jednostepeni i višestupanjski mehanizmi.

Plinska turbina može djelovati na lopatice na dva načina. Prvo, to je aktivan proces, kada se plin dovodi u radno područje velikom brzinom. U tom slučaju, tok plina teži se pravocrtnom kretanju, a zakrivljeni dio oštrice koji mu stoji na putu odbija ga, okrećući se. Drugo, to je proces reaktivnog tipa, kada je brzina opskrbe plinom niska, ali se koriste visoki tlakovi. tip u svom čistom obliku se gotovo nikad ne nalazi, jer je u njihovim turbinama prisutan koji djeluje na lopatice zajedno s reakcijskom silom.

Gdje se danas koristi plinska turbina? Princip rada uređaja omogućuje da se koristi za pogone generatora električne struje, kompresora itd. Turbine ovog tipa imaju široku primjenu u transportu (brodske plinoturbinske instalacije). U usporedbi s parnim kolegama, imaju relativno malu težinu i dimenzije, ne zahtijevaju uređenje kotlovnice, kondenzacijske jedinice.

Plinska turbina je vrlo brzo spremna za rad nakon pokretanja, razvija punu snagu za oko 10 minuta, jednostavna je za održavanje, zahtijeva malu količinu vode za hlađenje. Za razliku od motora s unutarnjim izgaranjem, nema inercijski učinak od koljenastog mehanizma. jedan i pol puta kraći od dizelskih motora i više nego dvostruko lakši. Uređaji imaju mogućnost rada na gorivo niske kvalitete. Gore navedene kvalitete omogućuju razmatranje motora ove vrste od posebnog interesa za brodove i hidroglisere.

Plinska turbina kao glavna komponenta motora ima niz značajnih nedostataka. Među njima bilježe visoku buku, manju od dizelskih motora, učinkovitost, kratak vijek trajanja na visokim temperaturama (ako korišteni plinski medij ima temperaturu od oko 1100 ° C, tada se turbina može koristiti u prosjeku do 750 sati).

Učinkovitost plinske turbine ovisi o sustavu u kojem se koristi. Na primjer, uređaji koji se koriste u elektroenergetskoj industriji s početnom temperaturom plinova iznad 1300 stupnjeva Celzija, iz zraka u kompresoru ne više od 23 i ne manje od 17, imaju koeficijent od oko 38,5% tijekom autonomnog rada. Takve turbine nisu jako raširene i uglavnom se koriste za pokrivanje vrhova opterećenja u električnim sustavima. Danas u više termoelektrana u Rusiji radi oko 15 plinskih turbina snage do 30 MW. Na višestupanjskim postrojenjima postiže se znatno veći indeks učinkovitosti (oko 0,93) zbog visoke učinkovitosti konstrukcijskih elemenata.

Princip rada plinskoturbinskih postrojenja

Sl. 1. Shema plinskoturbinske jedinice s jednoosovinskim plinskoturbinskim motorom jednostavnog ciklusa

Čisti zrak se dovodi u kompresor (1) pogonske jedinice plinske turbine. Pod visokim tlakom zrak iz kompresora šalje se u komoru za izgaranje (2), gdje se također dovodi glavno gorivo, plin. Smjesa se zapali. Kada se sagorijeva mješavina plina i zraka, energija se stvara u obliku struje vrućih plinova. Taj tok velikom brzinom juri na turbinski kotač (3) i rotira ga. Rotacijska kinetička energija kroz osovinu turbine pokreće kompresor i električni generator (4). Iz terminala generatora, proizvedena električna energija, obično preko transformatora, šalje se u elektroenergetsku mrežu, do potrošača energije.

Plinske turbine opisane su Braytonovim termodinamičkim ciklusom Brayton/Jouleov ciklus je termodinamički ciklus koji opisuje radne procese plinskih turbinskih, turbomlaznih i ramjet motora s unutarnjim izgaranjem, kao i plinskoturbinskih motora s vanjskim izgaranjem sa zatvorenom petljom plinovitog (jednofazni) radni fluid.

Ciklus je nazvan po američkom inženjeru Georgeu Brightonu, koji je izumio klipni motor s unutarnjim izgaranjem koji je radio na ovom ciklusu.

Ponekad se ovaj ciklus naziva i Jouleov ciklus - u čast engleskog fizičara Jamesa Joulea, koji je uspostavio mehanički ekvivalent topline.

sl.2. P,V Braytonov ciklusni dijagram

Idealni Braytonov ciklus sastoji se od procesa:

• 1-2 Izentropska kompresija.
• 2-3 Izobarični unos topline.
• 3-4 Izentropska ekspanzija.
• 4-1 Izobarično odvođenje topline.

Uzimajući u obzir razlike između stvarnih adijabatskih procesa širenja i kontrakcije od izentropskih, konstruiran je pravi Braytonov ciklus (1-2p-3-4p-1 na T-S dijagramu) (slika 3.)

sl.3. T-S Braytonov ciklusni dijagram
Idealno (1-2-3-4-1)
Real (1-2p-3-4p-1)

Toplinska učinkovitost idealnog Braytonovog ciklusa obično se izražava formulom:

• gdje je P = p2 / p1 - stupanj povećanja tlaka u procesu izentropske kompresije (1-2);
• k - adijabatski indeks (za zrak jednak 1,4)

Posebno treba napomenuti da ovaj općeprihvaćeni način izračuna učinkovitosti ciklusa zamagljuje bit procesa koji je u tijeku. Granična učinkovitost termodinamičkog ciklusa izračunava se kroz omjer temperature pomoću Carnotove formule:

• gdje je T1 temperatura hladnjaka;
• T2 - temperatura grijača.

Točno isti omjer temperature može se izraziti u smislu omjera tlaka koji se koristi u ciklusu i adijabatskog indeksa:

Dakle, učinkovitost Braytonovog ciklusa ovisi o početnoj i konačnoj temperaturi ciklusa na potpuno isti način kao i učinkovitost Carnotovog ciklusa. Uz beskonačno malo zagrijavanje radnog fluida duž linije (2-3), proces se može smatrati izotermnim i potpuno ekvivalentnim Carnotovom ciklusu. Količina zagrijavanja radnog fluida T3 u izobaričnom procesu određuje količinu rada koja se odnosi na količinu radne tekućine koja se koristi u ciklusu, ali ni na koji način ne utječe na toplinsku učinkovitost ciklusa. Međutim, u praktičnoj provedbi ciklusa, zagrijavanje se obično provodi na najviše moguće vrijednosti ograničene otpornošću na toplinu korištenih materijala kako bi se smanjila veličina mehanizama koji komprimiraju i šire radni fluid.

U praksi, trenje i turbulencija uzrokuju:

• Neadijabatska kompresija: za dani omjer ukupnog tlaka, izlazna temperatura kompresora je viša od idealne.
• Neadijabatsko širenje: iako temperatura turbine padne na razinu potrebnu za rad, kompresor nije pod utjecajem, omjer tlaka je veći, kao rezultat toga, ekspanzija nije dovoljna da osigura koristan rad.
• Gubici tlaka u dovodu zraka, komori za izgaranje i izlazu: kao rezultat toga, ekspanzija nije dovoljna za koristan rad.

Kao i kod svih cikličkih toplinskih motora, što je viša temperatura izgaranja, to je veća učinkovitost. Ograničavajući faktor je sposobnost čelika, nikla, keramike ili drugih materijala koji čine motor da izdrže toplinu i pritisak. Velik dio inženjerskog rada usmjeren je na uklanjanje topline iz dijelova turbine. Većina turbina također pokušava povratiti toplinu iz ispušnih plinova koji se inače troše.

Rekuperatori su izmjenjivači topline koji prenose toplinu s ispušnih plinova na komprimirani zrak prije izgaranja. U kombiniranom ciklusu toplina se prenosi na sustave parne turbine. A u kombinaciji topline i električne energije (CHP), otpadna toplina se koristi za proizvodnju tople vode.

Mehanički, plinske turbine mogu biti znatno jednostavnije od klipnih motora s unutarnjim izgaranjem. Jednostavne turbine mogu imati jedan pokretni dio: osovinu/kompresor/turbinu/alternativni rotor (vidi sliku ispod), ne uključujući sustav goriva.

sl.4. Ovaj stroj ima jednostupanjski radijalni kompresor,
turbina, rekuperator i zračni ležajevi.

Složenije turbine (one koje se koriste u modernim mlaznim motorima) mogu imati više osovina (zavojnica), stotine turbinskih lopatica, pokretne lopatice statora i opsežan sustav složenih cjevovoda, komora za izgaranje i izmjenjivača topline.

Općenito je pravilo, što je motor manji, to je veća brzina osovine(a) potrebna za održavanje maksimalne linearne brzine lopatica.

Maksimalna brzina lopatica turbine određuje maksimalni tlak koji se može postići, što rezultira maksimalnom snagom, bez obzira na veličinu motora. Mlazni motor se okreće na oko 10.000 o/min, a mikroturbina na oko 100.000 o/min.