Część turbiny gazowej. Turbina gazowa. Urządzenie i zasada działania. Urządzenia przemysłowe. Wykorzystanie turbin gazowych

Gritsyna wiceprezes

W związku z wielokrotnym wzrostem taryf na energię elektryczną w Rosji wiele przedsiębiorstw rozważa budowę własnych elektrowni o małej mocy. W wielu regionach opracowywane są programy budowy małych lub minielektrowni, w szczególności zastępujących przestarzałe kotłownie. W nowej małej elektrociepłowni o stopniu wykorzystania paliwa do 90% przy pełnym wykorzystaniu ciała w produkcji i do ogrzewania, koszt odbieranej energii elektrycznej może być znacznie niższy niż koszt energii elektrycznej odbieranej z sieci energetycznej.

Energetycy i specjaliści przedsiębiorstw przy rozważaniu projektów budowy małych elektrociepłowni kierują się wskaźnikami osiąganymi w dużej energetyce. Ciągłe doskonalenie turbin gazowych (GTU) do zastosowania w wielkoskalowej energetyce pozwoliło zwiększyć ich sprawność do 36% lub więcej, a zastosowanie połączonego cyklu parowo-gazowego (CCGT) zwiększyło sprawność elektryczną TPP do 54% -57%.
Jednak w energetyce małej skali nie należy rozważać możliwości wykorzystania złożonych schematów układów skojarzonych CCGT do produkcji energii elektrycznej. Ponadto turbiny gazowe, w porównaniu z silnikami gazowymi, jako napędy generatorów elektrycznych, tracą znacznie na sprawności i wydajności, zwłaszcza przy niskich mocach (poniżej 10 MW). Ponieważ w naszym kraju ani turbiny gazowe, ani tłokowe silniki gazowe nie były jeszcze szeroko stosowane w stacjonarnej energetyce małej skali, wybór konkretnego rozwiązania technicznego stanowi istotny problem.
Problem ten dotyczy również energetyki na dużą skalę, tj. dla systemów elektroenergetycznych. W nowoczesnym warunki ekonomiczne, w związku z brakiem środków na budowę dużych elektrowni na przestarzałych projektach, co można już przypisać krajowemu projektowi CCGT o mocy 325 MW, zaprojektowanemu 5 lat temu. Systemy energetyczne i RAO JES Rosji powinny zwrócić szczególną uwagę na rozwój energetyki na małą skalę, w której obiektach można testować nowe technologie, co umożliwi rozpoczęcie odrodzenia krajowych zakładów budowy turbin i maszyn oraz następnie przełącz się na duże pojemności.
W ostatniej dekadzie za granicą powstały duże elektrociepłownie z silnikami wysokoprężnymi lub gazowymi o mocy 100-200 MW. Sprawność elektryczna elektrowni z silnikami wysokoprężnymi lub gazowymi (DTPP) sięga 47%, co przekracza wydajność turbin gazowych (36%-37%), ale jest gorsza od wydajności CCGT (51%-57%). Elektrownie CCGT obejmują szeroki zakres urządzeń: turbina gazowa, kocioł parowy odzysknicowy, turbina parowa, skraplacz, system uzdatniania wody (plus sprężarka wspomagająca w przypadku spalania gazu ziemnego o niskim lub średnim ciśnieniu. Generatory Diesla mogą pracować na paliwo ciężkie, które jest 2 razy tańsze niż paliwo do turbin gazowych i może pracować na gazie niskociśnieniowym bez użycia doładowań. lat jest 2 razy mniej niż dla elektrociepłowni z turbiną gazową o tej samej mocy przy wykorzystaniu paliwa płynnego przez obie elektrownie.
Obiecującym rosyjskim producentem bloków energetycznych na olej napędowy do 22 MW jest Briański Zakład Budowy Maszyn, który oferuje klientom bloki energetyczne o zwiększonej sprawności do 50% do pracy zarówno na paliwie ciężkim o lepkości do 700 cSt w temperaturze 50 C, jak i o zawartości siarki do 5% oraz do pracy na paliwie gazowym.
Opcja dużej elektrowni cieplnej na olej napędowy może być korzystniejsza niż elektrownia z turbiną gazową.
W energetyce na małą skalę, o mocy jednostkowej poniżej 10 MW, zalety nowoczesnych generatorów diesla są jeszcze bardziej widoczne.
Rozważmy trzy warianty elektrociepłowni z turbinami gazowymi i gazowymi silnikami tłokowymi.

Elektrociepłownia pracująca przez całą dobę przy obciążeniu znamionowym z kotłami odzysknicowymi do dostarczania ciepła lub pary.

Elektrociepłownia, generator elektryczny i kocioł odzysknicowy, które pracują tylko w dzień, aw nocy ciepło dostarczane jest z zasobnika ciepłej wody użytkowej.

Elektrociepłownia produkująca wyłącznie energię elektryczną bez wykorzystania ciepła spalin.

Współczynnik wykorzystania paliwa dla dwóch pierwszych wariantów elektrowni (o różnej sprawności elektrycznej) ze względu na dostarczanie ciepła może sięgać 80% -94%, zarówno w przypadku turbin gazowych, jak i napędów silnikowych.
Opłacalność wszystkich wariantów elektrowni zależy przede wszystkim od niezawodności i sprawności „pierwszego etapu” – napędu prądnicy.
Entuzjaści wykorzystania małych turbin gazowych prowadzą kampanię na rzecz ich powszechnego stosowania, odnotowując wyższą gęstość mocy. Na przykład w [1] podano, że Elliot Energy Systems (w latach 1998-1999) buduje sieć dystrybucyjną 240 dystrybutorów w Ameryce Północnej, zapewniając wsparcie inżynieryjne i serwisowe dla sprzedaży „mikro” turbin gazowych. Sieć energetyczna zamówiła turbinę o mocy 45 kW, aby była gotowa do dostawy w sierpniu 1998 r. Stwierdziła również, że sprawność elektryczna turbiny wynosiła aż 17%, i zauważyła, że ​​turbiny gazowe są bardziej niezawodne niż generatory diesla.
To stwierdzenie jest dokładnie odwrotne!
Jeśli spojrzysz na tabelę. 1. wtedy zobaczymy, że w tak szerokim zakresie od setek kW do kilkudziesięciu MW sprawność napędu silnikowego jest o 13% -17% wyższa. Wskazany zasób napędu silnikowego firmy „Vyartsilya” oznacza gwarantowany zasób do pełnego wyremontować. Zasób nowych turbin gazowych jest zasobem wyliczonym, potwierdzonym badaniami, ale nie statystykami pracy w rzeczywistej eksploatacji. Według licznych źródeł zasób turbin gazowych wynosi 30-60 tysięcy godzin ze spadkiem wraz ze spadkiem mocy. Zasób silników Diesla produkcji zagranicznej wynosi 40-100 tysięcy godzin lub więcej.

Tabela 1
Główne parametry techniczne napędów prądnicowych
Elektrownia z turbiną gazową G, elektrownia z tłokiem gazowym D firmy Vyartsilya.
D - olej napędowy z katalogu Gazpromu
* Minimalna wartość wymaganego ciśnienia paliwa gazowego = 48 ATA!!
Charakterystyka wydajności
Sprawność elektryczna (i moc) Według danych Värtsilä, gdy obciążenie zmniejsza się ze 100% do 50%, sprawność generatora elektrycznego napędzanego silnikiem gazowym niewiele się zmienia.
Sprawność silnika gazowego praktycznie nie zmienia się do 25°C.
Moc turbiny gazowej spada równomiernie od -30°C do +30°C.
W temperaturach powyżej 40 °C redukcja mocy turbiny gazowej (od nominalnej) wynosi 20%.
Czas rozpoczęcia silnik gazowy od 0 do 100% obciążenia to mniej niż minuta, a awaryjny w 20 sekund. Uruchomienie turbiny gazowej zajmuje około 9 minut.
Ciśnienie zasilania gazem dla turbiny gazowej powinno wynosić 16-20 barów.
Ciśnienie gazu w sieci dla silnika gazowego może wynosić 4 bary (abs) a nawet 1,15 bara dla silnika 175 SG.
Nakłady inwestycyjne w elektrociepłowni o mocy ok. 1 MW, według specjalistów Vartsila, wynoszą one 1400 USD/kW dla elektrowni z turbiną gazową i 900 USD/kW dla elektrowni gazowo-tłokowej.

Aplikacja w cyklu łączonym w małych elektrociepłowniach montaż dodatkowej turbiny parowej jest niepraktyczny, gdyż podwaja ilość urządzeń cieplno-mechanicznych, powierzchnię hali turbin oraz liczbę personelu utrzymania ruchu przy wzroście mocy tylko 1,5 raza.
Wraz ze spadkiem mocy CCGT z 325 MW do 22 MW, według danych elektrowni jądrowej „Mashproekt” (Ukraina, Nikołajew), przednia sprawność elektrowni spada z 51,5% do 43,6%.
Sprawność bloku na olej napędowy (na paliwo gazowe) o mocy 20-10 MW wynosi 43,3%. Należy zauważyć, że w lecie w elektrociepłowni z jednostką wysokoprężną doprowadzenie ciepłej wody może być dostarczane z układu chłodzenia silnika.
Obliczenia konkurencyjności elektrowni opartych na silnikach gazowych wykazały, że koszt energii elektrycznej w małych (1-1,5 MW) elektrowniach wynosi ok. 4,5 centa/kWh), a w dużych 32-40 MW gazowych 3, 8 US centy/kWh
Według podobnej metody obliczeniowej energia elektryczna z elektrowni jądrowej kondensacyjnej kosztuje około 5,5 centów amerykańskich/kWh. , a węgiel IES około 5,9 grosza. USA/kWh W porównaniu z CPP opalanym węglem, elektrownia z silnikami gazowymi wytwarza prąd o 30% taniej.
Koszt energii elektrycznej produkowanej przez mikroturbiny, według innych źródeł, szacowany jest na 0,06–0,10 USD/kWh
Oczekiwana cena kompletnego generatora turbiny gazowej o mocy 75 kW (USA) wynosi 40 000 USD, co odpowiada kosztowi jednostkowemu dla większych (ponad 1000 kW) elektrowni. Dużą zaletą bloków energetycznych z turbinami gazowymi są ich mniejsze gabaryty, 3 lub więcej razy mniejsza waga.
Należy zauważyć, że koszt jednostkowy agregatów prądotwórczych produkcji rosyjskiej opartych na silnikach samochodowych o mocy 50-150 kW może być kilkakrotnie niższy niż wspomnianych turbobloków (USA), biorąc pod uwagę seryjną produkcję silników i mniejszą koszt materiałów.
Oto opinia duńskich ekspertów, którzy oceniają swoje doświadczenie we wdrażaniu małych elektrowni.
„Inwestycja w ukończoną pod klucz elektrociepłownię na gaz ziemny o mocy 0,5-40 MW to 6,5-4,5 miliona koron duńskich za MW (1 korona była równa w przybliżeniu 1 rublowi latem 1998 roku) Elektrociepłownie o cyklu łączonym poniżej 50 MW będą osiągnąć sprawność elektryczną 40-44%.
Koszty eksploatacji olejów smarowych, Konserwacja a utrzymanie personelu w elektrociepłowniach sięga 0,02 koron na 1 kWh wyprodukowaną przez turbiny gazowe. W elektrociepłowniach z silnikami gazowymi koszty eksploatacji wynoszą około 0,06 dat. koron za 1 kWh. Przy obecnych cenach energii elektrycznej w Danii, wysoka wydajność silników gazowych z nawiązką rekompensuje ich wyższe koszty operacyjne.
Duńscy specjaliści uważają, że w nadchodzących latach większość elektrociepłowni poniżej 10 MW będzie wyposażona w silniki gazowe”.

wnioski
Wydaje się, że powyższe szacunki jednoznacznie pokazują zalety napędu silnikowego przy małej mocy elektrowni.
Jednak obecnie moc proponowanego rosyjskiego napędu silnikowego na gaz ziemny nie przekracza mocy 800 kW-1500 kW (zakłady RUMO, N-Nowogród i Zakład Maszyn Kołomna), a kilka zakładów może zaoferować turbonapędy wyższa moc.
Dwie fabryki w Rosji: zakład im. Klimov (St. Petersburg) i Perm Motors są gotowe do dostarczenia kompletnych bloków energetycznych mini-CHP z kotłami odzysknicowymi.
W przypadku zorganizowania regionalnego punkt serwisowy Problemy z konserwacją i naprawą małych turbin turbinowych można rozwiązać poprzez wymianę turbiny na rezerwową w ciągu 2-4 godzin i jej dalszą naprawę w warunkach fabrycznych centrum technicznego.

Sprawność turbin gazowych można obecnie zwiększyć o 20-30% poprzez zastosowanie energetycznego wtrysku pary do turbiny gazowej (obieg STIG lub obieg parowo-gazowy w jednej turbinie). W poprzednich latach to rozwiązanie techniczne było testowane w pełnoskalowych testach polowych elektrowni Vodoley w Nikołajewie (Ukraina) przez Przedsiębiorstwo Badawczo-Produkcyjne Mashproekt i Stowarzyszenie Produkcyjne Zarya, co umożliwiło zwiększenie mocy turbiny bloku z 16 do 25 MW, a sprawność wzrosła z 32,8% do 41,8%.
Nic nie stoi na przeszkodzie, aby przenieść to doświadczenie na mniejsze moce i tym samym wdrożyć CCGT w dostawach seryjnych. W tym przypadku sprawność elektryczna jest porównywalna z silnikami Diesla, a moc właściwa wzrasta tak bardzo, że koszty kapitałowe mogą być o 50% niższe niż w przypadku elektrociepłowni napędzanej silnikiem gazowym, co jest bardzo atrakcyjne.

Przegląd ten został przeprowadzony w celu wykazania: że przy rozważaniu opcji budowy elektrowni w Rosji, a tym bardziej kierunków tworzenia programu budowy elektrowni, należy nie brać pod uwagę poszczególnych opcji, które zaprojektowano Organizacje mogą oferować jednak szeroki zakres zagadnień uwzględniając możliwości i zainteresowania krajowych i regionalnych producentów sprzętu.

Literatura

1. Wartość mocy, tom 2, nr 4, lipiec/sierpień 1998, USA, Ventura, CA.
Mały Rynek Turbin
Stan Price, Northwest Energy Efficiency Council, Seattle, Waszyngton i Portland, Oregon
2. Nowe kierunki produkcji energii w Finlandii
ASKO VUORINEN, doc. technika Nauki, Vartsila NSD Corporation JSC, "ENERGETIK" -11.1997. strona 22
3. Ciepłownictwo. Badania i rozwój technologii w Danii. Ministerstwo Energii. Administracja Energetyczna, 1993
4. ELEKTROWNIE DIESEL. S.E.M.T. PIELSTICK. Prospekt targowy POWERTEK 2000, 14-17 marca 2000 r.
5. Elektrownie i agregaty elektryczne zalecane do użytku na obiektach OAO GAZPROM. KATALOG. Moskwa 1999
6. Elektrownia spalinowa. Perspektywa OAO „Briański Zakład Budowy Maszyn”. 1999 Broszura wystawowa POWERTEK 2000/
7. NK-900E Blokowa Elektrociepłownia Modułowa. Kompleks naukowo-techniczny OJSC Samara im. V.I. N.D. Kuzniecowa. Broszura wystawowa POWERTEK 2000

Tradycyjna nowoczesna turbina gazowa (GTP) to połączenie sprężarki powietrza, komory spalania i turbiny gazowej oraz układów pomocniczych zapewniających jej pracę. Kombinacja turbiny gazowej i generatora elektrycznego nazywana jest jednostką turbiny gazowej.

Należy podkreślić jedną ważną różnicę między GTU a PTU. Skład PTU nie obejmuje kotła, a dokładniej kocioł jest uważany za oddzielne źródło ciepła; Z tego względu kocioł jest „czarną skrzynką”: wpływa do niego woda zasilająca o temperaturze $t_(p.w)$, a wychodzi para o parametrach $p_0$, $t_0$. Elektrownia parowa nie może działać bez kotła jako obiektu fizycznego. W turbinie gazowej komora spalania jest jej integralnym elementem. W tym sensie GTU jest samowystarczalne.

Instalacje turbin gazowych są niezwykle zróżnicowane, być może nawet bardziej niż turbiny parowe. Poniżej rozważymy najbardziej obiecujące i najczęściej używane turbiny gazowe prostego obiegu w energetyce.

Schemat obwodu taka turbina gazowa jest pokazana na rysunku. Powietrze z atmosfery dostaje się do wlotu sprężarki powietrza, która jest obrotową maszyną wirnikową o ścieżce przepływu składającej się z obrotowych i stałych rusztów. Stosunek ciśnienia sprężarki pb na presję przed nim pa nazywa się to stopniem sprężania sprężarki powietrza i jest zwykle oznaczany jako p do (p do = pb/pa). Wirnik sprężarki napędzany jest turbiną gazową. Strumień sprężonego powietrza podawany jest do jednej, dwóch lub więcej komór spalania. W tym przypadku w większości przypadków strumień powietrza wychodzący ze sprężarki dzieli się na dwa strumienie. Pierwszy strumień kierowany jest do palników, gdzie również dostarczane jest paliwo (paliwo gazowe lub płynne). Podczas spalania paliwa powstają produkty spalania w wysokiej temperaturze. Miesza się z nimi stosunkowo zimne powietrze drugiego strumienia w celu uzyskania gazów (zwane zwykle gazami roboczymi) o temperaturze dopuszczalnej dla części turbiny gazowej.

Gazy robocze pod ciśnieniem r s (r s < pb ze względu na opory hydrauliczne komory spalania) są podawane w tor przepływu turbiny gazowej, której zasada działania nie różni się od zasady działania turbiny parowej (jedyna różnica polega na tym, że turbina gazowa pracuje na produkty spalania paliw, a nie na parze). W turbinie gazowej gazy robocze rozprężają się do ciśnienia prawie atmosferycznego. p d, wejdź do dyfuzora wylotowego 14, a z niego - albo bezpośrednio do komina, albo wcześniej do dowolnego wymiennika ciepła, który wykorzystuje ciepło spalin z turbiny gazowej.

Ze względu na rozprężanie się gazów w turbinie gazowej ta ostatnia wytwarza moc. Bardzo znaczna jej część (około połowa) przeznaczana jest na napęd sprężarki, a reszta - na napęd prądnicy. Jest to moc netto turbiny gazowej, która jest wskazana, gdy jest oznaczona.

Aby zobrazować diagramy turbin gazowych, używają konwencje, podobne do tych stosowanych w szkołach zawodowych.

Nie może być prostszej turbiny gazowej, ponieważ zawiera minimum niezbędnych elementów, które zapewniają sekwencyjne procesy sprężania, podgrzewania i rozprężania płynu roboczego: jedną sprężarkę, jedną lub więcej komór spalania pracujących w tych samych warunkach i jedną turbinę gazową. Oprócz turbin gazowych o prostym obiegu istnieją turbiny gazowe o złożonym obiegu, które mogą zawierać kilka sprężarek, turbin i komór spalania. Do tego typu turbin gazowych należą w szczególności GT-100-750, budowane w ZSRR w latach 70-tych.

Jest podwójny. Sprężarka wysokociśnieniowa na jednym wale KVD i napędzająca go turbina wysokociśnieniowa TVD; ten wał ma zmienną prędkość. Turbina niskiego ciśnienia znajduje się na drugim wale TND, napędzając sprężarkę niskiego ciśnienia KND i generator elektryczny NP; dlatego ten wał ma stałą prędkość obrotową 50 s -1 . Powietrze w ilości 447 kg/s napływa z atmosfery do KND i jest w nim sprężony do ciśnienia ok. 430 kPa (4,3 atm), a następnie podawany do chłodnicy powietrza W, gdzie jest chłodzony wodą o temperaturze od 176 do 35 °C. Zmniejsza to pracę wymaganą do sprężenia powietrza w sprężarce wysokociśnieniowej. KVD(współczynnik kompresji pk = 6,3). Stamtąd powietrze dostaje się do komory spalania pod wysokim ciśnieniem. KSVD a produkty spalania o temperaturze 750°C są wysyłane do TVD. Od TVD gazy zawierające znaczną ilość tlenu przedostają się do niskociśnieniowej komory spalania KSND, w którym spalane jest dodatkowe paliwo, a z niego - do TND. Spaliny o temperaturze 390°C trafiają albo do komina, albo do wymiennika ciepła, aby wykorzystać ciepło spalin.

GTU jest mało ekonomiczne ze względu na wysoką temperaturę spalin. Skomplikowanie obwodu umożliwia zwiększenie jego wydajności, ale jednocześnie wymaga zwiększenia nakładów kapitałowych i komplikuje pracę.

Rysunek przedstawia GTU V94.3 firmy Siemens. Powietrze atmosferyczne z kompleksowego urządzenia do oczyszczania powietrza (KVOU) wchodzi do kopalni 4 , a od niego - do części przepływowej 16 kompresor powietrza. Powietrze jest sprężane w sprężarce. Stopień sprężania w typowych sprężarkach wynosi pk = 13-17, a więc ciśnienie w torze turbiny gazowej nie przekracza 1,3-1,7 MPa (13-17 atm). Jest to kolejna istotna różnica między turbiną gazową a turbiną parową, w której ciśnienie pary jest 10-15 razy większe niż ciśnienie gazu w turbinie gazowej. Małe ciśnienie środowisko pracy decyduje o małej grubości ścian budynków i łatwości ich ogrzewania. To właśnie sprawia, że ​​turbina gazowa jest bardzo zwrotna, tj. zdolny do szybkiego startu i zatrzymania. Jeżeli uruchomienie turbiny parowej trwa od 1 godziny do kilku godzin, w zależności od jej początkowego stanu temperaturowego, to turbinę gazową można uruchomić w ciągu 10-15 minut.

Po skompresowaniu w kompresorze powietrze nagrzewa się. To ogrzewanie można oszacować za pomocą prostej przybliżonej zależności:

$$T_a/T_b = \pi_k^(0.25)$$

w którym Tb I Ta- bezwzględne temperatury powietrza za i przed sprężarką. Jeśli na przykład Ta= 300 K, tj. temperatura otoczenia wynosi 27 ° C, a następnie p k \u003d 16 Tb= 600 K i w konsekwencji powietrze jest ogrzewane przez

$$\Delta t = (600-273)-(300-273) = 300°C.$$

Tak więc temperatura powietrza za sprężarką wynosi 300-350 °C. Powietrze pomiędzy ściankami płomienicy a korpusem komory spalania przemieszcza się do palnika, do którego doprowadzane jest paliwo gazowe. Ponieważ paliwo musi dostać się do komory spalania, gdzie ciśnienie wynosi 1,3-1,7 MPa, ciśnienie gazu musi być wysokie. Aby móc kontrolować jego przepływ do komory spalania, ciśnienie gazu jest około dwa razy wyższe niż ciśnienie w komorze. Jeżeli w gazociągu zasilającym panuje takie ciśnienie, to gaz jest dostarczany do komory spalania bezpośrednio z punktu dystrybucji gazu (PKB). Jeżeli ciśnienie gazu jest niewystarczające, wówczas pomiędzy szczelinowaniem hydraulicznym a komorą instalowana jest sprężarka gazu wspomagającego.

Zużycie gazu opałowego wynosi tylko około 1-1,5% przepływu powietrza ze sprężarki, więc stworzenie bardzo ekonomicznej sprężarki gazu wspomagającego nastręcza pewne trudności techniczne.

Wewnątrz płomienicy 10 powstają produkty spalania w wysokiej temperaturze. Po zmieszaniu powietrza wtórnego na wylocie z komory spalania spada nieco, ale mimo to osiąga 1350-1400 °C w typowych nowoczesnych turbinach gazowych.

Gorące gazy z komory spalania wchodzą w drogę przepływu 7 turbina gazowa. W nim gazy rozprężają się do ciśnienia prawie atmosferycznego, ponieważ przestrzeń za turbiną gazową łączy się albo z kominem, albo z wymiennikiem ciepła, którego opór hydrauliczny jest niewielki.

Kiedy gazy rozprężają się w turbinie gazowej, moc jest generowana na jej wale. Moc ta jest częściowo wykorzystywana do napędzania sprężarki powietrza, a jej nadmiar jest wykorzystywany do napędzania wirnika 1 generator. Jedną z charakterystycznych cech turbiny gazowej jest to, że sprężarka wymaga około połowy mocy wytwarzanej przez turbinę gazową. Np. w tworzonym w Rosji turbozespołu gazowym o mocy 180 MW (jest to moc netto) moc sprężarki wynosi 196 MW. Jest to jedna z podstawowych różnic między turbiną gazową a parową: w tej drugiej moc wykorzystywana do sprężania wody zasilającej nawet do ciśnienia 23,5 MPa (240 atm) to zaledwie kilka procent mocy turbiny parowej . Wynika to z faktu, że woda jest cieczą mało ściśliwą, a kompresja powietrza wymaga dużej ilości energii.

W pierwszym, dość zgrubnym przybliżeniu, temperaturę gazu za turbiną można oszacować z prostej zależności podobnej do:

$$T_c/T_d = \pi_k^(0.25).$$

Dlatego jeśli $\pi_k = 16$, a temperatura przed turbiną Ts\u003d 1400 ° С \u003d 1673 K, wtedy temperatura za nią wynosi około K:

$$T_d=T_c/\pi_k^(0.25) = 1673/16^(0.25) = 836.$$

Dzięki temu temperatura gazu za turbiną gazową jest dość wysoka, a znaczna ilość ciepła uzyskanego ze spalania paliwa trafia dosłownie do komina. Dlatego podczas autonomicznej pracy turbiny gazowej jej sprawność jest niska: dla typowych turbin gazowych wynosi 35-36%, tj. znacznie mniej niż efektywność szkół zawodowych. Sprawa zmienia się jednak drastycznie, gdy na „ogonie” turbozespołu gazowego montowany jest wymiennik ciepła (grzałka sieciowa lub kocioł odzysknicowy dla obiegu kombinowanego).

Za turbiną gazową montowany jest dyfuzor - płynnie rozszerzający się kanał, w którym podczas przepływu ciśnienie prędkości gazów jest częściowo zamieniane na ciśnienie. Pozwala to na uzyskanie ciśnienia za turbiną gazową mniejszego od ciśnienia atmosferycznego, co zwiększa sprawność 1 kg gazów w turbinie, a w konsekwencji zwiększa jej moc.

Sprężarka powietrza. Jak już wspomniano, sprężarka powietrza jest maszyną przepływową, do której wału dostarczana jest moc z turbiny gazowej; moc ta przekazywana jest na powietrze przepływające drogą przepływu sprężarki, w wyniku czego ciśnienie powietrza wzrasta do ciśnienia w komorze spalania.

Rysunek przedstawia wirnik turbiny gazowej umieszczony w łożyskach oporowych; na pierwszym planie wyraźnie widoczne elementy wirnika i stojana sprężarki.

Od mojego 4 powietrze dostaje się do kanałów utworzonych przez obrotowe łopatki 2 nieobrotowa kierownica wlotowa (VNA). Głównym zadaniem VNA jest informowanie przepływu poruszającego się w kierunku osiowym (lub promieniowo-osiowym) ruchu obrotowego. Kanały VNA nie różnią się zasadniczo od kanałów dyszowych turbiny parowej: są mylące (zbieżne), a przepływ w nich przyspiesza, jednocześnie uzyskując obwodową składową prędkości.

W nowoczesnych turbinach gazowych kierownica wlotowa jest obrotowa. Potrzeba obrotowego VNA jest spowodowana chęcią zapobieżenia spadkowi wydajności przy zmniejszeniu obciążenia GTU. Chodzi o to, że wały sprężarki i prądnicy mają tę samą prędkość obrotową, równą częstotliwości sieci. Dlatego też, jeśli VNA nie jest stosowane, to ilość powietrza dostarczanego przez sprężarkę do komory spalania jest stała i nie zależy od obciążenia turbiny. A możesz zmienić moc turbiny gazowej tylko poprzez zmianę przepływu paliwa do komory spalania. Dlatego wraz ze spadkiem zużycia paliwa i stałą ilością powietrza dostarczanego przez sprężarkę temperatura gazów roboczych spada zarówno przed, jak i za turbiną gazową. Prowadzi to do bardzo znacznego obniżenia sprawności turbiny gazowej. Obrót ostrzy ze zmniejszeniem obciążenia wokół osi 1 o 25 - 30° pozwala na zawężenie odcinków przepływowych kanałów VNA i zmniejszenie dopływu powietrza do komory spalania przy zachowaniu stałego stosunku zużycia powietrza do paliwa. Zamontowanie kierownic wlotowych umożliwia utrzymanie stałej temperatury gazu przed i za turbiną w zakresie mocy ok. 100-80%.

Rysunek przedstawia napęd kasetowy VNA. Do osi każdego ostrza przymocowana jest obrotowa dźwignia 2 , który przez dźwignię 4 związany z pierścieniem obrotowym 1 . W razie potrzeby wymień pierścień przepływu powietrza 1 obraca się za pomocą prętów i silnika elektrycznego ze skrzynią biegów; jednocześnie obracając wszystkie dźwignie 2 i odpowiednio, ostrza VNA 5 .

Zawirowane za pomocą VNA powietrze wchodzi do I stopnia sprężarki powietrza, który składa się z dwóch kratek: obrotowej i stacjonarnej. Obie kraty, w przeciwieństwie do krat turbinowych, posiadają kanały rozprężne (dyfuzorowe), tj. obszar przepływu powietrza wlotowego F 1 mniej niż F 2 przy wyjściu.

Gdy powietrze porusza się w takim kanale, jego prędkość spada ( w 2 < w 1), a ciśnienie wzrasta ( r 2 > r jeden). Niestety, aby grill dyfuzorowy był ekonomiczny, tj. tak, że natężenie przepływu w 1 w maksymalnym stopniu zostanie zamieniony na ciśnienie, a nie na ciepło, możliwe tylko przy niewielkim stopniu kompresji r 2 /r 1 (zwykle 1,2–1,3), co prowadzi do dużej liczby stopni sprężarki (14–16 przy współczynniku sprężania sprężarki p k \u003d 13–16).

Rysunek przedstawia przepływ powietrza na etapie sprężarki. Z wejściowego (stałego) aparatu z dyszą obrotową powietrze wypływa z prędkością C 1 (patrz górny trójkąt prędkości), mający niezbędny skręt obwodowy (a 1< 90°). Если расположенная за ВНА вращающаяся (рабочая) решетка имеет скорость ty 1 , to względna prędkość wejścia do niego w 1 będzie równe różnicy wektorów C 1 i ty 1 , a ta różnica będzie większa niż C 1 tj. w 1 > C jeden . Podczas poruszania się w kanale prędkość powietrza spada do wartości w 2 i wychodzi pod kątem b 2 określonym przez nachylenie profili. Jednak ze względu na rotację i dostarczanie energii do powietrza z łopat wirnika jego prędkość od 2 w ruchu bezwzględnym będzie większe niż C jeden . Łopatki kratki stałej są zamontowane tak, aby wlot powietrza do kanału był wolny od wstrząsów. Ponieważ kanały tej siatki rozszerzają się, prędkość w niej spada do wartości C" 1 , a ciśnienie wzrasta od r 1 do r 2. Siatka jest zaprojektowana tak, aby C" 1 = C 1, aa "1 = a 1. Dlatego w drugim etapie i kolejnych etapach proces sprężania będzie przebiegał w podobny sposób. W tym przypadku wysokość ich krat będzie się zmniejszać wraz ze wzrostem gęstości powietrza w wyniku sprężania .

Czasami łopatki kierujące pierwszych kilku stopni sprężarki są obracane w taki sam sposób jak łopatki VNA. Pozwala to na rozszerzenie zakresu mocy turbiny gazowej, w której temperatura gazów przed i za turbiną pozostaje niezmieniona. W związku z tym wzrasta również gospodarka. Zastosowanie kilku obrotowych łopatek kierujących pozwala na ekonomiczną pracę w zakresie 100 - 50% mocy.

Ostatni stopień sprężarki jest ułożony tak samo jak poprzednie, z tą tylko różnicą, że zadanie ostatniej łopatki kierującej 1 to nie tylko zwiększenie ciśnienia, ale także zapewnienie osiowego wyjścia strumienia powietrza. Powietrze dostaje się do pierścieniowego dyfuzora wylotowego 23 gdzie ciśnienie wzrasta do maksymalnej wartości. Przy takim ciśnieniu powietrze dostaje się do strefy spalania 9 .

Powietrze pobierane jest z obudowy sprężarki powietrza do chłodzenia elementów turbiny gazowej. Aby to zrobić, w jego ciele wykonane są komory pierścieniowe, komunikujące się z przestrzenią za odpowiednim stopniem. Powietrze z komór odprowadzane jest rurociągami.

Dodatkowo sprężarka posiada tzw. zawory przeciwprzepięciowe oraz rury obejściowe. 6 , przepuszczając powietrze z pośrednich stopni sprężarki do dyfuzora wylotowego turbiny gazowej podczas jej uruchamiania i zatrzymywania. Eliminuje to niestabilną pracę sprężarki przy niskich natężeniach przepływu powietrza (zjawisko to nazywamy przepięciami), co wyraża się w intensywnych drganiach całej maszyny.

Stworzenie wysoce ekonomicznych sprężarek powietrza to niezwykle złożone zadanie, którego w przeciwieństwie do turbin nie da się rozwiązać jedynie na podstawie obliczeń i projektowania. Ponieważ moc sprężarki jest w przybliżeniu równa mocy turbiny gazowej, pogorszenie sprawności sprężarki o 1% prowadzi do spadku sprawności całej turbiny gazowej o 2-2,5%. Dlatego stworzenie dobrej sprężarki jest jednym z kluczowych problemów przy tworzeniu turbin gazowych. Zwykle kompresory są tworzone przez modelowanie (skalowanie) przy użyciu kompresora modelowego stworzonego przez długie udoskonalanie eksperymentalne.

Komory spalania turbin gazowych są bardzo zróżnicowane. Powyżej turbina gazowa z dwiema komorami zewnętrznymi. Rysunek przedstawia GTU typ 13E o mocy 140 MW firmy ABB z jedną zdalną komorą spalania, której urządzenie jest podobne do urządzenia komory pokazanej na rysunku. Powietrze ze sprężarki z pierścieniowego dyfuzora przedostaje się do przestrzeni pomiędzy korpusem komory a płomienicą i jest następnie wykorzystywane do spalania gazu oraz do chłodzenia płomienicy.

Główną wadą zdalnych komór spalania są ich duże gabaryty, które wyraźnie widać na rysunku. Po prawej stronie komory znajduje się turbina gazowa, po lewej kompresor. Od góry w korpusie widoczne są trzy otwory na zawory przeciwprzepięciowe, a następnie na napęd VNA. W nowoczesnych turbinach gazowych stosuje się głównie wbudowane komory spalania: pierścieniowe i rurowo-pierścieniowe.

Rysunek przedstawia zintegrowaną pierścieniową komorę spalania. Pierścieniowa przestrzeń do spalania jest utworzona przez wewnętrzną 17 i na zewnątrz 11 ogniste rury. Od wewnątrz rury wyłożone są specjalnymi wkładkami 13 I 16 posiadające powłokę termoizolacyjną po stronie skierowanej do płomienia; po przeciwnej stronie wkłady są użebrowane, co poprawia ich chłodzenie przez powietrze przedostające się przez szczeliny pierścieniowe między wkładami wewnątrz płomienicy. Tak więc temperatura płomienicy w strefie spalania wynosi 750-800°C. Przednie urządzenie palnikowe komory z mikropochodniami składa się z kilkuset palników 10 , do którego doprowadzany jest gaz z czterech kolektorów 5 -8 . Wyłączając kolektory z kolei można zmienić moc turbiny gazowej.

Urządzenie palnikowe pokazano na rysunku. Z kolektora gaz wchodzi przez wiercenie w trzonie 3 do wewnętrznej wnęki łopatek 6 zawijas. Te ostatnie to wydrążone promieniowo proste łopatki, które powodują, że powietrze wychodzące z komory spalania skręca się i obraca wokół osi pręta. Ten wirujący wir powietrza odbiera gaz ziemny z wewnętrznej wnęki łopatek zawirowywacza. 6 przez małe dziury 7 . W tym przypadku powstaje jednorodna mieszanka paliwowo-powietrzna, która wyłania się w postaci wirującego strumienia ze strefy 5 . Obracający się wir pierścieniowy zapewnia stabilne spalanie gazu.

Rysunek przedstawia rurowo-pierścieniową komorę spalania GTE-180. Do przestrzeni pierścieniowej 24 między wylotem sprężarki powietrza a wlotem turbiny gazowej za pomocą perforowanych stożków 3 umieść 12 płomienic 10 . Płomień zawiera liczne otwory o średnicy 1 mm, rozmieszczone w pierścieniowych rzędach w odległości 6 mm między nimi; odległość między rzędami otworów 23 mm. Przez te otwory „zimne” powietrze wchodzi z zewnątrz, zapewniając chłodzenie konwekcyjne, a temperatura płomienicy nie przekracza 850 °C. Na wewnętrzną powierzchnię płomienicy nakładana jest powłoka termoizolacyjna o grubości 0,4 mm.

Na płycie czołowej 8 rura płomieniowa, zainstalowane jest urządzenie palnikowe składające się z centralnego palnika pilotowego 6 rozpalanie paliwa przy rozruchu za pomocą świecy 5 oraz pięć głównych modułów, z których jeden pokazano na rysunku. Moduł umożliwia spalanie gazu i oleju napędowego. Gaz przez złączkę 1 po filtrze 6 wchodzi do pierścieniowego kolektora paliwa gazowego 5 , a z niego do wnęk zawierających małe otwory (średnica 0,7 mm, uskok 8 mm). Przez te otwory gaz dostaje się do przestrzeni pierścieniowej. W ściankach modułu znajduje się sześć rowków stycznych 9 , przez który wchodzi główna ilość powietrza dostarczanego do spalania ze sprężarki powietrza. W szczelinach stycznych powietrze jest skręcone, a tym samym wewnątrz wnęki 8 powstaje obracający się wir, poruszający się w kierunku wylotu palnika. Na obrzeże wiru przez otwory 3 gaz wchodzi, miesza się z powietrzem, a powstała jednorodna mieszanina wychodzi z palnika, gdzie zapala się i pali. Produkty spalania dostają się do aparatu dyszowego I stopnia turbiny gazowej.

Turbina gazowa jest najbardziej złożonym elementem turbiny gazowej, co wynika przede wszystkim z bardzo wysokiej temperatury gazów roboczych przepływających jej ścieżką przepływu: temperatura gazu przed turbiną wynosząca 1350 °C jest obecnie uważana za „standardową” , a wiodące firmy, przede wszystkim General Electric, pracują nad opanowaniem początkowej temperatury 1500°C. Przypomnijmy, że „standardowa” temperatura początkowa turbin parowych to 540 °C, aw przyszłości temperatura 600-620 °C.

Chęć podwyższenia temperatury początkowej wiąże się przede wszystkim ze wzrostem wydajności, jaki daje. Widać to wyraźnie na rysunku podsumowującym osiągnięty poziom konstrukcji turbiny gazowej: wzrost temperatury początkowej z 1100 do 1450 °C daje wzrost sprawności bezwzględnej z 32 do 40%, tj. skutkuje oszczędnością paliwa rzędu 25%. Oczywiście część tych oszczędności wiąże się nie tylko ze wzrostem temperatury, ale także z poprawą innych elementów turbiny gazowej, a temperatura początkowa nadal jest czynnikiem decydującym.

Aby zapewnić długotrwałą pracę turbiny gazowej, stosuje się połączenie dwóch środków. Pierwszym sposobem jest zastosowanie materiałów żaroodpornych na najbardziej obciążone części, które mogą wytrzymać działanie wysokich obciążeń mechanicznych i temperatur (głównie w przypadku dysz i łopatek wirnika). Jeżeli na łopatki turbin parowych i niektóre inne elementy stosuje się stale (tj. stopy na bazie żelaza) o zawartości chromu 12-13%, to na łopatki turbin gazowych stosuje się stopy na bazie niklu (nimonowe), które są zdolne do wymagana żywotność, aby wytrzymać temperatury 800-850 °C. Dlatego wraz z pierwszym stosowany jest drugi środek - chłodzenie najgorętszych części.

Większość nowoczesnych turbin gazowych jest chłodzona powietrzem upustowym z różnych stopni sprężarki powietrza. Działają już turbiny gazowe, które do chłodzenia wykorzystują parę wodną, ​​która jest lepszym czynnikiem chłodzącym niż powietrze. Powietrze chłodzące po podgrzaniu w chłodzonej części jest odprowadzane do ścieżki przepływu turbiny gazowej. Taki system chłodzenia nazywa się otwartym. Istnieją zamknięte systemy chłodzenia, w których chłodziwo podgrzane w części jest przesyłane do lodówki, a następnie ponownie zawracane w celu schłodzenia części. Taki system jest nie tylko bardzo skomplikowany, ale również wymaga wykorzystania ciepła pobranego z lodówki.

Układ chłodzenia turbiny gazowej jest najbardziej złożonym układem w turbinie gazowej, który decyduje o jej żywotności. Zapewnia nie tylko utrzymanie na akceptowalnym poziomie łopatek roboczych i dyszowych, ale także elementów korpusu, tarcz nośnych łopatek roboczych, blokowania uszczelnień łożysk w których krąży olej itp. System ten jest niezwykle rozgałęziony i zorganizowany tak, że każdy chłodzony element otrzymuje powietrze chłodzące o parametrach iw ilości niezbędnej do utrzymania jego optymalnej temperatury. Nadmierne chłodzenie części jest tak samo szkodliwe, jak niedostateczne, ponieważ prowadzi do wzrostu kosztów chłodzenia powietrza, które do sprężania w sprężarce wymaga mocy turbiny. Dodatkowo zwiększone zużycie powietrza do chłodzenia prowadzi do spadku temperatury gazów za turbiną, co ma bardzo istotny wpływ na pracę urządzeń zainstalowanych za turbiną gazową (np. zespół turbiny parowej pracujący w ramach turbiny parowej). Wreszcie układ chłodzenia musi zapewniać nie tylko wymagany poziom temperatury części, ale także równomierność ich nagrzewania, co wyklucza pojawienie się niebezpiecznych naprężeń termicznych, których cykliczne działanie prowadzi do pojawienia się pęknięć.

Rysunek przedstawia przykład typowego obwodu chłodzenia turbiny gazowej. Wartości temperatur gazów podane są w ramkach prostokątnych. Przed aparatem dyszowym I etapu 1 osiąga 1350 °C. Za nim tj. przed rusztem roboczym I stopnia jest 1130 °C. Nawet przed łopatką roboczą ostatniego stopnia jest na poziomie 600 °C. Gazy o tej temperaturze myją dyszę i łopatki robocze, a gdyby nie były chłodzone, to ich temperatura byłaby równa temperaturze gazów, a ich żywotność byłaby ograniczona do kilku godzin.

Do chłodzenia elementów turbiny gazowej wykorzystuje się powietrze pobierane ze sprężarki na tym etapie, w którym jego ciśnienie jest nieco wyższe niż ciśnienie gazów roboczych w strefie turbiny gazowej, do której powietrze jest doprowadzane. Np. do chłodzenia łopatek dyszy I stopnia powietrze chłodzące w ilości 4,5% przepływu powietrza na wlocie sprężarki pobierane jest z dyfuzora wylotu sprężarki, a do chłodzenia łopatek dyszy ostatniego stopnia i przyległych sekcja obudowy - od 5 stopnia sprężarki. Czasami, aby schłodzić najgorętsze elementy turbiny gazowej, powietrze pobrane z dyfuzora wylotowego sprężarki jest najpierw przesyłane do chłodnicy powietrza, gdzie jest schładzane (zwykle wodą) do temperatury 180–200 °C, a następnie kierowane do chłodzenia. W tym przypadku do chłodzenia potrzeba mniej powietrza, ale jednocześnie pojawia się koszt chłodnicy powietrza, turbina gazowa staje się bardziej skomplikowana, a część ciepła usuwanego przez wodę chłodzącą jest tracona.

Turbina gazowa ma zwykle 3-4 stopnie, tj. 6-8 brzegów krat, a najczęściej łopatki wszystkich brzegów są chłodzone, z wyjątkiem łopatek roboczych ostatniego stopnia. Powietrze do chłodzenia łopatek dysz doprowadzane jest do wewnątrz ich końcami i wyprowadzane przez liczne (600-700 otworów o średnicy 0,5-0,6 mm) otwory zlokalizowane w odpowiednich obszarach profilu. Powietrze chłodzące dostarczane jest do łopatek roboczych przez otwory wykonane w końcach trzonka.

Aby zrozumieć, jak rozmieszczone są chłodzone ostrza, należy przynajmniej ogólnie rozważyć technologię ich wytwarzania. Ze względu na ekstremalną trudność obróbka skrawaniem Stopy niklu do produkcji ostrzy stosowane są głównie do odlewania metodą traconego wosku. Aby go zrealizować, najpierw wykonuje się rdzenie odlewnicze z materiałów na bazie ceramiki przy użyciu specjalnej technologii formowania i obróbki cieplnej. Rdzeń odlewniczy jest dokładną kopią wnęki wewnątrz przyszłej łopatki, do której wpłynie i wpłynie powietrze chłodzące w wymaganym kierunku. Rdzeń odlewniczy umieszcza się w formie, której wewnętrzna wnęka w pełni odpowiada ostrzu, które ma zostać uzyskane. Powstała wolna przestrzeń między prętem a ścianą formy jest wypełniona podgrzaną masą o niskiej temperaturze topnienia (na przykład plastikiem), która krzepnie. Pręt wraz z otaczającą go krzepnącą masą, powtarzającą zewnętrzny kształt ostrza, jest modelem topiącym się. Umieszcza się go w formie, do której podawany jest wytop nimonowy. Ten ostatni topi plastik, zajmuje jego miejsce, w wyniku czego pojawia się odlewane ostrze z wewnętrzną wnęką wypełnioną prętem. Pręt usuwa się poprzez trawienie specjalnymi roztworami chemicznymi. Uzyskane łopatki dyszy praktycznie nie wymagają dodatkowej obróbki (poza wykonaniem licznych otworów wylotowych powietrza chłodzącego). Pracujące ostrza odlewane wymagają obróbki chwytu specjalnym narzędziem ściernym.

Opisana pokrótce technologia jest zapożyczona z technologii lotniczej, gdzie osiągane temperatury są znacznie wyższe niż w stacjonarnych turbinach parowych. Trudność opanowania tych technologii wiąże się ze znacznie większymi rozmiarami łopatek stacjonarnych turbin gazowych, które rosną proporcjonalnie do natężenia przepływu gazu, tj. Moc GTU.

Bardzo obiecujące wydaje się zastosowanie tzw. ostrzy monokryształowych, które są wykonane z jednego kryształu. Wynika to z faktu, że obecność granic ziaren podczas długiego przebywania w wysokiej temperaturze prowadzi do pogorszenia właściwości metalu.

Wirnik turbiny gazowej to unikalna konstrukcja prefabrykowana. Przed montażem poszczególnych płyt 5 kompresor i dysk 7 turbina gazowa jest łopatkowa i wyważona, produkowane są części końcowe 1 I 8 , przekładka 11 i środkowy pin 6 . Każdy z krążków posiada dwa pierścieniowe kołnierze, na których wykonane są piersi (od nazwiska wynalazcy Hirtha) - zęby ściśle promieniowe o profilu trójkątnym. Sąsiednie kawałki mają dokładnie takie same kołnierzyki z dokładnie takimi samymi piersiami. Przy dobrej jakości wykonania połączenia czopowego zapewnione jest bezwzględne centrowanie sąsiednich tarcz (zapewnia to promieniowość czopów) oraz powtarzalność montażu po demontażu wirnika.

Wirnik montowany jest na specjalnym stojaku, który jest windą z pierścieniową platformą dla personelu montażowego, wewnątrz której odbywa się montaż. Najpierw montuje się końcową część wirnika na gwincie 1 i drążek do krawata 6 . Pręt umieszcza się pionowo wewnątrz pierścieniowej platformy, a tarczę pierwszego stopnia sprężarki opuszcza się na nią za pomocą dźwigu. Centrowanie tarczy i części końcowej odbywa się za pomocą bicików. Poruszając się w górę na specjalnym podnośniku, personel instalacyjny dysk po dysku [najpierw kompresor, potem przekładka, a potem turbina i prawy koniec 8 ] zbiera cały rotor. Na prawym końcu przykręcona jest nakrętka 9 , a na pozostałej części gwintowanej części ściągu zainstalowane jest urządzenie hydrauliczne ściskające tarcze i ciągnące ściągi. Po narysowaniu pręta nakrętka 9 jest przykręcony do oporu, a urządzenie hydrauliczne jest usuwane. Rozciągnięty pręt bezpiecznie zaciska tarcze i zamienia wirnik w jedną sztywną konstrukcję. Zmontowany wirnik jest zdejmowany ze stanowiska montażowego i jest gotowy do montażu w turbinie gazowej.

Główną zaletą turbiny gazowej jest jej zwartość. Rzeczywiście, w turbinie gazowej nie ma przede wszystkim kotła parowego - konstrukcji, która osiąga dużą wysokość i wymaga osobnego pomieszczenia do instalacji. Ta okoliczność związana jest przede wszystkim z wysokim ciśnieniem w komorze spalania (1,2-2 MPa); w kotle spalanie odbywa się pod ciśnieniem atmosferycznym, a zatem objętość powstających gorących gazów jest 12-20 razy większa. Ponadto w turbinie gazowej proces rozprężania gazu zachodzi w turbinie gazowej składającej się tylko z 3-5 stopni, podczas gdy turbina parowa o tej samej mocy składa się z 3-4 cylindrów zawierających 25-30 stopni. Nawet biorąc pod uwagę zarówno komorę spalania, jak i sprężarkę powietrza, turbina gazowa o mocy 150 MW ma długość 8-12 m, a długość turbiny parowej o tej samej mocy o konstrukcji trzycylindrowej jest 1,5 raza dłuższa. Jednocześnie dla turbiny parowej oprócz kotła należy przewidzieć instalację skraplacza z pompami cyrkulacyjnymi i kondensatu, układ regeneracji 7-9 grzałek, turbopompy zasilające (od jednej do trzech) i odpowietrznik. Dzięki temu turbozespół gazowy może być posadowiony na betonowej podstawie na poziomie zerowym hali maszyn, a STU wymaga fundamentu ramowego o wysokości 9-16 m z turbiną parową posadowioną na górnej płycie fundamentowej oraz urządzeń pomocniczych w pomieszczenie kondensacyjne.

Kompaktowość turbiny gazowej pozwala na jej montaż w zakładzie turbinowym, dostarczanie do maszynowni koleją lub transportem drogowym do montażu na prostym fundamencie. Tak więc transportowane są w szczególności turbiny gazowe z wbudowanymi komorami spalania. W przypadku transportu turbin gazowych ze zdalnymi komorami, te ostatnie są transportowane oddzielnie, ale są łatwo i szybko mocowane do modułu sprężarka-turbina gazowa za pomocą kołnierzy. Turbina parowa dostarczana jest z licznymi zespołami i częściami, montaż zarówno samej siebie, jak i licznych urządzeń pomocniczych oraz połączeń między nimi zajmuje kilkakrotnie więcej czasu niż turbina gazowa.

GTU nie wymaga wody chłodzącej. W efekcie turbina gazowa nie posiada skraplacza i układu zaopatrzenie w wodę techniczną, z zespołem pompowym i chłodnią kominową (z doprowadzeniem wody obiegowej). W efekcie wszystko to prowadzi do tego, że koszt 1 kW mocy zainstalowanej elektrowni z turbiną gazową jest znacznie niższy. Jednocześnie koszt samego GTU (sprężarka + komora spalania + turbina gazowa), ze względu na swoją złożoność, okazuje się 3-4 razy wyższy niż koszt turbiny parowej o tej samej mocy.

Istotną zaletą turbiny gazowej jest jej duża manewrowość, determinowana niskim poziomem ciśnienia (w porównaniu do ciśnienia w turbinie parowej), a co za tym idzie, łatwe nagrzewanie i chłodzenie bez niebezpiecznych naprężeń termicznych i odkształceń.

Turbiny gazowe mają jednak również istotne wady, z których przede wszystkim należy zauważyć, że są mniej ekonomiczne niż elektrownie parowe. Średnia sprawność odpowiednio dobrych turbin gazowych wynosi 37-38%, a turbin parowych 42-43%. Pułap dla potężnych energetycznych turbin gazowych, jak to obecnie widać, to sprawność 41-42% (a może nawet wyższa, biorąc pod uwagę duże rezerwy na podwyższenie temperatury początkowej). Niższa sprawność turbiny gazowej związana jest z wysoką temperaturą spalin.

Kolejną wadą turbin gazowych jest niemożność zastosowania w nich paliw niskogatunkowych, przynajmniej obecnie. Może działać dobrze tylko na gazie lub dobrych paliwach płynnych, takich jak olej napędowy. Agregaty parowe mogą pracować na dowolnym paliwie, także najgorszej jakości.

Niski koszt początkowy elektrociepłowni z turbinami gazowymi, a jednocześnie stosunkowo niska sprawność i wysoki koszt stosowanego paliwa oraz zwrotność wyznaczają główny obszar indywidualnego wykorzystania turbin gazowych: powinny być stosowane w systemach elektroenergetycznych jako szczytowe lub rezerwowe źródła zasilania pracujące kilka godzin dziennie.

Jednocześnie sytuacja zmienia się dramatycznie, gdy ciepło spalin z turbiny gazowej jest wykorzystywane w ciepłowniach lub w cyklu kombinowanym (parowo-gazowym).

Turbina cieplna o ciągłym działaniu, w której energia cieplna sprężonego i ogrzanego gazu (najczęściej produktów spalania paliw) zamieniana jest na mechaniczną pracę obrotową na wale; jest elementem konstrukcyjnym silnika turbogazowego.

Ogrzewanie sprężonego gazu z reguły następuje w komorze spalania. Możliwe jest również prowadzenie ogrzewania w reaktorze jądrowym itp. Turbiny gazowe pojawiły się po raz pierwszy pod koniec XIX wieku. jako silnik turbogazowy i pod względem konstrukcyjnym zbliżyli się do turbiny parowej. Strukturalnie turbina gazowa to szereg uporządkowanych, nieruchomych felg łopatkowych aparatu dyszowego i wirujących felg wirnika, które w rezultacie tworzą część przepływową. Stopień turbiny to aparat dyszowy połączony z wirnikiem. Stopień składa się ze stojana, w skład którego wchodzą części nieruchome (obudowa, łopatki dyszy, pierścienie osłonowe) oraz wirnika, który jest zespołem części wirujących (takich jak łopatki wirnika, tarcze, wał).

Klasyfikacji turbiny gazowej dokonuje się według wielu cech konstrukcyjnych: kierunku przepływu gazu, liczby stopni, sposobu wykorzystania różnicy ciepła oraz sposobu doprowadzenia gazu do wirnika. W kierunku przepływu gazu można wyróżnić turbiny gazowe osiowe (najczęściej) i promieniowe, a także ukośne i styczne. W osiowych turbinach gazowych przepływ w sekcji południkowej transportowany jest głównie wzdłuż całej osi turbiny; w turbinach promieniowych przeciwnie, jest prostopadły do ​​osi. Turbiny promieniowe dzielą się na dośrodkowe i odśrodkowe. W turbinie diagonalnej gaz płynie pod pewnym kątem do osi obrotu turbiny. Wirnik turbiny stycznej nie ma łopatek, takie turbiny są stosowane przy bardzo małych natężeniach przepływu gazu, zwykle w przyrządach pomiarowych. Turbiny gazowe Są jedno-, dwu- i wielostopniowe.

Liczba stopni zależy od wielu czynników: przeznaczenia turbiny, jej schematu konstrukcyjnego, mocy całkowitej i rozwiniętej o jeden stopień oraz uruchamianego spadku ciśnienia. Zgodnie ze sposobem wykorzystania dostępnej różnicy ciepła wyróżnia się turbiny ze stopniami prędkości, w których w wirniku kręci się tylko przepływ bez zmiany ciśnienia (turbiny czynne) oraz turbiny ze stopniami ciśnienia, w których ciśnienie spada zarówno w aparaty dyszowe i na łopatach wirnika (turbiny odrzutowe). W turbinach częściowych gaz jest podawany do wirnika na części obwodu aparatu dyszowego lub na całym jego obwodzie.

W turbinie wielostopniowej na proces konwersji energii składa się szereg następujących po sobie procesów w poszczególnych etapach. Sprężony i ogrzany gaz doprowadzany jest z prędkością początkową do kanałów międzyłopatkowych aparatu dyszowego, gdzie w procesie rozprężania część dostępnej kropli ciepła zostaje zamieniona na energia kinetyczna dysze przepływowe. W kanałach międzyłopatkowych wirnika następuje dalsze rozprężanie gazu i zamiana kropli ciepła na pracę użyteczną. Przepływ gazu, działając na łopatki wirnika, wytwarza moment obrotowy na głównym wale turbiny. W takim przypadku prędkość bezwzględna gazu maleje. Im mniejsza jest ta prędkość, tym większa część energii gazu zamieniana jest na pracę mechaniczną na wale turbiny.

Sprawność charakteryzuje sprawność turbin gazowych, która jest stosunkiem pracy usuniętej z wału do dostępnej energii gazu przed turbiną. Efektywna sprawność nowoczesnych turbin wielostopniowych jest dość wysoka i sięga 92-94%.

Zasada działania turbiny gazowej jest następująca: gaz jest wtryskiwany do komory spalania przez sprężarkę, miesza się z powietrzem, tworzy mieszankę paliwową i jest zapalany. Powstające produkty spalania o wysokiej temperaturze (900-1200 °C) przechodzą przez kilka rzędów łopatek zamontowanych na wale turbiny i powodują obracanie się turbiny. Powstała energia mechaniczna wału jest przekazywana przez skrzynię biegów do generatora, który wytwarza energię elektryczną.

Energia cieplna gazy opuszczające turbinę dostają się do wymiennika ciepła. Również zamiast wytwarzania energii elektrycznej energia mechaniczna turbiny może być wykorzystana do obsługi różnych pomp, kompresorów itp. Najczęściej stosowanym paliwem do turbin gazowych jest gaz ziemny, choć nie może to wykluczyć możliwości wykorzystania innych rodzajów paliw gazowych . Ale jednocześnie turbiny gazowe są bardzo kapryśne i stawiają wysokie wymagania dotyczące jakości ich przygotowania (konieczne są pewne wtrącenia mechaniczne, wilgotność).

Temperatura gazów opuszczających turbinę wynosi 450-550 °C. Ilościowy stosunek energii cieplnej do energii elektrycznej w turbinach gazowych waha się od 1,5:1 do 2,5:1, co umożliwia budowanie układów kogeneracyjnych różniących się rodzajem chłodziwa:

1) bezpośrednie (bezpośrednie) wykorzystanie gorących spalin;
2) wytwarzanie pary nisko- lub średniociśnieniowej (8-18 kg/cm2) w kotle zewnętrznym;
3) produkcja ciepłej wody (lepiej, gdy wymagana temperatura przekracza 140 °C);
4) produkcja pary pod wysokim ciśnieniem.

Wielki wkład w rozwój turbin gazowych wnieśli sowieccy naukowcy B. S. Stechkin, G. S. Zhiritsky, N. R. Briling, V. V. Uvarov, K. V. Kholshchevikov, I. I. Kirillov i inni. stworzenie turbin gazowych dla stacjonarnych i mobilnych turbin gazowych zostało osiągnięte przez zagraniczne (szwajcarska Brown-Boveri, w której pracował słynny słowacki naukowiec A. Stodola, Sulzer, amerykański General Electric itp.).

W dalszy rozwój turbiny gazowe uzależnione są od możliwości podwyższenia temperatury gazu przed turbiną. Dzieje się tak dzięki stworzeniu nowych materiałów żaroodpornych i niezawodnych systemów chłodzenia łopat wirnika ze znaczną poprawą ścieżki przepływu itp.

Dzięki szeroko zakrojonej transformacji w latach 90-tych. gaz ziemny jako główne paliwo do wytwarzania energii, turbiny gazowe zajmują znaczący segment rynku. Pomimo tego, że maksymalna wydajność sprzętu jest osiągana przy mocach od 5 MW i wyższych (do 300 MW), niektórzy producenci produkują modele w zakresie 1-5 MW.

Turbiny gazowe znajdują zastosowanie w lotnictwie i elektrowniach.

• Poprzedni: ANALIZATOR GAZU
• Następny: SILNIK GAZOWY

Kategoria: Przemysł w G

Turbina to silnik, w którym energia potencjalna ściśliwego płynu jest zamieniana na energię kinetyczną w aparacie łopatkowym, a ta w wirnikach na pracę mechaniczną przenoszoną na stale obracający się wał.

Turbiny parowe swoją konstrukcją reprezentują stale działający silnik cieplny. Podczas pracy przegrzana lub nasycona para wodna przedostaje się na drogę przepływu i poprzez swoją ekspansję wymusza obrót wirnika. Obrót następuje w wyniku przepływu pary działającej na aparat łopatkowy.

Turbina parowa jest częścią konstrukcji turbiny parowej, która ma na celu generowanie energii. Istnieją również instalacje, które oprócz energii elektrycznej mogą generować energię cieplną – para, która przeszła przez łopatki parowe trafia do sieciowych podgrzewaczy wody. Ten typ turbiny nazywany jest turbinami przemysłowo-kogeneracyjnymi lub kogeneracyjnymi. W pierwszym przypadku w turbinie przewidziano odciąg pary do celów przemysłowych. W komplecie z generatorem turbina parowa jest zespołem turbinowym.

Typy turbin parowych

Turbiny dzielą się, w zależności od kierunku ruchu pary, na turbiny promieniowe i osiowe. Przepływ pary w turbinach promieniowych jest skierowany prostopadle do osi. Turbiny parowe mogą być jedno-, dwu- i trzykadłubowe. Turbina parowa wyposażona jest w szereg urządzeń technicznych, które zapobiegają przedostawaniu się powietrza z otoczenia do obudowy. Są to różnego rodzaju uszczelnienia, które są zasilane parą wodną w niewielkiej ilości.

W przedniej części wału znajduje się regulator bezpieczeństwa, którego zadaniem jest odcięcie dopływu pary przy wzroście prędkości obrotowej turbiny.

Charakterystyka głównych parametrów wartości nominalne

· Moc znamionowa turbiny- maksymalna moc, jaką turbina musi rozwijać przez długi czas na zaciskach prądnicy, przy normalnych wartościach głównych parametrów lub gdy zmieniają się one w granicach określonych przez branżę oraz standardy państwowe. Sterowana turbina parowa może rozwijać moc powyżej swojej mocy nominalnej, jeśli jest to zgodne z warunkami wytrzymałościowymi jej części.

· Moc ekonomiczna turbiny- moc, przy której turbina pracuje z największą wydajnością. W zależności od parametrów pary świeżej i przeznaczenia turbiny, moc znamionowa może być równa mocy ekonomicznej lub więcej o 10-25%.

· Temperatura nominalna regeneracyjnego ogrzewania wody zasilającej- temperatura wody zasilającej za ostatnim podgrzewaczem w kierunku wody.

· Znamionowa temperatura wody chłodzącej- temperatura wody chłodzącej na wlocie do skraplacza.

turbina gazowa(fr. turbina z łac. turbo wir, obrót) jest ciągłym silnikiem cieplnym, w aparacie łopatkowym, którego energia sprężonego i ogrzanego gazu jest zamieniana na pracę mechaniczną na wale. Składa się z wirnika (łopatki zamontowane na tarczach) oraz stojana (łopatki kierujące zamocowane w obudowie).

Gaz o wysokiej temperaturze i ciśnieniu wchodzi przez aparat z dyszą turbiny do obszaru niskiego ciśnienia za częścią dyszy, jednocześnie rozszerzając się i przyspieszając. Ponadto strumień gazu wchodzi do łopatek turbiny, przekazując im część swojej energii kinetycznej i przenosząc moment obrotowy na łopatki. Łopatki wirnika przenoszą moment obrotowy przez tarcze turbiny na wał. Korzystne cechy turbina gazowa: turbina gazowa, na przykład, napędza generator umieszczony z nią na tym samym wale, co stanowi użyteczną pracę turbiny gazowej.

Turbiny gazowe wykorzystywane są jako część silników turbogazowych (wykorzystywanych w transporcie) oraz turbozespołów gazowych (stosowanych w elektrociepłowniach w ramach stacjonarnych GTU, CCGT). Turbiny gazowe są opisane przez cykl termodynamiczny Braytona, w którym powietrze jest najpierw adiabatycznie sprężane, następnie spalane pod stałym ciśnieniem, a następnie adiabatycznie rozprężane z powrotem do ciśnienia początkowego.

Rodzaje turbin gazowych

- Silniki lotnicze i odrzutowe

- Pomocnicza jednostka napędowa

- Przemysłowe turbiny gazowe do wytwarzania energii elektrycznej

- Silniki turbowałowe

- promieniowe turbiny gazowe

- Mikroturbiny

Mechanicznie turbiny gazowe mogą być znacznie prostsze niż silniki spalinowe tłokowe. Proste turbiny mogą mieć jedną ruchomą część: zespół wału/sprężarki/turbiny/alternatywnego wirnika (patrz ilustracja powyżej), bez układu paliwowego.

Bardziej złożone turbiny (stosowane w nowoczesnych silnikach odrzutowych) mogą mieć wiele wałów (cewek), setki łopatek turbiny, ruchome łopatki stojana oraz rozbudowany system złożonego orurowania, komór spalania i wymienników ciepła.

Zgodnie z ogólną zasadą, im mniejszy silnik, tym wyższa prędkość wału (wałów) wymagana do utrzymania maksymalnej prędkości liniowej łopatek. Maksymalna prędkośćŁopatki turbiny określają maksymalne ciśnienie, jakie można osiągnąć, co skutkuje maksymalną mocą, niezależnie od wielkości silnika. Silnik odrzutowy obraca się z prędkością około 10 000 obr./min, a mikroturbina z prędkością około 100 000 obr./min.

Turbina cieplna o ciągłym działaniu, w której energia cieplna sprężonego i ogrzanego gazu (najczęściej produktów spalania paliw) zamieniana jest na mechaniczną pracę obrotową na wale; jest elementem konstrukcyjnym silnika turbogazowego.

Ogrzewanie sprężonego gazu z reguły następuje w komorze spalania. Możliwe jest również prowadzenie ogrzewania w reaktorze jądrowym itp. Turbiny gazowe pojawiły się po raz pierwszy pod koniec XIX wieku. jako silnik turbogazowy i pod względem konstrukcyjnym zbliżyli się do turbiny parowej. Strukturalnie turbina gazowa to szereg uporządkowanych, nieruchomych felg łopatkowych aparatu dyszowego i wirujących felg wirnika, które w rezultacie tworzą część przepływową. Stopień turbiny to aparat dyszowy połączony z wirnikiem. Stopień składa się ze stojana, w skład którego wchodzą części nieruchome (obudowa, łopatki dyszy, pierścienie osłonowe) oraz wirnika, który jest zespołem części wirujących (takich jak łopatki wirnika, tarcze, wał).

Klasyfikacji turbiny gazowej dokonuje się według wielu cech konstrukcyjnych: kierunku przepływu gazu, liczby stopni, sposobu wykorzystania różnicy ciepła oraz sposobu doprowadzenia gazu do wirnika. W kierunku przepływu gazu można wyróżnić turbiny gazowe osiowe (najczęściej) i promieniowe, a także ukośne i styczne. W osiowych turbinach gazowych przepływ w sekcji południkowej transportowany jest głównie wzdłuż całej osi turbiny; w turbinach promieniowych przeciwnie, jest prostopadły do ​​osi. Turbiny promieniowe dzielą się na dośrodkowe i odśrodkowe. W turbinie diagonalnej gaz płynie pod pewnym kątem do osi obrotu turbiny. Wirnik turbiny stycznej nie ma łopatek, takie turbiny są stosowane przy bardzo małych natężeniach przepływu gazu, zwykle w przyrządach pomiarowych. Turbiny gazowe są jedno-, dwu- i wielostopniowe.

Liczba stopni zależy od wielu czynników: przeznaczenia turbiny, jej schematu konstrukcyjnego, mocy całkowitej i rozwiniętej o jeden stopień oraz uruchamianego spadku ciśnienia. Zgodnie ze sposobem wykorzystania dostępnej różnicy ciepła wyróżnia się turbiny ze stopniami prędkości, w których w wirniku kręci się tylko przepływ bez zmiany ciśnienia (turbiny czynne) oraz turbiny ze stopniami ciśnienia, w których ciśnienie spada zarówno w aparaty dyszowe i na łopatach wirnika (turbiny odrzutowe). W turbinach częściowych gaz jest podawany do wirnika na części obwodu aparatu dyszowego lub na całym jego obwodzie.

W turbinie wielostopniowej na proces konwersji energii składa się szereg następujących po sobie procesów w poszczególnych etapach. Sprężony i ogrzany gaz podawany jest z prędkością początkową do kanałów międzyłopatkowych aparatu dyszowego, gdzie w procesie rozprężania część dostępnej kropli ciepła jest zamieniana na energię kinetyczną strumienia wypływowego. W kanałach międzyłopatkowych wirnika następuje dalsze rozprężanie gazu i zamiana kropli ciepła na pracę użyteczną. Przepływ gazu, działając na łopatki wirnika, wytwarza moment obrotowy na głównym wale turbiny. W takim przypadku prędkość bezwzględna gazu maleje. Im mniejsza jest ta prędkość, tym większa część energii gazu zamieniana jest na pracę mechaniczną na wale turbiny.

Sprawność charakteryzuje sprawność turbin gazowych, która jest stosunkiem pracy usuniętej z wału do dostępnej energii gazu przed turbiną. Efektywna sprawność nowoczesnych turbin wielostopniowych jest dość wysoka i sięga 92-94%.

Zasada działania turbiny gazowej jest następująca: gaz jest wtryskiwany do komory spalania przez sprężarkę, miesza się z powietrzem, tworzy mieszankę paliwową i jest zapalany. Powstające produkty spalania o wysokiej temperaturze (900-1200 °C) przechodzą przez kilka rzędów łopatek zamontowanych na wale turbiny i powodują obracanie się turbiny. Powstała energia mechaniczna wału jest przekazywana przez skrzynię biegów do generatora, który wytwarza energię elektryczną.

Energia cieplna gazy opuszczające turbinę dostają się do wymiennika ciepła. Również zamiast wytwarzania energii elektrycznej energia mechaniczna turbiny może być wykorzystana do obsługi różnych pomp, kompresorów itp. Najczęściej stosowanym paliwem do turbin gazowych jest gaz ziemny, choć nie może to wykluczyć możliwości wykorzystania innych rodzajów paliw gazowych . Ale jednocześnie turbiny gazowe są bardzo kapryśne i stawiają wysokie wymagania dotyczące jakości ich przygotowania (konieczne są pewne wtrącenia mechaniczne, wilgotność).

Temperatura gazów opuszczających turbinę wynosi 450-550 °C. Ilościowy stosunek energii cieplnej do energii elektrycznej w turbinach gazowych waha się od 1,5:1 do 2,5:1, co umożliwia budowanie układów kogeneracyjnych różniących się rodzajem chłodziwa:

1) bezpośrednie (bezpośrednie) wykorzystanie gorących spalin;
2) wytwarzanie pary nisko- lub średniociśnieniowej (8-18 kg/cm2) w kotle zewnętrznym;
3) produkcja ciepłej wody (lepiej, gdy wymagana temperatura przekracza 140 °C);
4) produkcja pary pod wysokim ciśnieniem.

Wielki wkład w rozwój turbin gazowych wnieśli sowieccy naukowcy B. S. Stechkin, G. S. Zhiritsky, N. R. Briling, V. V. Uvarov, K. V. Kholshchevikov, I. I. Kirillov i inni. stworzenie turbin gazowych dla stacjonarnych i mobilnych turbin gazowych zostało osiągnięte przez zagraniczne (szwajcarska Brown-Boveri, w której pracował słynny słowacki naukowiec A. Stodola, Sulzer, amerykański General Electric itp.).

W przyszłości rozwój turbin gazowych będzie uzależniony od możliwości podwyższenia temperatury gazu przed turbiną. Dzieje się tak dzięki stworzeniu nowych materiałów żaroodpornych i niezawodnych systemów chłodzenia łopat wirnika ze znaczną poprawą ścieżki przepływu itp.

Dzięki szeroko zakrojonej transformacji w latach 90-tych. gaz ziemny jako główne paliwo do wytwarzania energii, turbiny gazowe zajmują znaczący segment rynku. Pomimo tego, że maksymalna wydajność sprzętu jest osiągana przy mocach od 5 MW i wyższych (do 300 MW), niektórzy producenci produkują modele w zakresie 1-5 MW.

Turbiny gazowe znajdują zastosowanie w lotnictwie i elektrowniach.

• Poprzedni: ANALIZATOR GAZU
• Następny: SILNIK GAZOWY

Kategoria: Przemysł w G