واحدهای توربین گاز انرژی. اصل عملیات GTU

  در حال حاضر چندین هزار نیروگاه حرارتی و نیروگاه منطقه ای ایالتی در روسیه و همچنین بیش از 66 هزار دیگ بخار وجود دارد که تقریبا 80 درصد گرمای تولید شده را تامین می کند. از این نظر، روسیه از نظر حجم تامین حرارت متمرکز، رهبر بلامنازع جهان است. بیایید توجه داشته باشیم که از نظر تمرکز، روسیه نه تنها در زمینه انرژی یک رهبر جهانی است.
  با این حال، کارشناسان به ناکارآمدی استفاده از گاز در واحدهای قدیمی و همچنین سطح پایین راندمان توربین‌های بخار سنتی اشاره می‌کنند که از 38 درصد تجاوز نمی‌کند. گرما در شبکه های متمرکز تولید می شود در بیشتر موارددر تجهیزات نسل های قبلی، گرمای اضافی هوا را "گرم" می کند.
  استفاده از سیستم های محلی برای تولید انرژی الکتریکی و حرارتی با استفاده از نیروگاه های توربین گازی (GTU)انرژی خود را از گاز طبیعی یا پروپان یکی از راه حل های امکان پذیراز این وظیفه
  در این راستا، تمایل به ساخت منابع ترکیبی غیرمتمرکز تامین برق و گرما (به اصطلاح حالت تولید همزمان)، هم در دیگ بخارهای گرمایشی موجود و هم در منابع گرمایی تازه ساخته شده نصب شده است. فوری ترین آنها انتقال به تاسیسات کوچک جدید با استفاده از توربین های گاز مدرن است که تولید همزمان را فراهم می کند.

در کشورهای توسعه یافته، سهم تاسیسات انرژی در مقیاس کوچک با چرخه تولید همزمان در حال افزایش است که امکان بهینه سازی تولید گرما و برق در زیرساخت های اجتماعی و صنعتی و همچنین تضمین صرفه جویی موثر انرژی را فراهم می کند. به عنوان مثال، در ایالات متحده آمریکا و بریتانیا سهم تولید همزمان در انرژی در مقیاس کوچک به 80٪، در هلند - 70٪، در آلمان - 50٪ می رسد. در خارج از کشور، این روند به طور فعال توسط دولت هم از طریق مقررات قانونی و هم از طریق تأمین مالی بودجه حمایت می شود.
  مبنای کارایی اقتصادی نیروگاه های تولید همزمان توربین گاز، راندمان بالای الکتریکی و حرارتی آنها است که از طریق حالت اولیه عملکرد آنها بر روی مصرف حرارتی (گرمایش، تامین آب گرم، تامین گرما برای نیازهای تولید) به دست می آید.
  واحدهای توربین گاز اکنون در بخش انرژی به عنوان تجهیزات کاملاً توسعه یافته و قابل اعتماد شناخته شده اند.
  شاخص‌های عملکردی واحدهای توربین گازی در نیروگاه‌ها در سطح سنتی قرار دارند تجهیزات قدرت. آنها با آمادگی برای عملیات در 90٪ زمان تقویم، یک چرخه تعمیر 2-3 ساله و نرخ راه اندازی بدون مشکل 95-97٪ مشخص می شوند.
  وزن مخصوص کم، فشردگی، سهولت حمل و نقل و نصب آسان از مهمترین مزیت های واحدهای توربین گازی است که از نظر کاربری جذاب ترین آنهاست.
  از مزایای توربین های گازی نیز می توان به موارد زیر اشاره کرد زمان کوتاهساخت و ساز، افزایش قابلیت اطمینان تامین گرما و برق برای مصرف کنندگان، حداقل حجم انتشارات مضر به محیط زیست، کاهش اینرسی تنظیم حرارتی و تلفات در شبکه های گرمایش نسبت به شبکه های متصل به RTS و CHPP های بزرگ.


  شرح تکنولوژی توربین گازی .
  اساس توربین گاز یک ژنراتور گاز است که به عنوان منبعی از محصولات احتراق داغ فشرده برای به حرکت درآوردن یک توربین قدرت عمل می کند.
  ژنراتور گاز از یک کمپرسور، یک محفظه احتراق و یک توربین محرک کمپرسور تشکیل شده است. کمپرس در کمپرسور هوای جوی، که وارد محفظه احتراق می شود، جایی که سوخت (معمولا گاز) از طریق نازل به آن می رسد، سپس سوخت در جریان هوا می سوزد. محصولات احتراق به توربین کمپرسور و توربین قدرت عرضه می شود (در نسخه تک شفت، کمپرسور و توربین قدرت با هم ترکیب می شوند، قدرت تولید شده توسط توربین قدرت به طور قابل توجهی از توان مصرفی کمپرسور برای فشرده سازی هوا و همچنین). غلبه بر اصطکاک در یاتاقان ها و توان صرف شده برای راندن واحدهای کمکی. تفاوت بین این مقادیر نشان دهنده قدرت مفید واحد توربین گاز است.
  یک توربو ژنراتور (ژنراتور الکتریکی) روی شفت توربین قرار دارد.
  گازهای تخلیه شده در درایو توربین گاز از طریق دستگاه اگزوز و صدا خفه کن به داخل دودکش می روند. بازیابی گرما از گازهای خروجی زمانی که گازهای خروجی وارد یک دیگ بخار حرارتی زباله می شوند، که در آن انرژی حرارتی به شکل بخار و/یا تولید می شود، امکان پذیر است. آب گرم. بخار یا آب داغ از دیگ بخار حرارتی زباله می تواند مستقیماً به مصرف کننده گرما منتقل شود.
  راندمان الکتریکی نیروگاه های مدرن توربین گاز 33-39٪ است. با این حال، با در نظر گرفتن دمای بالای گازهای خروجی در نیروگاه های توربین گازی قدرتمند، امکان ترکیب توربین های گاز و بخار وجود دارد. این رویکرد مهندسی می تواند به طور قابل توجهی بهره وری سوخت را بهبود بخشد و راندمان الکتریکی تاسیسات را به 57-59٪ افزایش دهد.

از مزایای واحدهای توربین گاز می توان به وزن مخصوص کم، فشردگی، سهولت حمل و نقل و سهولت نصب اشاره کرد. نصب واحدهای توربین گاز در طبقه فنی ساختمان و یا استقرار واحدهای توربین گازی کم مصرف در پشت بام مجاز است. این دارایی مفید GTU یک عامل مهم در توسعه شهری است.
  هنگام کار با واحدهای توربین گاز، میزان انتشار مضر NOx و CO در گازهای خروجی آنها حداقل است. چنین ویژگی های محیطی عالی این امکان را فراهم می کند که به راحتی واحدهای توربین گاز را در نزدیکی محل سکونت انسان قرار دهید.

علاوه بر این، واحدهای توربین گاز با ظرفیت کم معمولاً به صورت یک یا چند واحد کاملاً پیش ساخته عرضه می شوند که نیاز به نصب کمی دارند و ابعاد نسبتاً کوچک آنها امکان نصب در شرایط تنگ را فراهم می کند. نقشه اصلی. از این رو ارزان بودن نسبی کار ساخت و ساز و نصب است.
  واحدهای توربین گاز دارای ارتعاشات و نویز جزئی در محدوده 65-75 دسی بل هستند (که در مقیاس سطح نویز با صدای جاروبرقی در فاصله 1 متر مطابقت دارد). به عنوان یک قاعده، عایق صوتی ویژه برای چنین تجهیزات تولید کننده با تکنولوژی بالا مورد نیاز نیست.
  نیروگاه های توربین گاز مدرن بسیار قابل اعتماد هستند. شواهدی از فعالیت مداوم برخی از واحدها برای چندین سال وجود دارد. بسیاری از تامین کنندگان توربین گاز تولید می کنند بازسازی اساسیتجهیزات در محل، جایگزینی اجزای جداگانه بدون حمل و نقل به سازنده، که به طور قابل توجهی هزینه خدمات واحد را کاهش می دهد.
  اکثر نیروگاه های توربین گازی توانایی بارگذاری بیش از حد را دارند، به عنوان مثال. افزایش قدرت بالاتر از امتیاز این امر با افزایش دمای سیال کار به دست می آید.
  با این حال، تولید کنندگان محدودیت های سختی را در مدت زمان چنین حالت هایی اعمال می کنند و اجازه می دهند تا بیش از چند صد ساعت بالاتر از دمای اولیه کار کنند. نقض این محدودیت ها به طور قابل توجهی منبع نصب را کاهش می دهد.


  یک قاشق قیر.
  با این حال، مشکلاتی در معرفی واحدهای توربین گازی قدرت وجود دارد. این قبل از هر چیز نیاز به فشرده سازی اولیه سوخت گاز است که به طور قابل توجهی هزینه تولید انرژی را به ویژه برای توربین های گازی کوچک افزایش می دهد و در برخی موارد مانع مهمی برای اجرای آنها در بخش انرژی است. برای واحدهای توربین گاز مدرن با درجات بالافشرده سازی هوا، فشار گاز سوخت مورد نیاز می تواند از 25-30 کیلوگرم بر سانتی متر مربع تجاوز کند.
  به دیگران ضرر قابل توجه GTU با کاهش شدید راندمان زمانی که بار کاهش می یابد مشخص می شود.
  عمر مفید واحدهای توربین گاز به طور قابل توجهی کوتاهتر از سایر نیروگاهها است و معمولاً در محدوده 45 تا 125 هزار ساعت است.

از لحاظ تاریخی، پیشگامان توسعه فناوری توربین های گازی، سازندگان موتورهای کشتی ها و هواپیماها بودند. بنابراین در حال حاضر بیشترین تجربه را در این زمینه اندوخته اند و متخصص ترین متخصصین هستند.
  در روسیه، موقعیت های پیشرو در تولید نیروگاه های توربین گاز توسط شرکت هایی اشغال شده است که موتورهای توربین گازی هوانوردی و واحدهای توربین گاز ایجاد شده به طور خاص برای استفاده از انرژی را توسعه و تولید می کنند:
   - JSC Lyulka-Saturn(شهر مسکو)
   - OJSC "Rybinsk Motors"(ریبینسک)
  هر دو در گنجانده شده اند NPO "زحل",
   - NPP im. وی.یا. کلیمووا(سن پترزبورگ)
   - FSUE MMPP "Salut"(شهر مسکو)
  و دیگران

در سال 2004-2006 در مسکو با مشارکت OJSC "زحل - توربین های گاز"ساخت و بهره برداری از واحدهای آزمایشی توربین گاز (GTU) در RTS Kuryanovo و Penyagino RTS انجام شد. وظیفه اصلی استفاده از واحدهای توربین گاز اطمینان از تامین مستقل برق و گرما برای مسکن و خدمات عمومی است. دو واحد توربین گاز در هر دو RTS نصب شد GTA-6RMبا ظرفیت واحد 6 مگاوات. GTA-6RM یکی از انواع اصلی محصولات زمینی NPO Saturn است.
  واحدهای توربین گاز GTA-6RM بر اساس سریال، نسبتا ارزان، مونتاژ می شوند. موتورهای هواپیما D-30KU/KPکه خود را به عنوان قابل اعتمادترین موتور روسیه معرفی کرده اند که در هواپیماهای تولید انبوه IL-62M، TU-154M و IL-76 استفاده می شود. کل زمان کارکرد این موتورها از 36 میلیون ساعت فراتر رفت.
  واحدها در نسخه های بلوک ماژولار و کارگاهی (ایستگاهی) تولید می شوند و می توانند به صورت تک کاره یا در ترکیب با توربوژنراتورهای سری های مختلف با مشخصات عملیاتی یکسان، دیگ های بازیابی آب گرم یا بخار کار کنند.
  در سال 2005، GTA-6RM در بین 100 مورد بود بهترین محصولاتروسیه ، او رسماً وضعیت "غرور میهن" را دریافت کرد.

این آزمایش نشان داد که استفاده از واحدهای توربین گازی در سیستم RTS امکان افزایش قابلیت اطمینان تامین گرما برای اقتصاد شهری و بخش مسکونی پایتخت را به دلیل تکراری بودن و افزونگی سیستم‌های پشتیبانی حیاتی موجود و نیز افزایش می‌دهد. افزایش امنیت انرژی در اقتصاد شهر

و باید گفت که دولت مسکو به طور جدی روی استفاده گسترده از واحدهای توربین گاز در مجموعه انرژی پایتخت شرط بندی کرده است.
  در اینجا گزیده هایی از قطعنامه 29 دسامبر 2009 N 1508-PP آمده است. "در مورد طرح تامین گرما برای شهر مسکو برای دوره تا سال 2020."
  جهت اولویتتوسعه تامین گرمای شهر مسکو برای دوره تا سال 2020، اجرای فناوری تولید ترکیبی گرما و برق با جذب اضافی منابع گرمایشی و پوشش بارهای گرمایی و الکتریکی مصرف کنندگان شهر با وسایل جدید است. نیروگاه های توربین گازی.
....................................
  توسعه بیشتر سیستم تامین حرارت باید بر اساس موارد زیر باشد:
 .............................................
  - نصب منابع تولید مستقل در نیروگاه ها ( واحدهای توربین گازی) برای راه اندازی نیروگاه در صورت قطع ارتباط با سیستم برق و منبع تغذیه مستقل به دیگ های گرمایش آب پیک در حالت های اضطراری.

تا اینجا ما فقط در مورد خود توربین گاز صحبت کرده ایم، نه

* * پرسیدن گازی که به آن انرژی می دهد از کجا می آید.

بخار کار از دیگ بخار وارد توربین بخار می شود. برای تامین گاز در حال کار یک توربین گاز به چه وسایلی نیاز است؟

برای راه اندازی یک توربین گاز، گازی با منبع انرژی زیاد مورد نیاز است. انرژی گاز - توانایی آن برای انجام کارهای مکانیکی تحت شرایط خاص - به فشار و دما بستگی دارد. هر چه گاز فشرده تر باشد و دمای آن بیشتر باشد، در طول انبساط می تواند کارهای مکانیکی بیشتری انجام دهد. این بدان معنی است که توربین ها برای کار کردن به گاز فشرده و گرم شده نیاز دارند. از اینجا مشخص می شود که کدام دستگاه ها باید در نصب توربین گاز (یا موتور توربین گاز) گنجانده شوند. این اولاً وسیله ای است برای فشرده سازی هوا و ثانیاً وسیله ای برای گرم کردن آن

و سوم، خود توربین گاز که انرژی داخلی گاز فشرده و گرم شده را به کار مکانیکی تبدیل می کند.

فشرده سازی هوا کار دشواری است. اجرای این امر بسیار دشوارتر از تغذیه سوخت مایع در محفظه احتراق است. به عنوان مثال برای وارد کردن یک کیلوگرم نفت سفید در ثانیه به محفظه احتراق با فشار 10 اتمسفر، حدود 2 اسب بخار نیرو و برای فشرده سازی یک کیلوگرم هوا در ثانیه به 10 اتمسفر، تقریباً 400 اسب بخار نیرو نیاز است. و در نیروگاه های توربین گازی به ازای هر کیلوگرم نفت سفید تقریباً 60 کیلوگرم هوا وجود دارد.

این بدان معناست که برای وارد کردن هوا به محفظه احتراق با فشار 10 اتمسفر، باید 12 هزار برابر بیشتر از تامین سوخت مایع مصرف کرد.

برای فشرده سازی هوا از ماشین های خاصی به نام دمنده یا کمپرسور استفاده می شود. آنها انرژی مکانیکی لازم برای عملکرد خود را از خود توربین گاز دریافت می کنند. کمپرسور و تور-

کمپرسور در حال اجرا.

کمپرسور.

سطل ها روی یک شفت نصب می شوند و توربین در حین کار بخشی از توان خود را به کمپرسور هوا منتقل می کند.

واحدهای توربین گاز از دو نوع کمپرسور استفاده می کنند: گریز از مرکز و محوری.

کمپرسور گریز از مرکز (شکل 6)، همانطور که از نامش مشخص است، از نیروی گریز از مرکز برای فشرده سازی هوا استفاده می کند. چنین کمپرسوری شامل یک لوله ورودی است که هوای خارجی از طریق آن وارد کمپرسور می شود. یک دیسک با تیغه های کار، که اغلب پروانه نامیده می شود (شکل 7). به اصطلاح دیفیوزر که هوای خروجی از پروانه وارد آن می‌شود و لوله‌های خروجی که هوای فشرده را به مقصد می‌رسانند، مثلاً به محفظه احتراق یک واحد توربین گاز.

هوای ورودی به کمپرسور گریز از مرکز توسط پره های پروانه ای که به سرعت در حال چرخش است گرفته می شود و تحت تأثیر نیروی گریز از مرکز از مرکز به محیط پرتاب می شود. با حرکت در امتداد کانال های بین تیغه ها و چرخش همراه با دیسک، توسط نیروهای گریز از مرکز فشرده می شود. هرچه پروانه سریعتر بچرخد، تراکم هوا بیشتر می شود. در کمپرسورهای مدرن سرعت محیطی پروانه به 500 متر در ثانیه می رسد. در این حالت فشار هوا در خروجی پروانه تقریباً 2.5 اتمسفر است. بعلاوه فشار خون بالاهوای عبوری بین پره ها سرعت بالایی به دست می آورد که از نظر مقدار نزدیک به سرعت محیطی پروانه است. سپس هوا از یک دیفیوزر عبور می کند - یک کانال به تدریج در حال گسترش. هنگام حرکت از طریق چنین کانالی، سرعت هوا کاهش می یابد و فشار افزایش می یابد. در خروجی دیفیوزر، هوا معمولاً فشاری در حدود 5 اتمسفر دارد.

کمپرسورهای گریز از مرکز از نظر طراحی ساده هستند. آنها وزن سبکی دارند و می توانند به طور نسبی با آنها کار کنند اعداد مختلفچرخش شفت و نرخ جریان هوا. این ویژگی ها استفاده گسترده آنها را در فناوری تضمین کرده است. با این حال، کمپرسورهای گریز از مرکز از راندمان کافی برخوردار نیستند - فقط 70-75٪. بنابراین در تاسیسات توربین گازی که انرژی زیادی صرف تراکم هوا می شود بیشتر از کمپرسورهای نوع محوری استفاده می شود. راندمان آنها بالاتر است و به 85-90٪ می رسد. اما از نظر طراحی، کمپرسور محوری پیچیده تر از گریز از مرکز است و وزن بیشتری دارد.

یک کمپرسور محوری از چندین پروانه تشکیل شده است که به طور صلب روی یک شفت نصب شده و در کانالی قرار می گیرند که هوا از طریق آن حرکت می کند. هر پروانه یک دیسک با تیغه های روی لبه است. هنگامی که پروانه به سرعت می چرخد، تیغه ها هوای عبوری از کانال را فشرده کرده و سرعت آن را افزایش می دهند.

در پشت هر پروانه یک ردیف تیغه ثابت وجود دارد - یک پره راهنما، که فشار هوا را بیشتر می کند و جهت مورد نیاز را به جت می دهد.

پروانه ای که یک ردیف پره های راهنمای ثابت در پشت آن قرار دارد، مرحله کمپرسور نامیده می شود. یک مرحله از کمپرسور محوری فشار هوا را تقریباً 1.3 برابر افزایش می دهد. برای بدست آوردن فشار بیشتر از کمپرسورهای محوری چند مرحله ای استفاده می شود. برای به دست آوردن فشارهای بالا، کمپرسورهای محوری با

برنج. 8. روتور کمپرسور محوری پانزده مرحله ای.

14، 16 و مراحل بیشتر. در کمپرسورهای محوری چند مرحله ای، تیغه های روتور گاهی اوقات نه بر روی دیسک های جداگانه، بلکه بر روی یک محور توخالی مشترک، به اصطلاح درام، نصب می شوند. قسمت چرخان کمپرسور (درام با ردیف هایی از تیغه ها یا پروانه های نصب شده بر روی شفت) روتور (شکل 8) نامیده می شود و پره های راهنمای ثابت نصب شده روی پوشش کمپرسور استاتور آن نامیده می شود.

نام کمپرسور محوری به این دلیل است که هوا در امتداد محور خود حرکت می کند، برخلاف کمپرسور گریز از مرکز که در آن هوا در جهت شعاعی حرکت می کند.

هوای فشرده شده تا فشار بالا در کمپرسور به محفظه احتراق می رسد. در اینجا سوخت مایع از طریق نازل های اسپری به جریان هوا تزریق می شود که به همان روشی که در موتورها انجام می شود مشتعل می شود. احتراق داخلی- استفاده از شمع برقی شمع برقی فقط زمانی کار می کند که موتور روشن می شود. احتراق بیشتر به طور مداوم رخ می دهد. در عین حال خودنمایی می کند تعداد زیادی ازحرارت. هنگامی که یک کیلوگرم نفت سفید می سوزد، 10500 کالری گرما آزاد می شود.

هر چه حرارت بیشتری در حین احتراق سوخت آزاد شود، دمای گازها در انتهای محفظه احتراق بیشتر می شود. اگر 1 کیلوگرم نفت سفید به 15 کیلوگرم هوا عرضه شود، دمای گاز تقریباً به 2500 درجه سانتیگراد می رسد. در چنین دمای گاز بالا، عملکرد یک واحد توربین گاز بسیار کارآمد خواهد بود. با این حال، مواد پره های نازل و پره های توربین نمی توانند چنین گرمایی را تحمل کنند. بهترین آلیاژهای مدرن مقاوم در برابر حرارت مورد استفاده در موتورهای توربین گازی هوانوردی اجازه کار در دمای گاز حدود 900 درجه سانتیگراد را می دهد. در توربین هایی که در نیروگاه ها کار می کنند، جایی که بیش از بلند مدتسرویس و آلیاژهای ارزانتر استفاده می شود، دمای مجاز گاز حتی کمتر است. بنابراین، در محفظه احتراق واحدهای توربین گاز در

1 کیلوگرم نفت سفید یا روغن به 50-80 کیلوگرم هوا عرضه می شود. با این نسبت در انتهای محفظه احتراق دمای گازها برقرار می شود که با استحکام تیغه ها اجازه می دهد.

طراحی محفظه احتراق برای نیروگاه های توربین گازی یک مشکل پیچیده علمی و فنی است. محفظه احتراق تابع تعدادی از الزامات سختگیرانه است که انجام آنها عملکرد کل نصب را تعیین می کند. در اینجا به مهمترین این الزامات اشاره می کنیم. ابتدا لازم است از احتراق کامل سوخت اطمینان حاصل شود. اگر سوخت زمان لازم برای سوختن کامل در محفظه احتراق را نداشته باشد، بخشی از انرژی آن بیهوده هدر می رود. راندمان واحد توربین گاز کاهش می یابد. علاوه بر این، سوختی که زمان سوختن در محفظه احتراق نداشته است، بین پره های توربین شروع به سوختن می کند که منجر به فرسودگی و شکستگی پره ها، یعنی تصادف می شود. همچنین نباید اجازه داد که گاز ورودی به توربین به جای اینکه در تمام سطح مقطع دمایی یکسان داشته باشد، مثلاً در یک مکان 600 درجه سانتیگراد و در جای دیگر 1200 درجه سانتیگراد باشد. بنابراین، لازم است از اختلاط خوب گازها قبل از خروج از محفظه اطمینان حاصل شود تا احتمال "شعله ور شدن" منفرد گاز با دماهای بالا وارد توربین نشود. در نهایت لازم است دیواره های محفظه احتراق به خوبی خنک شوند تا از سوختن آنها محافظت شود.

برای حل همه این مشکلات، جریان هوا در محفظه های احتراق موتورهای توربین گازی به دو قسمت تقسیم می شود (شکل 9). بخش کوچکتری از جریان به سمت قسمت داخلیمحفظه ها - به اصطلاح لوله شعله. در آنجا، سوخت در دمای بالا می سوزد (دمای بالا به فرد اجازه می دهد به اندازه کافی برسد

احتراق کامل). بقیه هوا در احتراق شرکت نمی کند. لوله شعله را از بیرون شسته و خنک می کند. سپس هوای سرد با گازهای داغ مخلوط می شود. برای اختلاط بهتر در دیواره های لوله انجام می شود عدد بزرگسوراخ های کوچکی که از طریق آن هوای خنک کننده در قسمت های کوچک وارد شده و با گازهای داغ مخلوط می شود. به لطف این منبع هوای خنک کننده، دمای گاز در نزدیکی دیوارها کمتر از مرکز لوله شعله است. این همچنین به محافظت از آن در برابر سوختن کمک می کند.

محفظه احتراق یک واحد توربین گاز معمولاً بین کمپرسور و توربین قرار دارد. با این آرایش، جریان گاز مستقیماً از ورودی نصب به خروجی آن می رود. اما در مرکز نصب شفتی وجود دارد که توربین را به کمپرسور متصل می کند. این شفت نباید خیلی داغ شود در غیر این صورت استحکام آن کاهش می یابد. بنابراین، محفظه احتراق حلقوی یا یک ساخته می شود

محفظه مشترک با 6-10 محفظه جداگانه که به صورت دایره ای در اطراف شفت قرار دارند جایگزین می شود.

شما با سه بخش اصلی یک کارخانه توربین گاز آشنا شده اید: کمپرسور هوا، محفظه احتراق و توربین گاز. در شکل شکل 10 نمودار یک موتور توربین گازی را نشان می دهد. در اینجا نحوه عملکرد آن آمده است.

یک کمپرسور هوا را از جو بیرون می کشد و آن را فشرده می کند. هوای فشرده وارد محفظه احتراق می شود، جایی که در اثر احتراق سوخت، دمای آن چند صد درجه افزایش می یابد. فشار گاز

تقریبا ثابت می ماند. بنابراین موتورهای این نوع را موتورهای توربین گازی با فشار احتراق ثابت می نامند. از محفظه احتراق گاز با فشار و دمای بالا و در نتیجه منبع زیادی انرژی به سمت توربین می رود. در آنجا فرآیند تبدیل انرژی گاز فشرده و گرم شده به کار مفید رخ می دهد.

گاز در طول فرآیند انبساط، یعنی زمانی که فشار آن کاهش می یابد، در توربین کار می کند. در اکثر نیروگاه های توربین گاز، فشار گاز به فشار اتمسفر کاهش می یابد. این بدان معنی است که فرآیندی در توربین رخ می دهد، برعکس آن، که به داخل کمپرسور می رود.

اگر دمای هوا در خروجی کمپرسور و در ورودی توربین یکسان بود، وقتی هوا در توربین منبسط می‌شد، همان کاری را انجام می‌داد که برای فشرده‌سازی آن در کمپرسور صرف می‌شد - به شرطی که هیچ اتلاف انرژی در اصطکاک و تلاطم هوا وجود نخواهد داشت. و با در نظر گرفتن این تلفات، هوا در توربین کار کمتری نسبت به کار لازم برای چرخش کمپرسور انجام می دهد. واضح است که چنین نصبی هیچ سودی نخواهد داشت. اما کمپرسور هوای سرد را فشرده می کند و گاز با حرارت زیاد وارد توربین می شود. بنابراین، کار انبساط گاز 1.5-2 برابر بیشتر از مقدار مورد نیاز برای کمپرسور است. به عنوان مثال، اگر یک توربین گاز قدرتی معادل 10000 اسب بخار تولید کند، تقریباً 6000 اسب بخار باید برای چرخاندن کمپرسور متصل به آن صرف شود.

استحکام - قدرت نیروی آزاد باقی مانده 4000 اسب بخار را می توان برای چرخاندن یک ژنراتور الکتریکی، یک ملخ کشتی، یک پروانه هواپیما یا هر مکانیسم دیگری استفاده کرد.

برای راه اندازی یک موتور توربین گاز، تعدادی واحد کمکی مورد نیاز است: پمپ های سوخت، دستگاه های خودکار که عملکرد آن را تنظیم می کنند، یک سیستم روانکاری و خنک کننده، یک سیستم کنترل و غیره.

برای راه اندازی یک موتور توربین گاز، باید روتور آن را (شکل 11) تا چند صد دور در دقیقه بچرخانید. یک موتور کمکی کوچک به نام استارت به این منظور عمل می کند. برای موتورهای توربین گازی بزرگ، استارت اغلب موتورهای توربین گازی کوچک با توان خروجی حدود 100 اسب بخار و گاهی اوقات بیشتر است. این استارت‌ها به نوبه خود توسط موتورهای الکتریکی کوچکی که با باتری کار می‌کنند می‌چرخند.

ایده امکان استفاده از جریان گازهای داغ برای به دست آوردن کار مکانیکی مدت ها پیش نشات گرفته است. حتی 450 سال پیش، لئوناردو داوینچی، دانشمند بزرگ ایتالیایی، چرخی را با تیغه هایی که در یک دودکش بالای اجاق نصب شده بود، توصیف کرد. تحت تأثیر جریان گاز، چنین چرخی می تواند بچرخد و یک تف را به حرکت درآورد. چرخ لئوناردو داوینچی را می توان نمونه اولیه یک توربین گازی در نظر گرفت.

در سال 1791، جان باربر انگلیسی، حق اختراع یک کارخانه توربین گاز را گرفت. از نقشه ضمیمه شده به حق ثبت اختراع، می توان تصور کرد که به گفته نویسنده، این نصب قرار است بر روی گاز قابل اشتعال حاصل از تقطیر سوخت جامد یا مایع کار کند. گاز با استفاده از یک کمپرسور اولیه به مخزن پمپ می شد. از آن وارد محفظه احتراق شد و در آنجا با هوای تامین شده توسط کمپرسور دوم مخلوط شد و مشتعل شد. محصولات احتراق از محفظه بر روی چرخ توربین جریان می یابد. اما با توجه به سطح توسعه فناوری که در آن زمان وجود داشت، امکان اجرای توربین گاز وجود نداشت. اولین توربین گاز تنها در اواخر قرن نوزدهم توسط مخترع روسی P. D. Kuzminsky ساخته شد که همانطور که قبلاً گفتیم اولین توربین بخار را برای کشتی های دریایی نیز ساخت.

موتور توربین گاز که در سال 1897 بر اساس طرح P. D. Kuzminsky ساخته شد، شامل یک کمپرسور هوا، یک محفظه احتراق و یک توربین شعاعی بود (شکل 12). کوزمینسکی از خنک کننده آب محفظه احتراق استفاده کرد. آب دیوارها را خنک کرد و سپس وارد اتاقک شد. تامین آب باعث کاهش دما و در عین حال افزایش توده گازهای ورودی به توربین می شود که باید بازدهی نصب را افزایش می داد. متأسفانه، کار کوزمینسکی با هیچ حمایتی از سوی دولت تزار مواجه نشد.

7 سال بعد، در سال 1904، توربین گازی در خارج از کشور بر اساس طرح مهندس آلمانی استولز ساخته شد، اما کاربرد عملی پیدا نکرد، زیرا کاستی های زیادی داشت.

در سال 1906 مهندسان فرانسوی آرمانگو و لمال توربین گازی با ظرفیت 25 اسب بخار و سپس توربین دیگری با ظرفیت 400 اسب بخار ساختند. راندمان این نصب تنها 3 درصد بود.

آزمایشات اولین واحدهای توربین گازی نشان داد که برای افزایش راندمان آنها باید افزایش قابل توجهی در راندمان کمپرسور و توربین و همچنین افزایش

دمای گازها در محفظه احتراق این امر بسیاری از مخترعان را بر آن داشت تا به دنبال طرح های دیگر توربین گاز باشند. تمایل به خلاص شدن از کمپرسور وجود داشت تا از تلفات انرژی زیاد هنگام فشرده سازی هوا جلوگیری شود. اما توربین تنها زمانی می تواند کار کند که فشار گاز در محفظه احتراق بیشتر از پشت توربین باشد. در غیر این صورت، گاز از محفظه به داخل توربین جریان نمی یابد و پروانه آن را به حرکت در نمی آورد. با فرآیند احتراق مداوم در محفظه، استفاده از کمپرسور تامین کننده هوای فشرده اجتناب ناپذیر است. با این حال، اگر فرآیند احتراق را متناوب کنید، می توانید امتناع کنید

از یک کمپرسور یا از کمپرسوری استفاده کنید که فشرده سازی هوای کمی را فراهم می کند و بر این اساس، انرژی کمتری مصرف می کند. هوا در زمانی به چنین محفظه ضربانی وارد می شود که احتراق در آن وجود ندارد و فشار بسیار کم است. پس از ورود هوا و تزریق سوخت، ورودی محفظه بسته می شود و فلاش رخ می دهد. از آنجایی که محفظه بسته است و گازها نمی توانند منبسط شوند، فشار در آن به شدت افزایش می یابد. پس از خروج گازها از محفظه به داخل توربین، دریچه ورودی باز می شود و بخش جدیدی از هوا وارد محفظه می شود. بدین ترتیب با انجام فرآیند احتراق با حجم ثابت گازها یعنی در یک محفظه بسته می توان فشار آنها را بدون کمک کمپرسور افزایش داد.

در سال 1908، مهندس روسی V.V.

Karovodin یک نمونه اولیه از چنین توربین گازی ایجاد کرد (شکل 13). محفظه در هنگام احتراق سوخت با استفاده از یک سوپاپ مخصوص بسته شد. این توربین دارای چهار محفظه احتراق بود که گاز از طریق چهار نازل بلند به سمت پروانه جریان می یافت. در طول آزمایش، این مدل قدرت 1.6 اسب بخار را توسعه داد. راندمان فقط 3٪ بود. برای کاربردهای صنعتیاین توربین نیز هنوز مناسب نبود.

مهندس آلمانی هولتز-وارت نیز برای مدت طولانی روی ایجاد توربین های گازی با حجم احتراق ثابت کار کرد. طبق پروژه های او در دوره 1914-1920 وجود داشت
چندین توربین با قدرت بین 500 تا 2000 اسب بخار ساخته شد. با این حال، هیچ یک از آنها مناسب نبودند عملیات صنعتی. تنها در دهه 1930 بود که شرکت سوئیسی Brown-Boveri موفق به ایجاد چندین توربین با احتراق حجم ثابت و مناسب برای استفاده عملی شد. در حال حاضر، کار بر روی چنین توربین هایی تقریباً به طور کامل متوقف شده است.

دانشمندان ما راه دیگری را در پیش گرفتند. مهندس

V. X. Abians در کتاب خود "تئوری توربین های گازی هوانوردی" در مورد کارهای متخصصان شوروی می نویسد:

یکی از شایستگی‌های اصلی دانشمندان شوروی این است که امکان‌سنجی و چشم‌انداز توسعه توربین‌ها با فشار احتراق ثابت را اثبات کردند، در حالی که مهندسان توربین گاز خارجی (به ویژه آلمانی) در زمینه توربین‌هایی با حجم احتراق ثابت کار می‌کردند. تمام توسعه های بعدی توربین های گاز، از جمله هوانوردی، پیش بینی های دانشمندان اتحاد جماهیر شوروی را به طرز درخشانی تأیید کرد، زیرا معلوم شد که راه اصلی توسعه توربین های گاز ایجاد توربین هایی با فشار احتراق ثابت است.

کارهای دانشمندان شوروی ثابت کرده است که واحدهای توربین گاز با فشار احتراق ثابت در دمای گاز به اندازه کافی بالا می توانند بازده بالایی داشته باشند.

در سال 1939، پروفسور وی. قدرت آن 400 کیلووات بود. شفت، دیسک و پره های توربین توخالی با آب خنک شدند. توربین ماکوفسکی برای کار بر روی گاز قابل احتراق به دست آمده در نتیجه گازسازی زیرزمینی در نظر گرفته شده بود. زغال سنگ. این در یکی از معادن در Gorlovka نصب و با موفقیت آزمایش شد.

کارخانه های ما در حال حاضر انواع مختلفی از توربین های گازی بسیار کارآمد را تولید می کنند.

اگرچه یک واحد توربین گازی از نظر طراحی ساده‌تر از یک موتور احتراق داخلی پیستونی است، اما ایجاد آن نیازمند حجم عظیمی از کار تحقیقاتی است. به همین دلیل است که تنها در زمان ما، بر اساس دستاوردهای مدرن علم و فناوری، امکان ایجاد یک موتور توربین گاز موثر وجود داشت.

قبل از ایجاد نیروگاه های توربین گازی، دانشمندان باید چه مشکلات علمی را حل می کردند؟

هنگام ایجاد یک توربین گاز، باید تلاش کرد تا از انرژی گاز تا حد امکان استفاده شود و تلفات آن به دلیل اصطکاک و تشکیل گرداب کاهش یابد. سرعت بالای حرکت گاز از طریق توربین باعث می شود که از یک تاسیسات کوچک توان بیشتری بدست آوریم. اما در عین حال، چنین سرعتی مملو از خطر تلفات انرژی بزرگ است. هر چه سرعت حرکت مایع یا گاز بیشتر باشد، ضرر بیشترانرژی برای اصطکاک و تشکیل گرداب

برای ساخت یک نیروگاه توربین گازی با راندمان بالا، باید مزیت‌ترین ابعاد، شکل و موقعیت نسبی کمپرسور و قطعات توربین را انتخاب کرد. و برای این کار لازم بود حرکت گازها را مطالعه کنیم و بفهمیم که آنها چگونه بر اجسام جامد جریان یافته در اطراف آنها تأثیر می گذارند. مطالعه حرکت گاز برای توسعه بسیاری از شاخه های فناوری مورد نیاز بود.

اولین وظیفه دانشمندان در این زمینه مطالعه حرکت گاز با سرعت های نسبتا کم بود، زمانی که عملاً فشرده نمی شود. از آنجایی که حرکت یک گاز تراکم ناپذیر تابع قوانین مشابه حرکت مایع است، این شاخه از علم هیدرودینامیک ("هید" - آب در یونانی) نامیده می شود.

در همان زمان، علم ساختار مولکولی گاز و فرآیندهای تغییر حالت آن تحت تأثیر فشار و دما در حال توسعه بود. ترمودینامیک نامیده می شود (از کلمه لاتین "ترمو" - گرما).

در فرآیند توسعه هیدرودینامیک، در نظر گرفتن ضروری شد مشخصاتگاز، آن را از مایع متمایز می کند. و بنابراین، بر اساس هیدرودینامیک، آیرودینامیک به وجود آمد - علم قوانین جریان هوا و جریان هوا در اطراف اجسام. در همان زمان، ظهور توربین های بخار، دانشمندان ترمودینامیکی را بر آن داشت تا مسائلی مانند خروج گازها و بخارات از نازل ها را مطالعه کنند.

در روند توسعه خود، هیدرودینامیک و ترمودینامیک، گستره موضوعات مورد مطالعه را گسترش می دهد، عمیق تر و عمیق تر به ذات نفوذ می کند. پدیده های فیزیکی، به یکدیگر نزدیک شدند. اینگونه بود که شاخه جدیدی از علم پدید آمد - دینامیک گاز که قوانین حرکت گاز در سرعت های بالا و فرآیندهای حرارتی را که در جریان گاز اتفاق می افتد مطالعه می کند.

این علم به عنوان مبنای نظری برای توسعه موتورهای توربین گاز عمل کرد. اولین کار اساسی در مورد تئوری توربین های گاز توسط دانشمند برجسته چک استودولا، اساتید شوروی V. M. Makovsky، V. V. Uvarov و تعدادی دیگر از دانشمندان انجام شد.

توسعه مبانی نظری فناوری توربین‌های گازی و کارهای آزمایشی که در بسیاری از کشورهای جهان در این زمینه آغاز شد، نشان داد که مهم‌ترین کار در توسعه این نوع موتورها، بهبود مسیر جریان آنها، یعنی همان موتورها است. عناصری که گاز از طریق آنها جریان می یابد: ورودی هوا، کمپرسور، احتراق محفظه، توربین ها و نازل ها. اول از همه، این سوال در مورد توسعه تئوری کمپرسورها و توربین ها بود که اغلب با همان اصطلاح "ماشین های تیغه" نامیده می شوند. دقیقاً همین مشکل اساسی بود که دانشمندان شوروی به حل آن پرداختند. بر اساس آثار درخشان اویلر، برنولی، ژوکوفسکی، چاپلیگین، دانشمندان شوروی تئوری موتورهای توربین گاز را ایجاد کردند.

آکادمیسین B. S. Stechkin سهم بسیار ارزشمندی در نظریه موتورهای توربین گازی داشت. آثار او تئوری منسجمی از ماشین های تیغه ای ایجاد کرد. او روش هایی را برای محاسبه کمپرسورهای محوری و گریز از مرکز توسعه داد. او خالق نظریه رایج ترین موتورهای تنفس هوای توربین گاز در هوانوردی مدرن است.

تحقیقات نظری عمیق و کار تجربی پربار روی کمپرسورها توسط پروفسورهای K. A. Ushakov، V. N. Dmitrievsky، K. V. Kholshchevnikov، P. K. Kazandzhan و تعدادی دیگر از دانشمندان انجام شد. سهم قابل توجهی در تئوری ماشین های تیغه ای کار آکادمیک اوکراینی G. F. Proskur "هیدرودینامیک یک توربوماشین" بود که در سال 1934 منتشر شد.

تئوری های توربین های گاز و موتورهای توربین گاز به طور کلی به کار اساتید G.S. Zhi - اختصاص داده شده است.

Ridkoy، A.V. Kvasnikov، P.I.

کارهای زیادی توسط دانشمندان برای ایجاد سودمندترین شکل پره های توربین انجام شده است. عملکرد پره های توربین شباهت زیادی با عملکرد بال هواپیما دارد. با این حال، تفاوت های قابل توجهی بین آنها وجود دارد. بال به صورت مجزا عمل می کند و تیغه توربین در مجاورت پره های دیگر عمل می کند. در مورد دوم، آنچه ما به دست می آوریم، همانطور که می گویند، "شبکه ای از پروفایل ها" است. تأثیر تیغه های همسایه الگوی جریان گاز در اطراف پروفیل تیغه را به شدت تغییر می دهد. علاوه بر این، بال توسط جریان هوایی دمیده می شود که قبل از برخورد با هواپیما، سرعت یکسانی در طول کل دهانه بال دارد. و سرعت گاز نسبت به پره توربین در طول آن یکسان نیست. بستگی به سرعت محیطی تیغه ها دارد. از آنجایی که تیغه ها بسیار بلند هستند، سرعت محیطی در ریشه تیغه به طور قابل توجهی کمتر از انتهای آن است. این بدان معنی است که سرعت گاز نسبت به تیغه در ریشه آن متفاوت از محیط بیرونی پروانه خواهد بود. بنابراین پروفیل تیغه باید به گونه ای باشد که تیغه در تمام طول خود با بیشترین کارایی کار کند. مشکل ایجاد چنین تیغه هایی با کارهای پروفسور V.V و سایر دانشمندان حل شد.

مهمترین مشکلی که ایجاد موتورهای توربین گازی مقرون به صرفه به راه حل آن بستگی داشت، مسئله مواد مقاوم در برابر حرارت بود. راندمان نصب توربین گاز با افزایش دمای گاز افزایش می یابد. اما برای اینکه یک توربین در دماهای بالا به طور قابل اعتماد کار کند، لازم است پره ها و دیسک آن از آلیاژهایی ساخته شود که استحکام آنها حتی در دماهای بالا حفظ می شود. بنابراین، برای توسعه فن آوری توربین گاز ضروری بود سطح بالاتوسعه متالورژی در حال حاضر، متالوژیست ها آلیاژهایی ساخته اند که می توانند در برابر دمای بالا مقاومت کنند. پره های توربین ساخته شده از چنین آلیاژهایی می توانند بدون خنک سازی خاص در دمای گازهای ورودی به توربین تا 900 درجه سانتیگراد کار کنند.

علاوه بر آلیاژها، مواد مقاوم در برابر حرارت دیگری مانند سرامیک های مخصوص نیز وجود دارد. اما سرامیک ها کاملا شکننده هستند که از استفاده از آنها در توربین های گازی جلوگیری می کند. با این حال، کار بیشتر بر روی بهبود سرامیک های مقاوم در برابر حرارت ممکن است تأثیر قابل توجهی بر توسعه توربین های گازی داشته باشد.

طراحان توربین گاز نیز در حال توسعه پره هایی با خنک کننده مصنوعی هستند. کانال هایی در داخل تیغه ها ساخته می شوند که هوا یا مایع از آنها عبور می کند. دیسک توربین معمولاً با هوا دمیده می شود.

شرایط احتراق سوخت در واحدهای توربین گاز به طور قابل توجهی با شرایط کوره های دیگ بخار یا سیلندرهای موتورهای پیستونی متفاوت است. یک موتور توربین گازی قادر به تولید کارهای عظیم با اندازه کوچک است. اما برای این لازم است که مقدار زیادی سوخت در یک محفظه کوچک بسوزانید. این تنها با سرعت احتراق بسیار بالا قابل دستیابی است. ذرات سوخت کمتر از یک صدم ثانیه در محفظه احتراق یک موتور توربین گازی وجود دارند. در چنین مدت کوتاهی باید اختلاط خوب سوخت با هوا، تبخیر و احتراق کامل آن اتفاق بیفتد.

برای حل موفقیت آمیز مشکل، مطالعه فیزیک احتراق ضروری است. تیم های بزرگی از دانشمندان در زمان ما روی این موضوع کار می کنند.

دانشمندان همچنین موضوع به حداکثر رساندن استفاده از گرمای تولید شده در حین احتراق سوخت در واحدهای توربین گاز را به تفصیل مطالعه کرده اند. گازها از پروانه توربین در دمای بالا خارج می شوند و بنابراین مقدار زیادی را با خود به اتمسفر می برند. انرژی درونی. تمایل طبیعی به استفاده از گرمای گازهای زائد وجود داشت. برای این منظور، طرح نصب زیر پیشنهاد شد. گازهای پروانه قبل از رها شدن در جو از یک مبدل حرارتی عبور می کنند و در آنجا بخشی از گرمای خود را به هوای فشرده خارج شده از کمپرسور منتقل می کنند. هوا که در مبدل حرارتی گرم می شود، انرژی آن را بدون مصرف سوخت افزایش می دهد. از مبدل حرارتی، هوا به داخل محفظه احتراق هدایت می شود، جایی که دمای آن حتی بالاتر می رود. با نصب چنین مبدل های حرارتی می توان مصرف سوخت برای گرمایش گاز را به میزان قابل توجهی کاهش داد و در نتیجه راندمان نصب را افزایش داد. مبدل حرارتی کانالی است که گازهای داغ از آن عبور می کنند. دسته ای از لوله های فولادی که در امتداد جریان گاز یا عمود بر آن قرار دارند در داخل کانال قرار می گیرند. هوا در داخل این لوله ها جریان دارد. گاز دیواره لوله ها و جریان هوای داخل آنها را گرم می کند. مقداری از گرمای گازهای دودکش به هوای کار بازگردانده می شود. این فرآیند را فرآیند بازیابی گرما می نامند. و مبدل های حرارتی اغلب احیا کننده نامیده می شوند.

توربین های گازی با بازیافت حرارت به طور قابل توجهی مقرون به صرفه تر از توربین های معمولی هستند. متأسفانه مبدل های حرارتی از نظر اندازه بسیار حجیم هستند که استفاده از آنها را در برخی از تاسیسات حمل و نقل دشوار می کند.

در میان مشکلات علمی زیربنای توسعه فناوری توربین گاز، استحکام سازه ها نیز باید مورد توجه قرار گیرد. برای ساخت محفظه های احتراق بادوام، باید روش های محاسبه پوسته های جدار نازک را بدانید. این مورد تمرکز یکی از شاخه های جدید علم مقاومت مصالح است. یک کار دشوار اطمینان از استحکام پره های توربین است. روتور توربین تعداد دور بسیار زیادی (5000-10000 دور در دقیقه و در برخی طرح ها بیشتر) می کند و نیروهای گریز از مرکز بزرگ بر روی پره ها وارد می شود (چند تن در هر پره).

ما در اینجا فقط در مورد مهمترین آنها صحبت کردیم مشکلات علمی، که راه حل آن برای توسعه فناوری توربین گاز مورد نیاز بود. دانشمندان و مهندسان به کار خود برای بهبود موتورهای توربین گاز ادامه می دهند. آنها هنوز با بسیاری از سوالات حل نشده، بسیاری از مشکلات جالب و مهم روبرو هستند.

به عنوان مثال، به طور انحصاری پراهمیتدر حال کار بر روی ایجاد توربین های گازی با استفاده از زغال سنگ به عنوان سوخت هستند. معلوم است که زغال سنگ بیشتر از نفت تولید می شود و از آن ارزانتر است. احتراق زغال سنگ در محفظه احتراق یک توربین گاز کار دشواری است. باید خرد شود و به غبار زغال سنگ تبدیل شود. گازهای خروجی از محفظه احتراق باید از خاکستر پاک شوند. اگر گاز حاوی ذرات خاکستر حتی 0.03-0.05 میلی متر باشد، پره های توربین شروع به فروپاشی کرده و توربین از کار می افتد.

ایجاد دستگاه های تصفیه گاز یک موضوع پیچیده است. اما حل چنین مشکلی برای موتور توربین گازی امکان پذیر است. در موتورهای احتراق داخلی، فشرده سازی هوا، احتراق و انبساط گاز در یک مکان - در سیلندر اتفاق می افتد. معلوم شد که نصب هر نوع پاک کننده ای در سیلندر غیرممکن است. بنابراین، تا کنون، تلاش برای سوزاندن زغال سنگ در سیلندرهای موتورهای احتراق داخلی به هیچ نتیجه ای منجر نشده است. در نصب توربین گاز، فشرده سازی، احتراق و انبساط در آن رخ می دهد جاهای مختلف. هوا در یک کمپرسور فشرده می شود، در یک محفظه گرم می شود و در یک توربین منبسط می شود. تصفیه کننده را می توان بین محفظه و توربین قرار داد. فقط لازم است که فشار گازهای عبوری از آن را تا حد زیادی کاهش ندهد و اندازه آن خیلی بزرگ نباشد.

امروزه تحقیقات برای ایجاد موتورهای توربین گازی هسته ای در حال انجام است. در این موتورها، هوا نه با سوزاندن سوخت، بلکه با گرمای تولید شده در دیگ هسته ای گرم می شود. دانشمندان در این مسیر باید بر مشکلات زیادی غلبه کنند. اما شکی نیست که موتورهای توربین گازی هسته ای آینده بزرگی در پیش دارند.

هرازگاهی در اخبار می گویند که مثلاً در فلان نیروگاه منطقه ای ایالتی ساخت یک CCGT 400 مگاواتی در حال انجام است و در CHPP-2 دیگری نصب یک واحد توربین گازی به همین میزان است. مگاوات زیادی به بهره برداری رسیده است. چنین رویدادهایی نوشته شده و پوشش داده شده است، زیرا گنجاندن چنین واحدهای قدرتمند و کارآمد فقط یک "تیک" در اجرا نیست. برنامه دولتی، بلکه افزایش واقعی راندمان نیروگاه ها، سیستم انرژی منطقه ای و حتی سیستم یکپارچه انرژی است.

اما من می خواهم توجه شما را نه در مورد اجرای برنامه های دولتی یا شاخص های پیش بینی، بلکه در مورد PSU و GTU جلب کنم. نه تنها یک فرد معمولی، بلکه یک مهندس انرژی تازه کار نیز می تواند در این دو اصطلاح گیج شود.

بیایید با آنچه ساده تر است شروع کنیم.

GTU - واحد توربین گاز - یک توربین گاز و یک ژنراتور الکتریکی است که در یک محفظه ترکیب شده اند. نصب آن در نیروگاه های حرارتی مفید است. این موثر است و بسیاری از بازسازی های نیروگاه های حرارتی با هدف نصب چنین توربین هایی انجام می شود.

در اینجا یک چرخه ساده از عملکرد یک ایستگاه حرارتی آمده است:

گاز (سوخت) وارد دیگ می شود و در آنجا می سوزد و گرما را به آب منتقل می کند که به صورت بخار از دیگ خارج می شود و توربین بخار را می چرخاند. و توربین بخار ژنراتور را می چرخاند. ما برق را از ژنراتور دریافت می کنیم و در صورت لزوم برای نیازهای صنعتی (گرمایش، گرمایش) از توربین بخار می گیریم.

و در نصب توربین گاز، گاز توربین گازی را می سوزاند و می چرخاند که برق تولید می کند و گازهای خروجی آب را به بخار در دیگ بخار حرارتی زباله تبدیل می کند. گاز با سود مضاعف کار می کند: ابتدا می سوزد و توربین را می چرخاند، سپس آب را در دیگ گرم می کند.

و اگر خود نصب توربین گاز با جزئیات بیشتری نشان داده شود، به این صورت خواهد بود:

این ویدئو به وضوح نشان می دهد که چه فرآیندهایی در یک کارخانه توربین گاز رخ می دهد.

اما اگر بخار حاصل کار کند، سود بیشتری خواهد داشت - آن را در یک توربین بخار قرار دهید تا یک ژنراتور دیگر کار کند! سپس واحد توربین گاز ما به یک واحد بخار-گاز (SGU) تبدیل خواهد شد.

در نتیجه، PSU مفهوم گسترده تری است. این تاسیسات یک واحد قدرت مستقل است که در آن یک بار سوخت و دو بار برق تولید می شود: در یک واحد توربین گاز و در یک توربین بخار. این چرخه بسیار کارآمد است و بازدهی در حدود 57 درصد دارد! این یک نتیجه بسیار خوب است که به شما امکان می دهد مصرف سوخت را به میزان قابل توجهی در هر کیلووات ساعت برق کاهش دهید!

در بلاروس، برای افزایش راندمان نیروگاه‌ها، از واحدهای توربین گازی به‌عنوان «روبنا» برای طرح نیروگاه حرارتی موجود استفاده می‌شود و واحدهای توربین گازی سیکل ترکیبی در نیروگاه‌های منطقه دولتی به‌عنوان واحدهای نیرو مستقل ساخته می‌شوند. این توربین‌های گازی که در نیروگاه‌ها کار می‌کنند، نه تنها «شاخص‌های فنی و اقتصادی پیش‌بینی‌شده» را افزایش می‌دهند، بلکه مدیریت تولید را نیز بهبود می‌بخشند، زیرا مانورپذیری بالایی دارند: سرعت راه‌اندازی و تولید برق.

این توربین های گازی چقدر مفید هستند!

واحدهای توربین گاز (GTU)

فرآیند کار GTU نیروگاه های توربین گاز مدرن از چرخه ای با احتراق در p = const استفاده می کنند (شکل 6.5).

یک واحد توربین گاز معمولاً شامل یک محفظه احتراق، یک توربین گاز، یک کمپرسور هوا، مبدل‌های حرارتی برای اهداف مختلف (کولرهای هوا، خنک‌کننده‌های روغن برای سیستم روغن‌کاری، مبدل‌های حرارتی احیاکننده) و دستگاه‌های کمکی (پمپ‌های روغن، عناصر تامین آب و غیره است. .).

سیال کار توربین گاز محصولات احتراق سوخت است که عبارتند از گاز طبیعی، گازهای مصنوعی با تصفیه خوب (کوره بلند، کوره کک، ژنراتور) و سوخت مایع توربین گاز ویژه (روغن موتور دیزل تصفیه شده و روغن خورشیدی).

مخلوط کار در محفظه احتراق آماده می شود. حجم آتش محفظه (شکل 20.9) به یک منطقه احتراق، که در آن احتراق سوخت در دمای حدود 2000 درجه سانتیگراد رخ می دهد، و یک منطقه اختلاط، که در آن هوا با محصولات احتراق مخلوط می شود تا دمای آنها به 750 کاهش یابد، تقسیم می شود. -1090 درجه سانتیگراد در توربینهای ثابت و تا 1400 درجه سانتیگراد - در توربینهای هواپیما.

اصل عملکرد توربین های گاز و بخار یکسان است، اما طراحی مسیر جریان توربین های گاز بسیار ساده تر است. آنها با یک افت حرارت نسبتاً کوچک در دسترس عمل می کنند و بنابراین تعداد مراحل کمی دارند.

به دلیل دمای بالای محصولات احتراق، قطعات جریان توربین (نازل ها، تیغه های روتور، دیسک ها، شفت ها) از فولادهای آلیاژی با کیفیت بالا ساخته می شوند. برای عملکرد قابل اعتماد، بیشتر توربین ها با خنک کننده فشرده ترین قسمت های محفظه و روتور ارائه می شوند.

در شرایط واقعی، تمام فرآیندها در نیروگاه های توربین گاز غیرتعادلی هستند که با تلفات کاری در توربین و کمپرسور و همچنین با مقاومت آیرودینامیکی در مسیر کارخانه توربین گاز همراه است. در شکل 20.10، فرآیند فشرده سازی واقعی در کمپرسور توسط خط 1-2، و فرآیند انبساط در توربین توسط خط 3-4 به تصویر کشیده شده است. نقاط 2a و 4a به ترتیب وضعیت سیال عامل را در پایان تراکم و انبساط آدیاباتیک تعادل نشان می دهند، پارامترهای نقطه O - محیط. به دلیل افت فشار در مسیر مکش کمپرسور (خط 01)، فرآیند تراکم از نقطه 1 آغاز می شود.

بنابراین، کار زیادی برای فشرده سازی هوا در یک چرخه واقعی صرف می شود و هنگام انبساط گاز در یک توربین، در مقایسه با یک سیکل ایده آل، کار کمتری به دست می آید. راندمان چرخه کمتر است. هر چه درجه افزایش فشار π بیشتر باشد (یعنی p 2 بیشتر باشد)، مقدار بیشتراین تلفات در مقایسه با کار مفید. در مقدار معین π (هرچه بیشتر باشد، T 3 بیشتر و راندمان نسبی داخلی توربین و کمپرسور، یعنی هر چه تلفات در آنها کمتر باشد)، کار توربین می تواند برابر با کار صرف شده برای آن باشد. راندن کمپرسور و کار مفید- صفر

بنابراین، بیشترین بازده یک سیکل واقعی، بر خلاف یک چرخه ایده آل، در درجه معینی (بهینه) افزایش فشار به دست می آید، و هر مقدار Tz دارای π opt خاص خود است (شکل 20.11). راندمان ساده ترین توربین های گاز از 14 تا 18 درصد تجاوز نمی کند و برای افزایش آن، توربین های گازی با چند مرحله تامین گرما و خنک سازی میانی هوای فشرده و همچنین با گرمایش احیا کننده هوای فشرده ساخته می شوند. توسط گازهای خروجی پس از توربین، در نتیجه چرخه واقعی به چرخه کارنو نزدیکتر می شود.

GTU با بازیابی حرارت از گازهای دودکش. از گرمای گازهای خروجی از واحد توربین گاز می توان برای تولید بخار و آب گرم در مبدل های حرارتی معمولی استفاده کرد. بنابراین، تاسیسات GT-25-700 LMZ مجهز به بخاری هایی هستند که آب موجود در سیستم گرمایش را تا 150-160 درجه سانتیگراد گرم می کنند.

در عین حال، سطح نسبتاً بالای ضریب هوای اضافی در واحد توربین گاز امکان احتراق مقدار کافی سوخت اضافی در محیط محصولات احتراق را فراهم می کند. در نتیجه، گازهایی با دمای کافی بالا از محفظه احتراق اضافی پس از توربین گاز خارج می شوند که برای تولید بخار با پارامترهای انرژی در یک مولد بخار که مخصوص این منظور نصب شده است مناسب است. در نیروگاه ایالتی Karmanovskaya، یک دیگ بخار برای یک واحد با ظرفیت الکتریکی 500 مگاوات بر اساس این طرح ساخته می شود.

کاربرد واحدهای توربین گازی. در سال های اخیر، واحدهای توربین گازی به طور گسترده در زمینه های مختلف مورد استفاده قرار گرفته اند: در حمل و نقل، در بخش انرژی، برای راندن تاسیسات ثابت و غیره.

واحدهای توربین گاز قدرت. یک توربین گاز کوچکتر و سبکتر از توربین بخار است، بنابراین در هنگام راه اندازی بسیار سریعتر تا دمای کار گرم می شود. محفظه احتراق تقریباً فوراً وارد کار می شود، برخلاف دیگ بخار، که به گرم کردن آهسته طولانی مدت (چند ساعت یا حتی ده ها ساعت) نیاز دارد تا از حادثه ناشی از انبساط حرارتی ناهموار، به ویژه یک درام عظیم جلوگیری شود. با قطر تا 1.5 متر، طول تا 15 متر، با ضخامت دیواره بیش از 100 میلی متر.

بنابراین، واحدهای توربین گاز در درجه اول برای پوشش بارهای اوج و به عنوان یک ذخیره اضطراری برای نیازهای خود سیستم های قدرت بزرگ، زمانی که واحد نیاز به بهره برداری بسیار سریع دارد، استفاده می شود. راندمان پایین تر واحد توربین گاز در مقایسه با PSU نقشی در این مورد ندارد، زیرا تاسیسات برای مدت زمان کوتاهی کار می کنند. چنین نیروگاه های توربین گازی با شروع مکرر (تا 1000 در سال) با تعداد نسبتاً کمی ساعت استفاده (از 100 تا 1500 ساعت در سال) مشخص می شوند. محدوده ظرفیت واحد چنین توربین های گازی از 1 تا 100 مگاوات است.

توربین های گازی همچنین برای به حرکت درآوردن یک ژنراتور الکتریکی و تولید برق در تاسیسات متحرک (به عنوان مثال، در کشتی های دریایی) استفاده می شود. چنین توربین های گازی معمولاً در محدوده بار 30 تا 110 درصد بار نامی با شروع و توقف مکرر کار می کنند. ظرفیت واحد چنین توربین های گازی از ده ها کیلووات تا 10 مگاوات متغیر است. توسعه سریع نیروگاه‌های هسته‌ای با راکتورهایی که برای مثال با هلیوم خنک می‌شوند، چشم‌انداز استفاده از نیروگاه‌های توربین گازی تک مداری را که در یک چرخه بسته کار می‌کنند (سیال عامل نیروگاه را ترک نمی‌کند) باز می‌کند.

گروه خاصی از توربین‌های گاز قدرت شامل تاسیساتی است که در طرح‌های فناوری شیمیایی، پالایش نفت، متالورژی و سایر نیروگاه‌ها (فناوری انرژی) کار می‌کنند. آنها در حالت بار پایه کار می کنند و اغلب برای به حرکت درآوردن کمپرسوری طراحی شده اند که فرآیند فن آوری را با هوا یا گاز فشرده با استفاده از انرژی انبساط گازهای تولید شده در نتیجه خود فرآیند تکنولوژیکی تامین می کند.

توربین های گاز محرک به طور گسترده ای برای به حرکت درآوردن سوپرشارژرهای گاز طبیعی گریز از مرکز در ایستگاه های کمپرسور خطوط لوله اصلی و همچنین پمپ های انتقال نفت و فرآورده های نفتی و دمنده ها در نیروگاه های سیکل ترکیبی استفاده می شود. توان مفید چنین توربین های گازی بین 2 تا 30 مگاوات است.



توربین های گاز ترابری به طور گسترده ای به عنوان موتورهای اصلی و پس سوز برای هواپیماها (توربوجت و توربوپراپ) و شناورهای دریایی استفاده می شوند. این به دلیل امکان به دست آوردن ارقام رکورد برای قدرت خاص و ابعاد کلیدر مقایسه با انواع دیگر موتورها، با وجود هزینه سوخت کمی بالاتر. توربین های گازی به عنوان موتورهای لوکوموتیو بسیار امیدوارکننده هستند، زیرا ابعاد کوچک و کمبود آب مورد نیاز آنها بسیار ارزشمند است. توربین های گاز حمل و نقل در طیف وسیعی از بارها کار می کنند و برای تقویت کوتاه مدت مناسب هستند.

توان واحد یک واحد توربین گاز هنوز از 100 مگاوات تجاوز نمی کند و راندمان نصب 27-37٪ است. با افزایش دمای اولیه گاز تا 1200 درجه سانتیگراد، توان واحد توربین گاز به 200 مگاوات و راندمان نصب به 38-40 درصد افزایش می یابد.

که در سال های گذشته(تقریباً از دهه 50 قرن گذشته)، توربین های گازی به طور گسترده در نیروگاه های حرارتی برای به حرکت درآوردن ژنراتورهای الکتریکی مورد استفاده قرار گرفتند.

واحدهای توربین گاز (GTU) می توانند با احتراق سوخت در فشار ثابت (شکل 6.1) و در حجم ثابت (شکل 6.2) کار کنند. چرخه‌های ایده‌آل متناظر آنها به چرخه‌هایی تقسیم می‌شوند که گرمای آن در فشار ثابت و حجم ثابت به فرآیند عرضه می‌شود.

برنج. 6.1. طرح یک واحد توربین گاز با احتراق سوخت در فشار ثابت: 1 - توربوشارژر؛ 2 - توربین گازی؛ 3 - پمپ سوخت؛ 4 - محفظه احتراق؛ 5 - انژکتور سوخت;

6 - منطقه فعال محفظه احتراق

شکل 6.2. طرح یک واحد توربین گاز با احتراق سوخت در حجم ثابت: 5 B, 7 - دریچه های سوخت، هوا و گاز به ترتیب; 8 - دستگاه احتراق؛ 9 - گیرنده؛ سایر نامگذاری ها مانند شکل 1 است. 6.1

در عمل، واحدهای توربین گاز با چرخه باز (باز) با احتراق سوخت (با گرمای عرضه شده به سیال کار) در فشار ثابت و به دنبال آن انبساط مخلوط محصولات احتراق با هوا در قسمت جریان توربین (چرخه برایتون) ) گسترده شده اند (شکل 6.6 را ببینید).

در یک کارخانه توربین گاز با احتراق سوخت در فشار ثابت، فرآیند احتراق به طور مداوم انجام می شود (به بند 6.2 مراجعه کنید)، و در یک کارخانه توربین گاز با احتراق سوخت در حجم ثابت، فرآیند احتراق دوره ای (تپشی) است. در یک کمپرسور فشرده شده است 1 هوا (نگاه کنید به شکل 6.2) به گیرنده عرضه می شود 9 (ظرفیت بزرگ برای یکسان کردن فشار)، از آنجا از طریق دریچه هوا 6 وارد محفظه احتراق می شود 4. اینجا پمپ بنزین است 3 از طریق سوپاپ سوخت 5 سوخت تامین می شود. فرآیند احتراق با بسته بودن دریچه های سوخت، هوا و گاز انجام می شود 5, 6, 7. احتراق مخلوط هوا و سوخت توسط دستگاه انجام می شود 8 (جرقه الکتریکی). پس از احتراق سوخت در نتیجه افزایش فشار در محفظه 4 دریچه گاز 7 باز می شود، محصولات احتراق با عبور از دستگاه های نازل (در شکل 6.2 نشان داده نشده است)، وارد پره های کار می شوند و روتور توربین گاز را می چرخانند. 2.

سیال کار یک توربین گاز عمدتاً محصولات احتراق گازی سوخت آلی مخلوط با هوا است. سوخت مورد استفاده گاز طبیعی، گازهای مصنوعی به خوبی تصفیه شده و سوخت مایع مخصوص توربین گاز (موتور دیزل تصفیه شده و روغن دیزل) است.

ویژگی عملکرد توربین گاز این است که تنها بخشی (20-40٪) از هوای تامین شده توسط کمپرسور به منطقه فعال محفظه احتراق وارد می شود و در فرآیند احتراق سوخت در دمای حدود 1500 شرکت می کند. -1600 درجه سانتی گراد بقیه هوا (60-80٪) برای کاهش دمای گازهای جلوی توربین به 1000-1300 درجه سانتیگراد (برای یک توربین گاز ثابت) با توجه به شرایط اطمینان و دوام عملکرد در نظر گرفته شده است. دستگاه تیغه آن، که با افزایش بیش از حد هوا در گازهای جلوی توربین و برای GTU همراه است. و g با افزایش دمای اولیه سیال کار در جلوی توربین گاز و در تاسیسات مختلف 5-2.5 کاهش می یابد. راندمان یک واحد توربین گاز به طور قابل توجهی کمتر از راندمان واحد توربین بخار در چرخه بخار است که به دلیل وجود کمپرسور هوا است که توان مصرفی آن 40 تا 50 درصد توان توربین گاز است.

یک توربین گاز کوچکتر و سبکتر از یک توربین بخار است، بنابراین، در هنگام راه اندازی، بر خلاف یک واحد توربین بخار مجهز به دیگ بخار، که به گرمایش آهسته (ده ها ساعت) نیاز دارد، بسیار سریعتر گرم می شود. برای جلوگیری از تصادف ناشی از انبساط حرارتی ناهموار، به ویژه یک درام عظیم.

به دلیل قدرت مانور زیاد (راه اندازی و بارگذاری سریع)، واحدهای توربین گاز در بخش انرژی، عمدتاً برای پوشش بارهای پیک و به عنوان ذخیره اضطراری برای نیازهای خود سیستم های قدرت بزرگ استفاده می شوند. راندمان پایین تر یک توربین گاز در مقایسه با نیروگاه بخار (SPU) در این مورد نقش جزئی ایفا می کند. چنین توربین های گازی با شروع مکرر (تا 1000 در سال) با تعداد نسبتاً کمی ساعت استفاده (100-1500 ساعت در سال) مشخص می شوند.

انواع توربین‌های گازی، تاسیساتی هستند که توسط یک ژنراتور الکتریکی از یک موتور احتراق داخلی (نیروگاه‌های دیزل) هدایت می‌شوند، جایی که مانند توربین‌های گاز، گاز طبیعی یا سوخت مایع با کیفیت بالا به عنوان سوخت استفاده می‌شود. این در حالی است که نیروگاه های دیزلی که در کشورهای خاورمیانه رواج یافته اند، از نظر توان واحد در مقایسه با واحدهای توربین گازی پایین تر هستند، اگرچه بازده بالاتری دارند.

بهره وری از ساده ترین توربین های گاز قدرت (شکل 6.3) در 50-60s. قرن XX 14-18٪ بود. در حال حاضر، به منظور افزایش راندمان نیروگاه های توربین گاز، با چندین مرحله تامین حرارت و خنک سازی میانی هوای فشرده و همچنین با گرمایش احیا کننده هوای فشرده شده در کمپرسور توسط گازهای خروجی در توربین ساخته می شوند. بدین ترتیب چرخه واقعی به چرخه کارنو نزدیکتر می شود و راندمان کارخانه توربین گاز تا 27 تا 37 درصد می رسد.

راندمان واحدهای توربین گاز به دلیل افزایش هزینه های انرژی برای نیازهای شخصی، از جمله درایو کمپرسور، محدود به دمای اولیه سیال کار (1100-1300 درجه سانتیگراد و بالاتر برای واحدهای توربین گازی نسل پنجم) و توان واحد است. در حال حاضر حذف اولین محدودیت دشوار است. محدودیت دوم را می توان حذف کرد اگر به جای یک عامل کم آنتالپی (مخلوطی از محصولات احتراق با هوا)، یک عامل کار با آنتالپی بالا در همان دمای اولیه به توربین عرضه شود. بیشتر اوقات، بخار آب به محصولات احتراق اضافه می شود. توربین های گازی که با سیالات کاری متشکل از مخلوطی از بخار آب و گازها یا با استفاده از گازها و بخار به طور جداگانه در مدار حرارتی کار می کنند نامیده می شوند. گیاهان سیکل ترکیبی (PGU)، و چرخه های آنها - گاز بخاراولین PSU ها نامیده می شوند موناریو دوم - دودویی .

در طول توسعه تأسیسات با سیالات کاری جداگانه، چندین طرح حرارتی آزمایش شدند. موثرترین طرحی بود که در آن چرخه بخار در رابطه با چرخه گاز کاملاً بازیافت می شود. چنین تاسیساتی نامیده می شود بازیافت PGU یا PGU-U. در یک واحد CCGT بازیافت، قسمت بخار نصب بدون مصرف سوخت اضافی کار می کند. با توجه به دمای اولیه بالای چرخه (بیش از 1000-1300 درجه سانتیگراد)، چنین CCGT می تواند بازدهی بیش از 60٪ داشته باشد که به طور قابل توجهی بالاتر از یک کارخانه توربین بخار معمولی و یک واحد توربین گاز جداگانه است. . مهمترین عاملافزایش راندمان یک نیروگاه CCGT استفاده از محصولات احتراق سوخت به عنوان سیال عامل در منطقه است. دمای بالا(در یک توربین گاز) و بخار آب در منطقه دمای پایین (در یک توربین بخار).

واحدهای توربین گاز نوع باز از نظر توان واحد نسبت به واحدهای توربین بخار پایین‌تر هستند، راندمان پایین‌تری دارند، در کارکرد دوام کمتری دارند و از نظر درجه‌بندی سوخت تقاضای بیشتری دارند. توسعه بیشتر نیروگاه های توربین گاز با هدف افزایش توان، راندمان، قابلیت اطمینان و دوام واحد آنها است که عمدتاً با پیشرفت در زمینه ایجاد مواد مقاوم در برابر حرارت و توسعه تعیین می شود. راه های موثرخنک کردن مسیر جریان توربین های گازی



 

شاید خواندن آن مفید باشد: