Gasturbingenerator. Gasturbiner och gasturbinenheter med låg effekt på den ryska marknaden. Gasturbin design

"Turbo", "turbojet", "turboprop" - dessa termer har kommit in i lexikonet för 1900-talets ingenjörer som är involverade i design och underhåll av fordon och stationära elektriska installationer. De används även inom relaterade områden och reklam, när de vill ge namnet på produkten en antydan om speciell kraft och effektivitet. Inom flyg, raketer, fartyg och kraftverk används gasturbinen oftast. Hur är det organiserat? Går den på naturgas (som namnet antyder), och hur är de? Hur skiljer sig en turbin från andra typer av förbränningsmotorer? Vilka är dess fördelar och nackdelar? Ett försök att besvara dessa frågor så fullständigt som möjligt görs i den här artikeln.

Rysk maskinbyggarledare UEC

Ryssland, till skillnad från många andra oberoende stater som bildades efter Sovjetunionens kollaps, lyckades till stor del bevara maskinbyggnadsindustrin. I synnerhet är Saturn-företaget engagerat i produktionen av kraftverk för speciella ändamål. Detta företags gasturbiner används inom varvsindustrin, råvaruindustrin och energi. Produkterna är högteknologiska, de kräver ett speciellt förhållningssätt vid installation, felsökning och drift samt specialkunskap och dyrbar utrustning för planerat underhåll. Alla dessa tjänster är tillgängliga för kunder hos UEC - Gasturbiner, som det heter idag. Det finns inte så många sådana företag i världen, även om principen för att ordna huvudprodukterna vid första anblicken är enkel. Den ackumulerade erfarenheten är av stor betydelse, vilket gör det möjligt att ta hänsyn till många tekniska subtiliteter, utan vilka det är omöjligt att uppnå en hållbar och pålitlig drift av enheten. Här är bara en del av UEC-produktsortimentet: gasturbiner, kraftverk, gaspumpar. Bland kunderna finns "Rosatom", "Gazprom" och andra "valar" från den kemiska industrin och energin.

Tillverkningen av sådana komplexa maskiner kräver ett individuellt tillvägagångssätt i varje enskilt fall. Beräkningen av en gasturbin är för närvarande helautomatiserad, men kopplingsschemanas material och egenskaper har betydelse i varje enskilt fall.

Och allt började så lätt...

Sökningar och par

De första experimenten med att omvandla flödets translationsenergi till rotationskraft utfördes av mänskligheten i antiken, med hjälp av ett vanligt vattenhjul. Allt är extremt enkelt, vätska strömmar från topp till botten, blad placeras i dess flöde. Hjulet, utrustat med dem runt omkretsen, snurrar. Väderkvarnen fungerar på samma sätt. Sedan kom ångtiden, och hjulet snurrade snabbare. Förresten, den så kallade "eolipilen", som uppfanns av den antika grekiska Heron cirka 130 år före Kristi födelse, var en ångmaskin som fungerar exakt på denna princip. I huvudsak var detta den första gasturbinen känd för historisk vetenskap (ånga är trots allt ett gasformigt tillstånd av aggregering av vatten). Idag är det dock vanligt att separera dessa två begrepp. Herons uppfinning behandlades sedan i Alexandria utan större entusiasm, om än med nyfikenhet. Industriell utrustning av turbintyp dök upp först i slutet av 1800-talet, efter skapandet av världens första aktiva kraftaggregat utrustad med ett munstycke av svensken Gustaf Laval. Ungefär i samma riktning arbetade ingenjör Parsons och försåg sin maskin med flera funktionellt sammankopplade steg.

Födelsen av gasturbiner

Ett sekel tidigare hade en viss John Barber en briljant idé. Varför måste man värma upp ångan först, är det inte lättare att direkt använda avgaserna som genereras vid förbränning av bränsle och därmed eliminera onödig förmedling i energiomvandlingsprocessen? Så kom den första riktiga gasturbinen till. Patentet från 1791 beskriver den grundläggande idén om att användas i en hästlös vagn, men delar av det används idag i moderna raket-, flygplans-, tank- och bilmotorer. Början av processen att bygga jetmotorer gavs 1930 av Frank Whittle. Han kom på idén att använda en turbin för att driva ett flygplan. Senare fann hon utveckling i många turboprop- och turbojetprojekt.

Nikola Tesla gasturbin

Den berömda vetenskapsmannen-uppfinnaren har alltid närmat sig de frågor som studeras på ett icke-standardiserat sätt. Det verkade uppenbart för alla att hjul med paddlar eller blad "fångar" mediets rörelse bättre än platta föremål. Tesla, på sitt vanliga sätt, bevisade att om man monterar ett rotorsystem från skivor anordnade i serie på axeln, så kommer det att rotera inte sämre, och i vissa fall till och med bättre, genom att plocka upp gränsskikten med ett gasflöde. en flerbladig propeller. Det är sant att det rörliga mediets riktning bör vara tangentiell, vilket inte alltid är möjligt eller önskvärt i moderna enheter, men designen är mycket förenklad - den behöver inte blad alls. En gasturbin enligt Tesla-schemat byggs inte ännu, men idén kanske bara väntar på sin tid.

kretsschema

Nu om maskinens grundläggande anordning. Det är en kombination av ett roterande system monterat på en axel (rotor) och en fast del (stator). På axeln finns en skiva med arbetsblad som bildar ett koncentriskt gitter, de påverkas av gas som tillförs under tryck genom speciella munstycken. Sedan kommer den expanderade gasen in i impellern, även utrustad med blad, kallade arbetare. För inloppet av luft-bränsleblandningen och utloppet (avgas) används speciella rör. Kompressorn är också involverad i det övergripande systemet. Den kan tillverkas enligt en annan princip, beroende på det arbetstryck som krävs. För dess funktion tas en del av energin från axeln, som används för att komprimera luften. Gasturbinen fungerar med hjälp av processen för förbränning av luft-bränsleblandningen, åtföljd av en betydande volymökning. Axeln roterar, dess energi kan användas användbart. Ett sådant schema kallas enkrets, men om det upprepas anses det vara flerstegs.

Fördelar med flygplansturbiner

Sedan ungefär mitten av femtiotalet har en ny generation flygplan dykt upp, inklusive passagerare (i Sovjetunionen är dessa Il-18, An-24, An-10, Tu-104, Tu-114, Tu-124, etc. ), i konstruktioner vars kolvmotorer för flygplan slutligen och oåterkalleligt ersattes av turbinmotorer. Detta indikerar en högre effektivitet hos denna typ av kraftverk. Gasturbinens egenskaper är överlägsna parametrarna för förgasade motorer i många avseenden, särskilt när det gäller effekt / vikt, vilket är av största vikt för flyget, såväl som lika viktiga indikatorer på tillförlitlighet. Lägre bränsleförbrukning, färre rörliga delar, bättre miljöprestanda, minskat buller och vibrationer. Turbiner är mindre kritiska för bränslekvaliteten (vilket inte kan sägas om bränslesystem), de är lättare att underhålla, de kräver mindre smörjolja. I allmänhet verkar det vid första anblicken som att de inte består av metall, utan av solida dygder. Tyvärr är det inte det.

Det finns nackdelar med gasturbinmotorer

Gasturbinen värms upp under drift och överför värme till de omgivande konstruktionselementen. Detta är särskilt kritiskt, återigen inom flyget, när man använder ett redan layoutschema som innebär att den nedre delen av stjärtenheten tvättas med en jetström. Och själva motorhuset kräver speciell värmeisolering och användning av speciella eldfasta material som tål höga temperaturer.

Att kyla gasturbiner är en komplex teknisk utmaning. Det är inget skämt, de fungerar som en praktiskt taget permanent explosion i kroppen. Effektiviteten i vissa lägen är lägre än för förgasarmotorer, men när du använder ett dubbelkretsschema elimineras denna nackdel, även om designen blir mer komplicerad, som i fallet med att inkludera "booster"-kompressorer i schemat. Acceleration av turbiner och att nå driftläge kräver lite tid. Ju oftare enheten startar och stannar, desto snabbare slits den ut.

Korrekt applikation

Nåväl, inget system är utan brister. Det är viktigt att hitta en sådan tillämpning av var och en av dem, där dess fördelar kommer att tydligare manifesteras. Till exempel tankar som amerikanska Abrams som drivs av en gasturbin. Den kan fyllas med allt som brinner, från högoktanig bensin till whisky, och den ger mycket kraft. Detta kanske inte är ett särskilt bra exempel, eftersom erfarenheter i Irak och Afghanistan har visat att kompressorbladen är sårbara för sand. Reparation av gasturbiner måste göras i USA, vid tillverkningsanläggningen. Ta tanken dit, sedan tillbaka, och kostnaden för själva underhållet, plus tillbehör ...

Helikoptrar, ryska, amerikanska och andra länder, liksom kraftfulla motorbåtar, påverkas mindre av igensättning. I flytande raketer är de oumbärliga.

Moderna krigsfartyg och civila fartyg har också gasturbinmotorer. Och även energi.

Trigenerator kraftverk

De problem som flygplanstillverkarna står inför är inte lika oroande för dem som tillverkar industriell utrustning för att generera el. Vikten i det här fallet är inte längre så viktig, och du kan fokusera på parametrar som effektivitet och total effektivitet. Gasturbingeneratorenheter har en massiv ram, en pålitlig ram och tjockare blad. Det är fullt möjligt att utnyttja den alstrade värmen och använda den för en mängd olika behov, från sekundär återvinning i själva systemet, till uppvärmning av hushållslokaler och värmeförsörjning av kylenheter av absorptionstyp. Detta tillvägagångssätt kallas trigenerator, och effektiviteten i detta läge närmar sig 90%.

Kärnkraftverk

För en gasturbin gör det ingen grundläggande skillnad vad som är källan till det uppvärmda mediet som ger sin energi till dess blad. Det kan vara en bränd luft-bränsleblandning, eller helt enkelt överhettad ånga (inte nödvändigtvis vatten), det viktigaste är att det säkerställer sin oavbrutna strömförsörjning. I sin kärna är kraftverken i alla kärnkraftverk, ubåtar, hangarfartyg, isbrytare och vissa militära ytfartyg (t.ex. Peter den store missilkryssaren) baserade på en gasturbin (GTU) som roteras av ånga. Säkerhets- och miljöfrågor dikterar en sluten primärkrets. Detta innebär att det primära värmemedlet (i de första proverna spelades denna roll av bly, nu har det ersatts av paraffin) inte lämnar den närliggande reaktorzonen och flyter runt bränsleelementen i en cirkel. Uppvärmningen av arbetsämnet utförs i efterföljande kretsar, och den förångade koldioxiden, helium eller kväve roterar turbinhjulet.

Bred applikation

Komplexa och stora installationer är nästan alltid unika, deras produktion sker i små partier eller i allmänhet görs enstaka kopior. Oftast används enheter som produceras i stora mängder i fredliga sektorer av ekonomin, till exempel för att pumpa kolväteråvaror genom rörledningar. Det är dessa som produceras av UEC-företaget under varumärket Saturn. Gasturbiner av pumpstationer är helt förenliga med deras namn. De pumpar verkligen naturgas och använder sin egen energi för sitt arbete.

En gasturbin kallas vanligtvis för en kontinuerligt arbetande motor. Därefter kommer vi att prata om hur en gasturbin är anordnad, vad är principen för enhetens drift. En egenskap hos en sådan motor är att inuti den produceras energi av komprimerad eller uppvärmd gas, vars resultat är det mekaniska arbetet på axeln.

Gasturbinens historia

Intressant nog har turbinmekanismer utvecklats av ingenjörer under mycket lång tid. Den första primitiva ångturbinen skapades på 1:a århundradet f.Kr. e.! Naturligtvis är det väsentligt
Denna mekanism har nått sin storhetstid först nu. Turbiner började utvecklas aktivt i slutet av 1800-talet, samtidigt med utvecklingen och förbättringen av termodynamik, maskinteknik och metallurgi.

Principerna för mekanismer, material, legeringar har förändrats, allt har förbättrats, och nu, idag, känner mänskligheten den mest perfekta av alla tidigare existerande former av en gasturbin, som är uppdelad i olika typer. Det finns en gasturbin för flyg och det finns en industriell sådan.

Det är vanligt att kalla en gasturbin för en slags värmemotor, dess arbetsdelar är förutbestämda med bara en uppgift - att rotera på grund av verkan av en gasstråle.

Den är anordnad på ett sådant sätt att huvuddelen av turbinen representeras av ett hjul på vilket uppsättningar blad är fästa. , som verkar på bladen på en gasturbin, får dem att röra sig och rotera hjulet. Hjulet är i sin tur styvt fäst vid axeln. Denna tandem har ett speciellt namn - turbinrotorn. Som ett resultat av denna rörelse som sker inuti en gasturbins motor erhålls mekanisk energi, som överförs till en elektrisk generator, till en fartygspropeller, till en flygplanspropeller och andra arbetsmekanismer med en liknande funktionsprincip.

Aktiva och jetturbiner

Gasstrålens inverkan på turbinbladen kan vara tvåfaldig. Därför delas turbiner in i klasser: klassen av aktiva och reaktiva turbiner. Reaktiva och aktiva gasturbiner skiljer sig åt i enhetens princip.

Impulsturbin

En aktiv turbin kännetecknas av att det finns ett högt gasflöde till rotorbladen. Med hjälp av ett krökt blad avviker gasstrålen från sin bana. Som ett resultat av avböjningen utvecklas en stor centrifugalkraft. Med hjälp av denna kraft sätts bladen i rörelse. Under hela gasens beskrivna väg går en del av dess energi förlorad. Sådan energi riktas mot pumphjulets och axelns rörelse.

jetturbin

I en jetturbin är det något annorlunda. Här utförs gasflödet till rotorbladen med låg hastighet och under påverkan av högt tryck. Formen på bladen är också utmärkt, på grund av vilken gashastigheten ökas avsevärt. Således skapar gasstrålen en slags reaktiv kraft.

Av den ovan beskrivna mekanismen följer att anordningen i en gasturbin är ganska komplicerad. För att en sådan enhet ska fungera smidigt och ge vinst och fördel för sin ägare, bör du anförtro dess underhåll till proffs. Serviceprofilföretag tillhandahåller serviceunderhåll av installationer med hjälp av gasturbiner, leveranser av komponenter, alla typer av delar och delar. DMEnergy är ett sådant företag () som ger sina kunder sinnesfrid och förtroende för att han inte kommer att lämnas ensam med de problem som uppstår under driften av en gasturbin.

Kraftverk med relativt liten kapacitet kan innefatta både gasturbinmotorer (GTE) och kolvmotorer (RP). Som ett resultat frågar kunder ofta vilken enhet är bättre. Och även om det definitivt är omöjligt att svara på det, är syftet med den här artikeln ett försök att förstå denna fråga.

Introduktion

Valet av typ av motor, såväl som deras antal för att driva elektriska generatorer vid ett kraftverk av vilken kapacitet som helst, är en komplex teknisk och ekonomisk uppgift. Försök att jämföra kolv- och gasturbinmotorer som drivning görs oftast med naturgas som bränsle. Deras grundläggande fördelar och nackdelar har analyserats i teknisk litteratur, i broschyrer från tillverkare av kraftverk med kolvmotorer och till och med på Internet.

Som regel ges generaliserad information om skillnaden i bränsleförbrukning, i kostnaden för motorer, utan att ta hänsyn till deras effekt och driftsförhållanden. Det noteras ofta att det är att föredra att bilda sammansättningen av kraftverk med en kapacitet på 10-12 MW på basis av kolvmotorer och högre effekt - på basis av gasturbiner. Dessa rekommendationer bör inte ses som ett axiom. En sak är uppenbar: varje typ av motor har sina fördelar och nackdelar, och när man väljer en drivenhet behövs några, åtminstone vägledande, kvantitativa kriterier för deras utvärdering.

För närvarande erbjuder den ryska energimarknaden ett ganska brett utbud av både kolv- och gasturbinmotorer. Bland kolvmotorer råder importerade motorer och bland gasturbinmotorer inhemska.

Information om de tekniska egenskaperna hos gasturbinmotorer och kraftverk baserade på dem, föreslagna för drift i Ryssland, har regelbundet publicerats i "Katalogen över gasturbinutrustning" under de senaste åren.

Liknande information om kolvmotorer och kraftverk, som de ingår i, kan endast erhållas från reklambroschyrer från ryska och utländska företag som levererar denna utrustning. Information om kostnaden för motorer och kraftverk publiceras oftast inte, och publicerad information är ofta inte sann.

Head-to-Head-jämförelse av kolv- och gasturbinmotorer

Bearbetningen av den tillgängliga informationen gör det möjligt att bilda tabellen nedan, som innehåller både en kvantitativ och en kvalitativ bedömning av för- och nackdelar med kolv- och gasturbinmotorer. Tyvärr är en del av egenskaperna hämtade från reklammaterial, vars fullständiga noggrannhet är extremt svår eller nästan omöjlig att verifiera. De uppgifter som krävs för verifiering av resultaten av driften av enskilda motorer och kraftverk, med sällsynta undantag, publiceras inte.

Naturligtvis är de angivna siffrorna generaliserade, för specifika motorer kommer de att vara strikt individuella. Dessutom är några av dem givna i enlighet med ISO-standarder, och de faktiska driftsförhållandena för motorerna skiljer sig avsevärt från standarden.

Den presenterade informationen ger endast en kvalitativ egenskap hos motorerna och kan inte användas vid val av utrustning för ett visst kraftverk. Några kommentarer kan ges för varje position i tabellen.

Energimarknaden har ett mycket stort utbud av motorer med betydande skillnader i tekniska egenskaper. Konkurrens mellan motorerna av de övervägda typerna är endast möjlig inom området för enhetselektrisk effekt upp till 16 MW. Vid högre effekter ersätter gasturbinmotorer kolvmotorer nästan helt.

Man måste ta hänsyn till att varje motor har individuella egenskaper, och endast dessa bör användas vid val av drivtyp. Detta gör det möjligt att bilda sammansättningen av huvudutrustningen i ett kraftverk med en given kapacitet i flera versioner, som först och främst varierar den elektriska kraften och antalet erforderliga motorer. Mångsidigheten gör det svårt att välja önskad motortyp.

Om effektiviteten hos kolv- och gasturbinmotorer

Den viktigaste egenskapen för alla motorer i kraftverk är kraftgenereringseffektiviteten (KPIe), som bestämmer den huvudsakliga, men inte hela volymen av gasförbrukningen. Behandlingen av statistiska data om effektivitetsvärden gör det möjligt att tydligt visa de applikationsområden där, enligt denna indikator, en typ av motor har fördelar framför en annan.

Det inbördes arrangemanget och konfigurationen av de tre valda i fig. 1-zoner, inom vilka det finns punktbilder av värdena för den elektriska verkningsgraden för olika motorer, låter oss dra några slutsatser:

• även inom samma typ av motorer med samma effekt finns det en betydande spridning i effektivitetsvärdena för att generera elektricitet;
• med en enhetseffekt på mer än 16 MW ger gasturbinmotorer i den kombinerade cykeln ett effektivitetsvärde på mer än 48 % och monopoliserar marknaden;
• den elektriska verkningsgraden för gasturbinmotorer upp till 16 MW, som arbetar i både enkla och kombinerade cykler, är lägre (ibland mycket signifikant) än för kolvmotorer;
• gasturbinmotorer med en enhetskapacitet på upp till 1 MW, som nyligen har dykt upp på marknaden, är överlägsna i fråga om effektivitet jämfört med motorer med en kapacitet på 2-8 MW, som oftast används idag i kraftverk;
• arten av förändringen i effektiviteten hos gasturbinmotorer har tre zoner: två med ett relativt konstant värde - 27 respektive 36%, och en med en variabel - från 27 till 36%; inom två zoner beror effektivitetskoefficienten svagt på den elektriska effekten;
• värdet av verkningsgraden för elproduktion av kolvmotorer är ständigt beroende av deras elektriska effekt.

Dessa faktorer är dock ingen anledning att prioritera kolvmotorer. Även om kraftverket endast kommer att producera elektrisk energi, när man jämför utrustningsalternativ med olika typer av motorer, kommer det att vara nödvändigt att utföra ekonomiska beräkningar. Det är nödvändigt att bevisa att kostnaden för sparad gas kommer att betala för skillnaden i kostnaden för kolv- och gasturbinmotorer, såväl som ytterligare utrustning för dem. Mängden sparad gas kan inte fastställas om driftsättet för stationen för leverans av el vinter och sommar är okänt. Helst, om de nödvändiga elektriska belastningarna är kända - maximal (vinterarbetsdag) och minimum (ledig sommardag).

Användning av både elektrisk och termisk energi

Om kraftverket måste producera inte bara elektrisk, utan också termisk energi, kommer det att vara nödvändigt att bestämma från vilka källor det är möjligt att täcka värmeförbrukningen. Som regel finns det två sådana källor - den utnyttjade värmen från motorer och/eller pannhuset.

För kolvmotorer utnyttjas värmen från kyloljan, tryckluften och avgaserna, för gasturbinmotorer utnyttjas endast värmen från avgaserna. Huvudmängden värme återvinns från avgaserna med hjälp av spillvärmeväxlare (UHE).

Mängden återvunnen värme beror till stor del på motorns driftsätt för att generera elektricitet och på klimatförhållandena. Felaktig bedömning av motordriftlägen på vintern kommer att leda till fel vid bestämning av mängden utnyttjad värme och ett felaktigt val av pannhusets installerade kapacitet.

Graferna i fig. 2 visar möjligheten till återvunnen värmetillförsel från gasturbin- och kolvmotorer för värmeförsörjningsändamål. Punkterna på kurvorna motsvarar tillverkarens data om kapaciteten hos den tillgängliga utrustningen för värmeåtervinning. På motorn med samma elkraft installerar tillverkare olika UTO - baserat på specifika uppgifter.

Fördelarna med gasturbinmotorer när det gäller värmealstring är obestridliga. Detta gäller särskilt för motorer med en elektrisk effekt på 2-10 MW, vilket förklaras av det relativt låga värdet av deras elektriska verkningsgrad. När effektiviteten hos gasturbinmotorer ökar måste mängden utnyttjad värme oundvikligen minska.

När du väljer en kolvmotor för kraft- och värmeförsörjning av en viss anläggning är behovet av att använda ett pannhus som en del av ett kraftverk nästan utom tvivel. Driften av pannhuset kräver en ökning av gasförbrukningen utöver vad som är nödvändigt för att generera el. Frågan uppkommer hur gaskostnaderna för anläggningens energiförsörjning skiljer sig om man i det ena fallet endast använder gasturbinmotorer med avgasvärmeåtervinning och i det andra fallet kolvmotorer med värmeåtervinning och pannhus. Först efter en grundlig studie av egenskaperna hos objektets förbrukning av el och värme kan denna fråga besvaras.

Om vi ​​antar att den uppskattade värmeförbrukningen för ett objekt helt kan täckas av gasturbinmotorns utnyttjade värme, och bristen på värme vid användning av en kolvmotor kompenseras av pannhuset, så är det möjligt att identifiera naturen av förändringen av den totala gasförbrukningen för objektets energiförsörjning.

Med hjälp av data i fig. 1 och 2 är det möjligt för de karakteristiska punkterna för zonerna markerade i fig. 1-2. 1, få information om gasbesparingar eller överskridanden vid användning av olika typer av ställdon. De presenteras i tabellen:

De absoluta värdena för gasbesparingar är endast giltiga för ett specifikt objekt, vars egenskaper ingick i beräkningen, men beroendets allmänna karaktär återspeglas korrekt, nämligen:
med relativt nära värden för elektrisk effektivitet (skillnad upp till 10%), leder användningen av kolvmotorer och ett pannrum till överdriven bränsleförbrukning;

• med relativt nära värden för elektrisk effektivitet (skillnad upp till 10%), leder användningen av kolvmotorer och ett pannrum till överdriven bränsleförbrukning;
• med en skillnad i effektivitetsvärden på mer än 10% kommer driften av kolvmotorer och pannhuset att kräva mindre gas än för gasturbinmotorer;
• det finns en viss punkt med maximala gasbesparingar vid användning av kolvmotorer och ett pannrum, där skillnaden mellan effektivitetsvärdena för motorer är 13-14%;
• ju högre verkningsgrad en kolvmotor har och ju lägre verkningsgrad en gasturbin har, desto större gasbesparingar.

Som ett komplement

Som regel är uppgiften inte begränsad till valet av typ av drivning, det är nödvändigt att bestämma sammansättningen av kraftverkets huvudutrustning - typen av enheter, deras antal, hjälputrustning.

Valet av motorer för att producera rätt mängd el avgör möjligheterna att generera återvunnen värme. I det här fallet är det nödvändigt att ta hänsyn till alla egenskaper hos förändringar i motorns tekniska egenskaper i samband med klimatförhållanden, med arten av den elektriska belastningen, och bestämma effekten av dessa förändringar på frigörandet av använd värme.

Man måste också komma ihåg att kraftverket inte bara inkluderar motorer. På sin plats finns det vanligtvis mer än ett dussin hjälpstrukturer, vars drift också påverkar kraftverkets tekniska och ekonomiska prestanda.

Som redan nämnts, ur teknisk synvinkel, kan sammansättningen av kraftverksutrustningen utformas på flera sätt, så dess slutliga val kan endast motiveras ur ekonomisk synvinkel.

Samtidigt är kunskap om specifika motorers egenskaper och deras inverkan på den ekonomiska prestandan hos ett framtida kraftverk extremt viktig. När man utför ekonomiska beräkningar är det oundvikligt att ta hänsyn till motorresursen, underhållsbarheten, tidpunkten och kostnaden för större reparationer. Dessa indikatorer är också individuella för varje specifik motor, oavsett motortyp.

Miljöfaktorers inverkan på valet av motortyp för kraftverket kan inte uteslutas. Atmosfärens tillstånd i området där kraftverket ska drivas kan vara en viktig faktor för att bestämma motortypen (oavsett eventuella ekonomiska överväganden).

Som redan nämnts publiceras inte uppgifter om kostnaden för motorer och kraftverk baserade på dem. Tillverkare eller leverantörer av utrustning hänvisar till möjliga skillnader i konfiguration, leveransvillkor och andra skäl. Priserna kommer att presenteras först efter att företagsfrågeformuläret har fyllts i. Därför kan informationen i den första tabellen om att kostnaden för kolvmotorer med en effekt på upp till 3,5 MW är lägre än kostnaden för gasturbinmotorer med samma effekt visa sig vara felaktig.

Slutsats

I enhetseffektklassen upp till 16 MW kan således varken gasturbin- eller kolvmotorer ges entydig företräde. Endast en grundlig analys av de förväntade driftsätten för ett visst kraftverk för produktion av el och värme (med hänsyn till egenskaperna hos specifika motorer och många ekonomiska faktorer) kommer att helt motivera valet av motortyp. Ett specialiserat företag kan bestämma sammansättningen av utrustningen på en professionell nivå.

Referenser

1. Gabich A. Tillämpning av gasturbinmotorer med låg effekt inom energisektorn // Gasturbinteknologier. 2003, nr 6. S. 30-31.
2. Burov VD Gasturbin- och gaskolvkraftverk med låg effekt // Gruvmagasin. 2004, specialnummer. sid. 87-89,133.
3. Katalog över gasturbinutrustning // Gasturbinteknologier. 2005. S. 208.
4. Salikhov A. A., Fatkulin R. M., Abrakhmanov R. R., Shchaulov V. Yu. Utveckling av mini-CHP med hjälp av gaskolvmotorer i Republiken Bashkortostan. 2003, nr 11. S. 24-30.

Denna artikel, med mindre ändringar, är hämtad från tidskriften "Turbines and Diesels", nr 1 (2) för 2006.
Författare - V.P. Vershinsky, LLC "Gazpromenergoservis".

En gasturbin är en motor i vilken enhetens huvudorgan (rotorn) under kontinuerlig drift omvandlar (i andra fall ånga eller vatten) till mekaniskt arbete. I det här fallet verkar strålen av arbetsämnet på bladen som är fixerade runt rotorns omkrets och sätter dem i rörelse. I gasflödets riktning är turbiner uppdelade i axiell (gas rör sig parallellt med turbinens axel) eller radiell (vinkelrät rörelse i förhållande till samma axel). Det finns både en- och flerstegsmekanismer.

En gasturbin kan verka på bladen på två sätt. För det första är det en aktiv process när gas tillförs arbetsområdet med höga hastigheter. I det här fallet tenderar gasflödet att röra sig i en rak linje, och den krökta bladdelen som står i dess väg avböjer det och vrider sig själv. För det andra är det en process av reaktiv typ, när gastillförselhastigheten är låg, men höga tryck används. typ i sin rena form finns nästan aldrig, eftersom det i deras turbiner finns det som verkar på bladen tillsammans med reaktionskraften.

Var används gasturbinen idag? Funktionsprincipen för enheten gör att den kan användas för drivningar av elektriska strömgeneratorer, kompressorer etc. Turbiner av denna typ används i stor utsträckning inom transport (fartygsgasturbininstallationer). Jämfört med ångmotsvarigheter har de en relativt liten vikt och dimensioner, de kräver inte arrangemanget av ett pannrum, en kondenseringsenhet.

Gasturbinen är klar för drift ganska snabbt efter uppstart, utvecklar full effekt på cirka 10 minuter, är lättskött, kräver lite vatten för kylning. Till skillnad från förbränningsmotorer har den inga tröghetseffekter från vevmekanismen. en och en halv gång kortare än dieselmotorer och mer än dubbelt så lätt. Enheterna har förmågan att köras på bränsle av låg kvalitet. Ovanstående egenskaper gör det möjligt att överväga motorer av detta slag av särskilt intresse för fartyg på och bärplansbåtar.

Gasturbinen som huvudkomponent i motorn har ett antal betydande nackdelar. Bland dem noterar de högt ljud, mindre än dieselmotorer, effektivitet, kort livslängd vid höga temperaturer (om gasmediet som används har en temperatur på cirka 1100 ° C, kan turbinen användas i genomsnitt upp till 750 timmar).

Effektiviteten hos en gasturbin beror på i vilket system den används. Till exempel har enheter som används i kraftindustrin med en initial temperatur på gaser över 1300 grader Celsius, från luft i kompressorn högst 23 och inte mindre än 17, en koefficient på cirka 38,5% under autonom drift. Sådana turbiner är inte särskilt utbredda och används främst för att täcka belastningstoppar i elektriska system. Idag finns ett 15-tal gasturbiner med en kapacitet på upp till 30 MW i drift vid ett antal värmekraftverk i Ryssland. Vid flerstegsanläggningar uppnås ett mycket högre effektivitetsindex (cirka 0,93) på grund av strukturelementens höga effektivitet.

Principen för drift av gasturbinanläggningar

Figur 1. Schema för en gasturbinenhet med en enaxlad gasturbinmotor av en enkel cykel

Ren luft tillförs gasturbinens kompressor (1). Under högt tryck skickas luft från kompressorn till förbränningskammaren (2), där även huvudbränslet, gas, tillförs. Blandningen antänds. När en gas-luftblandning förbränns genereras energi i form av en ström av heta gaser. Detta flöde rusar med hög hastighet till turbinhjulet (3) och roterar det. Rotationskinetisk energi genom turbinaxeln driver kompressorn och den elektriska generatorn (4). Från elgeneratorns terminaler skickas den genererade elektriciteten, vanligtvis genom en transformator, till elnätet, till energikonsumenterna.

Gasturbiner beskrivs av Braytons termodynamiska cykel. Brayton/Joule-cykeln är en termodynamisk cykel som beskriver arbetsprocesserna för gasturbin-, turbojet- och ramjetförbränningsmotorer, samt gasturbiner för externa förbränningsmotorer med en sluten slinga av en gasformig (enfas) arbetsvätska.

Cykeln är uppkallad efter den amerikanske ingenjören George Brighton, som uppfann den fram- och återgående förbränningsmotorn som fungerade på denna cykel.

Ibland kallas denna cykel också för Joule-cykeln – för att hedra den engelske fysikern James Joule, som etablerade den mekaniska motsvarigheten till värme.

Fig.2. P,V Brayton cykeldiagram

Den ideala Brayton-cykeln består av processerna:

• 1-2 Isentropisk kompression.
• 2-3 Isobarisk värmetillförsel.
• 3-4 Isentropisk expansion.
• 4-1 Isobarisk värmeborttagning.

Med hänsyn till skillnaderna mellan verkliga adiabatiska expansions- och kontraktionsprocesser från isentropiska, konstrueras en riktig Brayton-cykel (1-2p-3-4p-1 på T-S-diagrammet) (Fig. 3).

Fig.3. T-S Brayton cykeldiagram
Idealisk (1-2-3-4-1)
Riktigt (1-2p-3-4p-1)

Den termiska effektiviteten för en ideal Brayton-cykel uttrycks vanligtvis med formeln:

• där P = p2 / p1 - graden av tryckökning i processen för isentropisk kompression (1-2);
• k - adiabatiskt index (för luft lika med 1,4)

Det bör särskilt noteras att detta allmänt accepterade sätt att beräkna cykeleffektiviteten döljer kärnan i den pågående processen. Den termodynamiska cykelns begränsande effektivitet beräknas genom temperaturförhållandet med hjälp av Carnot-formeln:

• där T1 är kylskåpstemperaturen;
• T2 - värmarens temperatur.

Exakt samma temperaturförhållande kan uttryckas i termer av tryckförhållandena som används i cykeln och det adiabatiska indexet:

Sålunda beror effektiviteten för Brayton-cykeln på de initiala och slutliga temperaturerna för cykeln på exakt samma sätt som effektiviteten för Carnot-cykeln. Med en oändlig uppvärmning av arbetsvätskan längs linjen (2-3) kan processen betraktas som isotermisk och helt likvärdig med Carnot-cykeln. Mängden uppvärmning av arbetsvätskan T3 i den isobariska processen bestämmer mängden arbete som är relaterad till mängden arbetsvätska som används i cykeln, men påverkar inte på något sätt cykelns termiska effektivitet. Men i den praktiska implementeringen av cykeln utförs uppvärmning vanligtvis till högsta möjliga värden begränsad av värmebeständigheten hos de använda materialen för att minimera storleken på mekanismerna som komprimerar och expanderar arbetsvätskan.

I praktiken orsakar friktion och turbulens:

• Icke-adiabatisk kompression: för ett givet totalt tryckförhållande är kompressorns utloppstemperatur högre än idealiskt.
• Icke-adiabatisk expansion: även om turbintemperaturen sjunker till den nivå som krävs för drift, påverkas inte kompressorn, tryckförhållandet är högre, som ett resultat är expansionen inte tillräcklig för att ge användbart arbete.
• Tryckförluster i luftintaget, förbränningskammaren och utloppet: som ett resultat är expansionen inte tillräcklig för att ge användbart arbete.

Som med alla cykliska värmemotorer, ju högre förbränningstemperatur desto högre verkningsgrad. Den begränsande faktorn är förmågan hos stål, nickel, keramik eller andra material som utgör motorn att motstå värme och tryck. Mycket av ingenjörsarbetet är inriktat på att ta bort värme från delar av turbinen. De flesta turbiner försöker också återvinna värme från avgaser som annars går till spillo.

Recuperatorer är värmeväxlare som överför värme från avgaser till tryckluft före förbränning. I en kombinerad cykel överförs värme till ångturbinsystemen. Och i kraftvärme (CHP) används spillvärme för att producera varmvatten.

Mekaniskt kan gasturbiner vara betydligt enklare än fram- och återgående förbränningsmotorer. Enkla turbiner kan ha en rörlig del: axel/kompressor/turbin/alternativ rotorenhet (se bilden nedan), inklusive bränslesystemet.

Fig.4. Denna maskin har en enstegs radialkompressor,
turbin, rekuperator och luftlager.

Mer komplexa turbiner (de som används i moderna jetmotorer) kan ha flera axlar (spolar), hundratals turbinblad, rörliga statorblad och ett omfattande system av komplexa rörledningar, förbränningskammare och värmeväxlare.

Som en allmän regel gäller att ju mindre motorn är, desto högre hastighet på axeln eller axlarna krävs för att bibehålla den maximala linjära hastigheten för bladen.

Turbinbladens maximala hastighet bestämmer det maximala tryck som kan uppnås, vilket ger maximal effekt, oavsett motorstorlek. Jetmotorn roterar med cirka 10 000 rpm och mikroturbinen med cirka 100 000 rpm.