Articolul descrie cum se calculează Eficiența celor mai simple GTU, tabele cu diferite GTU și CCGT sunt date pentru a le compara eficiența și alte caracteristici.

În domeniul utilizării industriale a turbinelor cu gaz și a tehnologiilor cu abur-gaz, Rusia a rămas cu mult în urma țărilor avansate ale lumii.

Lideri mondiali în producția de centrale pe gaz de mare capacitate și cu ciclu combinat: GE, Siemens Wistinghouse, ABB - au atins valori de putere unitară a centralelor cu turbine cu gaz de 280-320 MW și o eficiență de peste 40%, cu un utilizarea suprastructurii abur-putere într-un ciclu abur-gaz (numit și binar) - capacități de 430-480 MW cu eficiență de până la 60%. Dacă aveți întrebări despre fiabilitatea CCGT - atunci citiți articolul.

Aceste cifre impresionante servesc drept repere în determinarea căilor de dezvoltare pentru industria energetică din Rusia.

Cum se determină randamentul unei turbine cu gaz?

Iată câteva formule simple pentru a arăta care este eficiența unei instalații cu turbine cu gaz:

Puterea internă a turbinei:

Nt = Gex * Lt, unde Lt este funcționarea turbinei, Gex este debitul gazelor de eșapament;

Putere internă GTU:

Ni gtu \u003d Nt - Nk, unde Nk este puterea internă a compresorului de aer;

Putere efectivă GTU:

Nef \u003d Ni gtu * Eficiență mech, eficiență mech - eficiența asociată cu pierderile mecanice în rulmenți, poate fi luată 0,99

Energie electrică:

Nel \u003d Ne * eficiență, de exemplu, unde eficiența de exemplu este eficiența asociată cu pierderile în generatorul electric, putem lua 0,985

Căldura disponibilă a combustibilului:

Qsp = Gtop * Qrn, unde Gref - consumul de combustibil, Qrn - cea mai mică putere calorică de lucru a combustibilului

Eficiența electrică absolută a unei instalații cu turbine cu gaz:

Eficiență \u003d Nel / Q dist

Eficiența CCGT este mai mare decât eficiența GTUîntrucât instalația cu ciclu combinat folosește căldura gazelor de eșapament ale turbinei cu gaz. În spatele turbinei cu gaz este instalat un cazan de căldură reziduală, în care căldura de la gazele de evacuare ale turbinei cu gaz este transferată în fluidul de lucru (apa de alimentare), aburul generat este trimis la turbina cu abur pentru a genera energie electrică și căldură.

Citeste si: Cum să alegi o instalație de turbină cu gaz pentru o centrală CCGT

Eficiența CCGT este de obicei reprezentată de raportul:

Eficiență PGU \u003d Eficiență GTU * B + (eficiență 1-GTU * B) * Eficiență PSU

B este gradul de binaritate al ciclului

Eficiență PSU - Eficiența unei centrale electrice cu abur

B = Qks/(Qks+Qku)

Qks este căldura combustibilului ars în camera de ardere a unei turbine cu gaz

Qku - căldura combustibilului suplimentar ars în cazanul de căldură reziduală

În același timp, se observă că dacă Qku = 0, atunci B = 1, adică instalarea este complet binară.

Influența gradului de binaritate asupra eficienței CCGT

B	Eficiența GTU	Eficiența PSU	Eficiența CCGT
1	0,32	0,3	0,524
1	0,36	0,32	0,565
1	0,36	0,36	0,590
1	0,38	0,38	0,612
0,3	0,32	0,41	0,47
0,4	0,32	0,41	0,486
0,3	0,36	0,41	0,474
0,4	0,36	0,41	0,495
0,3	0,36	0,45	0,51
0,4	0,36	0,45	0,529

Să prezentăm secvențial tabelele cu caracteristicile eficienței turbinelor cu gaz și după ele indicatorii CCGT cu aceste motoare cu gaz și să comparăm eficiența unei turbine cu gaz separate și eficiența CCGT.

Caracteristicile turbinelor moderne cu gaz puternice

Turbine cu gaz ABB

Caracteristică	Model GTU
Caracteristică	GT26GTU cu reîncălzire	GT24GTU cu reîncălzire
Putere ISO MW	265	183
eficienta %	38,5	38,3
	30	30
	562	391
	1260	1260
	610	610
	50	50

Centrale cu ciclu combinat cu turbine cu gaz ABB

Turbine cu gaz GE

Caracteristică	Model GTU
	MS7001FA	MS9001FA	MS7001G	MS9001G

Putere ISO MW	159	226,5	240	282
eficienta %	35,9	35,7	39,5	39,5
Raportul presiunii compresorului	14,7	14,7	23,2	23,2
Consumul fluidului de lucru la evacuarea GTU kg/s	418	602	558	685
Temperatura inițială, în fața lamelor de lucru 1 lingură. DIN	1288	1288	1427	1427
Temperatura fluidului de lucru la evacuare C	589	589	572	583
Viteza generatorului 1/s	60	50	60	50

Citeste si: De ce să construim centrale termice cu ciclu combinat? Care sunt avantajele plantelor cu ciclu combinat.

Centrale cu ciclu combinat cu turbine cu gaz GE

Caracteristică	Model GTU
Caracteristică	MS7001FA	MS9001FA	MS7001G	MS9001G
Compoziția părții turbinei cu gaz a CCGT	1хMS7001FA	1хMS9001FA	1хMS9001G	1xMS9001H
Model CCGT	S107FA	S109FA	S109G	S109H
Putere CCGT MW	259.7	376.2	420.0	480.0
Eficiența CCGT %	55.9	56.3	58.0	60.0

Turbine cu gaz Siemens

Caracteristică	Model GTU
	Model GTU
	V64.3A	V84.3A	V94.3A
Putere ISO MW	70	170	240
eficienta %	36,8	38	38
Raportul presiunii compresorului	16,6	16,6	16,6
Consumul fluidului de lucru la evacuarea GTU kg/s	194	454	640
Temperatura inițială, în fața lamelor de lucru 1 lingură. DIN	1325	1325	1325
Temperatura fluidului de lucru la evacuare C	565	562	562
Viteza generatorului 1/s	50/60	60	50

Centrale cu ciclu combinat cu turbine cu gaz Siemens

Turbine cu gaz Westinghouse-Mitsubishi-Fiat

Caracteristică	Model GTU
Caracteristică	501F	501G	701F	701G1	701G2
Putere ISO MW	167	235,2	251,1	271	308
eficienta %	36,1	39	37	38,7	39
Raportul presiunii compresorului	14	19,2	16,2	19	21
Consumul fluidului de lucru la evacuarea GTU kg/s	449,4	553,4	658,9	645	741
Temperatura inițială, în fața lamelor de lucru 1 lingură. DIN	1260	1427	1260	1427	1427
Temperatura fluidului de lucru la evacuare C	596	590	569	588	574
Viteza generatorului 1/s	60	60	50	50	50

O turbină este orice dispozitiv rotativ care utilizează energia unui fluid de lucru în mișcare (fluid) pentru a produce lucru. Fluidele tipice ale turbinelor sunt: vânt, apă, abur și heliu. Morile de vânt și centralele hidroelectrice au folosit turbine de zeci de ani pentru a transforma generatoarele electrice și pentru a produce energie pentru industrie și locuințe. Turbinele simple sunt cunoscute de mult timp, prima dintre ele a apărut în Grecia antică.

În istoria producerii de energie, însă, turbinele cu gaz în sine au apărut nu cu mult timp în urmă. Prima turbină practică cu gaz a început să genereze electricitate în Neuchatel, Elveția, în 1939. A fost dezvoltat de compania Brown Boveri. Prima turbină cu gaz care a alimentat un avion a funcționat tot în 1939 în Germania, folosind o turbină cu gaz proiectată de Hans P. von Ohain. În Anglia, în anii 1930, invenția și proiectarea turbinei cu gaz de către Frank Whittle au condus la primul zbor cu turbină în 1941.

Figura 1. Schema unei turbine de avion (a) și a unei turbine cu gaz pentru utilizare la sol (b)

Termenul „turbină cu gaz” este ușor înșelător, deoarece pentru mulți înseamnă un motor cu turbină care folosește gaz drept combustibil. De fapt, o turbină cu gaz (prezentată schematic în Figura 1) are un compresor care furnizează și comprimă gaz (de obicei aer); camera de ardere, unde arderea combustibilului încălzește gazul comprimat și turbina însăși, care extrage energie din fluxul de gaze fierbinți, comprimate. Această energie este suficientă pentru a alimenta compresorul și rămâne pt aplicații utile. O turbină cu gaz este un motor cu ardere internă (ICE) care utilizează arderea continuă a combustibilului pentru a produce muncă utilă. Prin aceasta, turbina diferă de motoarele cu carburator sau diesel cu ardere internă, unde procesul de ardere este intermitent.

Din anul 1939 folosirea turbine cu gaz a început simultan în industria energetică și a aviației - diferite nume sunt folosite pentru aviație și turbinele cu gaz terestre. Turbinele cu gaz pentru avioane sunt numite motoare cu turboreacție sau cu reacție, iar alte turbine cu gaz sunt numite motoare cu turbină cu gaz. LA Limba engleză există și mai multe nume pentru aceste motoare similare în general.

Utilizarea turbinelor cu gaz

Într-un turbojet de avion, energia din turbină antrenează un compresor care atrage aer în motor. Gazul fierbinte care iese din turbină este expulzat în atmosferă prin duza de evacuare, care creează forță. Pe fig. 1a prezintă o diagramă a unui motor turborreactor.

Figura 2. Reprezentarea schematică a unui motor turborreactor de avion.

Un motor turboreactor tipic este prezentat în fig. 2. Astfel de motoare creează tracțiune de la 45 kgf la 45.000 kgf cu o greutate proprie de 13 kg la 9.000 kg. Cele mai mici motoare conduc rachete de croazieră, cele mai mari - avioane uriașe. Turbina cu gaz din fig. 2 este un motor turboventilator cu un compresor de diametru mare. Impingerea este creată atât de aerul care este aspirat de compresor, cât și de aerul care trece prin turbină în sine. Motorul are dimensiuni mariși este capabil să genereze tracțiune mare la viteze mici de decolare, făcându-l cel mai potrivit pentru aeronavele comerciale. Motorul turboreactor nu are ventilator și creează tracțiune cu aer care trece complet prin calea gazului. Turboreacțiile au dimensiuni frontale mici și produc cea mai mare tracțiune la viteze mari, făcându-le cele mai potrivite pentru utilizarea în avioanele de luptă.

În turbinele cu gaz neaeronautice, o parte din energia din turbină este utilizată pentru a antrena compresorul. Energia rămasă - „energia utilă” este îndepărtată din arborele turbinei la un dispozitiv de utilizare a energiei, cum ar fi un generator electric sau elicea unei nave.

În fig. 3. Astfel de instalații pot genera energie de la 0,05 MW până la 240 MW. Configurația prezentată în fig. 3 este o turbină cu gaz derivată din avion, dar mai uşoară. Unitățile mai grele sunt proiectate special pentru utilizare la sol și se numesc turbine industriale. Deși turbinele derivate din aeronave sunt din ce în ce mai folosite ca generatoare de energie primară, ele sunt încă utilizate cel mai frecvent ca compresoare pentru pomparea gazului natural, alimentarea navelor și utilizate ca generatoare de energie suplimentare în perioadele de cerere de vârf. Generatoarele cu turbine cu gaz se pot porni rapid, furnizând energie atunci când este cea mai necesară.

Figura 3. Cea mai simplă turbină cu gaz, cu o singură treaptă, de pe uscat. De exemplu, în energie. 1 - compresor, 2 - camera de ardere, 3 - turbina.

Cele mai importante avantaje ale unei turbine cu gaz sunt:

Este capabil să genereze multă putere cu o dimensiune și o greutate relativ mici.
Turbina cu gaz funcționează într-un mod de rotație constantă, spre deosebire de motoarele cu piston care funcționează cu sarcini în schimbare constantă. Prin urmare, turbinele durează mult timp și necesită întreținere relativ mică.
Deși turbina cu gaz este pornită folosind echipamente auxiliare, cum ar fi motoare electrice sau altă turbină cu gaz, pornirea durează câteva minute. Pentru comparație, timpul de pornire al unei turbine cu abur este măsurat în ore.
O turbină cu gaz poate folosi o varietate de combustibili. Turbinele mari de pe uscat folosesc de obicei gaz natural, în timp ce turbinele de aviație tind să utilizeze distilate ușoare (kerosen). Se poate folosi și motorină sau păcură tratată special. De asemenea, este posibilă utilizarea gazelor combustibile din procesul de piroliză, gazeificare și rafinare a petrolului, precum și biogaz.
De obicei, turbinele cu gaz folosesc aerul atmosferic ca fluid de lucru. Când generează energie electrică, o turbină cu gaz nu are nevoie de lichid de răcire (cum ar fi apa).

În trecut, unul dintre principalele dezavantaje ale turbinelor cu gaz era eficiența lor scăzută în comparație cu alte motoare cu ardere internă sau turbine cu abur din centralele electrice. Cu toate acestea, în ultimii 50 de ani, îmbunătățirile în proiectarea lor au crescut eficiența termică de la 18% în 1939 la o turbină cu gaz Neuchatel la eficiența actuală de 40% în funcționarea cu ciclu simplu și aproximativ 55% în ciclul combinat (mai multe despre asta mai jos) . In viitor randamentul gazului turbinele vor crește și mai mult, este de așteptat ca randamentul într-un ciclu simplu să crească la 45-47% și în ciclu combinat până la 60%. Aceste eficiențe așteptate sunt substanțial mai mari decât alte motoare comune, cum ar fi turbinele cu abur.

Cicluri ale turbinei cu gaz

Diagrama de secvență arată ce se întâmplă când aerul intră, trece prin calea gazului și iese din turbina cu gaz. De obicei, o ciclogramă arată relația dintre volumul de aer și presiunea sistemului. Pe fig. 4a prezintă ciclul Brayton, care arată modificarea proprietăților unui volum fix de aer care trece printr-o turbină cu gaz în timpul funcționării acesteia. Zonele cheie ale acestei ciclograme sunt prezentate și în reprezentarea schematică a turbinei cu gaz din fig. 4b.

Figura 4a. Diagrama ciclului lui Brayton Coordonatele P-V pentru fluidul de lucru, arătând fluxurile de lucru (W) și căldură (Q).

Figura 4b. Ilustrație schematică a unei turbine cu gaz care arată puncte din diagrama ciclului Brayton.

Aerul este comprimat din punctul 1 în punctul 2. Presiunea gazului crește în timp ce volumul gazului scade. Aerul este apoi încălzit la presiune constantă de la punctul 2 până la punctul 3. Această căldură este produsă de combustibilul care este introdus în camera de ardere și arde continuu.

Aerul comprimat cald de la punctul 3 începe să se extindă între punctele 3 și 4. Presiunea și temperatura în acest interval scad, iar volumul de gaz crește. În motorul din fig. 4b, aceasta este reprezentată de fluxul de gaz de la punctul 3 prin turbină la punctul 4. Aceasta produce energie care poate fi apoi utilizată. În fig. 1a, fluxul este direcționat de la punctul 3" la punctul 4 prin duza de ieșire și produce forță. "Lucrare utilă" din Fig. 4a este prezentată de curba 3'-4. Aceasta este energia capabilă să antreneze arborele de antrenare al unui turbina de sol sau crearea de tracțiune pentru un motor de aeronavă.Ciclul Brighton se încheie în Fig. 4 cu un proces în care volumul și temperatura aerului scad pe măsură ce căldura este eliberată în atmosferă.

Figura 5. Sistem în buclă închisă.

Majoritatea turbinelor cu gaz funcționează în regim de ciclu deschis. Într-un circuit deschis, aerul este preluat din atmosferă (punctul 1 din Fig. 4a și 4b) și expulzat înapoi în atmosferă la punctul 4, astfel încât gazul fierbinte este răcit în atmosferă după ce este evacuat din motor. Într-o turbină cu gaz care funcționează în ciclu închis, fluidul de lucru (lichid sau gaz) este utilizat în mod constant pentru răcirea gazelor de eșapament (la punctul 4) în schimbătorul de căldură (reprezentat schematic în Fig. 5) și este trimis la admisia compresorului. . Deoarece se utilizează un volum închis cu o cantitate limitată de gaz, o turbină cu ciclu închis nu este un motor cu ardere internă. Într-un sistem cu ciclu închis, arderea nu poate fi susținută, iar camera de ardere convențională este înlocuită cu un schimbător de căldură secundar care încălzește aerul comprimat înainte de a intra în turbină. Caldura asigurata sursă externă, de exemplu, un reactor nuclear, un cuptor cu pat fluidizat cu cărbune sau altă sursă de căldură. S-a propus utilizarea turbinelor cu gaz cu ciclu închis în zborurile către Marte și în alte zboruri spațiale pe termen lung.

O turbină cu gaz care este proiectată și operată conform ciclului Bryson (Figura 4) se numește turbină cu gaz cu ciclu simplu. Majoritatea turbinelor cu gaz de pe aeronave funcționează pe un ciclu simplu pentru a menține greutatea și dimensiunea frontală a motorului cât mai mici posibil. Cu toate acestea, pentru utilizarea pe uscat sau pe mare, devine posibilă adăugarea de echipamente suplimentare la turbina cu ciclu simplu pentru a crește eficiența și/sau puterea motorului. Sunt utilizate trei tipuri de modificări: regenerare, răcire intermediară și încălzire dublă.

Regenerare prevede instalarea unui schimbător de căldură (recuperator) pe drumul gazelor de evacuare (punctul 4 din fig. 4b). Aer comprimat de la punctul 2 din fig. 4b este preîncălzit pe schimbătorul de căldură de către gazele de evacuare înainte de a intra în camera de ardere (Fig. 6a).

Dacă regenerarea este bine implementată, adică eficiența schimbătorului de căldură este mare, iar căderea de presiune în acesta este mică, eficiența va fi mai mare decât în cazul unui ciclu simplu de turbină. Cu toate acestea, ar trebui luat în considerare și costul regeneratorului. Regeneratoarele au fost folosite în motoarele cu turbină cu gaz din tancurile Abrams M1 - principalul tanc de luptă al Operațiunii Desert Storm - și în motoarele experimentale cu turbine cu gaz ale vehiculelor. Turbinele cu gaz cu regenerare cresc randamentul cu 5-6% iar randamentul lor este chiar mai mare atunci cand functioneaza sub sarcina partiala.

Intercooling implică și utilizarea schimbătoarelor de căldură. Un intercooler (intercooler) răcește gazul în timpul comprimării acestuia. De exemplu, dacă compresorul este format din două module, de înaltă și de joasă presiune, între ele ar trebui instalat un intercooler pentru a răci debitul de gaz și a reduce cantitatea de muncă necesară comprimarii în compresorul de înaltă presiune (Fig. 6b). Agentul de răcire poate fi aerul atmosferic (așa-numitele răcitoare de aer) sau apă (de exemplu, apa de mare din turbina unei nave). Este ușor de demonstrat că puterea unei turbine cu gaz cu un intercooler bine proiectat este crescută.

incalzire dubla este utilizat în turbine și este o modalitate de a crește puterea de ieșire a unei turbine fără a modifica funcționarea compresorului sau a crește temperatura de funcționare a turbinei. Dacă turbina cu gaz are două module, de înaltă și de joasă presiune, atunci se folosește un supraîncălzitor (de obicei un alt arzător) pentru a reîncălzi fluxul de gaz dintre turbinele de înaltă și joasă presiune (Fig. 6c). Poate crește puterea de ieșire cu 1-3%. Încălzirea duală în turbinele aeronavelor este realizată prin adăugarea unui post-ardere la duza turbinei. Acest lucru crește tracțiunea, dar crește semnificativ consumul de combustibil.

Centrala electrică cu turbină cu gaz cu ciclu combinat este adesea abreviată ca CCGT. Ciclu combinat înseamnă o centrală electrică în care o turbină cu gaz și o turbină cu abur sunt utilizate împreună pentru a obține o eficiență mai mare decât atunci când sunt utilizate separat. Turbina cu gaz antrenează un generator electric. Gazele de evacuare ale turbinei sunt folosite pentru a produce abur într-un schimbător de căldură, acest abur antrenează o turbină cu abur care produce și energie electrică. Dacă pentru încălzire se folosește abur, instalația se numește centrală de cogenerare. Cu alte cuvinte, în Rusia este folosită în mod obișnuit abrevierea CHP (Heat and Power Plant). Dar la centralele CHP, de regulă, nu funcționează turbinele cu gaz, ci turbinele obișnuite cu abur. Iar aburul folosit este folosit pentru încălzire, deci CHP și CHP nu sunt sinonime. Pe fig. 7 este o diagramă simplificată a unei centrale electrice de cogenerare, prezentând două motoare termice instalate în serie. Motorul de sus este o turbină cu gaz. Transferă energie către motorul inferior - turbina cu abur. Turbina cu abur transferă apoi căldura la condensator.

Figura 7. Diagrama unei centrale electrice cu ciclu combinat.

Eficiența ciclului combinat \(\nu_(cc) \) poate fi reprezentată printr-o expresie destul de simplă: \(\nu_(cc) = \nu_B + \nu_R - \nu_B \times \nu_R \) Cu alte cuvinte, este suma eficienței fiecăreia dintre etape minus munca lor. Această ecuație arată de ce cogenerarea este atât de eficientă. Să presupunem că \(\nu_B = 40%\) este o limită superioară rezonabilă pentru eficiența unei turbine cu gaz cu ciclu Brayton. O estimare rezonabilă a eficienței unei turbine cu abur care funcționează pe ciclul Rankine la a doua etapă de cogenerare este \(\nu_R = 30% \). Înlocuind aceste valori în ecuație, obținem: \(\nu_(cc) = 0,40 + 0,30 - 0,40 \times 0,3 = 0,70 - 0,12 = 0,58 \). Adică, eficiența unui astfel de sistem va fi de 58%.

Aceasta este limita superioară a eficienței unei centrale electrice de cogenerare. Eficiență practică va fi mai scăzută din cauza pierderii inevitabile de energie între etape. Practic in sisteme de cogenerare puse in functiune in anul trecut a atins un randament de 52-58%.

Componentele turbinei cu gaz

Funcționarea unei turbine cu gaz este cel mai bine împărțită în trei subsisteme: compresor, cameră de ardere și turbină, așa cum se arată în Fig. 1. În continuare, vom trece în revistă pe scurt fiecare dintre aceste subsisteme.

Compresoare si turbine

Compresorul este conectat la turbină printr-un arbore comun, astfel încât turbina să poată întoarce compresorul. O turbină cu gaz cu un singur arbore are un singur arbore care conectează turbina și compresorul. O turbină cu gaz cu doi arbori (Fig. 6b și 6c) are doi arbori conici. Cel mai lung este conectat la un compresor de joasă presiune și o turbină de joasă presiune. Se rotește în interiorul unui arbore tubular mai scurt care conectează compresorul de înaltă presiune la turbina de înaltă presiune. Arborele care conectează turbina și compresorul de înaltă presiune se rotește mai repede decât arborele turbinei și compresorului de joasă presiune. O turbină cu gaz cu trei arbori are un al treilea arbore care conectează turbina și compresorul de medie presiune.

Turbinele cu gaz pot fi centrifuge sau axiale sau o combinație. Compresorul centrifugal, în care aerul comprimat iese în jurul perimetrului exterior al mașinii, este fiabil, costă de obicei mai puțin, dar este limitat la un raport de compresie de 6-7 la 1. Au fost utilizate pe scară largă în trecut și sunt încă folosite astăzi. în mici turbine cu gaz.

La compresoarele axiale mai eficiente și mai productive, aerul comprimat iese de-a lungul axei mecanismului. Acesta este cel mai comun tip de compresor de gaz (vezi figurile 2 și 3). Compresoarele centrifuge constau din un numar mare aceleași secțiuni. Fiecare secțiune conține o roată rotativă cu palete de turbină și o roată cu pale fixe (statoare). Secțiunile sunt dispuse în așa fel încât aerul comprimat să treacă secvenţial prin fiecare secțiune, dând o parte din energia sa fiecăreia dintre ele.

Turbinele au un design mai simplu decât un compresor, deoarece este mai dificil să comprimați fluxul de gaz decât să îl determinați să se extindă înapoi. Turbinele axiale ca cele prezentate în fig. 2 și 3 au mai puține secțiuni decât un compresor centrifugal. Există mici turbine cu gaz care folosesc turbine centrifuge (cu injecție radială de gaz), dar cele mai frecvente sunt turbinele axiale.

Proiectarea și fabricarea unei turbine este dificilă deoarece este necesară creșterea duratei de viață a componentelor din fluxul de gaz fierbinte. Problema fiabilității proiectării este cea mai critică în prima etapă a turbinei, unde temperaturile sunt cele mai ridicate. Materiale speciale și un sistem de răcire sofisticat sunt folosite pentru a face palete de turbină care se topesc la o temperatură de 980-1040 de grade Celsius într-un curent de gaz a cărui temperatură ajunge la 1650 de grade Celsius.

Camera de ardere

Un proiect de succes al camerei de ardere trebuie să satisfacă multe cerințe, iar proiectarea sa corectă a fost o provocare încă de pe vremea turbinelor Whittle și von Ohin. Importanța relativă a fiecăreia dintre cerințele pentru camera de ardere depinde de aplicarea turbinei și, desigur, unele cerințe sunt în conflict între ele. Atunci când proiectați o cameră de ardere, compromisurile sunt inevitabile. Majoritatea cerințelor de proiectare sunt legate de prețul, eficiența și compatibilitatea cu mediul motorului. Iată o listă de cerințe de bază pentru o cameră de ardere:

Eficiență ridicată a arderii combustibilului în toate condițiile de funcționare.
Emisii scăzute de combustibil și monoxid de carbon (monoxid de carbon), emisii scăzute de oxizi de azot sub sarcină grea și nu există emisii vizibile de fum (minimizarea poluării) mediu inconjurator).
Scădere mică de presiune atunci când gazul trece prin camera de ardere. Pierderea de presiune de 3-4% este o cădere tipică de presiune.
Arderea trebuie să fie stabilă în toate modurile de funcționare.
Arderea trebuie să fie stabilă la temperaturi foarte scăzute și presiune scăzută la altitudine mare (pentru motoarele de aeronave).
Arderea trebuie să fie uniformă, fără pulsații sau întreruperi.
Temperatura trebuie să fie stabilă.
Durată lungă de viață (mii de ore), în special pentru turbinele industriale.
Utilizabilitate tipuri diferite combustibil. Turbinele terestre folosesc de obicei gaz natural sau motorină. Pentru turbine cu kerosen de aviație.
Lungimea și diametrul camerei de ardere trebuie să se potrivească cu dimensiunea ansamblului motor.
Costul total al deținerii unei camere de ardere ar trebui să fie menținut la minimum (aceasta include costul inițial, costurile de operare și de întreținere).
Camera de ardere pentru motoarele de aeronave trebuie să aibă o greutate minimă.

Camera de ardere este formată din cel puțin trei părți principale: carcasă, tub de flacără și sistem de injecție de combustibil. Carcasa trebuie să reziste la presiunea de funcționare și poate face parte din proiectarea turbinei cu gaz. Carcasa închide un tub de flacără cu pereți relativ subțiri în care au loc arderea și sistemul de injecție a combustibilului.

În comparație cu alte tipuri de motoare, cum ar fi motoarele diesel și motoare alternative, turbinele cu gaz produc cea mai mică cantitate de poluanți ai aerului pe unitate de putere. Dintre emisiile de turbine cu gaz, combustibilul nears, monoxidul de carbon (monoxidul de carbon), oxizii de azot (NOx) și fumul sunt de mare îngrijorare. Deși contribuția turbinelor aeronavelor la emisiile totale de poluanți este mai mică de 1%, emisiile direct în troposferă s-au dublat între 40 și 60 de grade latitudine nordică, determinând o creștere cu 20% a concentrațiilor de ozon. În stratosfera unde zboară aeronavele supersonice, emisiile de NOx provoacă epuizarea stratului de ozon. Ambele efecte dăunează mediului, astfel încât reducerea oxizilor de azot (NOx) din emisiile motoarelor de aeronave este ceea ce trebuie să se întâmple în secolul XXI.

Acesta este un articol destul de scurt care încearcă să acopere toate aspectele aplicațiilor turbinelor, de la aviație la energie, fără a se baza pe formule. Pentru a vă familiariza mai bine cu subiectul, vă pot recomanda cartea „Turbină cu gaz activată transport feroviar» http://tapemark.narod.ru/turbo/index.html . Dacă omitem capitolele legate de specificul utilizării turbinelor pe calea ferata– cartea este încă foarte clară, dar mult mai detaliată.

La fel ca un motor diesel sau pe benzină, o turbină cu gaz este un motor cu ardere internă cu un ciclu de lucru admisie-compresie-combustie (expansiune)-evacuare. Dar, mișcarea de bază este semnificativ diferită. Corpul de lucru al turbinei cu gaz se rotește, iar în motorul cu piston se mișcă alternativ.

Principiul de funcționare al unei turbine cu gaz este prezentat în figura de mai jos. Mai întâi, aerul este comprimat de compresor, apoi aerul comprimat este alimentat în camera de ardere. Aici, combustibilul, ardend continuu, produce gaze cu temperatura si presiune ridicata. Din camera de ardere, gazul, extinzându-se în turbină, presează paletele și rotește rotorul turbinei (un arbore cu rotoare sub formă de discuri care poartă palele rotorului), care, la rândul său, rotește din nou arborele compresorului. Energia rămasă este îndepărtată prin arborele de lucru.

Caracteristicile turbinelor cu gaz

Tipuri de turbine cu gaz după proiectare și scop

Cel mai elementar tip de turbină cu gaz este propulsorul cu reacție, care este și cel mai simplu ca design.
Acest motor este potrivit pentru aeronavele care zboară de mare vitezăși este folosit în avioanele supersonice și avioanele cu reacție.

Acest tip are o turbină separată în spatele turbojetului care învârte un ventilator mare în față. Acest ventilator crește fluxul de aer și curentul de aer.
Acest tip este silențios și economic la viteze subsonice, motiv pentru care turbinele cu gaz de acest tip sunt folosite pentru motoarele de avioane de pasageri.

Această turbină cu gaz oferă putere ca cuplu, turbina și compresorul împărțind un arbore comun. Parte putere utilă turbina merge să rotească arborele compresorului, iar restul energiei este transferată la arborele de lucru.
Acest tip este utilizat atunci când este necesară o viteză de rotație constantă, de exemplu, ca un generator.

La acest tip, a doua turbină este plasată după turbina generatoare de gaz și forța de rotație este transferată acesteia de către jet. Această turbină din spate se numește turbină de putere. Deoarece arborii turbinei de putere și compresorului nu sunt conectați mecanic, viteza de rotație a arborelui de lucru este reglabilă liber. Potrivit ca o acţionare mecanică cu o gamă largă de viteze de rotaţie.
Acest tip este utilizat pe scară largă în avioanele și elicopterele cu elice, precum și în aplicații precum acționările pompe/compresor, motoare principale marine, acționări generatoare etc.

Ce este turbina cu gaz din seria GREEN?

Principiul pe care Kawasaki l-a urmat în domeniul turbinelor cu gaz de la dezvoltarea primei noastre turbine cu gaz în 1972 ne-a permis să oferim clienților echipamente din ce în ce mai avansate, adică mai eficiente din punct de vedere energetic și mai ecologice. Ideile concretizate în produsele noastre au fost foarte apreciate de piața globală și ne-au permis să acumulăm referințe pentru peste 10.000 de turbine (la sfârșitul lunii martie 2014) ca parte a generatoarelor de rezervă și a sistemelor de cogenerare.
Turbinele cu gaz Kawasaki au avut întotdeauna un mare succes și le-am dat noul nume „Turbine cu gaz VERDE” pentru a arăta angajamentul nostru și mai mare față de acest principiu.

Unități de putere - acționările generatoarelor electrice pentru centrale termice mici autonome pot fi motoare diesel, cu piston pe gaz, microturbină și turbină cu gaz.

S-au scris un număr mare de discuții și articole polemice despre avantajele anumitor centrale și tehnologii de generare. De regulă, în disputele din condei, fie unul, fie celălalt rămâne adesea în dizgrație. Să încercăm să ne dăm seama de ce.

Criteriile determinante pentru alegerea unităților de putere pentru construcția centralelor autonome sunt aspectele legate de consumul de combustibil, nivelul costurilor de exploatare, precum și perioada de rambursare a echipamentelor centralelor electrice.

Factorii importanți în alegerea unităților de putere sunt ușurința în funcționare, nivelul întreținereși reparații, precum și locul de reparare a unităților de putere. Aceste aspecte sunt legate în primul rând de costurile și problemele pe care le poate avea ulterior proprietarul unei centrale autonome.

În acest articol, autorul nu are un obiectiv egoist de a acorda prioritate tehnologiilor cu piston sau turbine. Tipurile de centrale electrice ale centralelor electrice sunt mai corecte, cel mai bine este să selectați direct pentru proiect, pe baza condițiilor individuale și a specificațiilor tehnice ale clientului.

Atunci când alegeți echipamente electrice pentru construirea unei centrale de cogenerare autonome pe gaz, este recomandabil să vă consultați cu specialiști independenți de la companii de inginerie care construiesc deja centrale electrice la cheie. O companie de inginerie trebuie să aibă proiecte finalizate care pot fi vizualizate și vizitate cu un tur. De asemenea, ar trebui să se ia în considerare un astfel de factor precum slăbiciunea și subdezvoltarea pieței de echipamente de generare din Rusia, unde volumele reale de vânzări, în comparație cu țările dezvoltate, sunt mici și lasă mult de dorit - aceasta, în primul rând, este reflectată în volumul și calitatea ofertelor.

Instalații alternative cu gaz vs. motoare cu turbină cu gaz - costuri de exploatare

Este adevărat că costurile de exploatare ale unui mini-CHP cu mașini cu piston sunt mai mici decât cele ale unei centrale cu turbine cu gaz?

Costul unei revizii majore a unui motor cu piston pe gaz poate fi de 30–350% din costul inițial al unității de putere în sine, și nu al întregii centrale electrice - în timpul reviziei, grupul de piston este înlocuit. Reparația unităților cu piston cu gaz poate fi efectuată la fața locului, fără echipamente de diagnosticare complexe, o dată la 7-8 ani.

Costul reparației unei centrale cu turbine cu gaz este de 30–50% din investiția inițială. După cum puteți vedea, costurile sunt aproximativ aceleași. Prețurile reale și oneste pentru turbine cu gaz și unități cu piston de putere și calitate comparabile sunt, de asemenea, similare.

Reparațiile capitale ale centralei cu turbine cu gaz din cauza complexității acesteia nu sunt efectuate la fața locului. Furnizorul trebuie să ia unitatea uzată și să aducă o unitate de schimb cu turbină cu gaz. Vechea unitate poate fi restabilită numai la condițiile din fabrică.

Ar trebui să luați în considerare întotdeauna respectarea programului de întreținere, natura sarcinilor și modurile de funcționare ale centralei electrice, indiferent de tipul de unități de putere instalate.

Întrebarea, care este adesea exagerată, despre caracterul captivant al turbinei la condițiile de funcționare, este asociată cu informații învechite de acum patruzeci de ani. Apoi „la sol”, în acționarea centralelor electrice, s-au folosit turbine de avioane „scoate din aripa” aeronavei. Astfel de turbine cu modificări minime adaptate să funcționeze ca unități de putere principale pentru centralele electrice.

Astăzi, centralele autonome moderne folosesc turbine de design industrial, industrial, concepute pentru funcționare continuă cu sarcini variate.

Limita inferioară a sarcinii electrice minime, declarată oficial de producători pentru turbinele industriale, este de 3-5%, dar în acest mod, consumul de combustibil crește cu 40%. Sarcina maximă a unei centrale cu turbine cu gaz, în intervale de timp limitate, poate ajunge la 110-120%.

Instalațiile moderne cu pistoane pe gaz au o eficiență fenomenală, bazată pe un nivel ridicat de eficiență electrică. „Problemele” asociate cu funcționarea unităților cu piston cu gaz la sarcini mici sunt rezolvate pozitiv chiar și în faza de proiectare. Designul trebuie să fie de înaltă calitate.

Respectarea modului de funcționare recomandat de producător va prelungi durata de viață a pieselor motorului, economisind astfel bani proprietarului unei centrale autonome. Uneori, pentru a aduce mașinile cu piston cu gaz la modul nominal la sarcini parțiale, în proiectarea schemei termice a stației sunt incluse una sau două cazane electrice, care fac posibilă asigurarea sarcinii dorite de 50%.

Pentru centralele electrice bazate pe unități cu piston cu gaz și turbine cu gaz, este important să se respecte regula N + 1 - numărul de unități de funcționare plus încă una pentru rezervă. „N + 1” este un număr convenabil, rațional de instalații pentru personalul operator. Acest lucru se datorează faptului că pentru centralele electrice de orice tip și tip este necesar să se efectueze rutina și lucrări de reparații.

O firmă conectată la rețea poate instala o singură unitate și poate folosi propria energie electrică contra cost, iar în timpul întreținerii, poate fi alimentată de rețeaua publică de energie electrică, plătind conform contorului. Acest lucru este mai ieftin decât „+1”, dar, din păcate, nu este întotdeauna fezabil. Acest lucru se datorează, de regulă, lipsei unei rețele electrice în general, sau costului incredibil de mare. specificații pentru conexiunea în sine.

Comercianții fără scrupule de unități cu piston cu gaz și turbine cu gaz, înainte de a vinde echipamentul cumpărătorului, de regulă, furnizează numai prospecte - literatura comercială plan generalși extrem de rar - informații precise despre costurile totale de exploatare și reglementările tehnice produse.

La unitățile puternice cu piston cu gaz, uleiul nu trebuie schimbat. La loc de munca permanent este pur și simplu produs, neavând timp să îmbătrânească. Uleiul de pe astfel de instalații este în mod constant completat. Astfel de moduri de funcționare sunt asigurate de un design special de motoare puternice cu piston pe gaz și sunt recomandate de producător.

Deșeurile de ulei de motor sunt de 0,25-0,45 grame per kilowatt produs pe oră. Pierderea este întotdeauna mai mare atunci când sarcina este redusă. De regulă, un kit de motor cu piston pe gaz include un rezervor special pentru completarea continuă a uleiului și un mini-laborator pentru verificarea calității acestuia și determinarea perioadei de înlocuire.

În consecință, filtrele de ulei sau cartușele din ele trebuie de asemenea înlocuite.

pentru că ulei de motorîncă se ard, unitățile cu piston au puțin mai mult nivel inalt emisii nocive în atmosferă decât turbinele cu gaz. Dar, din moment ce gazul arde complet și este unul dintre cele mai curate tipuri de combustibil, atunci vorbirea despre poluarea atmosferică gravă este doar „verificatoare stupide”. Câteva autobuze vechi maghiare Ikarus provoacă daune mult mai grave mediului. Pentru a îndeplini cerințele de mediu, atunci când se folosesc mașini cu piston, este necesar să se construiască coșuri de fum mai înalte, ținând cont de nivelul MPC deja existent în mediu.

Uleiul uzat de la unitățile cu piston cu gaz nu poate fi pur și simplu aruncat pe pământ - necesită eliminare - aceasta este o „cheltuială” pentru proprietarii centralei electrice. Dar puteți câștiga bani din asta - organizațiile specializate cumpără ulei de motor uzat.

Mulți dintre noi folosim ulei de motor în motoarele noastre cu piston. Dacă motorul este funcțional, funcționat corespunzător și alimentat cu combustibil normal, atunci nu apar cataclisme financiare asociate cu consumul său.

Același lucru este valabil și pentru centralele electrice cu piston: - nu trebuie să vă temeți de consumul de ulei de motor, nu vă va distruge, în timpul funcționării normale a instalațiilor moderne de piston cu gaz de înaltă calitate, costurile pentru acest articol sunt doar 2- 3 (!) copeici la 1 kW de energie electrică generată.

În instalațiile moderne de turbine cu gaz, uleiul este folosit doar în cutia de viteze. Volumul său poate fi considerat nesemnificativ. Înlocuirea uleiului de transmisie în turbinele cu gaz se efectuează în medie o dată la 3-5 ani, iar completarea acestuia nu este necesară.

Pentru a desfășura serviciul în întregime, o macara cu grindă trebuie inclusă în setul unei instalații puternice cu piston cu gaz. Cu ajutorul unei macarale cu grindă, părțile grele ale motoarelor cu piston sunt îndepărtate. Utilizarea unei macarale cu grinzi necesită tavane înalte în sălile de mașini ale centralei electrice cu piston. Pentru repararea instalatiilor de gaz-piston de putere mica si medie se poate renunta la mecanismele de ridicare mai simple.

Centralele cu piston pe gaz la livrare pot fi echipate cu diverse instrumente și dispozitive de reparații. Prezența acestuia implică faptul că chiar și toate operațiunile critice pot fi efectuate de personal calificat la fața locului. Practic, toate lucrările de reparații ale turbinelor cu gaz pot fi efectuate fie la uzina de producție, fie cu asistența directă a specialiștilor din fabrică.

O dată la 3-4 luni, bujiile trebuie înlocuite. Înlocuirea lumânărilor este de doar 1-2 (!) copeici cu un cost de 1 kW / h de energie electrică proprie.

Unitățile cu piston, spre deosebire de turbinele cu gaz, sunt răcite cu lichid, respectiv, personalul unei centrale electrice autonome trebuie să monitorizeze în mod constant nivelul lichidului de răcire și să efectueze înlocuirea periodică, iar dacă este apă, atunci este necesar să-și efectueze. preparat chimic.

Caracteristicile de mai sus ale funcționării unităților cu piston sunt absente în instalațiile cu turbine cu gaz. Instalațiile cu turbine cu gaz nu utilizează astfel de consumabile și componente precum:

ulei de motor,
bujie,
filtre de ulei,
lichid de răcire,
seturi de fire de înaltă tensiune.

Dar turbinele cu gaz nu pot fi reparate pe loc și multe altele cheltuieli mai mari gazul nu poate fi comparat cu costurile de exploatare și consumabile pentru unitățile cu piston.

Ce sa aleg? Instalatii cu pistoane cu gaz sau turbine cu gaz?

Cum se corelează puterea unităților de putere ale centralelor electrice și temperatura mediului ambiant?

Odată cu o creștere semnificativă a temperaturii ambiante, puterea instalației turbinei cu gaz scade. Dar cu o scădere a temperaturii, puterea electrică a unei turbine cu gaz, dimpotrivă, crește. Parametrii de putere electrică, conform standardelor ISO existente, sunt măsurați la t +15 °C.

Uneori punct important este, de asemenea, faptul că o instalație de turbină cu gaz este capabilă să furnizeze de 1,5 ori mai multă energie termică liberă decât o unitate cu piston de putere similară. Când utilizați o cogenerare autonomă puternică (de la 50 MW). utilitati publice, de exemplu, acest lucru poate avea o importanță decisivă la alegerea tipului de unități de putere, mai ales cu un consum mare și uniform de energie termică.

Dimpotrivă, acolo unde căldura nu este necesară în cantități mari, dar este nevoie de un accent pe producția de energie electrică, va fi mai fezabilă din punct de vedere economic să se utilizeze unități cu piston cu gaz.

Temperatura ridicată la ieșirea instalațiilor cu turbine cu gaz face posibilă utilizarea unei turbine cu abur ca parte a unei centrale electrice. Acest echipament este solicitat dacă consumatorul trebuie să primească cantitatea maximă de energie electrică cu același volum de combustibil gazos uzat și, astfel, să obțină o eficiență electrică ridicată - până la 59%. Un complex energetic de această configurație este mai dificil de operat și costă cu 30-40% mai mult decât de obicei.

Centralele electrice cu turbine cu abur în structura lor, de regulă, sunt proiectate pentru o putere destul de mare - de la 50 MW și peste.

Să vorbim despre cel mai important lucru: unități cu piston cu gaz versus unități de putere cu turbine cu gaz - eficiență

Eficiența centralei este mai mult decât relevantă - deoarece afectează consumul de combustibil. In medie consum specific combustibilul gazos per 1 kW/h generat este mult mai mic pentru o instalație cu piston cu gaz și pentru orice mod de încărcare (deși sarcinile continue mai mici de 25% sunt contraindicate pentru motoarele cu piston).

Eficiența electrică a mașinilor cu piston este de 40–44%, iar cea a turbinelor cu gaz este de 23–33% (într-un ciclu abur-gaz, o turbină este capabilă să furnizeze un randament de până la 59%).

Ciclul abur-gaz este utilizat la centralele de mare putere - de la 50-70 MW.

Dacă trebuie să fabricați o locomotivă, o aeronavă sau o navă maritimă, atunci unul dintre indicatorii determinanți este factorul de eficiență (COP) al centralei electrice. Căldura care se obține în timpul funcționării motorului unei locomotive, aeronave (sau nave) nu este folosită și este eliberată în atmosferă.

Dar nu construim o locomotivă, ci o centrală electrică, iar atunci când alegem tipul de unități de putere pentru o centrală electrică autonomă, abordarea este oarecum diferită - aici este necesar să vorbim despre caracterul complet al utilizării combustibilului combustibil - factor de utilizare a combustibilului (FU).

Arzând, combustibilul face munca principală - rotește generatorul centralei electrice. Restul energiei de ardere a combustibilului este căldură care poate și ar trebui utilizată. În acest caz, așa-numita „eficiență generală”, sau mai degrabă, factorul de utilizare a combustibilului (FUE) al centralei va fi de aproximativ 80-90%.

Dacă consumatorul dorește să folosească energie termală centrală autonomă în totalitate, ceea ce este de obicei puțin probabil, atunci coeficientul de performanță (COP) al unei centrale autonome nu are importanță practică.

Când sarcina este redusă la 50%, eficiența electrică a turbinei cu gaz scade.

În plus, turbinele necesită presiune mare de admisie a gazului, iar pentru aceasta sunt instalate în mod necesar compresoare (piston) și, de asemenea, cresc consumul de combustibil.
O comparație a instalațiilor cu turbine cu gaz și a motoarelor cu piston cu gaz ca parte a unui mini-CHP arată că instalarea turbinelor cu gaz este oportună la instalațiile care au nevoi electrice și termice uniforme la o putere de peste 30-40 MW.

Din cele de mai sus, rezultă că eficiența electrică a unităților de putere de diferite tipuri are o proiecție directă asupra consumului de combustibil.

Unitățile cu piston cu gaz consumă un sfert sau chiar o treime mai puțin combustibil decât unitățile cu turbine cu gaz - acesta este principalul element de cost!

În consecință, cu un cost similar sau egal al echipamentului în sine, este mai ieftin Energie electrica produs în turbine cu gaz. Gazul este principalul element de cheltuială în exploatarea unei centrale autonome!

Unități cu piston cu gaz vs. motoare cu turbină cu gaz - presiunea gazului de admisie

Este întotdeauna necesar să aveți o conductă de gaz de înaltă presiune atunci când utilizați turbine cu gaz?

Pentru toate tipurile de unități de putere moderne ale centralelor electrice, presiunea gazului furnizat nu are importanță practică, deoarece unitatea cu turbină cu gaz include întotdeauna un compresor de gaz, care este inclus în costul complexului energetic.

Compresorul asigură performanța de presiune necesară a combustibilului gazos. Compresoarele moderne sunt unități extrem de fiabile și de întreținere redusă. In lume tehnologii moderne Atât pentru motoarele cu piston cu gaz, cât și pentru turbinele cu gaz, este important doar să existe cantitatea adecvată de combustibil gazos pentru a asigura funcționarea normală a unei centrale electrice autonome.

Cu toate acestea, nu trebuie uitat asta compresorul booster necesită, de asemenea, energie considerabilă, Proviziiși serviciul. În mod paradoxal, compresoarele cu piston sunt adesea folosite pentru turbine puternice.

Motoare cu piston pe gaz vs. unități cu turbine cu gaz - instalații cu dublu combustibil

Deseori se scrie și se spune că instalațiile cu dublă combustibil pot fi doar cu piston. Este adevarat?

Nu este adevarat. Toți producătorii cunoscuți de turbine cu gaz au unități cu combustibil dublu în gama lor. Principala caracteristică a instalației cu dublu combustibil este capacitatea sa de a funcționa atât cu gaz natural, cât și cu motorină. Datorită utilizării a două tipuri de combustibil într-o instalație cu combustibil dublu, o serie de avantaje pot fi remarcate în comparație cu centralele monocombustibil:

în lipsa gazelor naturale, unitatea trece automat la motorină;
în timpul tranzitorii, unitatea trece automat la funcționarea diesel.

La intrarea în modul de funcționare, se efectuează procesul invers de trecere la funcționarea pe gaz natural și motorină;
Nu uitați de faptul că primele turbine au fost proiectate inițial să funcționeze cu combustibil lichid - kerosen.

Instalațiile cu combustibil dublu sunt încă de utilizare limitată și nu sunt necesare pentru majoritatea centralelor de cogenerare autonome - există soluții de inginerie mai simple pentru aceasta.

Unități cu piston cu gaz vs. unități cu turbină cu gaz - numărul de porniri

Care poate fi numărul de porniri ale unităților cu piston cu gaz?

Număr de porniri: un motor cu piston pe gaz poate porni și opri un număr nelimitat de ori, iar acest lucru nu îi afectează durata de viață a motorului. Dar pornirile-opririle frecvente ale unităților cu piston cu gaz, cu pierderea puterii auxiliare, pot duce la uzura celor mai încărcate unități (lagăre de turbocompresor, supape etc.).

Datorită schimbărilor bruște ale tensiunilor termice care apar în cele mai critice componente și părți ale conductei calde ale turbinei cu gaz în timpul pornirilor rapide ale unității de la o stare rece, este de preferat să se utilizeze o instalație cu turbină cu gaz pentru o funcționare constantă, continuă.

Motoarele cu piston pe gaz ale centralelor electrice împotriva turbinelor cu gaz - o resursă înainte de revizie

Care poate fi resursa instalației înainte de revizie?

Resursa înainte de revizie este de 40.000–60.000 de ore de lucru pentru o turbină cu gaz. Cu funcționarea corectă și întreținerea la timp a unui motor cu piston pe gaz, această cifră este, de asemenea, egală cu 40.000-60.000 de ore de funcționare. Cu toate acestea, există și alte situații în care revizia are loc mult mai devreme.

Unități cu piston pe gaz vs. motoare cu turbină cu gaz - investiții de capital și prețuri

Ce investiții de capital (investiții) vor fi necesare în construcția centralei electrice? Care este costul construirii unui complex de energie autonomă la cheie?

Calculele arată că investițiile (dolar/kW) în construcția unei centrale termice cu motoare cu piston pe gaz sunt aproximativ egale cu instalațiile cu turbine cu gaz. Centrala termică finlandeză WARTSILA cu o capacitate de 9 MW va costa clientul aproximativ 14 milioane de euro. O centrală termică similară cu turbină cu gaz bazată pe unități de primă clasă va costa 15,3 milioane de dolari.

Motoare cu piston pe gaz împotriva instalațiilor cu turbine cu gaz - ecologie

Cum sunt îndeplinite cerințele de mediu?

Trebuie remarcat faptul că unitățile cu piston cu gaz sunt inferioare unităților cu turbine cu gaz în ceea ce privește emisiile de NO x. Deoarece uleiul de motor se arde, unitățile cu piston au un nivel puțin mai mare de emisii nocive în atmosferă decât unitățile cu turbine cu gaz.

Dar acest lucru nu este critic: SES solicită nivelul de fond conform MPC la locația mini-CHP. După aceea, dispersia este calculată astfel încât „aditivul” de substanțe nocive din mini-CHP adăugat la fundalul nu duce la depășirea MPC. Prin mai multe iterații, se selectează înălțimea minimă a coșului de fum, la care sunt îndeplinite cerințele SanPiN. Adăugarea din centrală de 16 MW în ceea ce privește emisiile de NO x nu este atât de semnificativă: la o înălțime a coșului de fum de 30 m - 0,2 MPC, la 50 m - 0,1 MPC.

Nivelul emisiilor nocive de la majoritatea centralelor moderne cu turbine cu gaz nu depășește 20-30 ppm, iar în unele proiecte aceasta poate avea o anumită valoare.

Instalațiile cu pistoane în timpul funcționării au vibrații și zgomot de joasă frecvență. Aducerea zgomotului la valorile standard este posibilă, pur și simplu sunt necesare soluții de inginerie adecvate. Pe lângă calculul de dispersie, la elaborarea secțiunii „Protecția mediului” din documentația de proiect, se face un calcul acustic și se verifică dacă soluțiile de proiectare selectate și materialele folosite îndeplinesc cerințele SanPiN în ceea ce privește zgomotul.

Orice echipament emite zgomot într-un anumit spectru de frecvență. Centralele cu turbine cu gaz nu au trecut de această cupă.

Unități cu piston pe gaz vs. motoare cu turbină cu gaz - concluzii

Cu sarcini liniare și respectarea regulii N + 1, este posibilă utilizarea motoarelor cu piston cu gaz ca sursă principală de alimentare cu energie. Ca parte a unei astfel de centrale electrice, sunt necesare unități de rezervă și rezervoare pentru a stoca al doilea tip de combustibil - motorina.

În domeniul de putere de până la 40-50 MW, utilizarea motoarelor cu piston la mini-CHP este considerată absolut justificată.

În cazul utilizării unităților cu piston cu gaz, consumatorul poate scăpa complet de alimentarea externă, dar numai printr-o abordare deliberată și echilibrată.

Instalațiile cu pistoane pot fi folosite și ca surse de rezervă sau de urgență de energie electrică.

O anumită alternativă la instalațiile cu piston sunt microturbinele cu gaz. Adevărat, prețurile pentru microturbine „mușcă” mult și se ridică la ~ 2500-4000 USD per 1 kW de putere instalată!

O comparație a instalațiilor cu turbine cu gaz și a motoarelor cu piston cu gaz ca parte a unui mini-CHP arată că instalarea de turbine cu gaz este posibilă la orice instalații care au sarcini electrice mai mari de 14-15 MW, dar datorită consumului mare de gaz, turbinele sunt recomandate pentru centralele de capacitate mult mai mare - 50-70 MW.

Pentru multe centrale moderne, 200.000 de ore de funcționare nu reprezintă o valoare critică și sunt supuse programului de întreținere programat și înlocuirii treptate a pieselor turbinei supuse uzurii: rulmenți, injectoare, diverse echipamente auxiliare (pompe, ventilatoare), funcționarea ulterioară a centrala cu turbine cu gaz rămâne fezabilă din punct de vedere economic. Unitățile cu piston cu gaz de înaltă calitate depășesc astăzi cu succes 200.000 de ore de funcționare.

Acest lucru este confirmat de practica modernă de exploatare a instalațiilor cu turbine cu gaz/piston cu gaz din întreaga lume.

Atunci când alegeți unitățile de alimentare ale unei centrale autonome, este nevoie de sfaturi de specialitate!

Sfatul și supravegherea experților sunt, de asemenea, necesare în construcția de centrale electrice autonome. Pentru a rezolva problema, avem nevoie de o firmă de inginerie cu experiență și proiecte finalizate.

Ingineria vă permite să determinați în mod competent, imparțial și obiectiv alegerea echipamentului principal și auxiliar pentru selectarea configurației optime - configurația viitoarei centrale electrice.

Inginerie calificată economisește semnificativ bani lichizi client, iar acesta este 10-40% din costul total. Ingineria de la profesioniști din industria energetică evită greșelile costisitoare în proiectarea și selectarea furnizorilor de echipamente.

§ 45. Instalaţii de turbine

Turbinele marine sunt folosite pentru a transforma energia termică a aburului sau a gazului în munca mecanica. Metoda de conversie a energiei în turbină nu depinde de fluidul de lucru care este utilizat în turbină. Prin urmare, procesele de lucru care au loc în turbine cu abur, nu diferă semnificativ de procesele de lucru care au loc în turbinele cu gaz, iar principiile de bază pentru proiectarea turbinelor cu abur și cu gaz sunt aceleași.

Aburul sau gazul proaspăt, care intră în duză, care este paleta de ghidare, se extinde, energia potențială este transformată în energie cinetică, iar aburul sau gazul capătă o viteză semnificativă. La ieșirea din duză, aburul sau gazul intră în canalele paletelor de lucru montate pe marginea discului turbinei, care se așează pe arborele turbinei. Fluidul de lucru apasă pe suprafețele curbate ale palelor rotorului, determinând rotirea discului cu arborele. Setul de astfel de palete de ghidare (duze) și palete de rotor luate în considerare pe discul turbinei este numit treapta turbinei. Se numesc turbine cu o singură treaptă o singură etapă Spre deosebire de în mai multe etape turbine.

Turbinele conform principiului de funcționare a fluidului de lucru (abur sau gaz) sunt împărțite în două grupe principale. Turbinele în care expansiunea aburului sau a gazului are loc numai în palete fixe de ghidare și numai energia lor cinetică este utilizată pe paletele rotorului se numesc activ. Turbine în care dilatarea aburului sau a gazului are loc și în timpul mișcării fluidul de lucru în canalele palelor rotorului se numesc reactiv. Turbinele se rotesc doar într-un singur sens și sunt ireversibile, adică nu pot schimba sensul de rotație. Prin urmare, pe același arbore cu turbinele principale înainte, sunt de obicei prevăzute turbine inverse. Puterea turbinelor inverse ale navei nu depășește 40-50% din puterea turbinelor înainte. Deoarece aceste turbine nu trebuie să ofere o eficiență ridicată în funcționare, numărul de trepte din ele este mic.

Instalațiile marine cu turbine cu abur care funcționează la o presiune inițială a aburului de 40–50 atm și o temperatură a aburului de 450–480°C au o eficiență economică de 24–27%.

economic Eficiența (efectivă) este raportul dintre căldura convertită în muncă utilă și căldura dezvoltată în timpul arderii complete a combustibilului consumat. Eficiența efectivă caracterizează eficiența motorului. Cu o creștere a presiunii la 70-80 atm și o temperatură a aburului de până la 500-550 ° C, eficiența economică crește la 29-31%. O creștere suplimentară a presiunii inițiale a aburului și îmbunătățirea instalațiilor vor crește eficiența unei centrale marine cu turbine cu abur cu aproximativ 35%.

Lucrările la instalațiile cu turbine cu gaz pentru nave (GTP) sunt în esență încă de natură experimentală, deoarece proiectarea lor în serie nu a fost încă creată.

turbina de gaz diferă de abur prin aceea că fluidul său de lucru nu este abur de la cazane, ci gaze formate în timpul arderii combustibilului în camere speciale.

Structura și funcționarea unei turbine cu gaz sunt similare cu cele ale unei turbine cu abur. Ele pot fi, de asemenea, active sau reactive, cu o singură cocă, cu mai multe cocă etc. Turbinele cu gaz diferă de turbinele cu abur în încărcături de temperatură mai ridicată: temperatura gazelor fierbinți este în intervalul 700-800 ° C. Diferența de temperatură se reduce resursele timpului de funcționare a turbinelor cu gaz.

În funcție de metoda de comprimare a aerului și de formare a gazelor fierbinți, instalații cu turbine cu gaz cu cameră de ardere și unități cu turbine cu gaz generatoare de gaz cu piston liber(SPGG). Calitatea negativă a turbinelor cu gaz este o pierdere mare de căldură în timpul eliminării gazelor de eșapament.

Metoda de creștere a eficienței turbinelor cu gaz este utilizarea căldurii gazelor de eșapament pentru a încălzi aerul care intră în camera de ardere, așa-numita regenerare.

Utilizarea regenerării cu comprimare simultană a aerului în două etape crește eficiența efectivă a instalației cu până la 28-30%. Astfel de turbine cu gaz sunt folosite ca centrale electrice pentru nave.

Într-o instalație marină cu turbine cu gaz cu cameră de ardere (Fig. 69), aerul atmosferic este aspirat, comprimat de compresorul de joasă presiune 1, situat pe același arbore cu turbina cu gaz 5, și trimis la răcitorul 2, răcit cu apă de mare . Aerul răcit intră în compresorul de înaltă presiune 3, unde este din nou comprimat la o presiune mai mare, după care este alimentat în regeneratorul 4, de unde este încălzit de gazele de evacuare și intră în camera de ardere 6, unde combustibilul furnizat acolo arde. Produșii de ardere se extind în turbina cu gaz 5 și prin regenerator, cedând o parte din căldura din acesta către aer, ies în atmosferă sau sunt utilizați într-un cazan de căldură reziduală.

Orez. 69. Schema unei centrale cu turbine cu gaz cu regenerare si comprimare a aerului in doua trepte.

Energia dezvoltată în turbina cu gaz nu este utilizată pe deplin pentru scopul său principal, dar este parțial cheltuită pentru acționarea compresoarelor. Pentru a porni o turbină cu gaz, aceasta trebuie destorsă prin pornirea motoarelor electrice.

O instalație de turbină cu gaz cu un generator de gaz cu piston liber (SPGG) este o turbină activă sau cu reacție și un cilindru diesel în care este ars combustibil. Instalația combinată cu turbine cu gaz cu SGSG este prezentată în fig. 70.

Cilindrul SPGG 1 are două pistoane de lucru 2 pe aceleași tije cu pistoanele compresoarelor 3. Atunci când amestecul de aer și combustibil furnizat prin duza 11 este ars, gazele din cilindru se extind, împingând pistoanele în afară. Se creează un vid în cavitățile 6 ale cilindrilor compresorului 5 și aerul atmosferic este aspirat prin supapele 7. În același timp, aerul este comprimat în cavitatea a 4 cilindri de compresor și pistoanele de lucru revin în poziția inițială.

Când pistoanele din cilindru diverg, mai întâi se deschid geamurile de evacuare 9, iar apoi sunt suflate ferestrele 10. Gazele de evacuare intră în recipientul 8 prin geamurile de evacuare și de acolo în turbina cu gaz 12.

În timpul cursei inverse a pistoanelor compresorului, ferestrele de evacuare și de purjare sunt închise, aerul din cavitatea 6 este injectat în recipientul de purjare, iar aerul din cilindrul de lucru este comprimat. La sfârșitul compresiei, temperatura aerului crește și combustibilul injectat în acel moment de duză se aprinde. Începe un nou ciclu de funcționare al generatorului de gaz cu piston liber.

Eficiența efectivă a unei astfel de centrale combinate cu turbine cu gaz cu SGSG se apropie de 40%, ceea ce face avantajoasă instalarea lor pe nave. Instalațiile cu turbine cu gaz cu SGSG sunt promițătoare și vor fi utilizate pe scară largă pe nave ca motoare principale.

Orez. 70. Schema unei centrale cu turbine cu gaz cu generator de gaz cu piston liber (SPGG).

Instalațiile nucleare marine sunt utilizate pentru obținerea energiei termice ca urmare a fisiunii nucleelor elementelor fisionabile, care are loc în aparate numite reactoare nucleare. Navele cu astfel de instalații au o rază de croazieră aproape nelimitată.

Energia eliberată de reacția de fisiune nucleară la utilizarea a 1 kg de uraniu este aproximativ egală cu energia obținută prin arderea a 1400 de tone de păcură. Consumul zilnic de combustibil nuclear pe navele de transport este estimat la doar zeci de grame. Perioada de înlocuire a elementelor de combustibil din reactoarele de la bordul navei este de doi până la trei ani. În ciuda greutății mari a unei instalații nucleare, cauzată de greutatea mare a protecției biologice, capacitatea de sarcină utilă a navelor cu instalații nucleare este mult mai mare decât capacitatea de transport a navelor de dimensiuni egale cu centralele electrice convenționale. Creșterea capacității de transport pe aceste nave se datorează lipsei de combustibil convențional pe ele.

Pentru a crește viteza navelor, utilizarea centralelor nucleare este benefică din punct de vedere economic, vă permite să creșteți puterea centralelor fără o creștere bruscă a greutății lor. Avantajul decisiv al instalațiilor nucleare de la bord este absența nevoii de aer în timpul funcționării lor. Această caracteristică rezolvă problema mișcării pe termen lung a navelor sub apă. După cum știți, navele, care înoată sub apă într-un mediu omogen, întâmpină o rezistență mai mică decât navele de suprafață și, prin urmare, cu putere egală a motorului, pot atinge viteze mari. Transporturile subacvatice de mare deplasare pot fi mult mai profitabile în exploatare decât navele de suprafață cu aceeași deplasare.

Ca combustibil nuclear pentru reactoarele moderne de nave, se utilizează uraniu îmbogățit artificial care conține izotopul U 235 într-o cantitate de 3-5%.

Partea reactorului în care are loc reacția în lanț se numește miez. În această zonă este introdusă o substanță specială - un moderator de neutroni, care încetinește mișcarea neutronilor la viteza mișcării termice. Ca moderator se folosește apa simplă (H 2 0), apa grea (D 2 0), beriliul sau grafitul.

Tip miez reactoarele sunt împărțite în omogene și eterogene. În reactoarele omogene, combustibilul nuclear și moderatorul sunt un amestec omogen. În reactoarele eterogene, combustibilul nuclear este situat în moderator sub formă de tije sau plăci numite elemente combustibile. În centralele nucleare de nave se utilizează un singur tip - reactoare eterogene.

Când are loc o reacție nucleară, aproximativ 80% din energie este transformată în căldură, iar 20% este eliberată sub formă de radiații (a, b și y), radiațiile a și b nu prezintă un pericol deosebit. Dar radiația y și radiația neutronică, care au o putere mare de penetrare, provoacă radiații secundare în multe materiale. Cu această radiație, în corpul uman apar boli grave. Pentru a preveni astfel de radiații, centralele nucleare trebuie să aibă o protecție fiabilă, numită biologică. Protecția biologică este de obicei realizată din metal, apă și beton, are dimensiuni și greutate semnificative.

Cea mai puternică și mai avansată centrală nucleară marină de pe nave civile este centrala de pe spărgătorul de gheață Lenin, cel mai puternic spărgător de gheață din lume.

Puterea celor patru turbine ale sale este de 44.000 de litri. Cu.

Centrala electrică principală a spărgătorul de gheață „Lenin” este realizată conform următoarei scheme (Fig. 71). Spărgătorul de gheață are trei reactoare 1 cu stabilizatoare de presiune 2 în circuitul primar. Moderatorul și lichidul de răcire sunt apă obișnuită sub o presiune de aproximativ 200 atm. Apa din reactor este furnizată generatoarelor de abur 3 la o temperatură de aproximativ 325 ° C prin pompe electrice de circulație 4. În generatoarele de abur, aburul este obținut din al doilea circuit la o presiune de 29 atm și o temperatură de 310 ° C, care antrenează patru turbine generatoare de abur 5. Aburul evacuat trece prin condensatoarele 6 sub formă de condensat și este utilizat din nou, făcând lucru în ciclu închis.

Reactoarele, generatoarele de abur și pompele centrale sunt înconjurate de protecție biologică împotriva unui strat de apă și plăci de oțel cu grosimea de 300-420 mm.

Motoarele maritime cu turboreacție sunt utilizate în hidroplanuri sau nave cu destinații speciale. O diagramă comună a unui motor cu turboreacție este prezentată în Fig. 72.

Orez. 71. Schema centralei electrice a spărgătoarei de gheață „Lenin”

Când motorul se deplasează spre stânga (de-a lungul săgeții A), aerul intră în carcasa sa și este comprimat de turbocompresorul 1. Aerul comprimat este furnizat în camera de ardere 2, în care combustibilul furnizat simultan este ars. Din camera 2, produsele de ardere sunt trimise la turbina cu gaz 3. În turbină, gazele se extind parțial, lucrând astfel pentru a antrena turbocompresorul. O expansiune suplimentară a gazului are loc în duza 4, de unde scapă în atmosferă cu viteză mare. Reacția jetului care se scurge asigură deplasarea vasului.

O instalație de turbină cu abur și gaz care funcționează pe ciclul Walther a fost folosită pe submarinele germane în cel de-al Doilea Război Mondial pentru a le crește viteza în timp ce erau scufundate. O barcă cu o astfel de instalație ar putea dezvolta viteze mari subacvatice timp de 5-6 ore, ajungând până la 22-25 de noduri.

Oxidantul din acest ciclu a fost peroxid de hidrogen ridicat (80%), care, în prezența unui catalizator, se descompune într-o cameră specială în vapori de apă și oxigen, eliberând cantitate semnificativă căldură. În camera de ardere, combustibilul lichid a fost ars în oxigen cu injectarea simultană de apă proaspătă în același loc. Energia amestecului de abur-gaz rezultat cu presiune ridicată și temperatură ridicată a fost utilizată într-o turbină abur-gaz. Amestecul de gaz-vapori uzat a fost răcit în condensator, unde vaporii de apă s-au transformat în apă și au intrat din nou în sistemul de alimentare cu apă, iar dioxidul de carbon a fost pompat peste bord.

Principalele dezavantaje ale acestor instalații au fost raza scurtă de navigație a bărcilor cu viteze maxime, riscul de incendiu crescut din cauza prezenței unei cantități mari de peroxid de hidrogen pe ambarcațiune, dependența funcționării lor normale de adâncimea de scufundare și costul ridicat. atât a instalaţiei în sine, cât şi a funcţionării acesteia.

În Anglia, în anii postbelici, a fost construit submarinul Exilorer cu o centrală de acest tip. În timpul testelor, s-a stabilit că costul unei ore de rulare este echivalent cu costul a 12,5 kg de aur.

Redirecţiona
Cuprins
Înapoi