Installationer av energigasturbiner. Cykler av gasturbinanläggningar

2024 Författare: Howard Calhoun | [email protected]. Senast ändrad: 2023-12-17 10:41

Gasturbinenheter (GTP) är ett enda, relativt kompakt kraftkomplex, där en kraftturbin och en generator arbetar i par. Systemet har fått stor spridning inom den så kallade småskaliga kraftindustrin. Perfekt för el- och värmeförsörjning av stora företag, avlägsna bosättningar och andra konsumenter. Som regel drivs gasturbiner på flytande bränsle eller gas.

På gränsen till framsteg

I ökningen av energikapaciteten i kraftverk överförs den ledande rollen till gasturbinenheter och deras vidare utveckling - kombinerade cykelanläggningar (CCGT). Vid amerikanska kraftverk sedan början av 1990-talet har mer än 60 % av den idrifttagna och moderniserade kapaciteten redan varit gasturbiner och kombianläggningar, och i vissa länder nådde deras andel under vissa år 90 %.

Enkla gasturbiner byggs också i stort antal. Gasturbinanläggningen - mobil, ekonomisk att driva och lätt att reparera - visade sig vara den optimala lösningen för att täcka toppbelastningar. Vid sekelskiftet (1999-2000), den totala kapacitetengasturbinenheter nådde 120 000 MW. Som jämförelse: på 1980-talet var den totala kapaciteten för system av denna typ 8 000-10 000 MW. En betydande del av gasturbinerna (mer än 60 %) var avsedda att fungera som en del av stora binära kombianläggningar med en medeleffekt på cirka 350 MW.

Historisk bakgrund

Teoretiska grunder för användningen av kombinerad cykelteknik studerades tillräckligt detaljerat i vårt land i början av 60-talet. Redan vid den tiden blev det klart att den allmänna vägen för utveckling av termisk kraftteknik är ansluten exakt till kombinerad cykelteknik. Deras framgångsrika implementering krävde dock pålitliga och mycket effektiva gasturbinenheter.

Det var de betydande framstegen inom gasturbinkonstruktionen som avgjorde det moderna kvalitativa språnget inom termisk kraftteknik. Ett antal utländska företag löste framgångsrikt problemet med att skapa effektiva stationära gasturbiner vid en tidpunkt då inhemska ledande ledande organisationer inom en kommandoekonomi främjade de minst lovande ångturbinteknologierna (STP).

Om verkningsgraden för gasturbininstallationer på 60-talet låg på nivån 24-32 %, så hade de bästa stationära kraftdrivna gasturbininstallationerna redan i slutet av 80-talet en verkningsgrad (med autonom användning) på 36-37 %. Detta gjorde det möjligt att skapa CCGT på grundval av dessa, vars effektivitet nådde 50 %. I början av det nya seklet var denna siffra lika med 40 %, och i kombination med gascykelanläggningar med kombinerad cykel var den till och med 60 %.

Jämförelse av ångturbinoch kombianläggningar

I kombianläggningar baserade på gasturbiner var den omedelbara och verkliga utsikten att få en verkningsgrad på 65 % eller mer. Samtidigt, för ångturbinanläggningar (utvecklade i Sovjetunionen), bara om ett antal komplexa vetenskapliga problem relaterade till generering och användning av superkritisk ånga framgångsrikt kan lösas, kan man hoppas på en effektivitet på högst 46- 49 %. När det gäller effektivitet är ångturbinsystem hopplöst sämre än kombinerade cykelsystem.

Betydligt sämre än ångturbinkraftverk även vad gäller kostnad och byggtid. År 2005, på världsmarknaden för energi, var priset på 1 kW för en CCGT-enhet med en kapacitet på 200 MW eller mer $ 500-600/kW. För CCGT med mindre kapacitet låg kostnaden i intervallet $600-900/kW. Kraftfulla gasturbinanläggningar motsvarar värden på 200-250 $/kW. Med en minskning av enhetseffekten ökar deras pris, men överstiger vanligtvis inte $ 500 / kW. Dessa värden är flera gånger mindre än kostnaden för en kilowatt el i ångturbinsystem. Till exempel varierar priset för en installerad kilowatt i kraftverk med kondenserande ångturbiner från 2000-3000 $/kW.

schema för en gasturbinanläggning

Installationen innehåller tre grundenheter: en gasturbin, en förbränningskammare och en luftkompressor. Dessutom är alla enheter inrymda i en prefabricerad enkelbyggnad. Kompressorn och turbinrotorerna är styvt förbundna med varandra, stödda av lager.

Förbränningskammare (till exempel 14 stycken) är placerade runt kompressorn, var och en i sitt separata hölje. För tillträde tillLuftkompressorn fungerar som ett inloppsrör, luft lämnar gasturbinen genom avgasröret. Gasturbinkroppen är baserad på kraftfulla stöd placerade symmetriskt på en enda ram.

Arbetsprincip

De flesta gasturbinenheter använder principen om kontinuerlig förbränning, eller öppen cykel:

• Först pumpas arbetsvätskan (luften) vid atmosfärstryck av lämplig kompressor.
• Vidare komprimeras luften till ett högre tryck och skickas till förbränningskammaren.
• Den är försedd med bränsle, som brinner vid ett konstant tryck, vilket ger en konstant tillförsel av värme. På grund av förbränning av bränsle ökar temperaturen på arbetsvätskan.
• Närnäst kommer arbetsvätskan (nu är det redan en gas, som är en blandning av luft och förbränningsprodukter) in i gasturbinen, där den expanderar till atmosfärstryck och gör ett användbart arbete (vänder turbinen som genererar el).
• Efter turbinen släpps gaserna ut i atmosfären, genom vilken arbetscykeln avslutas.
• Skillnaden mellan driften av turbinen och kompressorn uppfattas av en elektrisk generator som är placerad på en gemensam axel med turbinen och kompressorn.

Intermittent förbränningsanläggningar

Till skillnad från den tidigare designen använder intermittent förbränning två ventiler istället för en.

• Kompressorn tvingar in luft i förbränningskammaren genom den första ventilen medan den andra ventilen är stängd.
• När trycket i förbränningskammaren stiger stängs den första ventilen. Som ett resultat stängs kammarens volym.
• När ventilerna är stängda förbränns bränsle i kammaren, naturligtvis sker dess förbränning med en konstant volym. Som ett resultat ökar trycket i arbetsvätskan ytterligare.
• Nästa öppnas den andra ventilen och arbetsvätskan kommer in i gasturbinen. I detta fall kommer trycket framför turbinen gradvis att minska. När den närmar sig atmosfären ska den andra ventilen stängas och den första öppnas och upprepa sekvensen av åtgärder.

Gasturbincykler

När man vänder sig till den praktiska implementeringen av en eller annan termodynamisk cykel, måste designers möta många oöverstigliga tekniska hinder. Det mest karakteristiska exemplet: när ångfuktigheten är mer än 8-12% ökar förlusterna i ångturbinens flödesväg kraftigt, dynamiska belastningar ökar och erosion uppstår. Detta leder i slutändan till att turbinens flödesväg förstörs.

Som ett resultat av dessa restriktioner i energisektorn (för att få ett jobb) används bara två grundläggande termodynamiska cykler i stor utsträckning än så länge: Rankine-cykeln och Brayton-cykeln. De flesta kraftverk är baserade på en kombination av delar av dessa cykler.

Rankine-cykeln används för arbetsvätskor som gör en fasövergång under implementeringen av cykeln; ångkraftverk arbetar enligt denna cykel. För arbetsvätskor som inte kan kondenseras under verkliga förhållanden och som vi kallar gaser, används Brayton-cykeln. Genom denna cykelgasturbinanläggningar och förbränningsmotorer är igång.

Använt bränsle

De allra flesta gasturbiner är konstruerade för att drivas på naturgas. Ibland används flytande bränslen i system med låg effekt (mindre ofta - medium, mycket sällan - hög effekt). En ny trend är övergången av kompakta gasturbinsystem till användning av fasta brännbara material (kol, mindre ofta torv och trä). Dessa trender beror på att gas är en värdefull teknisk råvara för den kemiska industrin, där användningen ofta är mer lönsam än inom energisektorn. Produktionen av gasturbinanläggningar som kan arbeta effektivt med fast bränsle tar aktivt fart.

Skillnaden mellan ICE och GTU

Den grundläggande skillnaden mellan förbränningsmotorer och gasturbinkomplex är följande. I en förbränningsmotor sker processerna med luftkompression, bränsleförbränning och expansion av förbränningsprodukter inom ett strukturellt element, kallat motorcylindern. I gasturbiner separeras dessa processer i separata strukturella enheter:

• komprimering utförs i kompressorn;
• förbränning av bränsle i en speciell kammare;
• expansion av förbränningsprodukter utförs i en gasturbin.

Som ett resultat har gasturbiner och förbränningsmotorer föga likheter, även om de fungerar enligt liknande termodynamiska cykler.

Slutsats

Med utvecklingen av småskalig kraftproduktion, som ökar dess effektivitet, tar GTP- och STP-system en allt större andel av det totalavärldens energisystem. Följaktligen efterfrågas alltmer det lovande yrket som en gasturbinanläggningsoperatör. Efter västerländska partners har ett antal ryska tillverkare bemästrat produktionen av kostnadseffektiva gasturbinenheter. Severo-Zapadnaya kraftvärmekraftverk i St. Petersburg blev det första kombikraftverket av en ny generation i Ryssland.