Energijske plinske turbine. Cikli plinskoturbinskih naprav

2024 Avtor: Howard Calhoun | [email protected]. Nazadnje spremenjeno: 2023-12-17 10:40

Plinskoturbinske enote (GTP) so en sam, relativno kompakten energetski kompleks, v katerem močna turbina in generator delujeta v paru. Sistem je postal razširjen v tako imenovani mali elektroenergetski industriji. Odlično za oskrbo z električno energijo in toploto velikih podjetij, oddaljenih naselij in drugih porabnikov. Plinske turbine praviloma delujejo na tekoče gorivo ali plin.

Na robu napredka

Pri povečevanju energetske zmogljivosti elektrarn je vodilna vloga prenesena na plinskoturbinske agregate in njihov nadaljnji razvoj – elektrarne s kombiniranim ciklom (CCGT). Tako so v ameriških elektrarnah od začetka 90. let prejšnjega stoletja več kot 60 % zagnanih in posodobljenih zmogljivosti že predstavljale plinske turbine in elektrarne s kombiniranim ciklom, v nekaterih državah pa je njihov delež v nekaterih letih dosegel 90 %.

Enostavne plinske turbine so prav tako zgrajene v velikem številu. Plinska turbina - mobilna, ekonomična za uporabo in enostavna za popravilo - se je izkazala za optimalno rešitev za pokrivanje koničnih obremenitev. Na prelomu stoletja (1999-2000) je skupna zmogljivostplinskoturbinske enote dosegle 120.000 MW. Za primerjavo: v 80. letih prejšnjega stoletja je bila skupna zmogljivost tovrstnih sistemov 8.000-10.000 MW. Pomemben del plinskih turbin (več kot 60 %) je bil namenjen delovanju kot del velikih binarnih elektrarn s kombiniranim ciklom s povprečno močjo okoli 350 MW.

Zgodovinsko ozadje

Teoretične osnove za uporabo kombiniranih cikličnih tehnologij so bile pri nas v zgodnjih 60. letih dovolj podrobno proučene. Že takrat je postalo jasno, da je splošna pot razvoja termoenergetike povezana prav s tehnologijami kombiniranega cikla. Vendar pa je njihova uspešna implementacija zahtevala zanesljive in visoko učinkovite plinskoturbinske enote.

Pomemben napredek pri gradnji plinskih turbin je določil sodoben kvalitativni preskok v termoenergetiki. Številna tuja podjetja so uspešno rešila problem ustvarjanja učinkovitih stacionarnih plinskih turbin v času, ko so domače vodilne organizacije v komandnem gospodarstvu promovirale najmanj obetavne tehnologije parnih turbin (STP).

Če je bil v 60. letih izkoristek plinskih turbin na ravni 24-32%, potem so v poznih 80. letih najboljše stacionarne plinskoturbinske inštalacije že imele izkoristek (z avtonomno uporabo) 36-37 %. To je omogočilo ustvarjanje CCGT na njihovi podlagi, katerih učinkovitost je dosegla 50%. Do začetka novega stoletja je bila ta številka enaka 40 %, v kombinaciji s plinskimi napravami s kombiniranim ciklom pa celo 60 %.

Primerjava parne turbinein obrate s kombiniranim ciklom

V obratih s kombiniranim ciklom, ki temeljijo na plinskih turbinah, je bila takojšnja in resnična možnost doseči izkoristek 65 % ali več. Hkrati pa lahko za parne turbinske elektrarne (razvite v ZSSR) le, če je mogoče uspešno rešiti številne kompleksne znanstvene probleme, povezane z ustvarjanjem in uporabo superkritične pare, lahko upamo na učinkovitost največ 46- 49 %. Tako so sistemi s parnimi turbinami glede učinkovitosti brezupno slabši od sistemov s kombiniranim ciklom.

Občutno slabše od parnih turbinskih elektrarn tudi po stroških in času gradnje. Leta 2005 je bila na svetovnem energetskem trgu cena 1 kW za enoto CCGT z zmogljivostjo 200 MW ali več 500-600 $/kW. Za CCGT manjših zmogljivosti so bili stroški v območju 600-900 $/kW. Zmogljive plinske turbine ustrezajo vrednostim 200-250 $/kW. Z zmanjšanjem moči enote se njihova cena poveča, vendar običajno ne presega 500 $ / kW. Te vrednosti so nekajkrat manjše od stroškov kilovata električne energije v sistemih s parno turbino. Na primer, cena vgrajenega kilovata v kondenzacijskih parnih turbinskih elektrarnah se giblje med 2000-3000 $/kW.

Shema plinske turbine

Namestitev vključuje tri osnovne enote: plinsko turbino, zgorevalno komoro in zračni kompresor. Poleg tega so vse enote nameščene v montažni enotni zgradbi. Rotorji kompresorja in turbine so med seboj togo povezani, podprti z ležaji.

Zgorevalne komore (npr. 14 kosov) so nameščene okoli kompresorja, vsaka v svojem ločenem ohišju. Za sprejem vZračni kompresor služi kot dovodna cev, zrak zapušča plinsko turbino skozi izpušno cev. Telo plinske turbine temelji na močnih nosilcih, nameščenih simetrično na enem samem okvirju.

Načelo dela

Večina plinskih turbinskih enot uporablja načelo neprekinjenega zgorevanja ali odprtega cikla:

• Najprej se delovna tekočina (zrak) črpa pri atmosferskem tlaku z ustreznim kompresorjem.
• Poleg tega se zrak stisne na višji tlak in pošlje v zgorevalno komoro.
• Napaja se z gorivom, ki gori pri konstantnem tlaku, kar zagotavlja stalen dovod toplote. Zaradi zgorevanja goriva se temperatura delovne tekočine poveča.
• Naslednja delovna tekočina (zdaj je to že plin, ki je mešanica zraka in produktov zgorevanja) vstopi v plinsko turbino, kjer z razširitvijo na atmosferski tlak opravlja koristno delo (obrne turbino, ki proizvaja elektrika).
• Po turbini se plini odvajajo v ozračje, skozi katerega se delovni cikel zaključi.
• Razliko med delovanjem turbine in kompresorja zazna električni generator, ki se nahaja na skupni gredi s turbino in kompresorjem.

Kurilne naprave s prekinitvami

Za razliko od prejšnje zasnove občasno zgorevanje uporablja dva ventila namesto enega.

• Kompresor potisne zrak v zgorevalno komoro skozi prvi ventil, medtem ko je drugi ventil zaprt.
• Ko se tlak v zgorevalni komori dvigne, se prvi ventil zapre. Posledično je prostornina komore zaprta.
• Ko so ventili zaprti, gorivo zgoreva v komori, seveda njegovo zgorevanje poteka pri konstantni prostornini. Posledično se tlak delovne tekočine še poveča.
• Naslednji se odpre drugi ventil in delovna tekočina vstopi v plinsko turbino. V tem primeru se bo tlak pred turbino postopoma zmanjševal. Ko se približa atmosferski, je treba drugi ventil zapreti, prvega pa odpreti in ponoviti zaporedje dejanj.

cikli plinske turbine

Ob praktičnem izvajanju enega ali drugega termodinamičnega cikla se morajo oblikovalci soočiti s številnimi nepremostljivimi tehničnimi ovirami. Najbolj značilen primer: ko je vlažnost pare več kot 8-12%, se izgube v pretočni poti parne turbine močno povečajo, povečajo se dinamične obremenitve in pride do erozije. To na koncu vodi do uničenja pretočne poti turbine.

Zaradi teh omejitev v energetskem sektorju (za pridobitev zaposlitve) sta se doslej široko uporabljala le dva osnovna termodinamična cikla: Rankinov in Braytonov cikel. Večina elektrarn temelji na kombinaciji elementov teh ciklov.

Cikel Rankine se uporablja za delovne tekočine, ki med izvajanjem cikla opravijo fazni prehod; po tem ciklu delujejo parne elektrarne. Za delovne tekočine, ki jih v realnih pogojih ni mogoče kondenzirati in jih imenujemo plini, se uporablja Braytonov cikel. Skozi ta cikelplinske turbine in motorji z notranjim zgorevanjem delujejo.

Porabljeno gorivo

Velika večina plinskih turbin je zasnovanih za delovanje na zemeljski plin. Včasih se tekoča goriva uporabljajo v sistemih z nizko močjo (manj pogosto - srednje, zelo redko - velika moč). Nov trend je prehod kompaktnih plinskoturbinskih sistemov na uporabo trdnih gorljivih materialov (premog, redkeje šota in les). Ti trendi so posledica dejstva, da je plin dragocena tehnološka surovina za kemično industrijo, kjer je njegova uporaba pogosto bolj donosna kot v energetskem sektorju. Proizvodnja plinskoturbinskih naprav, ki lahko učinkovito delujejo na trda goriva, aktivno pridobiva zagon.

Razlika med ICE in GTU

Temeljna razlika med motorji z notranjim zgorevanjem in plinskoturbinskimi kompleksi je naslednja. V motorju z notranjim zgorevanjem se procesi stiskanja zraka, zgorevanja goriva in ekspanzije produktov zgorevanja odvijajo v enem strukturnem elementu, imenovanem cilinder motorja. V plinskih turbinah so ti procesi ločeni v ločene strukturne enote:

• stiskanje se izvaja v kompresorju;
• izgorevanje goriva v posebni komori;
• razširitev produktov zgorevanja se izvaja v plinski turbini.

Zaradi tega imajo plinske turbine in motorji z notranjim zgorevanjem strukturno malo podobnosti, čeprav delujejo v skladu s podobnimi termodinamičnimi cikli.

Sklep

Z razvojem male proizvodnje električne energije, ki povečuje njeno učinkovitost, GTP in STP sistemi zavzemajo vse večji delež v skupnemenergetski sistem sveta. V skladu s tem je obetaven poklic upravljavca plinskih turbin vse bolj povpraševan. Po zahodnih partnerjih so številni ruski proizvajalci obvladali proizvodnjo stroškovno učinkovitih plinskih turbin. TE Severo-Zapadnaya v Sankt Peterburgu je postala prva kombinirana elektrarna nove generacije v Rusiji.