Енергийни газови турбинни инсталации. Цикли на газотурбинни инсталации

2024 Автор: Howard Calhoun | [email protected]. Последно модифициран: 2023-12-17 10:19

Газотурбинните агрегати (GTP) са единичен, сравнително компактен енергиен комплекс, в който силова турбина и генератор работят по двойки. Системата е широко разпространена в т. нар. дребномащабна енергетика. Чудесен за електро и топлоснабдяване на големи предприятия, отдалечени населени места и други консуматори. По правило газовите турбини работят на течно гориво или газ.

На ръба на прогреса

В увеличаването на енергийния капацитет на електроцентралите водеща роля се прехвърля на газотурбинните агрегати и тяхното по-нататъшно развитие - централи с комбиниран цикъл (CCGT). Така в американските електроцентрали от началото на 90-те години на миналия век повече от 60% от въведените в експлоатация и модернизирани мощности вече са газови турбини и централи с комбиниран цикъл, а в някои страни в някои години делът им достига 90%.

Простите газови турбини също се изграждат в голям брой. Газотурбинната инсталация - мобилна, икономична за работа и лесна за ремонт - се оказа оптималното решение за покриване на пикови натоварвания. В началото на века (1999-2000 г.) общият капацитетгазотурбинните агрегати достигнаха 120 000 MW. За сравнение: през 80-те години на миналия век общият капацитет на системите от този тип е 8 000-10 000 MW. Значителна част от газовите турбини (повече от 60%) са били предназначени да работят като част от големи бинарни централи с комбиниран цикъл със средна мощност от около 350 MW.

Историческа справка

Теоретичните основи за използване на комбинирани циклични технологии са проучени достатъчно подробно у нас в началото на 60-те години. Още по това време стана ясно, че общият път за развитие на топлоенергетиката е свързан именно с технологиите с комбиниран цикъл. Въпреки това, тяхното успешно изпълнение изисква надеждни и високоефективни газотурбинни агрегати.

Именно значителният напредък в строителството на газови турбини определи съвременния качествен скок в топлоенергетиката. Редица чуждестранни фирми успешно решиха проблема със създаването на ефективни стационарни газови турбини в момент, когато водещи местни водещи организации в командната икономика промотираха най-малко обещаващите технологии за парни турбини (STP).

Ако през 60-те години ефективността на газотурбинните инсталации беше на ниво 24-32%, то в края на 80-те най-добрите стационарни газотурбинни инсталации вече имаха ефективност (с автономно използване) от 36-37 %. Това направи възможно създаването на CCGT на тяхна основа, чиято ефективност достига 50%. До началото на новия век тази цифра се равнява на 40%, а в комбинация с инсталации с комбиниран цикъл на газов цикъл е дори 60%.

Сравнение на парна турбинаи инсталации с комбиниран цикъл

В инсталациите с комбиниран цикъл, базирани на газови турбини, непосредствената и реална перспектива беше да се постигне ефективност от 65% или повече. В същото време за инсталации с парни турбини (разработени в СССР), само ако редица сложни научни проблеми, свързани с генерирането и използването на свръхкритична пара, могат да бъдат успешно решени, може да се надяваме на ефективност от не повече от 46- 49%. По този начин, що се отнася до ефективността, системите с парни турбини са безнадеждно по-ниски от системите с комбиниран цикъл.

Значително по-ниско от електроцентралите с парни турбини също по отношение на разходите и времето за изграждане. През 2005 г. на световния енергиен пазар цената на 1 kW за CCGT блок с мощност от 200 MW или повече беше 500-600 $/kW. За CCGT с по-малък капацитет цената беше в диапазона от $600-900/kW. Мощните газотурбинни инсталации отговарят на стойности от 200-250 $/kW. С намаляване на единичната мощност цената им се увеличава, но обикновено не надвишава 500 $ / kW. Тези стойности са няколко пъти по-ниски от цената на киловат електроенергия в системите с парни турбини. Например, цената на инсталиран киловат в електроцентрали с кондензационна парна турбина варира от 2000-3000 $/kW.

Схема на газотурбинна инсталация

Инсталацията включва три основни блока: газова турбина, горивна камера и въздушен компресор. Освен това всички единици се помещават в сглобяема единична сграда. Роторите на компресора и турбината са здраво свързани един с друг, поддържани от лагери.

Горивни камери (например 14 броя) са поставени около компресора, всяка в отделен корпус. За допускане доВъздушният компресор служи като входяща тръба, въздухът напуска газовата турбина през изпускателната тръба. Корпусът на газовата турбина се основава на мощни опори, поставени симетрично върху една рамка.

Принцип на работа

Повечето газотурбинни агрегати използват принципа на непрекъснато горене или отворен цикъл:

• Първо работният флуид (въздух) се изпомпва при атмосферно налягане от съответния компресор.
• Освен това въздухът се компресира до по-високо налягане и се изпраща в горивната камера.
• Захранва се с гориво, което гори при постоянно налягане, осигурявайки постоянна доставка на топлина. Поради изгарянето на горивото се повишава температурата на работния флуид.
• След това работният флуид (сега вече е газ, който е смес от въздух и продукти от горенето) влиза в газовата турбина, където, разширявайки се до атмосферно налягане, върши полезна работа (завърта турбината, която генерира електричество).
• След турбината газовете се изхвърлят в атмосферата, през която работният цикъл се затваря.
• Разликата между работата на турбината и компресора се възприема от електрически генератор, разположен на общ вал с турбината и компресора.

Инсталации с периодично горене

За разлика от предишния дизайн, периодичното горене използва два клапана вместо един.

• Компресорът вкарва въздух в горивната камера през първия клапан, докато вторият клапан е затворен.
• Когато налягането в горивната камера се повиши, първият клапан се затваря. В резултат на това обемът на камерата е затворен.
• Когато клапаните са затворени, горивото се изгаря в камерата, естествено изгарянето му става при постоянен обем. В резултат на това налягането на работния флуид допълнително се увеличава.
• След това вторият клапан се отваря и работният флуид влиза в газовата турбина. В този случай налягането пред турбината постепенно ще намалява. Когато се приближи до атмосферно, вторият клапан трябва да се затвори, а първият да се отвори и да се повтори последователността от действия.

цикли на газова турбина

Обръщайки се към практическото изпълнение на един или друг термодинамичен цикъл, дизайнерите трябва да се изправят пред много непреодолими технически препятствия. Най-характерният пример: когато влажността на парата е повече от 8-12%, загубите по пътя на потока на парната турбина се увеличават рязко, динамичните натоварвания се увеличават и възниква ерозия. Това в крайна сметка води до разрушаване на пътя на потока на турбината.

В резултат на тези ограничения в енергийния сектор (за намиране на работа), само два основни термодинамични цикъла са широко използвани досега: цикълът на Ранкин и цикълът на Брайтън. Повечето електроцентрали се основават на комбинация от елементи от тези цикли.

Цикълът на Ранкин се използва за работни течности, които извършват фазов преход по време на изпълнението на цикъла; парните електроцентрали работят в съответствие с този цикъл. За работни течности, които не могат да бъдат кондензирани при реални условия и които наричаме газове, се използва цикълът на Брайтън. Чрез този цикългазотурбинни инсталации и двигатели с вътрешно горене работят.

Използвано гориво

По-голямата част от газовите турбини са проектирани да работят с природен газ. Понякога течните горива се използват 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 дървесина). Тези тенденции се дължат на факта, че газът е ценна технологична суровина за химическата промишленост, където използването му често е по-изгодно, отколкото в енергийния сектор. Производството на газотурбинни инсталации, способни да работят ефективно на твърдо гориво, активно набира скорост.

Разлика между ICE и GTU

Основната разлика между двигателите с вътрешно горене и газотурбинните комплекси е следната. В двигателя с вътрешно горене процесите на компресия на въздуха, изгаряне на гориво и разширяване на продуктите от горенето протичат в рамките на един конструктивен елемент, наречен цилиндър на двигателя. В газовите турбини тези процеси са разделени на отделни структурни единици:

• компресията се извършва в компресора;
• изгаряне на гориво, съответно, в специална камера;
• разширяването на продуктите от горенето се извършва в газова турбина.

В резултат на това конструктивно газовите турбини и двигателите с вътрешно горене имат малко сходство, въпреки че работят в съответствие с подобни термодинамични цикли.

Заключение

С развитието на дребномащабното производство на електроенергия, повишавайки неговата ефективност, GTP и STP системите заемат все по-голям дял в общитеенергийна система на света. Съответно обещаващата професия оператор на газови турбини става все по-търсена. След западните партньори редица руски производители са усвоили производството на рентабилни газотурбинни агрегати. Северо-Западна ТЕЦ в Санкт Петербург стана първата комбинирана електроцентрала от ново поколение в Русия.