Energija gtu. Načelo delovanja gtu

Trenutno je v Rusiji več tisoč termoelektrarn in državnih daljinskih elektrarn ter več kot 66 tisoč kotlovnic, ki zagotavljajo skoraj 80% proizvedene toplote. V tem pogledu je Rusija nesporno vodilna v svetu glede daljinskega ogrevanja. Upoštevajte, da je Rusija v smislu centralizacije vodilna v svetu ne le na področju energetike.
Vendar pa strokovnjaki ugotavljajo neučinkovitost uporabe plina pri zastarelih enotah, pa tudi nizko stopnjo učinkovitosti tradicionalnih parnih turbin, ki ne presega 38%. Toplota se proizvaja v centraliziranih omrežjih večinoma na opremi preteklih generacij, medtem ko presežna toplota "segreje" zrak.
Uporaba lokalnih sistemov za proizvodnjo električne in toplotne energije z uporabo plinske turbinske elektrarne (GTP) ki deluje na zemeljski plin ali propan je eden izmed možne rešitve to nalogo.
V zvezi s tem se je pojavil trend izgradnje decentraliziranih kombiniranih virov oskrbe z električno in toplotno energijo (t.i. kogeneracijski način), vgrajene tako v obstoječe ogrevalne kotlovnice kot na novozgrajene vire toplote. Najnujnejši je prehod na nove male objekte s sodobnimi plinskimi turbinami, ki zagotavljajo soproizvodnjo.

V razvitih državah se povečuje delež malih elektrarn s soproizvodnim ciklom, ki omogoča optimizacijo proizvodnje toplote in električne energije iz družbene in industrijske infrastrukture ter zagotavlja učinkovito varčevanje z energijo. Na primer, v ZDA in Združenem kraljestvu delež soproizvodnje v majhni proizvodnji električne energije doseže 80%, na Nizozemskem - 70%, v Nemčiji - 50%. V tujini ta proces država aktivno podpira tako z zakonodajno ureditvijo kot s proračunskim financiranjem.
Osnova ekonomske učinkovitosti plinskoturbinskih kogeneracijskih elektrarn je njihov visok električni in toplotni izkoristek, dosežen zaradi osnovnega načina delovanja na odjem toplote (ogrevanje, oskrba s toplo vodo, oskrba s toploto za proizvodne potrebe).
Plinske turbine so zdaj v energetskem sektorju priznane kot popolnoma obvladana in zanesljiva oprema.
Obratovalne zmogljivosti plinskih turbin v elektrarnah so na enaki ravni kot tradicionalne močnostna oprema. Zanje je značilna pripravljenost za delovanje v 90% koledarskega časa, 2-3 letni cikel popravila, zanesljivost zagona 95-97%.
Majhna specifična teža, kompaktnost, enostavnost transporta in enostavnost namestitve so med glavnimi prednostmi plinskoturbinskih naprav, ki so najbolj privlačne z vidika njihove uporabe.
Prednosti GTU vključujejo tudi kratek čas gradnje, povečanje zanesljivosti oskrbe potrošnikov s toploto in električno energijo, minimalna količina škodljivih emisij v okolje, zmanjšanje vztrajnosti toplotne regulacije in izgub v toplotnih omrežjih, glede na omrežja, povezana z velikimi RTS in SPTE.

Opis tehnologija plinskih turbin .
Osnova plinske turbine je plinski generator, ki služi kot vir stisnjenih vročih produktov zgorevanja za pogon energetske turbine.
Plinski generator je sestavljen iz kompresorja, zgorevalne komore in pogonske turbine kompresorja. Stisnjen v kompresorju atmosferski zrak, ki vstopi v zgorevalno komoro, kjer se skozi šobe dovaja gorivo (običajno plin), nato pa gorivo zgori v zračnem toku. Produkti izgorevanja se dovajajo v kompresorsko turbino in močnostno turbino (v različici z eno gredjo sta kompresor in močnostna turbina združena).Moč, ki jo razvije močnostna turbina, znatno presega moč, ki jo kompresor porabi za stiskanje zraka, pa tudi premagovanje trenja v ležajih in moči, porabljene za pogon pomožnih enot. Razlika med temi vrednostmi je koristna moč plinske turbine.

Na turbinski gredi je nameščen turbinski generator (električni generator).
Plini, ki nastajajo v plinski turbini, gredo skozi izpušno napravo in dušilec zvoka v dimnik. Rekuperacija toplote izpušnih plinov je mogoča, ko izpušni plini vstopijo v kotel na odpadno toploto, v katerem nastaja toplotna energija v obliki pare in/oz. topla voda. Paro ali vročo vodo iz kotla za odpadno toploto lahko neposredno prenesemo do porabnika toplote.
Električni izkoristek sodobnih plinskoturbinskih naprav je 33–39 %. Vendar pa je ob upoštevanju visoke temperature izpušnih plinov v močnih plinskoturbinskih napravah možno kombinirati uporabo plinskih in parnih turbin. Takšen inženirski pristop omogoča znatno povečanje učinkovitosti porabe goriva in povečanje električne učinkovitosti enot do 57–59%.

Prednosti plinskoturbinskih naprav so majhna specifična teža, kompaktnost, enostavnost transporta in enostavna montaža. Dovoljeno je namestiti plinsko turbinsko enoto v tehničnem nadstropju stavbe ali strešno ureditev plinskoturbinskih enot majhne moči. to uporabna lastnina GTP je pomemben dejavnik urbanega razvoja.
Med delovanjem plinskoturbinskih naprav je vsebnost škodljivih emisij NOx in CO v izpušnih plinih minimalna. Tako odlične okoljske lastnosti omogočajo brez težav postavitev plinskih turbinskih elektrarn v neposredno bližino domovanja ljudi.

Poleg tega so plinske turbine z majhno zmogljivostjo običajno dobavljene kot ena ali več montažnih enot, ki zahtevajo malo namestitvenih del, njihova relativno majhna velikost pa omogoča njihovo namestitev v utesnjenih pogojih. glavni načrt. Od tod relativna poceni gradbena in inštalacijska dela.
Plinske turbinske naprave imajo rahle tresljaje in hrup v območju 65–75 dB (kar na lestvici ravni hrupa ustreza zvoku sesalnika na razdalji 1 metra). Praviloma posebna zvočna izolacija za tako visokotehnološko proizvodno opremo ni potrebna.
Sodobne plinske turbine so zelo zanesljive. Obstajajo dokazi o neprekinjenem delovanju nekaterih enot več let. Številni dobavitelji plinskih turbin proizvajajo remont opreme na licu mesta, zamenjava posameznih enot brez prevoza do proizvajalca, kar bistveno zniža stroške servisiranja enote.
Večina plinskoturbinskih naprav ima možnost preobremenitve, tj. povečanje moči nad nominalno. To se doseže s povečanjem temperature delovne tekočine.
Vendar pa proizvajalci nalagajo stroge omejitve glede trajanja takšnih režimov, kar omogoča delovanje s presežkom začetne temperature največ nekaj sto ur. Kršitev teh omejitev znatno skrajša življenjsko dobo namestitve.

Žlico katrana.
Težave pa so pri uvajanju plinskoturbinskih elektrarn. To je najprej potreba po predkompresiji plinskega goriva, ki opazno poveča stroške proizvodnje energije, zlasti pri majhnih plinskih turbinah, v nekaterih primerih pa je pomembna ovira za njihovo uvedbo v energetski sektor. Za sodobne plinske turbine z visoke stopnje kompresijo zraka, lahko zahtevani tlak gorivnega plina preseže 25-30 kg/cm 2 .
drugo pomembna pomanjkljivost GTU je močan padec učinkovitosti z zmanjšanjem obremenitve.
Življenjska doba plinske turbine je veliko krajša od življenjske dobe drugih elektrarn in je običajno v območju 45-125 tisoč ur.

Zgodovinsko gledano so bili pionirji v razvoju tehnologije plinskih turbin ustvarjalci motorjev za ladje in letala. Zato so trenutno nabrali največ izkušenj na tem področju in so najbolj usposobljeni strokovnjaki.
V Rusiji vodilne položaje v proizvodnji plinskoturbinskih elektrarn zasedajo podjetja, ki razvijajo in proizvajajo letalske plinskoturbinske motorje in plinskoturbinske naprave, zasnovane posebej za uporabo energije:
- JSC Lyulka-Saturn(mesto Moskva),
- OJSC "Rybinsk Motors"(Ribinsk),
oba sta vključena v NPO Saturn,
- NPP jih. V.Ya. Klimov(Saint Petersburg),
- FSUE MMPP Salyut(mesto Moskva),
in drugi

V letih 2004-2006 v Moskvi s sodelovanjem OAO Saturn - plinske turbine Izvedena je bila izgradnja in obratovanje eksperimentalnih plinskoturbinskih enot (GTP) na RTS "Kuryanovo" in RTS "Penyagino". Glavna naloga uporabe plinskih turbin je zagotoviti neodvisno oskrbo stanovanjskih in komunalnih storitev z električno in toplotno energijo. Obe RTS sta bili opremljeni s po dvema plinskoturbinskima enotama. GTA-6RM z močjo enote 6 MW. GTA-6RM je ena glavnih vrst zemeljskih izdelkov NPO Saturn.
Plinske turbinske enote GTA-6RM so sestavljene na osnovi serijskih, relativno poceni, letalski motorji D-30KU/KP, ki so se izkazali za najbolj zanesljiv motor v Rusiji, ki se uporablja na serijsko proizvedenih letalih IL-62M, TU-154M in IL-76. Skupni čas delovanja teh motorjev je presegel 36 milijonov ur.
Agregati so izdelani v blokovno-modularni in delavniški (postajni) izvedbi in lahko delujejo posamično ali v kombinaciji s turbinskimi generatorji različnih serij z enakimi zmogljivostnimi lastnostmi, toplovodnimi ali parnimi kotli na odpadno toploto.
Leta 2005 je bil GTA-6RM med 100 najboljše blago V Rusiji je uradno dobil status "Ponosa domovine".

Poskus je pokazal, da uporaba plinskih turbin v sistemu RTS omogoča povečanje zanesljivosti pri oskrbi s toploto mestnega gospodarstva in stanovanjskega sektorja prestolnice s podvajanjem in redundanco obstoječih sistemov za vzdrževanje življenja ter povečanje energetska varnost urbanega gospodarstva.

In moram reči, da je moskovska vlada resno stavila na množično uporabo plinskih turbin v energetskem kompleksu prestolnice.
Tukaj so odlomki iz resolucije z dne 29. decembra 2009 N 1508-PP "O shemi oskrbe s toploto za mesto Moskva za obdobje do leta 2020."
Prednostna smer Razvoj oskrbe s toploto v mestu Moskva za obdobje do leta 2020 je uvedba tehnologije kombinirane proizvodnje toplote in električne energije z dodatno vključitvijo ogrevalnega vira in pokrivanjem toplotnih in električnih obremenitev potrošnikov v mestu z novimi. plinske turbinske elektrarne.
....................................
Nadaljnji razvoj sistema oskrbe s toploto mora temeljiti na:
.............................................
- namestitev v elektrarnah avtonomnih proizvodnih virov ( plinske turbine) za zagon elektrarne v primeru izgube komunikacije z elektroenergetskim sistemom in avtonomnega napajanja vršnih toplovodnih kotlov v zasilnih načinih.

Doslej smo govorili samo o sami plinski turbini, ne

* * sprašuje, od kod prihaja plin, ki ga poganja.

Delovna para vstopa v parno turbino iz parnega kotla. Katere naprave so potrebne za napajanje plinske turbine z delovnim plinom?

Za delovanje plinske turbine je potreben plin z veliko zalogo energije. Energija plina - njegova sposobnost opravljanja mehanskega dela pod določenimi pogoji - je odvisna od tlaka in temperature. Bolj kot je plin stisnjen in višja kot je njegova temperatura, več mehanskega dela lahko opravi pri svojem širjenju. To pomeni, da je za delovanje turbin potreben stisnjen in segret plin. Iz tega je jasno, katere naprave je treba vključiti v plinskoturbinsko napravo (ali plinskoturbinski motor). To je, prvič, naprava za stiskanje zraka, in drugič, naprava za ogrevanje.

In tretjič, sama plinska turbina, ki pretvarja notranjo energijo stisnjenega in segretega plina v mehansko delo.

Stiskanje zraka je težka naloga. To je veliko težje izvesti kot dovajanje tekočega goriva v zgorevalno komoro. Na primer, za dovajanje enega kilograma kerozina na sekundo v zgorevalno komoro s tlakom 10 atmosfer je potrebno porabiti približno 2 konjski moči, za stiskanje enega kilograma zraka na sekundo na 10 atmosfer pa približno 400 konjskih moči. In v napravah s plinskimi turbinami en kilogram kerozina predstavlja približno 60 kilogramov zraka.

To pomeni, da je treba za dovod zraka v zgorevalno komoro s tlakom 10 atmosfer porabiti 12 tisočkrat več energije kot za dovod tekočega goriva.

Za stiskanje zraka se uporabljajo posebni stroji, imenovani superpolnilniki ali kompresorji. Za svoje delo potrebno mehansko energijo prejemajo od same plinske turbine. Kompresor in tour-

Kompresor Bezhy.

kompresor.

Zabojniki so nameščeni na eni gredi, turbina med delovanjem daje del svoje moči zračnemu kompresorju.

V plinskih turbinah se uporabljata dve vrsti kompresorjev: centrifugalni in aksialni.

Centrifugalni kompresor (slika 6), kot že ime pove, uporablja centrifugalno silo za stiskanje zraka. Takšen kompresor je sestavljen iz vstopne cevi, skozi katero v kompresor vstopa zunanji zrak; disk z delovnimi rezili, ki se pogosto imenuje rotor (slika 7); tako imenovani difuzor, v katerega vstopa zrak, ki zapušča rotor, in odvodne cevi, ki odvajajo stisnjen zrak do cilja, na primer v zgorevalno komoro plinske turbine.

Zrak, ki vstopa v centrifugalni kompresor, poberejo lopatice hitro vrtečega rotorja in se pod delovanjem centrifugalne sile vržejo od središča proti obodu. Ko se premika po kanalih med rezili in se vrti z diskom, ga stisnejo centrifugalne sile. Čim hitreje se vrti rotor, tem večja je kompresija zraka. V sodobnih kompresorjih doseže obodna hitrost rotorja 500 metrov na sekundo. V tem primeru je zračni tlak na izstopu iz rotorja približno 2,5 atmosfere. Razen visok krvni pritisk, zrak, ki prehaja med lopatice, pridobi visoko hitrost, ki je po velikosti blizu obodne hitrosti rotorja. Nato se zrak spusti skozi difuzor - kanal, ki se postopoma širi. Pri premikanju skozi takšen kanal se hitrost zraka zmanjša, tlak pa se poveča. Na izhodu iz difuzorja ima zrak običajno tlak okoli 5 atmosfer.

Centrifugalni kompresorji so enostavni. Imajo majhno težo, z njimi lahko delujejo relativno učinkovito različne številke hitrost gredi in pretok zraka. Te lastnosti so zagotovile njihovo široko uporabo v tehnologiji. Vendar centrifugalni kompresorji nimajo dovolj visoke učinkovitosti - le 70-75%. Zato se v napravah s plinskimi turbinami, kjer se veliko energije porabi za stiskanje zraka, pogosteje uporabljajo aksialni kompresorji. Njihova učinkovitost je višja, doseže 85-90%. Toda po svoji zasnovi je aksialni kompresor bolj zapleten kot centrifugalen in ima večjo težo.

Aksialni kompresor je sestavljen iz več rotorjev, togo nameščenih na gredi in nameščenih v kanalu, skozi katerega se premika zrak. Vsak rotor je disk z rezili na robu. Ko se tekač hitro vrti, lopatice stisnejo zrak, ki gre skozi kanal, in povečajo njegovo hitrost.

Za vsakim rotorjem je nameščena ena vrsta fiksnih lopatic - vodilna lopatica, ki dodatno poveča zračni tlak in curku pove želeno smer.

Tekač z vrsto fiksnih vodilnih lopatic za njim se imenuje stopnja kompresorja. Ena stopnja aksialnega kompresorja poveča zračni tlak za približno 1,3-krat. Za doseganje večjega tlaka se uporabljajo aksialni kompresorji z več stopnjami. Za doseganje visokih tlakov se uporabljajo aksialni kompresorji.

riž. 8. Rotor petnajststopenjskega aksialnega kompresorja.

14, 16 in več korakov. V večstopenjskih aksialnih kompresorjih lopatice rotorja včasih niso nameščene na ločenih diskih, temveč na skupni votli gredi, tako imenovanem bobnu. Vrtljivi del kompresorja (boben z vrstami lopatic ali rotorjev, nameščenih na gredi) se imenuje rotor (slika 8), fiksne vodilne lopatice, nameščene na ohišju kompresorja, pa se imenujejo njegov stator.

Aksialni kompresor je dobil ime, ker se zrak giblje vzdolž svoje osi, za razliko od centrifugalnega kompresorja, pri katerem se zrak giblje v radialni smeri.

Zrak, stisnjen v kompresorju na visok tlak, se dovaja v zgorevalno komoro. Pri tem se v zračni tok skozi razpršilne šobe vbrizga tekoče gorivo, ki se vžge na enak način kot pri motorjih. notranje zgorevanje- s pomočjo električne sveče. Vžigalna svečka deluje le ob zagonu motorja. Nadaljnje zgorevanje poteka neprekinjeno. Hkrati poudarja veliko število toplota. Pri zgorevanju enega kilograma kerozina se sprosti 10.500 kalorij toplote.

Več toplote kot se sprosti pri zgorevanju goriva, višja je temperatura plinov na koncu zgorevalne komore. Če nanesemo 1 kilogram kerozina na 15 kilogramov zraka, bo temperatura plina dosegla približno 2500 °C. Pri tako visoki temperaturi plina bi bilo delovanje plinske turbine zelo učinkovito. Vendar pa material lopatic šobnega aparata in delovnih lopatic turbine ne prenese takšnega segrevanja. Najboljše sodobne toplotno odporne zlitine, ki se uporabljajo v letalskih plinskoturbinskih motorjih, omogočajo delovanje pri temperaturi plina približno 900 ° C. V turbinah, ki delujejo v elektrarnah, kjer je več dolgoročno storitev in cenejših zlitin, je dovoljena temperatura plina še nižja. Zato v zgorevalnih komorah plinskoturbinskih naprav pri

1 kilogram kerozina ali olja se dovaja s 50-80 kilogrami zraka. S tem razmerjem se na koncu zgorevalne komore vzpostavi temperatura plinov, ki jo dovoljuje trdnost lopatic.

Načrtovanje zgorevalne komore za plinske turbine je kompleksen znanstveni in tehnični problem. Za zgorevalno komoro so naložene številne stroge zahteve, od izpolnjevanja katerih je odvisna učinkovitost celotne naprave. Tukaj so najpomembnejše od teh zahtev. Najprej je treba zagotoviti popolno zgorevanje goriva. Če gorivo nima časa, da bi popolnoma izgorelo v zgorevalni komori, bo del njegove energije izgubljen zaman. Učinkovitost plinske turbine se bo zmanjšala. Poleg tega bo gorivo, ki ni imelo časa za izgorevanje v zgorevalni komori, začelo izgorevati med lopaticami turbine, kar bo povzročilo izgorevanje in zlom lopatic, to je nesreča. Prav tako je nemogoče dovoliti, da bi plin vstopil v turbino, namesto da bi imel enako temperaturo po celotnem preseku, na enem mestu na primer 600 ° C, na drugem pa 1200 °. Zato je treba zagotoviti dobro mešanje plinov pred izstopom iz komore, da se izključi možnost prodiranja posameznih "bakel" plina s povišano temperaturo v turbino. Nazadnje je treba stene zgorevalne komore dobro ohladiti, da jih zaščitimo pred pregorevanjem.

Za rešitev vseh teh težav je zračni tok v zgorevalnih komorah plinskoturbinskih motorjev razdeljen na dva dela (slika 9). Manjši del toka je usmerjen v notranji del komore - v tako imenovani plamenski cevi. Tam gorivo gori pri visoki temperaturi (visoka temperatura omogoča zadostno

popolno zgorevanje). Preostali zrak pri zgorevanju ne sodeluje. Z zunanje strani spere plamensko cev in jo ohladi. Nato se hladen zrak pomeša z vročimi plini. Za boljše mešanje v stenah cevi, velika številka majhne luknje, skozi katere se v majhnih količinah dovaja hladilni zrak in meša z vročimi plini. Zaradi tega dovoda hladilnega zraka je temperatura plina ob stenah nižja kot v središču plamenske cevi. To prispeva tudi k njegovi zaščiti pred izgorelostjo.

Zgorevalna komora plinske turbine se običajno nahaja med kompresorjem in turbino. S to ureditvijo gre tok plinov neposredno od vstopa v napeljavo do njenega izstopa. Toda v središču napeljave je gred, ki povezuje turbino s kompresorjem. Ta gred se ne sme zelo segreti, sicer bo njena trdnost padla. Zato je zgorevalna komora izdelana obročasto ali eno

Skupno komoro nadomesti 6-10 ločenih komor, ki se nahajajo v krogu okoli gredi.

Spoznali ste tri glavne dele plinske turbine: zračni kompresor, zgorevalno komoro in plinsko turbino. Na sl. 10 prikazuje diagram plinskoturbinskega motorja. Evo, kako to deluje.

Kompresor črpa zrak iz ozračja in ga stisne. Stisnjen zrak vstopa v zgorevalno komoro, kjer se zaradi zgorevanja goriva njegova temperatura dvigne za nekaj sto stopinj. Tlak plina

Ostaja približno konstantna. Zato se motorji tega tipa imenujejo plinskoturbinski motorji s stalnim zgorevalnim tlakom. Iz zgorevalne komore gre v turbino plin z visokim pritiskom in temperaturo ter zato z veliko zalogo energije. Tam poteka proces pretvorbe energije stisnjenega in segretega plina v koristno delo.

Plin deluje v turbini med ekspanzijo, to je, ko se njegov tlak zmanjša. V večini plinskih turbin je tlak plina znižan na atmosferski tlak. To pomeni, da v turbini poteka proces, vzvratno ki gre v kompresor.

Če bi bila temperatura zraka na izhodu iz kompresorja in na vhodu v turbino enaka, potem bi zrak v turbini, ko se razširi, opravil enako delo, kot je bilo porabljeno za njegovo stiskanje v kompresorju - pod pogojem, da ne bi bilo izgube energije zaradi trenja zraka in njegovega vrtinčenja. In ob upoštevanju teh izgub bi zrak opravil manj dela v turbini od dela, potrebnega za vrtenje kompresorja. Jasno je, da takšna ureditev ne bi bila koristna. Toda kompresor stisne hladen zrak in zelo vroč plin vstopi v turbino. Zato je delo ekspanzije plina 1,5-2 krat večje od tistega, ki je potrebno za kompresor. Na primer, če plinska turbina razvije moč 10.000 konjskih moči, potem je treba za vrtenje kompresorja, ki je nanjo priključen, porabiti približno 6.000 konjskih moči.

Sila. Preostalo prosto moč 4.000 konjskih moči lahko uporabimo za vrtenje električnega generatorja, ladijskega propelerja, letalskega propelerja ali katerega koli drugega mehanizma.

Za delovanje plinskoturbinskega motorja so potrebne številne pomožne enote: črpalke za gorivo, avtomatske naprave, ki uravnavajo njegovo delovanje, sistem za mazanje in hlajenje, krmilni sistem itd.

Za zagon plinskoturbinskega motorja je potrebno njegov rotor (slika 11) zavrteti do nekaj sto vrtljajev na minuto. Temu služi majhen pomožni motor, imenovan zaganjalnik. Za velike plinskoturbinske motorje so zaganjalnik pogosto majhni plinskoturbinski motorji velikosti 100 konjskih moči, včasih pa tudi več. Te zaganjalnike vrtijo majhni električni motorji, ki jih poganja baterija.

Ideja o možnosti uporabe pretoka vročih plinov - *** poziva k mehanskemu delu je nastala že zelo dolgo nazaj. Že pred 450 leti je veliki italijanski znanstvenik Leonardo da Vinci opisal kolo z rezili, nameščeno v dimniku nad ognjiščem. Pod vplivom pretoka plina se je tako kolo lahko vrtelo in poganjalo ražanj. Kolo Leonarda da Vincija lahko štejemo za prototip plinske turbine.

Leta 1791 je Anglež John Barber patentiral plinsko turbino. Glede na risbo, priloženo patentu, bi si lahko predstavljali, da naj bi naprava po besedah avtorja delovala na gorljiv plin, pridobljen z destilacijo trdnega ali tekočega goriva. Plin je bil črpan v rezervoar s pomočjo primitivnega kompresorja. Iz nje je vstopil v zgorevalno komoro, kjer se je pomešal z zrakom, ki ga dovaja drugi kompresor, in se vžgal. Produkti zgorevanja so prihajali iz komore na turbinsko kolo. Vendar ob takratni stopnji tehnološkega razvoja plinske turbine ni bilo mogoče izvesti. Prvo plinsko turbino je šele na koncu 19. stoletja ustvaril ruski izumitelj P. D. Kuzminski, ki je, kot smo že povedali, zgradil tudi prvo parno turbino za morska plovila.

Plinskoturbinski motor, zgrajen leta 1897 po projektu P. D. Kuzminskega, je bil sestavljen iz zračnega kompresorja, zgorevalne komore in radialne turbine (slika 12). Kuzminsky je uporabil vodno hlajenje zgorevalne komore. Voda je ohladila stene in nato vstopila v komoro. Dovod vode je znižal temperaturo in hkrati povečal maso plinov, ki so vstopali v turbino, kar naj bi povečalo učinkovitost naprave. Na žalost delo Kuzminskega ni naletelo na nobeno podporo carske vlade.

Po 7 letih, leta 1904, so v tujini zgradili plinsko turbino po projektu nemškega inženirja Stolza, vendar ni dobila praktične uporabe, saj je imela veliko pomanjkljivosti.

Leta 1906 sta francoska inženirja Armango in Lemal zgradila plinsko turbino z močjo 25 konjskih moči, nato pa še eno z močjo 400 konjskih moči. Učinkovitost te naprave je bila le 3 %.

Preizkusi prvih plinskoturbinskih enot so pokazali, da je za povečanje njihove učinkovitosti potrebno doseči znatno povečanje učinkovitosti kompresorja in turbine ter povečati

Temperatura plinov v zgorevalni komori. To je mnoge izumitelje spodbudilo k iskanju drugih zasnov plinskih turbin. Želeli so se znebiti kompresorja, da bi se izognili velikim izgubam energije pri stiskanju zraka. Toda turbina lahko deluje le, če je tlak plina v zgorevalni komori višji kot za turbino. V nasprotnem primeru plin ne bo stekel iz komore v turbino in ne bo poganjal njenega rotorja. Pri neprekinjenem zgorevalnem procesu v komori je uporaba kompresorja za dovajanje stisnjenega zraka neizogibna. Če pa naredite proces zgorevanja občasno, potem lahko zavrnete

Iz kompresorja ali uporabite kompresor, ki daje majhno količino zraka in zato porabi manj energije. Zrak se dovaja v takšno pulzirajočo komoro v času, ko v njej ni zgorevanja in je tlak zelo nizek. Po vstopu zraka in vbrizganju goriva se vstop v komoro zapre, pojavi se blisk. Ker je komora zaprta in se plini ne morejo razširiti, tlak v njej močno naraste. Ko plini stečejo iz komore v turbino, se vstopni ventil odpre in v komoro vstopi nov del zraka. Torej, z izvajanjem procesa zgorevanja pri konstantnem volumnu plinov, to je v zaprti komori, je mogoče povečati njihov tlak brez pomoči kompresorja.

Leta 1908 je ruski inženir V.V.

Karovodin je ustvaril eksperimentalni model takšne plinske turbine (slika 13). Komora je bila med zgorevanjem goriva zaprta s pomočjo posebnega ventila. Turbina je imela štiri zgorevalne komore, iz katerih je šel plin skozi štiri dolge šobe do rotorja. Med testiranjem je model razvil moč 1,6 konjskih moči; učinkovitost je bila le 3 %. Za industrijske aplikacije tudi ta turbina še ni bila dovolj dobra.

Nemški inženir Holz-wart je prav tako dolgo časa delal na ustvarjanju plinskih turbin s konstantno prostornino zgorevanja. Po njegovih projektih je bilo v letih 1914-1920
zgrajenih je bilo več turbin z močjo od 500 do 2000 konjskih moči. Vendar nobeden od njih ni bil primeren za industrijsko delovanje. Šele v tridesetih letih prejšnjega stoletja je švicarskemu podjetju Brown-Boveri uspelo izdelati več turbin s stalnim prostorninskim zgorevanjem, primernih za praktično delovanje. Trenutno je delo na takih turbinah skoraj popolnoma ustavljeno.

Naši znanstveniki so ubrali drugačno pot. Inženir

V. Kh. Abiants v svoji knjigi "Teorija letalskih plinskih turbin" piše o delih sovjetskih strokovnjakov:

»Ena glavnih zaslug sovjetskih znanstvenikov je, da so utemeljili izvedljivost in možnosti razvoja turbin s konstantnim zgorevalnim tlakom, medtem ko so tuji (zlasti nemški) inženirji plinskih turbin delali na področju turbin s konstantnim zgorevalnim volumnom. Ves poznejši razvoj plinskih turbin, vključno z letalskimi, je briljantno potrdil napovedi sovjetskih znanstvenikov, saj se je glavna pot razvoja plinskih turbin izkazala za pot ustvarjanja turbin s konstantnim tlakom zgorevanja.

Dela sovjetskih znanstvenikov so dokazala, da imajo lahko plinske turbine s stalnim zgorevalnim tlakom pri dovolj visoki temperaturi plina visok izkoristek.

Leta 1939 je profesor V. M. Makovski zgradil plinsko turbino s konstantnim zgorevalnim tlakom v Harkovski turbinski generatorski tovarni. Njegova moč je bila 400 kilovatov. Gred, disk in votle lopatice turbine smo hladili z vodo. Turbina Makovskega je bila zasnovana za delovanje na vnetljiv plin, pridobljen kot posledica podzemnega uplinjanja. črni premog. Namestili so ga in uspešno preizkusili v enem od rudnikov v Gorlovki.

Trenutno naše tovarne proizvajajo različne vrste visoko učinkovitih plinskih turbin.

Čeprav je plinska turbina po zasnovi enostavnejša od batnega motorja z notranjim zgorevanjem, je bilo za njeno izdelavo potrebno veliko raziskovalnega dela. Zato je bilo šele v našem času, na podlagi sodobnih dosežkov znanosti in tehnologije, mogoče ustvariti učinkovit plinskoturbinski motor.

Katere znanstvene probleme so morali rešiti znanstveniki, preden so omogočili ustvarjanje plinskih turbin?

Pri izdelavi plinske turbine si je bilo treba prizadevati za čim večjo uporabo energije plina, da bi zmanjšali njene izgube zaradi trenja in vrtinčenja. Visoka hitrost gibanja plina skozi turbino omogoča pridobivanje velike moči iz majhne naprave. Toda hkrati je takšna hitrost preobremenjena z nevarnostjo velikih izgub energije. Večja kot je hitrost tekočine ali plina, tem več izgube energija za trenje in nastajanje vrtincev.

Za izgradnjo plinskoturbinske naprave z visokim izkoristkom je bilo treba izbrati najugodnejše dimenzije, obliko in medsebojni položaj delov kompresorja in turbine. In za to je bilo treba preučiti gibanje plinov in ugotoviti, kako vplivajo na trdna telesa, ki jih obkrožajo. Preučevanje gibanja plina je bilo potrebno za razvoj številnih vej tehnologije.

Prva naloga znanstvenikov na tem področju je bila preučevanje gibanja plina pri relativno nizkih hitrostih, ko ta praktično ni stisnjen. Ker je gibanje nestisljivega plina podrejeno istim zakonom kot gibanje tekočine, se ta veja znanosti imenuje hidrodinamika (»hid« je grško za vodo).

Hkrati se je razvijala znanost o molekularni zgradbi plina, o procesih spreminjanja njegovega stanja pod vplivom tlaka in temperature. Imenuje se termodinamika (iz latinske besede "thermo" - toplota).

V procesu razvoja hidrodinamike je postalo potrebno upoštevati značilnosti plin, ki ga razlikuje od tekočine. In na podlagi hidrodinamike je nastala aerodinamika - veda o zakonitostih zračnega toka in toka zraka okoli teles. Istočasno je pojav parnih turbin spodbudil termodinamične znanstvenike k raziskovanju vprašanj, kot je pretok plinov in hlapov iz šob.

V procesu svojega razvoja, hidrodinamika in termodinamika, širi obseg preučevanih vprašanj, prodira globlje in globlje v bistvo fizikalni pojavi približevali drug drugemu. Tako se je pojavila nova veja znanosti - plinska dinamika, ki preučuje zakonitosti gibanja plina pri visokih hitrostih in toplotne procese, ki se pojavljajo v plinskem toku.

Ta znanost je služila kot teoretična osnova za razvoj plinskoturbinskih motorjev. Prvo temeljno delo na teoriji plinskih turbin so izvedli izjemni češki znanstvenik Stodola, sovjetski profesorji V. M. Makovsky, V. V. Uvarov in številni drugi znanstveniki.

Razvoj teoretičnih osnov tehnologije plinskih turbin in eksperimentalno delo na tem področju, ki se je začelo v mnogih državah sveta, je pokazalo, da je najpomembnejša naloga pri razvoju tovrstnih motorjev izboljšanje njihove pretočne poti, tj. motorja, skozi katerega teče plin: dovod zraka, kompresor, zgorevalna komora, turbine in šobe. Najprej je bilo vprašanje o razvoju teorije kompresorjev in turbin, ki jih pogosto imenujemo z istim izrazom "krilni stroji". Rešitve tega temeljnega problema so se lotili sovjetski znanstveniki. Na podlagi briljantnih del Eulerja, Bernoullija, Žukovskega, Chaplygina so sovjetski znanstveniki ustvarili teorijo plinskoturbinskih motorjev.

Izjemno dragocen prispevek k teoriji plinskoturbinskih motorjev je dal akademik B. S. Stečkin. Njegovo delo je ustvarilo skladno teorijo strojev z rezili. Razvil je metode za izračun aksialnih in centrifugalnih kompresorjev. Je tvorec teorije o najpogostejših plinskoturbinskih reaktivnih motorjih v sodobnem letalstvu.

Poglobljene teoretične raziskave in plodno eksperimentalno delo na kompresorjih so opravili profesorji K. A. Ushakov, V. N. Dmitrievsky, K. V. Kholshchevnikov, P. K. Kazandzhan in številni drugi znanstveniki. Pomemben prispevek k teoriji strojev z rezili je bilo delo ukrajinskega akademika G. F. Proskurja "Hidrodinamika turbostroja", objavljeno leta 1934.

Teorija plinskih turbin in plinskoturbinskih motorjev kot celote je bila posvečena delu profesorjev G. S. Zhi -

Ridkoy, A. V. Kvasnikov, P. I. Kirillov, Ya. I. Shnee, G. P. Zotikov in mnogi drugi.

Znanstveniki so opravili veliko dela, da bi ustvarili najugodnejšo obliko turbinskih lopatic. Delovanje lopatice turbine ima veliko skupnega z delovanjem krila letala. Vendar pa so med njimi tudi pomembne razlike. Krilo deluje izolirano, lopatica turbine pa v bližini drugih lopatic. V slednjem primeru se izkaže, kot pravijo, "mreža profilov". Vpliv sosednjih lopatic močno spremeni vzorec toka plina okoli profila lopatic. Poleg tega krilo pred srečanjem z letalom piha zračni tok, ki ima enako hitrost vzdolž celotnega razpona kril. In hitrost plina glede na lopatico turbine ni enaka po njeni dolžini. Odvisno je od obodne hitrosti rezil. Ker so rezila narejena precej dolgo, je obodna hitrost na korenu rezila veliko manjša kot na njegovem koncu. To pomeni, da bo hitrost plina glede na rezilo na korenu drugačna od hitrosti zunanjega oboda rotorja. Zato mora biti profil rezila tak, da rezilo po celotni dolžini deluje z največjo učinkovitostjo. Nalogo ustvarjanja takšnih rezil so rešili dela profesorja VV Uvarova in drugih znanstvenikov.

Najpomembnejši problem, od rešitve katerega je bilo odvisno ustvarjanje ekonomičnih plinskoturbinskih motorjev, je bil problem toplotno odpornih materialov. Učinkovitost plinske turbine se poveča z naraščajočo temperaturo plina. Toda da bi turbina lahko zanesljivo delovala pri visokih temperaturah, je treba njene lopatice in disk izdelati iz takih zlitin, katerih trdnost se ohrani tudi pri visokem segrevanju. Zato je bilo za razvoj tehnologije plinskih turbin potrebno visoka stopnja razvoj metalurgije. Trenutno so metalurgi ustvarili zlitine, ki lahko prenesejo visoke temperature. Turbinske lopatice iz takih zlitin lahko delujejo brez posebnega hlajenja pri temperaturah plinov, ki vstopajo v turbino do 900°C.

Poleg zlitin obstajajo tudi drugi toplotno odporni materiali, na primer posebna keramika. Toda keramika je precej krhka, kar onemogoča njeno uporabo v plinskih turbinah. Nadaljnje delo na izboljšanju toplotno odporne keramike pa lahko pomembno vpliva na razvoj plinskih turbin.

Oblikovalci plinskih turbin razvijajo tudi umetno hlajene lopatice. Znotraj lopatic so narejeni kanali, skozi katere teče zrak ali tekočina. Turbinski disk je običajno vpihovan z zrakom.

Pogoji za zgorevanje goriva v plinskoturbinskih napravah se bistveno razlikujejo od pogojev v pečeh parnih kotlov ali v valjih batnih motorjev. Plinskoturbinski motor je sposoben proizvesti ogromno dela pri majhni velikosti. Toda za to je potrebno zažgati veliko količino goriva v majhni prostornini komore. To je mogoče doseči le z zelo visoko hitrostjo gorenja. Delci goriva so v zgorevalni komori plinskoturbinskega motorja manj kot stotinko sekunde. V tako kratkem času naj bi prišlo do dobrega mešanja goriva z zrakom, njegovega izhlapevanja in popolnega zgorevanja.

Za uspešno rešitev problema je potrebno preučiti fiziko zgorevanja. V našem času se s tem ukvarjajo velike skupine znanstvenikov.

Znanstveniki so podrobno preučili tudi vprašanje maksimiranja izrabe toplote, ki se sprošča pri zgorevanju goriva v plinskih turbinskih napravah. Plini zapustijo turbinsko kolo pri visoki temperaturi in zato odnesejo veliko količino notranja energija. Obstajala je naravna želja po uporabi toplote izpušnih plinov. Za to je bila predlagana naslednja shema namestitve. Plini iz impelerja, preden se spustijo v ozračje, gredo skozi toplotni izmenjevalnik, kjer del svoje toplote predajo stisnjenemu zraku, ki je zapustil kompresor. Zrak, segret v toplotnem izmenjevalniku, poveča svojo energijo brez porabe kakršne koli količine goriva. Iz izmenjevalnika toplote se zrak usmeri v zgorevalno komoro, kjer se njegova temperatura še dodatno dvigne. Naprava takšnih izmenjevalnikov toplote lahko znatno zmanjša porabo goriva za ogrevanje s plinom in s tem poveča učinkovitost napeljave. Toplotni izmenjevalnik je kanal, skozi katerega tečejo vroči plini. Snop jeklenih cevi je nameščen v kanalu, ki se nahaja vzdolž toka plina ali pravokotno nanj. Skozi te cevi teče zrak. Plin segreva stene cevi in zrak, ki teče v njih. Del toplote iz izpušnih plinov se vrača v delovni zrak. Ta proces se imenuje proces rekuperacije toplote. In toplotni izmenjevalci se pogosto imenujejo regeneratorji.

Plinske turbine z rekuperacijo toplote so bistveno varčnejše od običajnih turbin. Na žalost so izmenjevalniki toplote zelo zajetni, zaradi česar jih je težko uporabljati v nekaterih transportnih napravah.

Med znanstvenimi problemi, na katerih temelji razvoj tehnologije plinskih turbin, je treba omeniti tudi trdnost konstrukcij. Za izgradnjo močnih zgorevalnih komor je potrebno poznati metode za izračun tankostenskih lupin. To je ena od novih vej znanosti o trdnosti materialov. Težka naloga je zagotoviti trdnost lopatic turbine. Rotor turbine naredi zelo veliko število vrtljajev (5000-10.000 vrtljajev na minuto, v nekaterih izvedbah pa tudi več), na lopatice pa delujejo velike centrifugalne sile (nekaj ton za vsako lopatico).

Tukaj smo zajeli le najpomembnejše. znanstveni problemi, katerega rešitev je bila potrebna za razvoj tehnologije plinskih turbin. Znanstveniki in inženirji še naprej delajo na izboljšanju plinskoturbinskih motorjev. Še vedno se soočajo s številnimi nerešenimi vprašanji, številnimi zanimivimi in pomembnimi težavami.

Na primer izključno velik pomen delajo na ustvarjanju plinskih turbin, ki uporabljajo premog kot gorivo. Znano je, da se izkoplje več premoga kot nafte in je cenejši od nje. Zgorevanje premoga v zgorevalni komori plinske turbine je težka naloga. Treba ga je zdrobiti, spremeniti v premogov prah. Pline, ki zapuščajo zgorevalno komoro, je treba očistiti pepela. Če plin vsebuje delce pepela tudi velikosti 0,03-0,05 mm, se bodo lopatice turbine začele sesedati in turbina bo odpovedala.

Gradnja čistilnikov plina je težaven posel. Toda tak problem je mogoče rešiti za plinskoturbinski motor. Pri motorjih z notranjim zgorevanjem pride do stiskanja zraka, zgorevanja in raztezanja plina na enem mestu – v valju. V jeklenko ni bilo mogoče namestiti čistila. Zato doslej poskusi sežiganja premoga v valjih motorjev z notranjim zgorevanjem niso privedli do ničesar. V plinski turbinski napravi poteka stiskanje, zgorevanje in raztezanje različni kraji. Zrak se stisne v kompresorju, segreje v komori in razširi v turbini. Čistilo lahko namestite med komoro in turbino. Potrebno je le, da ne zmanjša močno tlaka plinov, ki prehajajo skozi njega, in ni prevelike velikosti.

Danes potekajo tudi raziskave za ustvarjanje jedrskih plinskoturbinskih motorjev. V teh motorjih se zrak ne segreva z izgorevanjem goriva, temveč s toploto, ki se sprošča v jedrskem kotlu. Znanstveniki morajo na tej poti premagati številne težave. Nobenega dvoma pa ni, da imajo jedrski plinskoturbinski motorji veliko prihodnost.

Vsake toliko časa v novicah povedo, da je na primer na taki in drugačni državni elektrarni v polnem teku gradnja CCGT enote 400 MW, na drugi SPTE-2 pa GTP postroj t. veliko MW je danih v obratovanje. O takšnih dogodkih se piše, se jih pokriva, saj vključitev tako močnih in učinkovitih enot ni le »kljukica« pri izvedbi državni program, temveč tudi realno povečanje učinkovitosti elektrarn, regionalnega energetskega sistema in celo enotnega energetskega sistema.

Vendar bi vas rad opozoril ne na izvajanje državnih programov ali kazalnikov napovedi, temveč na CCGT in GTU. V teh dveh izrazih se lahko zmede ne le laik, ampak tudi začetnik energetik.

Začnimo pri lažjem.

GTU - plinska turbinska elektrarna - je plinska turbina in električni generator, združena v eni zgradbi. Ugodno ga je namestiti v termoelektrarni. To je učinkovito in številne rekonstrukcije SPTE so usmerjene v vgradnjo prav takih turbin.

Tukaj je poenostavljen cikel delovanja termoelektrarne:

Plin (kurivo) pride v kotel, kjer zgori in preda toploto vodi, ta pa v obliki pare zapusti kotel in vrti parno turbino. Parna turbina vrti generator. Električno energijo pridobivamo iz generatorja, paro za industrijske potrebe (ogrevanje, ogrevanje) pa po potrebi črpamo iz turbine.

In v plinski turbinski napravi plin izgori in zavrti plinsko turbino, ki proizvaja elektriko, izhajajoči plini pa spremenijo vodo v paro v kotlu za odpadno toploto, tj. plin deluje z dvojno koristjo: najprej gori in vrti turbino, nato segreje vodo v kotlu.

In če je sama plinska turbina prikazana še bolj podrobno, bo izgledala takole:

Ta videoposnetek nazorno prikazuje, kakšni procesi potekajo v plinski turbinski napravi.

Še bolj uporabno pa bo, če nastalo paro spravimo v delo – damo jo v parno turbino, da dela še en generator! Nato bo naš GTU postal PARA-PLINSKA ENOTA (CCGT).

Posledično je PSU širši koncept. Ta elektrarna je samostojna energetska enota, kjer se enkrat porabi gorivo, električna energija pa se proizvede dvakrat: v plinski in parni turbini. Ta cikel je zelo učinkovit in ima izkoristek približno 57 %! To je zelo dober rezultat, ki vam omogoča znatno zmanjšanje porabe goriva za pridobivanje kilovatne ure električne energije!

V Belorusiji se za povečanje učinkovitosti elektrarn plinske turbine uporabljajo kot "nadgradnja" obstoječe sheme SPTE, CCGT pa se gradijo v državnih elektrarnah kot neodvisne elektrarne. Pri delu v elektrarnah te plinske turbine ne samo povečajo "napovedane tehnične in ekonomske kazalnike", ampak tudi izboljšajo upravljanje proizvodnje, saj imajo visoko manevrsko sposobnost: hitrost zagona in povečanje moči.

Tako uporabne so te plinske turbine!

PLINSKE TURBINE (GTU)

Potek dela GTU. V sodobnih plinskih turbinah se uporablja zgorevalni cikel pri p = const (slika 6.5).

GTP običajno vključuje zgorevalno komoro, plinsko turbino, zračni kompresor, toplotne izmenjevalnike za različne namene (hladilniki zraka, oljni hladilniki mazalnega sistema, regenerativni toplotni izmenjevalniki) in pomožne naprave (oljne črpalke, elementi za dovod vode itd.) .

Delovno telo plinske turbine so produkti zgorevanja goriva, ki se uporablja kot zemeljski plin, dobro prečiščeni umetni plini (plavž, koksarna, generator) in posebno tekoče gorivo plinske turbine (predelano dizelsko motorno olje in sončno olje). .

Delovna mešanica se pripravi v zgorevalni komori. Prostornina ognja komore (slika 20.9) je razdeljena na območje zgorevanja, kjer gorivo zgori pri temperaturi približno 2000 ° C, in območje mešanja, kjer se zrak meša s produkti zgorevanja, da se njihova temperatura zniža na 750 ° C. -1090 ° C v stacionarnih turbinah in do 1400 ° C - v letalskih turbinah.

Princip delovanja plinskih in parnih turbin je enak, vendar je zasnova pretočne poti plinskih turbin veliko enostavnejša. Delujejo z relativno majhnim razpoložljivim padcem toplote in imajo zato majhno število korakov.

Zaradi visoke temperature produktov zgorevanja so detajli pretočne poti turbin (šobe, rotorske lopatice, diski, gredi) izdelani iz legiranih visokokakovostnih jekel. Za zanesljivo delovanje večina turbin poskrbi za intenzivno hlajenje najbolj obremenjenih delov ohišja in rotorja.

V realnih razmerah so vsi procesi v GTP neravnovesni, kar je povezano z izgubami dela v turbini in kompresorju ter z aerodinamičnim uporom v kanalu GTP. Na sl. 20.10 je dejanski proces stiskanja v kompresorju prikazan s črto 1-2, proces ekspanzije v turbini pa s črto 3-4. Točki 2a in 4a označujeta stanje delovne tekočine na koncu ravnotežne adiabatne kompresije in ekspanzije, točka O - parametri okolju. Zaradi tlačnih izgub v sesalni poti kompresorja (linija 01) se proces kompresije začne na točki 1.

Tako se v realnem ciklu porabi veliko dela za stiskanje zraka, pri ekspanziji plina v turbini pa manj dela v primerjavi z idealnim ciklom. Učinkovitost cikla je manjša. Večja kot je stopnja povečanja tlaka π (tj. višji p 2), tem več zneska te izgube v primerjavi s koristnim delom. Pri določeni vrednosti π (višja je, čim večja je Tg in notranji relativni izkoristek turbine in kompresorja, tj. manjša je izguba v njiju) se lahko delovanje turbine izenači z delom, porabljenim za pogon kompresorja in koristno delo- nič.

Zato je največji izkoristek realnega cikla, za razliko od idealnega, dosežen pri določeni (optimalni) stopnji povečanja tlaka, vsaka vrednost Tz pa ima svojo lastno π opt (slika 20.11). Učinkovitost najpreprostejših plinskih turbin ne presega 14-18%, za povečanje pa se plinske turbine izvajajo z več stopnjami dovajanja toplote in vmesnega hlajenja stisnjenega zraka ter z regenerativnim segrevanjem stisnjenega zraka z izpuhom. plinov za turbino, s čimer se realni cikel približa Carnotovemu ciklu.

GTP z rekuperacijo odpadne toplote. Toploto plinov, ki zapuščajo plinsko turbino, je mogoče uporabiti za proizvodnjo pare in vroče vode v običajnih toplotnih izmenjevalnikih. Tako so enote GT-25-700 LMZ opremljene z grelniki, ki ogrevajo vodo v ogrevalnem sistemu do 150-160 °C.

Hkrati relativno visoka stopnja faktorja presežka zraka v plinski turbini omogoča zgorevanje dovolj velike količine dodatnega goriva v okolju produktov zgorevanja. Zaradi tega iz dodatne zgorevalne komore za plinsko turbino izstopajo plini z dovolj visoko temperaturo, ki je primerna za pridobivanje pare energijskih parametrov v posebej za ta namen nameščenem uparjalniku. Na Karmanovskaya GRES se po tej shemi gradi kotel za enoto z električno močjo 500 MW.

Uporaba GTU. V zadnjih letih se plinske turbine zelo pogosto uporabljajo na različnih področjih: v prometu, v energetiki, za pogon stacionarnih naprav itd.

Energijske plinske turbine. Plinska turbina je manjša in lažja od parne turbine, zato se med zagonom veliko hitreje segreje na delovne temperature. Zgorevalna komora se zažene skoraj v trenutku, v nasprotju s parnim kotlom, ki zahteva počasno dolgotrajno (več ur in celo desetine ur) segrevanje, da se izognemo nesreči zaradi neenakomernih toplotnih raztezkov, zlasti velikega bobna. premera do 1,5 m, dolžine do 15 m, z debelino stene več kot 100 mm.

Zato se plinske turbine uporabljajo predvsem za pokrivanje koničnih obremenitev in kot zasilna rezerva za lastne potrebe velikih elektroenergetskih sistemov, ko je treba agregat zelo hitro zagnati. Manjši izkoristek plinske turbine v primerjavi z napajalnikom v tem primeru ne igra vloge, saj enote delujejo kratek čas. Za takšne plinske turbine so značilni pogosti zagoni (do 1000 na leto) z relativno majhnim številom ur uporabe (od 100 do 1500 ur na leto). Razpon enotskih zmogljivosti takih plinskih turbin je od 1 do 100 MW.

Plinske turbine se uporabljajo tudi za pogon električnega generatorja in proizvodnjo električne energije v mobilnih napravah (na primer na ladjah). Takšne plinske turbine običajno delujejo v območju obremenitev 30-110 % nazivne obremenitve, s pogostimi zagoni in zaustavitvami. Enota moči takšnih plinskih turbin se giblje od deset kilovatov do 10 MW. Hiter razvoj jedrskih elektrarn z reaktorji, hlajenimi na primer s helijem, odpira možnost uporabe enozančnih GTU, ki delujejo v zaprtem ciklu (delovna tekočina ne zapusti elektrarne).

Posebno skupino energetskih plinskoturbinskih enot sestavljajo naprave, ki delujejo v tehnoloških shemah kemičnih, naftnih, metalurških in drugih obratov (energetska tehnologija). Delujejo v načinu osnovne obremenitve in so najpogosteje zasnovani za pogon kompresorja, ki zagotavlja proces s stisnjenim zrakom ali plinom zaradi ekspanzijske energije plinov, ki nastajajo kot posledica samega procesa.

Pogonske plinske turbine se pogosto uporabljajo za pogon centrifugalnih puhal zemeljskega plina na kompresorskih postajah glavnih cevovodov, kot tudi črpalk za transport nafte in naftnih derivatov ter puhal v napravah s kombiniranim ciklom. Uporabna moč takih plinskih turbin se giblje od 2 do 30 MW.

Transportne plinske turbine se pogosto uporabljajo kot glavni in naknadni motorji letal (turboreaktivnih in turbopropelerskih) in ladij mornarice. To je posledica možnosti pridobivanja rekordnih vrednosti v smislu specifične moči in splošne dimenzije v primerjavi z drugimi tipi motorjev, kljub nekoliko večji porabi goriva. Plinske turbine so zelo obetavne kot lokomotivski motorji, kjer je njihova majhnost in pomanjkanje vode še posebej dragocena. Transportne plinske turbine delujejo v širokem razponu obremenitev in so primerne za kratkotrajno prisiljevanje.

Enota moči plinske turbine še ne presega 100 MW, učinkovitost naprave pa je 27-37%. S povečanjem začetne temperature plina na 1200 °C se bo zmogljivost plinske turbine povečala na 200 MW, izkoristek naprave pa bo znašal do 38-40%.

IN Zadnja leta(približno od 50. let prejšnjega stoletja) so se plinske turbine začele množično uporabljati v termoelektrarnah za pogon električnih generatorjev.

Plinske turbinske enote (GTP) lahko delujejo z zgorevanjem goriva pri konstantnem tlaku (slika 6.1) in pri konstantnem volumnu (slika 6.2). Ustrezni idealni cikli so razdeljeni na cikle z vnosom toplote v procesu pri konstantnem tlaku in konstantnem volumnu.

riž. 6.1. Shema GTU z zgorevanjem goriva pri konstantnem tlaku: 1 - turbopolnilnik; 2 - plinska turbina; 3 - črpalka za gorivo; 4 - zgorevalna komora; 5 - injektor goriva;

6 - aktivno območje zgorevalne komore

Slika 6.2. Shema GTU z zgorevanjem goriva pri konstantnem volumnu: 5 B, 7 - ventili za gorivo, zrak in plin; 8 - naprava za vžig; 9 - sprejemnik; Ostale oznake so enake kot na sl. 6.1

V praksi so postale plinskoturbinske enote z odprtim (odprtim) ciklom z zgorevanjem goriva (z dovodom toplote delovni tekočini) pri konstantnem tlaku z naknadno ekspanzijo mešanice produktov zgorevanja z zrakom v pretočni poti turbine (Braytonov cikel). razširjena (glej sliko 6.6).

Pri plinskih turbinah z zgorevanjem goriva pri konstantnem tlaku je zgorevalni proces zvezen (glej poglavje 6.2), pri plinskih turbinah z zgorevanjem goriva pri konstantnem volumnu pa je zgorevalni proces periodičen (pulzirajoč). Stisnjen v kompresorju 1 zrak (glej sliko 6.2) se dovaja v sprejemnik 9 (posoda za izravnavo tlaka velike prostornine), od koder skozi zračni ventil 6 vstopi v zgorevalno komoro 4. Tudi črpalka za gorivo 3 skozi ventil za gorivo 5 gorivo je dobavljeno. Zgorevanje poteka z zaprtimi ventili za gorivo, zrak in plin 5, 6, 7. Vžig mešanice zrak-gorivo izvede naprava 8 (električna iskra). Po zgorevanju goriva zaradi povečanja tlaka v komori 4 odpre se plinski ventil 7. Produkti zgorevanja, ki gredo skozi šobe (niso prikazane na sliki 6.2), vstopijo v lopatice rotorja in poganjajo rotor plinske turbine 2.

Plinasti produkti zgorevanja organskega goriva, pomešani z zrakom, služijo kot delovna tekočina plinske turbine. Kot gorivo se uporablja zemeljski plin, visoko prečiščeni umetni plini in specialno kurilno olje za plinske turbine (obdelano dizelsko motorno olje in solarno olje).

Značilnost delovanja plinske turbine je, da se le del (20-40%) zraka, ki ga dovaja kompresor, vnese v aktivno območje zgorevalne komore in sodeluje v procesu zgorevanja goriva pri temperaturi okoli 1500-1600 °C. Preostali zrak (60-80%) je zasnovan tako, da zniža temperaturo plinov pred turbino na 1000-1300 ° C (za stacionarno plinsko turbino) v skladu s pogoji zanesljivosti in vzdržljivosti njenega rezilnega aparata, kar je povezano s povečanim presežkom zraka v plinih a d pred turbino in za GTU. in r se zmanjša s povečanjem začetne temperature delovne tekočine pred plinsko turbino in v različnih napravah je 2,5-5. Učinkovitost GTP je bistveno nižja od učinkovitosti STP v parnem ciklu, kar je posledica prisotnosti zračnega kompresorja, katerega poraba energije je 40-50% moči plinske turbine.

Plinska turbina je manjša in lažja od parne turbine, zato se ob zagonu veliko hitreje segreje na delovne temperature, v nasprotju s parno turbinsko napravo, opremljeno s parnim kotlom, ki zahteva počasno segrevanje (desetine ur). da bi se izognili nesreči zaradi neenakomernih toplotnih raztezkov, zlasti masivnega bobna.

Plinske turbine se zaradi velike manevrske sposobnosti (hiter zagon in polnjenje) uporabljajo v energetiki predvsem za pokrivanje koničnih obremenitev in kot zasilna rezerva za lastne potrebe velikih elektroenergetskih sistemov. Manjši izkoristek plinske turbine v primerjavi s parno elektrarno (SPE) v tem primeru igra nepomembno vlogo. Za tovrstne plinske turbine so značilni pogosti zagoni (do 1000 na leto) z relativno majhnim številom ur uporabe (100-1500 h/leto).

Različne plinske turbine so naprave, ki jih poganja električni generator iz motorja z notranjim zgorevanjem (dizelske elektrarne), kjer se kot gorivo uporablja zemeljski plin ali kakovostno tekoče gorivo, kot pri plinskih turbinah. Vendar pa so dizelske elektrarne, ki so postale razširjene v državah Bližnjega vzhoda, po enotni zmogljivosti slabše od plinskih turbin, čeprav imajo višji faktor učinkovitosti.

Učinkovitost najpreprostejših energetskih plinskih turbin (slika 6.3) v 50-60-ih letih. 20. stoletje je bil 14-18 %. Trenutno se za povečanje učinkovitosti plinskih turbin izvajajo z večstopenjskim dovodom toplote in vmesnim hlajenjem stisnjenega zraka ter z regenerativnim segrevanjem zraka, stisnjenega v kompresorju s plini, izpuščenimi v turbini, s čimer s čimer se realni cikel približa Carnotovemu ciklu, izkoristek plinskih turbin pa znaša do 27-37 %.

Učinkovitost plinskoturbinskih enot je omejena z začetno temperaturo delovne tekočine (1100-1300 °C in več za GTU 5. generacije) in močjo enote zaradi naraščajoče porabe energije za lastne potrebe, vključno s pogonom kompresorja. Prvo omejitev je trenutno težko odpraviti. Drugo omejitev lahko odpravimo, če v turbino namesto nizkoentalpijskega (mešanica produktov izgorevanja z zrakom) pri enaki začetni temperaturi dovajamo delovno sredstvo z visoko entalpijo. Pogosteje se produktom zgorevanja doda vodna para. Plinske turbine, ki delujejo z delovnimi tekočinami, sestavljenimi iz mešanice vode in plinskih hlapov ali uporabljajo pline in paro ločeno v toplotni shemi, imenujemo naprave s kombiniranim ciklom (PGU) in njihovi cikli - para-plin. Prvi CCGT se imenujejo monarhija, in drugi - dvojiško .

Med razvojem naprav z ločenimi delovnimi telesi je bilo preizkušenih več toplotnih shem. Najučinkovitejša je bila shema, pri kateri je parni cikel glede na plinski popolnoma izkoristljiv. Takšne instalacije se imenujejo recikliranje PGU ali PGU-U. V utilizacijski CCGT deluje parni del naprave brez dodatne porabe goriva. Zaradi visoke začetne temperature cikla (več kot 1000-1300 °C) ima lahko tak CCGT več kot 60-odstotni izkoristek, kar je bistveno višje od običajne parne turbine in ločenega GTP. Najpomembnejši dejavnik povečanje učinkovitosti CCGT je uporaba produktov zgorevanja goriva kot delovne tekočine na območju visoke temperature(v plinski turbini) in vodna para pri nizkih temperaturah (v parni turbini).

Plinske turbine odprtega tipa so glede moči na enoto slabše od parnih turbin, imajo nižji izkoristek, manj vzdržljive pri delovanju in so bolj zahtevne glede vrst goriva. Nadaljnji razvoj plinskih turbin je usmerjen v povečanje njihove enotske moči, učinkovitosti, zanesljivosti in trajnosti, kar je odvisno predvsem od napredka pri ustvarjanju toplotno odpornih materialov in razvoja učinkovite načine hlajenje pretočnega dela plinskih turbin.

Morda bi bilo koristno prebrati: