Construcția de turbine cu gaz. Turbinele cu gaz sunt unități de putere fiabile ale centralelor electrice moderne

Articolul descrie modul în care se calculează eficiența celei mai simple turbine cu gaz și oferă tabele cu diferite turbine cu gaz și turbine cu gaz cu ciclu combinat pentru a compara eficiența acestora și alte caracteristici.

În domeniul utilizării industriale a turbinelor cu gaz și a tehnologiilor cu ciclu combinat, Rusia este semnificativ în urma țărilor avansate ale lumii.

Lideri mondiali în producția de centrale pe gaz și cu ciclu combinat de mare putere: GE, Siemens Wistinghouse, ABB - au atins valori de putere unitare a turbinelor cu gaz de 280-320 MW și o eficiență de peste 40%, cu o utilizare. suprastructură de putere cu abur în ciclu combinat (numit și binar) - putere de 430- 480 MW cu eficiență de până la 60%. Dacă aveți întrebări despre fiabilitatea unităților CCGT, citiți articolul.

Aceste cifre impresionante servesc drept linii directoare în determinarea căilor de dezvoltare pentru industria rusă de inginerie energetică.

Cum se determină randamentul unei turbine cu gaz?

Să oferim câteva formule simple pentru a arăta ce este eficiența unitate cu turbină cu gaz:

Puterea internă a turbinei:

• Nт = Gух * Lт, unde Lт – funcționarea turbinei, Gух – debitul gazelor de eșapament;

Puterea internă a turbinei cu gaz:

• Ni gtu = Nt – Nk, unde Nk este puterea internă a compresorului de aer;

Puterea efectivă a turbinei cu gaz:

• Neph = Ni gtu * eficientă mech, eficiență mech – eficiență asociată cu pierderi mecaniceîn rulmenți, se poate lua 0,99

Energie electrică:

• Nel = Ne * Eg eficiență, unde Eg eficiență este randamentul asociat cu pierderile în generatorul electric, putem lua 0,985

Căldura combustibil disponibilă:

• Q run = Gtop * Qrn, unde Gtop este consumul de combustibil, Qrn este căldura de lucru mai scăzută a arderii combustibilului

Eficiența electrică absolută a unei unități cu turbină cu gaz:

• Eficiență = Nel/Q disp

Eficiența CCGT este mai mare decât eficiența GTUîntrucât instalația de abur-gaz folosește căldura gazelor de eșapament ale unității cu turbină cu gaz. Un cazan de căldură reziduală este instalat în spatele turbinei cu gaz în care căldura din gazele de evacuare ale turbinei cu gaz este transferată în fluidul de lucru (apa de alimentare), aburul generat este trimis la turbina cu abur pentru a genera energie electrică și căldură.

Citeste si: Cum să alegi o unitate cu turbină cu gaz pentru o stație cu o unitate CCGT

Eficiența unei unități CCGT este de obicei reprezentată de raportul:

• Eficiență PSU = Eficiență GTU*B+(Eficiență 1-GTU*B)*Eficiență PSU

B – gradul de binaritate al ciclului

Eficiența PSU - eficiența centralei cu abur

• B = Qks/(Qks+Qku)

Qкс – căldura combustibilului ars în camera de ardere a unei turbine cu gaz

Qку – căldura combustibilului suplimentar ars în cazanul de căldură reziduală

Se observă că dacă Qky = 0, atunci B = 1, adică instalarea este complet binară.

Influența gradului de binaritate asupra eficienței unităților CCGT

B	Eficiența GTU	Eficiența câinelui	Eficiența PGU
1	0,32	0,3	0,524
1	0,36	0,32	0,565
1	0,36	0,36	0,590
1	0,38	0,38	0,612
0,3	0,32	0,41	0,47
0,4	0,32	0,41	0,486
0,3	0,36	0,41	0,474
0,4	0,36	0,41	0,495
0,3	0,36	0,45	0,51
0,4	0,36	0,45	0,529

Să prezentăm secvențial tabelele cu caracteristicile de eficiență ale unității cu turbină cu gaz și, după acestea, performanța unităților cu turbină cu gaz cu ciclu combinat cu aceste mașini cu gaz și să comparăm eficiența unei unități individuale de turbină cu gaz și eficiența ciclului combinat. unitate cu turbină cu gaz.

Caracteristicile turbinelor moderne cu gaz puternice

Turbine cu gaz ABB

Caracteristică	Model GTU
	GT26GTU cu reîncălzire	GT24GTU cu reîncălzire
Putere ISO MW	265	183
Eficiență %	38,5	38,3
	30	30
	562	391
	1260	1260
	610	610
	50	50

Centrale cu ciclu combinat cu turbine cu gaz ABB

Turbine cu gaz GE

Caracteristică	Model GTU
	MS7001FA	MS9001FA	MS7001G	MS9001G
Putere ISO MW	159	226,5	240	282
Eficiență %	35,9	35,7	39,5	39,5
Raportul presiunii compresorului	14,7	14,7	23,2	23,2
Debitul fluidului de lucru la evacuarea turbinei cu gaz kg/s	418	602	558	685
Temperatura inițială, în fața lamelor de lucru 1 lingură. CU	1288	1288	1427	1427
Temperatura fluidului de lucru la evacuarea C	589	589	572	583
Frecvența de rotație a generatorului 1/s	60	50	60	50

Citeste si: De ce să construim centrale termice cu ciclu combinat? Care sunt avantajele centralelor pe gaz cu ciclu combinat.

Centrale cu ciclu combinat cu turbine cu gaz GE

Caracteristică	Model GTU
	MS7001FA	MS9001FA	MS7001G	MS9001G
Compoziția părții turbinei cu gaz a unității CCGT	1xMS7001FA	1xMS9001FA	1xMS9001G	1xMS9001H
Model CCGT	S107FA	S109FA	S109G	S109H
Putere CCGT MW	259.7	376.2	420.0	480.0
Eficiența CCGT %	55.9	56.3	58.0	60.0

Turbine cu gaz de la Siemens

Caracteristică	Model GTU
	V64.3A	V84.3A	V94.3A
Putere ISO MW	70	170	240
Eficiență %	36,8	38	38
Raportul presiunii compresorului	16,6	16,6	16,6
Debitul fluidului de lucru la evacuarea turbinei cu gaz kg/s	194	454	640
Temperatura inițială, în fața lamelor de lucru 1 lingură. CU	1325	1325	1325
Temperatura fluidului de lucru la evacuarea C	565	562	562
Frecvența de rotație a generatorului 1/s	50/60	60	50

Centrale cu ciclu combinat cu turbine cu gaz Siemens

Turbine cu gaz Westinghouse-Mitsubishi-Fiat

Caracteristică	Model GTU
	501F	501G	701F	701G1	701G2
Putere ISO MW	167	235,2	251,1	271	308
Eficiență %	36,1	39	37	38,7	39
Raportul presiunii compresorului	14	19,2	16,2	19	21
Debitul fluidului de lucru la evacuarea turbinei cu gaz kg/s	449,4	553,4	658,9	645	741
Temperatura inițială, în fața lamelor de lucru 1 lingură. CU	1260	1427	1260	1427	1427
Temperatura fluidului de lucru la evacuarea C	596	590	569	588	574
Frecvența de rotație a generatorului 1/s	60	60	50	50	50

O unitate tradițională de turbină cu gaz (GTU) modernă este o combinație între un compresor de aer, o cameră de ardere și o turbină cu gaz, precum și sisteme auxiliare care asigură funcționarea acesteia. Combinația dintre o unitate cu turbină cu gaz și un generator electric se numește unitate cu turbină cu gaz.

Este necesar să subliniem o diferență importantă între GTU și PTU. PTU-ul nu include un cazan mai precis, centrala este considerata ca sursa de caldura separata; cu această considerație, cazanul este o „cutie neagră”: apa de alimentare intră în el cu o temperatură de $t_(p.v)$, iar aburul iese cu parametrii $р_0$, $t_0$. O instalație de turbină cu abur nu poate funcționa fără un cazan ca obiect fizic. Într-o unitate cu turbină cu gaz, camera de ardere este elementul integral al acesteia. În acest sens, GTU-ul este autosuficient.

Instalațiile cu turbine cu gaz sunt extrem de diverse, poate chiar mai diverse decât instalațiile cu turbine cu abur. Mai jos vom analiza cele mai promițătoare și mai utilizate centrale cu turbine cu gaz cu ciclu simplu din sectorul energetic.

Diagramă schematică o astfel de unitate de turbină cu gaz este prezentată în figură. Aerul din atmosferă intră în admisia unui compresor de aer, care este o turbomașină rotativă cu o parte de curgere constând din grătare rotative și staționare. Raportul de presiune în aval de compresor p b la presiunea din fata lui p a se numește raportul de compresie al unui compresor de aer și este de obicei notat cu pk (pk = p b/p a). Rotorul compresorului este antrenat de o turbină cu gaz. Un curent de aer comprimat este furnizat către una, două sau mai multe camere de ardere. În cele mai multe cazuri, fluxul de aer care vine de la compresor este împărțit în două fluxuri. Primul flux este direcționat către dispozitivele arzătorului, unde este alimentat și combustibil (gaz sau combustibil lichid). Când combustibilul este ars, se formează produse de ardere a combustibilului la temperatură înaltă. Aerul relativ rece din al doilea flux este amestecat cu ele pentru a obține gaze (numite de obicei gaze de lucru) cu o temperatură acceptabilă pentru piesele turbinei cu gaz.

Gaze de lucru cu presiune r s (r s < p b datorită rezistenței hidraulice a camerei de ardere) sunt introduse în partea de curgere a unei turbine cu gaz, al cărei principiu de funcționare nu este diferit de principiul de funcționare al unei turbine cu abur (singura diferență este că turbina cu gaz funcționează pe produse de ardere a combustibilului, și nu pe abur). Într-o turbină cu gaz, gazele de lucru se extind până la presiunea aproape atmosferică p d, intrați în difuzorul de ieșire 14 și din acesta - fie direct în coș, fie mai întâi într-un schimbător de căldură care utilizează căldura gazelor de evacuare ale instalației de turbine cu gaz.

Datorită expansiunii gazelor într-o turbină cu gaz, aceasta din urmă produce energie. O parte foarte semnificativă (aproximativ jumătate) este cheltuită pentru acționarea compresorului, iar partea rămasă pentru acționarea generatorului electric. Aceasta este puterea utilă a turbinei cu gaz, care este indicată atunci când este etichetată.

Pentru a descrie circuitele turbinelor cu gaz, utilizați simboluri, similare cu cele folosite pentru școlile profesionale.

O turbină cu gaz nu poate fi mai simplă, deoarece conține un minim de componente necesare care asigură procese secvențiale de compresie, încălzire și dilatare a fluidului de lucru: un compresor, una sau mai multe camere de ardere care funcționează în aceleași condiții și o turbină cu gaz. Alături de turbinele cu gaz cu ciclu simplu, există turbine cu gaz cu ciclu complex, care pot conține mai multe compresoare, turbine și camere de ardere. În special, turbinele cu gaz de acest tip includ GT-100-750, construit în URSS în anii '70.

Este format din doi arbori. Compresorul de înaltă presiune este situat pe un arbore KVDși turbina de înaltă presiune care o conduce teatru de operații; acest arbore are o viteză de rotație variabilă. Turbina de joasă presiune este situată pe al doilea arbore TND, antrenând compresorul de joasă presiune KND si generator electric DE EXEMPLU; prin urmare acest arbore are o viteză de rotație constantă de 50 s -1. Aerul în cantitate de 447 kg/s vine din atmosferă în KNDși este comprimat în el la o presiune de aproximativ 430 kPa (4,3 atm) și apoi introdus în răcitorul de aer ÎN, unde se răcește cu apă de la 176 la 35 °C. Acest lucru reduce munca necesară comprimarii aerului într-un compresor de înaltă presiune KVD(raportul de compresie p k = 6,3). Din el, aerul intră în camera de ardere de înaltă presiune KSWD iar produsele de ardere cu o temperatură de 750 °C sunt trimise către teatru de operații. Din teatru de operații gazele care conțin cantități semnificative de oxigen intră în camera de ardere de joasă presiune KSND, în care se arde combustibil suplimentar și din acesta în TND. Gazele de evacuare la o temperatură de 390 °C ies fie în coș, fie într-un schimbător de căldură pentru a utiliza căldura gazelor de ardere.

Turbinele cu gaz nu sunt foarte economice din cauza temperaturii ridicate a gazelor de ardere. Creșterea complexității schemei face posibilă creșterea eficienței acesteia, dar în același timp necesită investiții de capital sporite și complică funcționarea.

Figura prezintă dispozitivul unității de turbină cu gaz Siemens V94.3. Aerul atmosferic de la un dispozitiv integrat de purificare a aerului (ACP) intră în mină 4 , și de la ea - la partea de flux 16 compresor de aer. Compresorul comprimă aerul. Raportul de compresie în compresoarele tipice este pc = 13-17, și astfel presiunea în unitatea turbinei cu gaz nu depășește 1,3-1,7 MPa (13-17 at). Aceasta este o altă diferență serioasă între o turbină cu gaz și o turbină cu abur, în care presiunea aburului este de 10-15 ori mai mare decât presiunea gazului din turbina cu gaz. Presiune scăzută mediu de lucru determină grosimea mică a pereților carcaselor și ușurința de încălzire a acestora. Acesta este ceea ce face ca turbina cu gaz să fie foarte manevrabilă, adică. capabil de porniri și opriri rapide. Dacă durează de la 1 oră la câteva ore pentru a porni o turbină cu abur, în funcție de starea sa de temperatură inițială, atunci o unitate de turbină cu gaz poate fi pusă în funcțiune în 10-15 minute.

Când este comprimat într-un compresor, aerul se încălzește. Această încălzire poate fi estimată folosind o relație aproximativă simplă:

$$T_a/T_b = \pi_к^(0,25)$$

in care T bȘi T a- temperaturi absolute ale aerului în spatele și în fața compresorului. Dacă, de exemplu, T a= 300 K, adică temperatura aerului ambiant este de 27 °C, iar p k = 16, atunci T b= 600 K și, prin urmare, aerul este încălzit de

$$\Delta t = (600-273)-(300-273) = 300°C.$$

Astfel, în spatele compresorului temperatura aerului este de 300-350 °C. Aerul dintre pereții conductei de flacără și corpul camerei de ardere se deplasează către dispozitivul arzător, căruia i se alimentează gazul combustibil. Deoarece combustibilul trebuie să intre în camera de ardere, unde presiunea este de 1,3-1,7 MPa, presiunea gazului trebuie să fie ridicată. Pentru a-și putea regla debitul în camera de ardere, presiunea gazului este necesară aproximativ de două ori mai mare decât presiunea din cameră. Dacă există o astfel de presiune în conducta de alimentare cu gaz, atunci gazul este furnizat în camera de ardere direct de la punctul de distribuție a gazului (GDP). Dacă presiunea gazului este insuficientă, atunci este instalat un compresor de gaz de rapel între unitatea de fracturare hidraulică și cameră.

Consumul de gaz combustibil reprezintă doar aproximativ 1-1,5% din consumul de aer provenit de la compresor, astfel încât crearea unui compresor de rapel de gaz extrem de economic prezintă anumite dificultăți tehnice.

În interiorul conductei de flacără 10 se formează produse de ardere la temperatură înaltă. După amestecarea aerului secundar la ieșirea din camera de ardere, acesta scade oarecum, dar ajunge totuși la 1350-1400 °C în turbinele cu gaz tipice moderne.

Din camera de ardere, gazele fierbinți intră în partea de curgere 7 turbina de gaz. În ea, gazele se extind până la presiunea aproape atmosferică, deoarece spațiul din spatele turbinei cu gaz comunică fie cu un coș de fum, fie cu un schimbător de căldură, a cărui rezistență hidraulică este scăzută.

Când gazele se extind într-o turbină cu gaz, puterea este creată pe arborele acesteia. Această putere este parțial consumată pentru a antrena compresorul de aer, iar excesul său este folosit pentru a antrena rotorul 1 generator electric. Unul dintre trasaturi caracteristice Sistemul cu turbine cu gaz constă în faptul că compresorul necesită aproximativ jumătate din puterea dezvoltată de turbina cu gaz. De exemplu, într-o unitate de turbină cu gaz cu o capacitate de 180 MW care este creată în Rusia (aceasta este puterea utilă), puterea compresorului este de 196 MW. Acesta este unul dintre diferențe fundamentale GTU de la PTU: în cel din urmă, puterea utilizată pentru comprimarea apei de alimentare chiar și la o presiune de 23,5 MPa (240 atm) este doar câteva procente din puterea turbinei cu abur. Acest lucru se datorează faptului că apa este un lichid slab compresibil, iar aerul necesită multă energie pentru a se comprima.

Într-o primă aproximare, destul de aproximativă, temperatura gazelor din spatele turbinei poate fi estimată folosind o relație simplă similară cu:

$$T_c/T_d = \pi_к^(0,25).$$

Prin urmare, dacă $\pi_к = 16$, iar temperatura din fața turbinei T s= 1400 °C = 1673 K, atunci temperatura din spatele acestuia este de aproximativ K:

$$T_d=T_c/\pi_к^(0,25) = 1673/16^(0,25) = 836.$$

Astfel, temperatura gazelor din spatele turbinei cu gaz este destul de ridicată, iar o cantitate semnificativă de căldură obținută din arderea combustibilului intră literalmente în coș. Prin urmare, atunci când o turbină cu gaz funcționează autonom, eficiența acesteia este scăzută: pentru turbinele cu gaz tipice este de 35-36%, adică. semnificativ mai mică decât eficiența PTU-ului. Problema, însă, se schimbă radical atunci când un schimbător de căldură (încălzitor de rețea sau cazan de căldură reziduală pentru un ciclu combinat) este instalat pe „coada” unității turbinei cu gaz.

În spatele turbinei cu gaz este instalat un difuzor - un canal care se extinde fără probleme, în timpul căruia presiunea de mare viteză a gazelor este parțial convertită în presiune. Acest lucru face posibilă existența unei presiuni în spatele turbinei cu gaz mai mică decât cea atmosferică, ceea ce crește eficiența a 1 kg de gaze în turbină și, prin urmare, crește puterea acesteia.

Dispozitiv compresor de aer. După cum sa indicat deja, un compresor de aer este o turbomașină la arborele căreia este furnizată puterea de la o turbină cu gaz; această putere este transferată aerului care curge prin traiectoria compresorului, drept urmare presiunea aerului crește până la presiunea din camera de ardere.

Figura prezintă un rotor de turbină cu gaz amplasat în lagăre de susținere; Elementele rotorului și statorului compresorului sunt clar vizibile în prim plan.

Din mină 4 aerul pătrunde în canalele formate de lamele rotative 2 paletă de ghidare de intrare nerotativă (VNA). sarcina principală VNA - conferă mișcare de rotație unui flux care se mișcă în direcția axială (sau radial-axială). Canalele VNA nu sunt fundamental diferite de canalele duzei unei turbine cu abur: sunt confuze (conice), iar fluxul din ele accelerează, dobândind simultan o componentă de viteză circumferențială.

La turbinele cu gaz moderne, paleta de ghidare de intrare este rotativă. Necesitatea unui VNA rotativ este cauzată de dorința de a preveni o scădere a eficienței atunci când sarcina pe instalația de turbine cu gaz scade. Ideea este că arborii compresorului și generatorului electric au aceeași frecvență de rotație, egală cu frecvența rețelei. Prin urmare, dacă nu utilizați VNA, atunci cantitatea de aer furnizată de compresor în camera de ardere este constantă și nu depinde de sarcina turbinei. Iar puterea unei turbine cu gaz poate fi schimbată doar prin schimbarea debitului de combustibil în camera de ardere. Prin urmare, cu o scădere a consumului de combustibil și o cantitate constantă de aer furnizată de compresor, temperatura gazelor de lucru scade atât în ​​fața turbinei cu gaz, cât și în spatele acesteia. Acest lucru duce la o scădere foarte semnificativă a eficienței unității turbinei cu gaz. Rotirea lamelor când sarcina în jurul axei este redusă 1 cu 25 - 30° vă permite să îngustați secțiunile de curgere ale canalelor VHA și să reduceți debitul de aer în camera de ardere, menținând un raport constant între debitul de aer și combustibil. Instalarea unei palete de ghidare de admisie face posibilă menținerea constantă a temperaturii gazelor în fața și în spatele turbinei cu gaz în domeniul de putere de aproximativ 100-80%.

Figura arată motorul lamelor VNA. O pârghie rotativă este atașată de axele fiecărei lame 2 care prin pârghie 4 conectat la inelul de rotire 1 . Dacă este necesar să schimbați debitul de aer, inelul 1 se rotește folosind tije și un motor electric cu o cutie de viteze; în acest caz toate pârghiile se rotesc simultan 2 și în consecință lamele VNA 5 .

Aerul învolburat cu ajutorul unui VHA intră în prima treaptă a compresorului de aer, care constă din două grătare: rotativă și staționară. Ambele grile, spre deosebire de grilele turbinei, au canale de expansiune (difuzor), adică. zona pentru trecerea aerului la admisie F 1 mai putin decat F 2 la ieșire.

Când aerul se deplasează într-un astfel de canal, viteza acestuia scade ( w 2 < w 1), iar presiunea crește ( R 2 > R 1). Din păcate, realizarea unei grile difuzorului economică, de exemplu. astfel încât debitul w 1 ar fi convertit în măsura maximă în presiune, și nu în căldură, posibil doar cu un grad mic de compresie R 2 /R 1 (de obicei 1,2 - 1,3), ceea ce duce la un număr mare de trepte de compresor (14 - 16 cu un raport de compresie p k = 13 - 16).

Figura arată debitul de aer în treapta compresorului. Aerul iese din aparatul cu duză rotativă de admisie (fixă) cu o viteză c 1 (vezi triunghiul superior al vitezelor), având răsucirea circumferențială necesară (a 1< 90°). Если расположенная за ВНА вращающаяся (рабочая) решетка имеет скорость u 1, apoi viteza relativă de intrare în el w 1 va fi egal cu diferența vectorială c 1 și u 1, iar această diferență va fi mai mare decât c 1 adică w 1 > c 1 . Când vă deplasați în canal, viteza aerului scade la valoarea w 2, iar acesta iese sub un unghi b2, determinat de inclinarea profilelor. Cu toate acestea, din cauza rotației și a furnizării de energie a aerului de la paletele rotorului, viteza acestuia Cu 2 în mișcare absolută va fi mai mare decât c 1 . Lamele grilei fixe sunt instalate astfel încât intrarea aerului în canal să fie fără șocuri. Deoarece canalele acestei rețele se extind, viteza în ea scade la valoare c„1, iar presiunea crește de la R 1 la R 2. Grila este concepută astfel încât c" 1 = c 1, a a „1 = a 1. Prin urmare, în a doua etapă și etapele ulterioare, procesul de comprimare se va desfășura într-un mod similar. Mai mult, înălțimea grătarelor acestora va scădea în funcție de densitatea crescută a aerului datorată comprimării.

Uneori paletele de ghidare ale primelor trepte ale compresorului sunt rotative în același mod ca paletele VNA. Acest lucru face posibilă extinderea domeniului de putere a turbinei cu gaz, la care temperatura gazelor din fața și din spatele turbinei cu gaz rămâne neschimbată. În consecință, eficiența crește. Utilizarea mai multor palete rotative de ghidare vă permite să lucrați economic în intervalul 100 - 50% putere.

Ultima treaptă a compresorului este proiectată în același mod ca și precedentele, singura diferență fiind că sarcina ultimei palete de ghidare este 1 este nu numai de a crește presiunea, ci și de a asigura o ieșire axială a fluxului de aer. Aerul intră în difuzorul de ieșire inelar 23 , unde presiunea crește la valoarea sa maximă. Cu această presiune, aerul intră în zona de ardere 9 .

Aerul este preluat din carcasa compresorului de aer pentru a răci elementele turbinei cu gaz. În acest scop, în corpul său sunt realizate camere inelare, comunicând cu spațiul din spatele etajului corespunzător. Aerul este eliminat din camere folosind conducte.

În plus, compresorul are așa-numitele supape anti-supratensiuni și conducte de bypass 6 , ocolind aerul din treptele intermediare ale compresorului în difuzorul de ieșire al turbinei cu gaz atunci când pornește și se oprește. Acest lucru elimină funcționarea instabilă a compresorului la debite scăzute de aer (acest fenomen se numește explozie), care se exprimă prin vibrații intense ale întregii mașini.

Crearea de compresoare de aer foarte eficiente este o sarcină extrem de complexă, care, spre deosebire de turbine, nu poate fi rezolvată doar prin calcul și proiectare. Deoarece puterea compresorului este aproximativ egală cu puterea turbinei cu gaz, o deteriorare a eficienței compresorului cu 1% duce la o scădere a eficienței întregii turbine cu gaz cu 2-2,5%. Prin urmare, crearea unui compresor bun este una dintre cele probleme fundamentale crearea GTU. De obicei, compresoarele sunt create prin simulare (scalare), folosind un model de compresor creat printr-o dezvoltare experimentală îndelungată.

Camerele de ardere ale instalațiilor cu turbine cu gaz sunt foarte diverse. Mai sus este prezentată o turbină cu gaz cu două camere la distanță. Figura prezintă o unitate de turbină cu gaz de tip 13E de 140 MW de la ABB cu o cameră de ardere la distanță, al cărei design este similar cu cel al camerei prezentate în figură. Aerul de la compresor de la difuzorul inel intră în spațiul dintre corpul camerei și tubul de flacără și este apoi folosit pentru arderea gazului și pentru răcirea tubului de flacără.

Principalul dezavantaj al camerelor de ardere la distanță este dimensiunile lor mari, care sunt clar vizibile din figură. O turbină cu gaz este situată în dreapta camerei, iar un compresor este situat în stânga. În partea de sus a carcasei puteți vedea trei găuri pentru plasarea supapelor anti-supratensiuni și apoi unitatea VNA. Instalațiile moderne cu turbine cu gaz utilizează în principal camere de ardere încorporate: inelar și tubular.

Figura prezintă o cameră de ardere inelară integrată. Spațiul de ardere inelar este format din interior 17 și în aer liber 11 conducte de flacara. Interiorul țevilor este căptușit cu inserții speciale 13 Și 16 având un înveliș de barieră termică pe partea îndreptată către flacără; pe partea opusă, inserțiile au aripioare care își îmbunătățesc răcirea prin intrarea aerului prin golurile inelare dintre inserțiile din interiorul tubului de flacără. Astfel, în zona de ardere se realizează o temperatură a tubului de flacără de 750-800 °C. Dispozitivul de arzător frontal cu micro-arzător al camerei este format din câteva sute de arzătoare 10 , la care se alimentează gazul de la patru colectoare 5 -8 . Prin oprirea colectoarelor unul câte unul, puteți modifica puterea unității turbinei cu gaz.

Structura arzătorului este prezentată în figură. Gazul intră din colector prin găurire în tijă 3 spre cavitatea interioară a lamelor 6 învârtitor. Acesta din urmă este o lame drepte radiale goale care forțează aerul care vine din camera de ardere să se răsucească și să se rotească în jurul axei tijei. Acest vortex de aer rotativ primește gaz natural din cavitatea internă a paletelor turbionare 6 prin găuri mici 7 . În acest caz, se formează un amestec omogen combustibil-aer, care iese sub forma unui jet învolburat din zonă. 5 . Un vortex rotativ inelar asigură arderea stabilă a gazului.

Figura prezintă camera de ardere cu inel tubular a GTE-180. În spațiul inelar 24 între ieșirea compresorului de aer și intrarea turbinei cu gaz folosind conuri perforate 3 puneți 12 tuburi de flacără 10 . Tubul de flacără conține numeroase orificii cu diametrul de 1 mm, situate în rânduri inelare cu o distanță de 6 mm între ele; distanța dintre rândurile de găuri este de 23 mm. Aerul „rece” pătrunde din exterior prin aceste orificii, oferind răcirea filmului convectiv și o temperatură a tubului de flacără nu mai mare de 850 °C. Pe suprafața interioară a tubului de flacără se aplică un strat de barieră termică de 0,4 mm grosime.

Pe placa frontală 8 tub de flacără, se instalează un dispozitiv de arzător, format dintr-un arzător pilot central 6 aprinderea combustibilului la pornire folosind o bujie 5 , și cinci module principale, dintre care unul este prezentat în figură. Modulul vă permite să ardeți gaz și combustibil diesel. Gaz prin fiting 1 după filtru 6 intră în colectorul inelar de gaz combustibil 5 , și din acesta în cavități care conțin găuri mici (diametru 0,7 mm, pas 8 mm). Prin aceste găuri, gazul pătrunde în spațiul inelar. În pereții modulului sunt realizate șase șanțuri tangenţiale 9 , prin care intră cantitatea principală de aer furnizată pentru ardere de la compresorul de aer. În şanţurile tangenţiale, aerul se învârte şi, astfel, în interiorul cavităţii 8 se formează un vârtej rotativ, care se deplasează spre ieșirea dispozitivului arzător. Până la periferia vortexului prin găuri 3 gazul intră, se amestecă cu aerul, iar amestecul omogen rezultat iese din arzător, unde se aprinde și arde. Produsele de ardere intră în aparatul duzei din prima etapă a turbinei cu gaz.

Turbina cu gaz este cel mai complex element al unei unități de turbină cu gaz, care se datorează în primul rând foarte temperatura ridicata gaze de lucru care curg prin partea sa de curgere: temperatura gazului din fața turbinei de 1350 °C este în prezent considerată „standard”, iar companiile de top, în primul rând General Electric, lucrează pentru a stăpâni temperatura inițială de 1500 °C. Amintiți-vă că temperatura inițială „standard” pentru turbine cu abur este de 540 °C, iar în viitor - o temperatură de 600-620 °C.

Dorința de a crește temperatura inițială este asociată, în primul rând, cu câștigul de eficiență pe care îl dă. Acest lucru se vede clar din figura care rezumă nivelul atins de construcție a turbinei cu gaz: creșterea temperaturii inițiale de la 1100 la 1450 °C are ca rezultat o creștere a eficienței absolute de la 32 la 40%, adică. duce la economii de combustibil de 25%. Desigur, o parte din această economisire este asociată nu numai cu creșterea temperaturii, ci și cu îmbunătățirea altor elemente ale instalației cu turbine cu gaz, iar factorul determinant este încă temperatura inițială.

Pentru a asigura funcționarea pe termen lung a unei turbine cu gaz, se utilizează o combinație de două mijloace. Primul remediu este utilizarea materialelor rezistente la căldură pentru piesele cele mai încărcate care pot rezista la sarcini mecanice și temperaturi ridicate (în primul rând pentru duze și lame de lucru). Dacă oțelurile (adică aliaje pe bază de fier) ​​cu un conținut de crom de 12-13% sunt utilizate pentru paletele turbinelor cu abur și alte elemente, atunci pentru pale turbine cu gaz Acestea folosesc aliaje pe bază de nichel (nimonice), care sunt capabile să reziste la temperaturi de 800-850 °C sub sarcini mecanice reale și durata de viață necesară. Prin urmare, împreună cu primul, se utilizează un al doilea mijloc - răcirea celor mai fierbinți părți.

Pentru a răci majoritatea turbinelor cu gaz moderne, aerul este preluat din diferite etape ale compresorului de aer. Turbinele cu gaz funcționează deja în care vaporii de apă sunt folosiți pentru răcire, care este un agent de răcire mai bun decât aerul. Aerul de răcire, după încălzirea în partea răcită, este evacuat în calea de curgere a turbinei cu gaz. Acest sistem de răcire se numește deschis. Există sisteme de răcire închise în care lichidul de răcire încălzit în piesă este trimis la frigider și apoi returnat din nou pentru a răci piesa. Un astfel de sistem nu este doar foarte complex, dar necesită și recuperarea căldurii colectate în frigider.

Sistemul de răcire al unei turbine cu gaz este cel mai complex sistem dintr-o instalație cu turbine cu gaz, ceea ce determină durata de viață a acesteia. Asigură nu numai întreținerea nivel admisibil lame de lucru și duze, dar și elemente de carcasă, discuri care poartă lamele de lucru, garnituri de blocare a rulmentului în care circulă uleiul etc. Acest sistem este extrem de ramificat si este organizat astfel incat fiecare element racit sa primeasca aer de racire a parametrilor si in cantitatea necesara pentru a-si mentine temperatura optima. Răcirea excesivă a pieselor este la fel de dăunătoare ca și răcirea insuficientă, deoarece duce la costuri crescute ale aerului de răcire, a cărui compresie în compresor necesită puterea turbinei. În plus, debitul de aer crescut pentru răcire duce la o scădere a temperaturii gazelor din spatele turbinei, ceea ce afectează foarte semnificativ funcționarea echipamentelor instalate în spatele unității cu turbine cu gaz (de exemplu, o unitate cu turbină cu abur care funcționează ca parte a unei turbine cu abur). unitate turbină). În cele din urmă, sistemul de răcire trebuie să asigure nu numai nivelul cerut temperaturile pieselor, dar si uniformitatea incalzirii acestora, eliminand aparitia unor solicitari de temperatura periculoase, a caror actiune ciclica duce la aparitia fisurilor.

Figura prezintă un exemplu de circuit de răcire al unei turbine cu gaz tipice. Valorile temperaturilor gazului sunt afișate în cadre dreptunghiulare. În fața aparatului de duză din prima etapă 1 ajunge la 1350 °C. În spatele lui, adică. în fața grilei de lucru din prima etapă este 1130 °C. Chiar înainte de lama de lucru din ultima etapă este la nivelul de 600 °C. Gazele la această temperatură spală duzele și lamele de lucru, iar dacă nu ar fi răcite, temperatura lor ar fi egală cu temperatura gazelor și durata lor de viață ar fi limitată la câteva ore.

Pentru a răci elementele unei turbine cu gaz, se folosește aer, preluat de la compresor în acea etapă în care presiunea acestuia este puțin mai mare decât presiunea gazelor de lucru din zona turbinei cu gaz în care este alimentat aer. De exemplu, pentru a răci paletele duzei din prima etapă, aerul de răcire în cantitate de 4,5% din debitul de aer la intrarea compresorului este preluat din difuzorul de ieșire a compresorului și pentru a răci palele duzei din ultima etapă și din adiacent. secțiunea carcasei - din a 5-a treaptă a compresorului. Uneori, pentru a răci cele mai fierbinți elemente ale unei turbine cu gaz, aerul preluat din difuzorul de ieșire a compresorului este mai întâi trimis la un răcitor de aer, unde este răcit (de obicei cu apă) la 180-200 ° C și apoi trimis pentru răcire. În acest caz, este necesar mai puțin aer pentru răcire, dar în același timp apar costuri pentru răcitorul de aer, turbina cu gaz devine mai complicată și o parte din căldura îndepărtată de apa de răcire se pierde.

O turbină cu gaz are de obicei 3-4 trepte, adică. Există 6-8 rânduri de grătare și cel mai adesea lamele tuturor rândurilor sunt răcite, cu excepția lamelor de lucru din ultima etapă. Aerul pentru răcirea lamelor duzei este introdus prin capetele acestora și evacuat prin numeroase (600-700 de găuri cu diametrul de 0,5-0,6 mm) amplasate în zonele corespunzătoare ale profilului. Aerul de răcire este furnizat palelor rotorului prin găurile făcute în capetele tijelor.

Pentru a înțelege modul în care sunt proiectate lamele răcite, este necesar să se ia în considerare cel puțin în general tehnologia de fabricare a acestora. Datorită dificultății excepționale de prelucrare a aliajelor de nichel, turnarea cu investiții de precizie este folosită în principal pentru a produce lame. Pentru a-l implementa, în primul rând, tijele de turnare sunt fabricate din materiale pe bază de ceramică, folosind o tehnologie specială de turnare și tratament termic. Miezul de turnare este o copie exactă a cavității din interiorul viitoarei lame, în care aerul de răcire va intra și curge în direcția necesară. Miezul de turnare este plasat într-o matriță, a cărei cavitate internă corespunde complet lamei care trebuie obținută. Spațiul liber rezultat dintre tijă și peretele matriței este umplut cu o masă încălzită cu punct de topire scăzut (de exemplu, plastic), care se întărește. Tija împreună cu masa de solidificare care o învăluie, repetându-se formă exterioară lame, este un model de ceară pierdută. Se pune într-o matriță de turnare, în care se alimentează topitura nimonică. Acesta din urmă topește plasticul, îi ia locul și ca urmare apare o lamă turnată cu o cavitate internă umplută cu o tijă. Tija este îndepărtată prin gravare cu soluții chimice speciale. Lamele duzei rezultate nu necesită practic nicio prelucrare mecanică suplimentară (cu excepția producerii a numeroase găuri pentru ieșirea aerului de răcire). Lamele de lucru turnate necesită prelucrarea tijei folosind o unealtă abrazivă specială.

Tehnologia descrisă pe scurt este împrumutată de la tehnologia aviației, unde temperaturile realizate sunt mult mai mari decât la turbinele cu abur staționare. Dificultatea în stăpânirea acestor tehnologii este asociată cu dimensiunile mult mai mari ale palelor pentru instalațiile staționare cu turbine cu gaz, care cresc proporțional cu debitul de gaz, adică. putere GTU.

Utilizarea așa-numitelor lame monocristaline, care sunt realizate dintr-un singur cristal, pare foarte promițătoare. Acest lucru se datorează faptului că prezența granițelor în timpul expunerii prelungite la temperaturi ridicate duce la o deteriorare a proprietăților metalului.

Rotorul turbinei cu gaz este o structură prefabricată unică. Înainte de asamblare, discuri individuale 5 compresor și disc 7 turbinele cu gaz sunt cu pale și echilibrate, părțile de capăt sunt fabricate 1 Și 8 , parte distanțier 11 și șurub central de legătură 6 . Fiecare dintre discuri are două gulere inelare pe care sunt realizate hirths (numite după inventator - Hirth), - dinți strict radiali de profil triunghiular. Piesele adiacente au exact aceleași gulere cu exact aceleași mânere. La calitate bună Fabricarea conexiunii Hirth asigură alinierea absolută a discurilor adiacente (aceasta asigură raza Hirth-urilor) și asamblarea repetabilă după dezasamblarea rotorului.

Rotorul este asamblat pe un suport special, care este un lift cu o platformă inelară pentru personalul de instalare, în interiorul căruia se realizează asamblarea. În primul rând, partea de capăt a rotorului este asamblată pe filet 1 și tirant 6 . Tija este așezată vertical în interiorul platformei inelare și discul primei trepte a compresorului este coborât pe acesta cu ajutorul unei macarale. Centrarea discului și a părții de capăt se realizează prin hirths. Deplasându-se în sus pe un lift special, personalul de instalare disc cu disc [întâi compresorul, apoi piesa distanțier, apoi turbina și partea de capăt din dreapta 8 ] asamblează întregul rotor. O piuliță este înșurubată la capătul drept 9 , iar pe partea rămasă a părții filetate a tirantului este instalat un dispozitiv hidraulic, strângând discurile și trăgând tirantul. După ce a scos tija, piulița 9 înșurubat până se oprește și dispozitivul hidraulic este scos. Tija întinsă trage în mod fiabil discurile împreună și transformă rotorul într-o singură structură rigidă. Rotorul asamblat este scos de pe suportul de asamblare și este gata de instalare în unitatea de turbină cu gaz.

Principalul avantaj al turbinei cu gaz este compactitatea sa. Într-adevăr, în primul rând, instalația de turbine cu gaz nu are boiler cu abur, structură care atinge o înălțime mare și necesită o cameră separată pentru instalare. Această împrejurare este legată în primul rând de presiune ridicataîn camera de ardere (1,2-2 MPa); arderea are loc în cazan când presiune atmosfericăși, în consecință, volumul de gaze fierbinți format se dovedește a fi de 12-20 de ori mai mare. Mai mult, într-o unitate cu turbină cu gaz, procesul de expansiune a gazului are loc într-o turbină cu gaz formată din doar 3-5 trepte, în timp ce o turbină cu abur cu aceeași putere este formată din 3-4 cilindri care conțin 25-30 de trepte. Chiar și luând în considerare atât camera de ardere, cât și compresorul de aer, o unitate de turbină cu gaz cu o putere de 150 MW are o lungime de 8-12 m, iar lungimea unei turbine cu abur de aceeași putere cu un design cu trei cilindri este de 1,5 ori mai lung. În același timp, pentru o turbină cu abur, pe lângă cazan, este necesar să se prevadă instalarea unui condensator cu pompe de circulație și condens, un sistem de regenerare de 7-9 încălzitoare, turbopompe de alimentare (de la unu la trei) , și un dezaerator. Ca urmare, unitatea cu turbină cu gaz poate fi instalată pe o bază de beton la nivelul zero al camerei turbinei, iar unitatea cu turbină cu abur necesită o fundație cadru cu o înălțime de 9-16 m cu amplasarea turbinei cu abur pe Placa de fundație superioară și echipamente auxiliare în camera de condensare.

Compactitatea turbinei cu gaz permite ca aceasta să fie asamblată la o instalație de turbine și livrată în camera turbinei pe calea ferată sau rutieră pentru instalare pe o fundație simplă. Astfel, în special, sunt transportate turbine cu gaz cu camere de ardere încorporate. La transportul unităților de turbină cu gaz cu camere exterioare, acestea din urmă sunt transportate separat, dar sunt conectate ușor și rapid la modulul compresor - turbină cu gaz folosind flanșe. O turbină cu abur este furnizată cu numeroase unități și părți;

Unitatea de turbină cu gaz nu necesită apă de răcire. Ca urmare, unitatea cu turbină cu gaz nu are un condensator și un sistem tehnic de alimentare cu apă unitate de pompareși turn de răcire (cu alimentarea cu apă de reciclare). Drept urmare, toate acestea duc la faptul că costul de 1 kW de capacitate instalată a unei centrale electrice cu turbină cu gaz este semnificativ mai mic. În același timp, costul turbinei cu gaz în sine (compresor + cameră de ardere + turbină cu gaz), datorită complexității sale, se dovedește a fi de 3-4 ori mai mare decât costul unei turbine cu abur de aceeași putere.

Un avantaj important al unei turbine cu gaz este manevrabilitatea sa ridicată, determinată de un nivel scăzut de presiune (comparativ cu presiunea dintr-o turbină cu abur) și, prin urmare, încălzirea și răcirea ușoară fără apariția unor solicitări și deformații termice periculoase.

Cu toate acestea, instalațiile cu turbine cu gaz au și dezavantaje semnificative, dintre care, în primul rând, este necesar să se remarce eficiența lor mai mică decât cea a unei centrale electrice cu abur. Eficiența medie a unităților de turbine cu gaz destul de bune este de 37-38%, iar cea a unităților de putere cu turbine cu abur este de 42-43%. Plafonul pentru turbinele cu gaz puternice, așa cum se vede în prezent, este o eficiență de 41-42% (și poate mai mare, ținând cont de rezervele mari pentru creșterea temperaturii inițiale). Eficiența mai scăzută a turbinelor cu gaz este asociată cu temperatura ridicată a gazelor de eșapament.

Un alt dezavantaj al centralelor cu turbine cu gaz este imposibilitatea de a folosi combustibili de calitate scăzută în ele, cel puțin în prezent. Poate funcționa bine doar cu gaz sau combustibil lichid bun, cum ar fi motorina. Unitățile de alimentare cu abur pot funcționa cu orice combustibil, inclusiv cu cea mai scăzută calitate.

Costul inițial scăzut al centralelor termice cu turbine cu gaz și, în același timp, eficiența relativ scăzută și costul ridicat al combustibilului utilizat și manevrabilitatea determină domeniul principal de utilizare individuală a turbinelor cu gaz: în sistemele de energie, acestea ar trebui să fie utilizate ca surse de putere de vârf sau de rezervă care funcționează câteva ore pe zi.

În același timp, situația se schimbă radical atunci când căldura gazelor de eșapament ale instalațiilor cu turbine cu gaz este utilizată în centrale termice sau într-un ciclu combinat (abur-gaz).

Unități de putere - acționările generatoarelor electrice pentru centrale termice mici autonome pot fi motoare diesel, cu piston pe gaz, microturbină și turbină cu gaz.

S-au scris un număr mare de discuții și articole polemice despre avantajele anumitor instalații și tehnologii de generație. De regulă, în disputele din condei, fie unul, fie celălalt rămâne adesea în dizgrație. Să încercăm să ne dăm seama de ce.

Criteriile determinante pentru alegerea unităților de putere pentru construcția centralelor autonome sunt aspectele legate de consumul de combustibil, nivelul costurilor de exploatare, precum și perioada de rambursare a echipamentelor centralei.

Factorii importanți în alegerea unităților de putere sunt ușurința în exploatare, nivelul întreținereși reparații, precum și locul unde se efectuează reparațiile unității de alimentare. Aceste probleme sunt legate în primul rând de costurile și problemele pe care le poate avea ulterior proprietarul unei centrale autonome.

În acest articol, autorul nu are un obiectiv egoist de a acorda prioritate în favoarea tehnologiilor cu piston sau turbine. Este mai corect și mai optim să selectați tipurile de centrale electrice ale centralelor electrice direct la proiect, pe baza condițiilor individuale și a specificațiilor tehnice ale clientului.

Atunci când alegeți echipamente electrice pentru construcția unei centrale autonome de cogenerare pe gaz, este recomandabil să vă consultați cu specialiști independenți de la companii de inginerie deja implicate în construcția de centrale electrice la cheie. O companie de inginerie trebuie să aibă proiecte finalizate care pot fi vizualizate și luate într-un tur. De asemenea, ar trebui să se ia în considerare un astfel de factor precum slăbiciunea și subdezvoltarea pieței de echipamente de generare din Rusia, ale căror volume reale de vânzări, în comparație cu țările dezvoltate, sunt mici și lasă mult de dorit - aceasta, în primul rând, se reflectă în volumul și calitatea ofertelor.

Motoare cu piston pe gaz vs motoare cu turbină cu gaz - costuri de exploatare

Este adevărat că costurile de exploatare ale unui mini-CHP cu mașini cu piston sunt mai mici decât costurile de exploatare a unei centrale electrice cu turbine cu gaz?

Costul reviziei unui motor cu piston pe gaz poate fi de 30–350% din costul inițial al unității de alimentare în sine și nu al întregii centrale electrice - în timpul reviziei, grupul de piston este înlocuit. Reparația unităților cu piston cu gaz poate fi efectuată la fața locului, fără echipamente de diagnosticare complexe, o dată la 7-8 ani.

Costul reparației unei turbine cu gaz este de 30–50% din investiția inițială. După cum puteți vedea, costurile sunt aproximativ aceleași. Prețurile reale și oneste pentru turbinele cu gaz și unitățile cu piston, de putere și calitate comparabile sunt, de asemenea, similare.

Datorită complexității sale, reparațiile majore ale unei unități cu turbină cu gaz nu sunt efectuate la fața locului. Furnizorul trebuie să ia unitatea folosită și să aducă o unitate de schimb cu turbină cu gaz. Vechea unitate poate fi restaurată numai în condițiile din fabrică.

Ar trebui să țineți cont întotdeauna de respectarea programului de întreținere de rutină, de natura sarcinilor și a modurilor de funcționare ale centralei electrice, indiferent de tipul de unități de putere instalate.

Întrebarea, care este adesea discutată, despre natura capricioasă a turbinei față de condițiile de funcționare, este asociată cu informații învechite de acum patruzeci de ani. Apoi, „la sol”, pentru a conduce centralele electrice, au fost folosite turbine de avioane „scoate din aripa” aeronavei. Astfel de turbine, cu modificări minime, au fost adaptate să funcționeze ca principale unități de putere pentru centralele electrice.

Astăzi, centralele autonome moderne folosesc turbine de design industrial, concepute pentru funcționare continuă cu sarcini variate.

Limita inferioară a sarcinii electrice minime, declarată oficial de fabricile de producție pentru turbine industriale, este de 3–5%, dar în acest mod, consumul de combustibil crește cu 40%. Sarcina maximă a unei turbine cu gaz, în intervale de timp limitate, poate ajunge la 110-120%.

Modern unități cu piston cu gaz au o eficiență fenomenală bazată pe un nivel ridicat de eficiență electrică. „Problemele” asociate cu funcționarea unităților cu piston cu gaz la sarcini mici sunt rezolvate pozitiv în faza de proiectare. Designul trebuie să fie de înaltă calitate.

Respectarea modului de funcționare recomandat de producător va prelungi durata de viață a pieselor motorului, economisind astfel bani pentru proprietarul unei centrale electrice autonome. Uneori, pentru a aduce mașinile cu piston pe gaz la modul nominal la sarcini parțiale, în proiectarea circuitului termic al stației sunt incluse una sau două cazane electrice, care fac posibilă asigurarea a 50% din sarcină dorită.

Pentru centralele electrice bazate pe unități cu piston cu gaz și turbine cu gaz, este important să se respecte regula N+1 - numărul de unități de funcționare plus încă una pentru rezervă. „N+1” este un număr convenabil, rațional de instalații pentru personalul de exploatare. Acest lucru se datorează faptului că pentru centralele electrice de orice tip și tip este necesar să se efectueze reglementări și lucrari de renovare.

O întreprindere conectată la rețea poate instala o singură instalație și poate folosi propria energie electrică contra cost, iar în timpul întreținerii, poate fi alimentată de la rețeaua electrică generală, plătind conform contorului. Acest lucru este mai ieftin decât „+1”, dar, din păcate, nu este întotdeauna fezabil. Acest lucru se datorează de obicei lipsei unei rețele electrice sau costului incredibil de mare specificatii tehnice pentru conexiunea în sine.

Comercianții fără scrupule de unități cu piston cu gaz și turbine cu gaz, înainte de a vinde echipamentul cumpărătorului, de regulă, furnizează numai broșuri - literatură comercială generală și, extrem de rar, informații exacte despre costurile complete de funcționare și reglementările tehnice.

La unitățile puternice cu piston cu gaz, uleiul nu trebuie schimbat. Cu muncă constantă, este pur și simplu produs fără a avea timp să îmbătrânească. Uleiul în astfel de instalații este în mod constant completat. Astfel de moduri de funcționare sunt asigurate de designul special al motoarelor puternice cu piston pe gaz și sunt recomandate de producător.

Deșeurile de ulei de motor sunt de 0,25–0,45 grame pe kilowatt pe oră produs. Burnout-ul este întotdeauna mai mare atunci când sarcina scade. De regulă, setul de motor cu piston pe gaz include un rezervor special pentru umplerea continuă cu ulei și un mini-laborator pentru verificarea calității acestuia și determinarea perioadei de înlocuire.

În consecință, filtrele de ulei sau cartușele din ele trebuie de asemenea înlocuite.

Deoarece uleiul de motor încă arde, unitățile cu piston au puțin mai mult nivel inalt emisii nocive în atmosferă decât instalațiile cu turbine cu gaz. Dar, din moment ce gazul arde complet și este unul dintre cele mai curate tipuri de combustibil, a vorbi despre o poluare gravă a aerului înseamnă doar „tocește săbiile”. Câteva autobuze vechi maghiare Ikarus provoacă daune mult mai grave mediului. Pentru a respecta cerințele de mediu, la utilizarea mașinilor cu piston, este necesară construirea coșurilor de fum mai înalte, ținând cont de nivelul existent al concentrațiilor maxime admise în mediu.

Uleiul uzat din instalațiile cu piston cu gaz nu poate fi pur și simplu turnat pe pământ - necesită eliminare - aceasta este o „cheltuială” pentru proprietarii centralei electrice. Dar puteți câștiga bani din asta - uleiul de motor uzat este cumpărat de organizații specializate.

Mulți dintre noi folosim ulei de motor în motoarele cu piston ale mașinii noastre. Dacă motorul este în stare bună de funcționare, funcționat corespunzător și alimentat cu combustibil normal, atunci nu vor apărea cataclisme financiare asociate consumului său.

Același lucru este valabil și la centralele cu piston: - nu trebuie să vă fie frică de consumul de ulei de motor, nu vă va distruge, în timpul funcționării normale a centralelor moderne cu piston pe gaz de înaltă calitate, costurile pentru acest articol sunt doar 2 -3 (!) copeici la 1 kW de energie electrică generată.

În unitățile moderne de turbine cu gaz, uleiul este utilizat numai în cutia de viteze. Volumul său poate fi considerat nesemnificativ. Înlocuire ulei de transmisieîntr-o unitate cu turbină cu gaz se produce în medie o dată la 3-5 ani, iar reumplerea nu este necesară.

Pentru a efectua un serviciu complet, o instalație puternică cu piston cu gaz trebuie să includă o macara cu grindă. Folosind o grindă de macara, părțile grele ale motoarelor cu piston sunt îndepărtate. Utilizarea unei macarale cu grinzi necesită tavane înalte pentru încăperile mașinilor unei centrale electrice cu piston. Pentru a repara unitățile cu piston cu gaz de putere mică și medie, vă puteți descurca cu mecanisme de ridicare mai simple.

La livrare, centralele electrice cu piston pe gaz pot fi echipate cu diverse instrumente de reparații și accesorii. Prezența acestuia implică faptul că chiar și toate operațiunile critice pot fi efectuate de personal calificat la fața locului. Practic, toate lucrările de reparații ale turbinelor cu gaz pot fi efectuate fie la fabrica producătorului, fie cu asistența directă a specialiștilor din fabrică.

Bujiile trebuie înlocuite o dată la 3-4 luni. Înlocuirea bujiilor este doar 1-2 (!) copeici în costul a 1 kW/h de energie electrică proprie.

Unitățile cu piston, spre deosebire de turbinele cu gaz, sunt răcite cu lichid, prin urmare, personalul unei centrale electrice autonome trebuie să monitorizeze în mod constant nivelul lichidului de răcire și să îl înlocuiască periodic, iar dacă este apă, atunci trebuie să fie preparat chimic.

Caracteristicile de mai sus ale funcționării unităților cu piston sunt absente în unitățile cu turbine cu gaz. Instalațiile cu turbine cu gaz nu utilizează consumabile și componente precum:

• ulei de motor,
• bujie,
• filtre de ulei,
• lichid de răcire,
• seturi de fire de înaltă tensiune.

Dar turbinele cu gaz nu pot fi reparate la fața locului, iar consumul mult mai mare de gaz nu poate fi comparat cu costurile de funcționare și consumabile pentru unitățile cu piston.

Ce sa aleg? Unități cu piston cu gaz sau turbină cu gaz?

Cum se leagă puterea unităților de putere ale centralei electrice cu temperatura mediului ambiant?

Cu o creștere semnificativă a temperaturii mediu inconjurator Puterea unității turbinei cu gaz scade. Dar pe măsură ce temperatura scade, puterea electrică a turbinei cu gaz crește, dimpotrivă. Opțiuni putere electrica, conform existente Standardele ISO, măsurat la t +15 °C.

Uneori punct important este, de asemenea, faptul că o unitate cu turbină cu gaz este capabilă să furnizeze de 1,5 ori mai multă energie termică liberă decât o unitate cu piston de putere similară. Când utilizați o centrală termică autonomă puternică (de la 50 MW). utilitati publice, de exemplu, acest lucru poate avea o importanță decisivă la alegerea tipului de unități de putere, mai ales cu un consum mare și uniform de energie termică.

Dimpotrivă, acolo unde căldura nu este necesară în cantități mari, dar este nevoie de un accent pe producția de energie electrică, va fi mai fezabil din punct de vedere economic să se utilizeze unități cu piston cu gaz.

Temperatura ridicată la ieșirea turbinelor cu gaz permite utilizarea unei turbine cu abur ca parte a centralei electrice. Acest echipament este solicitat dacă consumatorul trebuie să obțină cantitatea maximă de energie electrică cu același volum de combustibil gazos consumat și, astfel, să obțină o eficiență electrică ridicată - până la 59%. Un complex energetic de această configurație este mai dificil de operat și costă cu 30-40% mai mult decât de obicei.

Centralele electrice care au turbine cu abur în structura lor sunt, de regulă, proiectate pentru o putere destul de mare - de la 50 MW și mai sus.

Să vorbim despre cel mai important lucru: unități cu piston cu gaz versus unități de putere cu turbine cu gaz - eficiență

Eficiența unei centrale electrice este mai mult decât relevantă - la urma urmei, afectează consumul de combustibil. In medie consum specific combustibilul gazos per 1 kW/oră generat este semnificativ mai mic pentru o instalație cu piston cu gaz și în orice mod de încărcare (deși sarcinile pe termen lung mai mici de 25% sunt contraindicate pentru motoarele cu piston).

Eficiența electrică a mașinilor cu piston este de 40–44%, iar cea a turbinelor cu gaz este de 23–33% (în ciclul abur-gaz, turbina este capabilă să atingă un randament de până la 59%).

Ciclul abur-gaz este utilizat la centralele de mare putere - de la 50-70 MW.

Dacă trebuie să faceți o locomotivă, un avion sau o navă maritimă, atunci coeficientul poate fi considerat unul dintre indicatorii determinanți acțiune utilă(eficiența) centralei electrice. Căldura care este generată în timpul funcționării motorului unei locomotive, aeronave (sau nave) nu este utilizată și este eliberată în atmosferă.

Dar nu construim o locomotivă, ci o centrală electrică, iar atunci când alegem tipul de unități de putere pentru o centrală autonomă, abordarea este oarecum diferită - aici este necesar să vorbim despre utilizarea completă a combustibilului - utilizarea combustibilului factor (FUI).

Când este ars, combustibilul îndeplinește activitatea principală - rotește generatorul centralei electrice. Toată energia rămasă din arderea combustibilului este căldură, care poate și ar trebui utilizată. În acest caz, așa-numita „eficiență generală”, sau mai degrabă factorul de utilizare a combustibilului (FUI), al centralei va fi de aproximativ 80-90%.

Dacă consumatorul se așteaptă să utilizeze energia termică a unei centrale autonome în totalitate, ceea ce este de obicei puțin probabil, atunci factorul de eficiență (COP) al centralei autonome nu are semnificație practică.

Când sarcina este redusă la 50%, eficiența electrică a turbinei cu gaz scade.

În plus, turbinele necesită presiune mare de admisie a gazului, iar pentru aceasta instalează neapărat compresoare (cele cu piston) și, de asemenea, cresc consumul de combustibil.
O comparație a turbinelor cu gaz și a motoarelor cu piston pe gaz ca parte a mini-CHP arată că instalarea turbinelor cu gaz este recomandată la instalațiile care au nevoi electrice și termice uniforme cu o putere de peste 30-40 MW.

Din cele de mai sus rezultă că eficiența electrică a unităților de putere de diferite tipuri are o proiecție directă asupra consumului de combustibil.

Unitățile cu piston cu gaz consumă un sfert sau chiar o treime mai puțin combustibil decât unitățile cu turbine cu gaz - acesta este principalul element de cheltuială!

În consecință, cu un cost similar sau egal al echipamentului în sine, se obține energie electrică mai ieftină din instalațiile cu piston cu gaz. Gazul este principalul element de cheltuială la exploatarea unei centrale autonome!

Instalații cu piston cu gaz versus motoare cu turbină cu gaz - presiunea de intrare a gazului

Este întotdeauna necesar să existe o conductă de gaz de înaltă presiune atunci când se folosesc turbine cu gaz?

Pentru toate tipurile de unități de putere moderne ale centralelor electrice, presiunea de alimentare cu gaz nu are o semnificație practică, deoarece unitatea cu turbină cu gaz include întotdeauna un compresor de gaz, care este inclus în costul complexului energetic.

Compresorul oferă caracteristicile de performanță a presiunii necesare ale combustibilului gazos. Compresoarele moderne sunt unități extrem de fiabile și care necesită întreținere redusă. În lume tehnologii moderne, atât pentru motoarele cu piston cu gaz, cât și pentru turbinele cu gaz, este important doar să aveți un volum adecvat de combustibil gazos pentru a asigura operatie normala centrală autonomă.

Cu toate acestea, nu ar trebui să uităm asta Compresorul booster necesită, de asemenea, multă energie, Provizii si servicii. Paradoxal, compresoarele cu piston sunt adesea folosite pentru turbine puternice.

Motoare cu piston pe gaz vs unități cu turbine cu gaz - unități cu combustibil dublu

Deseori se scrie și se spune că instalațiile cu combustibil dublu pot fi alimentate doar cu piston. Este adevarat?

Nu este adevarat. Toți producătorii cunoscuți de turbine cu gaz au unități cu combustibil dublu în gama lor. Principala caracteristică a unei unități cu dublu combustibil este capacitatea sa de a funcționa atât cu gaz natural, cât și cu motorină. Datorită utilizării a două tipuri de combustibil într-o instalație cu combustibil dublu, o serie de avantaje pot fi remarcate în comparație cu instalațiile monocombustibil:

• in lipsa gazelor naturale, instalatia trece automat la functionarea pe motorina;
• În timpul proceselor tranzitorii, instalația trece automat la funcționarea cu motorină.

Când se ajunge în modul de funcționare, se efectuează procesul invers de trecere la funcționarea pe gaz natural și motorină;
Nu trebuie să uităm de faptul că primele turbine au fost proiectate inițial să funcționeze cu combustibil lichid - kerosen.

Unitățile cu combustibil dublu au încă o utilizare limitată și nu sunt necesare pentru majoritatea centralelor de cogenerare autonome - există soluții de inginerie mai simple pentru aceasta.

Unități cu piston cu gaz față de unități cu turbină cu gaz - numărul de porniri

Care poate fi numărul de porniri ale unităților cu piston cu gaz?

Număr de porniri: un motor cu piston pe gaz poate fi pornit și oprit de un număr nelimitat de ori, iar acest lucru nu îi afectează durata de viață. Dar pornirile și opririle frecvente ale unităților cu piston cu gaz, cu pierderea alimentării cu energie pentru propriile nevoi, pot duce la uzura celor mai încărcate componente (rulmenți turbocompresor, supape etc.).

Datorită modificărilor bruște ale tensiunilor termice care apar în cele mai critice componente și părți ale secțiunii fierbinți a unei unități cu turbină cu gaz în timpul pornirilor rapide ale unității de la o stare rece, este de preferat să se utilizeze o unitate cu turbină cu gaz pentru o funcționare constantă și continuă. .

Motoare cu piston pe gaz ale centralelor electrice versus unități cu turbine cu gaz - resursă până la revizie

Care poate fi durata de viață a instalației înainte de reparații majore?

Durata de viață a unei turbine cu gaz înainte de revizie este de 40.000-60.000 de ore de funcționare. Cu funcționarea corectă și întreținerea la timp a unui motor cu piston pe gaz, această cifră este, de asemenea, egală cu 40.000-60.000 de ore de lucru. Cu toate acestea, există și alte situații în care reparațiile majore apar mult mai devreme.

Instalații cu pistoane pe gaz versus motoare cu turbină cu gaz - investiții de capital și prețuri

Ce investiții de capital vor fi necesare pentru construcția unei centrale electrice? Care este costul construirii unui complex energetic autonom la cheie?

După cum arată calculele, investiția de capital (dolar/kW) în construcția unei centrale termice cu motoare cu piston pe gaz este aproximativ egală cu cea a turbinelor cu gaz. finlandeză centrala termica WARTSILA cu o capacitate de 9 MW va costa clientul aproximativ 14 milioane de euro. O centrală termică similară cu turbină cu gaz bazată pe unități de primă clasă, complet la cheie, va costa 15,3 milioane de dolari.

Motoare cu piston pe gaz versus unități cu turbine cu gaz - ecologie

Cum sunt îndeplinite cerințele de mediu?

Trebuie remarcat faptul că unitățile cu piston cu gaz sunt inferioare unităților cu turbine cu gaz în ceea ce privește emisiile de NOx. Deoarece uleiul de motor se arde, unitățile cu piston au un nivel puțin mai mare de emisii nocive în atmosferă decât unitățile cu turbine cu gaz.

Dar acest lucru nu este critic: SES solicită nivelul de fond în funcție de concentrația maximă admisă la locația mini-CHP. După aceasta, se face un calcul de dispersie, astfel încât „adăugarea” de substanțe nocive din mini-CHP. la fundal nu duce la depăşirea concentraţiei maxime admise. Prin mai multe iterații, este selectată înălțimea minimă șemineu, în care sunt îndeplinite cerințele SanPiN. Adăugarea de la o stație de 16 MW în ceea ce privește emisiile de NOx nu este atât de semnificativă: cu o înălțime a coșului de fum de 30 m - 0,2 MAC, la 50 m - 0,1 MAC.

Nivelul emisiilor nocive de la majoritatea centralelor moderne cu turbine cu gaz nu depășește 20-30 ppm, iar în unele proiecte acest lucru poate avea o anumită semnificație.

Unitățile cu piston experimentează vibrații și zgomot de joasă frecvență în timpul funcționării. Aducerea zgomotului la valorile standard este posibilă, aveți nevoie doar de soluții de inginerie adecvate. Pe lângă calculul dispersiei la dezvoltarea unei secțiuni documentatia proiectului„Protecția mediului”, se face un calcul acustic și se verifică dacă soluțiile de proiectare alese și materialele folosite îndeplinesc cerințele SanPiN în materie de zgomot.

Orice echipament emite zgomot într-un anumit spectru de frecvență. Instalațiile de turbine cu gaz nu au scăpat de această criză.

Instalații cu pistoane pe gaz versus motoare cu turbină cu gaz - concluzii

Sub sarcini liniare și respectarea regulii N+1, este posibilă utilizarea motoarelor cu piston pe gaz ca sursă principală de alimentare cu energie. O astfel de centrală electrică necesită unități de rezervă și rezervoare de stocare pentru al doilea tip de combustibil - motorină.

În domeniul de putere de până la 40-50 MW, utilizarea motoarelor cu piston în mini-CHP este considerată absolut justificată.

În cazul utilizării unităților cu piston cu gaz, consumatorul poate evita complet alimentarea cu energie externă, dar numai cu o abordare atentă și echilibrată.

Unitățile cu piston pot fi utilizate și ca surse de energie electrică de rezervă sau de urgență.

O alternativă la unitățile cu piston sunt microturbinele cu gaz. Adevărat, prețurile pentru microturbine sunt foarte mari și se ridică la ~ 2500–4000 USD per 1 kW de putere instalată!

O comparație a turbinelor cu gaz și a motoarelor cu piston cu gaz ca parte a mini-CHP arată că instalarea turbinelor cu gaz este posibilă la orice instalații care au sarcini electrice mai mari de 14-15 MW, dar datorită consumului mare de gaz, turbinele sunt recomandat pentru centralele de putere mult mai mare - 50-70 MW.

Pentru multe instalații moderne de generație, 200.000 de ore de funcționare nu reprezintă o valoare critică și, sub rezerva programului de întreținere programat și înlocuirea treptată a pieselor turbinei supuse uzurii: rulmenți, injectoare, diverse echipamente auxiliare (pompe, ventilatoare), funcționarea ulterioară a gazului. instalația cu turbine rămâne fezabilă din punct de vedere economic. Unitățile cu piston cu gaz de înaltă calitate depășesc astăzi cu succes 200.000 de ore de funcționare.

Acest lucru este confirmat de practica modernă în exploatarea instalațiilor cu turbine cu gaz/piston cu gaz din întreaga lume.

Atunci când alegeți unități de putere ale unei centrale autonome, este necesară consultarea de specialitate!

Sfatul și supravegherea experților sunt, de asemenea, necesare în timpul construcției centralelor autonome. Pentru a rezolva problema, aveți nevoie de o companie de inginerie cu experiență și proiecte finalizate.

Ingineria vă permite să determinați în mod competent, imparțial și obiectiv alegerea echipamentului principal și auxiliar pentru a selecta configurația optimă - configurația viitoarei centrale electrice.

Ingineria calificată vă permite să economisiți bani semnificativi pentru client, care reprezintă 10–40% din costurile totale. Ingineria de la profesioniști din industria energiei electrice vă permite să evitați greșelile costisitoare în proiectare și în alegerea furnizorilor de echipamente.

În generarea autonomă - energie la scară mică, recent i s-a acordat o atenție considerabilă turbine cu gaz putere diferită. Centrale electrice la bază turbine cu gaz sunt utilizate ca sursă principală sau de rezervă de energie electrică și termică în scopuri industriale sau casnice. Turbine cu gaz ca parte a centralelor electrice sunt proiectate pentru funcționarea în orice condiții climatice ale Rusiei. Domenii de utilizare turbine cu gaz practic nelimitat: industria petrolului și gazelor, întreprinderile industriale, structurile de locuințe și servicii comunale.

Factorul pozitiv de utilizare turbine cu gazîn sectorul locuințelor și serviciilor comunale este că conținutul de emisii nocive din gazele de eșapament NO x și CO este la nivelul de 25, respectiv 150 ppm (pentru unitățile alternative aceste valori sunt mult mai mari), ceea ce face posibilă pentru a instala o centrală electrică lângă clădiri de locuit. Utilizare turbine cu gaz ca unități de putere ale centralelor electrice evită construirea coșurilor de fum înalte.

În funcție de nevoile dvs turbine cu gaz este dotat cu cazane de căldură reziduală cu abur sau apă caldă, ceea ce vă permite să primiți fie abur (presiune joasă, medie, înaltă) de la centrală pentru nevoi tehnologice, fie apa fierbinte(ACM) cu valori standard de temperatură. Puteți obține abur și apă fierbinte în același timp. Puterea energiei termice produsă de o centrală bazată pe turbine cu gaz este de obicei de două ori mai mare decât a energiei electrice.

La centrala cu turbine cu gazîn această configurație, eficiența combustibilului crește la 90%. Eficiență ridicată utilizare turbine cu gaz ca unități de putere este asigurată în timpul funcționării pe termen lung la maximum sarcina electrica. La putere suficient de mare turbine cu gaz Există posibilitatea utilizării combinate a turbinelor cu abur. Această măsură poate îmbunătăți semnificativ eficiența centralei, crescând randamentul electric la 53%.

Cât costă o centrală electrică bazată pe turbine cu gaz? Care este prețul său integral? Ce este inclus in pretul la cheie?

O centrală termică autonomă bazată pe turbine cu gaz are o mulțime de costuri suplimentare, dar adesea simple echipamentul necesar(exemplu de viață reală – proiect finalizat). Folosind echipamente de primă clasă, costul unei centrale electrice la cheie de acest nivel nu depășește 45.000 - 55.000 de ruble per 1 kW de putere electrică instalată. Prețul final al unei centrale electrice bazată pe turbine cu gaz depinde de sarcinile și nevoile specifice ale consumatorului. Pretul include lucrarile de proiectare, constructie si punere in functiune. Turbinele cu gaz în sine, ca unități de putere, fără echipamente suplimentare, în funcție de compania producătoare și putere, costă de la 400 la 800 de dolari pe 1 kW.

Pentru a obține informații despre costul construirii unei centrale electrice sau centralei termice în cazul dumneavoastră specific, trebuie să trimiteți un chestionar completat companiei noastre. După aceasta, după 2–3 zile, clientul-client primește o propunere tehnică și comercială preliminară - TCP (scurt exemplu). Pe baza TCP, clientul ia decizia finală privind construcția unei centrale electrice bazată pe turbine cu gaz. De regulă, înainte de a lua o decizie, clientul vizitează o instalație existentă pentru a vedea o centrală electrică modernă cu propriii ochi și „atinge totul cu mâinile”. Clientul primește răspunsuri la întrebările sale direct pe site.

Construcția de centrale electrice pe bază de turbine cu gaz se bazează adesea pe conceptul de construcție bloc-modulară. Designul bloc-modular asigură un nivel ridicat de pregătire în fabrică a centralelor electrice cu turbine cu gaz și reduce timpul de construcție a instalațiilor energetice.

Turbine cu gaz - puțină aritmetică asupra costului energiei produse

Pentru a produce 1 kW de energie electrică, turbinele cu gaz consumă doar 0,29–0,37 m³/oră de combustibil gazos. La arderea unui metru cub de gaz, turbinele cu gaz generează 3 kW de energie electrică și 4–6 kW de energie termică. Cu prețul (mediu) pentru gazul natural în 2011 3 ruble. pentru 1 m³, costul pentru 1 kW de energie electrică obținută de la o turbină cu gaz este de aproximativ 1 rublă. În plus, consumatorul primește 1,5–2 kW de energie termică gratuită!

Cu o alimentare autonomă de la o centrală electrică bazată pe turbine cu gaz, costul energiei electrice și căldurii produse este de 3-4 ori mai mic decât tarifele actuale din țară, iar acest lucru nu ia în considerare cost ridicat conexiuni la rețelele electrice de stat (60.000 de ruble pe 1 kW în regiunea Moscova, 2011).

Construirea centralelor autonome pe baza turbine cu gaz permite economii semnificative Bani Prin eliminarea costurilor de construcție și exploatare a liniilor electrice scumpe (linii electrice), centralele electrice bazate pe turbine cu gaz pot crește semnificativ fiabilitatea alimentării cu energie electrică și termică atât pentru întreprinderi sau organizații individuale, cât și pentru regiuni în ansamblu.
Gradul de automatizare a unei centrale electrice pe bază de turbine cu gaz face posibilă eliminarea unui număr mare de personal de întreținere. În timpul funcționării unei centrale pe gaz, funcționarea acesteia este asigurată de doar trei persoane: un operator, un electrician de serviciu și un mecanic de serviciu. În cazul unor situații de urgență, sunt prevăzute sisteme de protecție fiabile pentru a asigura siguranța personalului și siguranța sistemelor și ansamblurilor cu turbine cu gaz.

Aerul atmosferic printr-o admisie de aer echipată cu un sistem de filtrare (nu este prezentat în diagramă) este furnizat la intrarea unui compresor axial cu mai multe trepte. Compresorul comprimă aerul atmosferic și îl furnizează la presiune mare către camera de ardere. În același timp, o anumită cantitate de combustibil gazos este furnizată în camera de ardere a turbinei prin duze. Combustibilul și aerul se amestecă și se aprind. Amestecul combustibil-aer arde, eliberând o cantitate mare de energie. Energia produselor de ardere gazoasă este transformată în lucru mecanic datorită rotației palelor turbinei prin jeturi de gaz fierbinte. O parte din energia primită este cheltuită pentru compresia aerului din compresorul turbinei. Restul lucrării este transferat la generatorul electric prin axa de antrenare. Această lucrare este munca utilă a unei turbine cu gaz. Produsele de ardere, care au o temperatură de aproximativ 500-550 °C, sunt evacuate prin canalul de evacuare și difuzorul turbinei și pot fi utilizate în continuare, de exemplu, într-un schimbător de căldură, pentru a obține energie termică.

Turbinele cu gaz, ca motoare, au cea mai mare densitate de putere dintre motoarele cu ardere internă, până la 6 kW/kg.

Pot fi utilizați următorii combustibili pentru turbine cu gaz: kerosen, motorină, gaz.

Unul dintre avantajele turbinelor moderne cu gaz este lung ciclu de viață- durata de viață a motorului (total până la 200.000 ore, înainte de reparații majore 25.000–60.000 ore).

Modern turbine cu gaz sunt extrem de fiabile. Există dovezi ale funcționării continue a unor unități de câțiva ani.

Mulți furnizori de turbine cu gaz produc renovare majoră echipamente la fața locului, înlocuind componentele individuale fără transport la producător, ceea ce reduce semnificativ costurile de timp.

Posibilitatea de funcționare pe termen lung în orice interval de putere de la 0 la 100%, absența răcirii cu apă, funcționarea cu două tipuri de combustibil - toate acestea fac turbinele cu gaz unități de putere populare pentru centralele autonome moderne.

Cea mai eficientă utilizare a turbinelor cu gaz este la capacități medii ale centralelor electrice, iar la capacități de peste 30 MW, alegerea este evidentă.

„Turboalimentare”, „turbojet”, „turbopropulsoare” - acești termeni au intrat ferm în vocabularul inginerilor secolului XX implicați în proiectare și întreținere Vehiculși instalații electrice staționare. Sunt folosite chiar și în domenii conexe și în publicitate, atunci când doresc să dea numelui produsului un indiciu de putere și eficiență deosebită. Turbina cu gaz este folosită cel mai adesea în aviație, rachete, nave și centrale electrice. Cum este structurat? Funcționează cu gaz natural (cum ați putea crede din nume) și ce tipuri de gaze sunt? Cum diferă o turbină de alte tipuri de motor cu ardere internă? Care sunt avantajele și dezavantajele sale? O încercare de a răspunde la aceste întrebări cât mai complet posibil este făcută în acest articol.

Liderul ingineriei ruse UEC

Rusia, spre deosebire de multe alte state independente formate după prăbușirea URSS, a reușit să păstreze în mare măsură industria construcțiilor de mașini. În special, compania Saturn este angajată în producția de centrale electrice cu destinații speciale. Turbinele cu gaz ale companiei sunt utilizate în construcțiile navale, industria materiilor prime și sectorul energetic. Produsele sunt de înaltă tehnologie, necesită o abordare specială în timpul instalării, depanării și funcționării, precum și cunoștințe speciale și echipamente costisitoare pentru întreținerea de rutină. Toate aceste servicii sunt disponibile clienților companiei „UEC – Turbine cu gaz”, așa cum se numește astăzi. Nu există atât de multe astfel de întreprinderi în lume, deși principiul produsului principal este simplu la prima vedere. Experiența acumulată este de mare importanță, permițându-ne să luăm în considerare multe subtilități tehnologice, fără de care este imposibil să obținem funcționarea durabilă și fiabilă a unității. Iată doar o parte din gama de produse UEC: turbine cu gaz, centrale electrice, unități de pompare cu gaz. Printre clienți se numără Rosatom, Gazprom și alte „balene” industria chimica si energie.

Fabricarea unor astfel de mașini complexe necesită o abordare individuală în fiecare caz. Calculul unei turbine cu gaz este în prezent complet automatizat, dar materialele și caracteristicile diagramelor de instalare contează în fiecare caz individual.

Și totul a început atât de simplu...

Căutări și perechi

Omenirea a efectuat primele experimente de conversie a energiei de translație a unui flux în forță de rotație în antichitate, folosind o roată de apă obișnuită. Totul este extrem de simplu, lichidul curge de sus în jos, iar lamele sunt plasate în curgerea lui. Roata, echipată cu ele în jurul perimetrului, se învârte. O moară de vânt funcționează la fel. Apoi a venit epoca aburului, iar rotația roții s-a accelerat. Apropo, așa-numitul „aeolipil”, inventat de stârcul grec antic cu aproximativ 130 de ani înainte de nașterea lui Hristos, era o mașină cu abur care funcționează exact pe acest principiu. În esență, a fost prima turbină cu gaz cunoscută științei istorice (la urma urmei, aburul este un gaz starea de agregare apă). Astăzi este încă obișnuit să se separe aceste două concepte. În acel moment, în Alexandria, au reacționat la invenția lui Heron fără prea mult entuziasm, deși cu curiozitate. Echipamentele industriale de tip turbină au apărut doar în sfârşitul XIX-lea secol, după crearea primei unități de putere activă din lume echipată cu o duză de către suedezul Gustaf Laval. Inginerul Parsons a lucrat în aproximativ aceeași direcție, echipând mașina sa cu mai multe etape legate funcțional.

Nașterea turbinelor cu gaz

Cu un secol mai devreme, unui anume John Barber a venit cu o idee genială. De ce trebuie să încălziți mai întâi aburul, nu este mai ușor să utilizați direct gazele de eșapament generate în timpul arderii combustibilului și, prin urmare, să eliminați medierea inutilă în procesul de conversie a energiei? Așa a rezultat prima turbină cu gaz adevărată. Brevetul din 1791 conturează ideea de bază pentru utilizarea într-o trăsură fără cai, dar elementele sale sunt astăzi folosite în motoarele moderne de rachete, tancuri de avioane și de automobile. Procesul de construcție a motoarelor cu reacție a fost început în 1930 de Frank Whittle. I-a venit ideea de a folosi o turbină pentru a propulsa un avion. Ulterior, a fost dezvoltat în numeroase proiecte cu turbopropulsoare și turboreacție.

Turbina cu gaz Nikola Tesla

Celebrul om de știință-inventator a abordat întotdeauna problemele pe care le-a studiat într-un mod non-standard. Pentru toată lumea părea evident că roțile cu palete sau palete „prind” mișcarea mediului mai bine decât obiectele plate. Tesla, în maniera sa caracteristică, a demonstrat că, dacă asamblați un sistem rotor din discuri dispuse secvenţial pe axă, atunci datorită fluxului de gaz care preia straturile limită, acesta nu se va roti mai rău, și în unele cazuri chiar mai bine, decât un elice cu mai multe pale. Adevărat, direcția mediului în mișcare trebuie să fie tangențială, ceea ce nu este întotdeauna posibil sau de dorit în unitățile moderne, dar designul este simplificat semnificativ - nu necesită deloc lame. O turbină cu gaz conform schemei Tesla nu este încă construită, dar poate că ideea doar așteaptă timpul.

Diagramă schematică

Acum despre structura de bază a mașinii. Este o combinație între un sistem rotativ montat pe o axă (rotor) și o parte staționară (stator). Un disc cu lame de lucru este plasat pe arbore, formând o rețea concentrică, acestea sunt expuse la gaz furnizat sub presiune prin duze speciale. Gazul expandat intră apoi în rotor, care este, de asemenea, echipat cu lame numite muncitori. Pentru admisia amestecului aer-combustibil și pentru evacuarea (eșapament) se folosesc țevi speciale. De asemenea, în schema generala este implicat un compresor. Se poate realiza dupa diferite principii, in functie de presiunea de lucru ceruta. Pentru a-l opera, o parte din energie este preluată de pe axă și utilizată pentru a comprima aerul. O turbină cu gaz funcționează prin procesul de ardere a unui amestec aer-combustibil, însoțit de o creștere semnificativă a volumului. Arborele se rotește, energia sa poate fi folosită util. Un astfel de circuit se numește un singur circuit, dar dacă se repetă, atunci este considerat cu mai multe etape.

Avantajele turbinelor aeronavei

Pe la mijlocul anilor cincizeci, a apărut o nouă generație de aeronave, inclusiv avioane de pasageri (în URSS acestea erau Il-18, An-24, An-10, Tu-104, Tu-114, Tu-124 etc.), în proiecte în care motoarele cu piston ale aeronavelor au fost înlocuite definitiv și irevocabil de motoare cu turbină. Acest lucru indică eficiența mai mare a acestui tip de centrale electrice. Caracteristicile unei turbine cu gaz le depășesc pe cele ale motoarelor cu carburator în multe privințe, în special în ceea ce privește raportul putere/greutate, care este de o importanță capitală pentru aviație, precum și în nu mai puțin indicatori importanți fiabilitate. Consum mai mic de combustibil, mai puține piese în mișcare, parametri de mediu mai buni, zgomot și vibrații reduse. Turbinele sunt mai puțin critice pentru calitatea combustibilului (ceea ce nu se poate spune despre sistemele de combustibil), sunt mai ușor de întreținut și nu necesită atât de mult ulei lubrifiant. În general, la prima vedere pare că nu sunt din metal, ci au avantaje solide. Din păcate, acest lucru nu este adevărat.

Motoarele cu turbină cu gaz au și dezavantaje.

Turbina cu gaz se încălzește în timpul funcționării și transferă căldură elementelor structurale din jur. Acest lucru este deosebit de critic, din nou, în aviație, atunci când se utilizează o schemă de aspect modificată care implică spălarea părții inferioare a unității de coadă cu un curent de jet. Și carcasa motorului în sine necesită izolație termică specială și utilizarea materialelor refractare speciale care pot rezista la temperaturi ridicate.

Răcirea turbinelor cu gaz este o provocare tehnică complexă. Nu este o glumă, aceștia funcționează într-un mod de explozie aproape permanentă care are loc în organism. Eficiența în unele moduri este mai mică decât cea a motoarelor cu carburator, cu toate acestea, atunci când se utilizează un circuit cu dublu circuit, acest dezavantaj este eliminat, deși designul devine mai complicat, ca în cazul includerii compresoarelor „boost” în circuit. . Accelerarea turbinelor și atingerea modului de funcționare durează ceva timp. Cu cât unitatea pornește și se oprește mai des, cu atât se uzează mai repede.

Aplicarea corectă

Ei bine, niciun sistem nu se poate descurca fără deficiențele sale. Este important să găsim o utilizare pentru fiecare dintre ele în care avantajele sale să fie mai clar demonstrate. De exemplu, tancuri precum americanul Abrams, a cărui centrală electrică se bazează pe o turbină cu gaz. Poate fi alimentat cu orice arde, de la benzină cu octan mare până la whisky, și produce o mare putere. Exemplul poate să nu aibă prea mult succes, deoarece experiența din Irak și Afganistan a demonstrat vulnerabilitatea palelor compresorului la nisip. Turbinele cu gaz trebuie reparate în SUA, la uzina de producție. Pentru a duce rezervorul acolo, apoi înapoi, și costul întreținerii în sine plus componente...

Elicopterele, țările rusești, americane și din alte țări, precum și bărcile cu motor puternice, suferă mai puțin de blocaje. Rachetele lichide nu se pot descurca fără ele.

Modern nave de război iar navele civile au și motoare cu turbină cu gaz. Și, de asemenea, energie.

Centrale electrice trigeneratoare

Problemele cu care s-au confruntat producătorii de avioane nu sunt la fel de îngrijorătoare pentru cei care produc echipament industrial pentru producerea energiei electrice. În acest caz, greutatea nu mai este atât de importantă și vă puteți concentra pe parametri precum eficiența și eficiența generală. Unitățile generatoare cu turbine cu gaz au un cadru masiv, un cadru de încredere și lame mai groase. Este foarte posibil să se utilizeze căldura generată, folosind-o pentru o varietate de nevoi - de la reciclarea secundară în sistemul în sine, până la încălzirea spațiilor casnice și alimentarea termică a unităților frigorifice de tip absorbție. Această abordare se numește trigenerator, iar eficiența în acest mod se apropie de 90%.

Centrale nucleare

Pentru o turbină cu gaz, nu are nicio diferență fundamentală care este sursa mediului încălzit care dă energie palelor sale. Acesta ar putea fi un amestec aer-combustibil ars, sau pur și simplu abur supraîncălzit (nu neapărat apă), principalul lucru este că asigură alimentarea neîntreruptă. În miezul ei centrale electrice toata lumea centrale nucleare, submarine, portavion, spărgătoare de gheață și unele nave militare de suprafață ( crucișător de rachete„Petru cel Mare”, de exemplu) se bazează pe o turbină cu gaz (GTU) rotită cu abur. Problemele de siguranță și de mediu dictează un circuit primar închis. Aceasta înseamnă că agentul termic primar (în primele probe acest rol a fost jucat de plumb, acum a fost înlocuit cu parafină) nu părăsește zona reactorului, curgând în jurul elementelor de combustibil într-un cerc. Substanța de lucru este încălzită în circuitele ulterioare și evaporată dioxid de carbon, heliu sau azot rotesc roata turbinei.

Aplicație largă

Instalațiile complexe și mari sunt aproape întotdeauna unice; Cel mai adesea, unitățile produse în cantități mari sunt folosite în sectoare pașnice ale economiei, de exemplu, pentru pomparea materiilor prime de hidrocarburi prin conducte. Acestea sunt exact cele produse de compania ODK sub marca Saturn. Turbinele cu gaz ale stațiilor de pompare corespund pe deplin denumirii lor. Ei pompează de fapt gazul natural, folosind energia acestuia pentru munca lor.