Generator cu turbina cu gaz. Turbine cu gaz și unități de turbine cu gaz de putere mică pe piața rusă. Proiectarea turbinei cu gaz

„Turbo”, „turbojet”, „turboprop” - acești termeni au intrat ferm în lexicul inginerilor secolului XX implicați în proiectarea și întreținerea vehiculelor și a instalațiilor electrice staționare. Sunt folosite chiar și în domenii conexe și în publicitate, atunci când doresc să dea denumirii produsului un indiciu de putere și eficiență deosebită. În aviație, rachete, nave și centrale electrice, cel mai des este folosită turbina cu gaz. Cum este organizat? Funcționează cu gaz natural (cum ar putea sugera și numele) și cum sunt acestea? Cum este o turbină diferită de alte tipuri de motoare cu ardere internă? Care sunt avantajele și dezavantajele sale? În acest articol se încearcă să se răspundă la aceste întrebări cât mai complet posibil.

Lider rus în construcția de mașini UEC

Rusia, spre deosebire de multe alte state independente formate după prăbușirea URSS, a reușit să păstreze în mare măsură industria construcțiilor de mașini. În special, compania Saturn este angajată în producția de centrale electrice cu destinații speciale. Turbinele cu gaz ale acestei companii sunt folosite în construcții navale, industria materiilor prime și energie. Produsele sunt de înaltă tehnologie, necesită o abordare specială în timpul instalării, depanării și exploatării, precum și cunoștințe speciale și echipamente costisitoare pentru întreținerea programată. Toate aceste servicii sunt disponibile clienților UEC - Turbine cu gaz, așa cum se numește astăzi. Nu există atât de multe astfel de întreprinderi în lume, deși principiul amenajării principalelor produse este simplu la prima vedere. Experiența acumulată este de mare importanță, ceea ce face posibilă luarea în considerare a multor subtilități tehnologice, fără de care este imposibil să se realizeze o funcționare durabilă și fiabilă a unității. Iată doar o parte din gama de produse UEC: turbine cu gaz, centrale electrice, unități de pompare cu gaz. Printre clienți se numără „Rosatom”, „Gazprom” și alte „balene” din industria chimică și energetică.

Fabricarea unor astfel de mașini complexe necesită o abordare individuală în fiecare caz. Calculul unei turbine cu gaz este în prezent complet automatizat, dar materialele și caracteristicile diagramelor de cablare contează în fiecare caz individual.

Și totul a început atât de ușor...

Căutări și cupluri

Primele experimente de conversie a energiei de translație a fluxului în forță de rotație au fost efectuate de omenire în antichitate, folosind o roată de apă obișnuită. Totul este extrem de simplu, lichidul curge de sus în jos, lamele sunt plasate în curgerea lui. Roata, echipată cu ele în jurul perimetrului, se învârte. Moara de vânt funcționează la fel. Apoi a venit epoca aburului, iar roata s-a întors mai repede. Apropo, așa-numitul „eolipil”, inventat de anticul stârc grecesc cu aproximativ 130 de ani înainte de nașterea lui Hristos, era o mașină cu abur care funcționează exact pe acest principiu. În esență, aceasta a fost prima turbină cu gaz cunoscută științei istorice (la urma urmei, aburul este o stare gazoasă de agregare a apei). Astăzi, însă, se obișnuiește să se separe aceste două concepte. Invenția lui Heron a fost apoi tratată în Alexandria fără prea mult entuziasm, deși cu curiozitate. Echipamentele industriale de tip turbină au apărut abia la sfârșitul secolului al XIX-lea, după ce suedezul Gustaf Laval a creat prima unitate de putere activă din lume echipată cu duză. Aproximativ în aceeași direcție, a lucrat inginerul Parsons, furnizându-și mașina cu mai multe trepte conectate funcțional.

Nașterea turbinelor cu gaz

Cu un secol mai devreme, un anume John Barber a avut o idee genială. De ce trebuie să încălziți mai întâi aburul, nu este mai ușor să utilizați direct gazele de eșapament generate în timpul arderii combustibilului și, prin urmare, să eliminați medierea inutilă în procesul de conversie a energiei? Așa a apărut prima turbină cu gaz adevărată. Brevetul din 1791 prezintă ideea de bază de a fi folosit într-o trăsură fără cai, dar elemente ale acestuia sunt folosite astăzi în motoarele moderne de rachete, avioane, tancuri și autovehicule. Începutul procesului de construire a motoarelor cu reacție a fost dat în 1930 de Frank Whittle. I-a venit ideea de a folosi o turbină pentru a propulsa un avion. Mai târziu, ea a găsit dezvoltare în numeroase proiecte cu turbopropulsoare și turborreactor.

Turbina cu gaz Nikola Tesla

Celebrul om de știință-inventator a abordat întotdeauna problemele studiate într-un mod non-standard. Pentru toată lumea părea evident că roțile cu palete sau lame „prind” mișcarea mediului mai bine decât obiectele plate. Tesla, în maniera sa caracteristică, a dovedit că, dacă asamblați un sistem rotor din discuri dispuse în serie pe axă, atunci prin ridicarea straturilor limită cu un flux de gaz, acesta nu se va roti mai rău, și în unele cazuri chiar mai bine decât o elice cu mai multe pale. Adevărat, direcția mediului în mișcare ar trebui să fie tangențială, ceea ce nu este întotdeauna posibil sau de dorit în unitățile moderne, dar designul este mult simplificat - nu are nevoie deloc de lame. O turbină cu gaz conform schemei Tesla nu este încă construită, dar poate că ideea doar așteaptă timpul.

schema circuitului

Acum despre dispozitivul fundamental al mașinii. Este o combinație între un sistem rotativ montat pe o axă (rotor) și o parte fixă ​​(stator). Pe arbore se află un disc cu lame de lucru care formează o rețea concentrică, acestea sunt afectate de gazul furnizat sub presiune prin duze speciale. Apoi gazul expandat intră în rotor, echipat și cu palete, numite muncitori. Pentru intrarea amestecului aer-combustibil și evacuarea (eșapament) se folosesc țevi speciale. Compresorul este, de asemenea, implicat în schema generală. Se poate realiza dupa un principiu diferit, in functie de presiunea de lucru ceruta. Pentru funcționarea sa, o parte din energie este preluată de pe axă, care este folosită pentru comprimarea aerului. Turbina cu gaz funcționează prin procesul de ardere a amestecului aer-combustibil, însoțit de o creștere semnificativă a volumului. Arborele se rotește, energia sa poate fi folosită util. O astfel de schemă se numește un singur circuit, dar dacă se repetă, atunci este considerată cu mai multe etape.

Avantajele turbinelor aeronavei

De la jumătatea anilor cincizeci, a apărut o nouă generație de aeronave, inclusiv cele de pasageri (în URSS acestea sunt Il-18, An-24, An-10, Tu-104, Tu-114, Tu-124 etc. ), în modelele cărora motoarele cu piston ale aeronavelor au fost înlocuite definitiv și irevocabil de cele cu turbină. Acest lucru indică o eficiență mai mare a acestui tip de centrale electrice. Caracteristicile turbinei cu gaz sunt superioare parametrilor motoarelor cu carburator în multe privințe, în special în ceea ce privește puterea / greutatea, care este de o importanță capitală pentru aviație, precum și indicatorii la fel de importanți ai fiabilității. Consum mai mic de combustibil, mai puține piese în mișcare, performanță mai bună asupra mediului, zgomot și vibrații reduse. Turbinele sunt mai puțin critice pentru calitatea combustibilului (ceea ce nu se poate spune despre sistemele de combustibil), sunt mai ușor de întreținut, necesită mai puțin ulei lubrifiant. În general, la prima vedere pare că nu sunt formate din metal, ci din virtuți solide. Din păcate, nu este.

Există dezavantaje ale motoarelor cu turbină cu gaz

Turbina cu gaz se încălzește în timpul funcționării și transferă căldură elementelor structurale din jur. Acest lucru este deosebit de critic, din nou în aviație, atunci când se utilizează o schemă de layout redan care implică spălarea părții inferioare a unității de coadă cu un curent cu jet. Și carcasa motorului în sine necesită izolație termică specială și utilizarea unor materiale refractare speciale care pot rezista la temperaturi ridicate.

Răcirea turbinelor cu gaz este o provocare tehnică complexă. Nu este o glumă, ele funcționează în modul unei explozii aproape permanente care se produce în corp. Eficiența în unele moduri este mai mică decât cea a motoarelor cu carburator, totuși, atunci când se utilizează o schemă cu două circuite, acest dezavantaj este eliminat, deși designul devine mai complicat, ca în cazul includerii compresoarelor „booster” în schemă. Accelerarea turbinelor și atingerea modului de funcționare necesită ceva timp. Cu cât unitatea pornește și se oprește mai des, cu atât se uzează mai repede.

Aplicarea corectă

Ei bine, niciun sistem nu este lipsit de defecte. Este important să găsim o astfel de aplicare a fiecăruia dintre ele, în care avantajele sale să se manifeste mai clar. De exemplu, tancuri precum americanul Abrams, care este alimentat de o turbină cu gaz. Poate fi umplut cu orice arde, de la benzină cu octan mare până la whisky, și stinge multă putere. Acesta poate să nu fie un exemplu foarte bun, deoarece experiența din Irak și Afganistan a arătat vulnerabilitatea palelor compresorului la nisip. Reparația turbinelor cu gaz trebuie făcută în SUA, la uzina de producție. Luați rezervorul acolo, apoi înapoi și costul întreținerii în sine, plus accesorii...

Elicopterele, țările rusești, americane și din alte țări, precum și bărcile cu motor puternice, sunt mai puțin afectate de înfundare. În rachetele lichide, ele sunt indispensabile.

Navele de război moderne și navele civile au, de asemenea, motoare cu turbină cu gaz. Și, de asemenea, energie.

Centrale electrice trigeneratoare

Problemele cu care se confruntă producătorii de avioane nu sunt la fel de îngrijorătoare pentru cei care realizează echipamente industriale pentru generarea de energie electrică. Greutatea în acest caz nu mai este atât de importantă și vă puteți concentra pe parametri precum eficiența și eficiența generală. Unitățile generatoare cu turbine cu gaz au un cadru masiv, un cadru de încredere și lame mai groase. Este foarte posibil să se utilizeze căldura generată, utilizând-o pentru o varietate de nevoi, de la reciclarea secundară în sistemul propriu-zis, până la încălzirea spațiilor casnice și alimentarea termică a unităților frigorifice de tip absorbție. Această abordare se numește trigenerator, iar eficiența în acest mod se apropie de 90%.

Centrale nucleare

Pentru o turbină cu gaz, nu are nicio diferență fundamentală care este sursa mediului încălzit care își dă energia palelor sale. Poate fi un amestec aer-combustibil ars, sau pur și simplu abur supraîncălzit (nu neapărat apă), principalul lucru este că asigură alimentarea sa neîntreruptă. În esență, centralele electrice ale tuturor centralelor nucleare, submarinelor, portavionului, spărgătoarelor de gheață și ale unor nave militare de suprafață (crucișătorul cu rachete Peter the Great, de exemplu) se bazează pe o turbină cu gaz (GTU) rotită cu abur. Problemele de siguranță și ecologie dictează ciclul închis al circuitului primar. Aceasta înseamnă că agentul termic primar (în primele mostre acest rol a fost jucat de plumb, acum a fost înlocuit cu parafină) nu părăsește zona apropiată reactorului, curgând în jurul elementelor de combustibil într-un cerc. Încălzirea substanței de lucru se realizează în circuite ulterioare, iar dioxidul de carbon, heliul sau azotul evaporat rotește roata turbinei.

Aplicație largă

Instalațiile complexe și mari sunt aproape întotdeauna unice, producția lor se realizează în loturi mici sau în general se fac exemplare unice. Cel mai adesea, unitățile produse în cantități mari sunt folosite în sectoare pașnice ale economiei, de exemplu, pentru pomparea materiilor prime de hidrocarburi prin conducte. Acestea sunt produse de compania UEC sub marca Saturn. Turbinele cu gaz ale stațiilor de pompare sunt pe deplin în concordanță cu numele lor. Ei chiar pompează gaze naturale, folosind propria energie pentru munca lor.

O turbină cu gaz este denumită în mod obișnuit motor cu funcționare continuă. În continuare, vom vorbi despre cum este aranjată o turbină cu gaz, care este principiul de funcționare al unității. O caracteristică a unui astfel de motor este că în interiorul acestuia, energia este produsă de gaz comprimat sau încălzit, rezultatul căruia transformarea este un lucru mecanic asupra arborelui.

Istoria turbinei cu gaz

Interesant este că mecanismele cu turbine au fost dezvoltate de ingineri de foarte mult timp. Prima turbină cu abur primitivă a fost creată în secolul I î.Hr. e.! Desigur, este esențial
Acest mecanism a atins apogeul abia acum. Turbinele au început să fie dezvoltate activ la sfârșitul secolului al XIX-lea, concomitent cu dezvoltarea și îmbunătățirea termodinamicii, ingineriei mecanice și metalurgiei.

Principiile mecanismelor, materialelor, aliajelor s-au schimbat, totul a fost îmbunătățit, iar acum, astăzi, omenirea cunoaște cea mai perfectă dintre toate formele existente anterior de turbină cu gaz, care este împărțită în diferite tipuri. Există o turbină cu gaz de aviație și una industrială.

Se obișnuiește să se numească o turbină cu gaz un fel de motor termic, părțile sale de lucru sunt predeterminate cu o singură sarcină - să se rotească datorită acțiunii unui jet de gaz.

Este dispusă astfel încât partea principală a turbinei să fie reprezentată de o roată pe care sunt atașate seturi de pale. , acționând asupra palelor unei turbine cu gaz, le face să se miște și să rotească roata. Roata, la rândul său, este fixată rigid de arbore. Acest tandem are un nume special - rotorul turbinei. În urma acestei mișcări, care are loc în interiorul motorului cu turbină cu gaz, se obține energie mecanică, care este transmisă unui generator electric, unei elice de navă, unei elice de aeronavă și altor mecanisme de funcționare cu un principiu similar de funcționare.

Turbine active și cu reacție

Impactul jetului de gaz asupra palelor turbinei poate fi dublu. Prin urmare, turbinele sunt împărțite în clase: clasa de turbine active și reactive. Turbinele cu gaz reactive și active diferă prin principiul dispozitivului.

Turbină cu impuls

O turbină activă se caracterizează prin faptul că există o rată mare de flux de gaz către palele rotorului. Cu ajutorul unei lame curbate, jetul de gaz se abate de la traiectoria sa. Ca urmare a devierii, se dezvoltă o forță centrifugă mare. Cu ajutorul acestei forțe, lamele sunt puse în mișcare. Pe parcursul întregului traseu descris al gazului, o parte din energia acestuia se pierde. O astfel de energie este direcționată către mișcarea rotorului și a arborelui.

turbină cu reacție

Într-o turbină cu reacție, lucrurile stau oarecum diferit. Aici, fluxul de gaz către paletele rotorului se realizează la viteză mică și sub influența unui nivel ridicat de presiune. Forma lamelor este, de asemenea, excelentă, datorită căreia viteza gazului crește semnificativ. Astfel, jetul de gaz creează un fel de forță reactivă.

Din mecanismul descris mai sus, rezultă că dispozitivul unei turbine cu gaz este destul de complicat. Pentru ca o astfel de unitate să funcționeze fără probleme și să aducă profit și beneficii proprietarului său, ar trebui să încredințați întreținerea ei unor profesioniști. Firmele de service specializate asigura service de intretinere a instalatiilor care folosesc turbine cu gaz, aprovizionare cu componente, tot felul de piese si piese. DMEnergy este o astfel de companie () care oferă clientului său liniște și încredere că nu va rămâne singur cu problemele care apar în timpul funcționării unei turbine cu gaz.

Centralele electrice de capacitate relativ mică pot include atât motoare cu turbină cu gaz (GTE) cât și motoare cu piston (RP). Drept urmare, clienții întreabă adesea care unitate este mai bună. Și, deși este clar imposibil să răspunzi, scopul acestui articol este o încercare de a înțelege această problemă.

Introducere

Alegerea tipului de motor, precum și a numărului acestora pentru acționarea generatoarelor electrice la o centrală electrică de orice capacitate, este o sarcină tehnică și economică complexă. Încercările de a compara motoarele cu piston și turbine cu gaz ca motor sunt cel mai adesea făcute folosind gaz natural ca combustibil. Avantajele și dezavantajele lor fundamentale au fost analizate în literatura tehnică, în broșurile producătorilor de centrale electrice cu motoare cu piston și chiar pe Internet.

De regulă, se oferă informații generalizate despre diferența de consum de combustibil, în costul motoarelor, fără a lua în considerare puterea și condițiile de funcționare ale acestora. Se remarcă adesea că este de preferat să se formeze compoziția centralelor electrice cu o capacitate de 10-12 MW pe baza motoarelor cu piston și putere mai mare - pe baza turbinelor cu gaz. Aceste recomandări nu trebuie luate ca o axiomă. Un lucru este evident: fiecare tip de motor are avantajele și dezavantajele sale, iar la alegerea unui drive sunt necesare niște criterii, cel puțin orientative, cantitative pentru evaluarea lor.

În prezent, piața energetică din Rusia oferă o gamă destul de largă de motoare cu piston și turbine cu gaz. Dintre motoarele cu piston predomină motoarele de import, iar dintre motoarele cu turbine cu gaz, cele autohtone.

Informațiile despre caracteristicile tehnice ale motoarelor cu turbine cu gaz și ale centralelor electrice bazate pe acestea, propuse pentru funcționare în Rusia, au fost publicate în mod regulat în „Catalogul echipamentelor cu turbine cu gaz” în ultimii ani.

Informații similare despre motoarele cu piston și centralele electrice, din care fac parte, pot fi adunate numai din broșurile companiilor ruse și străine care furnizează acest echipament. Informațiile despre costul motoarelor și al centralelor electrice nu sunt de cele mai multe ori publicate, iar informațiile publicate nu sunt adesea adevărate.

Comparație față la cap a motoarelor alternative și cu turbine cu gaz

Prelucrarea informațiilor disponibile face posibilă formarea tabelului de mai jos, care conține atât o evaluare cantitativă, cât și una calitativă a avantajelor și dezavantajelor motoarelor cu piston și turbine cu gaz. Din păcate, unele dintre caracteristici sunt preluate din materiale promoționale, a căror acuratețe completă este extrem de dificil sau aproape imposibil de verificat. Datele necesare pentru verificarea rezultatelor exploatării motoarelor și centralelor individuale, cu rare excepții, nu sunt publicate.

Desigur, cifrele date sunt generalizate; pentru anumite motoare, acestea vor fi strict individuale. În plus, unele dintre ele sunt date în conformitate cu standardele ISO, iar condițiile reale de funcționare ale motoarelor diferă semnificativ de standard.

Informațiile prezentate oferă doar o caracteristică calitativă a motoarelor și nu pot fi utilizate în selectarea echipamentelor pentru o anumită centrală electrică. Unele comentarii pot fi date pentru fiecare poziție a tabelului.

Piața energiei are o selecție foarte mare de motoare cu diferențe semnificative în caracteristicile tehnice. Concurența între motoarele tipurilor considerate este posibilă numai în intervalul de putere electrică unitară de până la 16 MW. La puteri mai mari, motoarele cu turbine cu gaz înlocuiesc aproape complet motoarele cu piston.

Trebuie luat în considerare faptul că fiecare motor are caracteristici individuale și numai acestea ar trebui folosite atunci când alegeți un tip de unitate. Acest lucru face posibilă formarea compoziției echipamentului principal al unei centrale electrice de o capacitate dată în mai multe versiuni, variind, în primul rând, puterea electrică și numărul de motoare necesare. Versatilitatea face dificilă alegerea tipului de motor preferat.

Despre eficiența motoarelor cu piston și turbine cu gaz

Cea mai importantă caracteristică a oricărui motor din centralele electrice este eficiența de generare a energiei (KPIe), care determină principalul, dar nu și volumul total al consumului de gaz. Prelucrarea datelor statistice privind valorile eficienței face posibilă arătarea clară a domeniilor de aplicare în care, conform acestui indicator, un tip de motor are avantaje față de altul.

Aranjamentul și configurația reciprocă a celor trei selectați în Fig. 1 zone, în care există imagini cu puncte ale valorilor eficienței electrice a diferitelor motoare, ne permit să tragem câteva concluzii:

• chiar și în cadrul aceluiași tip de motoare de aceeași putere, există o împrăștiere semnificativă a valorilor eficienței pentru generarea de energie electrică;
• cu o putere unitară de peste 16 MW, motoarele cu turbină cu gaz în ciclu combinat asigură o valoare a eficienței de peste 48% și monopolizează piața;
• randamentul electric al motoarelor cu turbină cu gaz de până la 16 MW, care funcționează atât în ​​cicluri simple, cât și în cicluri combinate, este mai mic (uneori foarte semnificativ) decât cel al motoarelor cu piston;
• motoarele cu turbină cu gaz cu o capacitate unitară de până la 1 MW, care au apărut recent pe piață, sunt superioare din punct de vedere al eficienței motoarelor cu o capacitate de 2-8 MW, care sunt cel mai des folosite astăzi în centralele electrice;
• natura modificării eficienței motoarelor cu turbină cu gaz are trei zone: două cu o valoare relativ constantă - 27, respectiv 36% și una cu o variabilă - de la 27 la 36%; în două zone, coeficientul de eficiență depinde slab de puterea electrică;
• valoarea randamentului pentru generarea de energie electrica a motoarelor cu piston este in permanenta dependenta de puterea electrica a acestora.

Cu toate acestea, acești factori nu reprezintă un motiv pentru a acorda prioritate motoarelor cu piston. Chiar dacă centrala va produce numai energie electrică, atunci când se compară opțiunile de echipamente cu diferite tipuri de motoare, va fi necesar să se efectueze calcule economice. Este necesar să se demonstreze că costul gazului economisit va plăti diferența de cost al motoarelor cu piston și turbine cu gaz, precum și echipamente suplimentare pentru acestea. Cantitatea de gaz economisită nu poate fi determinată dacă nu se cunoaște modul de funcționare al stației de alimentare cu energie electrică iarna și vara. În mod ideal, dacă se cunosc sarcinile electrice necesare - maximă (zi de lucru de iarnă) și minime (zi liberă de vară).

Utilizarea atât a energiei electrice, cât și a energiei termice

Dacă centrala electrică trebuie să producă nu numai energie electrică, ci și termică, atunci va fi necesar să se determine din ce surse este posibil să se acopere consumul de căldură. De regulă, există două astfel de surse - căldura utilizată a motoarelor și/sau cazanul.

Pentru motoarele cu piston se folosește căldura uleiului de răcire, a aerului comprimat și a gazelor de evacuare, pentru motoarele cu turbină cu gaz este utilizată doar căldura gazelor de eșapament. Cantitatea principală de căldură este recuperată din gazele de evacuare cu ajutorul schimbătoarelor de căldură reziduală (UHE).

Cantitatea de căldură recuperată depinde în mare măsură de modul de funcționare al motorului pentru a genera electricitate și de condițiile climatice. Evaluarea incorectă a modurilor de funcționare a motorului în timpul iernii va duce la erori în determinarea cantității de căldură utilizată și la o alegere incorectă a capacității instalate a cazanului.

Graficele din Fig. 2 arată posibilitatea alimentării cu energie termică recuperată de la motoarele cu turbină cu gaz și cu piston în scopul furnizării de căldură. Punctele de pe curbe corespund datelor producătorului privind capacitățile echipamentelor disponibile pentru recuperarea căldurii. Pe motorul aceleiași puteri electrice, producătorii instalează diverse UTO - pe baza unor sarcini specifice.

Avantajele motoarelor cu turbină cu gaz în ceea ce privește generarea de căldură sunt incontestabile. Acest lucru este valabil mai ales pentru motoarele cu o putere electrică de 2-10 MW, ceea ce se explică prin valoarea relativ scăzută a eficienței lor electrice. Pe măsură ce eficiența motoarelor cu turbină cu gaz crește, cantitatea de căldură utilizată trebuie inevitabil să scadă.

Atunci când alegeți un motor cu piston pentru alimentarea cu energie și căldură a unei anumite instalații, necesitatea de a folosi o boiler ca parte a unei centrale electrice este aproape fără îndoială. Funcționarea cazanului necesită o creștere a consumului de gaze peste ceea ce este necesar pentru a genera energie electrică. Se pune întrebarea cum diferă costurile cu gaz pentru alimentarea cu energie a instalației dacă într-un caz se folosesc numai motoare cu turbină cu gaz cu recuperare a căldurii de evacuare, iar în celălalt caz se folosesc motoare cu piston cu recuperare de căldură și o centrală termică. Numai după un studiu amănunțit al caracteristicilor consumului de energie electrică și căldură al obiectului se poate răspunde la această întrebare.

Dacă presupunem că consumul de căldură estimat al unui obiect poate fi acoperit complet de căldura utilizată a motorului cu turbină cu gaz, iar lipsa căldurii atunci când se utilizează un motor cu piston este compensată de centrala termică, atunci este posibil să se identifice natura de modificarea consumului total de gaz pentru alimentarea cu energie a obiectului.

Folosind datele din fig. 1 și 2, este posibil pentru punctele caracteristice ale zonelor marcate în Fig. 1, obțineți informații despre economiile de gaz sau depășirile atunci când utilizați diferite tipuri de actuatoare. Sunt prezentate în tabel:

Valorile absolute ale economiilor de gaze sunt valabile numai pentru un anumit obiect, ale cărui caracteristici au fost incluse în calcul, dar natura generală a dependenței este reflectată corect, și anume:
cu valori relativ apropiate ale randamentului electric (diferență de până la 10%), utilizarea motoarelor cu piston și a unei camere de cazane duce la un consum excesiv de combustibil;

• cu valori relativ apropiate ale randamentului electric (diferență de până la 10%), utilizarea motoarelor cu piston și a unei camere de cazane duce la un consum excesiv de combustibil;
• cu o diferență a valorilor de eficiență de peste 10%, funcționarea motoarelor cu piston și a cazanului va necesita mai puțin gaz decât pentru motoarele cu turbină cu gaz;
• există un anumit punct cu economii maxime de gaz atunci când se utilizează motoare cu piston și o cameră de cazane, unde diferența dintre valorile de eficiență ale motoarelor este de 13-14%;
• cu cât randamentul unui motor cu piston este mai mare și cu cât eficiența unei turbine cu gaz este mai mică, cu atât economiile de gaz sunt mai mari.

Ca supliment

De regulă, sarcina nu se limitează la alegerea tipului de acționare, este necesară determinarea compoziției echipamentului principal al centralei electrice - tipul de unități, numărul acestora, echipamente auxiliare.

Alegerea motoarelor care să producă cantitatea potrivită de electricitate determină posibilitățile de generare a căldurii recuperate. În acest caz, este necesar să se ia în considerare toate caracteristicile modificărilor caracteristicilor tehnice ale motorului asociate cu condițiile climatice, cu natura sarcinii electrice și să se determine efectul acestor modificări asupra furnizării de căldură utilizată.

De asemenea, trebuie amintit că centrala electrică include nu numai motoare. Pe amplasamentul său, există de obicei mai mult de o duzină de structuri auxiliare, a căror funcționare afectează și performanța tehnică și economică a centralei electrice.

După cum sa menționat deja, din punct de vedere tehnic, compoziția echipamentelor centralei poate fi formată în mai multe moduri, astfel încât alegerea sa finală nu poate fi justificată decât din punct de vedere economic.

În același timp, cunoașterea caracteristicilor motoarelor specifice și a impactului acestora asupra performanței economice a unei viitoare centrale electrice este extrem de importantă. Atunci când se efectuează calcule economice, este inevitabil să se țină cont de resursa motorului, mentenabilitatea, timpul și costul reparațiilor majore. Acești indicatori sunt, de asemenea, individuali pentru fiecare motor specific, indiferent de tipul acestuia.

Nu poate fi exclusă influența factorilor de mediu asupra alegerii tipului de motoare pentru centrala electrică. Starea atmosferei din zona in care urmeaza sa functioneze centrala poate fi un factor major in determinarea tipului de motor (indiferent de orice considerente economice).

După cum sa menționat deja, datele privind costul motoarelor și centralelor electrice pe baza acestora nu sunt publicate. Producătorii sau furnizorii de echipamente se referă la posibila diferență de configurație, condiții de livrare și alte motive. Preturile vor fi prezentate numai dupa completarea chestionarului corporativ. Prin urmare, informațiile din primul tabel conform cărora costul motoarelor cu piston cu o putere de până la 3,5 MW este mai mic decât costul motoarelor cu turbină cu gaz de aceeași putere se pot dovedi a fi incorecte.

Concluzie

Astfel, în clasa de putere a unității de până la 16 MW, nici motoarele cu turbine cu gaz, nici motoare cu piston nu pot fi preferate fără echivoc. Doar o analiză amănunțită a modurilor de funcționare așteptate ale unei anumite centrale electrice pentru generarea de energie electrică și căldură (ținând cont de caracteristicile motoarelor specifice și a numeroși factori economici) va justifica pe deplin alegerea tipului de motor. O firmă specializată poate determina compoziția echipamentului la nivel profesional.

Referințe

1. Gabich A. Aplicarea motoarelor cu turbine cu gaz de putere redusă în sectorul energetic // Tehnologii cu turbine cu gaz. 2003, nr. 6. S. 30-31.
2. Burov VD Centrale electrice cu turbine cu gaz și pistoane cu gaz de putere mică // Revista minieră. 2004, număr special. pp. 87-89.133.
3. Catalog echipamente turbine cu gaz // Tehnologii turbine cu gaz. 2005. S. 208.
4. Salikhov A. A., Fatkulin R. M., Abrakhmanov R. R., Shchaulov V. Yu. Dezvoltarea mini-CHP folosind motoare cu piston pe gaz în Republica Bashkortostan. 2003, nr. 11. S. 24-30.

Acest articol, cu mici modificări, este preluat din revista „Turbine și Diesel”, nr. 1 (2) pentru anul 2006.
Autor - V.P. Vershinsky, OOO „Gazpromenergoservis”.

O turbină cu gaz este un motor în care, în procesul de funcționare continuă, organul principal al dispozitivului (rotorul) transformă (în alte cazuri, abur sau apă) în lucru mecanic. În acest caz, jetul de substanță de lucru acționează asupra palelor fixate în jurul circumferinței rotorului, punându-le în mișcare. Pe direcția fluxului de gaz, turbinele sunt împărțite în axiale (gazul se mișcă paralel cu axa turbinei) sau radiale (mișcare perpendiculară față de aceeași axă). Există atât mecanisme cu o singură etapă, cât și cu mai multe etape.

O turbină cu gaz poate acționa asupra palelor în două moduri. În primul rând, este un proces activ, când gazul este furnizat în zona de lucru la viteze mari. În acest caz, fluxul de gaz tinde să se miște în linie dreaptă, iar partea curbată a lamei care îi stă în cale îl deviază, rotindu-se singură. În al doilea rând, este un proces de tip reactiv, când debitul de alimentare cu gaz este scăzut, dar se folosesc presiuni mari. tipul în forma sa pură nu se găsește aproape niciodată, deoarece în turbinele lor este prezent care acționează asupra palelor împreună cu forța de reacție.

Unde este folosită turbina cu gaz astăzi? Principiul de funcționare al dispozitivului permite să fie utilizat pentru acționarea generatoarelor de curent electric, compresoarelor etc. Turbinele de acest tip sunt utilizate pe scară largă în transport (instalații de turbine cu gaz de nave). În comparație cu analogii de abur, au o greutate și dimensiuni relativ mici, nu necesită amenajarea unui cazan, o unitate de condensare.

Turbina cu gaz este gata de funcționare destul de repede după pornire, dezvoltă puterea maximă în aproximativ 10 minute, este ușor de întreținut, necesită o cantitate mică de apă pentru răcire. Spre deosebire de motoarele cu ardere internă, acesta nu are efecte inerțiale de la mecanismul manivelei. de o ori și jumătate mai scurt decât motoarele diesel și de peste două ori mai ușor. Dispozitivele au capacitatea de a funcționa cu combustibil de calitate scăzută. Calitățile de mai sus fac posibilă luarea în considerare a motoarelor de acest tip de interes special pentru nave și hidrofoile.

Turbina cu gaz ca componentă principală a motorului are o serie de dezavantaje semnificative. Printre acestea, ei remarcă zgomot ridicat, mai puțin decât motoarele diesel, eficiență, durată scurtă de viață la temperaturi ridicate (dacă mediul de gaz utilizat are o temperatură de aproximativ 1100 ° C, atunci turbina poate fi folosită în medie până la 750 de ore).

Eficiența unei turbine cu gaz depinde de sistemul în care este utilizată. De exemplu, dispozitivele utilizate în industria energetică cu o temperatură inițială a gazelor peste 1300 de grade Celsius, din aerul din compresor nu mai mult de 23 și nu mai puțin de 17, au un coeficient de aproximativ 38,5% în timpul operațiunilor autonome. Astfel de turbine nu sunt foarte răspândite și sunt utilizate în principal pentru acoperirea vârfurilor de sarcină în sistemele electrice. Astăzi, la o serie de centrale termice din Rusia funcționează aproximativ 15 turbine cu gaz cu o capacitate de până la 30 MW. La instalațiile cu mai multe etape, se obține un indice de eficiență mult mai mare (aproximativ 0,93) datorită eficienței ridicate a elementelor structurale.

Principiul de funcționare a instalațiilor cu turbine cu gaz

Fig.1. Schema unei unități de turbină cu gaz cu un motor cu turbină cu gaz cu un singur arbore de ciclu simplu

Aerul curat este furnizat compresorului (1) al unității de alimentare cu turbine cu gaz. La presiune ridicată, aerul din compresor este trimis în camera de ardere (2), unde este alimentat și combustibilul principal, gazul. Amestecul se aprinde. Când un amestec gaz-aer este ars, energia este generată sub forma unui flux de gaze fierbinți. Acest flux se repezi cu viteză mare către roata turbinei (3) și o rotește. Energia cinetică de rotație prin arborele turbinei antrenează compresorul și generatorul electric (4). De la bornele generatorului de energie electrica generata, de obicei printr-un transformator, este trimisa catre reteaua electrica, catre consumatorii de energie.

Turbinele cu gaz sunt descrise de ciclul termodinamic Brayton Ciclul Brayton/Joule este un ciclu termodinamic care descrie procesele de lucru ale motoarelor cu combustie internă cu turbine cu gaz, turboreactor și ramjet, precum și motoare cu ardere externă cu turbine cu gaz cu o buclă închisă a unui gaz. fluid de lucru (monofazat).

Ciclul este numit după inginerul american George Brighton, care a inventat motorul cu combustie internă alternativă care funcționa pe acest ciclu.

Uneori, acest ciclu este numit și ciclu Joule - în onoarea fizicianului englez James Joule, care a stabilit echivalentul mecanic al căldurii.

Fig.2. P,V Diagrama ciclului Brayton

Ciclul ideal Brayton constă din procesele:

• 1-2 Compresie izoentropică.
• 2-3 Aport de căldură izobară.
• 3-4 Expansiune izoentropică.
• 4-1 Îndepărtarea căldurii izobară.

Luând în considerare diferențele dintre procesele adiabatice reale de expansiune și contracție față de cele isentropice, se construiește un ciclu Brayton real (1-2p-3-4p-1 pe diagrama T-S) (Fig. 3)

Fig.3. Diagrama ciclului T-S Brayton
Ideal (1-2-3-4-1)
Real (1-2p-3-4p-1)

Eficiența termică a unui ciclu Brayton ideal este de obicei exprimată prin formula:

• unde P = p2 / p1 - gradul de creștere a presiunii în procesul de compresie izoentropică (1-2);
• k - indice adiabatic (pentru aer egal cu 1,4)

Trebuie remarcat în special că acest mod general acceptat de calculare a eficienței ciclului ascunde esența procesului în desfășurare. Eficiența limitativă a ciclului termodinamic este calculată prin raportul de temperatură folosind formula Carnot:

• unde T1 este temperatura frigiderului;
• T2 - temperatura încălzitorului.

Exact același raport de temperatură poate fi exprimat în termeni de raporturi de presiune utilizate în ciclu și indicele adiabatic:

Astfel, eficiența ciclului Brayton depinde de temperaturile inițiale și finale ale ciclului exact în același mod ca eficiența ciclului Carnot. Cu o încălzire infinitezimală a fluidului de lucru de-a lungul liniei (2-3), procesul poate fi considerat izoterm și complet echivalent cu ciclul Carnot. Cantitatea de încălzire a fluidului de lucru T3 în procesul izobaric determină cantitatea de lucru legată de cantitatea de fluid de lucru utilizată în ciclu, dar nu afectează în niciun fel eficiența termică a ciclului. Cu toate acestea, în implementarea practică a ciclului, încălzirea se realizează de obicei la cele mai mari valori posibile limitate de rezistența la căldură a materialelor utilizate pentru a minimiza dimensiunea mecanismelor care comprimă și extind fluidul de lucru.

În practică, frecarea și turbulența provoacă:

• Compresie non-adiabatică: pentru un raport de presiune total dat, temperatura de descărcare a compresorului este mai mare decât cea ideală.
• Expansiune non-adiabatică: deși temperatura turbinei scade la nivelul necesar funcționării, compresorul nu este afectat, raportul de presiune este mai mare, ca urmare, dilatarea nu este suficientă pentru a oferi o muncă utilă.
• Pierderi de presiune în admisia aerului, camera de ardere și evacuarea: ca urmare, dilatarea nu este suficientă pentru a asigura o muncă utilă.

Ca și în cazul tuturor motoarelor termice ciclice, cu cât temperatura de ardere este mai mare, cu atât eficiența este mai mare. Factorul limitativ este capacitatea oțelului, nichelului, ceramicii sau a altor materiale care alcătuiesc motorul de a rezista la căldură și presiune. O mare parte a lucrărilor de inginerie se concentrează pe îndepărtarea căldurii din părți ale turbinei. Majoritatea turbinelor încearcă, de asemenea, să recupereze căldura din gazele de eșapament care altfel ar fi risipite.

Recuperatoarele sunt schimbătoare de căldură care transferă căldura de la gazele de evacuare la aer comprimat înainte de ardere. Într-un ciclu combinat, căldura este transferată către sistemele turbinelor cu abur. Iar în combinarea căldurii și energiei (CHP), căldura reziduală este folosită pentru a produce apă caldă.

Din punct de vedere mecanic, turbinele cu gaz pot fi considerabil mai simple decât motoarele cu combustie internă alternativă. Turbinele simple pot avea o singură parte mobilă: ansamblu arbore/compresor/turbină/rotor alternativ (vezi imaginea de mai jos), fără a include sistemul de alimentare.

Fig.4. Această mașină are un compresor radial cu o singură treaptă,
turbină, recuperator și rulmenți de aer.

Turbinele mai complexe (cele utilizate în motoarele cu reacție moderne) pot avea mai mulți arbori (bobine), sute de pale de turbină, pale de stator în mișcare și un sistem extins de conducte complexe, camere de ardere și schimbătoare de căldură.

Ca regulă generală, cu cât motorul este mai mic, cu atât viteza arborelui (arborilor) este mai mare necesară pentru a menține viteza liniară maximă a palelor.

Viteza maximă a palelor turbinei determină presiunea maximă care poate fi atinsă, rezultând putere maximă, indiferent de dimensiunea motorului. Motorul cu reacție se rotește la aproximativ 10.000 rpm și micro-turbina la aproximativ 100.000 rpm.