Гту установка. Схеми та показники газотурбінних установок електростанцій

Газотурбінні установки (ГТУ) - теплові машини, в яких теплова енергіягазоподібного робочого тіла перетворюється на механічну енергію. Основними компонентами є: компресор, камера згоряння та газова турбіна. Для забезпечення роботи та управління в установці є комплекс об'єднаних між собою допоміжних систем. ГТУ разом із електричним генератором називають газотурбінним агрегатом. Вироблена потужність одного пристрою становить від двадцяти кіловат до десятків мегават. Це традиційні газотурбінні установки. Виробництво електроенергії на електростанції здійснюється за допомогою однієї чи кількох ГТУ.

Пристрій та опис

Газотурбінні установки складаються з двох основних частин, розташованих в одному корпусі, - газогенератора та силової турбіни. У газогенераторі, що включає камеру згоряння і турбокомпресор, створюється потік газу високої температури, що впливає на лопатки силової турбіни. За допомогою теплообмінника проводиться утилізація вихлопних газів та одночасне виробництво тепла через водогрійний або паровий котел. Робота газотурбінних установок передбачає використання двох видів палива – газоподібного та рідкого.

У звичайному режимі ГТУ працює на газі. В аварійному чи резервному при припиненні подачі газу здійснюється автоматичний перехід на рідке (дизельне) паливо. В оптимальному режимі газотурбінні установки комбіновано виробляють електричну та теплову енергію. За кількістю теплової енергії, що виробляється, ГТУ значно перевершують газопоршневі пристрої. Турбоагрегати використовуються на електростанціях як для роботи в базовому режимі, так і для компенсування пікових навантажень.

Історія створення

Ідея використати енергію гарячого газового потоку була відома ще з давніх часів. Перший патент на пристрій, в якому були представлені ті самі основні складові, що й у сучасних ГТУ, було видано англійцю Джону Барберу у 1791 році. Газотурбінна установка включала компресори (повітряний і газовий), камеру згоряння і активне турбінне колесо, але так і не отримала практичного застосування.

У 19-му і початку 20-го століття багато вчених і винахідників усього світу розробляли установку, придатну для практичного застосування, але всі спроби були безуспішними через низький розвиток науки і техніки тих часів. Корисна потужність, що видається дослідними зразками, не перевищувала 14% при низькій експлуатаційній надійності та конструктивній складності.

Вперше газотурбінні установки електростанцій було використано 1939 року у Швейцарії. В експлуатацію було введено електростанцію з турбогенератором, виконаним за найпростішою схемою потужністю 5000 кВт. У 50-х роках ця схема була доопрацьована та ускладнена, що дозволило збільшити ККД та потужність до 25 МВт. Виробництво газотурбінних установок у промислово розвинених країнах сформувалося в єдиний рівень та напрямок розвитку за потужностями та параметрами турбоагрегатів. Сумарна потужність випущених у Радянському Союзі та Росії газотурбінних установок обчислюється мільйонами кВт.

Принцип роботи ГТУ

Атмосферне повітря надходить у компресор, стискається і під високим тиском через повітропідігрівач і розподільний повітря повітря направляється в камеру згоряння. Одночасно через форсунки камеру згоряння подається газ, який спалюється в повітряному потоці. Згоряння газоповітряної суміші утворює потік розпечених газів, який з високою швидкістю впливає на лопаті газової турбіни, змушуючи їх обертатися. Теплова енергія потоку гарячого газу перетворюється на механічну енергію обертання валу турбіни, який приводить у дію компресор та електрогенератор. Електроенергія з клем генератора через трансформатор прямує до споживчої електромережі.

Гарячі гази через регенератор надходять у водогрійний котел і далі через утилізатор у димову трубу. Між водогрійним котлом та центральним тепловим пунктом (ЦТП) за допомогою мережевих насосів організовано циркуляцію води. Нагріта в казані рідина надходить у ЦТП, до якого здійснюється підключення споживачів. Термодинамічний цикл газотурбінної установки складається з адіабатного стиснення повітря в компресорі, ізобарного підведення теплоти в камері згоряння, адіабатного розширення робочого тіла в газовій турбіні, ізобарного відведення теплоти.

Як паливо для ГТУ використовується природний газ – метан. В аварійному режимі, у разі припинення подачі газу, ГТУ переводиться на часткове навантаження, а як резервне паливо використовуються дизельне паливоабо скраплені гази (пропан-бутан). Можливі варіантироботи газотурбінної установки: відпустка електроенергії або суміщена відпустка електрики та теплової енергії.

Когенерація

Виробництво електрики з одночасним виробленням супутньої теплової енергії називається когенерацією. Ця технологія дозволяє значно підвищити економічну ефективність використання палива. Залежно від потреб газотурбінне встановлення додатково може оснащуватися водогрійними або паровими котлами. Це дає можливість отримувати гарячу водучи пар різного тиску.

За оптимального використання двох видів енергії досягається максимальний економічний ефект когенерації, а коефіцієнт використання палива (КІТ) досягає 90%. У цьому випадку тепло вихлопних газів та теплова енергія із системи охолодження агрегатів, що обертають електрогенератори (по суті, непридатна енергія), використовується за призначенням. При необхідності тепло, що утилізується, може використовуватися для виробництва холоду в абсорбційних машинах (тригенерація). Система когенерації складається із чотирьох ключових частин: первинний двигун (газова турбіна), електрогенератор, система теплоутилізації, система управління та контролю.

Управління

Виділяють два основні режими роботи, при яких експлуатуються газотурбінні установки:

Стаціонарний. У цьому режимі турбіна працює при фіксованому номінальному або неповному навантаженні. Донедавна стаціонарний режим був основним для ГТУ. Зупинка турбіни проводилася кілька разів на рік для планових ремонтів або у разі несправностей.
Змінний режим передбачає можливість зміни потужності ГТУ. Необхідність змінювати режим роботи турбіни може бути викликана однією з двох причин: якщо змінилася споживана електрогенератором потужність через зміну підключеного до нього навантаження споживачів, і якщо змінилося атмосферний тискі температура повітря, що забирається компресором. До нестаціонарних режимів, причому найбільш складним, відноситься зупинка та пуск газотурбінної установки. При останньому машиніст газотурбінних установок має виконати численні операції перед першим поштовхом ротора. Перед повноцінним пуском установки здійснюється попереднє розкручування ротора.

Зміна режиму роботи установки здійснюється регулюванням подачі пального камеру згоряння. Головним завданням управління ГТУ є забезпечення необхідної потужності. Винятком є газотурбінне енергетичне встановлення, для якої основне завдання управління - сталість частоти обертання, пов'язаного з турбіною електричного генератора.

Застосування в енергетиці

У стаціонарній енергетиці застосовуються ГТУ різного призначення. Як основні приводні двигуни електрогенераторів на теплових електростанціях газотурбінні установки використовуються в основному в районах з достатньою кількістю природного газу. Завдяки можливості швидкого пуску ГТУ широко використовуються для покриття пікових навантажень в енергосистемах у періоди максимального споживання енергії. Резервні газотурбінні агрегати забезпечують внутрішні потреби ТЕС під час зупинки основного устаткування.

ККД

У цілому нині електричний ККД газових турбін нижче, ніж в інших силових агрегатів. Але за повної реалізації теплового потенціалу газотурбінного агрегату значимість цього показника стає менш актуальною. Для потужних газотурбінних установок існує інженерний підхід, який передбачає комбіноване використання двох видів турбін за рахунок високої температури вихлопних газів.

Теплова енергія, що виробляється, йде на виробництво пари для парової турбіни, яка використовується паралельно з газовою. Це підвищує електричний ККД до 59% та суттєво збільшує ефективність використання палива. Недоліком такого підходу є конструктивне ускладнення та подорожчання проекту. Співвідношення виробленої ГТУ електричної та теплової енергії приблизно 1:2, тобто на 10 МВт електроенергії видається 20 МВт теплової енергії.

Переваги та недоліки

До переваг газових турбін належать:

Простота пристрою. Зважаючи на відсутність котельного блоку, складної системи трубопроводів та безлічі допоміжних механізмів металовитрати на одиницю потужності у газотурбінних установок значно менше.
Мінімальна витрата води, яка в ГТУ потрібна тільки для охолодження масла, що подається до підшипників.
Швидке введення в роботу. Для газових турбоагрегатів час пуску з холодного стану до навантаження не перевищує 20 хвилин. Для паросилової установки ТЕС запуск займає кілька годин.

Недоліки:

У роботі газових турбоагрегатів використовується газ з високою початковою температурою - понад 550 градусів. Це викликає труднощі при практичному виконанні газових турбін, так як потрібні спеціальні жаростійкі матеріали і спеціальні системи охолодження для елементів, що найбільш нагріваються.
Близько половини турбіної потужності, що розвивається, витрачається на привід компресора.
ГТУ обмежені паливом, використовується природний газ або якісне рідке паливо.
Потужність однієї газотурбінної установки обмежена 150 МВт.

Екологія

Позитивним фактором використання ГТУ є мінімальний вміст шкідливих речовину викидах. За цим критерієм газові турбіни випереджають найближчого конкурента – поршневі електростанції. Завдяки своїй екологічності газотурбінні агрегати без проблем можна розміщувати в безпосередній близькості до місць проживання людей. Низький вміст шкідливих викидів під час експлуатації ГТУ дозволяє заощаджувати кошти під час будівництва димових труб та придбання каталізаторів.

Економіка ГТУ

На перший погляд ціни на газотурбінні установки досить високі, але при об'єктивній оцінці можливостей цього енергетичного обладнання всі аспекти постають на свої місця. Високі капіталовкладення на старті енергетичного проекту повністю компенсуються незначними витратами за подальшої експлуатації. Крім того, значно знижуються екологічні платежі, зменшуються витрати на покупку електричної та теплової енергії, знижується вплив на довкіллята населення. Внаслідок перерахованих причин щорічно купуються та встановлюються сотні нових газотурбінних установок.

Газова турбінаявляє собою двигун, в якому поєднуються переваги парової турбіни та двигуна внутрішнього згоряння. На відміну від парової турбіни, робочим тілом тут є не пара з котлів, а гази, що утворюються при згорянні палива в спеціальних камерах. На відміну від ДВС енергія робочого тіла перетворюється на механічну енергію обертання валу не в результаті зворотно-поступального руху поршня в циліндрі, а шляхом обертання колеса турбіни під дією швидкісного струменя газів, що випливають із сопла.

Газова турбіна, як і парова - це нереверсивний механізм, тому для реверсу в газотурбінних установках необхідно передбачати турбіну. заднього ходуабо інший пристрій, наприклад гвинт регульованого кроку (ВРШ).

Газотурбінна установка(ГТУ) складається з наступних основних частин: газової турбіни, в якій теплова енергія гарячих газів перетворюється на механічну; повітряного компресора, що засмоктує та стискає повітря, необхідне для згоряння палива; камери горіння(генератора газів), в якій розпилене рідке паливо змішується з повітрям і згоряє, утворюючи робоче тіло - гарячий газ; трубопроводівдля підведення повітря до генератора газу, подачі газів з генератора в газову турбіну та відведення відпрацьованих газів в атмосферу; утилізаційних пристроїв, що забезпечують використання тепла газів, що відходять.

Мал. 124. Загальний вигляд(а) та схема ГТУ з камерою горіння (б) (потужність 4040 кВт).

1 - компресор низького тиску; 2 - повітропідігрівач; 3 – ТВД; 4 - компресор високого тиску; 5 – пускова турбіна; 6 – камера горіння; 7 – форсунка; 8 – ТНД;

9 - охолоджувач повітря; 10 - редуктор

Крім того, до складу ГТУ входять паливна та масляна системи, що подають паливо в камеру горіння та олію - у підшипники турбіни та зубчасту передачу, а також невелика за потужністю пускова парова турбіна, що використовує пару від допоміжного котла.

Пристрій газової турбіни аналогічно паровій турбіні. Але газова турбіна зазнає більш високих температурних навантажень: її робочі лопатки працюють при температурі гарячих газів (650-850°), тоді як температура робочої пари 400-500°. Це значно зменшує моторесурс газової турбіни. Залежно від прийнятого способу стиснення повітря та утворення гарячих газів розрізняють ГТУ з камерою горіння та ГТУ із вільнопоршневими генераторами газу (СПГГ).

У ГТУ з камерою горіння (мал. 124) зовнішнє повітря засмоктується відцентровим компресором низького тиску і через охолоджувач повітря подається в компресор високого навантаження: тиску, а звідти через підігрівач повітря в камеру горіння.

Одночасно в камеру горіння через форсунку впорскується паливо. Відбувається згоряння та утворення гарячих газів, які послідовно надходять у газові турбіни високого та низького тиску та через вихлопний трубопровід відходять в атмосферу. На шляху газів, що відходять, встановлюють підігрівач повітря і утилізаційний котел, пар якого можна використовувати для турбогенератора або для допоміжної турбіни, що працює на гребний вал. Відцентрові компресори низького та високого тиску приводяться у обертання відповідно турбінами низького та високого тиску. На гребний гвинт через редуктор працює лише турбіна низького тиску.

Мал. 125. Загальний вигляд (а) та схема ЗПГГ (б).

1 – впускні клапани компресора; 2 – випускні клапани компресора;

3 – компресорний поршень; 4 – циліндр компресора;

5 - впускні вікна; 6 – випускні вікна; 7 – форсунка; 8 – робочий циліндр; 9 – буферний циліндр; 10-буферний поршень; 11 - ресивер продувного повітря; 12 – робочий поршень; 13 - механізм синхронізації роботи поршнів

ГТУ з вільнопоршневими генераторами газу (СПГГ) (рис. 125) відрізняється від ГТУ з камерою горіння тим, що гарячі гази утворюються в спеціальному генераторі газу, що працює за принципом ДВЗ з поршнями, що вільно розходяться. СПГГ являє собою симетричний агрегат, що складається з двотактного одноциліндрового двигуна з поршнями, що протилежно рухаються, одноступінчастого компресора простої діїта двох буферних циліндрів. У циліндрі розташовані два робочі поршні, з'єднані з компресорами та буферними поршнями.

Мал. 126. Компонування газотурбінної енергетичної установки із ЗПГГ.

1 - ЗПГГ; 3 – газова турбіна; 3 – редуктор; 4 - дизель-генератор

Робочий (розбіжний) хід поршневих груп здійснюється під дією газу, що розширюється в робочому циліндрі. При цьому повітря в компресорних циліндрах спочатку стискається, а потім через випускні клапани надходить у ресивер продувного повітря. Одночасно зі стиском повітря в компресорних циліндрах стискається повітря в буферних циліндрах, після чого його енергія витрачається на здійснення зворотного ходу робочих поршнів і стиснення повітря в робочому циліндрі.

Наприкінці робочого ходу поршнів відкриваються спочатку випускні вікна, а потім впускні. Через випускні вікна вихлопні гази надходять до газової турбіни, а через впускні стиснене продувне повітря з ресивера заповнює робочий циліндр.

Надмірне продувне повітря змішується з гарячими вихлопними газами і також надходить до газової турбіни.

При зворотному ході робочих поршнів під дією повітря, стисненого в буферних циліндрах, закриваються впускні вікна, потім випускні та одночасно через клапани всмоктується повітря в циліндри компресора. У момент зближення поршнів у робочий циліндр через форсунку впорскується паливо і процес повторюється.

ГТУ та СПГГ відрізняється компактністю, відносно малою масою 16-24 кг/кВт і невеликою витратою палива 260 г/(кВт-год). Перевагою є можливість компонувати енергетичну установку з кількох ЗПГГ, що дозволяє раціональніше використовувати обсяг МКО (рис. 126). Крім названих типів ГТУ на малих швидкісних суднах, особливо на суднах на підводних крилах, поширені полегшені ГТУ авіаційного типу (1,5-4,0 кг/кВт). Але вони мають невеликий моторесурс та підвищену витрату палива (340-380 г/кВт·год).

Недоліком ГТУ всіх типів, крім підвищеної витрати палива та малого ресурсу, є велика шумність у МКО, для зменшення якої доводиться вдаватися до спеціальних заходів.

Надіслати свою гарну роботу до бази знань просто. Використовуйте форму нижче

Студенти, аспіранти, молоді вчені, які використовують базу знань у своєму навчанні та роботі, будуть вам дуже вдячні.

Подібні документи

Опис технологічної схеми встановлення утилізації теплоти газів, що відходять, технологічної печі. Розрахунок процесу горіння, склад палива та середні питомі теплоємностігазів. Розрахунок теплового балансупечі та її ККД. Устаткування котла-утилізатора.

курсова робота , доданий 07.10.2010

Визначення паливної маси та теплоти згоряння вуглеводневих палив. Розрахунок теоретичної та фактичної кількості повітря, необхідного для горіння. склад, кількість, маса продуктів згоряння. Визначення ентальпії продуктів згоряння для нафти та газу.

практична робота , доданий 16.12.2013

Призначення, пристрій, складові та принцип дії комплексу "Метан" як самостійного газового захисту шахти. Перевірка працездатності обладнання. Вимірювання метану в атмосфері та спрацьовування апаратури при перевищенні концентрації метану.

лабораторна робота , доданий 15.10.2009

Каталітичне спалювання метану. Пошук методів зниження концентрації оксидів азоту Умови приготування та дослідження фізико-хімічних характеристик паладієвого та оксидного каталізаторів, нанесених на комірково-каркасний металевий носій.

дипломна робота , доданий 19.12.2011

Влаштування котла-утилізатора П-83. Порядок визначення ентальпій газів та коефіцієнта використання тепла. Особливості розрахунку пароперегрівачів, випарників та економайзерів високого та низького тиску, а також додаткового та киплячого економайзерів.

контрольна робота , доданий 25.06.2010

Аналіз енергетичного господарства цеху теплогазопостачання ВАТ „Урал Сталь”. Реконструкція котла-утилізатора КСТ-80 для встановлення конденсаційної турбіни. Автоматизація та механізація виробничих процесів. Безпека праці та екологічність.

дипломна робота , доданий 17.02.2009

Технологія виробництва сірчаної кислоти та продуктів на її основі. Розробка конструкції вузлів котла-утилізатора. Механізація обслуговування та ремонтних робіт ділянки котла-утилізатора. Розробка технологічного процесувиготовлення "барабана канатного".

дипломна робота , доданий 09.11.2016

Схеми та показники газотурбінних установок електростанцій

Газотурбінні електростанції в СРСР як самостійні енергетичні установки отримали обмежене поширення. Серійні газотурбінні установки (ГТУ) мають невисоку економічність, споживають, як правило, високоякісне паливо (рідке або газоподібне). При малих капітальних витратах на спорудження вони характеризуються високою маневреністю, у деяких країнах, наприклад, у США, їх використовують як пікових енергоустановок. ГТУ мають у порівнянні з паровими турбінами підвищені шумові характеристики, що вимагають додаткової звукоізоляції машинного відділення та повітрозабірних пристроїв. Повітряний компресор споживає значну частку (50-60%) внутрішньої потужності газової турбіни. Внаслідок специфічного співвідношення потужностей компресора та газової турбіни діапазон зміни електричного навантаження ГТУ невеликий.

Поодинока потужність встановлених газових турбін не перевищує 100-150 МВт, що значно менше необхідної одиничної потужності великих енергоблоків.

Більшість сучасних ГТУ працює за схемою безперервного згоряння палива і виконується за відкритим (розімкненим) або закритим (замкненим) циклом в залежності від виду палива, що спалюється.

У ГТУ відкритого циклуяк паливо використовується рідке малосірчисте газотурбінне паливо або природний газ, які подаються до камери згоряння (рис. 9.1). Необхідне для згоряння палива повітря очищається в комплексному очищувальному пристрої (фільтрі) і стискається в компресорі до тиску МПа. Для отримання заданої температури газів перед газовою турбіною °С у камері згоряння підтримується потрібний надлишок повітря (2,5-5,0) з урахуванням теоретичної температури горіння палива, виду палива, способу його спалювання та ін. Гарячі гази є робочим тілом у газовій турбіні, де вони розширюються, а потім при температурі °С викидаються у димову трубу.

Мал. 9.1. Принципова теплова схема ГТУ відкритого циклу:

До- Повітряний компресор; ГТ- газова турбіна; Г -електрогенератор; ПУ- пусковий пристрій; Ф-повітряний фільтр; КС- камера згоряння палива

ГТУ замкнутого циклу(Мал. 9.2) дозволяють використовувати як тверде, так і високосірчисте рідке паливо (мазут), спалюване в камері згоряння, де встановлений підігрівач робочого тіла, зазвичай повітря. Включення в схему охолоджувача повітря зменшує роботу стиску в компресорі, а регенератора - підвищує економічність ГТУ. Поки що не отримали застосування ГТУ замкнутого циклу з іншими робочими тілами (гелій тощо).

Основні переваги ГТУ для енергосистеми полягають у їхній мобільності. Залежно від типу установки її час пуску та навантаження становить 5-20 хв. ГТУ характеризуються нижчою питомою вартістю (на 50-80% менше, ніж у базових енергоблоків), високим ступенемготовність до пуску, відсутність потреби в охолодній воді, можливість швидкого будівництва ТЕС при малих габаритах електростанції та незначне забруднення навколишнього середовища. Водночас ГТУ мають невисокий ККД виробництва електроенергії (28-30%), заводське виготовлення їх складніше, ніж парових турбін, вони потребують дорогих та дефіцитних видів палива. Ці обставини визначили і найбільш раціональну область використання ГТУ в енергосистемі як пікових і зазвичай автономних установок з використанням встановленої потужності 500- 1000 год/рік. Для таких установок краща конструктивна схема у вигляді одновальної ГТУ простого циклу без регенерації або з регенератором теплоти газів, що йдуть (рис. 9.3,а, б). Така схема характеризується великою простотою та компактністю установки, яка значною мірою виготовляється та монтується на заводі. Енергетичні ГТУ, експлуатація яких планується у напівбазовій частині графіка електричного навантаження, економічно виправдано виконувати за складнішою конструктивною схемою (рис. 9.3,в).

Мал. 9.2. Принципова схема ГТУ закритого циклу:

ВП- Повітропідігрівач; ГТ- газова турбіна; Р- Регенератор; ВК-Повітряний компресор; Г- електрогенератор; ПУ- пусковий пристрій

Мал. 9.3. Конструктивні схеми різних типівГТУ:

а- ГТУ простого циклу без регенерації; б - ГТУ простого циклу з регенератором теплоти газів, що йдуть; в- двовальна ГТУ з двоступеневим підведенням теплоти палива: Т- підведення палива; КВД. ККД- повітряні компресори високого та низького тиску; ГТВД, ГТНД -газові турбіни високого та низького тиску

У Радянському Союзі працюють газотурбінні електростанції із ГТУ типів ГТ-25-700, ГТ-45-3, ГТ-100-750-2 та інших з початковою температурою газів перед газовою турбіною 700-950 °С. Ленінградським металевим заводом розроблено проекти нової серії ГТУ потужністю 125-200 МВт при початковій температурі газів відповідно 950, 1100 та 1250 °С. Вони виконані за простою схемою відкритим циклом роботи, одновальними, без регенератора (табл. 9.1). Теплова схема газотурбінної установки ГТ-100-750-2 ЛМЗ показано на рис. 9.4,а, а компонування електростанції з такими турбінами - на рис. 9.4, б. Ці ГТУ експлуатуються на Краснодарській ТЕЦ, на ДРЕС ім. Классона Мосенерго, на піковій ТЕС у м. Інота Угорської Народної Республікита ін.

Таблиця 9.1

	Показники ГТУ
Газотурбінна установка	Електрична потужність, МВт	Витрата повітря через компресор, кг/с	Ступінь стиснення в компрессоре	Початкова температура газів, про З	Електричний ККД, %
ГТ-25-700 *		194,5	4,7/9,7
ГТ-35-770			6,7		27,5
ГТЕ-45-2**	54,3(52,9)		7,7		28(27,6)
ГТ-100-750-2М *			4,5/6,4	750/750
ГТЕ-150
ГТЕ-200			15,6
М9 7001 «Дженерал електрик»			9,6		30,7

* Турбінаї компресор двовальні; вал з турбіною та компресором високого тиску має підвищену частотуобертання.

** Приробітку на природному газі(Рідкому газотурбінному паливі).

Мал. 9.4. Газотурбінне встановлення ГТ-100-750-2 ЛМЗ:

а- теплова схема: 1-8 - підшипники ГТУ; / - Повітря з атмосфери; II- охолодна вода; III- паливо (природний газ); /V - гази, що йдуть; V - пара до пускової турбіни (р = 1,2 МПа, t = 235 ° С); ГШ-глушник шуму; КНД – компресор низького тиску; ВО- охолоджувачі повітря; КВД- Компресор високого тиску; КСВД -камера згоряння високого тиску; ТВД- турбіна високого тиску; КСНД -камера згоряння низького тиску; ТНД- турбіна низького тиску; ВП- Внутрішній підшипник; У- збудник; ПТ- пускова турбіна; АПК -антипомпажні клапани за КНД; б - компонування (поперечний розріз): / - КНД; 2-ВО; 3 – КВД; 4 – КСВС; 5 – ТВД; 6 – КСНД; 7-ТНД; 8 - ПТ; 9 - димова труба; 10 - Антипомпажний клапан (АПК); Л-електрогенератор (Г); 12- мостовий кран; 13- фільтри для очищення повітря; 14 - глушники шуму; 15 - маслонасоси системи регулювання; 16- теплофікаційні підігрівачі; /7 - шибери на вихлопних газоходах; 18 - маслоохолоджувачі

Рідке газотурбінне паливо, що застосовується для вітчизняних ГТУ, на електростанції піддається фільтрації та промиванню від солей лужних металів. Потім паливо додають присадку з вмістом магнію для запобігання ванадієвої корозії. За даними експлуатації така підготовка палива сприяє тривалій роботі газових турбін без забруднення та корозії проточної частини.

Ростовським відділенням АТЕП розроблено типовий проект пікової газотурбінної електростанції з ГТУ ГТЕ-150-1100. На рис. 9.5 наведено принципову теплову схему такої ГТУ, розрахованої на спалювання рідкого газотурбінного палива або природного газу. ГТУ виконана за простою відкритою схемою, ротори газової турбіни та компресора розташовані в одному транспортабельному корпусі, що значно скорочує терміни монтажу та трудовитрати. Газотурбінні агрегати встановлюються поперечно в машинному залі електростанції з прольотом 36 і осередком блоку в 24 м. Димові гази відводяться в димову трубу заввишки 120 м з трьома металевими газовідвідними стволами.

Мал. 9.5. Принципова теплова схема газотурбінної установки ЛМЗ ГТЕ-150-1100:

ВК- допоміжний компресор пневморозпилення палива: ПТ- Парова турбіна; Р- Редуктор блоку розгінного пристрою; ЕД -електродвигун допоміжного компресора ГТ- газова турбіна; Т- підведення рідкого палива, що відповідає ГОСТ 10743-75 = 42,32 МДж/кг (10 110 ккал/кг) ДП- димова труба; АПК- Антипомпажний клапан

Важливою особливістю газотурбінних установок є залежність показників від параметрів зовнішнього повітря, а в першу чергу від його температури. Під її впливом змінюється витрата повітря через компресор, співвідношення внутрішніх потужностей компресора і газової турбіни й у результаті - електрична потужність ГТУ та ККД. У МЕІ виконані багатоваріантні розрахунки роботи ГТЕ-150 на рідкому газотурбінному паливі та на тюменському природному газі залежно від температури та тиску зовнішнього повітря (рис. 9.6, 9.7). Отримані результати підтверджують підвищення теплової економічності ГТУ зі зростанням температури газів перед газовою турбіною і зниженням температури зовнішнього повітря . Підвищення температури від = 800 ° С до = = 1100 ° С підвищує електричний ККД ГТУ на 3% при -40 ° С і на 19% при = 40 ° С. Зниження температури зовнішнього повітря з +40 до -40 ° С призводить до значного збільшення електричної потужності ГТУ. Для різних початкових температур збільшення становить 140-160%. Для обмеження зростання потужності ГТУ при зниженні температури зовнішнього повітря і з урахуванням можливості перевантаження електрогенератора (в даному випадку типу ТГВ-200) доводиться впливати або на температуру газів перед газовою турбіною, зменшуючи витрату палива (криві 4 на рис. 9.6 і 9.7), або на температуру зовнішнього повітря, підмішуючи невелику кількість газів, що йдуть (2-4%) до поглинається компресором повітря. Постійну витрату повітря в діапазоні навантажень 100-80% можна підтримувати також прикриттям вхідного направляючого апарату (ВНА) компресора ГТУ.

Мал. 9.6. Залежність електричної потужності ГТУ від температури зовнішнього повітря:

1 - = 1100 ° С; 2 - = 950 ° С; 3 - = 800 ° С; 4- =; - робота ГТУ на природному газі; робота ГТУ на рідкому паливі

Мал. 9.7. Залежність електричного ККД ГТУ від температури зовнішнього повітря (позначення див. на рис. 9.6)

Зміна електричного ККД у бік його зменшення особливо значно при температурі зовнішнього повітря вище 5-10 ° С (рис. 9.7). З підвищенням температури зовнішнього повітря від +15 до +40 С цей ККД зменшується на 13-27% залежно від температури газів перед газовою турбіною і виду палива, що спалюється.

Підвищення зовнішньої температури повітря збільшує коефіцієнт надлишку повітря за газовою турбіною і температуру газів, що йдуть, що сприяє погіршенню енергетичних показників ГТУ.

Газотурбінне встановлення (ГТУ) складається з двох основних частин - це силова турбіна і генератор, які розміщуються в одному корпусі. Потік газу високої температури впливає на лопатки силової турбіни (створює момент, що крутить). Утилізація тепла за допомогою теплообмінника або утилізатора котла забезпечує збільшення загального ККД установки.

ГТУ може працювати як на рідкому, так і газоподібному паливі. У звичайному робочому режимі – на газі, а в резервному (аварійному) – автоматично перемикається на дизельне паливо. Оптимальним режимом роботи газотурбінної установки є комбінована вироблення теплової та електричної енергії. ГТУ може працювати як у базовому режимі, так і для покриття пікових навантажень.

Проста газотурбінная установка безперервного горіння та влаштування її основних елементів

Принципова схема простої газотурбінної установки показана малюнку 1.

Малюнок 1.Принципова схема ГТУ: 1 – компресор; 2 – камера згоряння; 3 – газова турбіна; 4 – електрогенератор

Компресор 1 засмоктує повітря з атмосфери, стискає його до певного тиску і подає в камеру згоряння 2. Сюди безперервно надходить рідке або газоподібне паливо. Згоряння палива при такій схемі відбувається безперервно, при постійному тиску, тому такі ГТУ називають газотурбінними установками безперервного згоряння або ГТУ зі згорянням при постійному тиску.

Гарячі гази, що утворилися в камері згоряння в результаті спалювання палива, надходять у турбіну 3. У турбіні газ розширюється, та його внутрішня енергіяперетворюється на механічну роботу. Гази, що відпрацювали, виходять з турбіни в навколишнє середовище (в атмосферу).

Частина потужності, що розвивається газовою турбіною, витрачається на обертання компресора, а частина (корисна потужність), що залишилася, віддається споживачеві. Потужність, яка споживається компресором, відносно велика і в простих схемах при помірній температурі робочого середовища може в 2-3 рази перевищувати корисну потужність ГТУ. Це означає, що повна потужність власне газової турбіни довгий бути значно більшою за корисну потужність ГТУ.

Так як газова турбіна може працювати тільки за наявності стисненого повітря, що отримується тільки від компресора, що приводиться в обертання турбіною, очевидно, що пуск ГТУ повинен здійснюватися від стороннього джерела енергії (пускового мотора), за допомогою якого обертається компресор до тих пір, поки з камери згоряння не почне надходити газ певних параметрів і в кількості, достатній для початку роботи газової турбіни.

З наведеного опису ясно, що газотурбінне встановлення складається з трьох основних елементів: газової турбіни, компресора та камери згоряння. Розглянемо принцип дії та влаштування цих елементів.

Турбін. На малюнку 2 показано схему простої одноступінчастої турбіни. Основними частинами її є; корпус (циліндр.) турбіни 1, в якому укріплені напрямні лопатки 2, робочі лопатка 3, встановлені по всьому колу на обід диска 4, закріпленого на валу 5. Вал турбіни обертається в підшипниках 6. У місцях вихід валу з корпусу встановлені кінцеві ущільнення 7 , що обмежують витік гарячих газів із корпусу турбін. Всі частини, що обертаються, турбіни (робочі лопатки, диск, вал) складають її ротор. Корпус з нерухомими напрямними лопатками та ущільненнями утворює статор турбіни. Диск із лопатками утворює робоче колесо.

Малюнок 2.Схема одноступінчастої турбіни

Сукупність низки напрямних і робочих лопаток називається турбінним щаблем. На малюнку 3 вгорі зображена схема такого турбінного ступеня і внизу дано переріз напрямних і робочих циліндричних лопаток поверхні а-а, розгорнуті потім на площині креслення.

Малюнок 3.Схема турбінного ступеня

Напрямні лопатки 1 утворюють в перерізі канали, що звужуються, звані соплами. Канали, утворені робочими лопатками 2, також зазвичай мають форму, що звужується.

Гарячий газ при підвищеному тискунадходить у сопла турбіни, де відбувається його розширення та відповідне збільшення швидкості. При цьому тиск та температура газу падають. Таким чином, у соплах турбіни відбувається перетворення потенційної енергії газу на кінетичну енергії. Після виходу із сопел газ потрапляє у міжлопаткові канали робочих лопаток, де змінює свій напрямок. При обтіканні газом робочих лопаток тиск на їх увігнутій поверхні виявляється більшим, ніж на опуклій, і під впливом цієї різниці тисків відбувається обертання робочого колеса (напрямок обертання малюнку 3 показано стрілкою u). Таким чином, частина кінетичної енергії газу перетворюється на робочих лопатках на механічну виявитися неприпустимою з міркувань міцності робочих лопаток або диска турбіни. У таких випадках турбіни виконуються багатоступінчастими. Схема багатоступінчастої турбіни показано малюнку 4.

Малюнок 4.Схема багатоступінчастої турбіни: 1-підшипники; 2-кінцеві ущільнення; 3-вхідний патрубок; 4-корпус; 5-напрямні лопатки; 6-робочі лопатки; 7-ротор; 8-вихідний патрубок турбіни

Турбіна складається з низки послідовно розташованих окремих щаблів, у яких відбувається поступове розширення газу. Падіння тиску, що припадає на кожний ступінь, а, отже, і швидкість с1 у кожному щаблі такої турбіни, менше, ніж одноступеневої. Число ступенів може бути обрано таким, щоб при заданій окружній швидкості і отримане бажане відношення

компресор. Схема багатоступінчастого осьового компресора зображено малюнку 5.

Малюнок 5.Схема багатоступінчастого осьового компресора: 1-вхідний патрубок; 2-кінцеві ущільнення; 3-підшипники; 4-вхідний напрямний апарат; 5-робочі лопатки; 6-напрямні лопатки; 7-корпус 8-спрямовуючий апарат; 9-дифузор; 10-вихідний патрубок; 11-ротор.

Його основними складовими частинамиє: ротор 2 із закріпленими на ньому робочими лопатками 5, корпус 7 (циліндр.), до якого кріпляться напрямні лопатки 6 і кінцеві ущільнення 2, і підшипники 3. Сукупність одного ряду робочих лопаток, що обертаються, і одного ряду розташованих за ними нерухомих напрямних лопаток ступенем компресора. Засмоктується компресором повітря послідовно проходить через наступні елементи компресора, показані на малюнку 5: вхідний патрубок 1, вхідний напрямний апарат 4, групу ступенів 5, 6, апарат, що спрямовує 8, дифузор 9 і вихідний патрубок 10.

Розглянемо призначення цих елементів. Вхідний патрубок призначений для рівномірного підведення повітря з атмосфери до вхідного напрямного апарату, який повинен надати необхідний напрямок потоку перед входом до першого ступеня. У сходах повітря стискається за рахунок передачі механічної енергії потоку повітря від лопаток, що обертаються. З останнього ступеня повітря надходить у спрямовуючий апарат, призначений для надання потоку осьового напрямку перед входом у дифузор. У дифузорі продовжується стиск газу за рахунок зниження його кінетичної енергії. Вихідний патрубок призначений для подачі повітря від дифузора до перепускного трубопроводу. Лопатки компресора 1 (рисунок 6) утворюють ряд каналів, що розширюються (дифузорів). При обертанні ротора повітря входить у міжлопаткові канали з великою відносною швидкістю (швидкість руху повітря, що спостерігається з лопаток, що рухаються). При русі повітря цими каналами його тиск підвищується внаслідок зменшення відносної швидкості. У каналах, що розширюються, утворених нерухомими напрямними лопатками 2, відбувається подальше підвищення тиску повітря, що супроводжується відповідним зменшенням його кінетичної енергії. Таким чином, перетворення енергії в ступені компресора відбувається в порівнянні з турбіним ступенем у зворотному напрямку.

Малюнок 6.Схема ступеня осьового компресора

Камера згоряння

Призначення камери згоряння полягає у підвищенні температури робочого тіла за рахунок згоряння палива в середовищі стисненого повітря. Схема камери згоряння показано малюнку 7.

Малюнок 7.Камера згоряння

Згоряння палива, що впорскується через форсунку 1, відбувається в зоні горіння камери, обмеженою жарової трубою 2. У цю зону надходить тільки така кількість повітря, яка необхідна для повного та інтенсивного згоряння палива (це повітря називається первинним).

Повітря, що надходить в зону горіння, проходить через завихрювач 3, який сприяє хорошому перемішування палива з повітрям. У зоні горіння температура газів досягає 1300...2000°С. За умовами міцності лопаток газових турбін така температура неприпустима. Тому гарячі гази, що виходять в зоні горіння камери, розбавляються холодним повітрям, яке називається вторинним. Вторинний повітря протікає по кільцевому простору між жарової трубкою 2 і корпусом 4. Частина цього повітря надходить до продуктів згоряння через вікна 5, а решта змішується з гарячими очима після жарової труби. Таким чином, компресор повинен подавати в камеру згоряння в кілька разів більше повітря, ніж необхідно для спалювання палива, а продукти згоряння, що надходять в турбіну, виходять сильно розведеним повітрям і охолодженими.

Можливо, буде корисно почитати: