Energijos dujų turbinų įrenginiai. Dujų turbinų ciklai

2024 Autorius: Howard Calhoun | [email protected]. Paskutinį kartą keistas: 2023-12-17 10:34

Dujų turbinos blokai (GTP) yra vienas, palyginti kompaktiškas energijos kompleksas, kuriame galios turbina ir generatorius veikia poromis. Sistema plačiai paplito vadinamojoje mažoje energetikos pramonėje. Puikiai tinka didelių įmonių, atokių gyvenviečių ir kitų vartotojų elektros ir šilumos tiekimui. Paprastai dujų turbinos veikia skystuoju kuru arba dujomis.

Ant pažangos ribos

Didinant elektrinių energetinį pajėgumą, pagrindinis vaidmuo tenka dujų turbinų blokams ir tolesnei jų raidai – kombinuoto ciklo jėgainėms (CCGT). Taigi JAV elektrinėse nuo 1990-ųjų pradžios daugiau nei 60 % pradėtų eksploatuoti ir modernizuoti pajėgumų jau buvo dujų turbinos ir kombinuoto ciklo jėgainės, o kai kuriose šalyse kai kuriais metais jų dalis siekė 90 %.

Paprastų dujų turbinų taip pat statoma daug. Dujų turbina – mobili, ekonomiška eksploatuoti ir lengvai remontuojama – pasirodė esąs optimalus sprendimas maksimalioms apkrovoms padengti. Amžių sandūroje (1999–2000 m.) bendras pajėgumasdujų turbinų blokai pasiekė 120 000 MW. Palyginimui: devintajame dešimtmetyje bendra tokio tipo sistemų galia buvo 8000-10000 MW. Didelė dalis dujų turbinų (daugiau nei 60 %) turėjo veikti kaip didelių dvejetainių kombinuoto ciklo jėgainių, kurių vidutinė galia apie 350 MW, dalis.

Istorijos fonas

Mišraus ciklo technologijų naudojimo teoriniai pagrindai mūsų šalyje buvo pakankamai išsamiai išnagrinėti šeštojo dešimtmečio pradžioje. Jau tuo metu tapo aišku, kad bendras šiluminės energetikos plėtros kelias yra susijęs būtent su kombinuoto ciklo technologijomis. Tačiau sėkmingam jų įgyvendinimui reikėjo patikimų ir labai efektyvių dujų turbinų.

Būtent didelė pažanga dujų turbinų statybos srityje lėmė šiuolaikinį kokybinį šiluminės energetikos šuolį. Nemažai užsienio firmų sėkmingai išsprendė efektyvių stacionarių dujų turbinų kūrimo problemą tuo metu, kai pirmaujančios šalies komandinės ekonomikos organizacijos propagavo mažiausiai perspektyvias garo turbinų technologijas (STP).

Jei septintajame dešimtmetyje dujų turbinų įrenginių efektyvumas siekė 24–32 %, tai devintojo dešimtmečio pabaigoje geriausių stacionarių galios dujų turbinų įrenginių efektyvumas (su autonominiu naudojimu) jau buvo 36–37 %. Tai leido jų pagrindu sukurti CCGT, kurių efektyvumas siekė 50%. Iki naujojo šimtmečio pradžios šis skaičius siekė 40%, o kartu su kombinuoto ciklo dujų ciklo gamyklomis – net 60%.

Garo turbinos palyginimasir kombinuoto ciklo gamyklos

Kombinuoto ciklo jėgainėse, kurių pagrindą sudaro dujų turbinos, tiesioginė ir reali perspektyva buvo pasiekti 65 % ar didesnį efektyvumą. Tuo pačiu metu garo turbinų jėgainėms (sukurtoms SSRS), tik sėkmingai išsprendus daugybę sudėtingų mokslinių problemų, susijusių su superkritinio garo generavimu ir naudojimu, galima tikėtis ne didesnio kaip 46 laipsnio efektyvumo. 49 %. Taigi efektyvumo požiūriu garo turbinų sistemos yra beviltiškai prastesnės už kombinuoto ciklo sistemas.

Žymiai nusileidžia garo turbininėms elektrinėms, taip pat sąnaudomis ir statybos laiku. 2005 metais pasaulinėje energetikos rinkoje 200 MW ir didesnės galios CCGT bloko 1 kW kaina siekė 500-600 USD/kW. Mažesnės galios CCGT kaina siekė 600–900 USD/kW. Galingos dujų turbinos atitinka 200-250 $/kW vertes. Sumažėjus vieneto galiai, jų kaina didėja, bet paprastai neviršija 500 USD / kW. Šios vertės kelis kartus mažesnės už kilovato elektros kainą garo turbinų sistemose. Pavyzdžiui, sumontuoto kilovato kaina kondensacinėse garo turbininėse elektrinėse svyruoja nuo 2000 iki 3000 USD/kW.

Dujų turbinos elektrinės schema

Įrenginį sudaro trys pagrindiniai įrenginiai: dujų turbina, degimo kamera ir oro kompresorius. Be to, visi įrenginiai yra surenkamame viename pastate. Kompresoriaus ir turbinos rotoriai yra tvirtai sujungti vienas su kitu, paremti guoliais.

Degimo kameros (pavyzdžiui, 14 dalių) išdėstytos aplink kompresorių, kiekviena atskirame korpuse. Dėl priėmimo įOro kompresorius tarnauja kaip įleidimo vamzdis, oras iš dujų turbinos išeina per išmetimo vamzdį. Dujų turbinos korpusas pagrįstas galingomis atramomis, simetriškai išdėstytomis ant vieno rėmo.

Veikimo principas

Dauguma dujų turbinų naudoja nuolatinio degimo arba atvirojo ciklo principą:

• Pirma, darbinis skystis (oras) pumpuojamas esant atmosferos slėgiui atitinkamu kompresoriumi.
• Be to, oras suspaudžiamas iki didesnio slėgio ir nukreipiamas į degimo kamerą.
• Jis tiekiamas su kuru, kuris dega esant pastoviam slėgiui ir užtikrina nuolatinį šilumos tiekimą. Dėl kuro degimo pakyla darbinio skysčio temperatūra.
• Toliau darbinis skystis (dabar tai jau dujos, tai oro ir degimo produktų mišinys) patenka į dujų turbiną, kur, išsiplėsdamas iki atmosferos slėgio, atlieka naudingą darbą (suka generuojančią turbiną elektra).
• Po turbinos dujos išleidžiamos į atmosferą, per kurią užsidaro darbo ciklas.
• Skirtumą tarp turbinos ir kompresoriaus veikimo suvokia elektros generatorius, esantis ant bendro veleno su turbina ir kompresoriumi.

Pertraukiamo kuro deginimo įrenginiai

Skirtingai nei ankstesniame projekte, pertraukiamo degimo metu naudojami du vožtuvai, o ne vienas.

• Kompresorius stumia orą į degimo kamerą per pirmąjį vožtuvą, o antrasis vožtuvas uždarytas.
• Kai slėgis degimo kameroje pakyla, pirmasis vožtuvas užsidaro. Dėl to kameros tūris uždaromas.
• Uždarius vožtuvus, degalai deginami kameroje, natūralu, kad jo degimas vyksta esant pastoviam tūriui. Dėl to darbinio skysčio slėgis toliau didėja.
• Toliau atidaromas antrasis vožtuvas ir darbinis skystis patenka į dujų turbiną. Tokiu atveju slėgis prieš turbiną palaipsniui mažės. Kai jis artėja prie atmosferos, antrasis vožtuvas turi būti uždarytas, o pirmasis atidarytas ir kartojama veiksmų seka.

Dujų turbinos ciklai

Kreipdamiesi į praktinį vieno ar kito termodinaminio ciklo įgyvendinimą, projektuotojams tenka susidurti su daug neįveikiamų techninių kliūčių. Būdingiausias pavyzdys: kai garo drėgnumas didesnis nei 8-12%, garo turbinos tėkmės trajektorijos nuostoliai smarkiai išauga, didėja dinaminės apkrovos, atsiranda erozija. Dėl to galiausiai sunaikinamas turbinos srauto kelias.

Dėl šių apribojimų energetikos sektoriuje (siekiant įsidarbinti) iki šiol plačiai naudojami tik du pagrindiniai termodinaminiai ciklai: Rankine ciklas ir Braitono ciklas. Dauguma elektrinių yra pagrįstos šių ciklų elementų deriniu.

Rankino ciklas naudojamas darbiniams skysčiams, kurie ciklo įgyvendinimo metu atlieka fazių perėjimą; garo jėgainės veikia pagal šį ciklą. Darbiniams skysčiams, kurių negalima kondensuoti realiomis sąlygomis ir kuriuos vadiname dujomis, naudojamas Braitono ciklas. Per šį cikląveikia dujų turbinos ir vidaus degimo varikliai.

Sunaudoti degalai

Dauguma dujų turbinų yra suprojektuotos veikti naudojant gamtines dujas. Kartais skystasis kuras naudojamas mažos galios sistemose (rečiau – vidutinės, labai retai – didelės galios). Nauja tendencija – kompaktiškų dujų turbininių sistemų perėjimas prie kietų degiųjų medžiagų (anglies, rečiau durpių ir medienos) naudojimo. Tokias tendencijas lėmė tai, kad dujos yra vertinga technologinė žaliava chemijos pramonei, kur jas naudoti dažnai yra pelningiau nei energetikos sektoriuje. Dujų turbinų, galinčių efektyviai dirbti kietuoju kuru, gamyba įgauna pagreitį.

Skirtumas tarp ICE ir GTU

Esminis skirtumas tarp vidaus degimo variklių ir dujų turbinų kompleksų yra toks. Vidaus degimo variklyje oro suspaudimo, kuro degimo ir degimo produktų plėtimosi procesai vyksta viename konstrukciniame elemente, vadinamame variklio cilindru. Dujų turbinose šie procesai yra atskirti į atskirus struktūrinius vienetus:

• suspaudimas atliekamas kompresoriuje;
• kuro deginimas, atitinkamai specialioje kameroje;
• degimo produktų išplėtimas vykdomas dujų turbinoje.

Todėl struktūriškai dujų turbinos ir vidaus degimo varikliai mažai panašūs, nors ir veikia pagal panašius termodinaminius ciklus.

Išvada

Plėtojant mažos apimties energijos gamybą, didinant jos efektyvumą, GTP ir STP sistemos užima vis didesnę dalį.pasaulio energetikos sistema. Atitinkamai, perspektyvi dujų turbinų gamyklos operatoriaus profesija tampa vis paklausesnė. Po Vakarų partnerių nemažai Rusijos gamintojų įsisavino ekonomiškų dujų turbinų agregatų gamybą. Severo-Zapadnaya CHP Sankt Peterburge tapo pirmąja naujos kartos kombinuoto ciklo jėgaine Rusijoje.