Gázturbina része. Gázturbina. Eszköz és működési elv. Ipari berendezések. Gázturbinák használata
Gritsyna V.P.
Az oroszországi villamosenergia-tarifák többszörös növekedésével összefüggésben sok vállalkozás fontolgatja saját kis teljesítményű erőművek építését. Számos régióban programokat dolgoznak ki kis vagy mini hőerőművek építésére, különösen az elavult kazánházak pótlására. Egy új, akár 90%-os tüzelőanyag-felhasználású CHP kiserőműben a test teljes termelési és fűtési felhasználása mellett az átvett villamos energia költsége lényegesen alacsonyabb lehet, mint az elektromos hálózatról átvett villamos energia költsége.
A kis hőerőművek építésére irányuló projektek mérlegelésekor az energetikai mérnökök és a vállalkozások szakemberei a nagyenergia-iparban elért mutatók vezérelnek. A nagyüzemi energiatermelésben használható gázturbinák (GTU) folyamatos fejlesztése lehetővé tette hatásfokuk 36%-ra vagy még magasabbra növelését, a kombinált gőz-gáz ciklus (CCGT) alkalmazása pedig növelte a hőerőművek elektromos hatásfokát. 54-57%-ra.
A kisüzemi villamosenergia-termelésben azonban nem célszerű figyelembe venni a kombinált CCGT-ciklusok összetett sémáinak villamosenergia-termelésre való alkalmazásának lehetőségét. Ezenkívül a gázturbinák a gázmotorokhoz képest, mint elektromos generátorok hajtásai, jelentősen veszítenek hatékonyságuk és teljesítményük tekintetében, különösen alacsony (10 MW alatti) teljesítményen. Mivel hazánkban sem a gázturbinát, sem a gázdugattyús motort még nem alkalmazták elterjedten a kisüzemi helyhez kötött áramtermelésben, jelentős probléma a konkrét műszaki megoldás kiválasztása.
Ez a probléma a nagyüzemi energia esetében is aktuális, pl. villamosenergia-rendszerekhez. Modernben gazdasági feltételek, az elavult projekteken nagy erőművek építésére forrás hiányában, ami már az 5 éve tervezett 325 MW-os CCGT hazai projektjének tudható be. Az oroszországi energetikai rendszereknek és a RAO UES-nek kiemelt figyelmet kell fordítania a kisüzemi áramtermelés fejlesztésére, amelynek létesítményeiben olyan új technológiákat lehet kipróbálni, amelyek lehetővé teszik a hazai turbina- és gépgyártó üzemek újjáélesztésének megkezdését, ill. ezt követően váltson át nagy kapacitásra.
Az elmúlt évtizedben külföldön 100-200 MW teljesítményű nagy dízel- vagy gázmotoros hőerőművek épültek. A dízel vagy gázüzemű erőművek (DTPP) elektromos hatásfoka eléri a 47%-ot, ami meghaladja a gázturbinák teljesítményét (36%-37%), de elmarad a CCGT-től (51%-57%). A CCGT erőművek sokféle berendezést tartalmaznak: gázturbina, hulladékhőgőz kazán, gőzturbina, kondenzátor, vízkezelő rendszer (plusz nyomásfokozó kompresszor, ha alacsony vagy közepes nyomású földgázt égetnek el. A dízelgenerátorok működhetnek nehéz tüzelőanyagon, amely 2-szer olcsóbb, mint a gázturbinás tüzelőanyag, és alacsony nyomású gázzal üzemelhet nyomásfokozó kompresszorok használata nélkül. Az S.E.M.T. PIELSTICK szerint 15 év alatti összköltség egy kapacitású dízelmotoros egység üzemeltetéséhez 20 MW 2-szer kisebb, mint egy azonos teljesítményű gázturbinás hőerőmű esetében, ha mindkét erőmű folyékony tüzelőanyagot használ.
A 22 MW-ig terjedő dízel erőforrások ígéretes orosz gyártója a Brjanszki Gépgyár, amely akár 50%-ig megnövelt hatásfokú erőforrásokat kínál ügyfeleinek mind nehéz tüzelőanyaggal, akár 700 cSt viszkozitású 50 C-on és 50 cSt-ig. legfeljebb 5% kéntartalommal és gáznemű tüzelőanyaggal történő üzemeltetéshez.
A nagy dízel hőerőmű választása előnyösebb lehet a gázturbinás erőművel szemben.
A 10 MW-nál kisebb egységteljesítményű kisüzemi áramtermelésben a modern dízelgenerátorok előnyei még hangsúlyosabbak.
Tekintsük a gázturbinás és gázdugattyús motoros hőerőművek három változatát.
Az erőművek első két lehetőségénél (különböző villamos hatásfokú) a tüzelőanyag-felhasználási tényező a hőszolgáltatás miatt elérheti a 80-94%-ot mind a gázturbinák, mind a motorhajtások esetében.
Az erőművek összes változatának jövedelmezősége elsősorban az "első szakasz" - az elektromos generátor meghajtásának - megbízhatóságától és hatékonyságától függ.
A kis gázturbinák használatának rajongói kampányolnak azok széles körű elterjedése mellett, megjegyezve a nagyobb teljesítménysűrűséget. Például az [1]-ben arról számolnak be, hogy az Elliot Energy Systems (1998-1999) 240 forgalmazóból álló elosztóhálózatot épít ki Észak-Amerikában, mérnöki és szerviztámogatást nyújtva a „mikro” gázturbinák értékesítéséhez. Az elektromos hálózat 1998 augusztusában egy 45 kW-os turbinát rendelt el szállításra. Azt is megállapította, hogy a turbina elektromos hatásfoka eléri a 17%-ot, és megjegyezte, hogy a gázturbinák megbízhatóbbak, mint a dízelgenerátorok.
Ez az állítás pont az ellenkezője!
Ha megnézed a táblázatot. 1. akkor látni fogjuk, hogy ilyen széles tartományban a több száz kW-tól a több tíz MW-ig a motorhajtás hatásfoka 13% -17%-kal magasabb. A "Vyartsilya" cég motorhajtásának jelzett erőforrása garantált erőforrást jelent a teljes erejéig nagyjavítás. Az új gázturbinák erőforrása kiszámított erőforrás, amelyet tesztek igazolnak, de nem a valós üzemben végzett munka statisztikák. Számos forrás szerint a gázturbinák erőforrása 30-60 ezer óra, a teljesítmény csökkenésével csökken. A külföldi gyártású dízelmotorok erőforrása 40-100 ezer óra vagy több.
Asztal 1
Az elektromos generátoros hajtások főbb műszaki paraméterei
G-gázturbinás erőmű, D-gázdugattyús erőmű Vyartsilyában.
D - gázolaj a Gazprom katalógusból
* A tüzelőgáz szükséges nyomásának minimális értéke = 48 ATA!!
Teljesítmény jellemzők
Elektromos hatásfok (és teljesítmény) Värtsilä adatai szerint, ha a terhelést 100%-ról 50%-ra csökkentik, a gázmotorral hajtott elektromos generátor hatásfoka alig változik.
A gázmotor hatásfoka 25 °C-ig gyakorlatilag nem változik.
A gázturbina teljesítménye egyenletesen csökken -30°C-ról +30°C-ra.
40 °C feletti hőmérsékleten a gázturbina teljesítményének csökkenése (a névlegesről) 20%.
Kezdési idő gázmotor 0-tól 100%-os terhelésig kevesebb, mint egy perc és vészhelyzet 20 másodpercen belül. A gázturbina elindítása körülbelül 9 percet vesz igénybe.
Gázellátási nyomás gázturbinánál 16-20 bar legyen.
A gáznyomás a hálózatban egy gázmotornál 4 bar (abs), és akár 1,15 bar is lehet egy 175 SG motornál.
Tőkeberuházások egy körülbelül 1 MW teljesítményű hőerőműnél a Vartsila szakemberei szerint 1400 dollár/kW gázturbinás, 900 dollár/kW gázdugattyús erőmű esetén.
Kombinált ciklusú alkalmazás a kis CHPP-knél egy további gőzturbina beépítése nem praktikus, mivel teljesítménynövekedéssel mindössze másfélszeresére növeli a hő- és gépészeti berendezések számát, a turbinacsarnok területét és a karbantartók számát.
A CCGT teljesítményének 325 MW-ról 22 MW-ra történő csökkentésével a Mashproekt atomerőmű (Ukrajna, Nikolaev) szerint az erőmű elülső hatásfoka 51,5%-ról 43,6%-ra csökken.
A 20-10 MW teljesítményű (gázüzemanyagot használó) dízel erőforrás hatásfoka 43,3%. Meg kell jegyezni, hogy nyáron a dízelegységgel felszerelt CHPP-nél a melegvíz-ellátás a motor hűtőrendszeréből biztosítható.
A gázmotoros erőművek versenyképességére vonatkozó számítások azt mutatták, hogy a villamos energia költsége a kiserőművekben (1-1,5 MW) hozzávetőleg 4,5 cent/kWh, a nagy, 32-40 MW-os gázüzemű erőművekben 3, 8 US cent/kWh
Hasonló számítási módszer szerint a kondenzációs atomerőműből származó áram körülbelül 5,5 amerikai cent/kWh. , és a szén IES körülbelül 5,9 cent. US/kWh A széntüzelésű CPP-hez képest egy gázmotoros erőmű 30%-kal olcsóbban termel áramot.
A mikroturbinákkal előállított villamos energia költségét más források szerint 0,06 és 0,10 dollár/kWh közé becsülik.
Egy komplett 75 kW-os gázturbinás generátor (USA) várható ára 40 000 dollár, ami megfelel a nagyobb (több mint 1000 kW-os) erőművek egységköltségének. A gázturbinás erőművek nagy előnye a kisebb méretek, a 3-szor kisebb tömeg.
Megjegyzendő, hogy az orosz gyártmányú, 50-150 kW teljesítményű autómotorokra épülő elektromos generátoregységek fajlagos költsége többszöröse lehet az említett turbóblokkokénak (USA), tekintettel a motorok sorozatgyártására és az alacsonyabb teljesítményre. anyagok költsége.
Íme a dán szakértők véleménye, akik értékelik a kiserőművek megvalósításában szerzett tapasztalataikat.
"Egy 0,5-40 MW teljesítményű, kész, kulcsrakész földgázzal működő CHP erőműbe történő beruházás 6,5-4,5 millió dán korona/MW (1 korona körülbelül 1 rubelnek felelt meg 1998 nyarán). Az 50 MW alatti, kombinált ciklusú CHP erőművek 40-44%-os elektromos hatásfok elérése.
A kenőolajok működési költségei, Karbantartás a CHP-k személyzetének fenntartása pedig eléri a 0,02 koronát a gázturbinák által termelt 1 kWh-ra. A gázmotoros CHP-erőműveknél az üzemeltetési költségek körülbelül 0,06 dat. korona per 1 kWh. A jelenlegi dán villamosenergia-árak mellett a gázmotorok nagy teljesítménye bőven ellensúlyozza magasabb működési költségeiket.
Dán szakértők úgy vélik, hogy a legtöbb 10 MW alatti CHP erőművet gázmotorral szerelik fel az elkövetkező években."
megállapításait
Úgy tűnik, hogy a fenti becslések egyértelműen megmutatják az erőművek kis teljesítményű motorhajtásának előnyeit.
Jelenleg azonban a javasolt orosz gyártmányú földgázmotoros hajtás teljesítménye nem haladja meg a 800 kW-1500 kW teljesítményt (RUMO üzem, N-novgorodi és kolomnai gépgyár), és több üzem is kínál turbóhajtást nagyobb teljesítmény.
Két gyár Oroszországban: üzem im. A Klimova (Szentpétervár) és a Perm Motors készen áll a hulladékhő-kazánokkal ellátott mini-CHP teljes energiaegységeinek szállítására.
Területi szervezés esetén szolgáltatóközpont turbinák kis turbináinak karbantartási és javítási kérdései a turbina 2-4 órán belüli tartalék cseréjével és további javításával a műszaki központ gyári körülményei között megoldhatók.
A gázturbinák hatásfoka jelenleg 20-30%-kal növelhető gőz teljesítménybefecskendezésével egy gázturbinába (STIG ciklus vagy gőz-gáz ciklus egy turbinában). A korábbi években ezt a műszaki megoldást a Nikolaevben (Ukrajna) található Vodoley erőmű teljes körű, teljes körű terepi tesztjein tesztelték a Mashproekt Research and Production Enterprise és a Zarya Production Association, ami lehetővé tette a turbina teljesítményének növelését. egység 16-ról 25 MW-ra, a hatásfokot pedig 32,8%-ról 41,8%-ra növelték.
Semmi sem akadályoz meg bennünket abban, hogy ezt a tapasztalatot kisebb kapacitásokba ültessük át, és így a CCGT-t soros szállításban alkalmazzuk. Ebben az esetben az elektromos hatásfok a dízelmotorokéhoz hasonlítható, és a fajlagos teljesítmény annyira megnő, hogy a tőkeköltség 50%-kal alacsonyabb lehet, mint egy gázmotoros CHP-erőműben, ami nagyon vonzó.
Ezt a felülvizsgálatot annak bemutatására végezték el, hogy az oroszországi erőművek építésének lehetőségeinek mérlegelésekor, és még inkább az erőművek építési programjának létrehozására vonatkozó irányvonalak mérlegelésekor nem az egyes lehetőségeket kell figyelembe venni. szervezetek kínálhatnak, de a kérdések széles skáláját figyelembe véve a hazai és regionális gyártók lehetőségeit és érdekeit.
Irodalom
1. Power Value, Vol.2, No.4, 1998. július/augusztus, USA, Ventura, CA.
A kis turbina piactér
Stan Price, Northwest Energy Efficiency Council, Seattle, Washington és Portland, Oregon
2. Az energiatermelés új irányai Finnországban
ASKO VUORINEN, Assoc. tech. Sciences, Vartsila NSD Corporation JSC, "ENERGETIK" -1997.11. 22. oldal
3. Távfűtés. Technológiai kutatás és fejlesztés Dániában. Energiaügyi Minisztérium. Energiaügyi Igazgatóság, 1993
4. DÍZEL ERŐMŰVEK. S.E.M.T. PIELSTICK. POWERTEK 2000 kiállítási tájékoztató, 2000. március 14-17.
5. Az OAO GAZPROM telephelyein használatra javasolt erőművek és elektromos blokkok. KATALÓGUS. Moszkva 1999
6. Dízel erőmű. Az OAO "Brjanszki Gépgyártó Üzem" kilátása. 1999 Kiállítási prospektus POWERTEK 2000/
7. NK-900E Blokk-moduláris hőerőmű. Az OJSC Samara Tudományos és Műszaki Komplexum V.I. N.D. Kuznyecova. POWERTEK 2000 kiállítási prospektus
A hagyományos modern gázturbinás üzem (GTP) egy légkompresszor, egy égéstér és egy gázturbina, valamint a működését biztosító segédrendszerek kombinációja. A gázturbina és az elektromos generátor kombinációját gázturbinás egységnek nevezzük.
Hangsúlyozni kell egy fontos különbséget a GTU és a PTU között. A PTU összetétele nem tartalmaz kazánt, pontosabban a kazánt külön hőforrásnak tekintik; Ebből a szempontból a kazán egy „fekete doboz”: a tápvíz $t_(p.w)$ hőmérsékleten lép be, a gőz pedig $p_0$, $t_0$ paraméterekkel jön ki. Egy gőzturbinás üzem nem működhet kazán, mint fizikai tárgy nélkül. A gázturbinában az égéstér a szerves eleme. Ebben az értelemben a GTU önellátó.
A gázturbinás üzemek rendkívül változatosak, talán még a gőzturbináknál is többek. Az alábbiakban megvizsgáljuk az energiaipar legígéretesebb és leggyakrabban használt, egyszerű ciklusú gázturbináit.
kördiagrammábrán egy ilyen gázturbina látható. A légkörből származó levegő egy légkompresszor bemenetén lép be, amely egy forgó turbógép, amelynek áramlási útvonala forgó és rögzített rácsokból áll. A kompresszor nyomásviszonya p b az előtte lévő nyomásra p a légkompresszor kompressziós arányának nevezik, és általában p to (p = = pb/p a). A kompresszor forgórészét egy gázturbina hajtja. A sűrített levegőt egy, két vagy több égéskamrába vezetik. Ebben az esetben a legtöbb esetben a kompresszorból érkező légáram két áramra oszlik. Az első áramlást az égőkhöz továbbítják, ahol az üzemanyagot (gázt vagy folyékony tüzelőanyagot) is szállítják. Az üzemanyag elégetésekor magas hőmérsékletű égéstermékek keletkeznek. A második áramlás viszonylag hideg levegőjét hozzákeverik, hogy a gázturbina részei számára elfogadható hőmérsékletű gázokat (ezeket általában munkagázoknak nevezik) nyerjék.
Munkagázok nyomással r s (r s < p b az égéstér hidraulikus ellenállása miatt) a gázturbina áramlási útjába kerülnek, amelyek működési elve nem különbözik a gőzturbina működési elvétől (az egyetlen különbség, hogy a gázturbina tüzelőanyag égéstermékei, és nem gőzön). A gázturbinában a munkagázok csaknem atmoszférikus nyomásra tágulnak. p d, lépjen be a 14 kilépő diffúzorba, és onnan - vagy közvetlenül a kéménybe, vagy korábban bármilyen hőcserélőbe, amely a gázturbina kipufogógázainak hőjét használja fel.
A gázturbinában a gázok tágulása miatt ez utóbbi termel áramot. Ennek nagyon jelentős részét (körülbelül a felét) a kompresszor meghajtására költik, a többit pedig az elektromos generátor meghajtására. Ez a gázturbina hasznos teljesítménye, amely a jelöléskor jelenik meg.
A gázturbina diagramok ábrázolásához használják egyezmények, hasonlóan a szakiskoláknál használtakhoz.
Egyszerűbb gázturbina nem is létezhet, hiszen minimális szükséges alkatrészt tartalmaz, amelyek a munkafolyadék egymás utáni kompressziós, melegítési és expanziós folyamatait biztosítják: egy kompresszor, egy vagy több azonos körülmények között működő égéstér és egy gázturbina. Az egyszerű ciklusú gázturbinák mellett vannak összetett ciklusú gázturbinák, amelyek több kompresszort, turbinát és égésteret tartalmazhatnak. Különösen a 70-es években a Szovjetunióban épített GT-100-750 tartozik ehhez a típusú gázturbinához.
Duplán készül. Nagynyomású kompresszor egy tengelyen KVDés az azt hajtó nagynyomású turbina TVD; ez a tengely változtatható fordulatszámú. Az alacsony nyomású turbina a második tengelyen található TND, hajtja az alacsony nyomású kompresszort KNDés elektromos generátor PÉLDÁUL; ezért ennek a tengelynek állandó forgási sebessége 50 s -1. A légkörből 447 kg/s levegő jut be KNDés benne körülbelül 430 kPa (4,3 atm) nyomásra összenyomják, majd betáplálják a léghűtőbe BAN BEN, ahol vízzel hűtik 176-ról 35 °C-ra. Ez csökkenti a nagynyomású kompresszor levegőjének összenyomásához szükséges munkát. KVD(p k = 6,3 tömörítési arány). Innen a levegő a nagynyomású égéstérbe jut. KSVDés 750 ° C hőmérsékletű égéstermékeket küldenek TVD. Tól től TVD jelentős mennyiségű oxigént tartalmazó gázok jutnak az alacsony nyomású égéstérbe KSND, amelyben további üzemanyagot égetnek el, és abból - be TND. A 390 °C hőmérsékletű kipufogógázok a kéménybe vagy egy hőcserélőbe kerülnek, hogy a kipufogógázok hőjét felhasználják.
A GTU nem túl gazdaságos a füstgázok magas hőmérséklete miatt. Az áramkör bonyolultsága lehetővé teszi annak hatékonyságának növelését, ugyanakkor tőkebefektetés növelését és az üzemeltetést bonyolítja.
Az ábrán a Siemens GTU V94.3 modellje látható. A komplex légtisztító berendezés (KVOU) légköri levegője belép a bányába 4 , és abból - az áramlási részhez 16 légkompresszor. A levegő a kompresszorban össze van sűrítve. A sűrítési arány a tipikus kompresszorokban p k = 13-17, így a gázturbina-traktusban a nyomás nem haladja meg az 1,3-1,7 MPa-t (13-17 atm). Ez egy másik jelentős különbség a gázturbina és a gőzturbina között, amelyben a gőznyomás 10-15-ször nagyobb, mint a gázturbina gáznyomása. Kis nyomás munkakörnyezet meghatározza a házak falának kis vastagságát és fűtésének egyszerűségét. Ez teszi a gázturbinát nagyon manőverezhetővé, i.e. gyors indításra és leállításra képes. Ha egy gőzturbina beindítása a kezdeti hőmérsékleti állapottól függően 1 órától több óráig tart, akkor a gázturbina 10-15 perc alatt üzembe helyezhető.
Kompresszorban összenyomva a levegő felmelegszik. Ez a fűtés egy egyszerű közelítő összefüggéssel becsülhető meg:
$$T_a/T_b = \pi_k^(0,25)$$
ahol T bés T a- abszolút levegő hőmérséklet a kompresszor mögött és előtt. Ha pl. T a= 300 K, azaz a környezeti hőmérséklet 27 ° C, és p k \u003d 16, akkor T b= 600 K, és ennek következtében a levegő felmelegszik
$$\Delta t = (600-273)-(300-273) = 300°C.$$
Így a levegő hőmérséklete a kompresszor mögött 300-350 °C. A lángcső falai és az égéskamra teste közötti levegő az égőhöz jut, amelybe a tüzelőgázt táplálják. Mivel a tüzelőanyagnak be kell jutnia az égéstérbe, ahol a nyomás 1,3-1,7 MPa, a gáznyomásnak magasnak kell lennie. Az égéstérbe való áramlás szabályozása érdekében a gáznyomás körülbelül kétszerese a kamrában uralkodó nyomásnak. Ha ilyen nyomás van a betápláló gázvezetékben, akkor a gáz közvetlenül a gázelosztó pontról (GDP) kerül az égéstérbe. Ha a gáznyomás nem elegendő, akkor a hidraulikus repesztés és a kamra közé nyomásfokozó gázkompresszort kell beépíteni.
A tüzelőanyag-fogyasztás mindössze 1-1,5%-a a kompresszorból érkező légáramnak, így egy rendkívül gazdaságos segédgáz-kompresszor létrehozása bizonyos technikai nehézségeket okoz.
A lángcső belsejében 10 magas hőmérsékletű égéstermékek keletkeznek. A másodlagos levegő összekeverése után az égéstér kimeneténél némileg csökken, de ennek ellenére a tipikus modern gázturbinákban eléri az 1350-1400 °C-ot.
Az égéskamrából származó forró gázok belépnek az áramlási útvonalba 7 gázturbina. Ebben a gázok szinte atmoszférikus nyomásra tágulnak, mivel a gázturbina mögötti tér vagy kéménnyel vagy hőcserélővel kommunikál, amelynek hidraulikus ellenállása kicsi.
Amikor a gázok kitágulnak egy gázturbinában, a tengelyén áram keletkezik. Ezt a teljesítményt részben a légkompresszor, a feleslegét pedig a rotor meghajtására használják fel 1 generátor. A gázturbinák egyik jellemző tulajdonsága, hogy a kompresszor a gázturbina által kifejlesztett teljesítmény mintegy felét igényli. Például egy Oroszországban létesülő 180 MW (ez a nettó teljesítmény) teljesítményű gázturbinás egységben a kompresszor teljesítménye 196 MW. Ez az egyik alapvető különbség a gázturbina és a gőzturbina között: az utóbbiban a betáplált víz sűrítésére használt teljesítmény akár 23,5 MPa (240 atm) nyomásig is csak néhány százaléka a gőzturbina teljesítményének. . Ez annak a ténynek köszönhető, hogy a víz alacsony összenyomható folyadék, és a levegő összenyomásához sok energiára van szükség.
Az első, meglehetősen durva közelítésben a turbina mögötti gázhőmérséklet egy egyszerű összefüggésből becsülhető meg, ehhez hasonló:
$$T_c/T_d = \pi_k^(0,25).$$
Ezért ha $\pi_k = 16$, és a hőmérséklet a turbina előtt T s\u003d 1400 ° С \u003d 1673 K, akkor a mögötte lévő hőmérséklet körülbelül K:
$$T_d=T_c/\pi_k^(0,25) = 1673/16^(0,25) = 836.$$
Így a gázturbina után meglehetősen magas a gáz hőmérséklete, és a tüzelőanyag elégetésével nyert jelentős mennyiségű hő szó szerint a kéménybe kerül. Ezért a gázturbina autonóm működése során a hatásfoka alacsony: a tipikus gázturbináknál 35-36%, azaz. lényegesen kisebb, mint a szakiskolák hatékonysága. A helyzet azonban drasztikusan megváltozik, ha a gázturbinás egység "farkára" hőcserélőt szerelnek fel (hálózati fűtés vagy hulladékhő kazán kombinált ciklushoz).
A gázturbina mögé diffúzor van felszerelve - egy simán táguló csatorna, az áramlás során, amelyben a gázok sebességi nyomása részben nyomássá alakul. Ez lehetővé teszi, hogy a gázturbina mögött a légköri nyomásnál kisebb nyomás legyen, ami növeli a turbinában lévő 1 kg gáz hatásfokát, és ennek következtében a teljesítményét.
Légkompresszor készülék. Mint már említettük, a légkompresszor egy turbógép, amelynek tengelyére egy gázturbina táplálja az energiát; ez a teljesítmény átadódik a kompresszor áramlási útján átáramló levegőnek, aminek következtében a légnyomás az égéstérben uralkodó nyomásig emelkedik.
Az ábrán a gázturbina forgórésze a csapágyakba helyezett; az előtérben jól láthatóak a kompresszor forgórésze és az állórész elemei.
Az enyémből 4 levegő jut be a forgólapátok által kialakított csatornákba 2 nem forgó bemeneti vezetőlapát (VNA). A VNA fő feladata az axiális (vagy radiális-axiális) forgásirányban mozgó áramlás tájékoztatása. A VNA csatornák alapvetően nem különböznek a gőzturbina fúvókacsatornáitól: zavaróak (elkeskenyedőek), és az áramlás bennük felgyorsul, egyúttal kerületi sebességkomponenst is felvesz.
A modern gázturbinákban a bemeneti vezetőlapátot forgathatóvá teszik. A forgó VNA szükségességét az a vágy okozza, hogy megakadályozzák a hatékonyság csökkenését, amikor a GTU terhelés csökken. A lényeg az, hogy a kompresszor és az elektromos generátor tengelyei azonos fordulatszámúak, megegyeznek a hálózat frekvenciájával. Ezért ha nem használunk VNA-t, akkor a kompresszor által az égéstérbe szállított levegő mennyisége állandó, és nem függ a turbina terhelésétől. A gázturbina teljesítményét pedig csak az égéstérbe irányuló tüzelőanyag-áramlás megváltoztatásával tudja megváltoztatni. Ezért az üzemanyag-fogyasztás csökkenésével és a kompresszor által szállított állandó levegőmennyiséggel a munkagázok hőmérséklete a gázturbina előtt és után is csökken. Ez a gázturbina hatásfokának igen jelentős csökkenéséhez vezet. A pengék forgása a tengely körüli terhelés csökkenésével 1 25 - 30°-kal lehetővé teszi a VNA csatornák áramlási szakaszainak szűkítését és az égéstérbe jutó levegő áramlás csökkentését, a levegő és az üzemanyag-fogyasztás közötti állandó arány fenntartásával. A bemeneti vezetőlapát beépítése lehetővé teszi a gázhőmérséklet állandó szinten tartását a gázturbina előtt és mögötte körülbelül 100-80%-os teljesítménytartományban.
Az ábra a VNA blade meghajtót mutatja. Mindegyik penge tengelyéhez egy forgókar van rögzítve 2 , amely a karon keresztül 4 forgógyűrűhöz kapcsolódik 1 . Ha szükséges, cserélje ki a légáramlási gyűrűt 1 pálcák és sebességváltóval ellátott villanymotor segítségével forog; miközben az összes kart egyszerre forgatja 2 és ennek megfelelően a VNA pengék 5 .
A VNA segítségével örvénylő levegő belép a légkompresszor 1. fokozatába, amely két rácsból áll: forgó és álló. Mindkét rácsnak a turbinarácsokkal ellentétben táguló (diffúzor) csatornái vannak, pl. bemeneti levegő járatának területe F 1-gyel kevesebb, mint F 2 a kijáratnál.
Amikor a levegő egy ilyen csatornában mozog, a sebessége csökken ( w 2 < w 1), és a nyomás nő ( R 2 > R egy). Sajnos, hogy a diffúzoros grill gazdaságos legyen, i.e. hogy az áramlási sebesség w 1 a maximális fokig nyomássá alakulna, nem hővé, csak kis fokú összenyomással lehetséges R 2 /R 1 (általában 1,2 - 1,3), ami nagyszámú kompresszorfokozathoz vezet (14 - 16, a kompresszor tömörítési aránya p k \u003d 13 - 16).
Az ábra a légáramlást mutatja a kompresszor fokozatban. A bemeneti (rögzített) forgófúvókás berendezésből a levegő sebességgel távozik c 1 (lásd a felső sebességi háromszöget), a szükséges kerületi csavarással (a 1< 90°). Если расположенная за ВНА вращающаяся (рабочая) решетка имеет скорость u 1 , akkor a belépés relatív sebessége w 1 egyenlő lesz a vektorok különbségével c 1 és u 1 , és ez a különbség nagyobb lesz, mint c 1 azaz w 1 > c egy . A csatornában való mozgáskor a levegő sebessége az értékre csökken w 2, és a profilok dőlésszöge által meghatározott b 2 szögben jön ki. Azonban a forgás és a levegő energiaellátása miatt a forgórészlapátokról a sebessége val vel 2 abszolút mozgásban nagyobb lesz, mint c egy . A rögzített rács lapátjai úgy vannak felszerelve, hogy a levegő bemenete a csatornába ütésmentes legyen. Mivel ennek a rácsnak a csatornái tágulnak, a benne lévő sebesség az értékre csökken c" 1 , és a nyomás tól növekszik R 1-től R 2. A rács úgy van kialakítva c" 1 = c 1, a a "1 = a 1. Ezért a második szakaszban és az azt követő szakaszokban a kompressziós folyamat hasonló módon fog lezajlani. Ebben az esetben a rácsok magassága a kompresszió következtében megnövekedett levegősűrűségnek megfelelően csökken .
Néha a kompresszor első néhány fokozatának vezetőlapátjait ugyanúgy forgatják, mint a VNA lapátokat. Ez lehetővé teszi a gázturbina teljesítménytartományának bővítését, amelyben a gázturbina előtti és mögötte lévő gázok hőmérséklete változatlan marad. Ennek megfelelően a gazdaság is növekszik. A több forgó vezetőlapát használata lehetővé teszi a gazdaságos munkavégzést a teljesítmény 100-50%-os tartományában.
A kompresszor utolsó fokozata ugyanúgy van elrendezve, mint az előzőek, azzal a különbséggel, hogy az utolsó vezetőlapát feladata 1 nem csak a nyomás növelése, hanem a légáramlás axiális kilépésének biztosítása is. A levegő belép a gyűrű alakú kimeneti diffúzorba 23 ahol a nyomás a maximális értékére emelkedik. Ezzel a nyomással a levegő belép az égési zónába 9 .
A légkompresszor házából levegőt vesznek a gázturbina elemeinek hűtésére. Ehhez a testében gyűrű alakú kamrákat készítenek, amelyek kommunikálnak a megfelelő színpad mögötti térrel. A kamrák levegőjét csővezetékek távolítják el.
Ezenkívül a kompresszor úgynevezett túlfeszültség-gátló szelepekkel és bypass csövekkel rendelkezik. 6 , amely a kompresszor közbülső fokozataiból a levegőt a gázturbina kilépő diffúzorába vezeti annak indításakor és leállításakor. Ez kiküszöböli a kompresszor instabil működését alacsony légáramlási sebességeknél (ezt a jelenséget túlfeszültségnek nevezik), amely az egész gép intenzív vibrációjában fejeződik ki.
A rendkívül gazdaságos légkompresszorok létrehozása rendkívül összetett feladat, amely a turbinákkal ellentétben nem csak számítással és tervezéssel oldható meg. Mivel a kompresszor teljesítménye megközelítőleg megegyezik a gázturbina teljesítményével, a kompresszor hatásfokának 1%-os romlása a teljes gázturbina hatásfokának 2-2,5%-os csökkenéséhez vezet. Ezért a jó kompresszor létrehozása az egyik legfontosabb probléma a gázturbinák létrehozásában. Általában a kompresszorokat modellezéssel (skálázással) hozzák létre egy hosszú kísérleti finomítással létrehozott modellkompresszor segítségével.
A gázturbina égésterei nagyon változatosak. Fent van egy gázturbina két külső kamrával. Az ábrán az ABB-től egy 140 MW teljesítményű GTU típusú 13E látható egy távoli égéstérrel, melynek berendezése hasonló az ábrán látható kamra készülékéhez. A kompresszor levegője a gyűrű alakú diffúzorból belép a kamratest és a lángcső közötti térbe, majd gáztüzelésre és a lángcső hűtésére szolgál.
A távoli égésterek fő hátránya a nagy méreteik, amelyek jól láthatóak az ábrán. A kamrától jobbra egy gázturbina, balra - egy kompresszor. A testen felülről három lyuk látható a túlfeszültség-gátló szelepek, majd a VNA meghajtó elhelyezésére. A modern gázturbinákban főként beépített égéstereket használnak: gyűrű alakú és cső-gyűrű alakú.
Az ábrán egy integrált gyűrű alakú égéstér látható. Az égéshez szükséges gyűrű alakú teret a belső 17 és kültéri 11 tüzes csövek. Belülről a csövek speciális betétekkel vannak bélelve 13 és 16 hőzáró bevonattal a láng felé eső oldalon; a szemközti oldalon a betétek bordázottak, ami a lángcső belsejében a betétek közötti gyűrűs réseken át beáramló levegő által javítja a hűtést. Így a lángcső hőmérséklete 750-800 °C az égési zónában. A kamra elülső mikrofáklyás égőberendezése több száz égőből áll 10 , amelyhez négy kollektorról szállítják a gázt 5 -8 . A kollektorok kikapcsolásával megváltoztathatja a gázturbina teljesítményét.
Az égő berendezés az ábrán látható. A kollektorból a gáz a szárban lévő fúráson keresztül jut be 3 a lapockák belső üregébe 6 örvénylő. Ez utóbbi egy üreges radiális egyenes lapátok, amelyek az égéstérből érkező levegőt a rúd tengelye körül csavarják és forogják. Ez a forgó légörvény az örvénylapátok belső üregéből kapja a földgázt. 6 kis lyukakon keresztül 7 . Ebben az esetben homogén üzemanyag-levegő keverék képződik, amely örvénylő sugár formájában lép ki a zónából. 5 . A gyűrű alakú forgó örvény biztosítja a gáz stabil égését.
Az ábrán egy cső-gyűrű alakú GTE-180 égéskamra látható. A gyűrű alakú térbe 24 a légkompresszor kimenete és a gázturbina bemenete között perforált kúpok segítségével 3 helyezzen el 12 lángcsövet 10 . A lángcső számos 1 mm átmérőjű lyukat tartalmaz, amelyek gyűrű alakú sorokban vannak elrendezve, köztük 6 mm távolságra; furatsorok közötti távolság 23 mm. Ezeken a nyílásokon keresztül "hideg" levegő jut be kívülről, amely konvektív filmhűtést biztosít, és a lángcső hőmérséklete nem haladja meg a 850 °C-ot. A lángcső belső felületére 0,4 mm vastag hőzáró bevonatot kell felvinni.
Az előlapon 8 lángcső, égőberendezés van felszerelve, amely egy központi vezérlőégőből áll 6 az üzemanyag meggyújtása indításkor egy gyertya segítségével 5 , és öt fő modul, amelyek közül az egyik az ábrán látható. A modul lehetővé teszi a gáz és a dízel üzemanyag elégetését. Gáz szerelvényen keresztül 1 szűrő után 6 belép a gyűrű alakú tüzelőanyag-elosztóba 5 , és abból kis lyukakat tartalmazó üregekbe (átmérő 0,7 mm, lépés 8 mm). Ezeken a lyukakon keresztül a gáz a gyűrű alakú térbe jut. A modul falaiban hat érintőleges horony található 9 , amelyen keresztül a légkompresszorból az égéshez szállított fő levegőmennyiség belép. A tangenciális résekben a levegő megcsavarodik, és így az üreg belsejében 8 forgó örvény keletkezik, amely az égő kimenete felé halad. A lyukakon keresztül az örvény perifériájára 3 gáz belép, levegővel keveredik, és a keletkező homogén keverék kilép az égőből, ahol meggyullad és ég. Az égéstermékek a gázturbina 1. fokozatának fúvóka berendezésébe kerülnek.
A gázturbina a gázturbina legösszetettebb eleme, ami elsősorban az áramlási útvonalán átáramló munkagázok igen magas hőmérsékletének köszönhető: a turbina előtti 1350 °C-os gázhőmérséklet jelenleg „szabványnak” számít. , és vezető cégek, elsősorban a General Electric, az 1500 °C-os kezdeti hőmérséklet elsajátításán dolgoznak. Emlékezzünk vissza, hogy a gőzturbinák "standard" kezdeti hőmérséklete 540 ° C, és a jövőben - 600-620 ° C hőmérséklet.
A kezdeti hőmérséklet növelésének vágya mindenekelőtt a hatékonyság növeléséhez kapcsolódik. Ez jól látható a gázturbina-építés elért szintjét összefoglaló ábrán: a kezdeti hőmérséklet 1100-ról 1450 °C-ra emelése 32-ről 40%-ra növeli az abszolút hatásfokot, azaz. 25%-os üzemanyag-megtakarítást eredményez. Ennek a megtakarításnak egy része természetesen nemcsak a hőmérséklet-emelkedéssel, hanem a gázturbina egyéb elemeinek fejlesztésével is összefügg, és továbbra is a kezdeti hőmérséklet a meghatározó.
A gázturbina hosszú távú működésének biztosítása érdekében két eszköz kombinációját alkalmazzák. Az első eszköz a hőálló anyagok alkalmazása a leginkább terhelt alkatrészekhez, amelyek ellenállnak a nagy mechanikai terhelésnek és hőmérsékletnek (elsősorban a fúvókáknál és a rotorlapátoknál). Ha a gőzturbina lapátjaihoz és néhány egyéb elemhez 12-13% krómtartalmú acélokat (azaz vasalapú ötvözetek) használnak, akkor a gázturbina lapátjaihoz nikkel alapú ötvözeteket (nimonikot) használnak, amelyek képesek és a szükséges élettartam a 800-850 °C hőmérsékletnek. Ezért az elsővel együtt egy második eszközt használnak - a legforróbb részek hűtését.
A legtöbb modern gázturbinát a légkompresszor különböző fokozataiból kiáramló levegővel hűtik. Már üzemelnek a gázturbinák, amelyek hűtésére vízgőzt használnak, ami jobb hűtőközeg, mint a levegő. A hűtött részben felfűtést követően a hűtőlevegő a gázturbina áramlási útjába kerül. Az ilyen hűtőrendszert nyitottnak nevezik. Léteznek zárt hűtőrendszerek, amelyekben az alkatrészben felmelegedett hűtőfolyadékot a hűtőbe küldik, majd ismét visszavezetik az alkatrész hűtésére. Egy ilyen rendszer nemcsak nagyon bonyolult, hanem a hűtőszekrényből vett hő hasznosítását is igényli.
A gázturbinás hűtőrendszer a gázturbinák legösszetettebb rendszere, amely meghatározza annak élettartamát. Nemcsak a munka- és fúvókalapátok elfogadható szintjének fenntartását biztosítja, hanem a karosszériaelemeket, a munkalapátokat hordozó tárcsákat, a csapágytömítések reteszelését, ahol az olaj kering, stb. Ez a rendszer rendkívül elágazó és úgy szervezett, hogy minden hűtött elem az optimális hőmérséklet fenntartásához szükséges paramétereknek megfelelő hűtőlevegőt kapjon. Az alkatrészek túlzott hűtése éppúgy káros, mint az elégtelen, mivel a hűtőlevegő költségeinek növekedéséhez vezet, aminek a kompresszorban való összenyomásához turbina teljesítménye szükséges. Ezenkívül a megnövekedett hűtési levegőfelhasználás a turbina mögötti gázok hőmérsékletének csökkenéséhez vezet, ami nagyon jelentős hatással van a gázturbina mögé telepített berendezések (például a részeként működő gőzturbina egység) működésére. egy gőzturbina). Végül a hűtőrendszernek nemcsak az alkatrészek megkívánt hőmérsékleti szintjét kell biztosítania, hanem a melegítésük egyenletességét is, ami kizárja a veszélyes hőfeszültségek megjelenését, amelyek ciklikus hatása repedések megjelenéséhez vezet.
Az ábra egy tipikus gázturbinás hűtőkör példáját mutatja be. A gázhőmérséklet értékeit téglalap alakú keretekben adjuk meg. Az 1. fokozat fúvókakészüléke előtt 1 eléri az 1350 °C-ot. Mögötte, i.e. az 1. fokozat munkarácsa előtt 1130 °C. Még az utolsó fokozat munkalapátja előtt is 600 °C-on van. Az ilyen hőmérsékletű gázok mossák a fúvókát és a munkalapátokat, és ha nem hűtnék le, akkor a hőmérsékletük megegyezne a gázok hőmérsékletével, és élettartamuk több órára korlátozódna.
A gázturbina elemeinek hűtésére levegőt használnak, amelyet a kompresszorból vesznek fel abban a szakaszban, ahol annak nyomása valamivel magasabb, mint a munkagázok nyomása a gázturbina azon zónájában, amelybe levegőt vezetnek. Például az 1. fokozat fúvókalapátjainak hűtéséhez a kompresszor bemeneténél a levegőáram 4,5%-ának megfelelő hűtőlevegőt vesznek el a kompresszor kimeneti befúvójából, az utolsó fokozat és a hozzá tartozó fúvókalapátok hűtésére. a ház szakasza - a kompresszor 5. fokozatától. Előfordul, hogy a gázturbina legforróbb elemeinek hűtésére a kompresszor kimeneti befúvójából vett levegőt először egy léghűtőbe juttatják, ahol lehűtik (általában vízzel) 180-200 °C-ra, majd hűtésre továbbítják. Ilyenkor kevesebb levegő kell a hűtéshez, ugyanakkor megjelenik a léghűtő költsége, bonyolultabbá válik a gázturbina, és a hűtővíz által kivont hő egy része elvész.
Egy gázturbinának általában 3-4 fokozata van, pl. 6-8 rács perem, és leggyakrabban az összes felni lapátja hűtve van, kivéve az utolsó szakasz munkalapátjait. A fúvókalapátok hűtésére szolgáló levegőt a végükön keresztül táplálják be, és a profil megfelelő területein számos (600-700 0,5-0,6 mm átmérőjű lyukon) ürítik ki. A hűtőlevegő a szár végein kialakított lyukakon keresztül jut a munkalapátokhoz.
A hűtött pengék elrendezésének megértéséhez legalább általánosságban figyelembe kell venni a gyártási technológiát. A rendkívüli nehézségek miatt megmunkálás A pengék gyártásához használt nikkelötvözetek elsősorban befektetési öntvények. Ennek megvalósításához először az öntőmagokat kerámia alapú anyagokból készítik speciális formázási és hőkezelési technológiával. Az öntvénymag a leendő penge belsejében lévő üreg pontos mása, amelybe a hűtőlevegő áramlik és a kívánt irányba áramlik. Az öntőmagot öntőformába helyezzük, amelynek belső ürege teljes mértékben megfelel az előállítandó pengének. A rúd és a forma fala közötti szabad teret felmelegített, alacsony olvadáspontú masszával (például műanyaggal) töltik ki, amely megszilárdul. A rúd a penge külső alakját megismétlő, megszilárduló, beburkoló masszával együtt olvadó modell. Öntőformába helyezik, amelybe a nimon-olvadékot táplálják. Ez utóbbi megolvasztja a műanyagot, átveszi a helyét, és ennek eredményeként megjelenik egy öntött penge, amelynek belső ürege rúddal van kitöltve. A rudat speciális vegyi oldatokkal való maratással távolítják el. A kapott fúvókalapátok gyakorlatilag nem igényelnek további megmunkálást (kivéve a hűtőlevegő kilépésére szolgáló számos lyuk gyártását). Az öntött pengék működéséhez a szárat speciális csiszolószerszámmal kell megmunkálni.
A röviden ismertetett technológia a repüléstechnikából származik, ahol az elért hőmérsékletek sokkal magasabbak, mint az álló gőzturbinákban. E technológiák elsajátításának nehézsége az álló gázturbináknál sokkal nagyobb lapátméretekkel függ össze, amelyek a gáz áramlási sebességével arányosan nőnek, pl. GTU teljesítmény.
Nagyon ígéretesnek tűnik az úgynevezett egykristály pengék alkalmazása, amelyek egykristályból készülnek. Ez annak a ténynek köszönhető, hogy a szemcsehatárok jelenléte a hosszú, magas hőmérsékleten való tartózkodás során a fém tulajdonságainak romlásához vezet.
A gázturbina forgórésze egyedi előregyártott szerkezet. Az egyes lemezek összeszerelése előtt 5 kompresszor és lemez 7 gázturbina lapátos és kiegyensúlyozott, végrészek gyártása 1 és 8 , távtartó 11 és középső csap 6 . Mindegyik tárcsának két gyűrűs gallérja van, amelyeken (a feltalálóról elnevezett - Hirth) csípők készülnek - szigorúan sugárirányú háromszögprofilú fogak. A szomszédos daraboknak pontosan ugyanolyan gallérjuk van, pontosan ugyanazokkal a slágerekkel. A hengercsatlakozás jó gyártási minőségével biztosított a szomszédos tárcsák abszolút központosítása (ez biztosítja a hevederek sugárirányúságát) és az összeszerelés megismételhetősége a rotor szétszerelése után.
A rotor egy speciális állványra van összeszerelve, amely egy felvonó gyűrű alakú platformmal az összeszerelő személyzet számára, amelyen belül az összeszerelést végzik. Először a forgórész végét szerelik fel a menetre 1 és kötőrúd 6 . A rudat függőlegesen a gyűrű alakú platformon belül helyezzük el, és egy daru segítségével ráeresztjük a kompresszor 1. fokozatának tárcsáját. A tárcsa és a végrész központosítását csapok végzik. Speciális liften felfelé haladva a szerelőtárcsa tárcsánként [először a kompresszor, majd a távtartó, majd a turbina és a jobb vége 8 ] összegyűjti a teljes rotort. A jobb végére egy anyát csavarnak 9 , és a hajtórúd menetes részének fennmaradó részére egy hidraulikus berendezést szerelnek fel, amely összenyomja a tárcsákat és húzza a hajtórudat. A rúd meghúzása után az anyát 9 ütközésig felcsavarjuk, és a hidraulikus berendezést eltávolítjuk. A kifeszített rúd biztonságosan összehúzza a tárcsákat, és a rotort egyetlen merev szerkezetté alakítja. Az összeszerelt rotort eltávolítjuk a szerelőállványról, és készen áll a gázturbinába történő beépítésre.
A gázturbina fő előnye a tömörsége. Valójában először is nincs gőzkazán a gázturbinában - egy olyan szerkezet, amely nagy magasságot ér el, és külön helyiséget igényel a telepítéshez. Ez a körülmény elsősorban az égéstérben uralkodó magas nyomással (1,2-2 MPa) van összefüggésben; a kazánban az égés légköri nyomáson történik, és ennek megfelelően a keletkező forró gázok térfogata 12-20-szor nagyobb. Továbbá a gázturbinában a gáztágulás folyamata egy mindössze 3-5 fokozatból álló gázturbinában megy végbe, míg az azonos teljesítményű gőzturbina 3-4 hengerből áll, amelyek 25-30 fokozatot tartalmaznak. Az égésteret és a légkompresszort is figyelembe véve egy 150 MW-os gázturbina hossza 8-12 m, az azonos teljesítményű, háromhengeres kivitelű gőzturbina pedig másfélszeres. Ugyanakkor a gőzturbinához a kazánon kívül gondoskodni kell egy kondenzátor beépítéséről cirkulációs és kondenzátum szivattyúkkal, 7-9 fűtőtestből álló regenerációs rendszerrel, betápláló turbószivattyúval (egytől háromig) és légtelenítőt. Ennek eredményeként a gázturbinás egység a gépcsarnok nulladik szintjén betonalapra szerelhető, az ÖSZÜ 9-16 m magas keretalapozást igényel a felső alaplemezre helyezett gőzturbinával és a segédberendezésekkel. a kondenzációs helyiség.
A gázturbina kompaktsága lehetővé teszi, hogy a turbinagyárban összeszerelhető, vasúton vagy közúton a gépházba szállítva egyszerű alapra szerelhető. Így különösen a beépített égésterű gázturbinákat szállítják. Távkamrás gázturbinák szállításakor az utóbbiakat külön szállítják, de könnyen és gyorsan rögzíthetők karimákkal a kompresszor-gázturbina modulhoz. A gőzturbinát számos komponenssel és résszel szállítjuk, mind önmaga, mind számos segédberendezés és ezek közötti összeköttetés beszerelése többszörösen több időt vesz igénybe, mint egy gázturbina.
A GTU nem igényel hűtővizet. Ennek eredményeként a gázturbina nem rendelkezik kondenzátorral és rendszerrel műszaki vízellátás szivattyúegységgel és hűtőtoronnyal (cirkulációs vízellátással). Ennek eredményeként mindez azt a tényt eredményezi, hogy egy gázturbinás erőmű 1 kW beépített kapacitásának költsége sokkal alacsonyabb. Ugyanakkor magának a GTP-nek (kompresszor + égéstér + gázturbina) költsége összetettsége miatt 3-4-szer magasabb, mint egy azonos teljesítményű gőzturbina költsége.
A gázturbina fontos előnye a nagy manőverezőképesség, amelyet az alacsony nyomásszint (a gőzturbina nyomásához képest) határoz meg, és ebből következően a könnyű fűtés és hűtés veszélyes hőfeszültségek és deformációk nélkül.
A gázturbináknak azonban vannak jelentős hátrányai is, amelyek közül mindenekelőtt meg kell jegyezni, hogy kevésbé gazdaságosak, mint a gőzerőműveké. A kellően jó gázturbinák átlagos hatásfoka 37-38%, a gőzturbinás erőművek esetében pedig 42-43%. A nagy teljesítményű gázturbinák plafonja, amint az jelenleg látható, 41-42%-os hatásfok (és talán még magasabb is, tekintettel a kezdeti hőmérséklet növelésére szolgáló nagy tartalékokra). A gázturbina alacsonyabb hatásfoka a kipufogógázok magas hőmérsékletével függ össze.
A gázturbinák másik hátránya, hogy nem lehet bennük alacsony minőségű üzemanyagot használni, legalábbis jelenleg. Csak gázzal vagy jó folyékony üzemanyagokkal, például gázolajjal működik jól. A gőzerőművek bármilyen üzemanyaggal működhetnek, beleértve a legrosszabb minőségűeket is.
A gázturbinás hőerőművek alacsony kezdeti költsége, valamint a viszonylag alacsony hatásfok, valamint a felhasznált tüzelőanyag magas költsége és a manőverezhetőség meghatározza a gázturbinák egyéni felhasználásának fő területét: energiarendszerekben csúcs- vagy tartalékként kell használni. napi több órát üzemelő áramforrások.
Ugyanakkor a helyzet drámaian megváltozik, ha a gázturbina kipufogógázainak hőjét fűtőművekben vagy kombinált (gőz-gáz) ciklusban hasznosítják.
Állandó hatású hőturbina, amelyben a sűrített és felmelegített gáz (általában tüzelőanyag égéstermékek) hőenergiáját egy tengelyen mechanikus forgómunkává alakítják át; gázturbinás motor szerkezeti eleme.
A sűrített gáz melegítése általában az égéstérben történik. Fűtést is lehet atomreaktorban stb. végezni. A gázturbinák először a 19. század végén jelentek meg. gázturbinás motorként és kialakítását tekintve gőzturbinához közelítettek. Szerkezetileg a gázturbina a fúvóka berendezés rendezetten elrendezett álló lapátperemei és a járókerék forgó peremei, amelyek ennek eredményeként áramlási részt alkotnak. A turbinafokozat egy járókerékkel kombinált fúvókaberendezés. A fokozat áll egy állórészből, amely álló részeket (ház, fúvókalapátok, védőgyűrűk) és egy forgórészből áll, amely forgó alkatrészek halmaza (például rotorlapátok, tárcsák, tengely).
A gázturbina besorolása számos tervezési jellemző szerint történik: a gázáramlás iránya, a fokozatok száma, a hőkülönbség felhasználási módja és a járókerék gázellátásának módja. A gázáramlás irányában a gázturbinák megkülönböztethetők axiális (leggyakoribb) és radiális, valamint átlós és érintőleges. Axiális gázturbinákban a meridionális szakaszban az áramlást főleg a turbina teljes tengelye mentén szállítják; radiális turbináknál éppen ellenkezőleg, merőleges a tengelyre. A radiális turbinákat centripetálisra és centrifugálisra osztják. Egy diagonális turbinában a gáz a turbina forgástengelyéhez képest bizonyos szögben áramlik. A tangenciális turbina járókerekének nincs lapátja, az ilyen turbinákat nagyon alacsony gázáramlási sebességgel használják, általában mérőműszerekben. gázturbinák Vannak egy-, két- és többlépcsősek.
A fokozatok számát számos tényező határozza meg: a turbina rendeltetése, tervezési sémája, az egy fokozattal kifejlesztett összteljesítmény, valamint a működtetett nyomásesés. A rendelkezésre álló hőkülönbség felhasználási módja szerint megkülönböztetik a fordulatszám fokozatos turbinákat, amelyekben csak az áramlás fordul a járókerékben, nyomásváltozás nélkül (aktív turbinák), valamint a nyomásfokozatos turbinákat, amelyekben a nyomás mindkét szakaszban csökken. fúvókákon és a forgórészlapátokon (sugárturbinák). Részleges gázturbináknál a gázt a járókerékhez a fúvóka berendezés kerületének egy részén vagy teljes kerülete mentén táplálják.
Egy többfokozatú turbinában az energiaátalakítási folyamat több egymást követő folyamatból áll, egyes szakaszokban. A sűrített és felmelegített gáz kezdeti sebességgel kerül a fúvóka berendezés lapátközi csatornáiba, ahol a tágulás során a rendelkezésre álló hőveszteség egy része átalakul kinetikus energiaáramlássugarak. A járókerék lapátközi csatornáiban a gáz további expanziója és a hőcsepp hasznos munkává alakítása történik. A forgórészlapátokra ható gázáram nyomatékot hoz létre a turbina főtengelyén. Ebben az esetben a gáz abszolút sebessége csökken. Minél kisebb ez a fordulatszám, a gázenergia nagyobb része mechanikai munkává alakul át a turbina tengelyén.
A hatásfok a gázturbinák hatásfokát jellemzi, amely az aknából eltávolított munka és a turbina előtt rendelkezésre álló gázenergia aránya. A modern többfokozatú turbinák effektív hatásfoka meglehetősen magas és eléri a 92-94%-ot.
A gázturbina működési elve a következő: a gázt kompresszorral fecskendezik az égéstérbe, levegővel keverik, tüzelőanyag-keveréket képeznek és meggyújtják. A keletkező magas hőmérsékletű (900-1200 °C) égéstermékek a turbina tengelyére szerelt lapátok sorain haladnak át, és a turbinát elforgatják. A tengely így keletkező mechanikai energiáját egy sebességváltón keresztül továbbítják egy generátorhoz, amely villamos energiát termel.
Hőenergia a turbinából kilépő gázok a hőcserélőbe jutnak. Ezenkívül a turbina mechanikai energiáját elektromos áram előállítása helyett különféle szivattyúk, kompresszorok stb. működtetésére lehet felhasználni. A gázturbinák leggyakrabban használt üzemanyaga a földgáz, bár ez nem zárja ki más típusú gáznemű tüzelőanyagok alkalmazását sem. . Ugyanakkor a gázturbinák nagyon szeszélyesek, és magas követelményeket támasztanak az előkészítés minőségével szemben (bizonyos mechanikai zárványok, páratartalom szükséges).
A turbinából kilépő gázok hőmérséklete 450-550 °С. A hőenergia és az elektromos energia mennyiségi aránya a gázturbinákban 1,5: 1 és 2,5: 1 között van, ami lehetővé teszi olyan kogenerációs rendszerek építését, amelyek a hűtőfolyadék típusában különböznek:
1) forró kipufogógázok közvetlen (közvetlen) felhasználása;
2) alacsony vagy közepes nyomású gőz (8-18 kg/cm2) előállítása külső kazánban;
3) melegvíz előállítása (jobb, ha a szükséges hőmérséklet meghaladja a 140 °C-ot);
4) nagynyomású gőz előállítása.
A gázturbinák fejlesztéséhez nagymértékben hozzájárultak a szovjet tudósok, B. S. Stechkin, G. S. Zsiritsky, N. R. Briling, V. V. Uvarov, K. V. Kholshchevikov, I. I. Kirillov és mások. A gázturbinák létrehozását helyhez kötött és mobil gázturbinás erőművekhez külföldi cégek (a svájci Brown-Boveri, amelyben A. Stodola híres szlovák tudós dolgozott, és Sulzer, az amerikai General Electric stb.).
NÁL NÉL további fejlődés gázturbinák a turbina előtti gázhőmérséklet növelésének lehetőségétől függ. Ez annak köszönhető, hogy új hőálló anyagokat és megbízható hűtőrendszereket hoztak létre a rotorlapátokhoz, amelyek jelentősen javítják az áramlási utat stb.
Köszönhetően az 1990-es évek széles körű átmenetének. A földgáz, mint az energiatermelés fő tüzelőanyaga, a gázturbinák a piac jelentős szegmensét foglalják el. Annak ellenére, hogy a berendezések maximális hatásfoka 5 MW-tól és nagyobb teljesítménytől (300 MW-ig) érhető el, egyes gyártók 1-5 MW-os modelleket gyártanak.
A gázturbinákat a légi közlekedésben és az erőművekben használják.
- Előző: GÁZELEMZŐ
- Következő: GÁZMOTOR
A turbina olyan motor, amelyben az összenyomható folyadék potenciális energiája a lapátos berendezésben mozgási energiává alakul, az utóbbi pedig a járókerekekben egy folyamatosan forgó tengelyre továbbított mechanikai munkává.
A gőzturbinák felépítésüknél fogva állandóan működő hőmotort képviselnek. Működés közben túlhevített vagy telített vízgőz kerül az áramlási útvonalba, és tágulása miatt forgásra kényszeríti a rotort. A forgás a pengeberendezésre ható gőzáram eredményeként következik be.
A gőzturbina a gőzturbina kialakításának része, amely energiatermelésre szolgál. Vannak olyan berendezések is, amelyek az elektromosság mellett hőenergiát is termelhetnek - a gőzlapátokon áthaladó gőz belép a hálózati vízmelegítőkbe. Az ilyen típusú turbinákat ipari kapcsolt energiatermelésnek vagy kapcsolt turbináknak nevezik. Az első esetben a gőzelszívást ipari célokra biztosítják a turbinában. Generátorral kiegészítve a gőzturbina turbinaegység.
Gőzturbina típusok
A turbinákat a gőz mozgási irányától függően radiális és axiális turbinákra osztják. A radiális turbinákban a gőzáramlás a tengelyre merőlegesen irányul. A gőzturbinák lehetnek egy-, két- és háromházasak. A gőzturbina különféle műszaki eszközökkel van felszerelve, amelyek megakadályozzák a környezeti levegő bejutását a burkolatba. Ezek különféle tömítések, amelyeket kis mennyiségben vízgőzzel szállítanak.
A tengely elülső részén található egy biztonsági szabályozó, amely a turbina fordulatszámának növekedése esetén lekapcsolja a gőzellátást.
A főbb paraméterek jellemzői névleges értékek
· A turbina névleges teljesítménye- az a maximális teljesítmény, amelyet a turbinának hosszú időn keresztül ki kell fejtenie az elektromos generátor kapcsain, a fő paraméterek normál értékeivel, vagy ha azok az ipar által meghatározott határokon belül változnak, állami szabványok. A szabályozott gőzelszívó turbina névleges teljesítményénél nagyobb teljesítményt tud kifejleszteni, ha ez összhangban van alkatrészeinek szilárdsági viszonyaival.
· Turbina gazdasági teljesítménye- az a teljesítmény, amelyen a turbina a legnagyobb hatásfokkal működik. Az élőgőz paramétereitől és a turbina rendeltetésétől függően a névleges teljesítmény elérheti a gazdaságos teljesítményt, vagy akár 10-25%-kal nagyobb is lehet.
· A regeneratív tápvíz fűtés névleges hőmérséklete- a tápvíz hőmérséklete az utolsó fűtőtest után a víz irányában.
· Névleges hűtővíz hőmérséklet- a hűtővíz hőmérséklete a kondenzátor bemeneténél.
gázturbina(fr. turbina a lat. turbóból örvénylés, forgás) egy folyamatos hőgép, amelynek lapátos berendezésében a sűrített és felmelegített gáz energiája a tengelyen mechanikai munkává alakul át. Egy rotorból (tárcsákra szerelt lapátok) és egy állórészből (a házba rögzített vezetőlapátok) áll.
A magas hőmérsékletű és nyomású gáz a turbina fúvóka berendezésén keresztül a fúvókarész mögötti alacsony nyomású tartományba kerül, egyszerre tágulva és gyorsulva. Továbbá a gázáram belép a turbina lapátjaiba, kinetikus energiájának egy részét átadva nekik, és nyomatékot adva a lapátoknak. A rotorlapátok a nyomatékot a turbina tárcsáin keresztül továbbítják a tengelyre. Jótékony tulajdonságok gázturbina: a gázturbina például egy vele egy tengelyen elhelyezett generátort hajt meg, ami a gázturbina hasznos munkája.
A gázturbinákat gázturbinás motorok (szállításra használt) és gázturbina-egységek (hőerőművekben helyhez kötött GTU-k, CCGT-k részeként) részeként használják. A gázturbinákat a Brayton termodinamikai ciklus írja le, amelyben a levegőt először adiabatikusan összenyomják, majd állandó nyomáson elégetik, majd adiabatikusan visszatágulják a kiindulási nyomásra.
A gázturbinák típusai
- Repülőgépek és sugárhajtóművek
- Kiegészítő tápegység
- Ipari gázturbinák villamosenergia-termeléshez
- Turbótengelyes motorok
- Radiális gázturbinák
- Mikroturbinák
Mechanikailag a gázturbinák lényegesen egyszerűbbek lehetnek, mint a dugattyús belső égésű motorok. Az egyszerű turbináknak egy mozgó része lehet: tengely/kompresszor/turbina/alternatív forgórész szerelvény (lásd a fenti képet), az üzemanyagrendszert nem beleértve.
A bonyolultabb turbinák (a modern sugárhajtóművekben használtak) több tengelyt (tekercset), több száz turbinalapátot, mozgó állórészlapátot, valamint összetett csőrendszert, égéstereket és hőcserélőket tartalmazhatnak.
Általános szabály, hogy minél kisebb a motor, annál nagyobb a tengely(ek) fordulatszáma a lapátok maximális lineáris sebességének fenntartásához. Teljes sebesség A turbinalapátok meghatározzák az elérhető maximális nyomást, ami a maximális teljesítményt eredményezi, függetlenül a motor méretétől. A sugárhajtómű körülbelül 10 000-es fordulatszámmal, a mikroturbina pedig körülbelül 100 000-es fordulatszámmal forog.
Állandó hatású hőturbina, amelyben a sűrített és felmelegített gáz (általában tüzelőanyag égéstermékek) hőenergiáját egy tengelyen mechanikus forgómunkává alakítják át; gázturbinás motor szerkezeti eleme.
A sűrített gáz melegítése általában az égéstérben történik. Fűtést is lehet atomreaktorban stb. végezni. A gázturbinák először a 19. század végén jelentek meg. gázturbinás motorként és kialakítását tekintve gőzturbinához közelítettek. Szerkezetileg a gázturbina a fúvóka berendezés rendezetten elrendezett álló lapátperemei és a járókerék forgó peremei, amelyek ennek eredményeként áramlási részt alkotnak. A turbinafokozat egy járókerékkel kombinált fúvókaberendezés. A fokozat áll egy állórészből, amely álló részeket (ház, fúvókalapátok, védőgyűrűk) és egy forgórészből áll, amely forgó alkatrészek halmaza (például rotorlapátok, tárcsák, tengely).
A gázturbina besorolása számos tervezési jellemző szerint történik: a gázáramlás iránya, a fokozatok száma, a hőkülönbség felhasználási módja és a járókerék gázellátásának módja. A gázáramlás irányában a gázturbinák megkülönböztethetők axiális (leggyakoribb) és radiális, valamint átlós és érintőleges. Axiális gázturbinákban a meridionális szakaszban az áramlást főleg a turbina teljes tengelye mentén szállítják; radiális turbináknál éppen ellenkezőleg, merőleges a tengelyre. A radiális turbinákat centripetálisra és centrifugálisra osztják. Egy diagonális turbinában a gáz a turbina forgástengelyéhez képest bizonyos szögben áramlik. A tangenciális turbina járókerekének nincs lapátja, az ilyen turbinákat nagyon alacsony gázáramlási sebességgel használják, általában mérőműszerekben. A gázturbinák egy-, két- és többfokozatúak.
A fokozatok számát számos tényező határozza meg: a turbina rendeltetése, tervezési sémája, az egy fokozattal kifejlesztett összteljesítmény, valamint a működtetett nyomásesés. A rendelkezésre álló hőkülönbség felhasználási módja szerint megkülönböztetik a fordulatszám fokozatos turbinákat, amelyekben csak az áramlás fordul a járókerékben, nyomásváltozás nélkül (aktív turbinák), valamint a nyomásfokozatos turbinákat, amelyekben a nyomás mindkét szakaszban csökken. fúvókákon és a forgórészlapátokon (sugárturbinák). Részleges gázturbináknál a gázt a járókerékhez a fúvóka berendezés kerületének egy részén vagy teljes kerülete mentén táplálják.
Egy többfokozatú turbinában az energiaátalakítási folyamat több egymást követő folyamatból áll, egyes szakaszokban. A sűrített és felmelegített gáz a fúvóka berendezés lapátközi csatornáiba egy kezdeti sebességgel jut, ahol a tágulás során a rendelkezésre álló hőveszteség egy része a kilépő sugár mozgási energiájává alakul. A járókerék lapátközi csatornáiban a gáz további expanziója és a hőcsepp hasznos munkává alakítása történik. A forgórészlapátokra ható gázáram nyomatékot hoz létre a turbina főtengelyén. Ebben az esetben a gáz abszolút sebessége csökken. Minél kisebb ez a fordulatszám, a gázenergia nagyobb része mechanikai munkává alakul át a turbina tengelyén.
A hatásfok a gázturbinák hatásfokát jellemzi, amely az aknából eltávolított munka és a turbina előtt rendelkezésre álló gázenergia aránya. A modern többfokozatú turbinák effektív hatásfoka meglehetősen magas és eléri a 92-94%-ot.
A gázturbina működési elve a következő: a gázt kompresszorral fecskendezik az égéstérbe, levegővel keverik, tüzelőanyag-keveréket képeznek és meggyújtják. A keletkező magas hőmérsékletű (900-1200 °C) égéstermékek a turbina tengelyére szerelt lapátok sorain haladnak át, és a turbinát elforgatják. A tengely így keletkező mechanikai energiáját egy sebességváltón keresztül továbbítják egy generátorhoz, amely villamos energiát termel.
Hőenergia a turbinából kilépő gázok a hőcserélőbe jutnak. Ezenkívül a turbina mechanikai energiáját elektromos áram előállítása helyett különféle szivattyúk, kompresszorok stb. működtetésére lehet felhasználni. A gázturbinák leggyakrabban használt üzemanyaga a földgáz, bár ez nem zárja ki más típusú gáznemű tüzelőanyagok alkalmazását sem. . Ugyanakkor a gázturbinák nagyon szeszélyesek, és magas követelményeket támasztanak az előkészítés minőségével szemben (bizonyos mechanikai zárványok, páratartalom szükséges).
A turbinából kilépő gázok hőmérséklete 450-550 °С. A hőenergia és az elektromos energia mennyiségi aránya a gázturbinákban 1,5: 1 és 2,5: 1 között van, ami lehetővé teszi olyan kogenerációs rendszerek építését, amelyek a hűtőfolyadék típusában különböznek:
1) forró kipufogógázok közvetlen (közvetlen) felhasználása;
2) alacsony vagy közepes nyomású gőz (8-18 kg/cm2) előállítása külső kazánban;
3) melegvíz előállítása (jobb, ha a szükséges hőmérséklet meghaladja a 140 °C-ot);
4) nagynyomású gőz előállítása.
A gázturbinák fejlesztéséhez nagymértékben hozzájárultak a szovjet tudósok, B. S. Stechkin, G. S. Zsiritsky, N. R. Briling, V. V. Uvarov, K. V. Kholshchevikov, I. I. Kirillov és mások. A gázturbinák létrehozását helyhez kötött és mobil gázturbinás erőművekhez külföldi cégek (a svájci Brown-Boveri, amelyben A. Stodola híres szlovák tudós dolgozott, és Sulzer, az amerikai General Electric stb.).
A jövőben a gázturbinák fejlesztése a turbina előtti gázhőmérséklet növelésének lehetőségétől függ. Ez annak köszönhető, hogy új hőálló anyagokat és megbízható hűtőrendszereket hoztak létre a rotorlapátokhoz, amelyek jelentősen javítják az áramlási utat stb.
Köszönhetően az 1990-es évek széles körű átmenetének. A földgáz, mint az energiatermelés fő tüzelőanyaga, a gázturbinák a piac jelentős szegmensét foglalják el. Annak ellenére, hogy a berendezések maximális hatásfoka 5 MW-tól és nagyobb teljesítménytől (300 MW-ig) érhető el, egyes gyártók 1-5 MW-os modelleket gyártanak.
A gázturbinákat a légi közlekedésben és az erőművekben használják.
- Előző: GÁZELEMZŐ
- Következő: GÁZMOTOR