Enerģijas gāzes turbīnu iekārtas. Gāzes turbīnu iekārtu cikli

2024 Autors: Howard Calhoun | [email protected]. Pēdējoreiz modificēts: 2023-12-17 10:35

Gāzes turbīnu bloki (GTP) ir viens, salīdzinoši kompakts energokomplekss, kurā spēka turbīna un ģenerators darbojas pa pāriem. Sistēma ir kļuvusi plaši izplatīta tā sauktajā maza mēroga enerģētikas nozarē. Lieliski piemērots lielu uzņēmumu, attālu apdzīvotu vietu un citu patērētāju elektroenerģijas un siltuma apgādei. Parasti gāzturbīnas darbojas ar šķidro degvielu vai gāzi.

Uz progresa robežas

Spēkstaciju energojaudas palielināšanā vadošā loma tiek nodota gāzturbīnu blokiem un to tālākai attīstībai - kombinētā cikla stacijām (CCGT). Tādējādi ASV spēkstacijās kopš 90. gadu sākuma vairāk nekā 60% no ekspluatācijā nodotajām un modernizētajām jaudām jau ir bijušas gāzes turbīnas un kombinētā cikla stacijas, un dažās valstīs dažos gados to īpatsvars sasniedza 90%.

Lielā skaitā tiek būvētas arī vienkāršas gāzes turbīnas. Gāzes turbīnu iekārta - mobila, ekonomiska ekspluatācijā un viegli remontējama - izrādījās optimālais risinājums maksimālās slodzes segšanai. Gadsimtu mijā (1999-2000) kopējā jaudagāzturbīnu bloki sasniedza 120 000 MW. Salīdzinājumam: 80. gados šāda veida sistēmu kopējā jauda bija 8000-10 000 MW. Ievērojama daļa gāzturbīnu (vairāk nekā 60%) bija paredzētas darbam kā daļa no lielām binārā kombinētā cikla stacijām ar vidējo jaudu aptuveni 350 MW.

Vēstures fons

Teorētiskie pamati kombinētā cikla tehnoloģiju izmantošanai mūsu valstī tika pietiekami detalizēti pētīti 60. gadu sākumā. Jau tobrīd kļuva skaidrs, ka kopējais siltumenerģētikas attīstības ceļš ir saistīts tieši ar kombinētā cikla tehnoloģijām. Tomēr to veiksmīgai ieviešanai bija nepieciešami uzticami un ļoti efektīvi gāzes turbīnu bloki.

Tas bija ievērojamais progress gāzturbīnu būvniecībā, kas noteica mūsdienu kvalitatīvo lēcienu siltumenerģētikā. Vairāki ārvalstu uzņēmumi veiksmīgi atrisināja problēmu izveidot efektīvas stacionāras gāzes turbīnas laikā, kad vietējās vadošās organizācijas komandekonomikā popularizēja vismazāk perspektīvās tvaika turbīnu tehnoloģijas (STP).

Ja 60. gados gāzturbīnu iekārtu efektivitāte bija 24-32% līmenī, tad 80. gadu beigās labākajām stacionārām jaudas gāzes turbīnu iekārtām jau bija efektivitāte (ar autonomu lietošanu) 36-37 %. Tas ļāva uz to bāzes izveidot CCGT, kuru efektivitāte sasniedza 50%. Līdz jaunā gadsimta sākumam šis rādītājs bija vienāds ar 40%, bet kombinācijā ar kombinētā cikla gāzes cikla iekārtām tas bija pat 60%.

Tvaika turbīnas salīdzinājumsun kombinētā cikla iekārtas

Jauktā cikla iekārtās, kuru pamatā ir gāzes turbīnas, tūlītēja un reāla izredze bija iegūt 65% vai vairāk efektivitāti. Tajā pašā laikā tvaika turbīnu iekārtām (izstrādātas PSRS) tikai tad, ja var veiksmīgi atrisināt vairākas sarežģītas zinātniskas problēmas, kas saistītas ar superkritiskā tvaika ražošanu un izmantošanu, var cerēt uz efektivitāti, kas nepārsniedz 46- 49%. Tādējādi efektivitātes ziņā tvaika turbīnu sistēmas ir bezcerīgi zemākas par kombinētā cikla sistēmām.

Ievērojami atpaliek no tvaika turbīnu spēkstacijām arī izmaksu un būvniecības laika ziņā. 2005. gadā pasaules enerģijas tirgū 1 kW cena CCGT agregātam ar jaudu 200 MW un vairāk bija 500-600 USD/kW. Mazākas jaudas CCGT izmaksas bija 600–900 USD/kW robežās. Jaudīgas gāzes turbīnu iekārtas atbilst vērtībām 200-250 $/kW. Samazinoties vienības jaudai, to cena palielinās, bet parasti nepārsniedz USD 500 / kW. Šīs vērtības ir vairākas reizes mazākas par kilovatu elektroenerģijas izmaksām tvaika turbīnu sistēmās. Piemēram, uzstādītā kilovata cena kondensācijas tvaika turbīnu spēkstacijās svārstās no 2000 līdz 3000 $/kW.

Gāzes turbīnu iekārtas shēma

Instalācija ietver trīs pamata vienības: gāzes turbīnu, sadegšanas kameru un gaisa kompresoru. Turklāt visas vienības atrodas saliekamā vienā ēkā. Kompresora un turbīnas rotori ir stingri savienoti viens ar otru, balstoties uz gultņiem.

Ap kompresoru ir novietotas sadegšanas kameras (piemēram, 14 gab.), katra atsevišķā korpusā. Par uzņemšanu uzGaisa kompresors kalpo kā ieplūdes caurule, gaiss iziet no gāzes turbīnas caur izplūdes cauruli. Gāzes turbīnas korpusa pamatā ir spēcīgi balsti, kas simetriski novietoti uz viena rāmja.

Darba princips

Lielākā daļa gāzturbīnu bloku izmanto nepārtrauktas sadegšanas jeb atvērtā cikla principu:

• Vispirms darba šķidrums (gaiss) tiek sūknēts atmosfēras spiedienā ar atbilstošu kompresoru.
• Turklāt gaiss tiek saspiests līdz lielākam spiedienam un tiek nosūtīts uz sadegšanas kameru.
• Tas tiek piegādāts ar degvielu, kas deg nemainīgā spiedienā, nodrošinot pastāvīgu siltuma padevi. Degvielas sadegšanas dēļ paaugstinās darba šķidruma temperatūra.
• Tālāk darba šķidrums (tagad tā jau ir gāze, kas ir gaisa un sadegšanas produktu maisījums) nonāk gāzes turbīnā, kur, izplešoties līdz atmosfēras spiedienam, veic lietderīgu darbu (griež turbīnu, kas rada elektrība).
• Pēc turbīnas gāzes tiek izvadītas atmosfērā, caur kuru noslēdzas darba cikls.
• Atšķirību starp turbīnas un kompresora darbību uztver elektriskais ģenerators, kas atrodas uz kopīgas vārpstas ar turbīnu un kompresoru.

Neregulāras sadedzināšanas iekārtas

Atšķirībā no iepriekšējās konstrukcijas, neregulārai degšanai tiek izmantoti divi vārsti, nevis viens.

• Kompresors iespiež gaisu sadegšanas kamerā caur pirmo vārstu, kamēr otrais vārsts ir aizvērts.
• Kad spiediens sadegšanas kamerā paaugstinās, pirmais vārsts tiek aizvērts. Rezultātā kameras tilpums tiek aizvērts.
• Kad vārsti ir aizvērti, degviela tiek sadedzināta kamerā, protams, tās sadegšana notiek nemainīgā tilpumā. Tā rezultātā darba šķidruma spiediens vēl vairāk palielinās.
• Pēc tam tiek atvērts otrais vārsts, un darba šķidrums nonāk gāzes turbīnā. Šajā gadījumā spiediens turbīnas priekšā pakāpeniski samazināsies. Kad tas tuvojas atmosfēras temperatūrai, otrais vārsts ir jāaizver, pirmais jāatver un jāatkārto darbību secība.

Gāzes turbīnu cikli

Pievēršoties viena vai otra termodinamiskā cikla praktiskai īstenošanai, dizaineriem nākas saskarties ar daudziem nepārvaramiem tehniskiem šķēršļiem. Raksturīgākais piemērs: kad tvaika mitrums ir lielāks par 8-12%, strauji palielinās zudumi tvaika turbīnas plūsmas ceļā, palielinās dinamiskās slodzes, rodas erozija. Tas galu galā noved pie turbīnas plūsmas ceļa iznīcināšanas.

Šo ierobežojumu rezultātā enerģētikas sektorā (darba iegūšanai) līdz šim plaši tiek izmantoti tikai divi pamata termodinamiskie cikli: Rankina cikls un Breitona cikls. Lielākā daļa spēkstaciju ir balstītas uz šo ciklu elementu kombināciju.

Rankīna ciklu izmanto darba šķidrumiem, kas cikla īstenošanas laikā veic fāzes pāreju; tvaika spēkstacijas darbojas saskaņā ar šo ciklu. Darba šķidrumiem, kurus nevar kondensēt reālos apstākļos un ko mēs saucam par gāzēm, tiek izmantots Braitona cikls. Caur šo cikludarbojas gāzturbīnu iekārtas un iekšdedzes dzinēji.

Izlietotā degviela

Lielākā daļa gāzes turbīnu ir paredzētas darbam ar dabasgāzi. Dažreiz šķidro degvielu izmanto mazjaudas sistēmās (retāk - vidēja, ļoti reti - liela jauda). Jauna tendence ir kompakto gāzturbīnu sistēmu pāreja uz cietu degošu materiālu (ogles, retāk kūdra un koksne) izmantošanu. Šīs tendences ir saistītas ar to, ka gāze ir vērtīga tehnoloģiskā izejviela ķīmiskajā rūpniecībā, kur tās izmantošana bieži vien ir izdevīgāka nekā enerģētikā. Aktīvi uzņem apgriezienus tādu gāzturbīnu ražotņu ražošana, kas spēj efektīvi darboties ar cieto kurināmo.

Atšķirība starp ICE un GTU

Būtiskā atšķirība starp iekšdedzes dzinējiem un gāzturbīnu kompleksiem ir šāda. Iekšdedzes dzinējā gaisa saspiešanas, degvielas sadegšanas un sadegšanas produktu izplešanās procesi notiek vienā konstrukcijas elementā, ko sauc par dzinēja cilindru. Gāzes turbīnās šie procesi ir sadalīti atsevišķās struktūrvienībās:

• saspiešana tiek veikta kompresorā;
• degvielas sadedzināšana, attiecīgi, speciālā kamerā;
• degšanas produktu izplešanās tiek veikta gāzturbīnā.

Tā rezultātā gāzturbīnām un iekšdedzes dzinējiem ir maza līdzība, lai gan tie darbojas saskaņā ar līdzīgiem termodinamiskiem cikliem.

Secinājums

Attīstoties maza mēroga elektroenerģijas ražošanai, paaugstinot tās efektivitāti, GTP un STP sistēmas ieņem arvien lielāku daļu no kopējā apjomapasaules energosistēma. Attiecīgi daudzsološā gāzturbīnu iekārtu operatora profesija kļūst arvien pieprasītāka. Sekojot Rietumu partneriem, vairāki Krievijas ražotāji ir apguvuši rentablu gāzes turbīnu agregātu ražošanu. Severo-Zapadnaya TEC Sanktpēterburgā kļuva par pirmo jaunās paaudzes kombinētā cikla elektrostaciju Krievijā.