Energiagázturbina-berendezések. Gázturbinás üzemek ciklusai

2024 Szerző: Howard Calhoun | [email protected]. Utoljára módosítva: 2023-12-17 10:30

A gázturbinás egységek (GTP) egyetlen, viszonylag kompakt energiakomplexumot alkotnak, amelyben egy erőturbina és egy generátor párban dolgozik. A rendszer elterjedt az úgynevezett kisenergia-iparban. Kiválóan alkalmas nagyvállalatok, távoli települések és egyéb fogyasztók áram- és hőellátására. A gázturbinák általában folyékony tüzelőanyaggal vagy gázzal működnek.

A haladás szélén

Az erőművek energiakapacitásának növelésében a vezető szerepet a gázturbinás blokkok és azok továbbfejlesztése - a kombinált ciklusú erőművek (CCGT) kapják. Így az amerikai erőművekben az 1990-es évek eleje óta az üzembe helyezett és korszerűsített kapacitások több mint 60%-a már gázturbina és kombinált ciklusú erőmű, egyes országokban pedig néhány évben elérte a 90%-ot is.

Egyszerű gázturbinákat is nagy számban építenek. A mobil, gazdaságosan üzemeltethető és könnyen javítható gázturbinás üzem optimális megoldásnak bizonyult a csúcsterhelések fedezésére. A századfordulón (1999-2000) az összkapacitásgázturbinás blokkok elérték a 120 000 MW-ot. Összehasonlításképpen: az 1980-as években az ilyen típusú rendszerek összteljesítménye 8000-10000 MW volt. A gázturbinák jelentős részét (több mint 60%-át) nagy bináris kombinált ciklusú erőművek részeként tervezték üzemelni, körülbelül 350 MW átlagos teljesítményű.

Történelmi háttér

A kombinált ciklusú technológiák alkalmazásának elméleti alapjait elég részletesen tanulmányozták hazánkban a hatvanas évek elején. Már ekkor világossá vált, hogy a hőenergetika fejlődésének általános útja éppen a kombinált ciklusú technológiákhoz kötődik. Sikeres megvalósításukhoz azonban megbízható és rendkívül hatékony gázturbinás egységekre volt szükség.

A gázturbinák építésében elért jelentős előrelépés határozta meg a modern minőségi ugrást a hőenergia-technikában. Számos külföldi cég sikeresen megoldotta a hatékony, helyhez kötött gázturbinák létrehozásának problémáját abban az időben, amikor a vezető gazdaság hazai vezető szervezetei a legkevésbé ígéretes gőzturbina-technológiákat (STP) támogatták.

Ha a 60-as években a gázturbinás berendezések hatásfoka 24-32% között volt, akkor a 80-as évek végén a legjobb helyhez kötött gázturbinás berendezések már 36-37 közötti hatásfokkal rendelkeztek (önálló használat mellett). %. Ez lehetővé tette bázisukon CCGT-k létrehozását, amelyek hatékonysága elérte az 50%-ot. Az új évszázad elejére ez a szám elérte a 40%-ot, a kombinált ciklusú gázciklusú erőművekkel kombinálva pedig már 60%-ot.

A gőzturbina összehasonlításaés kombinált ciklusú üzemek

A gázturbinákon alapuló kombinált ciklusú erőművekben az azonnali és valós kilátás a 65%-os vagy annál nagyobb hatásfok elérése volt. Ugyanakkor a (a Szovjetunióban kifejlesztett) gőzturbinás erőművek esetében csak akkor remélhető, hogy a szuperkritikus gőz előállításával és felhasználásával kapcsolatos számos összetett tudományos probléma sikeresen megoldható, legfeljebb 46-os hatásfok. 49%. Így hatásfok tekintetében a gőzturbinás rendszerek reménytelenül alulmúlják a kombinált ciklusú rendszereket.

Költség és építési idő tekintetében is lényegesen elmarad a gőzturbinás erőművektől. 2005-ben a világ energiapiacán a 200 MW vagy annál nagyobb teljesítményű CCGT blokk 1 kW-os ára 500-600 dollár/kW volt. A kisebb teljesítményű CCGT-k költsége 600-900 dollár/kW között volt. Az erős gázturbinás erőművek 200-250 $/kW értéknek felelnek meg. Az egységnyi teljesítmény csökkenésével áraik emelkednek, de általában nem haladják meg az 500 USD / kW-ot. Ezek az értékek többszörösek, mint egy kilowatt villamos energia költsége a gőzturbinás rendszerekben. Például egy beépített kilowatt ára kondenzációs gőzturbinás erőművekben 2000-3000 $/kW között mozog.

Gázturbinás erőmű terve

A telepítés három alapegységet tartalmaz: egy gázturbinát, egy égésteret és egy légkompresszort. Ezenkívül minden egység egy előre gyártott épületben található. A kompresszor és a turbina forgórésze mereven kapcsolódik egymáshoz, csapágyakkal megtámasztva.

Az égéskamrák (például 14 darab) a kompresszor körül vannak elhelyezve, mindegyik külön házában. A belépéshezA légkompresszor bemeneti csőként szolgál, a levegő a kipufogócsövön keresztül távozik a gázturbinából. A gázturbina teste erős támasztékokon alapul, amelyek szimmetrikusan vannak elhelyezve egyetlen kereten.

Működési elv

A legtöbb gázturbinás egység a folyamatos égés vagy nyitott ciklus elvét használja:

• Először is a munkafolyadékot (levegőt) a megfelelő kompresszor atmoszférikus nyomáson szivattyúzza.
• Továbbá a levegőt nagyobb nyomásra sűrítik, és az égéstérbe juttatják.
• Tüzelőanyaggal van ellátva, amely állandó nyomáson ég, állandó hőellátást biztosítva. Az üzemanyag elégetése miatt a munkaközeg hőmérséklete megnő.
• Ezután a munkaközeg (ma már gáz, ami levegő és égéstermék keveréke) belép a gázturbinába, ahol atmoszférikus nyomásra tágulva hasznos munkát végez (forgatja a generáló turbinát villany).
• A turbina után a gázok a légkörbe kerülnek, amelyen keresztül a munkaciklus lezárul.
• A turbina és a kompresszor működése közötti különbséget a turbinával és a kompresszorral közös tengelyen elhelyezett elektromos generátor érzékeli.

Időszakos tüzelőberendezések

Az előző kialakítástól eltérően a szakaszos égésnél két szelepet használnak egy helyett.

• A kompresszor levegőt kényszerít az égéstérbe az első szelepen keresztül, miközben a második szelep zárva van.
• Amikor a nyomás az égéstérben megemelkedik, az első szelep zárva van. Ennek eredményeként a kamra térfogata bezárul.
• Ha a szelepek zárva vannak, az üzemanyag eléget a kamrában, ennek égése természetesen állandó térfogaton megy végbe. Ennek eredményeként a munkaközeg nyomása tovább növekszik.
• Ezután kinyílik a második szelep, és a munkaközeg belép a gázturbinába. Ebben az esetben a turbina előtti nyomás fokozatosan csökken. Amikor közeledik a légköri hőmérséklet, a második szelepet zárni kell, az elsőt pedig ki kell nyitni, és meg kell ismételni a műveletsort.

Gázturbina ciklusok

Egyik vagy másik termodinamikai ciklus gyakorlati megvalósítására térve a tervezőknek számos leküzdhetetlen műszaki akadállyal kell szembenézniük. A legjellemzőbb példa: ha a gőz páratartalma meghaladja a 8-12%-ot, a gőzturbina áramlási útjának veszteségei meredeken megnőnek, dinamikus terhelések nőnek, erózió lép fel. Ez végül a turbina áramlási útvonalának megsemmisüléséhez vezet.

Ezen megszorítások eredményeként az energiaszektorban (munkaszerzéshez) eddig csak két alapvető termodinamikai ciklust alkalmaznak széles körben: a Rankine-ciklust és a Brayton-ciklust. A legtöbb erőmű e ciklusok elemeinek kombinációján alapul.

A Rankine ciklust olyan munkafolyadékokhoz használják, amelyek a ciklus végrehajtása során fázisátalakulást hajtanak végre, a gőzerőművek ennek a ciklusnak megfelelően működnek. A valós körülmények között nem kondenzálható munkaközegeknél, amelyeket gázoknak nevezünk, a Brayton-ciklust használjuk. Ezen a cikluson keresztülgázturbinás erőművek és belső égésű motorok működnek.

Felhasznált üzemanyag

A gázturbinák túlnyomó többségét úgy tervezték, hogy földgázzal működjenek. Néha folyékony tüzelőanyagokat használnak kis teljesítményű rendszerekben (ritkábban - közepes, nagyon ritkán - nagy teljesítményű). Új trend a kompakt gázturbinás rendszerek átállása a szilárd éghető anyagok (szén, ritkábban tőzeg és fa) használatára. Ezek a tendenciák annak köszönhetőek, hogy a gáz értékes technológiai alapanyag a vegyiparban, ahol felhasználása gyakran jövedelmezőbb, mint az energiaszektorban. A szilárd tüzelőanyaggal hatékonyan működő gázturbinás erőművek gyártása aktívan lendületet vesz.

Az ICE és a GTU közötti különbség

A belső égésű motorok és a gázturbina-komplexumok közötti alapvető különbség a következő. A belső égésű motorokban a levegő kompressziója, az üzemanyag égése és az égéstermékek expanziója egy szerkezeti elemen, a motorhengeren belül megy végbe. A gázturbinákban ezek a folyamatok külön szerkezeti egységekre vannak szétválasztva:

• a tömörítés a kompresszorban történik;
• üzemanyag elégetése egy speciális kamrában;
• az égéstermékek expanziója gázturbinában történik.

Ennek eredményeképpen szerkezetileg a gázturbinák és a belső égésű motorok kevéssé hasonlítanak egymásra, bár hasonló termodinamikai ciklusok szerint működnek.

Következtetés

A kisüzemi áramtermelés fejlődésével, hatékonyságának növelésével a GTP és az STP rendszerek egyre nagyobb részt foglalnak el a teljes termelésbena világ energiarendszere. Ennek megfelelően az ígéretes gázturbinás üzem üzemeltetői szakma iránt egyre nagyobb a kereslet. Nyugati partnereinket követően számos orosz gyártó sajátította el a költséghatékony gázturbinás egységek gyártását. A szentpétervári Severo-Zapadnaya CHPP lett az első új generációs kombinált ciklusú erőmű Oroszországban.