Енергийни газотурбинни инсталации. Цикъл на цикъла на газовата турбина

Газовите турбини (GTU) са един и същ компактен енергиен комплекс, в който работят една мощност турбина и един генератор. Системата се използва широко в така наречената дребномащабна енергетика. Отлично за електричество и топлоснабдяване на големи предприятия, отдалечени населени места и други потребители. По правило газовите турбини работят с течно гориво или газ.

На ръба на напредъка

При изграждането на мощностите на електроцентралите основната роля преминава към инсталациите за газови турбини и тяхното по-нататъшно развитие - инсталации с комбиниран цикъл (CCGT). От началото на 90-те години на миналия век GTU и CCGT вече са представлявали повече от 60% от инсталирания и модернизиран капацитет в атомните електроцентрали в САЩ, а в някои страни техният дял е достигнал 90% в някои години.

В голям брой се правят и прости GTU. Газовата турбина - мобилна, икономична в експлоатация и лесна за ремонт - се оказа оптималното решение за покриване на върховите натоварвания. В началото на века (1999-2000 г.) общият капацитет на газовите турбини достига 120 000 MW. За сравнение: през 80-те години общият капацитет на системите от този тип е бил 8000-10 000 MW. Значителна част от GTU (повече от 60%) е предназначена за експлоатация като част от големи двукомпонентни инсталации за комбиниран цикъл със среден капацитет от около 350 MW.

Исторически контекст

Теоретичните основи на приложението на технологиите за парни газове са изследвани достатъчно подробно в нашата страна в началото на 60-те години. Още по това време стана ясно: общият начин за развитие на топлоенергетиката е свързан с технологиите за парни газове. Въпреки това, за успешното им внедряване бяха необходими надеждни и високоефективни блокове за газови турбини.

Важен прогрес в строителството на газови турбини е този, който е определил съвременния качествен скок на топлинната енергетика. Редица чуждестранни компании успешно са решили проблема за създаване на ефективни стационарни газови турбини в момент, когато вътрешните главоболие водещи организации в условията на плановата икономика, ангажирани в насърчаването на най-изостаналите парна турбина технология (ПТУ).

Ако през 60-те години коефициент на ефективност газовите турбини са били на ниво от 24-32%, а в края на 80-те години най-добрите стационарни електроцентрали с газови турбини вече са имали ефективност (за автономно използване) от 36-37%. Това им позволи да създадат CCGTs, чиято ефективност достигна 50%. Към началото на новия век този показател е равен на 40%, а в комбинация с газовата пара - и най-малко 60%.

Сравнение на парни турбини и инсталации с комбиниран цикъл

При парни и газови инсталации, базирани на GTU, най-близката и реалистична перспектива беше печалбата от ефективност от 65% или повече. В същото време за парна турбина единици (разработен в СССР), само в случай на успешно решаване на редица сложни научни проблеми, свързани с образуването и използването на свръхкритични параметри парни, можете да разчитате на ефективността на не повече от 46-49%. По този начин парните двигатели безпомощно губят пара-газа системи по отношение на ефективността.

Значително по-ниски парни турбини електроцентрали също по отношение на разходите и времето за строителство. През 2005 г. на световния енергиен пазар цената на 1 kW за ЦК с капацитет от 200 MW или повече беше 500-600 $ / kW. За CCGTs с по-нисък капацитет разходите бяха в диапазона от 600-900 $ / kW. Мощните газотурбинни инсталации съответстват на стойности от 200-250 $ / kW. С намаляването на капацитета на единиците, цената им се увеличава, но обикновено не надвишава $ 500 / kW. Тези стойности са няколко пъти по-малки от разходите за киловат електричество за парни турбини. Например цената на инсталиран киловат за кондензиращи парни турбини варира между 2000-3000 $ / kW.

Схема на завод за газови турбини

Инсталацията включва три основни възела: газовата турбина, горивната камера и въздушния компресор. И всички единици се помещават в предварително сглобено единично тяло. Компресорните ротори и турбините са здраво свързани помежду си, разчитайки на лагерите.

Около компресора се поставят горивни камери (например 14 бр.), Всеки в собствения си корпус. За да влезе в компресора въздухът е входящата тръба, от газовата турбина, въздухът протича през изпускателната тръба. Тялото на GTU се основава на мощни опори, поставени симетрично върху единична рамка.

Принцип на действие

Повечето инсталации на GTU използват принципа на непрекъснато горене или отворен цикъл:

• Първо, работната среда (въздух) се изпомпва при атмосферно налягане от подходящ компресор.
• След това въздухът се компресира до по-високо налягане и се подава към горивната камера.
• Той се захранва с гориво, което гори при постоянно налягане, осигуряващо постоянно снабдяване с топлина. Благодарение на изгарянето на горивото, температурата на работния флуид се увеличава.
• Освен това, на работния флуид (сега е газ, който е смес от въздух и горивни продукти) потоци към газовата турбина, където се разширява до атмосферното налягане, извършва полезна работа (завърта турбината, генерира електрическа енергия).
• След турбината газовете се изхвърлят в атмосферата, през която се затваря митото.
• Разликата между работата на турбината и компресора се възприема от електрически генератор, разположен на общ вал с турбина и компресор.

Прекъснати горивни инсталации

За разлика от предишния дизайн, в прекъсващите се горивни инсталации се използват два вентила вместо една.

• Компресорът подава въздух в горивната камера през първия клапан, като вторият клапан е затворен.
• Когато налягането в горивната камера се покачи, първият клапан е затворен. В резултат на това обемът на камерата се оказва затворен.
• При затворени клапани в камерата горивото се изгаря, естествено, запалването му става при постоянен обем. В резултат на това налягането на работния флуид допълнително се увеличава.
• След това се отваря втори клапан и работният флуид навлиза в газовата турбина. Налягането пред турбината постепенно ще намалее. Когато се доближи до атмосферния, вторият клапан трябва да бъде затворен, а първият трябва да отвори и да повтори последователността от действия.

Цикъл на цикъла на газовата турбина

Що се отнася до практическото прилагане на термодинамичен цикъл, дизайнерите трябва да са изправени пред редица непреодолими технически пречки. Най-типичният пример: при влажност на парата с повече от 8-12% загуба в течащата част парна турбина рязко увеличение, увеличаване на динамичните натоварвания, ерозия. Това в крайна сметка води до разрушаване на течащата част на турбината.

В резултат на тези ограничения, само две основни термодинамични цикъл: цикъл Rankine цикъл и Brighton цикъл. Повечето електроцентрали са изградени върху комбинация от елементи на тези цикли.

Класът Rankine се използва за работните органи, които извършват фазов преход по време на цикъла, в този цикъл работят парни централи. За работни тела, които не могат да се кондензират в реални условия и които наричаме газове, използвайте цикъла на Брайтън. За този цикъл функционират инсталациите и двигателите на газовата турбина на ICE.

Използвано гориво

Преобладаващото мнозинство от GTU са предназначени за работа с природен газ. Понякога течно гориво се използва в системи с ниска мощност (по-рядко - средна, много рядко - висока мощност). Нова тенденция е преходът на компактните газови турбинни системи към използването на твърди горими материали (въглища, по-рядко торф и дърво). Тези тенденции са свързани с факта, че газът е ценна технологична суровина за химическата промишленост, където нейното използване често е по-изгодно, отколкото в енергийния сектор. Производството на агрегати с газови турбини, способни ефективно да работят с твърди горива, набира скорост.

Разликата между ICE и GTU

Основна разлика двигатели с вътрешно горене и комплексите от газови турбини се свежда до следното. В ICE, процесите на компресия на въздуха, изгаряне на гориво и разширяване на продуктите на изгаряне се извършват в един и същ структурен елемент, наречен цилиндър на двигателя. В GTU, тези процеси се разделят от отделни структурни възли:

• Компресията се извършва в компресора;
• изгаряне на гориво, съответно в специална камера;
• Разширяването на горивните продукти се извършва в газовата турбина.

В резултат на това газовите турбинни инсталации и ICEs не са много сходни, въпреки че работят в подобни термодинамични цикли.

заключение

С развитието на производството на електроенергия в малък мащаб увеличаването на нейната ефективност на системата GTU и PTU заема все по-голям дял в общата енергийна система на света. Съответно, все повече и повече търсенето обещаваща професия машина на газотурбинни инсталации. Следвайки западните партньори, редица руски производители успяха да овладеят производството на икономически ефективни инсталации от типа газови турбини. Първата парнова газова централа от ново поколение в Руската федерация беше северозападната топлоелектрическа централа в Санкт Петербург.