Instalacije energetskih gasnih turbina. Ciklusi gasnoturbinskih postrojenja

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Zadnja izmjena: 2023-12-17 10:20

Gasnoturbinske jedinice (GTP) su jedan, relativno kompaktan energetski kompleks, u kojem energetska turbina i generator rade u paru. Sistem je postao široko rasprostranjen u takozvanoj maloj elektroprivredi. Odlično za snabdijevanje električnom energijom i toplinom velikih poduzeća, udaljenih naselja i drugih potrošača. Po pravilu, gasne turbine rade na tečno gorivo ili gas.

Na ivici napretka

U povećanju energetskog kapaciteta elektrana, vodeću ulogu prenose gasnoturbinski agregati i njihov dalji razvoj - postrojenja sa kombinovanim ciklusom (CCGT). Tako su u američkim elektranama od ranih 1990-ih više od 60% puštenih i moderniziranih kapaciteta već bile plinske turbine i postrojenja s kombinovanim ciklusom, au nekim zemljama je njihov udio u pojedinim godinama dostigao 90%.

Jednostavne gasne turbine se takođe grade u velikom broju. Postrojenje na plinsku turbinu - mobilno, ekonomično za rad i lako za popravku - pokazalo se kao optimalno rješenje za pokrivanje vršnih opterećenja. Na prijelazu stoljeća (1999-2000), ukupni kapacitetgasnoturbinske jedinice dostigle su 120.000 MW. Poređenja radi: osamdesetih godina prošlog veka ukupan kapacitet sistema ovog tipa bio je 8.000-10.000 MW. Značajan dio gasnih turbina (više od 60%) bio je namijenjen za rad kao dio velikih binarnih kombinotnih elektrana prosječne snage od oko 350 MW.

Historijska pozadina

Teorijske osnove za korišćenje tehnologija kombinovanog ciklusa dovoljno su detaljno proučavane u našoj zemlji početkom 60-ih godina. Već tada je postalo jasno da je opšti put razvoja termoenergetike povezan upravo sa tehnologijama kombinovanog ciklusa. Međutim, njihova uspješna implementacija zahtijevala je pouzdane i visoko efikasne plinske turbinske jedinice.

Upravo značajan napredak u izgradnji gasnih turbina odredio je savremeni kvalitativni skok u termoenergetici. Brojne strane firme su uspješno riješile problem stvaranja efikasnih stacionarnih gasnih turbina u vrijeme kada su domaće vodeće vodeće organizacije u komandnoj ekonomiji promovirale najmanje obećavajuće tehnologije parnih turbina (STP).

Ako je 60-ih godina efikasnost gasnih turbinskih instalacija bila na nivou od 24-32%, onda su krajem 80-ih najbolje stacionarne gasne turbinske instalacije već imale efikasnost (uz autonomnu upotrebu) od 36-37 %. To je omogućilo stvaranje CCGT-a na njihovoj osnovi, čija je efikasnost dostigla 50%. Početkom novog veka ova brojka je iznosila 40%, au kombinaciji sa kombinovanim postrojenjima sa gasnim ciklusom čak 60%.

Poređenje parne turbinei postrojenja s kombinovanim ciklusom

U postrojenjima sa kombinovanim ciklusom zasnovanim na gasnim turbinama, neposredna i stvarna perspektiva je bila postizanje efikasnosti od 65% ili više. Istovremeno, za postrojenja s parnim turbinama (razvijena u SSSR-u), samo ako se može uspješno riješiti niz složenih naučnih problema vezanih za stvaranje i korištenje superkritične pare, može se nadati efikasnosti ne većoj od 46- 49%. Dakle, u pogledu efikasnosti, sistemi parnih turbina su beznadežno inferiorniji u odnosu na sisteme kombinovanog ciklusa.

Značajno inferiorne u odnosu na elektrane na parne turbine iu smislu troškova i vremena izgradnje. U 2005. godini na svjetskom energetskom tržištu cijena 1 kW za CCGT jedinicu kapaciteta 200 MW ili više bila je 500-600 USD/kW. Za CCGT manjeg kapaciteta, cijena je bila u rasponu od 600-900 USD/kW. Snažna gasnoturbinska postrojenja odgovaraju vrijednostima od 200-250 $/kW. Sa smanjenjem jedinične snage, njihova cijena raste, ali obično ne prelazi 500 USD / kW. Ove vrijednosti su nekoliko puta manje od cijene kilovata električne energije u sistemima parnih turbina. Na primjer, cijena instaliranog kilovata u kondenzacijskim parnim turbinskim elektranama kreće se od 2000-3000 $/kW.

Šema postrojenja za gasne turbine

Instalacija uključuje tri osnovne jedinice: gasnu turbinu, komoru za sagorevanje i vazdušni kompresor. Štaviše, sve jedinice su smještene u montažnoj jednoj zgradi. Rotori kompresora i turbine su čvrsto povezani jedni s drugima, oslonjeni na ležajeve.

Komore za sagorijevanje (na primjer, 14 komada) su postavljene oko kompresora, svaka u svom zasebnom kućištu. Za prijem uZračni kompresor služi kao ulazna cijev, zrak izlazi iz plinske turbine kroz izduvnu cijev. Telo gasne turbine je zasnovano na snažnim nosačima postavljenim simetrično na jednom okviru.

Princip rada

Većina gasnih turbinskih jedinica koristi princip kontinuiranog sagorevanja ili otvorenog ciklusa:

• Prvo, radni fluid (vazduh) se pumpa pod atmosferskim pritiskom odgovarajućim kompresorom.
• Dalje, vazduh se komprimira na viši pritisak i šalje u komoru za sagorevanje.
• Opremljen je gorivom, koje gori pod konstantnim pritiskom, obezbeđujući konstantan dovod toplote. Usled sagorevanja goriva, temperatura radnog fluida raste.
• Dalje, radni fluid (sada je to već gas, koji je mešavina vazduha i produkata sagorevanja) ulazi u gasnu turbinu, gde, šireći se na atmosferski pritisak, obavlja koristan rad (okreće turbinu koja stvara struja).
• Nakon turbine, gasovi se ispuštaju u atmosferu, kroz koju se radni ciklus zatvara.
• Razliku između rada turbine i kompresora percipira električni generator koji se nalazi na zajedničkom vratilu sa turbinom i kompresorom.

Postrojenja sa povremenim sagorevanjem

Za razliku od prethodnog dizajna, povremeno sagorijevanje koristi dva ventila umjesto jednog.

• Kompresor potiskuje vazduh u komoru za sagorevanje kroz prvi ventil dok je drugi ventil zatvoren.
• Kada pritisak u komori za sagorevanje poraste, prvi ventil se zatvara. Kao rezultat toga, zapremina komore je zatvorena.
• Kada su ventili zatvoreni, gorivo se sagoreva u komori, prirodno, njegovo sagorevanje se odvija pri konstantnoj zapremini. Kao rezultat, pritisak radnog fluida dodatno raste.
• Dalje, otvara se drugi ventil i radni fluid ulazi u gasnu turbinu. U tom slučaju, pritisak ispred turbine će se postepeno smanjivati. Kada se približi atmosferskom, drugi ventil treba zatvoriti, a prvi otvoriti i ponoviti redoslijed radnji.

Gasnoturbinski ciklusi

Okrećući se praktičnoj implementaciji jednog ili drugog termodinamičkog ciklusa, dizajneri se moraju suočiti sa mnogim nepremostivim tehničkim preprekama. Najkarakterističniji primjer: kada je vlažnost pare veća od 8-12%, gubici na putu protoka parne turbine naglo se povećavaju, povećavaju se dinamička opterećenja i dolazi do erozije. Ovo na kraju dovodi do uništenja putanje protoka turbine.

Kao rezultat ovih ograničenja u energetskom sektoru (za dobijanje posla), do sada su u širokoj upotrebi samo dva osnovna termodinamička ciklusa: Rankineov ciklus i Braytonov ciklus. Većina elektrana se zasniva na kombinaciji elemenata ovih ciklusa.

Rankinov ciklus se koristi za radne fluide koji prave fazni prelaz tokom realizacije ciklusa; po ovom ciklusu rade parne elektrane. Za radne fluide koji se ne mogu kondenzovati u realnim uslovima i koje nazivamo gasovima, koristi se Braytonov ciklus. Kroz ovaj ciklusgasne turbine i motori sa unutrašnjim sagorevanjem rade.

Potrošeno gorivo

Velika većina gasnih turbina dizajnirana je za rad na prirodni plin. Ponekad se tečna goriva koriste u sistemima male snage (rjeđe - srednje, vrlo rijetko - velike snage). Novi trend je prelazak kompaktnih plinskih turbinskih sistema na korištenje čvrstih zapaljivih materijala (ugalj, rjeđe treset i drvo). Ovi trendovi su posljedica činjenice da je plin vrijedna tehnološka sirovina za hemijsku industriju, gdje je njegova upotreba često isplativija nego u energetskom sektoru. Proizvodnja gasnih turbinskih postrojenja koja mogu efikasno da rade na čvrsto gorivo aktivno dobija na zamahu.

Razlika između ICE i GTU

Osnovna razlika između motora sa unutrašnjim sagorevanjem i kompleksa gasnih turbina je sledeća. Kod motora sa unutrašnjim sagorevanjem, procesi kompresije vazduha, sagorevanja goriva i širenja produkata sagorevanja odvijaju se unutar jednog strukturnog elementa, koji se naziva cilindar motora. U gasnim turbinama, ovi procesi su odvojeni u zasebne strukturne jedinice:

• kompresija se vrši u kompresoru;
• sagorevanje goriva, odnosno u posebnoj komori;
• ekspanzija produkata sagorevanja se vrši u gasnoj turbini.

Kao rezultat toga, strukturno, gasne turbine i motori sa unutrašnjim sagorevanjem imaju malo sličnosti, iako rade u skladu sa sličnim termodinamičkim ciklusima.

Zaključak

Razvojom male proizvodnje električne energije, povećanjem njene efikasnosti, GTP i STP sistemi zauzimaju sve veći udio u ukupnomenergetski sistem svijeta. Shodno tome, perspektivno zanimanje operatera plinskih turbina sve je traženije. Prateći zapadne partnere, brojni ruski proizvođači ovladali su proizvodnjom isplativih plinskih turbinskih jedinica. Severo-Zapadna CHPP u Sankt Peterburgu postala je prva kombinovana elektrana nove generacije u Rusiji.