Elektrárny s plynovou turbínou. Cykly cyklu plynové turbíny

Zařízení s plynovou turbínou (GTU) jsou jediným relativně kompaktním energetickým komplexem, ve kterém pracují společně s výkonovou turbínou a generátorem. Systém je široce využíván v tzv. Drobném energetickém průmyslu. Vynikající pro elektrické a tepelné zásobování velkých podniků, vzdálených osad a dalších spotřebitelů. Plynové turbíny zpravidla pracují s kapalným palivem nebo plynem.

Na okraji pokroku

Kapacita objem výroby elektrické energie vedoucí roli jde do zařízení s plynovou turbinou a jejich další vývoj - kombinované paroplynové turbíny (CCGT). Tak, US elektrárny od roku 1990, více než 60% vstupních a modernizovaných zařízení již aby plynové turbíny a CCGT, av některých zemích jejich podíl dosáhl v některých letech 90%.

Ve velkém počtu se také staví jednoduché GTU. Zařízení pro plynové turbíny - mobilní, úsporné a snadné opravy - se ukázalo jako optimální řešení pro krytí špičkových zatížení. Na přelomu století (1999-2000) dosáhla celková kapacita plynárenských turbín 120 000 MW. Pro srovnání: za 80 let byla celková kapacita těchto systémů 8000-10 000 MW. Významná část GTU (více než 60%) byla určena k provozu jako součást velkých binárních zařízení s kombinovaným cyklem o průměrné kapacitě přibližně 350 MW.

Historické pozadí

Teoretické základy využití paroplynových technologií byly studovány dostatečně podrobně v naší zemi na počátku 60. let 20. století. Již tehdy bylo jasné: obecný způsob rozvoje tepelné energetiky je spojen s paroplynovými technologiemi. Pro jejich úspěšnou realizaci však byly zapotřebí spolehlivé a vysoce účinné jednotky plynových turbín.

To je podstatný pokrok identifikovat moderní výkon plynové turbíny systém kvalitativní skok. Řada zahraničních společností úspěšně vyřešil problém vytváření efektivních stacionárních plynových turbín v době, kdy domácí hlavy předních organizací v podmínkách řízené ekonomiky zabývající se podporou nejméně vyspělé technologie parní turbíny (PTU).

Pokud jste v 60. letech koeficient účinnosti plynové turbíny elektrárny činil 24-32%, v druhé polovině 80. let, tak energie stacionární plynové turbíny už účinnost (pro samostatné použití) 36-37%. To jim umožnilo vytvořit CCGT, jejichž účinnost dosáhla 50%. Na začátku nového století, to bylo 40%, a ve spojení s kombinovaným cyklem - a 60%.

Srovnání parních turbín a zařízení s kombinovaným cyklem

Rostliny s kombinovaným cyklem na bázi plynové turbíny, a nejbližší reálná vyhlídka bylo získat 65% účinnost nebo více. Zároveň pro jednotkách s parními turbínami (vyvinutý v SSSR), pouze v případě úspěšného řešení řady složitých vědeckých problémů souvisejících s výrobou a použitím nadkritické parametry páry, můžete se spolehnout na účinnost ne více než 46-49%. Proto parní stroje beznadějně ztrácejí paroplynové systémy z hlediska účinnosti.

Významně horší elektrárny s parními turbínami také z hlediska nákladů a doby výstavby. V roce 2005 na světovém trhu s energií byla cena 1 kW pro CCP o kapacitě 200 MW nebo více 500-600 USD / kW. U CCGT s nižšími kapacitami činily náklady v rozmezí 600-900 USD / kW. Výkonné elektrárny s plynovou turbínou odpovídají hodnotám 200 až 250 USD / kW. Při snížení kapacity jednotky se jejich cena zvyšuje, ale obvykle nepřesahuje 500 USD / kW. Tyto hodnoty jsou několikanásobně nižší než náklady na kilowatt elektřiny pro parní turbíny. Například cena instalovaného kilowattu pro kondenzační elektrárny s parní turbínou se pohybuje mezi 2000-3000 USD / kW.

Schéma zařízení s plynovou turbínou

Instalace obsahuje tři základní uzly: plynová turbína, spalovací komory a vzduchového kompresoru. A všechny jednotky jsou umístěny v prefabrikovaném jediném těle. Kompresorové rotory a turbíny jsou navzájem pevně spojeny a spoléhají na ložiska.

Kolem kompresoru jsou umístěny spalovací komory (například 14 kusů), každý ve vlastním krytu. Vstup vzduchu do kompresoru je vstupní trubkou, z plynové turbíny proudí vzduch přes výfukové potrubí. Tělo GTU je založeno na silných podpěrách umístěných symetricky na jediném rámu.

Princip činnosti

Většina zařízení GTU používá princip nepřetržitého spalování nebo otevřeného cyklu:

• Nejprve se pracovní médium (vzduch) čerpá při atmosférickém tlaku vhodným kompresorem.
• Potom je vzduch stlačen na vyšší tlak a přiveden do spalovací komory.
• Je napájen palivem, které hoří při konstantním tlaku a zajišťuje konstantní dodávku tepla. Díky spalování paliva se zvyšuje teplota pracovní kapaliny.
• Dále je pracovní tekutina (nyní je plyn, který je směsí vzduchu a spalin) proudí do plynové turbíny, kde expanduje na atmosférický tlak, provádí užitečná práce (otočí turbíny, vyrábí elektrickou energii).
• Po turbíně se plyny vypouštějí do atmosféry, čímž se uzavírací cyklus zavře.
• Rozdíl mezi provozem turbíny a kompresorem je vnímán elektrickým generátorem umístěným na společném hřídeli s turbínou a kompresorem.

Přerušované spalovací zařízení

Na rozdíl od předcházejícího provedení se v přerušovaných spalovacích zařízeních používají dva ventily místo jednoho.

• Kompresor pumpuje vzduch do spalovací komory skrze první ventil s uzavřeným druhým ventilem.
• Když tlak v spalovací komoře stoupá, první ventil je uzavřen. V důsledku toho se objem komory ukáže být uzavřen.
• Při uzavřených ventilech v komoře se spaluje palivo, přirozeně dochází k jeho spalování při konstantním objemu. V důsledku toho se tlak pracovní tekutiny dále zvyšuje.
• Dále je otevřen druhý ventil a pracovní tekutina vstupuje do plynové turbíny. Tlak před turbínou se postupně snižuje. Když se přiblíží k atmosférické atmosféře, druhý ventil by měl být uzavřen a první by měl otevřít a opakovat sled činností.

Cykly cyklu plynové turbíny

Pokud jde o praktickou realizaci termodynamického cyklu, návrháři musí čelit řadě nepřekonatelných technických překážek. Nejtypičtější příklad: při vlhkosti páry o více než 8-12% ztrátě proudící části parní turbína prudký nárůst, dynamické zatížení, eroze. To nakonec vede ke zničení tekoucí části turbíny.

Výsledkem těchto omezení jsou pouze dva základní termodynamické vlastnosti cyklus: cyklus Rankineho cyklu a cyklu Brightonu. Většina elektráren je postavena na kombinaci prvků těchto cyklů.

Hodinový cyklus se používá pro pracovníky, které provádějí fázový přechod v průběhu cyklu, v tomto cyklu pracují parní elektrárny. Pro pracovníky, které nemohou být kondenzovány v reálných podmínkách a které nazýváme plyny, použijte cyklus Brightonu. Pro tento cyklus fungují instalace plynových turbín a motory ICE.

Použité palivo

Převážná většina GTU je určena pro provoz na zemní plyn. Někdy se kapalné palivo používá v systémech s nízkým výkonem (méně často - střední, velmi zřídka - vysoký výkon). Novým trendem je přechod kompaktních plynových turbínových systémů na použití pevných hořlavých materiálů (uhlí, méně rašeliny a dřeva). Tyto trendy souvisí se skutečností, že plyn je cennou technologickou surovinou pro chemický průmysl, kde je její využívání často výnosnější než v energetickém sektoru. Produkce agregátů s plynovou turbínou schopných efektivně pracovat s pevnými palivy získává dynamiku.

Rozdíl mezi ICE a GTU

Hlavní rozdíl spalovacích motorů a komplexy plynové turbíny se sníží na následující. V procesu ICE se procesy stlačování vzduchu, spalování paliva a expanze spalovacích produktů vyskytují ve stejném konstrukčním prvku, nazývaném motorový válec. V GTU jsou tyto procesy odděleny oddělenými strukturálními uzly:

• Komprese se provádí v kompresoru;
• spalování paliva ve speciální komoře;
• Rozšíření produktů spalování se provádí v plynové turbíně.

V důsledku toho nejsou instalace plynových turbín a ICE příliš podobné, i když pracují v obdobných termodynamických cyklech.

Závěr

S rozvojem výroby malých elektráren se zvyšuje jeho účinnost systému GTU a PTU stále většího podílu na celkovém energetickém systému na světě. Podle toho stále více a více poptávky slibná profese strojník závodů s plynovou turbínou. Po západních partnerech řada ruských výrobců zvládla výrobu nákladově efektivních zařízení s plynovou turbínou. První paroplynová elektrárna nové generace v Ruské federaci byla severozápadní tepelná elektrárna v Petrohradě.