Inštalácie energetických plynových turbín. Cykly zariadení s plynovou turbínou

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Naposledy zmenené: 2023-12-17 10:39

Jednotky s plynovou turbínou (GTP) sú jeden relatívne kompaktný energetický komplex, v ktorom výkonová turbína a generátor pracujú v pároch. Systém sa rozšíril v takzvanej malej energetike. Skvelé pre zásobovanie energiou a teplom veľkých podnikov, vzdialených sídiel a iných spotrebiteľov. Plynové turbíny spravidla fungujú na kvapalné palivo alebo plyn.

Na hrane pokroku

Pri zvyšovaní energetickej kapacity elektrární sa vedúca úloha presúva na jednotky s plynovou turbínou a ich ďalší vývoj - elektrárne s kombinovaným cyklom (CCGT). V amerických elektrárňach teda od začiatku 90. rokov 20. storočia už viac ako 60 % spustených a modernizovaných kapacít tvorili plynové turbíny a elektrárne s kombinovaným cyklom av niektorých krajinách ich podiel v niektorých rokoch dosiahol 90 %.

Vo veľkom množstve sa vyrábajú aj jednoduché plynové turbíny. Zariadenie s plynovou turbínou – mobilné, hospodárne na prevádzku a ľahko opraviteľné – sa ukázalo ako optimálne riešenie na pokrytie špičkového zaťaženia. Na prelome storočí (1999-2000) celková kapacitajednotky s plynovou turbínou dosiahli 120 000 MW. Pre porovnanie: v 80. rokoch bola celková kapacita systémov tohto typu 8 000 – 10 000 MW. Významná časť plynových turbín (viac ako 60 %) mala fungovať ako súčasť veľkých binárnych elektrární s kombinovaným cyklom s priemerným výkonom okolo 350 MW.

Historické pozadie

Teoretické základy využitia technológií kombinovaného cyklu boli u nás dostatočne podrobne študované začiatkom 60. rokov. Už vtedy sa ukázalo, že všeobecná cesta rozvoja tepelnej energetiky je spojená práve s technológiami kombinovaného cyklu. Ich úspešná implementácia si však vyžadovala spoľahlivé a vysoko účinné jednotky s plynovou turbínou.

Bol to významný pokrok v konštrukcii plynových turbín, ktorý určil moderný kvalitatívny skok v tepelnej energetike. Množstvo zahraničných firiem úspešne vyriešilo problém vytvorenia efektívnych stacionárnych plynových turbín v čase, keď domáce popredné popredné organizácie v riadenej ekonomike presadzovali najmenej sľubné technológie parných turbín (STP).

Ak v 60-tych rokoch bola účinnosť plynových turbín na úrovni 24-32%, tak koncom 80-tych rokov mali najlepšie stacionárne energetické plynové turbíny účinnosť (s autonómnym využitím) 36-37 %. To umožnilo na ich základe vytvárať CCGT, ktorých účinnosť dosahovala 50 %. Na začiatku nového storočia sa toto číslo rovnalo 40 % av kombinácii so zariadeniami s kombinovaným cyklom s plynovým cyklom to bolo dokonca 60 %.

Porovnanie parnej turbínya závody s kombinovaným cyklom

V zariadeniach s kombinovaným cyklom založeným na plynových turbínach bola okamžitá a reálna perspektíva dosiahnuť účinnosť 65 % alebo viac. Zároveň v prípade zariadení s parnými turbínami (vyvinuté v ZSSR), iba ak sa podarí úspešne vyriešiť množstvo zložitých vedeckých problémov súvisiacich s výrobou a používaním superkritickej pary, možno dúfať v účinnosť nie vyššiu ako 46- 49 %. Z hľadiska účinnosti sú teda systémy parných turbín beznádejne horšie ako systémy s kombinovaným cyklom.

Výrazne horšie ako elektrárne s parnou turbínou aj z hľadiska nákladov a času výstavby. V roku 2005 bola na svetovom trhu s energiou cena 1 kW za CCGT jednotku s výkonom 200 MW a viac 500 – 600 USD/kW. Pre CCGT s menšími kapacitami sa cena pohybovala v rozmedzí 600 – 900 USD/kW. Výkonné plynové turbíny zodpovedajú hodnotám 200-250 $/kW. S poklesom výkonu jednotky sa ich cena zvyšuje, ale zvyčajne nepresahuje 500 $ / kW. Tieto hodnoty sú niekoľkonásobne nižšie ako náklady na kilowatt elektrickej energie v systémoch parných turbín. Napríklad cena inštalovaného kilowattu v elektrárňach s kondenzačnou parnou turbínou sa pohybuje od 2000 do 3000 $/kW.

Schéma závodu s plynovou turbínou

Inštalácia obsahuje tri základné jednotky: plynovú turbínu, spaľovaciu komoru a vzduchový kompresor. Okrem toho sú všetky jednotky umiestnené v prefabrikovanej samostatnej budove. Rotory kompresora a turbíny sú navzájom pevne spojené, podopreté ložiskami.

Spaľovacie komory (napríklad 14 kusov) sú umiestnené okolo kompresora, každá vo svojom samostatnom kryte. Na prijatie doVzduchový kompresor slúži ako vstupné potrubie, vzduch opúšťa plynovú turbínu výfukovým potrubím. Teleso plynovej turbíny je založené na výkonných podperách umiestnených symetricky na jednom ráme.

Princíp činnosti

Väčšina jednotiek s plynovou turbínou využíva princíp kontinuálneho spaľovania alebo otvoreného cyklu:

• Najprv sa pracovná tekutina (vzduch) čerpá pri atmosférickom tlaku príslušným kompresorom.
• Ďalej je vzduch stlačený na vyšší tlak a posielaný do spaľovacej komory.
• Je dodávaný s palivom, ktoré horí pri konštantnom tlaku, čím zabezpečuje stály prísun tepla. V dôsledku spaľovania paliva sa zvyšuje teplota pracovnej tekutiny.
• Potom pracovná tekutina (teraz je to už plyn, ktorý je zmesou vzduchu a produktov spaľovania) vstupuje do plynovej turbíny, kde po expanzii na atmosférický tlak vykonáva užitočnú prácu (roztáča turbínu, ktorá generuje elektrina).
• Za turbínou sú plyny vypúšťané do atmosféry, cez ktorú sa uzatvára pracovný cyklus.
• Rozdiel medzi chodom turbíny a kompresora vníma elektrický generátor umiestnený na spoločnom hriadeli s turbínou a kompresorom.

Zariadenia s prerušovaným spaľovaním

Na rozdiel od predchádzajúceho návrhu využíva prerušované spaľovanie dva ventily namiesto jedného.

• Kompresor tlačí vzduch do spaľovacej komory cez prvý ventil, zatiaľ čo druhý ventil je zatvorený.
• Keď tlak v spaľovacej komore stúpne, prvý ventil sa zatvorí. V dôsledku toho je objem komory uzavretý.
• Pri zatvorených ventiloch sa v komore spaľuje palivo, prirodzene k jeho spaľovaniu dochádza pri konštantnom objeme. V dôsledku toho sa tlak pracovnej tekutiny ďalej zvyšuje.
• Potom sa otvorí druhý ventil a pracovná kvapalina vstupuje do plynovej turbíny. V tomto prípade bude tlak pred turbínou postupne klesať. Keď sa priblíži k atmosfére, druhý ventil by sa mal zatvoriť a prvý by sa mal otvoriť a zopakovať postupnosť akcií.

cykly plynových turbín

Pri praktickej realizácii jedného alebo druhého termodynamického cyklu musia dizajnéri čeliť mnohým neprekonateľným technickým prekážkam. Najcharakteristickejší príklad: keď je vlhkosť pary vyššia ako 8-12%, straty v dráhe prúdenia parnej turbíny sa prudko zvyšujú, zvyšuje sa dynamické zaťaženie a dochádza k erózii. To v konečnom dôsledku vedie k zničeniu prietokovej cesty turbíny.

V dôsledku týchto obmedzení v energetickom sektore (na získanie zamestnania) sú zatiaľ široko používané iba dva základné termodynamické cykly: Rankinov cyklus a Braytonov cyklus. Väčšina elektrární je založená na kombinácii prvkov týchto cyklov.

Rankinov cyklus sa používa pre pracovné kvapaliny, ktoré pri realizácii cyklu prechádzajú fázou, podľa tohto cyklu pracujú parné elektrárne. Pre pracovné kvapaliny, ktoré v reálnych podmienkach nemôžu kondenzovať a ktoré nazývame plyny, sa používa Braytonov cyklus. Cez tento cyklusplynové turbíny a spaľovacie motory fungujú.

Spotrebované palivo

Prevažná väčšina plynových turbín je navrhnutá na prevádzku na zemný plyn. Niekedy sa kvapalné palivá používajú v systémoch s nízkym výkonom (menej často - stredný, veľmi zriedkavo - vysoký výkon). Novým trendom je prechod kompaktných systémov plynových turbín na používanie pevných horľavých materiálov (uhlie, menej často rašelina a drevo). Tieto trendy sú dané tým, že plyn je cennou technologickou surovinou pre chemický priemysel, kde je jeho využitie často rentabilnejšie ako v energetike. Výroba zariadení s plynovou turbínou, ktoré sú schopné efektívne fungovať na tuhé palivo, aktívne naberá na obrátkach.

Rozdiel medzi ICE a GTU

Základný rozdiel medzi spaľovacími motormi a komplexmi plynových turbín je nasledujúci. V spaľovacom motore prebiehajú procesy kompresie vzduchu, spaľovania paliva a expanzie produktov spaľovania v rámci jedného konštrukčného prvku, nazývaného valec motora. V plynových turbínach sú tieto procesy rozdelené do samostatných konštrukčných jednotiek:

• kompresia sa vykonáva v kompresore;
• spaľovanie paliva v špeciálnej komore;
• expanzia produktov spaľovania sa vykonáva v plynovej turbíne.

Výsledkom je, že štrukturálne majú plynové turbíny a spaľovacie motory malú podobnosť, hoci fungujú podľa podobných termodynamických cyklov.

Záver

S rozvojom výroby elektrickej energie v malom meradle, zvyšovaním jej účinnosti, zaujímajú systémy GTP a STP stále väčší podiel na celkovomenergetický systém sveta. V súlade s tým je sľubná profesia operátora závodu s plynovou turbínou stále viac žiadaná. Po západných partneroch si množstvo ruských výrobcov osvojilo výrobu nákladovo efektívnych jednotiek plynových turbín. Severo-Zapadnaya CHPP v Petrohrade sa stala prvou elektrárňou s kombinovaným cyklom novej generácie v Rusku.