Instalații de turbine cu gaz energetic. Cicluri ale instalațiilor cu turbine cu gaz

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Modificat ultima dată: 2023-12-17 10:39

Unitățile de turbină cu gaz (GTP) sunt un complex de putere unic, relativ compact, în care o turbină de putere și un generator funcționează în perechi. Sistemul a devenit larg răspândit în așa-numita industrie electrică la scară mică. Excelent pentru alimentarea cu energie și căldură a întreprinderilor mari, localităților îndepărtate și alți consumatori. De regulă, turbinele cu gaz funcționează cu combustibil lichid sau cu gaz.

La limita progresului

În creșterea capacității energetice a centralelor electrice, rolul principal este transferat unităților cu turbine cu gaz și evoluția ulterioară a acestora - centralele cu ciclu combinat (CCGT). Astfel, la centralele din SUA de la începutul anilor 1990, mai mult de 60% din capacitățile puse în funcțiune și modernizate au fost deja turbine cu gaz și centrale cu ciclu combinat, iar în unele țări, în câțiva ani, ponderea acestora a ajuns la 90%.

Turbinele cu gaz simple sunt, de asemenea, construite în număr mare. Instalația cu turbine cu gaz - mobilă, economică de exploatat și ușor de reparat - s-a dovedit a fi soluția optimă pentru acoperirea sarcinilor de vârf. La începutul secolului (1999-2000), capacitatea totalăturbinele cu gaz au ajuns la 120.000 MW. Spre comparație: în anii 1980, capacitatea totală a sistemelor de acest tip era de 8.000-10.000 MW. O parte semnificativă a turbinelor cu gaz (mai mult de 60%) au fost destinate să funcționeze ca parte a centralelor mari cu ciclu combinat binar, cu o putere medie de aproximativ 350 MW.

Context istoric

Bazele teoretice ale utilizării tehnologiilor cu ciclu combinat au fost studiate suficient de detaliat în țara noastră la începutul anilor’60. Deja la acel moment, a devenit clar că calea generală pentru dezvoltarea ingineriei energiei termice este legată tocmai de tehnologiile cu ciclu combinat. Cu toate acestea, implementarea lor cu succes a necesitat unități de turbine cu gaz fiabile și foarte eficiente.

Progresul semnificativ în construcția turbinelor cu gaz a determinat s altul calitativ modern în ingineria termoenergetică. Un număr de firme străine au rezolvat cu succes problema creării de turbine cu gaz staționare eficiente, într-un moment în care organizațiile lider interne într-o economie de comandă promovau cele mai puțin promițătoare tehnologii cu turbine cu abur (STP).

Dacă în anii 60 randamentul instalațiilor de turbine cu gaz era la nivelul de 24-32%, atunci la sfârșitul anilor 80 cele mai bune instalații staționare de turbine pe gaz aveau deja un randament (cu utilizare autonomă) de 36-37 %. Acest lucru a făcut posibilă crearea CCGT-urilor pe baza lor, a căror eficiență a ajuns la 50%. Până la începutul noului secol, această cifră era egală cu 40% și, în combinație cu instalațiile cu ciclu combinat cu gaze, era chiar de 60%.

Comparație a turbinei cu aburși plante cu ciclu combinat

În centralele cu ciclu combinat bazate pe turbine cu gaz, perspectiva imediată și reală era obținerea unui randament de 65% sau mai mult. În același timp, pentru instalațiile cu turbine cu abur (dezvoltate în URSS), numai dacă o serie de probleme științifice complexe legate de generarea și utilizarea aburului supercritic pot fi rezolvate cu succes, se poate spera la o eficiență de cel mult 46- 49%. Astfel, în ceea ce privește eficiența, sistemele cu turbine cu abur sunt fără speranță inferioare sistemelor cu ciclu combinat.

Semnificativ inferior centralelor electrice cu turbine cu abur și în ceea ce privește costul și timpul de construcție. În 2005, pe piața mondială de energie, prețul de 1 kW pentru o unitate CCGT cu o capacitate de 200 MW sau mai mult era de 500-600 USD/kW. Pentru CCGT-urile cu capacități mai mici, costul a fost în intervalul 600-900 USD/kW. Centrale puternice cu turbine cu gaz corespund unor valori de 200-250 $/kW. Cu o scădere a puterii unității, prețul lor crește, dar de obicei nu depășește 500 USD / kW. Aceste valori sunt de câteva ori mai mici decât costul unui kilowatt de electricitate în sistemele cu turbine cu abur. De exemplu, prețul unui kilowatt instalat la centralele electrice cu turbine cu abur cu condensare variază între 2000-3000 $/kW.

Schema unei centrale cu turbine cu gaz

Instalația include trei unități de bază: o turbină cu gaz, o cameră de ardere și un compresor de aer. În plus, toate unitățile sunt găzduite într-o singură clădire prefabricată. Rotoarele compresorului și turbinei sunt conectate rigid între ele, susținute de rulmenți.

Camerele de ardere (de exemplu, 14 bucăți) sunt plasate în jurul compresorului, fiecare în carcasa sa separată. Pentru admiterea laCompresorul de aer servește ca conductă de admisie, aerul iese din turbina cu gaz prin conducta de evacuare. Corpul turbinei cu gaz se bazează pe suporturi puternice plasate simetric pe un singur cadru.

Principiul de lucru

Majoritatea unităților cu turbine cu gaz utilizează principiul arderii continue sau ciclul deschis:

• În primul rând, fluidul de lucru (aerul) este pompat la presiunea atmosferică de către compresorul corespunzător.
• În plus, aerul este comprimat la o presiune mai mare și trimis în camera de ardere.
• Este alimentat cu combustibil, care arde la o presiune constantă, oferind o furnizare constantă de căldură. Datorită arderii combustibilului, temperatura fluidului de lucru crește.
• În continuare, fluidul de lucru (acum este deja un gaz, care este un amestec de aer și produse de combustie) intră în turbina cu gaz, unde, extinzându-se la presiunea atmosferică, face o muncă utilă (întoarce turbina care generează electricitate).
• După turbină, gazele sunt evacuate în atmosferă, prin care se închide ciclul de lucru.
• Diferenta dintre functionarea turbinei si a compresorului este perceputa de un generator electric situat pe un arbore comun cu turbina si compresor.

instalații de ardere intermitentă

Spre deosebire de designul anterior, arderea intermitentă folosește două supape în loc de una.

• Compresorul forțează aerul în camera de ardere prin prima supapă în timp ce a doua supapă este închisă.
• Când presiunea din camera de ardere crește, prima supapă este închisă. Ca urmare, volumul camerei este închis.
• Când supapele sunt închise, combustibilul este ars în cameră, în mod natural, arderea lui are loc la un volum constant. Ca urmare, presiunea fluidului de lucru crește și mai mult.
• În continuare, a doua supapă este deschisă, iar fluidul de lucru intră în turbina cu gaz. În acest caz, presiunea în fața turbinei va scădea treptat. Când se apropie de atmosferă, a doua supapă trebuie închisă, iar prima trebuie deschisă și repetați secvența de acțiuni.

cicluri turbine cu gaz

Revenind la implementarea practică a unuia sau altuia ciclu termodinamic, designerii trebuie să se confrunte cu multe obstacole tehnice de netrecut. Cel mai caracteristic exemplu: atunci când umiditatea aburului este mai mare de 8-12%, pierderile în calea de curgere a turbinei cu abur cresc brusc, crește sarcinile dinamice și are loc eroziunea. Acest lucru duce în cele din urmă la distrugerea căii de curgere a turbinei.

Ca urmare a acestor restricții în sectorul energetic (pentru obținerea unui loc de muncă), până acum sunt utilizate pe scară largă doar două cicluri termodinamice de bază: ciclul Rankine și ciclul Brayton. Majoritatea centralelor electrice se bazează pe o combinație de elemente ale acestor cicluri.

Ciclorul Rankine este utilizat pentru fluidele de lucru care fac o tranziție de fază în timpul implementării ciclului; centralele cu abur funcționează conform acestui ciclu. Pentru fluidele de lucru care nu pot fi condensate în condiții reale și pe care le numim gaze, se folosește ciclul Brayton. Prin acest cicluinstalațiile cu turbine cu gaz și motoarele cu ardere internă funcționează.

Combustibil folosit

Marea majoritate a turbinelor cu gaz sunt proiectate să funcționeze cu gaz natural. Uneori, combustibilii lichizi sunt utilizați în sistemele de putere redusă (mai rar - medie, foarte rar - putere mare). O nouă tendință este trecerea sistemelor compacte de turbine cu gaz la utilizarea materialelor combustibile solide (cărbune, mai rar turbă și lemn). Aceste tendințe se datorează faptului că gazul este o materie primă tehnologică valoroasă pentru industria chimică, unde utilizarea sa este adesea mai profitabilă decât în sectorul energetic. Producția de instalații cu turbine cu gaz capabile să funcționeze eficient cu combustibil solid câștigă în mod activ amploare.

Diferența dintre ICE și GTU

Diferența fundamentală dintre motoarele cu ardere internă și complexele cu turbine cu gaz este următoarea. Într-un motor cu ardere internă, procesele de comprimare a aerului, arderea combustibilului și expansiunea produselor de ardere au loc într-un singur element structural, numit cilindrul motorului. În turbinele cu gaz, aceste procese sunt separate în unități structurale separate:

• compresia este efectuată în compresor;
• arderea combustibilului, respectiv, într-o cameră specială;
• expansiunea produselor de ardere se realizează într-o turbină cu gaz.

Ca urmare, din punct de vedere structural, turbinele cu gaz și motoarele cu ardere internă au puține asemănări, deși funcționează în conformitate cu cicluri termodinamice similare.

Concluzie

Odată cu dezvoltarea producției de energie la scară mică, creșterea eficienței acesteia, sistemele GTP și STP ocupă o pondere tot mai mare în totalsistemul energetic al lumii. În consecință, profesia promițătoare de operator de instalație de turbine cu gaz este din ce în ce mai solicitată. În urma partenerilor occidentali, un număr de producători ruși au stăpânit producția de unități de turbine cu gaz rentabile. CCE Severo-Zapadnaya din Sankt Petersburg a devenit prima centrală electrică cu ciclu combinat dintr-o nouă generație din Rusia.