Articolul descrie modul în care se calculează eficiența celei mai simple turbine cu gaz și oferă tabele cu diferite turbine cu gaz și turbine cu gaz cu ciclu combinat pentru a compara eficiența acestora și alte caracteristici.

În domeniul utilizării industriale a turbinelor cu gaz și a tehnologiilor cu ciclu combinat, Rusia este semnificativ în urma țărilor avansate ale lumii.

Lideri mondiali în producția de centrale pe gaz și cu ciclu combinat de mare putere: GE, Siemens Wistinghouse, ABB - au atins valori de putere unitare a turbinelor cu gaz de 280-320 MW și o eficiență de peste 40%, cu o utilizare. suprastructură de putere cu abur în ciclu combinat (numit și binar) - putere de 430- 480 MW cu eficiență de până la 60%. Dacă aveți întrebări despre fiabilitatea unităților CCGT, citiți articolul.

Aceste cifre impresionante servesc drept linii directoare în determinarea căilor de dezvoltare pentru industria rusă de inginerie energetică.

Cum se determină randamentul unei turbine cu gaz?

Să oferim câteva formule simple pentru a arăta ce este Eficiența turbinei cu gaz setari:

Puterea internă a turbinei:

Nт = Gух * Lт, unde Lт – funcționarea turbinei, Gух – debitul gazelor de eșapament;

Puterea internă a turbinei cu gaz:

Ni gtu = Nt – Nk, unde Nk este puterea internă a compresorului de aer;

Puterea efectivă a turbinei cu gaz:

Neeff = Ni gtu * eficiență mech, eficiență mech - eficiența asociată cu pierderile mecanice în rulmenți, poate fi luată 0,99

Putere electrica:

Nel = Ne * Eg eficiență, unde Eg eficiență este randamentul asociat cu pierderile în generatorul electric, putem lua 0,985

Caldura combustibil disponibila:

Q run = Gtop * Qrn, unde Gtop este consumul de combustibil, Qrn este căldura de lucru mai scăzută a arderii combustibilului

Eficiența electrică absolută a unei unități cu turbină cu gaz:

Eficiență = Nel/Q disp

Eficiența CCGT este mai mare decât eficiența GTUîntrucât instalația de abur-gaz folosește căldura gazelor de eșapament ale unității cu turbină cu gaz. Un cazan de căldură reziduală este instalat în spatele turbinei cu gaz în care căldura din 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 unitate cu turbină cu gaz pentru o stație cu o unitate CCGT

Eficiența unei unități CCGT este de obicei reprezentată de raportul:

Eficiență PSU = Eficiență GTU*B+(Eficiență 1-GTU*B)*Eficiență PSU

B – gradul ciclului binar

Eficiența PSU - eficiența centralei cu abur

B = Qks/(Qks+Qku)

Qкс – căldura combustibilului ars în camera de ardere a unei turbine cu gaz

Qку – căldura combustibilului suplimentar ars în cazanul de căldură reziduală

Se observă că dacă Qky = 0, atunci B = 1, adică instalarea este complet binară.

Influența gradului de binaritate asupra eficienței unităților CCGT

B	Eficiența GTU	Eficiența câinelui	Eficiența PGU
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 tabele cu caracteristicile de eficiență ale unei unități cu turbină cu gaz și, în urma acestora, performanța unei unități cu turbină cu gaz cu ciclu combinat cu aceste mașini cu gaz și să comparăm eficiența unei unități individuale cu turbină cu gaz și eficiența unui gaz cu ciclu combinat. unitate de turbină.

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
Eficiență %	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
Eficiență %	35,9	35,7	39,5	39,5
Raportul presiunii compresorului	14,7	14,7	23,2	23,2
Debitul fluidului de lucru la evacuarea turbinei cu gaz kg/s	418	602	558	685
Temperatura inițială, în fața lamelor de lucru 1 lingură. CU	1288	1288	1427	1427
Temperatura fluidului de lucru la evacuarea C	589	589	572	583
Frecvența de rotație a generatorului 1/s	60	50	60	50

Citeste si: De ce să construim centrale termice cu ciclu combinat? Care sunt avantajele centralelor pe gaz 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 unității CCGT	1xMS7001FA	1xMS9001FA	1xMS9001G	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
Eficiență %	36,8	38	38
Raportul presiunii compresorului	16,6	16,6	16,6
Debitul fluidului de lucru la evacuarea turbinei cu gaz kg/s	194	454	640
Temperatura inițială, în fața lamelor de lucru 1 lingură. CU	1325	1325	1325
Temperatura fluidului de lucru la evacuarea C	565	562	562
Frecvența de rotație a 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
Eficiență %	36,1	39	37	38,7	39
Raportul presiunii compresorului	14	19,2	16,2	19	21
Debitul fluidului de lucru la evacuarea turbinei cu gaz kg/s	449,4	553,4	658,9	645	741
Temperatura inițială, în fața lamelor de lucru 1 lingură. CU	1260	1427	1260	1427	1427
Temperatura fluidului de lucru la evacuarea C	596	590	569	588	574
Frecvența de rotație a 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 barajele hidroelectrice au folosit turbine de zeci de ani pentru a învârti generatoarele electrice și pentru a produce energie pentru industrie și locuințe. Turbinele simple există de mult mai mult timp; primele dintre ele au 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 cu gaz practic utilă a început să genereze electricitate în Neuchatel, Elveția, în 1939. A fost dezvoltat de compania Brown Boveri. Prima turbină cu gaz care a alimentat o aeronavă a intrat în funcțiune și în 1939 în Germania, folosind o turbină cu gaz proiectată de Hans P. von Ogein. 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. Diagrama 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 Fig. 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. Aceasta distinge turbina 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 atât în sectorul energetic, cât și în cel al aviației - nume diferite sunt folosite pentru aviație și turbinele cu gaz de la sol. Turbinele cu gaz din aviație sunt numite motoare cu turboreacție sau cu reacție, iar alte turbine cu gaz sunt numite motoare cu turbină cu gaz. ÎN engleză Există și mai multe nume pentru aceste motoare în general identice.

Utilizarea turbinelor cu gaz

Într-un motor cu turboreacție de avion, energia din turbină antrenează un compresor, care atrage aer în motor. Gazul fierbinte care părăsește turbina este eliberat în atmosferă prin duza de evacuare, care creează forță. În fig. 1a prezintă o diagramă a unui motor turborreactor.

Figura 2. Reprezentarea schematică a unui turboreactor de avion.

Un motor turboreactor tipic este prezentat în Fig. 2. Astfel de motoare creează o tracțiune de la 45 kgf la 45000 kgf cu o greutate proprie de la 13 kg la 9000 kg. Cele mai mici motoare propulsează rachete de croazieră, cele mai mari propulsează 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 viteză mică în timpul decolării, ceea ce îl face cel mai potrivit pentru aeronavele comerciale. Un motor turboreactor nu are ventilator și creează tracțiune cu aer care trece complet prin calea gazului. Motoarele turboreactor 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 non-aviație, o parte din energia turbinei este utilizată pentru a antrena compresorul. Energia rămasă - „energie utilă” - este îndepărtată din arborele turbinei la un dispozitiv de utilizare a energiei, cum ar fi un generator electric sau elicea unei nave.

O turbină cu gaz tipică pentru utilizarea terenului este prezentată în Fig. 3. Astfel de instalații pot genera energie de la 0,05 MW până la 240 MW. Instalația prezentată în fig. 3 este o turbină cu gaz, derivată dintr-una de avion, dar mai uşoară. Unitățile mai grele sunt proiectate special pentru utilizarea terenurilor 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 sunt folosite ca generatoare de energie auxiliare în perioadele de sarcină de vârf. Generatoarele cu turbine cu gaz pot intra rapid în funcțiune, furnizând energie în momentele de cea mai mare nevoie.

Figura 3. Cea mai simplă turbină cu gaz într-o singură treaptă pentru uz teren. De exemplu, în sectorul energetic. 1 – compresor, 2 – camera de ardere, 3 – turbina.

Cele mai importante avantaje ale unei turbine cu gaz sunt:

Este capabil să producă multă energie cu o dimensiune și o greutate relativ mici.
O turbină 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 o turbină 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 turbină cu abur măsurată 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 aeronavelor folosesc de obicei distilate ușoare (kerosen). Se poate folosi și motorină sau păcură tratată special. De asemenea, este posibil să se utilizeze gaze inflamabile 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 se generează energie electrică, o turbină cu gaz nu necesită 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 designul lor au crescut eficienta termica de la 18% în 1939 la turbina cu gaz Neuchatel la eficiența actuală de 40% în funcționare cu ciclu simplu și aproximativ 55% în ciclu combinat (mai multe despre asta mai jos). În viitor, eficiența turbinelor cu gaz va crește și mai mult, eficiența ciclului simplu de așteptat să crească la 45-47% și eficiența ciclului combinat la 60%. Aceste eficiențe așteptate sunt semnificativ mai mari decât cele ale altor motoare comune, cum ar fi turbinele cu abur.

Cicluri ale turbinei cu gaz

Ciclograma 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 presiune dintr-un sistem. În fig. Figura 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 unei turbine cu gaz din Fig. 4b.

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

Figura 4b. Reprezentare schematică a unei turbine cu gaz, arătând puncte din diagrama ciclului Brayton.

Aerul este comprimat de la punctul 1 la punctul 2. În același timp, presiunea gazului crește, iar volumul gazului scade. Aerul este apoi încălzit la presiune constantă de la punctul 2 până la punctul 3. Această căldură este produsă de combustibilul introdus în camera de ardere și arderea sa continuă.

Aerul comprimat fierbinte 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 la sol sau crearea de tracțiune pentru un motor de aeronavă Ciclul Brighton este finalizat în Fig. 4 printr-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 ciclu deschis, aerul este preluat din atmosferă (punctul 1 din Fig. 4a și 4b) și eliberat înapoi în atmosferă la punctul 4, astfel gazul fierbinte este răcit în atmosferă după ce a fost eliberat din motor. Într-o turbină cu gaz care funcționează în ciclu închis, fluidul de lucru (lichid sau gaz) este utilizat în mod constant pentru a răci gazele de eșapament (la punctul 4) într-un schimbător de căldură (prezentat schematic în Fig. 5) și este trimis la admisia compresorului. . Deoarece folosește 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 pat fluidizat pe 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 (Fig. 4) se numește turbină cu gaz cu ciclu simplu. Majoritatea turbinelor cu gaz aeronavelor funcționează pe un ciclu simplu, deoarece este necesar să se mențină greutatea și dimensiunea frontală a motorului cât mai mici posibil. Cu toate acestea, pentru aplicații onshore sau offshore, devine posibilă adăugarea de echipamente suplimentare la o turbină cu ciclu simplu pentru a crește eficiența și/sau puterea motorului. Sunt utilizate trei tipuri de modificări: regenerare, intercooling și dublă încălzire.

Regenerare prevede instalarea unui schimbător de căldură (recuperator) pe traseul gazelor de eșapament (punctul 4 din fig. 4b). Aerul comprimat de la punctul 2 din Fig. 4b este preîncălzit pe un schimbător 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 și căderea de presiune în acesta este mică, eficiența va fi mai mare decât în cazul unui ciclu simplu de funcționare a turbinei. Cu toate acestea, trebuie luat în considerare și costul regeneratorului. Regeneratoarele au fost folosite la motoarele cu turbină cu gaz din tancul M1 Abrams, principalul tanc de luptă al Operațiunii Desert Storm și în motoarele experimentale cu turbine cu gaz de automobile. Turbinele cu gaz cu regenerare îmbunătățesc eficiența cu 5-6% și sunt și mai eficiente atunci când funcționează la sarcină parțială.

Intercooling implică și utilizarea schimbătoarelor de căldură. Un intercooler (intercooler) răcește gazul pe măsură ce este comprimat. De exemplu, dacă compresorul este format din două module, de înaltă și de joasă presiune, între ele trebuie instalat un intercooler pentru a răci debitul de gaz și a reduce volumul de lucru necesar pentru compresia 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 crește.

Incalzire dubla 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 o turbină cu gaz are două module, presiune înaltă și presiune joasă, atunci se folosește un supraîncălzitor (de obicei o altă cameră de ardere) pentru a reîncălzi fluxul de gaz dintre turbinele de înaltă și joasă presiune (Fig. 6c). Acest lucru poate crește puterea de ieșire cu 1-3%. Încălzirea duală în turbinele aeronavelor se realizează prin adăugarea unei camere de post-ardere la duza turbinei. Acest lucru crește tracțiunea, dar crește semnificativ consumul de combustibil.

O centrală electrică cu turbină cu gaz cu ciclu combinat este adesea abreviată ca CGC. 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 din turbină sunt folosite pentru a produce abur într-un schimbător de căldură, acest abur antrenează turbina cu abur, care produce și energie electrică. Dacă pentru încălzire se folosește abur, instalația se numește centrală de cogenerare. În plus, în Rusia se folosește de obicei abrevierea TETs (centrală termică și electrică). Dar la centralele termice, de regulă, nu funcționează turbinele cu gaz, ci turbinele obișnuite cu abur. Iar aburul folosit este folosit pentru încălzire, astfel încât centralele de cogenerare și cogenerare nu sunt sinonime. În fig. 7 diagrama simplificata centrală de cogenerare, prezintă 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 centralei 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, aceasta este suma eficienței fiecărei etape minus munca lor. Această ecuație arată de ce cogenerarea este atât de eficientă. Presupunând \(\nu_B = 40%\), aceasta 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 conform ciclului Rankine la a doua etapă de cogenerare este \(\nu_R = 30%\). Substituind 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 estimarea superioară a eficienței unei centrale de cogenerare. Eficiență practică va fi mai scăzută din cauza pierderii inevitabile de energie între etape. Practic în sistemele de cogenerare a energiei puse în funcțiune în ultimii ani, a fost atinsă o eficiență de 52-58%.

Componentele turbinei cu gaz

Funcționarea unei turbine cu gaz este cel mai bine împărțită prin împărțirea acesteia în trei subsisteme: compresorul, camera de ardere și turbina, așa cum se arată în Fig. 1. În continuare ne vom uita pe scurt la fiecare dintre aceste subsisteme.

Compresoare și turbine

Compresorul este conectat la turbină printr-un arbore comun, astfel încât turbina să poată roti 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 compresorul de joasă presiune și turbina 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 compresorul 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 de tip combinat. Compresorul centrifugal, în care aerul comprimat este evacuat 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 Fig. 2 și 3). Compresoarele centrifuge constau din cantitate mare secțiuni identice. Fiecare secțiune conține o roată rotativă cu palete de turbină și o roată cu palete staționare (statori). Secțiunile sunt dispuse astfel încât aerul comprimat să treacă secvenţial prin fiecare secțiune, eliberând o parte din energia sa fiecăreia dintre ele.

Turbinele au un design mai simplu în comparație cu un compresor, deoarece este mai dificil să comprimați fluxul de gaz decât să îl faceți să se extindă din nou. Turbinele axiale similare cu cele prezentate în Fig. 2 și 3 au mai puține secțiuni decât un compresor centrifugal. Există turbine cu gaz mici care folosesc turbine centrifuge (cu intrare radială de gaz), dar cele mai frecvente sunt turbinele axiale.

Proiectarea și fabricarea turbinei sunt complexe din cauza necesității de a prelungi durata de viață a componentelor din fluxul de gaz fierbinte. Problema cu fiabilitatea proiectării este cea mai critică în prima etapă a turbinei, unde temperaturile sunt cele mai ridicate. Se folosesc materiale speciale si un sistem de racire sofisticat pentru a asigura ca paletele turbinei, care se topesc la o temperatura de 980-1040 grade Celsius, intr-un flux de gaz a carui temperatura ajunge la 1650 grade Celsius.

Camera de ardere

Un proiect de succes al camerei de ardere trebuie să satisfacă multe cerințe, iar realizarea corectă a fost o provocare încă de pe vremea turbinelor Whittle și von Ohain. Importanța relativă a cerințelor fiecărei camere de ardere depinde de aplicarea turbinei și, desigur, unele cerințe sunt în conflict între ele. Compromisurile sunt inevitabile la proiectarea unei camere de ardere. Majoritatea cerințelor de proiectare se referă la cost, eficiență și compatibilitatea cu mediul motorului. Iată o listă de cerințe de bază pentru camera de ardere:

Eficiență ridicată a arderii combustibilului în toate condițiile de funcționare.
Emisii scăzute de combustibil nears și monoxid de carbon (CO), emisii scăzute de oxizi de azot la sarcină grea și nu există emisii vizibile de fum (minimizează poluarea mediu).
Cădere scăzută 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 lină, fără pulsații sau întreruperi.
Temperatura trebuie să fie stabilă.
Durată lungă de viață (mii de ore), în special pentru turbinele industriale.
Posibilitate de utilizare diferite tipuri combustibil. Turbinele terestre folosesc de obicei gaz natural sau motorină. Pentru turbine cu kerosen de aviație.
Lungimea și diametrul camerei de ardere trebuie să corespundă mărimii ansamblului motor.
Costul total de proprietate al camerei de ardere ar trebui să fie menținut la minimum (aceasta include costul inițial, costurile de operare și reparații).
Camera de ardere pentru motoarele de aeronave trebuie să aibă o greutate minimă.

Camera de ardere este formată din cel puțin trei părți principale: o carcasă, un tub de flacără și un sistem de injecție de combustibil. Carcasa trebuie să reziste la presiunea de funcționare și poate face parte din structura turbinei cu gaz. Carcasa acoperă 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 cu piston, turbinele cu gaz produc cea mai mică cantitate de poluanți ai aerului pe unitate de putere. Dintre emisiile de turbine cu gaz, cele mai mari preocupări sunt combustibilul nears, monoxidul de carbon (monoxid de carbon), oxizii de azot (NOx) și fumul. Deși contribuția turbinelor aeronavelor la emisiile totale de poluanți este mai mică de 1%, emisiile produse direct în troposferă s-au dublat între 40 și 60 de grade latitudine nordică, determinând creșterea concentrațiilor de ozon cu 20%. În stratosferă, unde zboară aeronavele supersonice, emisiile de NOx provoacă distrugerea ozonului. Ambele efecte sunt dăunătoare mediului, astfel încât reducerea oxizilor de azot (NOx) din emisiile motoarelor aeronavelor este ceva 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, și nu se bazează 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 feroviar– 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 de admisie-compresie-combustie (expansiune)-evacuare. Dar mișcarea de bază este semnificativ diferită. Corpul de lucru al unei turbine cu gaz se rotește, iar într-un motor cu piston se mișcă înainte și înapoi.

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

Caracteristicile turbinelor cu gaz

Tipuri de turbine cu gaz după proiectare și scop

Cel mai elementar tip de turbină cu gaz este cel care creează împingere de către un curent cu jet și este, de asemenea, cel mai simplu ca design.
Acest motor este potrivit pentru aeronavele care zboară de mare vitezăși este utilizat în avioanele supersonice și avioanele de luptă.

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

Această turbină cu gaz produce putere ca cuplu, turbina și compresorul împărțind un arbore comun. Parte putere utilă Turbina este folosită pentru a roti axul 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.

În acest tip, o a doua turbină este plasată după turbina generatoare de gaz și forța de rotație este transmisă acesteia de către curentul cu 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 acționare mecanică cu o gamă largă de viteze de rotație.
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 o turbină cu gaz din seria GREEN?

Filosofia pe care Kawasaki a urmat-o 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, mai eficiente din punct de vedere energetic și mai ecologice. Ideile încorporate 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 fost întotdeauna un mare succes și pentru a demonstra în continuare angajamentul nostru față de acest principiu, le-am dat noul nume „Turbine cu gaz VERDE”.

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 instalații și tehnologii de generație. 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 centralei.

Factorii importanți în alegerea unităților de putere sunt ușurința în exploatare, nivelul întreţinereși reparații, precum și locul unde se efectuează reparațiile unității de alimentare. 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 în favoarea tehnologiilor cu piston sau turbine. Este mai corect și mai optim să se selecteze tipurile de centrale electrice ale centralelor electrice direct la proiect, în funcție de condițiile individuale și termeni de referință client.

Atunci când alegeți echipamente electrice pentru construcția unei centrale autonome de cogenerare pe gaz, este recomandabil să vă consultați cu specialiști independenți de la companii de inginerie deja implicate în construcția de centrale electrice la cheie. O companie de inginerie trebuie să aibă proiecte finalizate care pot fi vizualizate și luate într-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, ale căror volume reale de vânzări, în comparație cu țările dezvoltate, sunt mici și lasă mult de dorit - aceasta, în primul rând, se reflectă în volumul și calitatea ofertelor.

Motoare cu piston pe 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 costurile de exploatare a unei centrale electrice cu turbine cu gaz?

Costul reviziei unui motor cu piston pe gaz poate fi de 30–350% din costul inițial al unității de alimentare 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 complexe de diagnosticare o dată la 7-8 ani.

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

Datorită complexității sale, reparațiile majore ale unei unități cu turbină cu gaz nu sunt efectuate la fața locului. Furnizorul trebuie să ia unitatea folosită și să aducă o unitate de schimb cu turbină cu gaz. Vechea unitate poate fi restaurată numai în condițiile din fabrică.

Ar trebui să țineți cont întotdeauna de respectarea programului de întreținere de rutină, de natura sarcinilor și a modurilor de funcționare ale centralei electrice, indiferent de tipul de unități de putere instalate.

Întrebarea, despre care se discută adesea, despre caracterul precis al turbinei la condițiile de funcționare, este asociată cu informații învechite de acum patruzeci de ani. Apoi, „la sol”, pentru a conduce centralele electrice, au fost folosite turbine de avioane „scoate din aripa” aeronavei. Astfel de turbine, cu modificări minime, au fost adaptate pentru a funcționa ca unități de putere principale pentru centralele electrice.

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

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

Unitățile moderne cu piston cu 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 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 pentru proprietarul unei centrale electrice autonome. Uneori, pentru a aduce mașinile cu piston pe gaz la modul nominal la sarcini parțiale, în proiectarea circuitului termic al stației sunt incluse una sau două cazane electrice, care fac posibilă asigurarea a 50% din sarcină dorită.

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 de exploatare. Acest lucru se datorează faptului că pentru centralele electrice de orice tip și tip este necesar să se efectueze reglementări și lucrari de renovare.

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

Dealerii fără scrupule de unități cu piston cu gaz și turbine cu gaz oferă, de regulă, numai broșuri - literatură comercială - înainte de a vinde echipamentul cumpărătorului plan generalși extrem de rar - informații exacte despre costurile complete de funcționare și reglementările tehnice realizate.

La unitățile puternice cu piston cu gaz, uleiul nu trebuie schimbat. La loc de muncă permanent este pur și simplu produs fără a avea timp să îmbătrânească. Uleiul în astfel de instalații este în mod constant completat. Astfel de moduri de funcționare sunt asigurate de designul special al motoarelor puternice cu piston pe gaz și sunt recomandate de producător.

Deșeurile de ulei de motor sunt de 0,25–0,45 grame per kilowatt pe oră produs. Burnout-ul este întotdeauna mai mare atunci când sarcina scade. De regulă, setul de motor cu piston pe gaz include un rezervor special pentru umplerea 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.

Deoarece ulei de motorîncă se ard, unitățile cu piston au puțin mai mult nivel înalt emisii nocive în atmosferă decât instalațiile cu turbine cu gaz. Dar, din moment ce gazul arde complet și este unul dintre cele mai curate tipuri de combustibil, a vorbi despre o poluare gravă a aerului înseamnă doar „tocește săbiile”. Câteva autobuze vechi maghiare Ikarus provoacă daune mult mai grave mediului. Pentru a respecta cerințele de mediu, la utilizarea mașinilor cu piston, este necesară construirea coșurilor de fum mai înalte, ținând cont de nivelul existent al concentrațiilor maxime admise în mediu.

Uleiul uzat din instalațiile cu piston cu gaz nu poate fi pur și simplu turnat pe pământ - necesită eliminare - aceasta este o „cheltuială” pentru proprietarii centralei electrice. Dar puteți câștiga bani din asta - uleiul de motor uzat este cumpărat de organizații specializate.

Mulți dintre noi folosim ulei de motor în motoarele cu piston ale mașinii noastre. Dacă motorul este în stare bună de funcționare, funcționat corespunzător și alimentat cu combustibil normal, atunci nu vor apărea cataclisme financiare asociate consumului său.

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

În unitățile moderne de turbine cu gaz, uleiul este utilizat numai în cutia de viteze. Volumul său poate fi considerat nesemnificativ. Uleiul de transmisie din turbinele cu gaz este înlocuit în medie o dată la 3-5 ani, iar completarea nu este necesară.

Pentru a efectua un serviciu complet, o instalație puternică cu piston cu gaz trebuie să includă o macara cu grindă. Folosind o grindă de macara, părțile grele ale motoarelor cu piston sunt îndepărtate. Utilizarea unei macarale cu grinzi necesită tavane înalte pentru încăperile de mașini ale unei centrale electrice cu piston. Pentru a repara unitățile cu piston cu gaz de putere mică și medie, vă puteți descurca cu mecanisme de ridicare mai simple.

La livrare, centralele electrice cu piston pe gaz pot fi echipate cu diverse instrumente de reparații și accesorii. 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 fabrica producătorului, fie cu asistența directă a specialiștilor din fabrică.

Bujiile trebuie înlocuite o dată la 3-4 luni. Înlocuirea bujiilor este doar 1-2 (!) copeici în costul a 1 kW/h de energie electrică proprie.

Unitățile cu piston, spre deosebire de turbinele cu gaz, sunt răcite cu lichid, prin urmare, personalul unei centrale electrice autonome trebuie să monitorizeze în mod constant nivelul lichidului de răcire și să îl înlocuiască periodic, iar dacă este apă, atunci trebuie tratat chimic;

Caracteristicile de mai sus de funcționare a unităților cu piston sunt absente în unitățile cu turbine cu gaz. Instalațiile cu turbine cu gaz nu utilizează consumabile și componente precum:

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

Dar turbinele cu gaz nu pot fi reparate la fața locului, cu atât mai puțin consum mai mare gazul nu poate fi comparat cu costurile de funcționare și consumabile pentru unitățile cu piston.

Ce sa aleg? Unități cu piston cu gaz sau turbină cu gaz?

Cum se leagă puterea unităților de putere ale centralelor electrice cu temperatura ambiantă?

Odată cu o creștere semnificativă a temperaturii ambientale, puterea unității turbinei cu gaz scade. Dar pe măsură ce temperatura scade, puterea electrică a turbinei cu gaz crește, dimpotrivă. Parametrii de putere electrică, conform standardelor ISO existente, sunt măsurați la t +15 °C.

Uneori punct important este, de asemenea, faptul că o unitate cu 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 centrală termică 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 fezabil din punct de vedere economic să se utilizeze unități cu piston cu gaz.

Temperatura ridicată la ieșirea turbinelor cu gaz permite utilizarea unei turbine cu abur ca parte a centralei electrice. Acest echipament este solicitat dacă consumatorul trebuie să obțină cantitatea maximă de energie electrică cu același volum de combustibil gazos consumat 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 care au turbine cu abur în structura lor, de regulă, sunt proiectate pentru o putere destul de mare - de la 50 MW și mai sus.

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

Eficiența unei centrale electrice este mai mult decât relevantă - la urma urmei, afectează consumul de combustibil. Medie consum specific combustibilul gazos per 1 kW/oră generat este semnificativ mai mic pentru o instalație cu piston cu gaz și în orice mod de încărcare (deși sarcinile pe termen lung 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% (în ciclul abur-gaz, turbina este capabilă să atingă 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, un avion sau o navă maritimă, atunci factorul de eficiență al centralei electrice poate fi considerat unul dintre indicatorii determinanți. Căldura care este generată în timpul funcționării motorului unei locomotive, aeronave (sau nave) nu este utilizată 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 autonomă, abordarea este oarecum diferită - aici este necesar să vorbim despre utilizarea completă a combustibilului - utilizarea combustibilului factor (FUI).

Când este ars, combustibilul îndeplinește activitatea principală - rotește generatorul centralei electrice. Toată energia rămasă din arderea combustibilului este căldură, care poate și ar trebui utilizată. În acest caz, așa-numita „eficiență generală”, sau mai degrabă factorul de utilizare a combustibilului (FUI), al centralei va fi de aproximativ 80-90%.

Dacă consumatorul se așteaptă să utilizeze energie termică Centrală autonomă în totalitate, ceea ce este de obicei puțin probabil, atunci factorul de eficiență (eficiența) al centralei autonome nu are nicio semnificație 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 instalează neapărat compresoare (cele cu piston) și, de asemenea, cresc consumul de combustibil.
O comparație a turbinelor cu gaz și a motoarelor cu piston pe gaz ca parte a mini-CHP arată că instalarea turbinelor cu gaz este recomandată la instalațiile care au nevoi electrice și termice uniforme cu 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 cheltuială!

În consecință, cu un cost similar sau egal al echipamentului în sine, este mai ieftin energie electrica obţinute în instalaţiile cu piston cu gaz. Gazul este principalul element de cheltuială la exploatarea unei centrale autonome!

Instalații cu piston cu gaz versus motoare cu turbină cu gaz - presiunea de intrare a gazului

Este întotdeauna necesar să existe o conductă de gaz de înaltă presiune atunci când se folosesc turbine cu gaz?

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

Compresorul oferă caracteristicile de performanță a presiunii necesare ale combustibilului gazos. Compresoarele moderne sunt unități extrem de fiabile și care necesită întreținere redusă. în lume tehnologii moderne, atât pentru motoarele cu piston pe gaz, cât și pentru turbinele cu gaz, este important doar să existe volumul adecvat de combustibil gazos pentru a asigura funcționarea normală a unei centrale autonome.

Cu toate acestea, nu ar trebui să uităm asta Compresorul booster necesită, de asemenea, multă energie, consumabile si servicii. Paradoxal, compresoarele cu piston sunt adesea folosite pentru turbine puternice.

Motoare cu piston pe gaz versus unități cu turbine cu gaz - unități cu combustibil dublu

Deseori se scrie și se spune că instalațiile cu combustibil dublu pot fi alimentate doar cu piston. Este adevărat?

Acest lucru nu este adevărat. Toți producătorii cunoscuți de turbine cu gaz au unități cu combustibil dublu în gama lor. Principala caracteristică a unei unități cu combustibil dublu 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 instalațiile monocombustibil:

in lipsa gazelor naturale, instalatia trece automat la functionarea pe motorina;
În timpul proceselor tranzitorii, instalația trece automat la funcționarea cu motorină.

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

Instalațiile cu combustibil dublu au încă o 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 față de 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 fi pornit și oprit de un număr nelimitat de ori, iar acest lucru nu îi afectează durata de viață. Dar pornirile și opririle frecvente ale unităților cu piston cu gaz, cu pierderea alimentării cu energie pentru propriile nevoi, pot duce la uzura celor mai încărcate componente (rulmenți turbocompresor, supape etc.).

Datorită modificărilor bruște ale tensiunilor termice care apar în cele mai critice componente și părți ale secțiunii fierbinți a unei unități cu turbină cu gaz în timpul pornirilor rapide ale unității de la o stare rece, este de preferat să se utilizeze o unitate cu turbină cu gaz pentru o funcționare constantă și continuă. .

Motoare cu piston pe gaz ale centralelor electrice versus unități cu turbine cu gaz - resursă până la revizie

Care poate fi durata de viață a instalației înainte de reparații majore?

Durata de viață a unei turbine cu gaz înainte de revizie este de 40.000-60.000 de ore de funcționare. 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 reparațiile majore apar mult mai devreme.

Instalații cu pistoane pe gaz versus motoare cu turbină cu gaz - investiții de capital și prețuri

Ce investiții de capital vor fi necesare pentru construcția unei centrale electrice? Care este costul construirii unui complex energetic autonom la cheie?

După cum arată calculele, investiția de capital (dolar/kW) în construcția unei centrale termice cu motoare cu piston pe gaz este aproximativ egală cu cea a turbinelor 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, complet la cheie, va costa 15,3 milioane de dolari.

Motoare cu piston pe gaz versus unități 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 NOx. 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 în funcție de concentrația maximă admisă la locația mini-CHP. După aceasta, se face un calcul de dispersie, astfel încât „adăugarea” de substanțe nocive din mini-CHP. la fundal nu duce la depăşirea concentraţiei maxime admise. Prin mai multe iterații, se selectează înălțimea minimă a coșului de fum, la care sunt îndeplinite cerințele SanPiN. Adăugarea de la o stație de 16 MW în ceea ce privește emisiile de NOx nu este atât de semnificativă: cu o înălțime a coșului de fum de 30 m - 0,2 MAC, la 50 m - 0,1 MAC.

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

Unitățile cu piston experimentează vibrații și zgomot de joasă frecvență în timpul funcționării. Aducerea zgomotului la valorile standard este posibilă, aveți nevoie doar de soluții de inginerie adecvate. Pe lângă calculul dispersiei, la elaborarea secțiunii „Protecția mediului” din documentația proiectului, 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. Instalațiile de turbine cu gaz nu au scăpat de această criză.

Instalații cu pistoane pe gaz versus motoare cu turbină cu gaz - concluzii

Sub sarcini liniare și respectarea regulii N+1, este posibilă utilizarea motoarelor cu piston cu gaz ca sursă principală de alimentare cu energie. O astfel de centrală electrică necesită unități de rezervă și rezervoare de stocare pentru al doilea tip de combustibil - motorină.

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

În cazul utilizării unităților cu piston cu gaz, consumatorul poate evita complet alimentarea cu energie externă, dar numai cu o abordare atentă și echilibrată.

Unitățile cu piston pot fi, de asemenea, utilizate ca surse de energie electrică de rezervă sau de urgență.

O alternativă la unitățile cu piston sunt microturbinele cu gaz. Adevărat, prețurile pentru microturbine sunt foarte mari și se ridică la ~ 2500–4000 USD per 1 kW de putere instalată!

O comparație a turbinelor cu gaz și a motoarelor cu piston cu gaz ca parte a mini-CHP arată că instalarea turbinelor 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 recomandat pentru centralele de putere mult mai mare - 50-70 MW.

Pentru multe instalații moderne de generație, 200.000 de ore de funcționare nu reprezintă o valoare critică și, sub rezerva programului de întreținere programat și înlocuirea treptată a pieselor turbinei supuse uzurii: rulmenți, injectoare, diverse echipamente auxiliare (pompe, ventilatoare), funcționarea ulterioară a gazului. instalația cu turbine 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 în exploatarea instalațiilor cu turbine cu gaz/piston cu gaz din întreaga lume.

Atunci când alegeți unități de putere ale unei centrale autonome, este necesară consultarea de specialitate!

Sfatul și supravegherea experților sunt, de asemenea, necesare în timpul construcției centralelor autonome. Pentru a rezolva problema, aveți nevoie de o companie de inginerie cu experiență și proiecte finalizate.

Ingineria vă permite să determinați în mod competent, imparțial și obiectiv alegerea echipamentului principal și auxiliar pentru a selecta configurația optimă - configurația viitoarei centrale electrice.

Ingineria calificată vă permite să economisiți semnificativ numerar client, iar aceasta reprezintă 10–40% din costurile totale. Ingineria de la profesioniști din industria energiei electrice vă permite să evitați greșelile costisitoare în proiectare și în alegerea furnizorilor de echipamente.

§ 45. Instalaţii de turbine

Turbinele navelor sunt folosite pentru a transforma energia termică a aburului sau a gazului în lucru mecanic. Metoda de conversie a energiei într-o turbină nu depinde de fluidul de lucru care este utilizat în turbină. Prin urmare, procesele de lucru care au loc în turbinele cu abur nu sunt semnificativ diferite de procesele de lucru care au loc în turbinele cu gaz, iar principiile de bază ale proiectării turbinelor cu abur și cu gaz sunt aceleași.

Aburul proaspăt sau gazul care intră în duză, care este o paletă 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 așezat pe arborele turbinei. Fluidul de lucru apasă pe suprafețele curbe ale lamelor de lucru, forțând discul cu arborele să se rotească. Se numește setul de astfel de palete de ghidare (duze) și palete de lucru pe discul turbinei luate în considerare treapta turbinei. Se numesc turbine cu o singură treaptă într-o singură etapă spre deosebire de în mai multe etape turbine

Turbinele, bazate pe principiul de funcționare al fluidului de lucru (abur sau gaz), sunt împărțite în două grupe principale. Turbinele în care expansiunea aburului sau a gazului are loc numai în paletele de ghidare staționare și numai energia lor cinetică este utilizată pe paletele de lucru, se numesc activ. Turbine în care expansiunea aburului sau a gazului are loc și în timpul mișcării fluidul de lucru în canalele lamelor de lucru se numesc reactiv. Turbinele se rotesc doar într-un singur sens și sunt ireversibile, adică nu pot schimba sensul de rotație. Prin urmare, turbinele inverse sunt de obicei prevăzute pe același arbore cu turbinele principale înainte. Puterea turbinelor inverse ale navei nu depășește 40-50% din puterea turbinelor înainte. Deoarece aceste turbine nu trebuie să ofere o eficiență ridicată de 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. Când presiunea crește la 70-80 atm și temperatura aburului la 500-550° C, eficiența economică crește la 29-31%. Creșterea în continuare a presiunii inițiale a aburului și îmbunătățirea instalațiilor va crește eficiența instalației de turbine cu abur a unei nave la aproximativ 35%.

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

Turbină cu 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 structura și funcționarea unei turbine cu abur. Ele pot fi, de asemenea, active sau reactive, cu o singură carcasă, cu mai multe carcase etc. Turbinele cu gaz diferă de turbinele cu abur la sarcini de temperatură mai ridicată: temperatura gazelor fierbinți este în intervalul 700-800 ° C. Diferența de temperatură se reduce timpul de funcționare al turbinelor cu gaz.

În funcție de metoda de comprimare a aerului și de formare a gazelor fierbinți, unități cu turbine cu gaz cu cameră de ardere și unități cu turbine cu gaz generatoare de gaz cu piston liber(SPGG). O calitate negativă a unei turbine cu gaz este pierderea mare de căldură în timpul eliminării gazelor de eșapament.

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

Utilizarea regenerării cu compresia simultană a aerului în două etape crește eficiența efectivă a instalației la 28-30%. Astfel de turbine cu gaz sunt folosite ca sisteme de propulsie a navelor.

Într-o instalație de turbină cu gaz a navei 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 frigiderul 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 la regeneratorul 4, de unde este încălzit de gazele de evacuare și intră în camera de ardere 6, unde combustibilul furnizat acolo este ars. Produsele de ardere se extind în turbina cu gaz 5 și prin regenerator, după ce cedează o parte din căldură aerului, sunt eliberate în atmosferă sau utilizate într-un cazan de recuperare.

Orez. 69. Schema unei instalatii de turbina cu gaz cu regenerare si comprimare a aerului in doua trepte.

Energia dezvoltată într-o turbină cu gaz nu este utilizată pe deplin în scopul principal, dar este parțial cheltuită pentru acționarea compresoarelor. Pentru a porni o turbină cu gaz, aceasta trebuie rotită folosind motoare electrice de pornire.

O unitate de turbină cu gaz cu un generator de gaz cu piston liber (LPGG) constă dintr-o turbină activă sau de reacție și un cilindru diesel în care are loc arderea combustibilului. O instalație combinată cu turbină cu gaz cu GNL este prezentată în Fig. 70.

Cilindrul SPGG 1 are două pistoane de lucru 2 pe aceleași tije cu pistoanele compresoarelor 3. 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 celor 6 cilindri ai compresorului 5 și aerul atmosferic este aspirat prin supapele 7. In acelasi timp, aerul din cavitatea celor 4 cilindri compresor este comprimat si pistoanele de lucru revin in pozitia initiala.

Când pistoanele din cilindru diverg, mai întâi se deschid ferestrele de evacuare 9, iar apoi ferestrele 10 sunt purjate.

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

Eficiența efectivă a unei astfel de unități combinate de turbină cu gaz cu GNL este aproape de 40%, ceea ce face ca instalarea lor pe nave să fie profitabilă. Unitățile de turbine cu gaz cu NGN sunt promițătoare și vor fi utilizate pe scară largă pe nave ca motoare principale.

Orez. 70. Schema unei instalații de turbină cu gaz cu generator de gaz cu piston liber (SPGG).

Instalațiile nucleare de la bordul navei sunt utilizate pentru obținerea energiei termice ca urmare a fisiunii nucleelor elementelor fisionabile, care are loc în dispozitive 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 se ridică la doar zeci de grame. Perioada de înlocuire a elementelor de combustibil din reactoarele navelor 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 semnificativ mai mare decât capacitatea de transport a navelor de dimensiuni egale cu centralele electrice convenționale. Creșterea capacității de transport pe aceste nave se explică prin lipsa combustibilului convențional pe acestea.

Pentru a crește viteza navelor, utilizarea instalațiilor alimentate cu energie nucleară este rentabilă și permite creșterea puterii centralelor electrice fără o creștere bruscă a greutății acestora. Avantajul decisiv al instalațiilor nucleare de la bord este absența nevoii de aer în timpul funcționării lor. Această caracteristică ne permite să rezolvăm problema mișcării pe termen lung a navelor sub apă. După cum se știe, navele, care navighează 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 mai mari. Transportul subacvatic de deplasări mari poate fi mult mai rentabil de operat decât navele de suprafață cu aceeași deplasare.

Uraniul îmbogățit artificial care conține izotopul U 235 într-o cantitate de 3-5% este folosit ca combustibil nuclear pentru reactoarele moderne de nave.

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 sunt folosite apă simplă (H 2 0), apa grea (D 2 0), beriliu sau grafit.

După 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 într-un moderator sub formă de tije sau plăci numite elemente combustibile. Singurul tip utilizat în centralele nucleare de bord sunt reactoarele eterogene.

Când are loc o reacție nucleară, aproximativ 80% din energie este convertită în căldură, iar 20% este eliberată sub formă de radiații (a, b și y), radiațiile a- și b nu sunt deosebit de periculoase. Dar radiația y și radiația neutronică, care au o mare putere de penetrare, provoacă radiații secundare în multe materiale. Această radiație provoacă boli grave în corpul uman. Pentru a preveni astfel de radiații, centralele nucleare trebuie să aibă o protecție fiabilă, numită protecție 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 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 CP. Cu.

Centrala electrică principală a spărgătoarei de gheață „Lenin” este proiectată conform următoarei scheme (Fig. 71). Spărgătorul de gheață este echipat cu 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 cu pompe electrice de circulație 4. Generatoarele de abur produc abur din circuitul secundar la o presiune de 29 atm și la o temperatură de 310°C, care antrenează patru turbogeneratoare de abur 5 Aburul evacuat trece prin condensatoarele 6 sub formă de condens și este utilizat din nou, efectuând lucrări în ciclu închis.

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

Motoarele maritime cu turboreacție sunt utilizate pe hidrofoile sau pe nave speciale. O diagramă întâlnită frecvent a unui motor cu turboreacție este prezentată în Fig. 72.

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

Când motorul se deplasează spre stânga (săgeata A), aerul intră în carcasa sa și este comprimat de turbocompresorul 1. Aerul comprimat este furnizat în camera de ardere 2, în care este ars combustibilul furnizat simultan. 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 curge asigură deplasarea vasului.

O unitate de turbină abur-gaz care funcționează conform ciclului Walther a fost folosită pe submarinele germane în al Doilea Război Mondial pentru a le crește viteza sub apă. O barcă cu o astfel de instalație ar putea dezvolta viteze mari subacvatice în decurs de 5-6 ore, ajungând până la 22-25 de noduri.

Agentul de oxidare în acest ciclu a fost peroxidul de hidrogen în concentrații mari (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 era ars în oxigen în timp ce apă proaspătă era injectată simultan în ea. Energia amestecului de abur-gaz rezultat de înaltă presiune și temperatură înaltă a fost utilizată într-o turbină abur-gaz. Amestecul uzat de abur-gaz a fost răcit într-un condensator, unde vaporii de apă au fost transformați în apă și returnați 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 croazieră a bărcilor la viteză maximă, pericolul 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 atât al instalării în sine, cât și al funcționării 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
Spate