Газотурбинные установки
(ГТУ) относятся к тепловым машинам, в которых получение полезной работы осуществляется за счет передачи тепла сгораемого топлива к рабочему телу (газу), не изменяющему своего агрегатного состояния.
ГТУ находят все более широкое применение на судах. Эксплуатация этих установок дала хорошие результаты. Применение ГТУ значительно увеличивает полезное водоизмещение, дальность плавания и скорость судна. Однако КПД газотурбинных установок по сравнению с дизельными энергетическими установками более низкий, что сдерживает их распространение на судах.
Газотурбинная установка состоит из следующих основных элементов: компрессора, нагнетающего сжатый воздух в камеру сгорания; камеры сгорания, служащей для сжигания топлива; газовой турбины.
ГТУ работают по открытому и закрытому циклам. В установках первого типа рабочим агентом являются продукты сгорания топлива (газы), которые после совершения работы выпускаются в атмосферу. В установках второго типа продукты сгорания топлива служат только для нагрева рабочего агента за счет теплообмена в специальных аппаратах. Рабочим агентом может быть воздух или какой-либо газ, непрерывно циркулирующий в системе.
Газотурбинные установки имеют ряд преимуществ перед паротурбинными, основные из которых: отсутствие паровых котлов, конденсаторов, механизмов и систем котельной установки, меньшие габариты и масса при одинаковой мощности, лучшие пусковые качества и т. д.
В современных ГТУ сгорание топлива (подвод теплоты) происходит при постоянном давлении и при постоянном объеме. ГТУ со сгоранием топлива при постоянном объеме в настоящее время на судах не применяются.
На рисунке выше дана принципиальная схема газотурбинной установки, в которой сгорание топлива происходит при постоянном давлении. Рабочее тело (воздух) засасывается из атмосферы в компрессор 1
, сжимается до определенного давления и подается в камеру сгорания 2
. Одновременно с воздухом туда поступает топливо, которое сгорает при постоянном давлении. Продукты сгорания расширяются в газовой турбине 3
, приводящей в действие электрический генератор 4
. Часть энергии, получаемой в турбине, расходуется на привод компрессора 1
.
Для повышения экономичности ГТУ применяют метод регенерации, т. е. используют тепло отработавших газов для подогрева воздуха, поступающего в камеру сгорания.
На рисунке выше дана принципиальная схема газотурбинной установки с регенерацией. Воздух, нагнетаемый компрессором 1 в камеру сгорания 2 , предварительно проходит через регенератор 4 , в котором подогревается до определенной температуры за счет теплоты выходящих из турбины 3 газов. Регенератор представляет собой трубчатый теплообменный аппарат, в котором воздух проходит внутри труб, а отходящие газы омывают их снаружи. Благодаря регенерации эффективный КПД газотурбинной установки может достичь 26—28 %.
В связи с тем что расход энергии на сжатие воздуха в многоступенчатом компрессоре меньше, чем в одноступенчатом, в ГТУ широко используется разделение компрессора на два агрегата с установкой между ними промежуточного холодильника для охлаждения сжатого воздуха. Один агрегат называется компрессором высокого давления (КВД), второй — низкого давления (КНД).
Принципиальная схема ГТУ с регенерацией и двухступенчатым сжатием воздуха показана на рисунке выше. Воздух из атмосферы засасывается и сжимается в КНД 1 , после чего направляется в холодильник 2 , где охлаждается забортной водой, циркулирующей по трубам. Далее охлажденный воздух поступает в КВД 6 , сжимается в нем до более высокого давления и направляется в регенератор 5 , а из него в камеру сгорания 3 . Туда же подается топливо, которое сгорает, а газообразные продукты сгорания поступают в турбину 4 , расширяются в ней и, пройдя регенератор 5 , уходят в атмосферу. Отходящие газы, проходя через регенератор, отдают воздуху часть своей теплоты и подогревают его до определенной температуры.
Одновременное использование регенерации и двухступенчатого сжатия воздуха повышает эффективный КПД газотурбинной установки до 28—30 % и более. Рассмотренная схема ГТУ наиболее широко применяется на судах, так как другие схемы, и в частности с трехступенчатым сжатием воздуха, незначительно повышают экономичность установки, зато очень усложняют ее конструкцию.
Современная газотурбинная установка (ГТУ) – это совокупность воздушного компрессора, камеры сгорания и газовой турбины, а также вспомогательных систем, обеспечивающих ее работу. Совокупность ГТУ и электрического генератора называют газотурбинным агрегатом. Турбина, в которой газ расширяется до атмосферного давления, преобразует потенциальную энергию сжатого и нагретого до высокой температуры газа в кинетическую энергию вращения ротора турбины. Турбина приводит электрогенератор, преобразующий кинетическую энергию вращения ротора генератора в электрический ток. Электрогенератор состоит из статора, в электрических обмотках которого генерируется ток, и ротора, представляющего собой электромагнит, питание которого осуществляется от возбудителя.
В отличие от паротурбинных установок (ПТУ), где рабочим телом является пар, ГТУ работают на продуктах сгорания топлива. Кроме того, в отличие от ГТУ в состав ПТУ не входит котел, точнее котел рассматривается как отдельный источник тепла. Паротурбинная установка без котла как физического объекта работать не может. В ГТУ же наоборот камера сгорания является ее неотъемлемой частью. В этом смысле ГТУ самодостаточна. По способу подвода теплоты при постоянном давлении p = const и при постоянном объеме v = const . Все современные ГТУ работают с подводом теплоты при p = const . Существуют открытые (разомкнутые) и закрытые (замкнутые) схемы ГТУ
Простейшая схема открытой ГТУ в условных обозначениях, а также ее термодинамический цикл представлены на рисунке 1. Воздух из атмосферы поступает на вход воздушного компрессора (точка 1 ), который представляет собой роторную турбомашину с проточной частью, состоящей из вращающихся и неподвижных решеток. Отношение давления за компрессором к давлению перед нимназывается степенью сжатия воздушного компрессора и обычно обозначается как. Ротор компрессора приводится газовой турбиной. Поток сжатого воздуха подается в одну, две или более камер сгорания (точка2 ). При этом в большинстве случаев поток воздуха, идущий из компрессора, разделяется на два потока. Первый поток направляется к горелочным устройствам, куда также подводится топливо (газ или жидкое топливо), за счет сжигания которого при постоянном давлении p = const образуются продукты сгорания высокой температуры. К ним подмешивается относительно холодный воздух второго потока с тем, чтобы получить газы (их называют рабочими газами) с допустимой для деталей газовой турбины температурой.
Рисунок 1 – Простейшая схема открытой ГТУ и ее термодинамический цикл
Рабочие газы с давлением из–за гидравлического сопротивления камеры сгорания) подаются в проточную часть газовой турбины (точка3 ), где расширяются практически до атмосферного давления (точка4 ). Далее они поступают в выходной диффузор, откуда – или сразу в дымовую трубу, что вызовет значительные потери теплоты, или предварительно в какой–либо теплообменник, использующий теплоту уходящих газов ГТУ.
В замкнутой схеме (рис.2) вместо камеры сгорания применяют поверхностные подогреватели рабочего тела, а отработавший в турбине газ (например, гелий) охлаждается в специальных охладителях до наиболее низкой температуры, после чего поступает в компрессор. Термодинамический цикл данной схемы аналогичен циклу открытой ГТУ.
Вследствие расширения газов в газовой турбине, последняя вырабатывает мощность. Значительная ее часть тратится на привод компрессора, а оставшаяся часть – на привод электрогенератора. Эту часть называют полезной мощностью ГТУ и указывают при ее маркировке.
В реальных ГТУ все протекающие процессы сопровождаются потерями работы в компрессоре и турбине, а также потерями давления по тракту ГТУ. С учетом этих потерь реальный цикл отличается от идеального. В состав реальной ГТУ входят камера сгорания (подогреватель рабочего тела в закрытой схеме), газовая турбина, компрессор, пусковой двигатель, теплообменники различного назначения (регенеративные подогреватели, промежуточные подогреватели в турбинах) и различное вспомогательное оборудование, а также электрогенератор, если назначением ГТУ является производство электрической энергии. Турбина, компрессор и генератор размещаются на одном валу. Пусковой двигатель присоединяется расцепной муфтой. В простейших ГТУ приблизительно 70 % мощности, развиваемой турбиной, расходуется на привод компрессора, а 30 % на привод генератора. Степень повышения давления в компрессоре =6…7, КПД установки 24…27 %, температура перед турбиной 750…800 °С. Диапазон начальных температур перед газовой турбиной в ГТУ составляет 750…1150 °С, поэтому исходя из условий прочности, элементы установки, работающие при высоких температурах, выполняют из высоколегированных сталей, а для повышенной надежности предусматривают их воздушное охлаждение.
Рисунок 2 – Простейшая схема замкнутой ГТУ
Отработавшие газы турбины имеют высокую температуру, поэтому их удаление в окружающую среду в открытой схеме ГТУ приводит к значительным потерям энергии. В целях повышения КПД установки применяют регенеративный подогрев сжатого воздуха уходящими газами турбины. Это увеличивает степень использования теплоты сожженного в камере сгорания топлива и энергетическую эффективность установки.
В идеальной ГТУ с регенерацией, схема и цикл которой показаны на рисунке 3, выхлопные газы турбины можно охладить до температуры, равной температуре воздуха за компрессором, т.е. до , а сжатый компрессором воздух можно нагреть до температуры, соответствующей температуре на выхлопе турбины, т.е. до. В реальной установке воздух в регенеративном теплообменнике нагреется до температуры, которая ниже, а выхлопные газы охладятся в этом же теплообменнике до температуры, которая вышена величину, обычно равную в открытых схемах 60…80 °С. Реальные ГТУ, работающие по разомкнутой схеме при начальной температуре 750…850 °С, имеют степень регенерации, а эффективный КПД 26,5…30 %.
Рисунок
3 – Схема и цикл ГТУ с регенерацией
ГТУ, обеспечивающие комбинированную выработку электрической и тепловой энергии, называются теплофикационными. Выработка тепловой энергии осуществляется за счет использования теплоты газов, уходящих из турбины с высокой температурой, для нагрева воды и получения пара. Нагрев воды, идущей на отопление и бытовые нужды, отработавшими газами турбины является наиболее простым способом повышения тепловой экономичности ГТУ.
В ГТУ применяется газообразное и легкое жидкое топливо. При использовании жидкого топлива тяжелых сортов, содержащего вредные примеси, нужна специальная система топливоподготовки для предотвращения коррозии деталей турбины под воздействием содержащихся в тяжелом топливе соединений серы и ванадия. Проблема использования твердого топлива в ГТУ находится в стадии интенсивной опытно-промышленной разработки.
Технология пуска турбины в большой степени зависит от температурного состояния оборудования перед ним. Различают пуски из холодного, неостывшего и горячего состояний. Если температура турбины не превышает 150 °С, то считают, что пуск произведен из холодного состояния. Для мощных энергоблоков для остывания до такой температуры требуется до 90 часов. Пускам из горячего состояния соответствует температура турбины 420-450 °С и выше (достигается за 6-10 часов). Неостывшее состояние является промежуточным. Всякое удлинение пуска приводит к дополнительным затратам топлива. Поэтому пуск должен производиться быстро, однако не в ущерб надежности. Пуск турбины запрещается:
при неисправности основных приборов, показывающих протекание теплового процесса в турбине и ее механическое состояние (тахометры, термометры, манометры и т.п.);
при неисправной системе смазки, обеспечивающей смазку подшипников;
при неисправности систем защиты и регулирования;
при неисправном валоповоротном устройстве.
Для запуска в работу ГТУ необходимо пусковым устройством (ПУ) привести во вращение ротор турбокомпрессора, воздух от компрессора одновременно с топливом подать в камеру сгорания для ее зажигания и для выполнения дальнейших операций по пуску ГТУ. В качестве пускового устройства могут быть использованы различные средства: электродвигатель, паровая или газовая (воздушная) турбина, двигатель внутреннего сгорания. Для крупных энергетических турбин, как правило, в качестве ПУ используется собственный электрический генератор ГТУ, разворачивающий ротор ГТУ до частоты вращения равной 0,2 – 0,3 номинальной. В период пуска регулирующие направляющие аппараты компрессора должны быть прикрыты для снижения расхода воздуха. В начале пуска открыты антипомпажные клапаны. Топливо подается в камеру сгорания, и образующаяся в смесительном устройстве камеры сгорания топливовоздушная смесь зажигается при помощи запального устройства (плазменного зажигателя). Расход топлива увеличивается путем открытия топливного клапана. Это вызывает рост температуры газов перед турбиной, мощность турбины и частота вращения ротора. При определенной температуре газа перед турбиной и некоторой частоте вращения устанавливается равенство мощности газовой турбины и мощности, потребляемой воздушным компрессором. В этом состоянии после небольшого дополнительного увеличения расхода топлива пусковое устройство отключается, и ГТУ переходит в режим самоходности. При дальнейшем увеличении расхода топлива турбоагрегат разворачивается газовой турбиной до достижения номинальной частоты вращения, затем производится синхронизация электрического генератора с сетью и включение его в сеть. Таким образом агрегат выводится в режим холостого хода. В процессе пуска антипомпажные клапаны закрываются, а регулируемые направляющие аппараты устанавливаются в положения, предписываемые программой запуска.
В процессе нагружения ГТУ до номинальной мощности увеличивается расход топлива открытием регулирующего клапана, изменяются углы установки регулируемых направляющих аппаратов компрессора по соответствующей программе, расход воздуха увеличивается до номинального значения. Эксплуатация ГТУ в общем случае состоит из пуска, работы с электрической и тепловой нагрузкой и остановки. Наиболее простой является работа при постоянной нагрузке. Основной задачей персонала, обслуживающего турбоустановку, при нормальной работе является обеспечение заданной электрической и тепловой мощности при полной гарантии надежной работы и максимально возможной экономии.
Режимы работы ГТУ можно поделить на стационарные и переменные.
Стационарный режим отвечает работе турбины при некоторой фиксированной нагрузке. Он может протекать как при номинальной, так и при частичной нагрузке. До недавнего времени этот режим был основным для ГТУ. Турбина останавливалась несколько раз в год из-за неполадок или плановых ремонтов.
Переменные режимы ГТУ определяются следующими по отношению к ГТУ причинами. Первая причина – необходимость изменить мощность, вырабатываемую ГТУ, если изменилась мощность, потребляемая, например, электрическим генератором, из-за изменения подключенной к генератору электрической нагрузки потребителей. Если ГТУ приводит электрический генератор, включенный параллельно с другими производителями мощности, т.е. работающий на общую сеть (энергосистему), то необходимо изменить мощность данной ГТУ в случае изменения общей потребляемой мощности в системе. Вторая причина – изменение атмосферных условий: давления и особенно температуры атмосферного воздуха, забираемого компрессором. Наиболее сложным нестационарным режимом является пуск ГТУ, включающий многочисленные операции перед толчком ротора. К нестационарным режимам относят резкие изменения нагрузки (сброс или наброс), а также остановку турбины (разгружение, отключение от сети, выбег ротора на остывание).
Таким образом, для ГТУ основной задачей управления является обеспечение необходимой мощности, а для энергетических ГТУ – постоянство частоты вращения приводимого электрического генератора. Переменные режимы работы ГТУ следует осуществлять таким образом, чтобы экономичность при каждом режиме была максимально высокой. Регулирование режима ГТУ производится воздействием на регулирующие топливные клапаны, подающие топливо непосредственно в камеру сгорания, что обусловливает низкую инерционность процесса подвода теплоты к рабочему телу в камере сгорания. ГТУ чувствительны к изменению атмосферных условий. Для них имеется опасность возникновения помпажа компрессора. Для пуска ГТУ необходимо, чтобы на всех возможных режимах работы помпаж был исключен. Для пуска ГТУ необходима предварительная раскрутка ротора при помощи пускового устройства.
В современных крупных ГТУ используются автоматизированные системы управления, выполняющие следующие функции:
– автоматическое дистанционное управление пуском, нагружением и остановкой ГТУ;
– регулирование таких параметров, как частота вращения турбоагрегата с заданной степенью неравномерности, температуры газа перед турбиной и за ней, активная нагрузка электрического генератора, режим работы компрессора на необходимом удалении от границы помпажа;
– защита ГТУ, а именно отключение и остановку при аварийных ситуациях, из которых наиболее серьезными являются такие, как недопустимое повышение температур газа перед газовой турбиной и за ней, недопустимое повышение температур газа перед газовой турбиной и за ней, недопустимое повышение температур газа перед газовой турбиной и за ней, недопустимое повышение частоты ротора, недопустимое падение давления масла для смазки подшипников, недопустимый осевой сдвиг ротора, погасание факела в камере сгорания, приближение к границе помпажа компрессора, недопустимое повышение виброскорости шеек ротора и корпусов подшипников.
Событие, заключающееся в нарушении работоспособности ГТУ, называется отказом. Для поддержания высокой надежности и безотказности оборудование проходит техническое обслуживание, текущий, средний или капитальный ремонты. При текущем и среднем ремонтах заменяются или восстанавливаются поврежденные детали и узлы, а при капитальном проводится полное восстановление работоспособности. При нормальной эксплуатации ГТУ необходимы тщательный уход и регулярные проверки систем защиты и регулирования, осуществляемые вахтенным персоналом и инженером, отвечающим за работу этой системы. Надежность ее эксплуатации зависит от тщательности осмотра доступных узлов систем регулирования и защиты, сравнения текущих показателей приборов с предшествующими, выполнения всех проверок и операций, предусмотренных инструкциями, составленными с учетом требований заводов-изготовителей турбин правил техники эксплуатации (ПТЭ) и методических указаний по проверке и испытаниям. Особое внимание при осмотре должно уделяться потенциальным источникам утечек масла. Необходимо следить за положением гаек, стопорных деталей и другого крепежа на штоках, золотниках, поскольку эти детали работают в условиях вибраций, вызывающих их отвинчивание и нарушение работы. Необходимо следить за механическим состоянием всех доступных узлов: кулачковых механизмов, их валов, подшипников, пружин и т.д. Особое внимание следует обращать на колебания регулирующих органов, которые могут вызвать обрыв приводных штоков вследствие усталости. Необходимо следить за изменениями давлений и пульсациями в основных маслопроводах систем регулирования и защиты: линии подачи масла на смазку, в импульсных линиях, линиях защиты и полостях сервомоторов. Изменение этих давлений свидетельствует о ненормальностях системах регулирования, маслоснабжения: о неплотности клапанов, уплотнений поршней и штоков сервомоторов, засорении регулировочных шайб. Пульсации золотников вызываются ненормальной работой импеллера, загрязнением маслопроводов, попаданием твердых частиц между золотниками и буксами, повышенным содержанием воздуха в масле и другими причинами.
Первейшее внимание обслуживающего персонала должно быть уделено исключению возможности разгона турбины при отключениях электрического генератора от сети, что обеспечивается достаточной плотностью стопорных и регулирующих клапанов и обратных клапанов на трубопроводах. Проверка производится при остановке турбины не реже одного раза в год, а также в обязательном порядке при пуске после монтажа. Для нормальной работы турбины должен правильно функционировать масляный бак, обеспечивая длительную сохранность масла, отделение от него воздуха, шлама и твердых частиц. Уровень масла в баке должен проверяться 1 раз в смену. Одновременно необходимо следить за исправностью сигнализации о минимально допустимом уровне и разностью уровней в грязном и чистом отсеках масляного бака. Должны подвергаться регулярной проверке резервные и аварийные масляные насосы и устройства их автоматического включения с частотой 2 раза в месяц. Качество работы маслоохладителей проверяется по разности давлений на входе и выходе масла и охлаждающей воды и по нагреву охлаждающей воды и охлаждению масла. Химическая лаборатория электростанции должна регулярно проводить анализ эксплуатируемого масла, чтобы вовремя проводить его регенерацию и замену.
При наблюдении за работающей турбиной необходимо обращать внимание прежде всего на относительное удлинение ротора и его осевой сдвиг. При монтаже и ремонтах турбины ротор в корпусе устанавливают так, чтобы в рабочих условиях, когда эти детали прогреются, между ними были достаточно малые, но исключающие задевания зазоры, иначе может возникнуть тяжелая авария.
Разгружение турбины ведут путем постепенного закрытия регулирующих клапанов (с помощью механизма управления). Особенно внимательно нужно следить за относительным сокращением ротора, и если, не смотря на все принимаемые меры, сокращение приближается к опасному пределу, необходимо прекратить разгружение, а возможно, даже увеличить нагрузку. Снижение нагрузки обычно ведут до 15-20 % номинальной, после чего прекращают подачу газа в турбину. С этого момента она вращается генератором с частотой электрической сети. В короткое время, указанное в инструкции (обычно несколько минут), необходимо убедиться, что стопорные, регулирующие клапаны на линиях отборов закрылись, а ваттметр показывает отрицательную мощность (потребление мощности из сети).После этого можно отключить генератор из сети. После остановки ротора турбины необходимо во избежание его теплового прогиба немедленно включить валоповоротное устройство. Не допускается отключение подачи масла. В течение первых 8 часов ротор вращается непрерывно, а в дальнейшем его периодически поворачивают на 180°. Аварийная остановка турбоагрегата производится путем немедленного прекращения подачи рабочего тела.
За остановленной турбиной необходим тщательный уход. Наибольшую опасность при простое для турбины и некоторых других элементов турбоустановки представляет стояночная коррозия, основной причиной которой является одновременное присутствие влаги и воздуха. Чтобы этого не происходило, необходимо открыть вентили, обеспечивающие сообщение деталей с атмосферой. При остановке турбины в длительный резерв принимаются дополнительные меры. Она отключается от всех трубопроводов заглушками. Вал турбины дополнительно уплотняется шнуром, через подшипники не реже раза в неделю прокачивается масло для создания защитного слоя масла на шейках подшипников, а ротор поворачивается валоповоротным устройством на несколько оборотов. Наиболее эффективным способом борьбы со стояночной коррозией является консервация турбины.
Сборка ГТУ производится на турбинном заводе после изготовления в его цехах отдельных деталей и узлов. В отличие от паровой турбины, после сборки на заводе ГТУ испытаний не проходит. В результате с турбинного завода на монтажную площадку ТЭС уходит несколько отдельно транспортируемых единиц: турбогруппа (компрессор и турбина), две камеры сгорания, маслобак с установленным на нем оборудованием, входной патрубок компрессора, выходной диффузор. Все части закрыты заглушками. В отличие от паровой турбины, ГТУ размещают на ТЭС не на рамном фундаменте, а непосредственно на бетонном основании, установленном на нулевой отметке машзала. Входную шахту компрессора посредством воздушного короба соединяют с КВОУ, где происходит тщательная фильтрация воздуха, исключающая износ проточной части компрессора, забивание охлаждающих каналов в рабочих лопатках и другие неприятности. КВОУ размещают на крыше здания, экономя площадь здания. К выходному концу вала компрессора присоединяется ротор электрогенератора, а к выходному диффузору ГТУ – переходный диффузор, напрвляющий газы в котел-утилизатор.
ГТУ является универсальным двигателем, имеющим различное назначение. Наибольшее распространение они получили в авиации и дальнем газоснабжении. В стационарной энергетике на тепловых электрических станциях применяются ГТУ различного назначения. ГТУ пикового назначения работают в периоды максимума потребления электрической энергии. Резервные ГТУ обеспечивают собственные нужды ТЭС в период, когда основное оборудование не эксплуатируется. К отраслям промышленности, где применение газовых турбин создает большие преимущества, относится доменное производство, где ГТУ являясь приводом воздуходувки, подающей воздух в доменную печь, использует в качестве рабочего тела доменный газ, являющийся побочным продуктом доменной печи. На железнодорожном транспорте газотурбинные локомотивы (газотурбовозы) получили некоторое применение на линиях большой протяженности. Ряд ГТУ эксплуатируется в торговом и военно-морском флоте в основном на легких и сторожевых быстроходных судах, где особое значение имеет компактность и малая масса двигателя.. Находится в стадии исследования экспериментальных образцов газотурбинный автомобиль. Лучшие экспериментальные двигатели по экономичности достигли уровня современных бензиновых автомобильных двигателей при меньшей массе.
Имеют единичную электрическую мощность от двадцати киловатт (микротурбины) и до нескольких десятков мегаватт - это классические газовые турбины.
Электрический КПД современных газотурбинных установок составляет 33–39% . КПД газотурбинных установок, в целом ниже, чем у газопоршневых силовых агрегатов. Но с газотурбинными установками значительно упрощается задача получения высокой мощности электростанции. При реализации всего теплового потенциала газовых турбин значимость высокого электрического КПД для потребителей становится менее актуальной. С учетом высокой температуры выхлопных газов в мощных газотурбинных установках имеется возможность комбинированного использования газовых и паровых турбин . Такой инженерный подход позволяет существенно повысить эффективность использования топлива и увеличивает электрический КПД установок до 57–59%. Этот способ хорош, но ведет к удорожанию и усложнению проекта.
Соотношение производимой электрической энергии к тепловой энергии у составляет ~ 1:2. То есть газотурбинная установка с электрической мощностью 10 МВт способна выдать ~ 20 МВт тепловой энергии. Для перевода МВт в ГКал используется коэффициент 1,163 (1,163 МВт = 1163 кВт = 1 Гкал ).
В зависимости от потребностей дополнительно оснащаются паровыми или водогрейными котлами , что дает возможность иметь пар различного давления для производственных потребностей, или горячую воду со стандартными температурами (ГВС). При комбинированном использовании энергии двух видов коэффициент использования топлива (КИТ) газотурбинной тепловой электростанции увеличивается до 90%.
Режим работы электростанции, с использованием сопутствующей тепловой энергии имеет свой технический термин - когенерация .
Возможность получения от газотурбинных установок больших количеств бесплатной тепловой энергии предполагает возврат более быстрый возврат.
Применение газотурбинных установок в качестве силового оборудования для мощных ТЭС и мини–ТЭЦ оправдано экономически, так как на сегодняшний день электростанции, работающие на газовом топливе , имеют наиболее привлекательную для потребителя удельную стоимость строительства и низкие затраты при последующей эксплуатации.
Избытки бесплатной тепловой энергии в любое время года дают возможность, посредством чиллеров - АБХМ , без затрат электричества, наладить полноценное кондиционирование помещений любого назначения. Охлажденный таким образом теплоноситель можно применять в промышленных целях, в различных производственных циклах. Эта технология называется тригенерация .
Эффективность использования газотурбинных установок обеспечивается в широком диапазоне электрических нагрузок от минимальных 1–3% до максимальных 110–115%.
Позитивным фактором использования газотурбинных установок - ГТУ непосредственно в местах проживания людей, является то, что содержание вредных выбросов у них минимально и находится на уровне 9–25 ppm . Такие отличные экологические качества позволяют без проблем размещать газотурбинные установки в непосредственной близости от местонахождения людей.
Этот критерий газотурбинных установок - ГТУ незначительно лучше, чем у ближайших конкурентов газовых турбин - поршневых электростанций .
При использовании газотурбинных установок потребитель получает экономию денежных средств на катализаторах и при строительстве дымовых труб .
На фото изображена газотурбинная установка SIEMENS SGT–700 мощностью 29 МВт.
Газотурбинные установки имеют незначительные вибрации и шумы в пределах 65–75 дБ (что соответствует по шкале уровня шума звуку пылесоса на расстоянии 1 метр). Как правило, специальная звуковая изоляция для подобного высокотехнологичного генерационного оборудования не нужна.
Газотурбинные установки обладают относительно компактными размерами и небольшим удельным весом. Допускается монтаж ГТУ на техническом этаже здания или крышное расположение маломощных газотурбинных установок. Это полезное свойство ГТУ является важным финансовым фактором в городской застройке, потому что оно позволяет экономить дорогостоящие дефицитные квадратные метры и во многих ситуациях дает больше технического простора инженерам для решения задачи размещения автономной электростанции.
Газотурбинные установки - ГТУ отличаются высокой надежностью и неприхотливостью. Имеются подтвержденные заводские данные о безостановочной работе некоторых газотурбинных установок - ГТУ в течение 5–7 лет.
Некоторые производители современных газовых турбин осуществляют ремонт узлов без транспортировки на завод–изготовитель, а другие производители заранее привозят сменную турбину или камеру сгорания, что существенно снижает сроки выполнения капитального ремонта до 4–6 рабочих дней. Эти меры снижают затраты на обслуживание установок.
Преимуществом газотурбинных установок - ГТУ является длительный ресурс (полный до 200 000 часов, до капитального ремонта 30000–60000 часов). В рабочем цикле газотурбинных установках моторное масло не применяется. Имеется небольшой объем редукторного масла, частота замены которого редка.
Отсутствие водяного охлаждения выгодно отличает газотурбинные установки от поршневых электростанций. Многие марки ГТУ надежно функционируют на различных видах газового топлива , включая попутный нефтяной газ (ПНГ) . Но, как и для других видов электростанций, попутный газ с содержанием сероводорода требует специальной подготовки. Без современной установки - станции подготовки газа жизненный цикл электростанции любого типа сокращается в 4–5 раз. Последствия эксплуатации ГПЭС или ГТУ без станций подготовки ПНГ зачастую носят просто фатальный характер.
Газотурбинные установки подготовлены для эксплуатации в различных климатических условиях. Строительство газотурбинных установок в отдаленных районах позволяет получить экономию финансовых средств за счет исключения дорогостоящего строительства линий электропередач (ЛЭП). В местах с более развитой инфраструктурой газотурбинные установки повышают надежность электрического и теплового снабжения.
Одним из вариантов применения газотурбинных установок - ГТУ является концепция блочно-модульных систем (кластеров). Модульные газотурбинные установки - ГТУ состоят из унифицированных энергоблоков и общих управляющих систем, что позволяет за короткий период времени увеличивать электрическую мощность с наименьшими финансовыми и временными затратами.
Блочные вариации газотурбинных установок - ГТУ обеспечивают высокий уровень заводской готовности. Размеры модулей газотурбинных установок - ГТУ, как правило, стандартны. Существуют мобильные ГТУ , которые можно оперативно перемещать с одного объекта энергоснабжения на другой, но такие установки, как правило, не имеют возможности для производства тепловой энергии.
Автоматизированные системы управления газотурбинной электростанции позволяют отказаться от непосредственного присутствия обслуживающего персонала. Мониторинг работы газотурбинных установок - ГТУ может осуществляться удаленно через различные телекоммуникационные каналы. При возникновении внештатных ситуаций предусмотрены комплексные системы автоматической защиты и пожаротушения.
Газотурбинные установки - ГТУ - принцип работы
В газотурбинных установках - ГТУ многоступенчатый компрессор сжимает атмосферный воздух, и подает его под высоким давлением в камеру сгорания. В камеру сгорания газотурбинных установок - ГТУ подается и определенное количество топлива. При столкновении на высокой скорости топливо и воздух воспламеняются. Топливовоздушная смесь сгорает, выделяя большое количество энергии. Затем, энергия газообразных продуктов сгорания преобразуется в механическую работу за счёт вращения струями раскаленного газа лопаток турбины.
О статье, в которой подробно и простыми словами описан цикл ПГУ-450. Статья действительно очень легко усваивается. Я же хочу рассказать о теории. Коротко, но по-делу.
Материал я позаимствовал из учебного пособия «Введение в теплоэнергетику» . Авторы этого пособия — И. З. Полещук, Н. М. Цирельман. Пособие предлагается студентам УГАТУ (Уфимский государственный авиационный технический университет) для изучения одноименной дисциплины.
Газотурбинная установка (ГТУ) представляет собой тепловой двигатель, в котором химическая энергия топлива преобразуется сначала в теплоту, а затем в механическую энергию на вращающемся валу.
Простейшая ГТУ состоит из компрессора, в котором сжимается атмосферный воздух, камеры сгорания, где в среде этого воздуха сжигается топливо, и турбины, в которой расширяются продукты сгорания. Так как средняя температура газов при расширении существенно выше, чем воздуха при сжатии, мощность, развиваемая турбиной, оказывается больше мощности, необходимой для вращения компрессора. Их разность представляет собой полезную мощность ГТУ.
На рис. 1 показаны схема, термодинамический цикл и тепловой баланс такой установки. Процесс (цикл) работающей таким образом ГТУ называется разомкнутым или открытым. Рабочее тело (воздух, продукты сгорания) постоянно возобновляется — забирается из атмосферы и сбрасывается в нее. КПД ГТУ, как и любого теплового двигателя, представляет собой отношение полезной мощности N ГТУ к расходу теплоты, полученной при сжигании топлива:
η ГТУ = N ГТУ / Q T.
Из баланса энергии следует, что N ГТУ = Q T — ΣQ П, где ΣQ П — общее количество отведенной из цикла ГТУ теплоты, равное сумме внешних потерь.
Основную часть потерь теплоты ГТУ простого цикла составляют потери с уходящими газами:
ΔQух ≈ Qух — Qв; ΔQух — Qв ≈ 65…80%.
Доля остальных потерь значительно меньше:
а) потери от недожога в камере сгорания ΔQкс / Qт ≤ 3%;
б) потери из-за утечек рабочего тела; ΔQут / Qт ≤ 2%;
в) механические потери (эквивалентная им теплота отводится из цикла с маслом, охлаждающим подшипники) ΔNмех / Qт ≤ 1%;
г) потери в электрическом генераторе ΔNэг / Qт ≤ 1…2%;
д) потери теплоты конвекцией или излучением в окружающую среду ΔQокр / Qт ≤ 3%
Теплота, которая отводится из цикла ГТУ с отработавшими газами, может быть частично использована вне цикла ГТУ, в частности, в паросиловом цикле.
Принципиальные схемы парогазовых установок различных типов приведены на рис. 2.
В общем случае КПД ПГУ:
Здесь — Qгту количество теплоты, подведенной к рабочему телу ГТУ;
Qпсу — количество теплоты, подведенной к паровой среде в котле.
Рис. 1. Принцип действия простейшей ГТУ
а — принципиальная схема: 1 — компрессор; 2 — камера сгорания; 3 — турбина; 4 — электрогенератор;
б — термодинамический цикл ГТУ в ТS-диаграмме;
в — баланс энергии.
В простейшей бинарной парогазовой установке по схеме, показанной на рис. 2 а, весь пар вырабатывается в котле-утилизаторе: η УПГ = 0,6…0,8 (в зависимости, главным образом, от температуры уходящих газов).
При Т Г = 1400…1500 К η ГТУ ≈ 0,35, и тогда КПД бинарной ПГУ может дос-тигать 50-55 %.
Температура отработавших в турбине ГТУ газов высока (400-450оС), следовательно, велики потери теплоты с уходящими газами и КПД газотурбинных электростанций составляет 38 % , т. е. он практически такой же, как КПД современных паротурбинных электростанций.
Газотурбинные установки работают на газовом топливе, которое существенно дешевле мазута. Единичная мощность современных ГТУ достигает 250 МВт, что приближается к мощности паротурбинных установок. К преимуществам ГТУ по сравнению с паротурбинными установками относятся:
- незначительная потребность в охлаждающей воде;
- меньшая масса и меньшие капитальные затраты на единицу мощности;
- возможность быстрого пуска и форсирования нагрузки.
Рис. 2. Принципиальные схемы различных парогазовых установок:
а — ПГУ с парогенератором утилизационного типа;
б — ПГУ со сбросом газов в топку котла (НПГ);
в — ПГУ на парогазовой смеси;
1 — воздух из атмосферы; 2 — топливо; 3 — отработавшие в турбине газы; 4 — уходящие газы; 5 — вода из сети на охлаждение; 6 — отвод охлаждающей воды; 7 — свежий пар; 8 — питательная вода; 9 – промежуточный перегрев пара; 10 — регенеративные отбросы пара; 11 — пар, поступающий после турбины в камеру сгорания.
К — компрессор; Т — турбина; ПТ — паровая турбина;
ГВ, ГН — газоводяные подогреватели высокого и низкого давления;
ПВД, ПНД — регенеративные подогреватели питательной воды высокого и низкого давления; НПГ, УПГ — низконапорный, утилизационный парогенераторы; КС — камера сгорания.
Объединяя паротурбинную и газотурбинную установки общим технологическим циклом, получают парогазовую установку (ПГУ), КПД который существенно выше, чем КПД отдельно взятых паротурбинной и газотурбинной установок.
КПД парогазовой электростанции на 17-20 % больше, чем обычной паротурбинной электростанции. В варианте простейшей ГТУ с утилизацией тепла уходящих газов коэффициент использования тепла топлива достигает 82-85%.
Газотурбинная установка - это агрегат, состоящий из газотурбинного двигателя (ГТД), редуктора, генератора и вспомогательных систем . Поток газа, образованный в результате сгорания топлива, воздействуя на лопатки турбины, создает крутящий момент и вращает ротор, который в свою очередь соединен с генератором. Генератор вырабатывает электроэнергию. В основу устройства газотурбинного агрегата положен принцип модульности: ГТУ состоят из отдельных блоков, включая блок автоматики. Модульная конструкция позволяет в кратчайшие сроки производить сервисное обслуживание и ремонт, наращивать мощность, а также экономить средства за счет того, что все работы могут производиться быстро на месте эксплуатации
Применение газотурбинных энергоустановок Газотурбинные энергоустановки применяются в качестве постоянных, резервных или аварийных источников тепло- и электроснабжения в городах, а также отдаленных, труднодоступных районах.
. Основные потребители продуктов работы ГТУ следующие:
Нефтедобывающая промышленность
Газодобывающая промышленность
Металлургическая промышленность
Лесная и деревообрабатывающая промышленность
Сфера ЖКХ
Водоочистные сооружения
Утилизация отходов.
Электрическая мощность газотурбинных энергоустановок колеблется от десятков киловатт до сотен мегаватт. Наибольший КПД достигается при работе в режиме когенерации (одновременная выработка тепловой и электрической энергии) или тригенерации (одновременная выработка тепловой, электрической энергии и энергии холода). Возможность получения недорогой тепловой и электрической энергии предполагает быструю окупаемость поставленной газотурбинной установки. Такая установка, совмещенная с котлом-утилизатором выхлопных газов, позволяет производить одновременно тепло и электроэнергию, благодаря чему достигаются наилучшие показатели по эффективности использования топлива. Выходящие из турбины отработанные газы в зависимости от потребностей Заказчика используются для производства горячей воды или пара. Топливо для газотурбинной установки.
Газотурбинный агрегат может работать как на газообразном, так и на жидком топливе. Так, в газотурбинных установках может использоваться: дизельное топливо, керосин, природный газ, попутный нефтяной газ, биогаз (образованный из отходов сточных вод, мусорных свалок и т.п.), шахтный газ, коксовый газ, древесный газ и др.
Большинство газотурбинных установок могут работать на низкокалорийных топливах с минимальной концентрацией метана (до 30%). Преимущества газотурбинных электростанций
: работы на отходах производства
; низкий уровень шума и вибраций. Этот показатель не превышает 80-85 децибела.К
омпактные размеры и небольшой вес дают возможность разместить газотурбинную установку на небольшой площади, что позволяет существенно сэкономить
средства. Возможны варианты крышного размещения газотурбинных установок небольшой мощности. Возможность работы на различных видах газапозволяет использовать газотурбинный агрегат в любом производстве на самом экономически
выгодном виде топлива
. Минимальный ущерб для окружающей среды;
низкий расход масла;
возможность эксплуа-тация как в автономном режиме, так и параллельно с сетью.
Возможность работы в течение длительного времени при очень низких нагрузках,в том числе в режиме холостого хода.
Максимально допустимая перегрузка:150% номинального тока в течение 1 минуты, 110% номинального тока в течение 2 часов.
О применении ГТД на транспорте.
Широкое распространение ГТД получили на транспорте. За 100 лет развития дизельные двигатели достигли определенного предела, за которыми не просматриваются значительные перспективы роста их показателей. У современных дизелей максимальное давление сгорания достигает 18.0-25.0 МПа, что с учетом потерь на трение и охлаждение позволит в перспективе на локомотивах получить реальный эффективный к.п.д., равный 47%. Дальнейший рост параметров цикла не приводит к росту эффективности, что связано со свойствами реальных газов, ростом влияния вредного пространства камеры сгорания, ростом трудностей смесеобразования и ростом токсичности выхлопных газов. Уже сегодня затраты на обеспечение требований по экологии снижают экономичность дизеля на 2-3%. Затраты на обслуживание и ремонт дизелей составляют более 50% затрат на обслуживание и ремонт локомотивов. За 50 лет развития транспортные газотурбинные двигатели мощностью более 1000 л.с. догнали по топливной эффективности дизельные двигатели и обладают существенными резервами роста экономичности. По экологическим характеристикам лучшие ГТД превосходят лучшие дизели в 20-30 раз. Транспортные ГТД превосходят дизели по пусковым характеристикам, расходу масла и расходам на текущее обслуживание. ГТД постепенно вытесняют дизели и паровые турбины с рынков морского флота (WR-21 четвертого поколения обладает эффективным к.п.д. более 42% при мощности 30% от номинальной), крупнотоннажных автомобилей и карьерных машин. Анализ отечественных и зарубежных газотурбинных силовых установок показал перспективность применения газотурбинной тяги на локомотивах по следующим причинам: снижение затрат на перевозку груза за счет согласования автономного и электрического тягового состава по осевой мощности, секционной мощности, скоростным характеристикам и унификации экипажа; снижение эксплуатационных расходов; увеличение эксплуатационной готовности и надежности локомотивов, что сокращает сроки окупаемости подвижного состава и повышает конкурентоспособность железнодорожного транспорта; существенное улучшение экологической обстановки на линии и особенно врайоне станций.
Термодинамический цикл ГТУ.
Основными недостатками поршневых двигателей внутреннего сгорания являются ограниченность их мощности и 
невозможность адиабатного расширения рабочего тела до атмосферного давления, которые отсутствуют в газотурбиннных установках. В ГТУ рабочим телом являются продукты сгорания жидкого или газообразного топлива.
На рис.3.13 дана схема простейшей газотурбинной установки со сгоранием топлива при постоянном давлении.
Топливным насосом 5 и компрессором 4 топливо и воздух через форсунки 6 и 7 поступают в камеру сгорания 1. Из камеры продукты сгорания направляются в комбинированные сопла 2, где они расширяются, и поступают на лопатки газовой турбины 3
Рис.3.13. Схема ГТУ.
На рис.3.14 и рис3.15 представлены идеальный цикл ГТУ в P-V и T-S диаграммах. 1-2 - адиабатное сжатие воздуха в компрессоре до давления Р 2 ;
2-3 – подвод теплоты q 1 при постоянном давлении Р 2 (сгорание топлива);
3-4 – адиабатное расширение газо- воздушной смеси до начального давления Р 1 ;
4-1 – охлаждение рабочего тела при постоянном давлении Р 1 (отвод теплоты q 2);
Характеристиками цикла являются:
степень повышения давления
l = Р 2 / Р 1 ;
степень изобарного расширения
r = n 3 /n 2
.
Удельная работа турбины: l
т = i 3 – i 4
(кДж/кг). (3-49) Удельная работа компрессора: l
к = i 2 – i 1
(кдж/кг). (3-50) Удельная полезная работа ГТУ равна разности работ турбины и компрессора: l
ГТУ = l
т – l
к
(3-51) Термический к.п.д. цикла ГТУ имеет вид: η t = 1 – 1/ l (γ-1)/ γ
. (3-51) γ
= 1,4 
Теоретическая мощность газовой турбины, компрессора и установки (ГТУ): N т = l
т ·M/3600 = (i 3 – i 4)·M/3600
(кВт), (3-52) М-расход газа в кг/час
. 1 час =3600 сек.
N к = l
к ·M/3600 = (i 2 – i 1)·M/3600
(квт), (3-53)
Рис.3.14. Р-V диаграмма идеального цикла ГТУ. N ГТУ = l
ГТУ ·M/3600 = [(i 3 – i 4) (i 2 – i 1) ]·M/3600
(кВт). (3-54)
Рис.3.15. T-S диаграмма идеального цикла ГТУ.
Действительный цикл ГТУ отличается от теоретического наличием потерь на трение и вихреообразование в турбине и компрессоре. Эффективными методами повышения экономичности газотурбинных установок являются: регенерация теплоты, ступенчатое сжатие, расширение рабочего тела и пр.
Танковый газотурбинный двигатель-гиперссылка
§ 3.6. Реактивные двигатели. Реакти́вный дви́гатель - двигатель, создающий необходимую для движения силу тяги посредством преобразования исходной энергии в кинетическую энергию реактивной струи рабочего тела. Рабочее тело (разогретый поток продуктов горения) с большой скоростью истекает из сопла дигателя и вследствие закона сохранения импульса появляется реактивная сила, толкающая двигатель в противоположном направлении. Для разгона рабочего тела может использоваться как тепловой нагрев, так и другие физические принципы (ионный двигатель, фотонный двигатель). Реактивный двигатель сочетает в себе собственно двигатель с движителем, то есть обеспечивает собственное движение без участия промежуточных механизмов. Существует два основных класса реактивных двигателей: воздушно-реактивные двигатели –тепловые двигатели, рабочее тело которых образуется при реакции окисления горючего вещества кислородом воздуха. ракетные двигатели - содержат все компоненты рабочего тела на борту и способны работать в безвоздушном пространстве. Ракетные двигатели в зависимости от вида топлива (твёрдого или жидкого) подразделяются на пороховые и жидкостные. Двигатели первого типа используют твёрдое топливо, имеющее в своём составе необходимый для горения кислород. Топливом для жидкостных реактивных двигателей служат: водород и соединения водорода с углеродом; твёрдые металлы с малой атомной массой (литий, бор) и их соединения с водородом. В качестве окислителей ипользуют жидкий кислород, перекись водорода, азотная кислота. Схема жидкостного реактивного двигателя показана на рис.3.16. Жидкое топливо и жидкий окислитель подаются в камеру сгорания 2 при помощи питательных насосов 1. Топливо сгорает при постоянном давлении (что является наиболее простым) при открытом сопло 3. Газообразные продукты сгорания, расширяясь в сопло и вытекая из него с большой скоростью, создают необходимую для движения летательного аппарата силу тяги.
Рис. 3.16 Схема жидкостного реак- Рис. 3.17. Цикл жидкостного