Naprave za plinsko turbino. Cikli plinske turbine

Naprave plinske turbine (GTU) so en sam, relativno kompaktni energetski kompleks, v katerem delujejo moči turbine in generatorja. Sistem se pogosto uporablja v tako imenovanem malem energetskem inženirstvu. Odlično za električno in toplotno oskrbo velikih podjetij, oddaljenih naselij in drugih potrošnikov. Plinske turbine praviloma delujejo na tekoče gorivo ali plin.

Na robu napredka

Zmogljivost elektroenergetski zmogljivosti, ki povzroči vlogo gre v obrat za plinske turbine in njihovo nadaljnjo evolucijo - turbine s kombiniranim ciklom plina (krožnim procesom). Tako elektrarne v ZDA že od leta 1990, več kot 60% vhodne in posodobljenih objektov že, da plinske turbine in plinsko elektrarno, v nekaterih državah pa se je njihov delež dosegel 90% v nekaj letih.

V velikem številu se gradijo tudi preproste GTU. Naprava plinske turbine - mobilna, varčna in enostavna za popravilo - je bila optimalna rešitev za pokrivanje koničnih obremenitev. Na prelomu stoletja (1999-2000) je skupna zmogljivost obratov plinske turbine dosegla 120.000 MW. Za primerjavo: v 80 letih je skupna zmogljivost takšnih sistemov znašala 8000-10 000 MW. Pomemben del GTU (več kot 60%) je bil namenjen delovanju kot del velikih binarnih obratov kombiniranega cikla s povprečno zmogljivostjo približno 350 MW.

Zgodovinsko ozadje

Teoretične osnove uporabe tehnologij s paro so v naši državi že v začetku šestdesetih let podrobno preučili. Že takrat je postalo jasno: splošen način razvoja toplotne energije je povezan s tehnologijami na plinsko olje. Za njihovo uspešno izvedbo pa so bile potrebne zanesljive in zelo učinkovite plinske turbine.

To je velik napredek opredeljena sodoben sistem za plinske turbine moči kvalitativni preskok. Število tujih podjetij, ki so uspešno rešili problem oblikovanja učinkovitih nepremičnih plinskih turbin v času, ko domače glavoboli vodilne organizacije v skladu s pogoji iz planskim gospodarstvom, ki se ukvarjajo s promocijo najmanj napredne parne turbine tehnologije (PTU).

Če v 60-ih koeficient učinkovitosti plinske turbine so bile na ravni 24-32%, nato pa so v poznih 80-ih najbolj učinkovite (za avtonomno rabo) najbolje stacionarne elektrarne plinske turbine 36-37%. To jim je omogočilo ustvarjanje CCGT, katerih učinkovitost je dosegla 50%. Do začetka novega stoletja je bil ta indikator enak 40%, v kombinaciji s plinom-parom in vsaj 60%.

Primerjava naprav parne turbine in kombiniranega cikla

V parnih in plinskih instalacijah, ki temeljijo na GTU, je bila najbližja in realistična možnost povečanje učinkovitosti 65% ali več. Istočasno pa za parne turbinske naprave (razvite v ZSSR) le, če bomo uspešno rešili številne zapletene znanstvene probleme, povezane s proizvodnjo in uporabo para superkritičnih parametrov, lahko upamo, da bo učinkovitost ne več kot 46-49%. Tako parni stroji brez pomanjkanja izgubijo parne plinske sisteme v smislu učinkovitosti.

Pomembno slabše elektrarne na parni turbini tudi v smislu stroškov in časa gradnje. Leta 2005 je na svetovnem energetskem trgu cena 1 kW za CCP z zmogljivostjo 200 MW ali več znašala 500-600 $ / kW. Za CCGT z nižjimi zmogljivostmi so stroški znašali 600-900 $ / kW. Zmogljive plinske turbine ustrezajo vrednostim 200-250 $ / kW. Z zmanjšanjem zmogljivosti enote se njihova cena zviša, vendar običajno ne presega 500 USD / kW. Te vrednosti so večkrat manj kot stroški kilovatne električne energije za parne turbinske sisteme. Na primer, cena vgrajenega kilovata za kondenzacijo parnih turbinskih elektrarn se giblje med 2000-3000 $ / kW.

Shema plinske turbine

Namestitev vključuje tri osnovne vozlišča: plinska turbina, zgorevalne komore in zračnega kompresorja. Vse enote so nameščene v montažno enojno telo. Rotorji in turbine kompresorja so med seboj trdno povezani in se zanašajo na ležaje.

Okoli kompresorja se nahajajo zgorevalne komore (na primer 14 kosov), vsak v svojem ohišju. Za vstop zraka kompresorja je vstopna cev, iz plinske turbine, zrak prehaja skozi izpušno cev. Telo GTU temelji na močnih podporah, nameščenih simetrično na en sam okvir.

Načelo delovanja

Večina naprav GTU uporablja načelo neprekinjenega zgorevanja ali odprtega cikla:

• Prvič, delovni medij (zrak) črpamo pri atmosferskem tlaku s primernim kompresorjem.
• Nato se zrak stisne na višji tlak in pošlje v zgorevalno komoro.
• Napaja se z gorivom, ki gori pod stalnim pritiskom, kar zagotavlja stalno dovajanje toplote. Zaradi izgorevanja goriva se temperatura delovne tekočine poveča.
• Nadalje je delovna tekočina (zdaj je plin, ki je mešanica zraka in produktov izgorevanja) vstopila v plinsko turbino, kjer se s širjenjem na atmosferski tlak naredi uporabno delo (obrne elektriko, ki proizvaja turbine).
• Po turbini se plini izpustijo v atmosfero, skozi katero se zapira obratovalni ciklus.
• Razlika med delovanjem turbine in kompresorja zazna električni generator, ki se nahaja na skupni gredi s turbino in kompresorjem.

Mešane kurilne naprave

Za razliko od prejšnjega zasnove, v prekinitvenih obratih za izgorevanje se namesto enega uporabljajo dva ventila.

• Kompresor črpal zrak v zgorevalno komoro skozi prvi ventil z zaprtim drugim ventilom.
• Ko se tlak v zgorevalni komori dvigne, je prvi ventil zaprt. Zato se izkaže, da je prostornina komore zaprta.
• Z zaprtimi ventili v komori gorivo gorijo, seveda se zgorevanje zgodi pri konstantnem volumnu. Zaradi tega se pritisk delovne tekočine še poveča.
• Nato se odpre drugi ventil, delovni fluid pa vstopi v plinsko turbino. Tlak pred turbino se bo postopoma zmanjševal. Ko se približuje atmosferi, je treba zapreti drugi ventil, prvi pa se mora odpreti in ponoviti zaporedje dejanj.

Cikli plinske turbine

Ob prehodu na praktično izvajanje termodinamičnega cikla se oblikovalci soočajo s številnimi nepremostljivimi tehničnimi ovirami. Najbolj tipičen primer: pri vlažnosti pare več kot 8-12% izgube v tekočem delu parne turbine močno povečajo, povečajo dinamične obremenitve, pride do erozije. To na koncu pripelje do uničenja tekočega dela turbine.

Zaradi teh omejitev sta le dva osnovna termodinamika cikel: cikel Rankinov cikel in Brightonov cikel. Večina elektrarn temelji na kombinaciji elementov teh ciklov.

Cilindrični cikel se uporablja za delovna telesa, ki v toku cikla opravljajo fazni prehod, v tem ciklu pa obratujejo termoelektrarne. Za delovna telesa, ki jih ni mogoče kondenzirati v realnih razmerah in jih imenujemo plini, uporabite cikel Brighton. Za ta cikel delujejo plinske turbine in motorji ICE.

Uporabljeno gorivo

Velika večina GTU je namenjena za obratovanje na zemeljskem plinu. Včasih se tekoče gorivo uporablja v sistemih z nizko porabo energije (manj pogosto - srednje, zelo redko - visoka moč). Nov trend je prehod kompaktnih plinskih turbinskih sistemov na uporabo trdnih gorljivih materialov (premog, manj pogosto šote in lesa). Ti trendi so povezani z dejstvom, da je plin dragocena tehnološka surovina za kemično industrijo, kjer je njegova uporaba pogosto bolj donosna kot v energetskem sektorju. Ustvarja se zagon proizvodnje plinskih turbin, ki učinkovito delujejo na trdnih gorivih.

Razlika med ICE in GTU

Glavna razlika motorji z notranjim zgorevanjem in kompleksov plinskih turbin se zmanjša na naslednje. V ICE se procesi kompresije zraka, izgorevanja goriva in raztezanja produktov izgorevanja pojavljajo v istem strukturnem elementu, imenovanem cilinder motorja. V GTU so ti procesi ločeni z ločenimi strukturnimi vozlišči:

• Stiskanje poteka v kompresorju;
• zgorevanje goriva v posebni komori;
• Razširitev produktov izgorevanja poteka v plinski turbini.

Posledično plinske turbine naprave in ICE niso zelo podobne, čeprav delujejo v podobnih termodinamičnih ciklih.

Zaključek

Z razvojem majhne proizvodnje električne energije se povečuje učinkovitost sistema GTU in PTU v svetovnem energetskem sistemu. Skladno s tem se vedno več povpraševanja obetavni poklic strojar plinskih turbin. Po zahodnih partnerjih so številni ruski proizvajalci obvladovali proizvodnjo stroškovno učinkovitih plinskih turbin. Prva termoelektrarna nove generacije v Ruski federaciji je bila Severovzhodna termoelektrarna v Sankt Peterburgu.