Turbogenerator pe gaz. Turbinele cu gaz sunt unități de putere fiabile ale centralelor electrice moderne

O turbină cu gaz este de obicei numită un motor care funcționează continuu. În continuare vom vorbi despre cum este proiectată o turbină cu gaz și care este principiul de funcționare al unității. Particularitatea unui astfel de motor este că în interiorul acestuia, energia este produsă de gaz comprimat sau încălzit, rezultatul transformării căruia este un lucru mecanic asupra arborelui.

Istoria turbinei cu gaz

Este interesant că mecanismele cu turbine au început să fie dezvoltate de ingineri cu foarte mult timp în urmă. Prima turbină cu abur primitivă a fost creată în secolul I î.Hr. e.! Desigur, este esențial
Acest mecanism a atins abia acum apogeul. Turbinele au început să fie dezvoltate activ în sfârşitul XIX-lea secol concomitent cu dezvoltarea și îmbunătățirea termodinamicii, ingineriei mecanice și metalurgiei.

Principiile mecanismelor, materialelor, aliajelor s-au schimbat, totul a fost îmbunătățit și acum, astăzi, umanitatea cunoaște cel mai perfect dintre toate anterior. formele existente turbină cu gaz, care este împărțită în diferite tipuri. Există o turbină cu gaz de aviație și una industrială.

O turbină cu gaz este de obicei numită un fel de motor termic; părțile sale de lucru sunt predeterminate cu o singură sarcină - să se rotească datorită influenței unui jet de gaz.

Este proiectat în așa fel încât partea principală a turbinei să fie reprezentată de o roată de care sunt atașate seturi de pale. , acționând asupra palelor unei turbine cu gaz, le face să se miște și să rotească roata. Roata, la rândul său, este legată rigid de arbore. Acest tandem are un nume special - rotor de turbină. Ca urmare a acestei mișcări care are loc în interiorul motorului cu turbină cu gaz, se obține energie mecanică, care este transmisă unui generator electric, unei elice de navă, unei elice de avion și altor mecanisme de funcționare cu un principiu de funcționare similar.

Turbine active și de reacție

Efectul unui jet de gaz asupra palelor turbinei poate fi dublu. Prin urmare, turbinele sunt împărțite în clase: clasa de turbine active și reactive. Turbinele cu gaz reactive și active diferă prin principiile lor de proiectare.

Turbină cu impuls

O turbină activă se caracterizează prin faptul că există o rată mare de flux de gaz către paletele rotorului. Cu ajutorul unei lame curbate, fluxul de gaz se abate de la traiectoria sa. Ca urmare a abaterii, se dezvoltă o forță centrifugă mare. Cu ajutorul acestei forțe, lamele sunt puse în mișcare. Pe parcursul întregului traseu descris al gazului, o parte din energia acestuia se pierde. Această energie este direcționată către mișcarea rotorului și a arborelui.

Turbină cu reacție

Într-o turbină cu reacție totul este oarecum diferit. Aici, gazul curge către palele rotorului cu o viteză mică și sub influența unui nivel ridicat de presiune. Forma paletelor este, de asemenea, diferită, datorită căreia viteza gazului crește semnificativ. Astfel, curentul de gaz creează un fel de forță reactivă.

Din mecanismul descris mai sus rezultă că proiectarea unei turbine cu gaz este destul de complicată. Pentru ca o astfel de unitate să funcționeze fără probleme și să aducă profit și beneficii proprietarului său, întreținerea acesteia ar trebui să fie încredințată unor profesioniști. Companiile de profil oferă servicii întreținerea serviciului instalatii care folosesc turbine cu gaz, livrari de componente, tot felul de piese si componente. DMEnergy este una dintre astfel de companii (), care oferă clienților lor liniște sufletească și încredere că nu vor rămâne singuri cu problemele care apar în timpul funcționării unei turbine cu gaz.

O turbină cu gaz, ca motor termic, combină trăsăturile caracteristice ale unei turbine cu abur și ale unui motor cu ardere internă, în care energia combustibilului în timpul arderii acestuia este transformată direct în lucru mecanic. Fluidul de lucru al turbinelor cu gaz care funcționează într-un ciclu deschis este produsul arderii combustibilului, iar fluidul de lucru al turbinelor cu gaz care funcționează într-un ciclu închis este aer curat sau gaz care circulă continuu în sistem. Pe nave se folosesc unități cu turbine cu gaz (GTU), care funcționează în ciclu deschis, cu arderea combustibilului la presiune constantă (p = const) și GTU, care funcționează în ciclu închis.

În prezent, turbinele cu gaz pentru nave sunt de două tipuri: 1) turbocompresoare și 2) cu generatoare de gaz cu piston liber (LPGG).

În Fig. 101. Compresorul 9 aspiră aer curat din atmosferă, îl comprimă la presiune ridicată și îl livrează prin conducta de aer3 în camera de ardere 2, unde simultan prin duza1 este furnizat combustibil. Combustibilul, atunci când este amestecat cu aer, formează un amestec de lucru, care arde atunci cândR = const. Produșii de combustie rezultați sunt răciți de aer și direcționați în calea de curgere a turbinei. În paletele staționare 4, produsele de ardere se extind și cu viteză mare intră în paletele de lucru 5, unde energia cinetică a fluxului de gaz este transformată în lucru mecanic de rotație a arborelui. Prin conducta 6, gazele de evacuare părăsesc turbina. Turbina cu gaz rotește compresorul 9 și prin cutia de viteze7 elicea 8. Pentru pornirea instalatiei se foloseste un motor de pornire 10, care invarte compresorul la o viteza minima de rotatie.

Aceeași figură arată ciclul teoretic al unității de turbină cu gaz considerată în coordonatele p - ? ȘiS - T: AB - procesul de comprimare a aerului în compresor; BC-arderea combustibilului la presiune constantă în camera de ardere; SD - dilatarea gazului în turbină, DA - îndepărtarea căldurii din gazele de eșapament.

Pentru a crește eficiența funcționării turbinei cu gaz, se utilizează încălzirea regenerativă a aerului care intră în camera de ardere sau arderea în etape a combustibilului în mai multe camere de ardere succesive care deservesc turbine individuale. Datorită complexității sale de proiectare, arderea în etape este rar utilizată. Pentru a crește eficiența efectivă a instalației, alături de regenerare, se utilizează comprimarea aerului în două trepte, în timp ce între compresoare este inclus un intercooler de aer, ceea ce reduce puterea necesară a compresorului de înaltă presiune.

În fig. 102 prezintă o diagramă a celei mai simple instalații de turbină cu gaz cu ardere a combustibilului laR = const și recuperare de căldură. Aer comprimat într-un compresor1 , trece prin regeneratorul 2 în camera de ardere3 , unde este încălzit de căldura gazelor de evacuare care părăsesc turbina 4 la o temperatură relativ ridicată. Ciclul real al acestei instalații este prezentat în diagrama S-T (Fig. 103): procesul de comprimare a aerului în compresor1 - 2 ; încălzirea aerului din regenerator, însoțită de o scădere a presiunii dinR 2 inainte deR 4 2 - 3; furnizarea de căldură în timpul arderii combustibilului 3 - 4; procesul real de expansiune a gazului în turbine4-5 ; răcirea gazelor în regenerator, însoțită de pierderea presiunii p 5 -R 1 5-6; eliberare de gaze - îndepărtarea căldurii6-1 . Cantitatea de căldură primită de aer în regenerator este reprezentată de o zonă de 2"-2-3-3", iar cantitatea de căldură degajată de gazele de evacuare din regenerator este reprezentată de o zonă de ​6"-6-5-5". Aceste zone sunt egale între ele.

Într-o unitate cu turbină cu gaz cu ciclu închis, fluidul de lucru uzat nu intră în atmosferă, dar după pre-răcire este trimis din nou la compresor. În consecință, în ciclu circulă un fluid de lucru care nu este contaminat cu produse de ardere. Acest lucru îmbunătățește condițiile de funcționare a pieselor de curgere a turbinei, rezultând o fiabilitate crescută a instalației și o creștere a duratei de viață a acesteia. Produsele de ardere nu se amestecă cu fluidul de lucru și, prin urmare, orice tip de combustibil este potrivit pentru ardere.

În fig. 104 prezentat schema circuitului unitate de turbină marină cu gaz cu ciclu închis pentru toate regimurile. Aerul după prerăcire din răcitorul de aer 4 intră în compresor5 , care este antrenat de o turbină de înaltă presiune7 . Aerul din compresor este direcționat către regenerator3 , și apoi în încălzitorul de aer 6, care îndeplinește același rol ca și camera de ardere din instalații tip deschis. Din încălzitorul de aer, aerul de lucru la o temperatură de 700 ° C intră în turbina de înaltă presiune7 care rotește compresorul și apoi în turbina de joasă presiune2 , care prin cutia de viteze1 antrenează elicea cu pas reglabil. Motorul electric de pornire 8 este proiectat pentru a porni instalația în funcțiune. Dezavantajele turbinelor cu gaz cu ciclu închis includ volumul schimbătorilor de căldură.

Interes special reprezintă o unitate de turbină cu gaz cu ciclu închis cu un reactor nuclear. În aceste instalații, heliu, azot, dioxid de carbon. Aceste gaze nu sunt activate în reactor nuclear. Gazul încălzit în reactor la o temperatură ridicată este trimis direct să lucreze într-o turbină cu gaz.

Principalele avantaje ale turbinelor cu gaz în comparație cu turbinele cu abur sunt: ​​greutatea și dimensiunile reduse, deoarece nu există boiler și unitate de condensare cu mecanisme și dispozitive auxiliare; pornire rapidă și dezvoltare a puterii maxime în 10-15 minute\ consum foarte scăzut de apă de răcire; ușurința întreținerii.

Principalele avantaje ale turbinelor cu gaz în comparație cu motoarele cu ardere internă sunt: ​​absența unui mecanism de manivelă și a forțelor de inerție asociate; greutate redusă și dimensiuni cu putere mare (turbinele cu gaz sunt de 2-2,5 ori mai ușoare și lungime de 1,5-2 ori mai scurte decât motoarele diesel); posibilitatea de a lucra cu combustibil de calitate scăzută; costuri de operare mai mici. Dezavantajele turbinelor cu gaz sunt următoarele: durata de viață scurtă la temperaturi ridicate ale gazului (de exemplu, la o temperatură a gazului de 1173 ° K, durata de viață este de 500-1000 de ore); eficiență mai mică decât motoarele diesel; zgomot semnificativ în timpul funcționării.

În prezent, turbinele cu gaz sunt utilizate ca principalele motoare marine nave de transport. În unele cazuri, turbine cu gaz putere redusă utilizate ca motor de antrenare pentru pompe, generatoare electrice de urgență, compresoare de încărcare auxiliară, etc. Turbinele cu gaz sunt de interes deosebit ca motoare principale pentru navele cu hidrofoil și hovercraft.

Principiul de funcționare al turbinelor cu gaz

Fig.1. Schema unei unități de turbină cu gaz cu un motor cu turbină cu gaz cu un singur arbore de ciclu simplu

Aerul curat este furnizat compresorului (1) al unității de alimentare a turbinei cu gaz. Sub presiune ridicata aerul din compresor este direcționat în camera de ardere (2), unde este alimentat combustibilul principal - gaz. Amestecul se aprinde. Atunci când un amestec gaz-aer arde, energia este generată sub forma unui flux de gaze fierbinți. Acest flux se repezi cu viteză mare pe rotorul turbinei (3) și îl rotește. Energia cinetică de rotație prin arborele turbinei antrenează compresorul și generatorul electric (4). De la bornele generatorului electric, energia electrica generata, de obicei printr-un transformator, este trimisa catre reteaua electrica, catre consumatorii de energie.

Turbinele cu gaz sunt descrise de ciclul termodinamic Brayton Ciclul Brayton/Joule este un ciclu termodinamic care descrie procesele de funcționare ale motoarelor cu combustie internă cu turbine cu gaz, turboreactor și ramjet, precum și motoare cu ardere externă cu turbine cu gaz cu o buclă închisă a unui gaz. fluid de lucru (monofazat).

Ciclul poartă numele inginer american George Brayton, care a inventat motorul cu combustie internă cu piston care a funcționat pe acest ciclu.

Uneori, acest ciclu este numit și ciclu Joule - în onoarea fizicianului englez James Joule, care a stabilit echivalentul mecanic al căldurii.

Fig.2. Diagrama P,V Ciclul Brighton

Ciclul ideal Brayton constă din următoarele procese:

• 1-2 Compresie izoentropică.
• 2-3 Furnizare de căldură izobară.
• 3-4 Expansiune izoentropică.
• 4-1 Eliminarea căldurii izobară.

Luând în considerare diferențele dintre procesele adiabatice reale de expansiune și compresie față de cele izoentropice, se construiește un ciclu Brayton real (1-2p-3-4p-1 pe diagrama T-S) (Fig. 3)

Fig.3. Diagrama T-S Ciclul Brighton
Perfect (1-2-3-4-1)
Real (1-2p-3-4p-1)

Eficiența termică a unui ciclu Brayton ideal este de obicei exprimată prin formula:

• unde P = p2 / p1 este gradul de creștere a presiunii în procesul de compresie izoentropică (1-2);
• k - indice adiabatic (pentru aer egal cu 1,4)

Trebuie remarcat în special că această metodă general acceptată de calculare a eficienței ciclului ascunde esența procesului care are loc. Eficiența limită a unui ciclu termodinamic este calculată prin raportul de temperatură folosind formula Carnot:

• unde T1 este temperatura frigiderului;
• T2 - temperatura încălzitorului.

Exact același raport de temperatură poate fi exprimat prin mărimea rapoartelor de presiune utilizate în ciclu și prin indicele adiabatic:

Astfel, eficiența ciclului Brayton depinde de temperaturile inițiale și finale ale ciclului exact în același mod ca eficiența ciclului Carnot. Cu o încălzire infinitezimală a fluidului de lucru de-a lungul liniei (2-3), procesul poate fi considerat izoterm și complet echivalent cu ciclul Carnot. Cantitatea de încălzire a fluidului de lucru T3 în timpul unui proces izobaric determină cantitatea de lucru legată de cantitatea de fluid de lucru utilizată în ciclu, dar nu afectează în niciun fel eficiența termică a ciclului. Cu toate acestea, când implementare practică ciclu, încălzirea se realizează de obicei la cele mai mari valori posibile, limitate de rezistența la căldură a materialelor utilizate, pentru a minimiza dimensiunea mecanismelor care realizează compresia și dilatarea fluidului de lucru.

În practică, frecarea și turbulența provoacă:

• Compresie non-adiabatică: pentru un dat coeficient general presiune, temperatura de descărcare a compresorului este mai mare decât cea ideală.
• Expansiune non-adiabatică: Deși temperatura turbinei scade la nivelul necesar pentru funcționare, compresorul nu este afectat, raportul de presiune este mai mare, rezultând o expansiune insuficientă pentru a asigura o funcționare utilă.
• Pierderi de presiune în admisia aerului, camera de ardere și evacuarea: ca urmare, dilatarea nu este suficientă pentru a asigura o funcționare utilă.

Ca și în cazul tuturor motoarelor termice ciclice, cu cât temperatura de ardere este mai mare, cu atât eficiența este mai mare. Factorul limitativ este capacitatea oțelului, nichelului, ceramicii sau a altor materiale care alcătuiesc motorul de a rezista la căldură și presiune. Multă tehnologie este folosită pentru îndepărtarea căldurii din piesele turbinei. Majoritatea turbinelor încearcă, de asemenea, să recupereze căldura din gazele de eșapament care altfel ar fi risipite.

Recuperatoarele sunt schimbătoare de căldură care transferă căldura de la gazele de evacuare la aer comprimat înainte de ardere. În ciclul combinat, căldura este transferată către sistemele cu turbine cu abur. Iar în producția combinată de căldură și energie (cogenerare), căldura reziduală este folosită pentru a produce apă caldă.

Din punct de vedere mecanic, turbinele cu gaz pot fi mult mai simple decât motoarele cu ardere internă cu piston. Turbinele simple pot avea o singură parte mobilă: ansamblul arbore/compresor/turbină/rotor alternativ (vezi imaginea de mai jos), fără a include sistemul de alimentare.

Fig.4. Această mașină are un compresor radial cu o singură treaptă,
turbină, recuperator și rulmenți de aer.

Turbinele mai complexe (cele utilizate în motoarele cu reacție moderne) pot avea mai mulți arbori (bobine), sute de pale de turbină, pale de stator în mișcare și un sistem extins de conducte complexe, camere de ardere și schimbătoare de căldură.

În general, cu cât motorul este mai mic, cu atât viteza arborelui (arborilor) este mai mare necesară pentru a menține viteza maximă liniară a palelor.

Viteza maximă a palelor turbinei determină presiune maximă care poate fi atins, rezultând o putere maximă, indiferent de dimensiunea motorului. Motorul cu reacție se rotește la aproximativ 10.000 rpm și micro-turbina la aproximativ 100.000 rpm.



Centralele electrice de putere relativ scăzută pot include atât motoare cu turbină cu gaz (GTE) cât și motoare cu piston (RP). În acest sens, clienții au adesea o întrebare: care unitate este de preferat. Și, deși este imposibil să răspundem fără echivoc, scopul acestui articol este o încercare de a înțelege această problemă.

Introducere

Selectarea tipului de motor, precum și a numărului acestora, pentru a conduce generatoarele electrice la o centrală electrică de orice capacitate este o sarcină tehnică și economică complexă. Încercările de a compara motoarele cu piston și turbine cu gaz ca acționări se fac cel mai adesea cu condiția ca acestea să fie folosite ca combustibil gaz natural. Avantajele și dezavantajele lor fundamentale au fost analizate în literatura tehnică, în broșurile publicitare ale producătorilor de centrale electrice cu motoare cu piston și chiar pe Internet.

De regulă, sunt furnizate informații generalizate despre diferența de consum de combustibil și costul motoarelor fără a lua în considerare puterea și condițiile de funcționare ale acestora. Se remarcă adesea că este de preferat să se formuleze centrale electrice cu o capacitate de 10-12 MW pe baza motoarelor cu piston, iar pentru centrale mai mari pe baza motoarelor cu turbină cu gaz. Aceste recomandări nu trebuie luate ca o axiomă. Un lucru este evident: fiecare tip de motor are propriile avantaje și dezavantaje, iar atunci când alegeți o unitate, sunt necesare câteva criterii, cel puțin orientative, cantitative pentru evaluarea lor.

În prezent, piața energetică din Rusia oferă o gamă destul de largă de motoare cu piston și turbine cu gaz. Dintre motoarele cu piston predomină motoarele de import, iar printre motoarele cu turbine cu gaz predomină cele autohtone.

Informatii despre caracteristici tehnice ah motoare cu turbină cu gaz și centrale electrice bazate pe acestea, propuse pentru funcționare în Rusia, în anul trecut sunt publicate în mod regulat în „Catalogul de echipamente pentru turbine cu gaz”.

Informații similare despre motoarele cu piston și centralele electrice din care fac parte pot fi adunate numai din broșurile publicitare ale companiilor ruse și străine care furnizează acest echipament. Informațiile despre costul motoarelor și centralelor electrice nu sunt de cele mai multe ori publicate, iar informațiile publicate nu sunt adesea adevărate.

Comparație directă a motoarelor cu piston și turbine cu gaz

Prelucrarea informațiilor disponibile ne permite să generăm tabelul de mai jos, care conține atât evaluarea cantitativă, cât și calitativă a avantajelor și dezavantajelor motoarelor cu piston și turbine cu gaz. Din păcate, unele dintre caracteristici sunt preluate din materiale publicitare, a căror acuratețe completă este extrem de dificil sau aproape imposibil de verificat. Datele necesare pentru verificarea performanței motoarelor și centralelor individuale, cu rare excepții, nu sunt publicate.

Desigur, cifrele date sunt generalizate; pentru anumite motoare vor fi strict individuale. În plus, unele dintre ele sunt date în conformitate cu Standardele ISO, iar condițiile reale de funcționare ale motoarelor diferă semnificativ de cele standard.

Informațiile furnizate oferă doar Caracteristici calitative motoare și nu pot fi utilizate la selectarea echipamentelor pentru o anumită centrală electrică. Se pot face câteva comentarii pentru fiecare poziție din tabel.

Index	tipul motorului
	Piston	Turbina de gaz
Gama de puteri ale motorului unității (ISO), MW	0.1 - 16.0	0.03 - 265.0
Schimbarea puterii la temperatura constanta aerul exterior	Mai stabil când sarcina este redusă cu 50%. Eficiența scade cu 8-10%	Mai puțin stabil când sarcina este redusă cu 50%. Eficiența scade cu 50%
Influența temperaturii aerului exterior asupra puterii motorului	Practic, niciun efect	Când temperatura scade la -20°C, puterea crește cu aproximativ 10-20%, când crește la +30°C, scade cu 15-20%
Influența temperaturii aerului exterior asupra eficienței motorului	Practic, niciun efect	Când temperatura scade la -20°C, eficiența crește cu aproximativ 1,5% abs.
Combustibil	Gazos, lichid	Gazos, lichid (la comandă specială)
Presiunea gazului combustibil necesar, MPa	0.01 - 0.035	Mai mult de 1,2
Eficiența generării de energie electrică atunci când funcționează pe gaz (ISO)	de la 31% la 48%	Într-un ciclu simplu de la 25% la 38%, într-un ciclu combinat - de la 41% la 55%
Raportul dintre puterea electrică și cantitatea de căldură recuperată, MW/MW (ISO)	1/(0.95-1.3)	1/(1.4-4.0)
Posibilități de utilizare a căldurii de evacuare recuperate	Doar pentru încălzirea apei la temperaturi peste 115°C	Pentru producerea de abur pentru producerea de energie electrică, refrigerare, desalinizarea apei etc., pentru încălzirea apei la o temperatură de 150°C
Influența temperaturii aerului exterior asupra cantității de căldură recuperată	Practic, niciun efect	Când temperatura aerului scade, cantitatea de căldură în prezența unui reglabil aparatul scapular pentru o turbină cu gaz aproape că nu scade; în absența ei, scade
Resursa motorie, h	Mai mult: până la 300.000 pentru motoarele cu turație medie	Mai puțin: până la 100.000
Rata de creștere a costurilor de exploatare odată cu creșterea duratei de viață	Mai puțin înalt	Superior
Greutatea unității de putere (motor cu generator electric și echipament auxiliar), kg/kW	Semnificativ mai mare: 22,5	Semnificativ mai mic: 10
Dimensiunile unității de alimentare, m	Mai mult: 18,3x5,0x5,9 cu o putere unitară de 16 MW fără sistem de răcire	Mai puțin: 19,9x5,2x3,8 cu o putere unitară de 25 MW
Consum specific ulei, g/kW*h	0.3 - 0.4	0.05
Numărul de porniri	Nu este limitat și nu afectează reducerea duratei de viață a motorului	Nu se limitează, dar afectează reducerea duratei de viață a motorului
Mentenabilitatea	Reparațiile se pot face la fața locului și necesită mai puțin timp	Reparațiile sunt posibile la o unitate specială
Costul reviziei	Mai ieftin	Scump
Ecologie	Specific - în mg/m3 - mai mult, dar volumul emisiilor nocive în m3 este mai mic	Specific - în mg/m3 - mai puțin, dar volumul emisiilor în m3 este mai mare
Costul unității de alimentare	Mai puțin pentru puterea motorului unității de până la 3,5 MW	Mai puțin pentru o putere unitară a motorului mai mare de 3,5 MW

Piața energiei oferă o selecție foarte mare de motoare cu diferențe semnificative în caracteristicile tehnice. Concurența între motoarele din tipurile luate în considerare este posibilă numai în intervalul de putere electrică unitară de până la 16 MW. La puteri mai mari, motoarele cu turbine cu gaz înlocuiesc aproape complet motoarele cu piston.

Trebuie avut în vedere faptul că fiecare motor are caracteristici individuale și numai acestea ar trebui folosite atunci când alegeți tipul de unitate. Acest lucru face posibilă formularea compoziției echipamentului principal al unei centrale electrice de o putere dată în mai multe opțiuni, variind, în primul rând, puterea electrică și numărul de motoare necesare. Multipletatea opțiunilor face dificilă alegerea tipului de motor preferat.

Despre eficiența motoarelor cu piston și turbine cu gaz

Cea mai importantă caracteristică a oricărui motor dintr-o centrală este randamentul de generare a energiei (EP), care determină volumul principal, dar nu și complet, al consumului de gaz. Prelucrarea datelor statistice privind valorile de eficiență face posibilă arătarea clară a domeniilor de aplicare în care, conform acestui indicator, un tip de motor are avantaje față de altul.

Locația și configurația relativă a celor trei evidențiate în Fig. 1 zone în care sunt situate imaginile cu puncte ale valorilor electrice Eficiența diverselor motoare, ne permite să tragem câteva concluzii:

• chiar și în cadrul aceluiași tip de motor de aceeași putere, există o răspândire semnificativă a valorilor de eficiență pentru generarea de energie electrică;
• cu o putere unitară mai mare de 16 MW, motoarele cu turbină cu gaz în ciclu combinat asigură o valoare a randamentului de peste 48% și au monopol pe piață;
• randamentul electric al motoarelor cu turbină cu gaz cu o putere de până la 16 MW, care funcționează atât în ​​cicluri simple, cât și în cicluri combinate, este mai mic (uneori foarte semnificativ) decât cel al motoarelor cu piston;
• motoare cu turbină cu gaz cu o putere unitară de până la 1 MW, care au apărut pe piață în În ultima vreme, din punct de vedere al randamentului depășesc motoarele de 2-8 MW, care sunt cel mai des folosite astăzi în centralele electrice;
• natura modificării eficienței motoarelor cu turbină cu gaz are trei zone: două cu o valoare relativ constantă - 27, respectiv 36%, și una cu o valoare variabilă - de la 27 la 36%; în două zone, eficiența depinde slab de puterea electrică;
• Valoarea eficienței pentru generarea de energie electrică a motoarelor cu piston este în constantă dependență de puterea lor electrică.

Cu toate acestea, acești factori nu reprezintă un motiv pentru a acorda prioritate motoarelor cu piston. Chiar dacă centrala produce doar energie electrica, atunci când comparați opțiunile de compoziție a echipamentelor cu diferite tipuri de motoare, va trebui să efectuați calcule economice. Este necesar să se demonstreze că costul gazului economisit va acoperi diferența de cost al motoarelor cu piston și turbine cu gaz, precum și echipamente suplimentare pentru acestea. Cantitatea de gaz economisită nu poate fi determinată dacă modul de funcționare al stației de alimentare cu energie electrică iarna și iarna este necunoscut. ora de vara. În mod ideal, sunt cunoscute sarcinile electrice necesare - maxime (zi de lucru de iarnă) și minime (weekend de vară).

Utilizarea atât a energiei electrice, cât și a energiei termice

Dacă centrala electrică trebuie să producă nu numai energie electrică, ci și termică, atunci va fi necesar să se determine din ce surse este posibil să se acopere consumul termic. De regulă, există două astfel de surse - căldura recuperată a motorului și/sau camera cazanului.

Motoarele cu piston folosesc căldura uleiului de răcire, a aerului comprimat și a gazelor de eșapament, în timp ce motoarele cu turbină cu gaz utilizează doar căldura gazelor de eșapament. Cantitatea principală de căldură este recuperată din gazele de eșapament folosind schimbătoare de căldură reziduală (RHE).

Cantitatea de căldură recuperată depinde în mare măsură de modul de funcționare al motorului pentru generarea de energie electrică și de condițiile climatice. Evaluarea incorectă a modurilor de funcționare a motorului în timp de iarna va duce la erori în determinarea cantităţii de căldură recuperată şi alegere greșită capacitatea instalată a cazanelor.

Graficele din fig. 2 arată posibilitățile de eliberare a căldurii recuperate de la motoarele cu turbine cu gaz și cu piston în scopul furnizării de căldură. Punctele de pe curbe corespund datelor producătorului privind capacitățile echipamentelor existente pentru recuperarea căldurii. Producătorii instalează diferite UTO-uri pe un motor de aceeași putere electrică, în funcție de sarcini specifice.

Avantajele motoarelor cu turbine cu gaz în ceea ce privește generarea de căldură sunt incontestabile. Acest lucru este valabil mai ales pentru motoare putere electrica 2-10 MW, ceea ce se explică relativ valoare mica randamentul lor electric. Pe măsură ce eficiența motoarelor cu turbină cu gaz crește, cantitatea de căldură recuperată trebuie inevitabil să scadă.

Atunci când alegeți un motor cu piston pentru alimentarea cu energie și căldură la o anumită instalație, necesitatea de a utiliza o cameră de cazane ca parte a unei centrale electrice este aproape fără îndoială. Funcționarea unei camere de cazane necesită o creștere a consumului de gaz dincolo de cea necesară producerii de energie electrică. Se pune întrebarea cu privire la modul în care costurile cu gaz pentru alimentarea cu energie electrică a instalației diferă, dacă într-un caz se folosesc doar motoare cu turbină cu gaz cu recuperare de căldură din gazele de eșapament, iar în celălalt, se folosesc motoare cu piston cu recuperare de căldură și o cameră de cazane. . Numai după un studiu amănunțit al caracteristicilor consumului de energie electrică și căldură al unui obiect se poate răspunde la această întrebare.

Dacă presupunem că consumul de căldură estimat al unui obiect poate fi acoperit complet de căldura recuperată a unui motor cu turbină cu gaz, iar lipsa căldurii atunci când se utilizează un motor cu piston este compensată de camera cazanului, atunci este posibil să se identifice natura a modificării consumului total de gaz pentru alimentarea cu energie a obiectului.

Folosind datele din fig. 1 și 2, este posibil pentru punctele caracteristice ale zonelor marcate în Fig. 1, obțineți informații despre economiile de gaz sau excesul de consum atunci când utilizați diferite tipuri de unități. Ele sunt prezentate în tabel:

Valorile absolute ale economiilor de gaze sunt valabile numai pentru un anumit obiect, ale cărui caracteristici au fost incluse în calcul, dar natura generală a dependenței este reflectată corect, și anume:
cu valori relativ apropiate ale eficienței electrice (diferență de până la 10%), utilizarea motoarelor cu piston și a unui cazan duce la un consum excesiv de combustibil;

• cu valori relativ apropiate ale eficienței electrice (diferență de până la 10%), utilizarea motoarelor cu piston și a unui cazan duce la un consum excesiv de combustibil;
• dacă diferența de eficiență este mai mare de 10%, funcționarea motoarelor cu piston și a camerei cazanelor va necesita mai puțin gaz decât pentru motoarele cu turbină cu gaz;
• există un anumit punct cu economii maxime de gaz atunci când se utilizează motoare cu piston și o cameră de cazane, unde diferența dintre valorile eficienței motorului este de 13-14%;
• Cu cât valoarea eficienței unui motor cu piston este mai mare și cu cât eficiența unui motor cu turbină cu gaz este mai mică, cu atât economiile de gaz sunt mai mari.

Ca supliment

De regulă, sarcina nu se limitează la alegerea tipului de acționare; este necesar să se determine compoziția principalului echipament al centralei electrice - tipul de unități, numărul acestora, echipamentul auxiliar.

Alegerea motoarelor pentru a produce cantitatea necesară de energie electrică determină posibilitatea de a genera căldură recuperată. În acest caz, este necesar să se ia în considerare toate caracteristicile modificărilor caracteristicilor tehnice ale motorului asociate cu condițiile climatice, cu natura sarcina electricași să determine impactul acestor modificări asupra degajării căldurii recuperate.

De asemenea, este necesar să ne amintim că centrala electrică include nu numai motoare. Amplasamentul său găzduiește de obicei peste o duzină de structuri auxiliare, a căror funcționare afectează și tehnica și indicatori economici centrale electrice.

După cum sa indicat deja, componența echipamentelor centralei electrice din punct de vedere tehnic poate fi formată în mai multe opțiuni, astfel încât alegerea sa finală nu poate fi justificată decât din punct de vedere economic.

În același timp, cunoașterea caracteristicilor motoarelor specifice și a impactului acestora asupra performanței economice a viitoarei centrale electrice este extrem de importantă. Atunci când se efectuează calcule economice, este inevitabil să se ia în considerare durata de viață, mentenabilitatea, timpul și costul reparatii majore. Acești indicatori sunt, de asemenea, individuali pentru fiecare motor specific, indiferent de tipul acestuia.

Nu poate fi exclusă influența factorilor de mediu asupra alegerii tipului de motoare pentru o centrală electrică. Condițiile atmosferice din zona în care urmează să funcționeze centrala pot fi un factor major în determinarea tipului de motor (în ciuda oricăror considerente economice).

După cum sa menționat deja, datele privind costul motoarelor și centralelor electrice pe baza acestora nu sunt publicate. Producătorii sau furnizorii de echipamente se referă la posibile diferențe de configurație, condiții de livrare și alte motive. Doar după completarea chestionarului companiei vor fi prezentate prețurile. Prin urmare, informațiile din primul tabel conform cărora costul motoarelor cu piston cu o putere de până la 3,5 MW este mai mic decât costul motoarelor cu turbină cu gaz de aceeași putere se pot dovedi a fi incorecte.

Concluzie

Astfel, în clasa de putere unitară de până la 16 MW, nu se poate acorda o preferință clară nici motoarelor cu turbină cu gaz, nici motoarelor cu piston. Doar o analiză amănunțită a condițiilor de funcționare așteptate ale unei anumite centrale electrice pentru generarea de energie electrică și căldură (ținând cont de caracteristicile motoarelor specifice și a numeroși factori economici) va face posibilă justificarea pe deplin a alegerii tipului de motor. O companie specializată poate determina compoziția echipamentului la nivel profesional.

Referințe

1. Gabich A. Aplicarea motoarelor cu turbine cu gaz de putere redusă în sectorul energetic // Tehnologii cu turbine cu gaz. 2003, nr 6. P. 30-31.
2. Burov V. D. Turbine cu gaz și motoare cu piston cu gaz centrale electrice putere redusă // Jurnal de minerit. 2004, număr special. pp. 87-89.133.
3. Catalog echipamente turbine cu gaz // Tehnologii turbine cu gaz. 2005. P. 208.
4. Salikhov A. A., Fatkulin R. M., Abrahmanov P. P., Shchaulov V. Yu. Dezvoltarea mini-CHP folosind motoare cu piston pe gaz în Republica Bashkortostan // Știri despre furnizarea de căldură. 2003, nr 11. p. 24-30.

Acest articol cu ​​mici modificări este preluat din revista „Turbine și Diesel”, Nr.1(2) pentru anul 2006.
Autor - V.P. Vershinsky, Gazpromenergoservice LLC.

La fel ca un motor diesel sau pe benzină, o turbină cu gaz este un motor cu ardere internă cu un ciclu de lucru de admisie-compresie-combustie (expansiune)-evacuare. Dar mișcarea de bază este semnificativ diferită. Corpul de lucru al unei turbine cu gaz se rotește, iar într-un motor cu piston se mișcă înainte și înapoi.

Principiul de funcționare al unei turbine cu gaz este prezentat în figura de mai jos. Mai întâi, aerul este comprimat de un compresor, apoi aerul comprimat este furnizat în camera de ardere. Aici combustibilul arde continuu, producand gaze cu temperatura si presiune ridicata. Din camera de ardere, gazul, care se extinde în turbină, presează paletele și rotește rotorul turbinei (un arbore cu rotoare sub formă de discuri care poartă palete de lucru), care, la rândul său, rotește din nou arborele compresorului. Energia rămasă este îndepărtată prin arborele de operare.

Caracteristicile turbinelor cu gaz

Tipuri de turbine cu gaz după proiectare și scop

Cel mai elementar tip de turbină cu gaz este cel care creează împingere de către un curent cu jet și este, de asemenea, cel mai simplu în design.
Acest motor este potrivit pentru aeronavele care zboară de mare vitezăși este folosit în avioanele supersonice și avioanele de luptă.

Acest tip are o turbină separată în spatele motorului cu turboreacție, care învârte un ventilator mare în față. Acest ventilator crește fluxul de aer și curentul de aer.
Acest tip este zgomot redus și economic la viteze subsonice, motiv pentru care turbinele cu gaz de acest tip sunt folosite pentru a alimenta motoarele de avioane de pasageri.

Această turbină cu gaz produce putere ca cuplu, atât la turbină, cât și la compresor arbore comun. O parte din puterea utilă a turbinei este utilizată pentru a roti axul compresorului, iar restul energiei este transferată la arborele de lucru.
Acest tip este utilizat atunci când este necesară o viteză de rotație constantă, de exemplu, ca un generator.

La acest tip, o a doua turbină este plasată după turbina generatoare de gaz și forța de rotație este transmisă acesteia de către curentul cu jet. Această turbină din spate se numește turbină de putere. Deoarece arborii turbinei de putere și compresorului nu sunt conectați mecanic, viteza de rotație a arborelui de lucru este reglabilă liber. Potrivit ca un motor mecanic cu o gamă largă de viteze de rotație.
Acest tip este utilizat pe scară largă în avioanele și elicopterele cu elice, precum și în aplicații precum acționările pompe/compresor, motoare principale marine, acționări generatoare etc.

Ce este o turbină cu gaz din seria GREEN?

Filosofia pe care Kawasaki a urmat-o în domeniul turbinelor cu gaz de la dezvoltarea primei noastre turbine cu gaz în 1972 ne-a permis să oferim clienților echipamente din ce în ce mai avansate, mai eficiente din punct de vedere energetic și mai ecologice. Ideile încorporate în produsele noastre au fost foarte apreciate de piața mondială și ne-au permis să acumulăm referințe pentru peste 10.000 de turbine (la sfârșitul lunii martie 2014) ca parte a generatoarelor de rezervă și a sistemelor de cogenerare.
Turbinele cu gaz Kawasaki au avut întotdeauna mare succes, iar noi, arătându-ne angajamentul și mai mare față de acest principiu, le-am dat o nouă denumire „Turbine cu gaz VERDE”.