Installationer af energigasturbiner. Cykler af gasturbineanlæg

2024 Forfatter: Howard Calhoun | [email protected]. Sidst ændret: 2023-12-17 10:22

Gasturbineenheder (GTP) er et enkelt, relativt kompakt kraftkompleks, hvor en kraftturbine og en generator arbejder i par. Systemet er blevet udbredt i den såkaldte småstrømsindustri. Fantastisk til strøm- og varmeforsyning til store virksomheder, fjerntliggende bebyggelser og andre forbrugere. Som regel kører gasturbiner på flydende brændstof eller gas.

På kanten af fremskridt

Ved at øge energikapaciteten i kraftværker overføres hovedrollen til gasturbineenheder og deres videre udvikling - kombinerede cyklusanlæg (CCGT). På amerikanske kraftværker siden begyndelsen af 1990'erne har mere end 60 % af den idriftsatte og moderniserede kapacitet allerede været gasturbiner og kombianlæg, og i nogle lande nåede deres andel i nogle år 90 %.

Simple gasturbiner er også bygget i stort antal. Gasturbineanlægget - mobilt, økonomisk i drift og let at reparere - viste sig at være den optimale løsning til at dække spidsbelastninger. Ved århundredeskiftet (1999-2000) var den samlede kapacitetgasturbineenheder nåede 120.000 MW. Til sammenligning: i 1980'erne var den samlede kapacitet af systemer af denne type 8.000-10.000 MW. En betydelig del af gasturbinerne (mere end 60%) var beregnet til at fungere som en del af store binære kombianlæg med en gennemsnitlig effekt på omkring 350 MW.

Historisk baggrund

Teoretiske grundlag for brugen af kombinerede cyklusteknologier blev undersøgt tilstrækkeligt detaljeret i vores land i begyndelsen af 60'erne. Allerede på det tidspunkt blev det klart, at den generelle vej til udvikling af termisk kraftteknik er forbundet netop med kombinerede cyklusteknologier. Deres succesfulde implementering krævede dog pålidelige og yderst effektive gasturbineenheder.

Det var de betydelige fremskridt inden for gasturbinekonstruktion, der bestemte det moderne kvalitative spring inden for termisk energiteknik. En række udenlandske firmaer løste med succes problemet med at skabe effektive stationære gasturbiner på et tidspunkt, hvor førende indenlandske førende organisationer i en kommandoøkonomi promoverede de mindst lovende dampturbineteknologier (STP).

Hvis effektiviteten af gasturbineinstallationer i 60'erne var på niveauet 24-32%, så havde de bedste stationære kraftgasturbineinstallationer allerede i slutningen af 80'erne en effektivitet (med autonom brug) på 36-37 %. Dette gjorde det muligt at oprette CCGT'er på deres grundlag, hvis effektivitet nåede 50%. I begyndelsen af det nye århundrede var dette tal lig med 40 %, og i kombination med kombinerede gascyklusanlæg var det endda 60 %.

Sammenligning af dampturbineog kombianlæg

I kombianlæg baseret på gasturbiner var den umiddelbare og reelle udsigt at opnå en effektivitet på 65 % eller mere. På samme tid, for dampturbineanlæg (udviklet i USSR), kun hvis en række komplekse videnskabelige problemer relateret til generering og brug af superkritisk damp kan løses med succes, kan man håbe på en effektivitet på højst 46- 49 %. Med hensyn til effektivitet er dampturbinesystemer således håbløst ringere end kombinerede cyklussystemer.

Væsentligt ringere end dampturbinekraftværker også med hensyn til omkostninger og byggetid. I 2005, på verdensenergimarkedet, var prisen på 1 kW for en CCGT-enhed med en kapacitet på 200 MW eller mere $ 500-600/kW. For CCGT'er med mindre kapacitet lå omkostningerne i intervallet $600-900/kW. Kraftige gasturbineanlæg svarer til værdier på 200-250 $/kW. Med et fald i enhedseffekt stiger deres pris, men overstiger norm alt ikke $ 500 / kW. Disse værdier er flere gange mindre end prisen på en kilowatt elektricitet i dampturbinesystemer. For eksempel varierer prisen på en installeret kilowatt på kondenserende dampturbinekraftværker fra 2000-3000 $/kW.

Plan af et gasturbineanlæg

Installationen omfatter tre grundlæggende enheder: en gasturbine, et forbrændingskammer og en luftkompressor. Desuden er alle enheder indrettet i en præfabrikeret enkeltbygning. Kompressoren og turbinerotorerne er stift forbundet med hinanden, understøttet af lejer.

Forbrændingskamre (f.eks. 14 stykker) er placeret rundt om kompressoren, hver i sit eget separate hus. Til optagelse tilLuftkompressoren fungerer som et indløbsrør, luft forlader gasturbinen gennem udstødningsrøret. Gasturbinehuset er baseret på kraftige understøtninger placeret symmetrisk på en enkelt ramme.

Arbejdsprincip

De fleste gasturbineenheder bruger princippet om kontinuerlig forbrænding eller åben cyklus:

• Først pumpes arbejdsvæsken (luften) ved atmosfærisk tryk af den passende kompressor.
• Yderligere komprimeres luften til et højere tryk og sendes til forbrændingskammeret.
• Den er forsynet med brændstof, som brænder ved et konstant tryk, hvilket giver en konstant tilførsel af varme. På grund af forbrændingen af brændstof stiger temperaturen af arbejdsvæsken.
• Dernæst kommer arbejdsvæsken (nu er det allerede en gas, som er en blanding af luft og forbrændingsprodukter) ind i gasturbinen, hvor den udvider sig til atmosfærisk tryk og udfører nyttigt arbejde (vender turbinen, der genererer elektricitet).
• Efter turbinen udledes gasserne i atmosfæren, hvorigennem arbejdscyklussen slutter.
• Forskellen mellem driften af turbinen og kompressoren opfattes af en elektrisk generator placeret på en fælles aksel med turbinen og kompressoren.

Intermitterende forbrændingsanlæg

I modsætning til det tidligere design bruger intermitterende forbrænding to ventiler i stedet for én.

• Kompressoren tvinger luft ind i forbrændingskammeret gennem den første ventil, mens den anden ventil er lukket.
• Når trykket i forbrændingskammeret stiger, lukkes den første ventil. Som et resultat er kammerets volumen lukket.
• Når ventilerne er lukkede, forbrændes brændstof i kammeret, og dets forbrænding sker naturligvis med et konstant volumen. Som et resultat øges trykket af arbejdsfluiden yderligere.
• Dernæst åbnes den anden ventil, og arbejdsvæsken kommer ind i gasturbinen. I dette tilfælde vil trykket foran turbinen gradvist falde. Når den nærmer sig atmosfærisk, skal den anden ventil lukkes, og den første skal åbnes og gentage rækkefølgen af handlinger.

Gasturbinecyklusser

Når det drejer sig om den praktiske implementering af en eller anden termodynamisk cyklus, må designere stå over for mange uoverstigelige tekniske forhindringer. Det mest karakteristiske eksempel: når dampfugtigheden er mere end 8-12%, øges tabene i dampturbinens strømningsvej kraftigt, dynamiske belastninger øges, og der opstår erosion. Dette fører i sidste ende til ødelæggelsen af turbinens strømningsvej.

Som et resultat af disse restriktioner i energisektoren (for at få et job), er kun to grundlæggende termodynamiske cyklusser brugt i vid udstrækning indtil videre: Rankine-cyklussen og Brayton-cyklussen. De fleste kraftværker er baseret på en kombination af elementer i disse cyklusser.

Rankine-cyklussen bruges til arbejdsvæsker, der laver en faseovergang under implementeringen af cyklussen; dampkraftværker fungerer i henhold til denne cyklus. Til arbejdsvæsker, der ikke kan kondenseres under virkelige forhold, og som vi kalder gasser, bruges Brayton-cyklussen. Gennem denne cyklusgasturbineanlæg og forbrændingsmotorer kører.

Brændstof brugt

Langt de fleste gasturbiner er designet til at køre på naturgas. Nogle gange bruges flydende brændstoffer i laveffektsystemer (mindre ofte - medium, meget sjældent - høj effekt). En ny trend er overgangen af kompakte gasturbinesystemer til brug af faste brændbare materialer (kul, sjældnere tørv og træ). Disse tendenser skyldes, at gas er et værdifuldt teknologisk råstof til den kemiske industri, hvor det ofte er mere rentabelt end i energisektoren. Produktionen af gasturbineanlæg, der er i stand til at fungere effektivt på fast brændsel, tager aktivt fart.

Forskel mellem ICE og GTU

Den grundlæggende forskel mellem forbrændingsmotorer og gasturbinekomplekser er som følger. I en forbrændingsmotor forekommer processerne med luftkompression, brændstofforbrænding og udvidelse af forbrændingsprodukter inden for et strukturelt element, kaldet motorcylinderen. I gasturbiner er disse processer adskilt i separate strukturelle enheder:

• komprimering udføres i kompressoren;
• forbrænding af henholdsvis brændstof i et særligt kammer;
• udvidelse af forbrændingsprodukter udføres i en gasturbine.

Som et resultat, strukturelt har gasturbiner og forbrændingsmotorer kun lidt lighed, selvom de fungerer i overensstemmelse med lignende termodynamiske cyklusser.

Konklusion

Med udviklingen af småskala elproduktion, øget effektivitet, optager GTP- og STP-systemer en stigende andel af det samledeverdens energisystem. Derfor efterspørges det lovende erhverv som gasturbineanlægsoperatør i stigende grad. Efter vestlige partnere har en række russiske producenter mestret produktionen af omkostningseffektive gasturbineenheder. Severo-Zapadnaya kraftvarmeværk i Skt. Petersborg blev det første kombinerede kraftværk af en ny generation i Rusland.