2024 Forfatter: Howard Calhoun | [email protected]. Sist endret: 2023-12-17 10:37
Gastturbinenheter (GTP) er et enkelt, relativt kompakt kraftkompleks, der en kraftturbin og en generator jobber i par. Systemet har fått stor utbredelse i den såk alte småskalakraftindustrien. Flott for strøm- og varmeforsyning til store bedrifter, avsidesliggende bygder og andre forbrukere. Som regel opererer gassturbiner på flytende drivstoff eller gass.
På kanten av fremgang
Ved å øke energikapasiteten til kraftverk overføres hovedrollen til gassturbinenheter og deres videre utvikling – kombinertsyklusanlegg (CCGT). Ved amerikanske kraftverk siden tidlig på 1990-tallet har mer enn 60 % av den idriftsatte og moderniserte kapasiteten allerede vært gassturbiner og kombianlegg, og i noen land nådde deres andel i noen år 90 %.
Enkle gassturbiner bygges også i stort antall. Gassturbinanlegget – mobilt, økonomisk i drift og lett å reparere – viste seg å være den optimale løsningen for å dekke topplaster. Ved århundreskiftet (1999-2000) var den totale kapasitetengassturbinenheter nådde 120 000 MW. Til sammenligning: på 1980-tallet var den totale kapasiteten til systemer av denne typen 8 000-10 000 MW. En betydelig del av gassturbinene (mer enn 60 %) var ment å operere som en del av store binære kombianlegg med en gjennomsnittlig effekt på rundt 350 MW.
Historisk bakgrunn
Teoretisk grunnlag for bruk av kombinerte syklusteknologier ble studert i tilstrekkelig detalj i vårt land tidlig på 60-tallet. Allerede på den tiden ble det klart at den generelle veien for utvikling av termisk kraftteknikk er koblet nøyaktig med kombinerte syklusteknologier. Imidlertid krevde den vellykkede implementeringen pålitelige og svært effektive gassturbinenheter.
Det var den betydelige fremgangen innen gassturbinkonstruksjon som avgjorde det moderne kvalitative spranget innen termisk kraftteknikk. En rekke utenlandske firmaer løste problemet med å lage effektive stasjonære gassturbiner i en tid da innenlandske ledende organisasjoner i en kommandoøkonomi promoterte de minst lovende dampturbinteknologiene (STP).
Hvis effektiviteten til gassturbininstallasjoner på 60-tallet var på nivået 24-32 %, så hadde de beste stasjonære kraftgassturbininstallasjonene allerede på slutten av 80-tallet en virkningsgrad (med autonom bruk) på 36-37 %. Dette gjorde det mulig å lage CCGT-er på grunnlag av disse, hvis effektivitet nådde 50%. Ved begynnelsen av det nye århundret var dette tallet lik 40 %, og i kombinasjon med gasssyklusanlegg med kombinert syklus var det til og med 60 %.
Sammenligning av dampturbinog kombianlegg
I kombianlegg basert på gassturbiner var det umiddelbare og reelle utsiktene å oppnå en virkningsgrad på 65 % eller mer. På samme tid, for dampturbinanlegg (utviklet i USSR), bare hvis en rekke komplekse vitenskapelige problemer knyttet til generering og bruk av superkritisk damp kan løses med hell, kan man håpe på en effektivitet på ikke mer enn 46- 49 %. Når det gjelder effektivitet, er dampturbinsystemer håpløst dårligere enn kombinerte syklussystemer.
Betydelig dårligere enn dampturbinkraftverk også når det gjelder kostnad og byggetid. I 2005, i verdens energimarked, var prisen på 1 kW for en CCGT-enhet med en kapasitet på 200 MW eller mer $ 500-600/kW. For CCGT-er med mindre kapasitet var kostnadene i området $600-900/kW. Kraftige gassturbinanlegg tilsvarer verdier på 200-250 $/kW. Med en reduksjon i enhetseffekt øker prisene deres, men overstiger vanligvis ikke $ 500 / kW. Disse verdiene er flere ganger mindre enn kostnaden for en kilowatt elektrisitet i dampturbinsystemer. For eksempel varierer prisen på en installert kilowatt ved kondenserende dampturbinkraftverk fra 2000–3000 $/kW.
Opplegg for et gassturbinanlegg
Installasjonen inkluderer tre grunnleggende enheter: en gassturbin, et forbrenningskammer og en luftkompressor. Dessuten er alle enhetene plassert i et prefabrikkert enkeltbygg. Kompressoren og turbinrotorene er stivt forbundet med hverandre, støttet av lagre.
Forbrenningskamre (for eksempel 14 stykker) er plassert rundt kompressoren, hver i sitt eget hus. For opptak tilLuftkompressoren fungerer som et innløpsrør, luft forlater gassturbinen gjennom eksosrøret. Gassturbinkroppen er basert på kraftige støtter plassert symmetrisk på en enkelt ramme.
Arbeidsprinsipp
De fleste gassturbinenheter bruker prinsippet om kontinuerlig forbrenning, eller åpen syklus:
- Først pumpes arbeidsvæsken (luft) ved atmosfærisk trykk av den aktuelle kompressoren.
- Videre blir luften komprimert til et høyere trykk og sendt til forbrenningskammeret.
- Den er forsynt med drivstoff, som brenner ved konstant trykk, og gir en konstant tilførsel av varme. På grunn av forbrenning av drivstoff øker temperaturen på arbeidsvæsken.
- Deretter kommer arbeidsfluidet (nå er det allerede en gass, som er en blanding av luft og forbrenningsprodukter) inn i gassturbinen, hvor den utvider seg til atmosfærisk trykk og gjør nyttig arbeid (snu turbinen som genererer elektrisitet).
- Etter turbinen slippes gassene ut i atmosfæren, hvorigjennom arbeidssyklusen lukkes.
- Forskjellen mellom driften av turbinen og kompressoren oppfattes av en elektrisk generator plassert på en felles aksel med turbinen og kompressoren.
Intermitterende forbrenningsanlegg
I motsetning til forrige design, bruker intermitterende forbrenning to ventiler i stedet for én.
- Kompressoren tvinger luft inn i forbrenningskammeret gjennom den første ventilen mens den andre ventilen er stengt.
- Når trykket i brennkammeret stiger, stenges den første ventilen. Som et resultat blir volumet av kammeret lukket.
- Når ventilene er stengt, brennes drivstoff i kammeret, naturlig nok skjer forbrenningen med et konstant volum. Som et resultat øker trykket i arbeidsfluidet ytterligere.
- Deretter åpnes den andre ventilen, og arbeidsvæsken kommer inn i gassturbinen. I dette tilfellet vil trykket foran turbinen gradvis avta. Når den nærmer seg atmosfærisk, bør den andre ventilen lukkes, og den første bør åpnes og gjenta handlingssekvensen.
Gassturbinsykluser
Når det gjelder den praktiske implementeringen av en eller annen termodynamisk syklus, må designere møte mange uoverstigelige tekniske hindringer. Det mest karakteristiske eksemplet: når dampfuktigheten er mer enn 8-12%, øker tapene i strømningsbanen til dampturbinen kraftig, dynamiske belastninger øker og erosjon oppstår. Dette fører til slutt til ødeleggelse av strømningsbanen til turbinen.
Som et resultat av disse restriksjonene i energisektoren (for å få jobb), er bare to grunnleggende termodynamiske sykluser brukt så langt: Rankine-syklusen og Brayton-syklusen. De fleste kraftverk er basert på en kombinasjon av elementer i disse syklusene.
Rankine-syklusen brukes til arbeidsvæsker som gjør en faseovergang under implementeringen av syklusen; dampkraftverk opererer i henhold til denne syklusen. For arbeidsvæsker som ikke kan kondenseres under reelle forhold og som vi kaller gasser, brukes Brayton-syklusen. Gjennom denne syklusengassturbinanlegg og forbrenningsmotorer er i drift.
Brivstoff brukt
De aller fleste gassturbiner er designet for å gå på naturgass. Noen ganger brukes flytende drivstoff i laveffektsystemer (sjeldnere - middels, svært sjelden - høy effekt). En ny trend er overgangen av kompakte gassturbinsystemer til bruk av faste brennbare materialer (kull, sjeldnere torv og tre). Disse trendene skyldes at gass er et verdifullt teknologisk råstoff for kjemisk industri, hvor bruken ofte er mer lønnsom enn i energisektoren. Produksjonen av gassturbinanlegg som er i stand til å operere effektivt på fast brensel, er i full fart.
Forskjellen mellom ICE og GTU
Den grunnleggende forskjellen mellom forbrenningsmotorer og gassturbinkomplekser er som følger. I en forbrenningsmotor skjer prosessene med luftkompresjon, drivstoffforbrenning og utvidelse av forbrenningsprodukter innenfor ett strukturelt element, k alt motorsylinderen. I gassturbiner er disse prosessene separert i separate strukturelle enheter:
- komprimering utføres i kompressoren;
- forbrenning av henholdsvis drivstoff i et spesielt kammer;
- utvidelse av forbrenningsprodukter utføres i en gassturbin.
Som et resultat, strukturelt sett har gassturbiner og forbrenningsmotorer liten likhet, selv om de opererer i henhold til lignende termodynamiske sykluser.
Konklusjon
Med utviklingen av småskala kraftproduksjon, økende effektiviteten, tar GTP- og STP-systemer en økende andel av det totaleverdens energisystem. Følgelig etterspørres det lovende yrket som en gassturbinanleggsoperatør i økende grad. Etter vestlige partnere har en rekke russiske produsenter mestret produksjonen av kostnadseffektive gassturbinenheter. Severo-Zapadnaya CHPP i St. Petersburg ble det første kombikraftverket av en ny generasjon i Russland.
