Instalacje turbin gazowych. Cykle instalacji turbin gazowych

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2023-12-17 10:38

Turbiny gazowe (GTP) to pojedynczy, stosunkowo zwarty kompleks energetyczny, w którym turbina energetyczna i generator pracują parami. System upowszechnił się w tzw. małej energetyce. Świetnie nadaje się do zaopatrzenia w energię elektryczną i ciepło dużych przedsiębiorstw, odległych osiedli i innych odbiorców. Z reguły turbiny gazowe działają na paliwo płynne lub gaz.

Na krawędzi postępu

W zwiększaniu wydajności energetycznej elektrowni wiodąca rola zostaje przeniesiona na turbozespoły gazowe i ich dalszą ewolucję – elektrociepłownie (CCGT). Tak więc w elektrowniach w USA od początku lat 90. ponad 60% oddanych do eksploatacji i zmodernizowanych mocy stanowiły już turbiny gazowe i elektrociepłownie, a w niektórych krajach w niektórych latach ich udział sięgał 90%.

Proste turbiny gazowe są również budowane w dużych ilościach. Turbina gazowa – mobilna, ekonomiczna w eksploatacji i łatwa w naprawie – okazała się optymalnym rozwiązaniem do pokrycia szczytowych obciążeń. Na przełomie wieków (1999-2000) łączna pojemnośćturbiny gazowe osiągnęły 120 000 MW. Dla porównania: w latach 80. łączna moc systemów tego typu wynosiła 8–10 000 MW. Znaczna część turbin gazowych (ponad 60%) przeznaczona była do pracy w ramach dużych binarnych elektrociepłowni o średniej mocy ok. 350 MW.

Tło historyczne

Teoretyczne podstawy zastosowania technologii cyklu skojarzonego zostały szczegółowo zbadane w naszym kraju na początku lat 60-tych. Już wtedy stało się jasne, że ogólna droga rozwoju energetyki cieplnej wiąże się właśnie z technologiami cyklu kombinowanego. Jednak ich pomyślne wdrożenie wymagało niezawodnych i wysoce wydajnych turbozespołów gazowych.

To znaczący postęp w budowie turbin gazowych zadecydował o nowoczesnym skoku jakościowym w energetyce cieplnej. Szereg firm zagranicznych z powodzeniem rozwiązało problem tworzenia wydajnych stacjonarnych turbin gazowych w czasie, gdy wiodące krajowe organizacje w gospodarce nakazowej promowały najmniej obiecujące technologie turbin parowych (STP).

Jeżeli w latach 60-tych sprawność instalacji turbin gazowych kształtowała się na poziomie 24-32%, to pod koniec lat 80-tych najlepsze stacjonarne instalacje turbiny gazowej miały już sprawność (przy użytkowaniu autonomicznym) 36-37 %. Umożliwiło to stworzenie na ich podstawie CCGT, których sprawność sięgała 50%. Na początku nowego stulecia liczba ta wynosiła 40%, a w połączeniu z instalacjami gazowymi w cyklu łączonym nawet 60%.

Porównanie turbin parowychi elektrownie o cyklu kombinowanym

W instalacjach pracujących w cyklu łączonym, opartych na turbinach gazowych, natychmiastową i realną perspektywą było uzyskanie sprawności 65% lub więcej. Jednocześnie dla elektrowni parowych (rozwijanych w ZSRR) tylko przy pomyślnym rozwiązaniu szeregu złożonych problemów naukowych związanych z wytwarzaniem i wykorzystaniem pary nadkrytycznej można liczyć na sprawność nie większą niż 46- 49%. Dlatego pod względem wydajności systemy turbin parowych są beznadziejnie gorsze od systemów z cyklem kombinowanym.

Znacząco gorszy od elektrowni z turbinami parowymi również pod względem kosztów i czasu budowy. W 2005 roku na światowym rynku energii cena 1 kW za blok CCGT o mocy 200 MW i więcej wynosiła 500-600 USD/kW. W przypadku CCGT o mniejszych wydajnościach koszt mieścił się w zakresie 600-900 USD/kW. Potężne turbiny gazowe odpowiadają wartościom 200-250 $/kW. Wraz ze spadkiem mocy jednostkowej ich cena wzrasta, ale zwykle nie przekracza 500 USD/kW. Wartości te są kilkakrotnie mniejsze niż koszt kilowata energii elektrycznej w układach turbin parowych. Na przykład cena zainstalowanego kilowata w elektrowniach kondensacyjnych z turbiną parową waha się od 2000-3000 $/kW.

Schemat elektrowni gazowej

Instalacja składa się z trzech podstawowych jednostek: turbiny gazowej, komory spalania i sprężarki powietrza. Ponadto wszystkie jednostki mieszczą się w jednym prefabrykowanym budynku. Wirniki sprężarki i turbiny są ze sobą sztywno połączone, wsparte na łożyskach.

Komory spalania (na przykład 14 sztuk) są umieszczone wokół sprężarki, każda w osobnej obudowie. O przyjęcie doSprężarka powietrza służy jako rura wlotowa, powietrze opuszcza turbinę gazową rurą wydechową. Korpus turbiny gazowej oparty jest na mocnych podporach umieszczonych symetrycznie na pojedynczej ramie.

Zasada działania

Większość jednostek turbin gazowych wykorzystuje zasadę ciągłego spalania lub cyklu otwartego:

• Najpierw płyn roboczy (powietrze) jest pompowany pod ciśnieniem atmosferycznym przez odpowiednią sprężarkę.
• Ponadto powietrze jest sprężane do wyższego ciśnienia i przesyłane do komory spalania.
• Zasilany jest paliwem, które spala się pod stałym ciśnieniem, zapewniając stały dopływ ciepła. W wyniku spalania paliwa wzrasta temperatura płynu roboczego.
• Następnie płyn roboczy (teraz jest to już gaz będący mieszaniną powietrza i produktów spalania) wpływa do turbiny gazowej, gdzie rozprężając się do ciśnienia atmosferycznego, wykonuje pracę użyteczną (obraca turbinę generującą elektryczność).
• Za turbiną gazy są odprowadzane do atmosfery, przez którą cykl pracy się zamyka.
• Różnica pomiędzy pracą turbiny i sprężarki jest postrzegana przez generator elektryczny umieszczony na wspólnym wale z turbiną i sprężarką.

Instalacje z okresowym spalaniem

W przeciwieństwie do poprzedniej konstrukcji, spalanie przerywane wykorzystuje dwa zawory zamiast jednego.

• Sprężarka wtłacza powietrze do komory spalania przez pierwszy zawór, podczas gdy drugi zawór jest zamknięty.
• Gdy ciśnienie w komorze spalania wzrasta, pierwszy zawór zostaje zamknięty. W rezultacie objętość komory jest zamknięta.
• Gdy zawory są zamknięte, paliwo spala się w komorze, oczywiście jego spalanie odbywa się ze stałą objętością. W rezultacie ciśnienie płynu roboczego dalej wzrasta.
• Następnie otwiera się drugi zawór, a płyn roboczy dostaje się do turbiny gazowej. W takim przypadku ciśnienie przed turbiną będzie się stopniowo zmniejszać. Gdy zbliża się do atmosferycznego, drugi zawór należy zamknąć, a pierwszy otworzyć i powtórzyć sekwencję czynności.

Cykle turbin gazowych

Przechodząc do praktycznego wdrożenia takiego lub innego cyklu termodynamicznego, projektanci muszą stawić czoła wielu niemożliwym do pokonania przeszkodom technicznym. Najbardziej charakterystyczny przykład: gdy wilgotność pary przekracza 8-12%, gwałtownie wzrastają straty na drodze przepływu turbiny parowej, wzrastają obciążenia dynamiczne i dochodzi do erozji. To ostatecznie prowadzi do zniszczenia ścieżki przepływu turbiny.

W wyniku tych ograniczeń w sektorze energetycznym (w celu uzyskania pracy) do tej pory szeroko stosowane są tylko dwa podstawowe cykle termodynamiczne: cykl Rankine'a i cykl Braytona. Większość elektrowni opiera się na kombinacji elementów tych cykli.

Cykl Rankine'a jest używany do płynów roboczych, które dokonują przemian fazowych podczas realizacji cyklu; elektrownie parowe działają zgodnie z tym cyklem. W przypadku płynów roboczych, które nie mogą być skondensowane w warunkach rzeczywistych, a które nazywamy gazami, stosuje się cykl Braytona. Przez ten cykldziałają turbiny gazowe i silniki spalinowe.

Zużyte paliwo

Zdecydowana większość turbin gazowych jest zaprojektowana do pracy na gazie ziemnym. Czasami paliwa płynne są stosowane w układach małej mocy (rzadziej - średnia, bardzo rzadko - duża moc). Nowym trendem jest przejście z kompaktowych systemów turbin gazowych na stosowanie stałych materiałów palnych (węgiel, rzadziej torf i drewno). Tendencje te wynikają z faktu, że gaz jest cennym surowcem technologicznym dla przemysłu chemicznego, gdzie jego wykorzystanie jest często bardziej opłacalne niż w energetyce. Produkcja turbin gazowych zdolnych do wydajnej pracy na paliwie stałym aktywnie nabiera tempa.

Różnica między ICE a GTU

Podstawowa różnica między silnikami spalinowymi a kompleksami turbin gazowych jest następująca. W silniku spalinowym procesy sprężania powietrza, spalania paliwa i rozprężania produktów spalania zachodzą w obrębie jednego elementu konstrukcyjnego, zwanego cylindrem silnika. W turbinach gazowych procesy te są rozdzielone na odrębne jednostki strukturalne:

• kompresja odbywa się w sprężarce;
• spalanie paliwa odpowiednio w specjalnej komorze;
• rozprężanie produktów spalania odbywa się w turbinie gazowej.

W rezultacie, strukturalnie turbiny gazowe i silniki spalinowe mają niewielkie podobieństwo, chociaż działają zgodnie z podobnymi cyklami termodynamicznymi.

Wniosek

Wraz z rozwojem energetyki na małą skalę, zwiększając jej wydajność, systemy GTP i STP zajmują coraz większy udział wsystem energetyczny świata. W związku z tym rośnie zapotrzebowanie na obiecujący zawód operatora turbin gazowych. W ślad za zachodnimi partnerami wielu rosyjskich producentów opanowało produkcję ekonomicznych turbin gazowych. Elektrociepłownia Severo-Zapadnaya w Sankt Petersburgu stała się pierwszą w Rosji elektrownią gazowo-parową nowej generacji.