GTU-Installation. Schemata und Indikatoren von Gasturbinenanlagen von Kraftwerken

Gasturbineneinheiten (GTU) sind Wärmemaschinen, in denen Wärmeenergie Das gasförmige Arbeitsmedium wird in mechanische Energie umgewandelt. Die Hauptkomponenten sind: Kompressor, Brennkammer und Gasturbine. Um den Betrieb und die Steuerung sicherzustellen, enthält die Anlage einen Komplex miteinander verbundener Hilfssysteme. Eine Gasturbineneinheit zusammen mit einem elektrischen Generator wird als Gasturbineneinheit bezeichnet. Die erzeugte Leistung eines Geräts reicht von zwanzig Kilowatt bis zu mehreren zehn Megawatt. Dabei handelt es sich um klassische Gasturbineneinheiten. Die Stromerzeugung in einem Kraftwerk erfolgt über eine oder mehrere Gasturbineneinheiten.

Gerät und Beschreibung

Gasturbineneinheiten bestehen aus zwei Hauptteilen, die in einem Gehäuse untergebracht sind – einem Gasgenerator und einer Leistungsturbine. In einem Gasgenerator, der eine Brennkammer und einen Turbolader umfasst, wird ein Gasstrom erzeugt hohe Temperatur, wirkt auf die Schaufeln der Leistungsturbine. Mithilfe eines Wärmetauschers werden Abgase recycelt und gleichzeitig über einen Heißwasser- oder Dampfkessel Wärme erzeugt. Beim Betrieb von Gasturbineneinheiten werden zwei Arten von Brennstoffen verwendet – gasförmig und flüssig.

Im Normalbetrieb läuft die Gasturbineneinheit mit Gas. Im Not- oder Standby-Modus erfolgt bei Unterbrechung der Gaszufuhr eine automatische Umschaltung auf flüssigen (Diesel-)Kraftstoff. Im optimalen Modus erzeugen Gasturbineneinheiten kombinierte elektrische und thermische Energie. Hinsichtlich der erzeugten Wärmeenergiemenge sind Gasturbinen Gaskolbengeräten deutlich überlegen. Turbineneinheiten werden in Kraftwerken sowohl zum Betrieb im Grundbetrieb als auch zum Ausgleich von Spitzenlasten eingesetzt.

Geschichte der Schöpfung

Die Idee, die Energie eines heißen Gasstroms zu nutzen, ist seit der Antike bekannt. Das erste Patent für das Gerät, das die gleichen Grundkomponenten wie moderne Gasturbinen enthielt, wurde 1791 dem Engländer John Barber erteilt. Die Gasturbineneinheit umfasste Kompressoren (Luft und Gas), eine Brennkammer und ein aktives Turbinenrad, wurde jedoch nie in die Praxis umgesetzt.

Im 19. und frühen 20. Jahrhundert entwickelten viele Wissenschaftler und Erfinder auf der ganzen Welt ein für den praktischen Einsatz geeignetes Gerät, doch alle Versuche blieben aufgrund der geringen Entwicklung von Wissenschaft und Technologie dieser Zeit erfolglos. Die von den Prototypen erzeugte Nutzleistung überstieg bei geringer Betriebszuverlässigkeit und Designkomplexität nicht 14 %.

Gasturbinenkraftwerke wurden erstmals 1939 in der Schweiz eingesetzt. Ein Kraftwerk mit einem Turbogenerator nach einfachster Bauart mit einer Leistung von 5000 kW wurde in Betrieb genommen. In den 50er Jahren wurde dieses Schema verfeinert und kompliziert, was eine Steigerung von Effizienz und Leistung auf 25 MW ermöglichte. Die Produktion von Gasturbineneinheiten hat sich in den Industrieländern hinsichtlich der Kapazitäten und Parameter der Turbineneinheiten zu einer einzigen Entwicklungsstufe und -richtung entwickelt. Die Gesamtkapazität der in der Sowjetunion und Russland hergestellten Gasturbineneinheiten beträgt Millionen kW.

Funktionsprinzip einer Gasturbineneinheit

Atmosphärische Luft gelangt in den Kompressor, wird komprimiert und unter hohem Druck durch den Lufterhitzer und das Luftverteilerventil in die Brennkammer geleitet. Gleichzeitig wird durch die Düsen Gas in die Brennkammer geleitet, das im Luftstrom verbrannt wird. Durch die Verbrennung des Gas-Luft-Gemisches entsteht ein Strom heißer Gase, der mit hoher Geschwindigkeit auf die Schaufeln der Gasturbine einwirkt und diese in Rotation versetzt. Die thermische Energie des Heißgasstroms wird in mechanische Rotationsenergie der Turbinenwelle umgewandelt, die den Kompressor und den elektrischen Generator antreibt. Der Strom von den Generatoranschlüssen wird über einen Transformator an das Stromnetz des Verbrauchers weitergeleitet.

Heiße Gase gelangen über den Regenerator in den Warmwasserkessel und dann über den Wärmetauscher in den Schornstein. Die Wasserzirkulation zwischen dem Warmwasserkessel und dem zentralen Heizpunkt (CHS) wird mithilfe von Netzwerkpumpen organisiert. Die im Kessel erhitzte Flüssigkeit gelangt in die Zentralheizungsstation, an die Verbraucher angeschlossen sind. Der thermodynamische Kreislauf einer Gasturbinenanlage besteht aus adiabatischer Luftverdichtung im Verdichter, isobarer Wärmezufuhr in der Brennkammer, adiabatischer Expansion des Arbeitsmediums in der Gasturbine und isobarer Wärmeabfuhr.

Als Brennstoff für die Gasturbineneinheit wird Erdgas – Methan – verwendet. Im Notbetrieb wird bei einer Unterbrechung der Gasversorgung die Gasturbineneinheit auf Teillast geschaltet und Dieselkraftstoff oder verflüssigte Gase (Propan-Butan). Möglichkeiten Betrieb einer Gasturbinenanlage: Lieferung von Strom oder kombinierte Lieferung von Strom und Wärmeenergie.

Kraft-Wärme-Kopplung

Die Erzeugung von Strom bei gleichzeitiger Erzeugung begleitender Wärmeenergie wird als Kraft-Wärme-Kopplung bezeichnet. Diese Technologie kann die Wirtschaftlichkeit des Kraftstoffverbrauchs deutlich verbessern. Je nach Bedarf kann die Gasturbinenanlage zusätzlich mit Heißwasser- oder Dampfkesseln ausgestattet werden. Dies ermöglicht den Empfang heißes Wasser oder Dampf mit unterschiedlichem Druck.

Bei optimaler Nutzung zweier Energiearten wird der maximale wirtschaftliche Effekt der Kraft-Wärme-Kopplung erreicht und der Brennstoffnutzungsgrad (FUF) erreicht 90 %. In diesem Fall werden die Wärme der Abgase und die Wärmeenergie aus dem Kühlsystem der Einheiten, die elektrische Generatoren drehen (im Wesentlichen Abfallenergie), bestimmungsgemäß genutzt. Bei Bedarf kann die zurückgewonnene Wärme zur Kälteerzeugung in Absorptionsmaschinen (Kraft-Wärme-Kopplung) genutzt werden. Ein KWK-System besteht aus vier Hauptteilen: der Antriebsmaschine (Gasturbine), dem elektrischen Generator, dem Wärmerückgewinnungssystem und dem Steuerungs- und Überwachungssystem.

Kontrolle

Es gibt zwei Hauptbetriebsarten, in denen Gasturbineneinheiten betrieben werden:

Stationär. In diesem Modus arbeitet die Turbine mit einer festen Nenn- oder Teillast. Bis vor kurzem war der stationäre Modus der wichtigste Modus für Gasturbinenanlagen. Mehrmals im Jahr wurde die Turbine wegen planmäßiger Reparaturen oder bei Störungen abgeschaltet.
Der variable Modus bietet die Möglichkeit, die Leistung der Gasturbineneinheit zu ändern. Die Notwendigkeit, den Betriebsmodus der Turbine zu ändern, kann einen von zwei Gründen haben: Wenn sich die vom Stromgenerator verbrauchte Leistung aufgrund einer Änderung der angeschlossenen Verbraucherlast geändert hat und wenn die Atmosphärendruck und die Temperatur der vom Kompressor angesaugten Luft. Zu den instationären und komplexesten Modi gehört das Stoppen und Starten einer Gasturbineneinheit. Bei letzterem muss der Gasturbinenbetreiber zahlreiche Arbeitsschritte durchführen, bevor der Rotor zum ersten Mal erschüttert wird. Vor der vollständigen Inbetriebnahme der Anlage wird der Rotor vorgedreht.

Die Änderung der Betriebsart der Anlage erfolgt durch Anpassung der Brennstoffzufuhr zur Brennkammer. Die Hauptaufgabe der Gasturbinensteuerung besteht darin, die erforderliche Leistung bereitzustellen. Eine Ausnahme bildet ein Gasturbinenkraftwerk, dessen Hauptregelaufgabe die Konstanz der Rotationsfrequenz der Turbine des elektrischen Generators ist.

Energieanwendungen

In der stationären Energietechnik werden Gasturbineneinheiten für verschiedene Zwecke eingesetzt. Gasturbineneinheiten werden hauptsächlich als Hauptantriebsmotoren elektrischer Generatoren in Wärmekraftwerken in Gebieten mit ausreichenden Erdgasmengen eingesetzt. Aufgrund der Möglichkeit eines schnellen Anlaufs werden Gasturbineneinheiten häufig zur Deckung von Spitzenlasten in Energiesystemen in Zeiten maximalen Energieverbrauchs eingesetzt. Reserve-Gasturbineneinheiten decken den internen Bedarf von Wärmekraftwerken während der Abschaltung der Hauptausrüstung.

Effizienz

Im Allgemeinen ist der elektrische Wirkungsgrad von Gasturbinen geringer als der anderer Antriebsstränge. Mit der vollständigen Ausschöpfung des thermischen Potenzials der Gasturbineneinheit verliert die Bedeutung dieses Indikators jedoch an Bedeutung. Für leistungsstarke Gasturbinenanlagen gibt es einen ingenieurtechnischen Ansatz, der aufgrund der hohen Temperatur der Abgase den kombinierten Einsatz zweier Turbinentypen vorsieht.

Die erzeugte Wärmeenergie wird zur Dampferzeugung für eine Dampfturbine genutzt, die parallel zu einer Gasturbine eingesetzt wird. Dadurch wird der elektrische Wirkungsgrad auf 59 % erhöht und die Kraftstoffeffizienz deutlich verbessert. Der Nachteil dieses Ansatzes besteht darin, dass das Design komplexer und teurer wird. Das Verhältnis von elektrischer und thermischer Energie, die von einer GTU erzeugt wird, beträgt etwa 1:2, d. h. für 10 MW Strom werden 20 MW thermische Energie erzeugt.

Vorteile und Nachteile

Zu den Vorteilen von Gasturbinen gehören:

Einfachheit des Geräts. Aufgrund des Fehlens eines Kesselblocks, eines komplexen Rohrleitungssystems und vieler Hilfsmechanismen haben Gasturbinenanlagen einen deutlich geringeren Metallverbrauch pro Leistungseinheit.
Der minimale Wasserverbrauch, der in der Gasturbineneinheit nur zur Kühlung des den Lagern zugeführten Öls benötigt wird.
Schnelle Inbetriebnahme. Bei Gasturbinenanlagen darf die Anlaufzeit aus dem kalten Zustand bis zur Lastaufnahme 20 Minuten nicht überschreiten. Bei einem Dampfkraftwerk dauert die Inbetriebnahme mehrere Stunden.

Mängel:

Gasturbineneinheiten verwenden Gas mit einer sehr hohen Anfangstemperatur – mehr als 550 Grad. Dies führt zu Schwierigkeiten bei der praktischen Auslegung von Gasturbinen, da für die am stärksten erhitzten Teile spezielle hitzebeständige Materialien und spezielle Kühlsysteme erforderlich sind.
Etwa die Hälfte der von der Turbine entwickelten Leistung wird für den Antrieb des Kompressors aufgewendet.
Gasturbinen sind brennstoffbegrenzt; es wird Erdgas oder hochwertiger Flüssigbrennstoff verwendet.
Die Leistung einer Gasturbineneinheit ist auf 150 MW begrenzt.

Ökologie

Ein positiver Faktor beim Einsatz von Gasturbineneinheiten ist der Mindestinhalt Schadstoffe an Emissionen. Nach diesem Kriterium liegen Gasturbinen vor ihrem engsten Konkurrenten – den Kolbenkraftwerken. Aufgrund ihrer Umweltfreundlichkeit können Gasturbinenanlagen problemlos in unmittelbarer Nähe von Wohnhäusern platziert werden. Durch den geringen Gehalt an schädlichen Emissionen beim Gasturbinenbetrieb können Sie Geld beim Bau von Schornsteinen und beim Kauf von Katalysatoren sparen.

Ökonomie der GTU

Auf den ersten Blick sind die Preise für Gasturbineneinheiten recht hoch, aber bei einer objektiven Einschätzung der Leistungsfähigkeit dieser Energieausrüstung passen alle Aspekte zusammen. Hohe Kapitalinvestitionen zu Beginn eines Energieprojekts werden durch unbedeutende Kosten im späteren Betrieb vollständig kompensiert. Darüber hinaus werden die Umweltbeiträge deutlich reduziert, die Kosten für den Bezug von elektrischer und thermischer Energie reduziert und die Auswirkungen auf die Umwelt verringert Umfeld und Bevölkerung. Aus diesen Gründen werden jedes Jahr Hunderte neuer Gasturbineneinheiten gekauft und installiert.

Gasturbine ist ein Motor, der die Vorteile einer Dampfturbine und eines Motors vereint Verbrennungs. Im Gegensatz zu einer Dampfturbine ist das Arbeitsmedium hier nicht Dampf aus Kesseln, sondern Gase, die bei der Verbrennung von Brennstoff in speziellen Kammern entstehen. Im Gegensatz zu einem Verbrennungsmotor wird die Energie des Arbeitsmediums nicht durch die Hin- und Herbewegung des Kolbens im Zylinder, sondern durch Drehen des Turbinenrads unter der Wirkung eines Hochgeschwindigkeitsstroms in mechanische Energie der Wellenrotation umgewandelt der aus der Düse strömenden Gase.

Eine Gasturbine ist wie eine Dampfturbine ein nicht umkehrbarer Mechanismus, daher ist es für die Umkehrung in Gasturbinenanlagen erforderlich, eine Turbine vorzusehen umkehren oder ein anderes Gerät, zum Beispiel ein Verstellpropeller (CPG).

Gasturbinenanlage(AGB) besteht aus folgenden Hauptteilen: Gasturbine, bei dem die thermische Energie heißer Gase in mechanische Energie umgewandelt wird; Luftkompressor, Ansaugen und Komprimieren der für die Kraftstoffverbrennung erforderlichen Luft; Brennkammern(Gasgenerator), in dem zerstäubter flüssiger Kraftstoff mit Luft vermischt und verbrannt wird, wodurch ein Arbeitsmedium entsteht – heißes Gas; Pipelines zum Zuführen von Luft zum Gasgenerator, zum Zuführen von Gasen vom Generator zur Gasturbine und zum Abführen von Abgasen in die Atmosphäre; Recyclinggeräte, wodurch die Nutzung der Wärme aus den Abgasen gewährleistet wird.

Reis. 124. Generelle Form(a) und Schema einer Gasturbineneinheit mit Brennkammer (b) (Leistung 4040 kW).

1 - Kompressor niedriger Druck; 2 - Lufterhitzer; 3 - Theater; 4 - Kompressor hoher Druck; 5 - Startturbine; 6 - Brennkammer; 7 - Düse; 8 - TND;

9 - Luftkühler; 10 - Getriebe

Darüber hinaus umfasst die AGB Kraftstoff- und Ölsysteme, die die Brennkammer mit Brennstoff versorgt und die Turbinenlager und den Getriebeantrieb mit Öl versorgt, sowie eine Startdampfturbine mit kleiner Leistung, die Dampf aus dem Hilfskessel nutzt.

Der Aufbau einer Gasturbine ähnelt dem einer Dampfturbine. Eine Gasturbine ist jedoch höheren Temperaturbelastungen ausgesetzt: Ihre Arbeitsschaufeln arbeiten bei der Temperatur heißer Gase (650–850 °C), während die Temperatur des Arbeitsdampfs 400–500 °C beträgt. Dadurch wird die Lebensdauer der Gasturbine deutlich verkürzt. Abhängig von der angewandten Methode der Luftverdichtung und der Bildung heißer Gase unterscheidet man zwischen Gasturbinen mit Brennkammer und Gasturbinen mit Freikolben-Gasgeneratoren (SPGG).

In einer Gasturbineneinheit mit Brennkammer (Abb. 124) wird Außenluft von einem Niederdruck-Radialkompressor angesaugt und über einen Luftkühler einem Hochlastkompressor zugeführt: Druck und von dort durch einen Lufterhitzer hinein der Brennkammer.

Gleichzeitig wird durch die Düse Kraftstoff in den Brennraum eingespritzt. Es kommt zu einer Verbrennung und es entstehen heiße Gase, die nacheinander in die Hoch- und Niederdruck-Gasturbinen gelangen und über die Abgasleitung in die Atmosphäre abgegeben werden. Entlang des Abgaswegs sind ein Lufterhitzer und ein Rückgewinnungskessel installiert, deren Dampf für einen Turbogenerator oder für eine auf der Propellerwelle arbeitende Hilfsturbine genutzt werden kann. Nieder- und Hochdruck-Radialkompressoren werden von Nieder- bzw. Hochdruckturbinen angetrieben. Nur die Niederdruckturbine treibt den Propeller über ein Getriebe an.

Reis. 125. Gesamtansicht (a) und Diagramm des SPGG (b).

1 - Einlassventile des Kompressors; 2 - Auslassventile des Kompressors;

3 - Kompressorkolben; 4 - Kompressorzylinder;

5 - Einlassfenster; 6 - Abgasfenster; 7 - Düse; 8 - Arbeitszylinder; 9 - Pufferspeicher; 10 - Pufferkolben; 11 - Spülluftbehälter; 12 - Arbeitskolben; 13 - Kolbensynchronisationsmechanismus

Eine Gasturbinenanlage mit Freikolben-Gasgeneratoren (SPGG) (Abb. 125) unterscheidet sich von einer Gasturbinenanlage mit Brennkammer dadurch, dass die Heißgase in einem speziellen Gasgenerator erzeugt werden, der nach dem Prinzip eines Verbrennungsmotors mit Freikolben arbeitet divergierende Kolben. Der SGNG ist eine symmetrische Einheit, bestehend aus einem Zweitakt-Einzylindermotor mit gegenläufig bewegten Kolben, einem einstufigen Kompressor einfache Aktion und zwei Pufferspeicher. Der Zylinder enthält zwei Arbeitskolben, die mit Kompressoren und Pufferkolben verbunden sind.

Reis. 126. Aufbau eines Gasturbinenkraftwerks mit LNG.

1 - SPGG; 3 - Gasturbine; 3 - Getriebe; 4 - Dieselgenerator

Der Arbeitshub (divergenter Hub) der Kolbengruppen erfolgt unter dem Einfluss von Gas, das sich im Arbeitszylinder ausdehnt. Dabei wird die Luft in den Kompressorzylindern zunächst komprimiert und strömt dann über die Auslassventile in den Spülluftbehälter. Gleichzeitig mit der Komprimierung der Luft in den Kompressorzylindern wird die Luft in den Pufferzylindern komprimiert, woraufhin ihre Energie für die Umkehrung der Arbeitskolben und die Komprimierung der Luft im Arbeitszylinder aufgewendet wird.

Am Ende des Kolbenhubs öffnen sich zunächst die Auslassfenster und dann die Einlassfenster. Durch die Auslassöffnungen gelangen die Abgase in die Gasturbine und durch die Einlassöffnungen füllt komprimierte Spülluft aus dem Sammler den Arbeitszylinder.

Überschüssige Spülluft wird mit den heißen Abgasen vermischt und ebenfalls der Gasturbine zugeführt.

Beim Rückwärtshub der Arbeitskolben schließen sich unter dem Einfluss der in den Pufferzylindern komprimierten Luft zunächst die Einlassfenster, dann die Auslassfenster und gleichzeitig wird Luft durch die Ventile in die Kompressorzylinder gesaugt. Sobald sich die Kolben einander nähern, wird durch die Düse Kraftstoff in den Arbeitszylinder eingespritzt und der Vorgang wiederholt sich.

Gasturbinen und Flüssiggasturbinen sind kompakt, haben ein relativ geringes Gewicht von 16–24 kg/kW und einen geringen Kraftstoffverbrauch von 260 g/(kWh). Der Vorteil liegt in der Möglichkeit, ein Kraftwerk aus mehreren Erdgasfahrzeugen zusammenzustellen, was eine effizientere Nutzung des MCO-Volumens ermöglicht (Abb. 126). Zusätzlich zu den oben genannten Arten von Gasturbinen werden auf kleinen Hochgeschwindigkeitsschiffen, insbesondere auf Tragflügelbooten, häufig leichte Fluggasturbinen (1,5–4,0 kg/kW) eingesetzt. Sie haben jedoch eine kurze Lebensdauer und einen erhöhten Kraftstoffverbrauch (340-380 g/kWh).

Der Nachteil aller Arten von Gasturbinen ist neben einem erhöhten Kraftstoffverbrauch und einer kurzen Lebensdauer der hohe Geräuschpegel im MKO, zu dessen Reduzierung besondere Maßnahmen erforderlich sind.

Das Senden Ihrer guten Arbeit an die Wissensdatenbank ist ganz einfach. Nutzen Sie das untenstehende Formular

Studierende, Doktoranden und junge Wissenschaftler, die die Wissensbasis in ihrem Studium und ihrer Arbeit nutzen, werden Ihnen sehr dankbar sein.

Schemata und Indikatoren von Gasturbinenanlagen von Kraftwerken

Gasturbinenkraftwerke in der UdSSR wurden als unabhängige Kraftwerke nur in begrenztem Umfang vertrieben. Serielle Gasturbineneinheiten (GTUs) haben einen geringen Wirkungsgrad und verbrauchen in der Regel hochwertigen Brennstoff (flüssig oder gasförmig). Bei geringen Investitionskosten für den Bau zeichnen sie sich durch eine hohe Manövrierfähigkeit aus, weshalb sie in einigen Ländern, beispielsweise in den USA, als Spitzenkraftwerke eingesetzt werden. Gasturbinen haben im Vergleich zu Dampfturbinen einen höheren Wirkungsgrad Geräuscheigenschaften, was eine zusätzliche Schalldämmung des Maschinenraums und der Luftansaugvorrichtungen erfordert. Der Luftkompressor verbraucht einen erheblichen Anteil (50–60 %) der internen Energie der Gasturbine. Aufgrund des spezifischen Leistungsverhältnisses von Kompressor und Gasturbine ist die Bandbreite der Änderungen der elektrischen Belastung der Gasturbineneinheit gering.

Die Einheitsleistung der installierten Gasturbinen überschreitet nicht 100-150 MW und liegt damit deutlich unter der erforderlichen Einheitsleistung großer Kraftwerke.

Die meisten modernen Gasturbinen arbeiten nach einem kontinuierlichen Brennstoffverbrennungsschema und werden je nach Art des verbrannten Brennstoffs in einem offenen (offenen) oder geschlossenen (geschlossenen) Kreislauf betrieben.

IN Gasturbineneinheit mit offenem Kreislauf Als Brennstoff dient flüssiger schwefelarmer Gasturbinenbrennstoff oder Erdgas, das der Brennkammer zugeführt wird (Abb. 9.1). Die für die Kraftstoffverbrennung benötigte Luft wird in einer aufwendigen Luftreinigungseinrichtung (Filter) gereinigt und in einem Kompressor auf einen Druck von MPa verdichtet. Um eine bestimmte Gastemperatur vor der Gasturbine zu erreichen °C wird der erforderliche Luftüberschuss (2,5-5,0) in der Brennkammer aufrechterhalten, wobei die theoretische Verbrennungstemperatur des Brennstoffs, die Art des Brennstoffs, die Art seiner Verbrennung usw. berücksichtigt werden. Heiße Gase sind das Arbeitsmedium in einer Gasturbine, wo sie sich ausdehnen, und dann bei Temperatur °C werden in den Schornstein abgegeben.

Reis. 9.1. Schematisches thermisches Diagramm einer Gasturbineneinheit mit offenem Kreislauf:

ZU- Luftkompressor; GT- Gasturbine; G - Stromgenerator; PU- Startgerät; F- Luftfilter; KS- Brennstoffbrennkammer

Gasturbineneinheit mit geschlossenem Kreislauf(Abb. 9.2) ermöglichen die Verwendung von sowohl festen als auch schwefelreichen flüssigen Brennstoffen (Heizöl), die in einer Brennkammer verbrannt werden, in der ein Arbeitsflüssigkeitserhitzer, normalerweise Luft, installiert ist. Durch die Einbindung eines Luftkühlers in den Kreislauf wird die Kompressionsarbeit im Kompressor reduziert und ein Regenerator erhöht den Wirkungsgrad der Gasturbineneinheit. Den Einsatz von Gasturbinen mit geschlossenem Kreislauf mit anderen Arbeitsflüssigkeiten (Helium usw.) haben wir bisher noch nicht gesehen.

Der Hauptvorteil von Gasturbinen für das Stromsystem ist ihre Mobilität. Die Start- und Ladezeit beträgt je nach Art der Installation 5-20 Minuten. Gasturbinen zeichnen sich durch geringere spezifische Kosten aus (50-80 % weniger als die von Basisaggregaten). hochgradig Inbetriebnahmebereitschaft, kein Kühlwasserbedarf, Möglichkeit des schnellen Baus von Wärmekraftwerken bei geringen Kraftwerksabmessungen und unbedeutender Umweltbelastung. Gleichzeitig haben Gasturbinen einen geringen Wirkungsgrad der Stromerzeugung (28-30 %), ihre Fabrikproduktion ist komplizierter als die von Dampfturbinen und sie erfordern teure und knappe Brennstoffarten. Diese Umstände haben auch den sinnvollsten Bereich für den Einsatz von Gasturbinen im Stromnetz als Spitzen-Spitzen- und meist autonom gestartete Einheiten mit einer installierten Leistung von 500-1000 h/Jahr bestimmt. Für solche Anlagen ist die bevorzugte Ausführung eine einwellige Gasturbineneinheit mit einfachem Kreislauf ohne Regeneration oder mit Rauchgaswärmeregenerator (Abb. 9.3, a, b). Dieses Schema zeichnet sich durch große Einfachheit und Kompaktheit der Installation aus, die größtenteils im Werk hergestellt und installiert wird. Leistungsgasturbinen, deren Betrieb im Halbgrundteil des elektrischen Lastplans geplant ist, sind wirtschaftlich gerechtfertigt, um nach einem komplexeren Auslegungsschema ausgeführt zu werden (Abb. 9.3, c).

Reis. 9.2. Schematische Darstellung einer Gasturbineneinheit mit geschlossenem Kreislauf:

Vizepräsident- Heizlüfter; GT- Gasturbine; R- Regenerator; VC-Luftkompressor; G- Stromgenerator; PU- Startgerät

Reis. 9.3. Strukturdiagramme verschiedene Arten AGB:

A- Gasturbineneinheit mit einfachem Kreislauf ohne Regeneration; b – Gasturbineneinheit mit einfachem Kreislauf und Rauchgaswärmeregenerator; V- Zweiwellen-Gasturbineneinheit mit zweistufiger Brennstoffwärmeversorgung: T- Kraftstoffversorgung; KVD. Effizienz- Hoch- und Niederdruck-Luftkompressoren; GTVD, GTND - Hoch- und Niederdruck-Gasturbinen

In der Sowjetunion werden Gasturbinenkraftwerke mit Gasturbinen der Typen GT-25-700, GT-45-3, GT-100-750-2 und anderen mit einer anfänglichen Gastemperatur vor der Gasturbine von 700 betrieben -950 °C. Das Leningrader Metallwerk hat Entwürfe für eine neue Serie von Gasturbineneinheiten mit einer Leistung von 125–200 MW bei einer anfänglichen Gastemperatur von 950, 1100 bzw. 1250 °C entwickelt. Sie werden nach einem einfachen Design mit offenem Betriebszyklus, Einwelle und ohne Regenerator hergestellt (Tabelle 9.1). Das thermische Diagramm der Gasturbineneinheit GT-100-750-2 LMZ ist in Abb. dargestellt. 9.4,a, und der Aufbau eines Kraftwerks mit solchen Turbinen ist in Abb. dargestellt. 9,4, geb. Diese Gasturbineneinheiten werden im Wärmekraftwerk Krasnodar, im nach ihm benannten State District Power Plant, betrieben. Klasson Mosenergo, im Spitzenwärmekraftwerk in Inota, Ungarn Volksrepublik usw.

Tabelle 9.1

	GTU-Indikatoren
Gasturbinenanlage	Elektrische Leistung, MW	Luftstrom durch den Kompressor, kg/s	Kompressionsverhältnis im Kompressor	Anfangstemperatur des Gases, o C	Elektrischer Wirkungsgrad, %
GT-25-700*		194,5	4,7/9,7
GT-35-770			6,7		27,5
GTE-45-2**	54,3(52,9)		7,7		28(27,6)
GT-100-750-2M*			4,5/6,4	750/750
GTE-150
GTE-200			15,6
M9 7001 „General Electric“			9,6		30,7

* Turbinen und Kompressoren sind Doppelwellen; Welle mit Turbine und Hochdruckkompressor verfügt erhöhte Frequenz Drehung.

** Arbeiten an Erdgas(flüssiger Gasturbinenbrennstoff).

Reis. 9.4. Gasturbineneinheit GT-100-750-2 LMZ:

A- Wärmediagramm: 1-8 - GTU-Lager; / - Luft aus der Atmosphäre; II- kühlendes Wasser; III- Kraftstoff (Erdgas); /V – Abgase; V – Dampf zur Startturbine (ð=1,2 MPa, t=235°С); GSH- Geräuschunterdrücker; LPC – Niederdruckkompressor; IN- Luftkühler; KVD- Hochdruckkompressor; KSWD - Hochdruckbrennkammer; Einsatzgebiet- Hochdruckturbine; KSND - Niederdruck-Brennkammer; TND- Niederdruckturbine; Vizepräsident- Innenlager; IN- Krankheitserreger; PT- Turbine starten; agroindustrieller Komplex - Druckstoßventile hinter der Druckpumpe; b - Layout (Querschnitt):/ - LPC; 2-VO; 3 - Druckaufbau; 4 - KSVP; 5 - Theater; 6 - KSND; 7-TND; 8 - PT; 9 - Schornstein; 10 - Druckstoßventil (APV); L-elektrischer Generator (G); 12- Laufkran; 13- Luftreinigungsfilter; 14 - Schalldämpfer; 15 - Ölpumpen des Steuersystems; 16- Fernwärmeheizungen; /7 – Dämpfer an den Abgaskanälen; 18 - Ölkühler

Flüssiger Gasturbinenbrennstoff, der für Haushaltsgasturbinen verwendet wird, wird im Kraftwerk einer Filtration und Wäsche unterzogen, um Alkalimetallsalze zu entfernen. Anschließend wird dem Kraftstoff ein Magnesiumzusatz zugesetzt, um Vanadiumkorrosion zu verhindern. Betriebsdaten zufolge trägt eine solche Brennstoffaufbereitung zum langfristigen Betrieb von Gasturbinen ohne Kontamination und Korrosion des Strömungswegs bei.

Die Rostower Niederlassung von ATEP hat einen Standardentwurf für ein Spitzengasturbinenkraftwerk mit einer Gasturbineneinheit GTE-150-1100 entwickelt. In Abb. Abbildung 9.5 zeigt ein grundlegendes thermisches Diagramm einer solchen Gasturbineneinheit, die für die Verbrennung von flüssigem Gasturbinenbrennstoff oder Erdgas ausgelegt ist. Die Gasturbineneinheit ist nach einem einfachen offenen Design gefertigt; die Rotoren der Gasturbine und des Kompressors befinden sich in einem transportablen Gehäuse, was die Installationszeit und Arbeitskosten erheblich reduziert. Gasturbineneinheiten werden quer im Maschinenraum eines Kraftwerks mit einer Spannweite von 36 m und einer Blockzelle von 24 m installiert. Die Rauchgase werden in einen 120 m hohen Schornstein mit drei metallischen Gasabzugsschächten abgeleitet.

Reis. 9.5. Schematisches thermisches Diagramm der Gasturbineneinheit LMZ GTE-150-1100:

VC- Hilfskompressor zur pneumatischen Kraftstoffzerstäubung: PT- Dampfturbine; R- Getriebe des Beschleunigungsgeräteblocks; ED - Hilfskompressormotor GT- Gasturbine; T- Versorgung mit flüssigem Brennstoff entsprechend GOST 10743-75 = 42,32 MJ/kg (10.110 kcal/kg) DT- Schornstein; agroindustrieller Komplex- Überdruckventil

Ein wichtiges Merkmal von Gasturbinenanlagen ist die Abhängigkeit ihrer Leistung von den Parametern der Außenluft und vor allem von deren Temperatur. Unter seinem Einfluss verändern sich der Luftstrom durch den Kompressor, das Verhältnis der inneren Leistungen von Kompressor und Gasturbine und letztendlich die elektrische Leistung der Gasturbine und deren Wirkungsgrad. Am MPEI wurden multivariate Berechnungen des Betriebs von GTE-150 mit flüssigem Gasturbinenbrennstoff und Tjumenerdgas in Abhängigkeit von Temperatur und Druck der Außenluft durchgeführt (Abb. 9.6, 9.7). Die erhaltenen Ergebnisse bestätigen die Steigerung des thermischen Wirkungsgrades der Gasturbine mit einer Erhöhung der Temperatur der Gase vor der Gasturbine und einer Abnahme der Temperatur der Außenluft. Eine Temperaturerhöhung von = 800 °C auf = 1100 °C erhöht den elektrischen Wirkungsgrad der Gasturbineneinheit um 3 % bei = -40 °C und um 19 % bei = 40 °C. Die Absenkung der Außenlufttemperatur von +40 auf -40°C führt zu einer deutlichen Steigerung der elektrischen Leistung der Gasturbinenanlage. Bei unterschiedlichen Anfangstemperaturen beträgt dieser Anstieg 140-160 %. Um das Leistungswachstum der Gasturbine bei sinkender Außentemperatur zu begrenzen und die Möglichkeit einer Überlastung des Stromgenerators (im betrachteten Fall Typ TGV-200) zu berücksichtigen, ist es notwendig, entweder die Temperatur der davor liegenden Gase zu beeinflussen der Gasturbine, wodurch der Kraftstoffverbrauch reduziert wird (Kurven 4 in Abb. 9.6 und 9.7) oder von der Außenlufttemperatur, indem der vom Kompressor angesaugten Luft eine kleine Menge Abgase (2-4 %) beigemischt wird. Ein konstanter Luftdurchsatz im Lastbereich von 100–80 % kann auch durch die Abdeckung der Einlassleitschaufel (IVA) des Gasturbinenverdichters aufrechterhalten werden.

Reis. 9.6. Abhängigkeit der elektrischen Leistung der Gasturbineneinheit von der Außenlufttemperatur:

1- =1100°C; 2- = 950°C; 3 - = 800 °C; 4- = ; - Betrieb von Gasturbineneinheiten mit Erdgas; Betrieb von Gasturbineneinheiten mit flüssigem Brennstoff

Reis. 9.7. Abhängigkeit des elektrischen Wirkungsgrades einer Gasturbinenanlage von der Außenlufttemperatur (Symbole siehe Abb. 9.6)

Die Änderung des elektrischen Wirkungsgrades hin zu seiner Abnahme ist besonders deutlich bei Außenlufttemperaturen über 5-10 °C (Abb. 9.7). Bei einem Anstieg der Außenlufttemperatur von +15 auf +40 °C sinkt dieser Wirkungsgrad je nach Temperatur der Gase vor der Gasturbine und Art des verbrannten Brennstoffs um 13–27 %.

Eine Erhöhung der Außenlufttemperatur erhöht den Luftüberschusskoeffizienten hinter der Gasturbine und die Temperatur der Abgase, was zur Verschlechterung der Energieleistung der Gasturbinenanlage beiträgt.

Eine Gasturbineneinheit (GTU) besteht aus zwei Hauptteilen – einer Leistungsturbine und einem Generator, die in einem Gehäuse untergebracht sind. Der Gasstrom mit hoher Temperatur wirkt auf die Turbinenschaufeln (erzeugt Drehmoment). Die Wärmerückgewinnung über einen Wärmetauscher oder Abhitzekessel erhöht die Gesamteffizienz der Anlage.

Die Gasturbineneinheit kann sowohl mit flüssigen als auch mit gasförmigen Brennstoffen betrieben werden. Im Normalbetrieb läuft er mit Gas, im Reservebetrieb (Notbetrieb) schaltet er automatisch auf Diesel um. Die optimale Betriebsart einer Gasturbinenanlage ist die kombinierte Erzeugung thermischer und elektrischer Energie. Die Gasturbinenanlage kann sowohl im Grundbetrieb als auch zur Spitzenlastabdeckung betrieben werden.

Eine einfache Gasturbinenanlage zur kontinuierlichen Verbrennung und die Gestaltung ihrer Hauptelemente

Ein schematisches Diagramm einer einfachen Gasturbinenanlage ist in Abbildung 1 dargestellt.

Bild 1. Schematische Darstellung einer Gasturbineneinheit: 1 - Kompressor; 2 - Brennkammer; 3 - Gasturbine; 4 – elektrischer Generator

Kompressor 1 saugt Luft aus der Atmosphäre an, verdichtet sie auf einen bestimmten Druck und führt sie der Brennkammer 2 zu. Auch hier wird kontinuierlich flüssiger oder gasförmiger Brennstoff zugeführt. Die Brennstoffverbrennung erfolgt in diesem Schema kontinuierlich bei konstantem Druck, daher werden solche Gasturbinenanlagen als Gasturbineneinheiten mit kontinuierlicher Verbrennung oder Gasturbinenanlagen mit Verbrennung bei konstantem Druck bezeichnet.

Heiße Gase, die in der Brennkammer durch die Kraftstoffverbrennung entstehen, gelangen in die Turbine 3. In der Turbine expandiert das Gas und innere Energie in mechanische Arbeit umgewandelt. Abgase verlassen die Turbine und gelangen in die Umgebung (Atmosphäre).

Ein Teil der von der Gasturbine erzeugten Leistung wird für die Drehung des Kompressors aufgewendet, der verbleibende Teil (Nettoleistung) wird an den Verbraucher abgegeben. Die vom Kompressor verbrauchte Leistung ist relativ groß und kann in einfachen Kreisläufen bei mäßiger Temperatur der Betriebsumgebung 2-3 mal höher sein als die Nutzleistung der Gasturbineneinheit. Dies bedeutet, dass die Gesamtleistung der Gasturbine selbst auf lange Sicht deutlich größer sein wird als die Nutzleistung der Gasturbineneinheit.

Da eine Gasturbine nur in Gegenwart von Druckluft betrieben werden kann, die nur von einem von der Turbine angetriebenen Kompressor gewonnen wird, ist es offensichtlich, dass die Gasturbine von einer externen Energiequelle (Startermotor) gestartet werden muss, mit deren Hilfe die Gasturbine betrieben werden kann Der Kompressor dreht sich, bis er die Kammer verlässt. Die Verbrennung beginnt nicht, Gas mit bestimmten Parametern und in ausreichenden Mengen zu liefern, um den Betrieb der Gasturbine zu starten.

Aus der obigen Beschreibung wird deutlich, dass eine Gasturbinenanlage aus drei Hauptelementen besteht: einer Gasturbine, einem Kompressor und einer Brennkammer. Betrachten wir das Funktionsprinzip und die Struktur dieser Elemente.

Turbine. Abbildung 2 zeigt ein Diagramm einer einfachen einstufigen Turbine. Seine Hauptteile sind; Gehäuse (Zylinder) der Turbine 1, in dem Leitschaufeln 2, Arbeitsschaufeln 3 montiert sind, entlang des gesamten Umfangs am Rand einer auf einer Welle 5 montierten Scheibe 4 montiert. Die Turbinenwelle dreht sich in Lagern 6. Enddichtungen 7 werden an den Stellen installiert, an denen die Welle das Gehäuse verlässt, und begrenzen den Austritt heißer Gase aus dem Turbinengehäuse. Alle rotierenden Teile, Turbinen (Schaufeln, Scheibe, Welle), bilden den Rotor. Das Gehäuse mit feststehenden Leitschaufeln und Dichtungen bildet den Turbinenstator. Die Scheibe mit Schaufeln bildet das Laufrad.

Figur 2. Schema einer einstufigen Turbine

Die Kombination mehrerer Leit- und Laufschaufeln wird als Turbinenstufe bezeichnet. Abbildung 3 zeigt oben ein Diagramm einer solchen Turbinenstufe und unten einen Querschnitt der Leit- und Arbeitsschaufeln einer zylindrischen Turbine Flächen a-a, dann auf die Zeichenebene erweitert.

Figur 3. Diagramm der Turbinenstufe

Die Leitschaufeln 1 bilden im Querschnitt sich verjüngende Kanäle, sogenannte Düsen. Auch die von den Arbeitsmessern 2 gebildeten Kanäle weisen üblicherweise eine sich verjüngende Form auf.

Heißes Gas bei Bluthochdruck gelangt in die Turbinendüsen, wo es sich ausdehnt und es zu einer entsprechenden Geschwindigkeitserhöhung kommt. Gleichzeitig sinken Druck und Temperatur des Gases. Dadurch wird die potentielle Energie des Gases in den Turbinendüsen in kinetische Energie umgewandelt. Nach dem Verlassen der Düsen gelangt das Gas in die Zwischenschaufelkanäle der Arbeitsschaufeln und ändert dort seine Richtung. Wenn Gas um die Rotorblätter strömt, ist der Druck auf ihrer konkaven Oberfläche größer als auf der konvexen Oberfläche, und unter dem Einfluss dieser Druckdifferenz dreht sich das Laufrad (die Drehrichtung in Abbildung 3 ist durch Pfeil u dargestellt). . Dadurch wird ein Teil der kinetischen Energie des Gases an den Arbeitsschaufeln in mechanische Energie umgewandelt, was aus Gründen der Festigkeit der Arbeitsschaufeln bzw. der Turbinenscheibe nicht akzeptabel ist. In solchen Fällen sind die Turbinen mehrstufig. Das Diagramm einer mehrstufigen Turbine ist in Abbildung 4 dargestellt.

Figur 4. Schema einer mehrstufigen Turbine: 1-Lager; 2-End-Dichtungen; 3-Einlassrohr; 4-teilig; 5 Leitschaufeln; 6 Arbeitsklingen; 7-Rotor; Turbinenrohr mit 8 Auslässen

Die Turbine besteht aus mehreren hintereinander geschalteten Einzelstufen, in denen sich das Gas allmählich entspannt. Der Druckabfall pro Stufe und damit die Geschwindigkeit c1 in jeder Stufe einer solchen Turbine ist geringer als bei einer einstufigen Turbine. Die Anzahl der Stufen kann so gewählt werden, dass bei gegebener Umfangsgeschwindigkeit das gewünschte Übersetzungsverhältnis erreicht wird

Kompressor. Das Diagramm eines mehrstufigen Axialkompressors ist in Abbildung 5 dargestellt.

Abbildung 5. Schema eines mehrstufigen Axialkompressors: 1-Einlassrohr; 2-End-Dichtungen; 3-Lager; Leitschaufel mit 4 Eingängen; 5-arbeitende Klingen; 6 Leitschaufeln; 7-Körper-8-Richtapparat; 9-Diffusor; 10-Auslassrohr; 11 Rotoren.

Es ist das Wichtigste Komponenten sind: Rotor 2 mit daran befestigten Arbeitsschaufeln 5, Gehäuse 7 (Zylinder), an dem Leitschaufeln 6 und Enddichtungen 2 sowie Lager 3 befestigt sind. Die Kombination aus einer Reihe rotierender Arbeitsschaufeln und einer Reihe feststehender Leitschaufeln Dahinter befindet sich die Kompressorstufe. Die vom Kompressor angesaugte Luft strömt nacheinander durch die folgenden Elemente des Kompressors, dargestellt in Abbildung 5: Einlassrohr 1, Einlassleitschaufel 4, Stufengruppe 5, 6, Gleichrichter 8, Diffusor 9 und Auslassrohr 10.

Betrachten wir den Zweck dieser Elemente. Das Einlassrohr dient dazu, der Einlassleitschaufel gleichmäßig Luft aus der Atmosphäre zuzuführen, die der Strömung vor dem Eintritt in die erste Stufe die erforderliche Richtung geben muss. In den Stufen wird die Luft komprimiert, indem mechanische Energie von den rotierenden Schaufeln auf den Luftstrom übertragen wird. Von der letzten Stufe gelangt die Luft in den Richtapparat, der der Strömung eine axiale Richtung geben soll, bevor sie in den Diffusor eintritt. Die Kompression des Gases setzt sich im Diffusor aufgrund einer Abnahme seiner kinetischen Energie fort. Das Auslassrohr dient dazu, Luft vom Diffusor zur Bypass-Rohrleitung zuzuführen. Verdichterschaufeln 1 (Abbildung 6) bilden eine Reihe expandierender Kanäle (Diffusoren). Wenn sich der Rotor dreht, dringt Luft mit einer hohen Relativgeschwindigkeit (der Geschwindigkeit der Luftbewegung, die von den beweglichen Rotorblättern aus beobachtet wird) in die Kanäle zwischen den Rotorblättern ein. Während sich Luft durch diese Kanäle bewegt, erhöht sich ihr Druck aufgrund einer Verringerung der Relativgeschwindigkeit. In den durch die feststehenden Leitschaufeln 2 gebildeten expandierenden Kanälen kommt es zu einem weiteren Anstieg des Luftdrucks und damit zu einer entsprechenden Abnahme seiner kinetischen Energie. Somit erfolgt die Energieumwandlung in der Verdichterstufe im Vergleich zur Turbinenstufe in entgegengesetzter Richtung.

Abbildung 6. Stufendiagramm des Axialkompressors

Die Brennkammer

Der Zweck der Brennkammer besteht darin, die Temperatur des Arbeitsmediums durch die Verbrennung von Kraftstoff in einer Druckluftumgebung zu erhöhen. Das Brennkammerdiagramm ist in Abbildung 7 dargestellt.

Abbildung 7. Die Brennkammer

Die Verbrennung des durch die Düse 1 eingespritzten Brennstoffs erfolgt in der Verbrennungszone der Kammer, die durch das Flammrohr 2 begrenzt wird. In diese Zone gelangt nur die Luftmenge, die für eine vollständige und intensive Verbrennung des Brennstoffs erforderlich ist (diese Luft wird Primärluft genannt). .

Die in die Verbrennungszone eintretende Luft strömt durch den Drallerzeuger 3, der eine gute Vermischung des Brennstoffs mit der Luft fördert. In der Verbrennungszone erreicht die Gastemperatur 1300...2000°C. Aufgrund der Festigkeitsbedingungen von Gasturbinenschaufeln ist eine solche Temperatur nicht akzeptabel. Daher werden die in der Verbrennungszone der Kammer erzeugten heißen Gase mit kalter Luft verdünnt, was als Sekundärluft bezeichnet wird. Durch den Ringraum zwischen Flammrohr 2 und Gehäuse 4 strömt Sekundärluft. Ein Teil dieser Luft gelangt durch die Fenster 5 in die Verbrennungsprodukte, der Rest vermischt sich mit den heißen Augen nach dem Flammrohr. Daher muss der Kompressor der Brennkammer ein Vielfaches mehr Luft zuführen, als zum Verbrennen des Kraftstoffs erforderlich ist, und die in die Turbine gelangenden Verbrennungsprodukte werden stark mit Luft verdünnt und gekühlt.

Es könnte nützlich sein zu lesen: