Gasturbin. Anordning och funktionsprincip. Industriell utrustning. Principen för gasturbinenheter (GTU) Syfte och utformning av ett gasturbin

Kraftenheter - drivenheter av elektriska generatorer för autonoma små värmekraftverk kan vara diesel-, gaskolv-, mikroturbin- och gasturbinmotorer.

Ett stort antal diskussioner och polemiska artiklar har skrivits om fördelarna med vissa genereringsanläggningar och tekniker. Som regel, i tvister i pennan, förblir antingen det ena eller det andra i skam. Låt oss försöka ta reda på varför.

De definierande kriterierna för val av kraftenheter för byggandet av autonoma kraftverk är frågorna om bränsleförbrukning, driftskostnadernas nivå samt återbetalningsperioden för kraftverksutrustningen.

Användarvänlighet, underhålls- och reparationsnivå och platsen där reparationer av drivlinor utförs är viktiga faktorer vid valet av kraftenheter. Dessa frågor är främst relaterade till de kostnader och problem som ägaren till ett autonomt kraftverk kan ha senare.

I denna artikel har författaren inte ett egoistiskt mål att prioritera till förmån för kolv- eller turbinteknik. Typerna av kraftverk i kraftverk är mer korrekta, det är bäst att välja direkt till projektet, baserat på individuella förhållanden och uppdragsvillkor kund.

När du väljer kraftutrustning för konstruktion av en autonom gas -kraftvärme är det lämpligt att rådgöra med oberoende specialister från verkstadsföretag som redan arbetar med byggandet av nyckelfärdiga kraftverk. Ett verkstadsföretag måste ha genomförda projekt, som du kan se och besöka med en guidad tur. Man bör också ta hänsyn till en sådan faktor som svagheten och underutvecklingen på marknaden för produktionsutrustning i Ryssland, den verkliga försäljningsvolymen på vilken, jämfört med utvecklade länder, är små och lämnar mycket att önska - detta först och främst, återspeglas i volymen och kvaliteten på erbjudandena.

Gasmotståndsanläggningar mot gasturbinmotorer - Driftskostnader

Är det sant att driftskostnaderna för en mini-kraftvärme med fram- och återgående maskiner är lägre än driftskostnaderna för ett kraftverk med gasturbiner?

Pris översyn en gaskolvmotor kan utgöra 30–350% av startkostnaden för själva kraftenheten, och inte för hela kraftverket - under översynen byts kolvgruppen ut. Gaskolvenheter kan repareras på plats utan komplicerad diagnosutrustning en gång i 7-8 år.

Kostnaden för reparation av en gasturbinenhet är 30-50% av den initiala investeringen. Som du kan se är kostnaderna ungefär lika stora. Verkliga, rättvisa priser för själva gasturbinen och kolvenheterna av jämförbar effekt och kvalitet är också liknande.

På grund av dess komplexitet utförs inte en översyn av gasturbinenheten på plats. Leverantören måste ta bort den använda enheten och ta med en ersättande gasturbinenhet. Det gamla kvarteret kan endast restaureras på fabriken.

Ta alltid hänsyn till överensstämmelse med rutinunderhållsschemat, lasternas art och kraftverkets driftsätt, oavsett vilken typ av installerade kraftenheter.

Frågan, som ofta är överdriven, om turbinens finhet till driftförhållandena, är förknippad med föråldrad information från fyrtio år sedan. Sedan "på marken", i drivningen av kraftverk, användes flygplatsturbiner "avlägsnade från vingen" på flygplanet. Sådana turbiner med minimala modifieringar anpassades för att fungera som huvudkraftenheter för kraftverk.

Idag använder moderna autonoma kraftverk industri- och industriturbiner konstruerade för kontinuerlig drift med olika belastningar.

Den nedre gränsen för den minsta elektriska belastningen, officiellt deklarerad av tillverkningsanläggningar för industriturbiner, är 3-5%, men i detta läge ökar bränsleförbrukningen med 40%. Den maximala belastningen för gasturbinanläggningen kan i begränsade tidsintervaller uppgå till 110-120%.

Moderna gas kolv enheter har fenomenal effektivitet, baserat på en hög elektrisk effektivitet. "Problem" som är förknippade med driften av gaskolvsanläggningar vid låga belastningar löses positivt i konstruktionsstadiet. Designen måste vara av hög kvalitet.

Efterlevnad av tillverkarens rekommenderade driftsätt kommer att förlänga livslängden för motordelar, vilket sparar pengar för ägaren av ett autonomt kraftverk. Ibland, för att föra gas-kolvmaskinerna till nominellt läge vid delbelastning, ingår en eller två elektriska pannor i konstruktionen av stationens termiska krets, vilket gör det möjligt att tillhandahålla önskade 50% av lasten .

För kraftverk baserade på gaskolvverk och gasturbiner är det viktigt att följa N + 1 -regeln - antalet driftsenheter plus en till för reserven. “N + 1” är ett bekvämt, rationellt antal installationer för driftspersonalen. Detta beror på det faktum att för kraftverk av alla typer och typer är det nödvändigt att utföra rutinmässigt underhåll och reparationsarbete.

Ett företag som är anslutet till nätet kan endast installera en installation och använda sin egen el till kostnad, och under underhåll kan den drivas från det allmänna elnätet, betala med mätaren. Detta är billigare än +1, men tyvärr inte alltid möjligt. Detta beror i regel på frånvaron av ett elnät alls eller på den otroliga höga kostnaden tekniska förutsättningar på själva anslutningen.

Skrupelfria återförsäljare av gaskolvenheter och gasturbiner tillhandahåller i regel endast broschyrer - kommersiell litteratur före försäljning av utrustning till köparen huvudplan och mycket sällan - korrekt information om de totala driftskostnaderna och framställda tekniska föreskrifter.

På kraftfulla gaskolvenheter behöver oljan inte bytas. På fast arbete det produceras helt enkelt utan att ha tid att åldras. Olja fylls hela tiden på i sådana installationer. Sådana driftsätt tillhandahålls av en speciell konstruktion av kraftfulla gaskolvmotorer och rekommenderas av tillverkaren.

Motoroljeavfall är 0,25–0,45 gram per kilowatt per producerad timme. Avfallet är alltid högre när lasten minskar. Som regel innehåller uppsättningen av en gaskolvmotor en speciell reservoar för kontinuerlig påfyllning av olja och ett minilaboratorium för att kontrollera dess kvalitet och bestämma ersättningsperioden.

Följaktligen måste oljefiltren eller patronerna i dem också bytas ut.

Eftersom motorolja fortfarande brinner ut har kolvenheter en något högre nivå av skadliga utsläpp till atmosfären än gasturbinenheter. Men eftersom gasen brinner ut helt och är en av de renaste typerna av bränsle, så är det bara att "trubbiga bricka" att prata om allvarlig förorening av atmosfären. Ett par gamla ungerska Ikarus -bussar gör mycket allvarligare skada på miljön. För att uppfylla miljökraven är det nödvändigt att bygga högre skorstenar med hänsyn till den redan existerande nivån av MPC i miljön när man använder kolvmotorer.

Spillolja från gaskolvsanläggningar kan inte helt enkelt hällas på marken - den måste kasseras - detta är en "kostnad" för ägarna till kraftverket. Men du kan också tjäna pengar på detta - specialiserade organisationer köper begagnad motorolja.

Många av oss använder motorolja i våra kolvmotorer i bilar. Om motorn fungerar och fungerar som den ska och är fylld med normalt bränsle kommer inga ekonomiska katastrofer i samband med dess förbrukning att inträffa.

Detsamma gäller för kolvkraftverk: - det finns ingen anledning att vara rädd för förbrukningen av motorolja, det kommer inte att förstöra dig, under normal drift av moderna högkvalitativa gaskolvverk är kostnaderna för denna artikel bara 2 -3 (!) Kopecks per 1 kW genererad el.

I moderna gasturbininstallationer används olja endast i växellådan. Dess volym kan anses vara obetydlig. Byte av växellådsolja i gasturbiner utförs i genomsnitt en gång vart 3-5 år, och det är inte nödvändigt att fylla på.

För att utföra tjänsten i sin helhet måste den kompletta uppsättningen av en kraftfull gaskolvinstallation innehålla en kranbalk. Tunga delar av kolvmotorer tas bort med hjälp av en kranbalk. Användningen av en dragkran kräver högt i tak för motorrummen i fram- och återgående kraftverk. För reparation av gaskolvinstallationer med små och medelstora effekter kan du klara dig med enklare lyftmekanismer.

Gas-kolvkraftverk vid leverans kan kompletteras med olika reparationsverktyg och armaturer. Dess närvaro tyder på att även alla kritiska operationer kan utföras av kvalificerad personal på plats. Nästan alla reparationer av gasturbiner kan utföras antingen vid tillverkningsanläggningen eller med direkt hjälp av fabriksspecialister.

Byte av tändstift krävs var 3-4: e månad. Att byta ljus är bara 1-2 (!) Kopek i kostnaden för 1 kW / h av egen el.

Kolvenheter, till skillnad från gasturbinenheter, är vätskekylda, så personalen i ett autonomt kraftverk måste ständigt övervaka kylvätskenivån och utföra periodisk utbyte, och om det är vatten är det nödvändigt att utföra dess kemikalie förberedelse.

Ovanstående särdrag för driften av kolvenheter saknas i gasturbinenheter. Gasturbinenheter använder inte sådana förbrukningsmaterial och komponenter som:

• motorolja,
• tändstift,
• oljefilter,
• kylvätska,
• uppsättningar högspänningskablar.

Men gasturbinen kan inte repareras på plats och den mycket högre gasförbrukningen kan inte jämföras med driftskostnader och förbrukningsmaterial för kolvenheter.

Vad ska man välja? Gas kolv eller gasturbin installationer?

Hur jämför kraften från kraftverk i kraftverk med omgivningstemperaturen?

Med en betydande ökning av omgivningstemperaturen minskar gasturbinanläggningens effekt. Men med en temperaturminskning ökar gasturbinanläggningens elektriska kraft tvärtom. Elektriska effektparametrar, enligt befintliga ISO -standarder, mäts vid t +15 ° C.

Ibland viktig poängär det faktum att en gasturbinenhet kan ge 1,5 gånger mer fri värmeenergi än en kolvenhet med liknande effekt. När man till exempel använder en kraftfull (från 50 MW) autonom kraftvärmeverk i kommunekonomin kan detta vara av avgörande betydelse när man väljer typ av kraftenheter, särskilt med en stor och enhetlig förbrukning av värmeenergi.

Tvärtom, där värme inte krävs i stora mängder, men det krävs en tonvikt på produktion av elektrisk energi, blir det ekonomiskt mer ändamålsenligt att använda gaskolvenheter.

Den höga temperaturen vid gasturbinenheternas utlopp gör det möjligt att använda en ångturbin som en del av ett kraftverk. Denna utrustning är efterfrågad om konsumenten behöver få maximal mängd elektrisk energi med samma mängd gasbränsle som förbrukas och därmed uppnå hög elektrisk effektivitet - upp till 59%. Ett energikomplex av denna konfiguration är svårare att använda och kostar 30-40% mer än vanligt.

Kraftverk med ångturbiner i sin struktur är som regel konstruerade för en ganska stor kapacitet - från 50 MW och högre.

Låt oss prata om det viktigaste: gaskolvsanläggningar kontra gasturbinkraftverk - effektivitet

Kraftverkets effektivitet är mer än relevant - det påverkar bränsleförbrukningen. Den genomsnittliga specifika förbrukningen av gasbränsle per producerad 1 kW / timme är betydligt lägre för en gaskolvsanläggning och vid vilket lastläge som helst (även om långvariga laster på mindre än 25% är kontraindicerade för kolvmotorer).

Den elektriska verkningsgraden för kolvmaskiner är 40–44%, och för gasturbiner - 23–33%(i ånggascykeln kan turbinen leverera en verkningsgrad som når 59%).

Den kombinerade cykeln används vid kraftverk - från 50-70 MW.

Om du behöver tillverka ett lok, ett flygplan eller ett sjöfartyg, är en av de definierande indikatorerna kraftverkets effektivitet (effektivitet). Värmen som erhålls under driften av motorn i ett lok, flygplan (eller fartyg) används inte och släpps ut i atmosfären.

Men vi bygger inte ett lok, utan ett kraftverk, och när man väljer typ av kraftenheter för ett autonomt kraftverk är tillvägagångssättet något annorlunda - här är det nödvändigt att prata om fullständigheten i användningen av brännbart bränsle - bränsleutnyttjande faktor (FU).

Brinnande utför bränslet huvudarbetet - det roterar kraftverkets generator. All resten av bränsleförbränningsenergin är värme som kan och bör användas. I detta fall kommer den så kallade "totala effektiviteten", eller snarare bränsleutnyttjningsfaktorn (FU) för kraftverket att vara cirka 80-90%.

Om konsumenten förväntar sig att använda värmeenergin i ett autonomt kraftverk i sin helhet, vilket vanligtvis är osannolikt, är prestationskoefficienten (COP) för ett autonomt kraftverk av ingen praktisk betydelse.

När belastningen reduceras till 50%minskar gasturbinens elektriska verkningsgrad.

Dessutom kräver turbiner ett högt inlopps gastryck, och för detta måste kompressorer (fram och tillbaka) installeras och de ökar också bränsleförbrukningen.
Jämförelse av gasturbinanläggningar och gaskolvmotorer som en del av mini-kraftvärme visar att installation av gasturbiner är lämpligt vid anläggningar som har enhetliga el- och värmebehov med en effekt på över 30-40 MW.

Av ovanstående följer att den elektriska effektiviteten hos kraftenheter olika typer har en direkt prognos om bränsleförbrukning.

Gaskolvenheter förbrukar en fjärdedel eller till och med en tredjedel mindre bränsle än gasturbinenheter - detta är den viktigaste utgiftsposten!

Följaktligen, med en liknande eller lika kostnad för själva utrustningen, erhålls billigare elektrisk energi på gaskolvsanläggningar. Gas är den viktigaste förbrukningsvaran i driften av ett autonomt kraftverk!

Gaskolvväxter mot gasturbinmotorer - gastryck

Är det alltid nödvändigt att ha en högtrycksgasledning när man använder gasturbiner?

För alla typer av moderna kraftverk i kraftverk är trycket på den levererade gasen ingen praktisk betydelse, eftersom gasturbinenheten alltid innehåller en gaskompressor, som ingår i kostnaden för kraftkomplexet.

Kompressorn tillhandahåller erforderlig tryckprestanda för gasbränslet. Moderna kompressorer är extremt tillförlitliga och underhållsrika enheter. I en värld av modern teknik, både för gaskolvmotorer och för gasturbiner, är det bara viktigt att ha rätt volym gasbränsle för att tillhandahålla normalt arbete autonoma kraftverk.

Det får man dock inte glömma bort en boosterkompressor kräver också mycket energi, Tillbehör och service... Paradoxalt nog används fram- och återgående kompressorer ofta för kraftfulla turbiner.

Gasmotorer mot gasturbinenheter - dubbla bränsleverk

Det är ofta skrivet och sagt att dubbelbränsleinstallationer bara kan vara kolvdrivna. Är det sant?

Det är inte sant. Alla kända tillverkare av gasturbiner har dubbla bränslenheter i sitt sortiment. Huvuddragen i en dubbelbränsleverk är dess förmåga att arbeta både på naturgas och diesel. På grund av användningen av två typer av bränsle i en anläggning med två bränslen kan man notera ett antal fördelar jämfört med mono-fuel-anläggningar:

• i avsaknad av naturgas växlar enheten automatiskt till drift på dieselbränsle;
• under övergående processer växlar enheten automatiskt till drift på dieselbränsle.

När du går in i driftläget utförs den omvända processen med att byta till drift på naturgas och dieselbränsle;
Glöm inte det faktum att de första turbinerna ursprungligen var konstruerade för att köra på flytande bränsle - fotogen.

Dubbla bränsleverk har fortfarande begränsad användning och behövs inte för de flesta autonoma kraftvärmeverk - det finns enklare tekniska lösningar för detta.

Gaskolvenheter kontra gasturbinenheter - antal starter

Hur många starter kan gas kolvenheter vara?

Antal starter: en gas kolvmotor kan startas och stoppas ett obegränsat antal gånger, och detta påverkar inte dess livslängd. Men frekventa startar och stopp för gaskolvenheter, med förlust av effekt för deras egna behov, kan leda till slitage av de mest belastade komponenterna (turboladdarnas lager, ventiler etc.).

På grund av de kraftiga förändringar i termiska påfrestningar som uppstår i de mest kritiska enheterna och delar av gasturbinenhetens heta sektion under snabbstart av enheten från kallt tillstånd är det att föredra att använda en gasturbinenhet för konstant, kontinuerlig drift .

Gaskolvsmotorer från kraftverk kontra gasturbinanläggningar - resurs före översyn

Vad kan vara resursen för installationen innan översyn?

Livstiden för ett gasturbin före översyn är 40 000–60 000 arbetstimmar. Med korrekt drift och rätt underhåll av en kolvmotor är denna indikator också lika med 40 000–60 000 arbetstimmar. Det finns dock andra situationer när översyn sker mycket tidigare.

Gaskolvenheter mot gasturbinmotorer - investeringar och priser

Vilka kapitalinvesteringar (investeringar) kommer att krävas vid byggandet av ett kraftverk? Vad kostar det att bygga ett nyckelfärdigt autonomt kraftkomplex?

Beräkningar visar att investeringen (dollar / kW) i byggandet av ett värmekraftverk med gaskolvmotorer är ungefär lika stor som för gasturbinanläggningar. Finska Värme kraft verk WARTSILA med en kapacitet på 9 MW kommer att kosta kunden cirka 14 miljoner euro. Ett liknande gasturbinvärmeverk baserat på förstklassiga nyckelfärdiga enheter kostar 15,3 miljoner dollar.

Gaskolvmotorer kontra gasturbinanläggningar - ekologi

Hur uppfylls miljökraven?

Det bör noteras att gaskolvenheter är sämre än gasturbinenheter när det gäller NO x -utsläpp. Eftersom motoroljan brinner ut har kolvenheterna en nivå av skadliga utsläpp till atmosfären något högre än för gasturbinenheter.

Men detta är inte kritiskt: SES begär bakgrundsnivån enligt MPC på platsen för mini-kraftvärme. Därefter görs spridningsberäkningen så att "tillsatsen" av skadliga ämnen från mini-kraftvärmeverket läggs till bakgrunden leder inte till ett överskott av MPC. Genom flera iterationer väljs minsta skorstenshöjd, vid vilken SanPiN -kraven uppfylls. Tillskottet från 16 MW -anläggningen när det gäller NO x -utsläpp är inte så viktigt: vid en skorstenshöjd på 30 m - 0,2 MPC, vid 50 m - 0,1 MPC.

Nivån av skadliga utsläpp från de flesta moderna gasturbinanläggningar överstiger inte 20-30 ppm, och i vissa projekt kan detta ha ett visst värde.

Under drift har kolvenheter vibrationer och lågfrekvent brus. Det är möjligt att få buller till standardvärden, bara lämpliga tekniska lösningar behövs. Förutom att beräkna spridningen görs en akustisk beräkning när man utvecklar avsnittet i projektdokumentationen "Miljöskydd" och det kontrolleras om de valda designlösningarna och de använda materialen uppfyller kraven från SanPiN när det gäller buller.

All utrustning avger brus i ett specifikt frekvensspektrum. Gasturbininstallationer har inte klarat denna kopp.

Gaskolvväxter mot gasturbinmotorer - Slutsatser

Med linjära belastningar och överensstämmelse med N + 1 -regeln är det möjligt att använda kolvmotorer som huvudkälla för strömförsörjning. Som en del av ett sådant kraftverk krävs reservenheter och tankar för lagring av den andra typen av bränsle - diesel.

I effektområdet upp till 40-50 MW anses användningen av kolvmotorer vid mini-kraftvärme vara absolut befogad.

Vid användning av gaskolvenheter kan konsumenten helt komma bort från den externa strömförsörjningen, men bara med ett avsiktligt och balanserat tillvägagångssätt.

Kolvenheter kan också användas som reserv- eller nödkällor.

Ett slags alternativ till kolvenheter är gasmikroturbiner. Det är sant att priserna på mikroturbiner "biter" mycket och uppgår till $ 2500-4000 per 1 kW installerad kapacitet!

Jämförelse av gasturbinanläggningar och gastappmotorer som en del av mini-kraftvärme visar att installation av gasturbiner är möjlig på alla anläggningar som har en elektrisk belastning på mer än 14-15 MW, men på grund av den höga gasförbrukningen rekommenderas turbiner för kraftverk med mycket högre effekt - 50-70 MW.

För många moderna produktionsanläggningar är 200 000 driftstimmar inte ett kritiskt värde och, med förbehåll för det schemalagda underhållsschemat och steg-för-steg-byte av slitstarka turbinedelar: lager, injektorer, olika hjälputrustningar (pumpar, fläktar), ytterligare drift av gasturbinenheten förblir ekonomiskt livskraftig. Högkvalitativa gas kolv enheter idag också framgångsrikt övervinna 200.000 drifttimmar.

Detta bekräftas av den nuvarande praxisen att driva gasturbin- / gaskolvenheter runt om i världen.

Vid val av kraftenheter i ett autonomt kraftverk behövs expertråd!

Expertråd och tillsyn är också nödvändiga vid byggandet av autonoma kraftverk. För att lösa problemet behöver du ett verkstadsföretag med erfarenhet och genomförda projekt.

Engineering låter dig kompetent, opartiskt och objektivt bestämma valet av huvud- och hjälputrustning för valet av den optimala konfigurationen - den kompletta uppsättningen av ditt framtida kraftverk.

Med kvalificerad teknik kan du spara betydande pengar för kunden, vilket är 10–40% av den totala kostnaden. Teknik från proffs inom kraftindustrin undviker kostsamma design- och inköpsfel.

"Turboladdning", "turbojets", "turboprop" - dessa termer har blivit fast etablerade i lexikonet för ingenjörer från 1900 -talet som är involverade i konstruktion och underhåll av fordon och stationära elektriska installationer. De används även inom relaterade områden och reklam när de vill ge produktnamnet en viss antydan till speciell kraft och effektivitet. Inom luftfart, missiler, fartyg och kraftverk, den mest använda gasturbinen. Hur fungerar det? Kör den på naturgas (som du kanske tror från namnet), och hur är de? Hur skiljer sig en turbin från andra typer av förbränningsmotor? Vilka är dess fördelar och nackdelar? Ett försök görs att besvara dessa frågor så fullständigt som möjligt i denna artikel.

Rysk ingenjörsledare UEC

Ryssland, till skillnad från många andra oberoende stater som uppstod efter Sovjetunionens kollaps, lyckades till stor del bevara maskinbyggnadsindustrin. I synnerhet är företaget "Saturnus" engagerat i produktion av kraftverk för särskilda ändamål. Gasturbiner från detta företag används inom varvsindustrin, råvaruindustrin och energi. Produkterna är högteknologiska, de kräver ett speciellt tillvägagångssätt under installation, felsökning och drift, samt specialkunskap och dyr utrustning för schemalagt underhåll. Alla dessa tjänster är tillgängliga för kunder på UEC - gasturbiner, som det kallas idag. Det finns inte så många sådana företag i världen, även om principen för enhetens huvudprodukter är vid första anblicken enkel. Den samlade erfarenheten är av stor betydelse, så att man kan ta hänsyn till många tekniska finesser, utan vilka det är omöjligt att uppnå hållbar och pålitlig drift av enheten. Här är bara en del av UEC: s sortiment: gasturbiner, kraftverk, gaspumpenheter. Bland kunderna finns Rosatom, Gazprom och andra "valar" från den kemiska industrin och kraftteknik.

Tillverkning av sådana komplexa maskiner kräver ett individuellt tillvägagångssätt i varje fall. Beräkningen av en gasturbin är för närvarande helautomatisk, men material och funktioner i kopplingsscheman spelar roll i varje fall.

Allt började så enkelt ...

Sökningar och ånga

De första experimenten med att omvandla flödets translationsenergi till rotationskraft utfördes av mänskligheten i antiken med ett vanligt vattenhjul. Allt är extremt enkelt, en vätska flödar uppifrån och ner, blad placeras i dess flöde. Hjulet, utrustat med dem runt omkretsen, vänder. Väderkvarnen fungerar på samma sätt. Sedan kom ångåldern och hjulets rotation blev snabbare. Förresten, den så kallade "eolipil", som uppfanns av den antika grekiska hägern cirka 130 år före Kristi födelse, var en ångmaskin som fungerade på exakt denna princip. Faktum är att det var den första gasturbinen som är känd för historisk vetenskap (trots allt är ånga det gasformiga aggregattillståndet för vatten). Idag är det fortfarande vanligt att skilja dessa två begrepp åt. Uppfinningen av Heron reagerades sedan i Alexandria utan mycket entusiasm, fast med nyfikenhet. Industriell utrustning av turbintyp dök upp först i slutet av 1800-talet, efter skapandet av världens första aktiva kraftenhet utrustad med ett munstycke av svensken Gustaf Laval. Ingenjör Parsons arbetade i ungefär samma riktning och utrustade sin maskin med flera funktionellt anslutna steg.

Gasturbiner föds

Ett sekel tidigare hade en viss John Barber en lysande idé. Varför värma ångan först? Är det inte lättare att direkt använda avgaserna som genereras genom förbränning av bränsle och därigenom eliminera onödig medling i energiomvandlingsprocessen? Så här uppstod den första riktiga gasturbinen. 1791 -patentet beskriver grundtanken för användning i en hästlös vagn, men dess element används idag i moderna raket-, flygplanstank- och bilmotorer. Början av jetmotorprocessen gavs 1930 av Frank Whittle. Han fick idén att använda en turbin för att driva ett flygplan. Senare fann hon utveckling i många turboprop- och turbojet -projekt.

Nikola Tesla gasturbin

Den berömda vetenskapsman-uppfinnaren har alltid angripit frågorna som studeras på ett okonventionellt sätt. Det verkade uppenbart för alla att hjul med blad eller blad "fångar" mediets rörelse bättre än platta föremål. Tesla bevisade på sitt vanliga sätt att om ett rotorsystem monteras från skivor, placerade på axeln i serie, kommer det på grund av att gasflödet tar upp att rotera inte sämre, och i vissa fall ännu bättre än en propeller med flera blad. Det är sant att riktningen för det rörliga mediet ska vara tangentiell, vilket inte alltid är möjligt eller önskvärt i moderna enheter, men designen är väsentligt förenklad - det behöver inte alls blad. Gasturbiner enligt Tesla -schemat byggs ännu inte, men kanske väntar idén bara på sin tid.

Schematiskt diagram

Nu om maskinens grundläggande struktur. Det är en kombination av ett roterande system monterat på en axel (rotor) och en stationär del (stator). En skiva med rotorblad som bildar ett koncentriskt gitter placeras på axeln; de utsätts för gas som tillförs under tryck genom speciella munstycken. Sedan kommer den expanderade gasen in i pumphjulet, även utrustat med blad, kallade arbetsblad. För intag av luft-bränsleblandningen och avgaserna (avgaser) används speciella rör. Också i allmänt schema kompressorn är inblandad. Det kan tillverkas enligt olika principer, beroende på önskat arbetstryck. För dess drift tas en del av energin från axeln, som går för att komprimera luften. En gasturbin fungerar genom förbränning av en luft / bränsleblandning, åtföljd av en betydande volymökning. Axeln roterar, dess energi kan användas med fördel. Ett sådant schema kallas enkelkrets, men om det upprepas betraktas det som flersteg.

Fördelar med flygplansturbiner

Från ungefär mitten av femtiotalet dök en ny generation flygplan upp, inklusive passagerarflygplan (i Sovjetunionen är dessa Il-18, An-24, An-10, Tu-104, Tu-114, Tu-124, etc. ), i konstruktioner av vilka flygplankolvsmotorer slutligen och oåterkalleligt ersattes av turbinmotorer. Detta indikerar den högre effektiviteten för denna typ av kraftverk. Egenskaperna hos en gasturbin överstiger parametrarna hos förgasarmotorer i många avseenden, särskilt när det gäller effekt / vikt -förhållandet, vilket är av yttersta vikt för luftfarten, liksom för lika viktiga indikatorer på tillförlitlighet. Lägre bränsleförbrukning, färre rörliga delar, bättre miljöprestanda, minskat buller och vibrationer. Turbiner är mindre kritiska för bränslekvaliteten (vilket inte kan sägas om bränslesystem), de är lättare att underhålla och de kräver inte mycket smörjolja. I allmänhet verkar det vid första anblicken att de inte består av metall, utan av fasta meriter. Ack, så är inte fallet.

Gasturbinmotorer har också nackdelar

Gasturbinen värms upp under drift och överför värme till de omgivande strukturelementen. Detta är särskilt kritiskt, återigen inom luftfarten, när man använder ett omdirigerat layoutschema, vilket innebär att tvätta den nedre delen av svansenheten med en jetström. Och själva motorhuset kräver särskild värmeisolering och användning av speciella eldfasta material som tål höga temperaturer.

Att kyla gasturbiner är en teknisk utmaning. Det är inget skämt, de fungerar i läget för en faktiskt permanent explosion som uppstår i skrovet. Effektiviteten i vissa lägen är lägre än hos förgasarmotorer, men när man använder en tvåkretsskrets elimineras denna nackdel, även om konstruktionen blir mer komplicerad, som i fallet med att inkludera "booster" -kompressorer i kretsen. Turbinernas acceleration och driftläget når lite tid. Ju oftare enheten startar och stannar, desto snabbare slits den.

Rätt tillämpning

Tja, inget system är komplett utan brister. Det är viktigt att hitta en sådan tillämpning av var och en av dem, där dess meriter kommer att bli mer tydligt manifesterade. Till exempel tankar som American Abrams, som drivs av en gasturbin. Den kan tankas med allt som brinner, från högoktanig bensin till whisky, och den levererar mycket kraft. Ett exempel, kanske inte särskilt framgångsrikt, eftersom erfarenheten av användning i Irak och Afghanistan har visat sårbarheten hos kompressorblad för effekterna av sand. Gasturbiner måste repareras i USA, vid en tillverkningsanläggning. Ta tanken dit, sedan tillbaka, och kostnaden för själva tjänsten, plus tillbehör ...

Helikoptrar, ryska, amerikanska och andra länder, liksom kraftfulla motorbåtar, lider mindre av blockeringar. Flytande raketer är oumbärliga.

Moderna krigsfartyg och civila fartyg har också gasturbinmotorer. Och även energi.

Trigenerator -kraftverk

De problem som flygplanstillverkarna ställs inför är mindre bekymmersamma för dem som tillverkar industriutrustning för elproduktion. Vikt i det här fallet är inte längre så viktigt, och du kan fokusera på parametrar som effektivitet och total effektivitet. Gasturbingeneratorsatser har en massiv ram, en pålitlig ram och tjockare blad. Den genererade värmen är fullt möjlig att använda för en mängd olika behov, från sekundär återvinning i själva systemet till uppvärmning. hushållslokaler och termisk strömförsörjning av kylenheter av absorptionstyp. Detta tillvägagångssätt kallas trigeneration, och effektiviteten i detta läge är nära 90%.

Kärnkraftverk

För en gasturbin gör det ingen grundläggande skillnad vad som är källan till det uppvärmda mediet, vilket ger sin energi till sina blad. Det kan vara en bränd luft-bränsleblandning eller bara överhettad ånga (inte nödvändigtvis vatten), så länge den ger oavbruten strömförsörjning. I huvudsak är kraftverken i alla kärnkraftverk, ubåtar, hangarfartyg, isbrytare och några militära ytfartyg (till exempel Peter the Great -missilkryssaren) baserade på en gasturbin (GTU) som roteras av ånga. Säkerhets- och miljöfrågor dikterar en sluten primärkrets. Detta innebär att det primära termiska medlet (i de första proverna spelades denna roll av bly, nu har det ersatts av paraffin), inte lämnar reaktorzonen och flyter runt bränsleelementen i en cirkel. Arbetssubstansen upphettas i efterföljande kretsar och den avdunstade koldioxiden, helium eller kväve roterar turbinhjulet.

Brett program

Komplexa och stora installationer är nästan alltid unika, deras produktion utförs i små serier eller i allmänhet görs enstaka kopior. Oftast används enheter som produceras i stora mängder i fredliga sektorer av ekonomin, till exempel för att pumpa kolväteråvaror genom rörledningar. Det är just dessa som produceras av UEC -företaget under Saturn -märket. Gasturbiner på pumpstationer överensstämmer helt med deras namn. De pumpar verkligen naturgas med sin egen energi för sitt arbete.

En turbin är varje roterande anordning som använder energin från en rörlig vätska (vätska) för att producera arbete. Typiska turbinvätskor är vind, vatten, ånga och helium. Väderkvarnar och vattenkraftverk har använt turbiner i decennier för att driva generatorer och generera energi till industri och bostäder. Enkla turbiner har varit kända mycket längre, varav de första dök upp i antikens Grekland.

Men i kraftproduktionens historia dök de faktiska gasturbinerna upp för inte så länge sedan. Den första praktiskt användbara gasturbinen började generera el i Neuchatel, Schweiz 1939. Det utvecklades av Brown Boveri Company. Den första gasturbinen som drev ett flygplan togs också i drift 1939 i Tyskland, med hjälp av en gasturbin som utvecklats av Hans P. von Ohine. I England på 1930 -talet ledde uppfinningen och designen av gasturbinen av Frank Whittle till den första flygningen med en gasturbinmotor 1941.

Figur 1. Schematisk bild av en flygplatsturbin (a) och en gasturbin för markanvändning (b)

Termen "gasturbin" är lätt missvisande, eftersom det för många betyder en turbinmotor som använder gas som bränsle. I själva verket har en gasturbin (visat schematiskt i fig. 1) en kompressor som levererar och komprimerar gas (vanligtvis luft); en förbränningskammare där bränsleförbränning värmer den komprimerade gasen och själva turbinen, som utvinner energi från en ström av heta, komprimerade gaser. Denna energi är tillräcklig för att driva kompressorn och finns kvar för användbara applikationer. En gasturbin är en förbränningsmotor (ICE) som använder kontinuerlig förbränning av bränsle för att producera användbart arbete. Detta skiljer sig från turbinen från förgasare eller dieselförbränningsmotorer, där förbränningsprocessen är intermittent.

Sedan användningen av gasturbiner samtidigt började inom energisektorn och inom luftfarten sedan 1939 används olika namn för luftfart och jordgasturbiner. Flygplan gasturbiner kallas turbojets eller jetmotorer och andra gasturbiner kallas gasturbinmotorer. I engelska språket det finns ännu fler namn på dessa generellt liknande motorer.

Använda gasturbiner

I en turbojetmotor för flygplan driver turbinenergi en kompressor, som drar luft in i motorn. Den heta gasen som lämnar turbinen släpps ut i atmosfären genom avgasmunstycket, vilket skapar en dragkraft. I fig. La visar ett diagram över en turbojetmotor.

Figur 2. Schematisk bild av en turbojetmotor för flygplan.

En typisk turbojetmotor visas i fig. 2. Sådana motorer skapar dragkraft från 45 kgf till 45000 kgf med egenvikt från 13 kg till 9000 kg. De minsta motorerna driver kryssningsmissiler, de största - enorma plan. Gasturbinen i fig. 2 är en turbofanmotor med en kompressor med stor diameter. Kraften skapas också av luft, som sugs in av kompressorn och luft, som passerar genom själva turbinen. Motorn är stor och kan generera hög dragkraft vid låg hastighet under start, vilket gör den mest lämplig för kommersiella flygplan. Turbojet har ingen fläkt och genererar dragkraft med luft som passerar helt genom gasbanan. Turbojetmotorer har små frontdimensioner och ger mest dragkraft vid höga hastigheter, vilket gör dem mest lämpliga för användning på jaktplan.

I gasturbiner I icke-aeronautiska applikationer används en del av turbinenergin för att driva kompressorn. Den återstående energin - "användbar energi" avlägsnas från turbinaxeln på en kraftanvändningsanordning som en elektrisk generator eller ett fartygs propeller.

En typisk gasturbin för markanvändning visas i fig. 3. Sådana installationer kan generera energi från 0,05 MW till 240 MW. Installationen som visas i fig. 3 är en gasturbin som härrör från en luftfart, men lättare. Tyngre installationer är konstruerade specifikt för markanvändning och kallas industriturbiner. Medan flygbaserade turbiner allt oftare används som primära kraftgeneratorer, används de fortfarande oftast som kompressorer för att pumpa naturgas, kraftfartyg och används som kompletterande kraftgeneratorer under toppperioder. Gasturbingeneratorer kan snabbt tas i drift och levererar energi vid störst behov.

Figur 3. Den enklaste gasturbinen i ett steg för markanvändning. Till exempel inom energisektorn. 1 - kompressor, 2 - förbränningskammare, 3 - turbin.

De viktigaste fördelarna med en gasturbin är:

1. Den kan generera mycket energi med en relativt liten storlek och vikt.
2. Gasturbinen arbetar i konstant rotation, till skillnad från motorer fram och tillbaka som arbetar med ständigt föränderliga laster. Därför har turbiner en lång livslängd och relativt lite underhåll.
3. Även om gasturbinen startas med tillbehör som elmotorer eller annan gasturbin, tar det några minuter att starta. För jämförelse mäts starttiden för en ångturbin i timmar.
4. En gasturbin kan använda en mängd olika bränslen. Stora landbaserade turbiner använder vanligtvis naturgas, medan luftfartyg främst använder lätta destillat (fotogen). Dieselbränsle eller specialbehandlad eldningsolja kan också användas. Det är också möjligt att använda brännbara gaser från pyrolysprocessen, förgasning och oljeraffinering samt biogas.
5. Vanligtvis använder gasturbiner atmosfärisk luft som arbetsvätska. Vid elproduktion behöver ett gasturbin inte ett köldmedium (t.ex. vatten).

Tidigare var en av de främsta nackdelarna med gasturbiner deras låga effektivitet jämfört med andra förbränningsmotorer eller ångturbiner i kraftverk. Under de senaste 50 åren har dock förbättringar i deras design ökat värmeeffektiviteten från 18% 1939 på en Neuchatel gasturbin till den nuvarande effektiviteten på 40% i en enkel cykel och cirka 55% i en kombinerad cykel (mer om det Nedan). I framtiden kommer gasturbinernas effektivitet att öka ännu mer, där effektiviteten i den enkla cykeln förväntas stiga till 45-47% och i den kombinerade cykeln till 60%. Dessa förväntade effektivitetsvärden är väsentligt högre än för andra vanliga motorer såsom ångturbiner.

Gasturbincykler

Cyklogramen visar vad som händer när luft kommer in, passerar genom gasbanan och lämnar gasturbinen. Typiskt visar cyklogramet sambandet mellan luftvolym och systemtryck. I fig. 4a visar Brighton -cykeln, som visar förändringen i egenskaperna hos en fast luftvolym som passerar genom en gasturbin under dess drift. Nyckelområdena i detta sekvensdiagram visas också i gasturbinschemat i fig. 4b.

Figur 4a. Brayton-cykeldiagram i P-V-koordinater för en arbetsvätska, som visar flödena av arbete (W) och värme (Q).

Figur 4b. Gasturbinschema som visar punkter från Brightons cykeldiagram.

Luften komprimeras från punkt 1 till punkt 2. Gastrycket ökar och gasvolymen minskar. Luften upphettas sedan vid ett konstant tryck från punkt 2 till punkt 3. Denna värme produceras av bränslet som införs i förbränningskammaren och bränner det kontinuerligt.

Varm tryckluft från punkt 3 börjar expandera mellan punkterna 3 och 4. Tryck och temperatur i detta intervall faller och gasvolymen ökar. I motorn i fig. 4b representeras detta av gasflödet från punkt 3 till genom turbinen till punkt 4. Detta producerar energi som sedan kan användas. I fig. 1a, är flödet riktat från punkt 3 "till punkt 4 genom utloppsmunstycket och ger tryck." Användbart arbete "i fig. 4a visas med kurva 3'-4. Detta är energin som kan driva en jordturbindrivaxel eller skapa dragkraft för en flygmotor. Brighton slutar i fig. 4 med en process där luftens volym och temperatur minskar när värme släpps ut i atmosfären.

Figur 5. System med sluten slinga.

De flesta gasturbiner arbetar i en öppen krets. I den öppna cykeln tas luft från atmosfären (punkt 1 i fig. 4a och 4b) och kastas tillbaka till atmosfären vid punkt 4, så den heta gasen kyls i atmosfären efter att den matats ut från motorn. I en gasturbin med sluten cykel används arbetsvätskan (vätska eller gas) ständigt för att kyla avgaserna (vid punkt 4) i en värmeväxlare (visas schematiskt i fig. 5) och riktas till kompressorns inlopp. Eftersom en sluten volym med en begränsad mängd gas används är en turbin med sluten cykel inte en förbränningsmotor. I ett slutet cykelsystem kan förbränning inte upprätthållas och den konventionella förbränningskammaren ersätts av en sekundär värmeväxlare som värmer upp tryckluften innan den kommer in i turbinen. Värme tillhandahålls av en extern källa såsom en kärnreaktor, koleldad med fluidiserad bädd eller annan värmekälla. Det föreslogs att använda gasturbiner med slutna cykler vid flygningar till Mars och andra långsiktiga rymdflygningar.

En gasturbin som är konstruerad och drivs enligt Bryson -cykeln (figur 4) kallas en enkelcykel gasturbin. De flesta gasturbiner på flygplan fungerar på en enkel cykel för att hålla vikten och frontmåtten på motorn så liten som möjligt. För land- eller marina tillämpningar blir det dock möjligt att lägga till ytterligare utrustning till den enkla cykelturbinen för att öka motorns effektivitet och / eller effekt. Tre typer av modifieringar används: regenerering, intercooling och dubbelvärme.

Regeneration tillhandahåller installation av en värmeväxlare (recuperator) i avgasernas väg (punkt 4 i fig. 4b). Tryckluft från punkt 2 i fig. 4b förvärms på en värmeväxlare med avgaser innan den kommer in i förbränningskammaren (fig. 6a).

Om regenereringen är väl genomförd, det vill säga värmeväxlarens effektivitet är hög, och tryckfallet i den är litet, blir effektiviteten större än med en enkel turbincykel. Kostnaden för regeneratorn bör dock också beaktas. Regeneratorerna användes i gasturbinmotorer i Abrams M1 -tankar, huvudstridsbehållaren i Operation Desert Storm och i experimentella gasturbinmotorer i bilar. Regenererade gasturbiner ökar effektiviteten med 5-6% och är ännu mer effektiva vid drift vid halvlast.

Mellankylning innebär också användning av värmeväxlare. En intercooler (intercooler) kyler gasen under komprimering. Till exempel, om en kompressor består av två moduler, högt och lågt tryck, måste en mellankylare installeras mellan dem för att kyla gasflödet och minska mängden arbete som krävs för att komprimera kompressorn. högt tryck(Fig. 6b). Kylmedlet kan vara atmosfärisk luft (så kallade luftkylare) eller vatten (till exempel havsvatten i ett fartygs turbin). Det är inte svårt att visa att kraften hos en gasturbin med en väl utformad mellankylare ökar.

Dubbel uppvärmning används i turbiner och är ett sätt att öka effekt från en turbin utan att ändra kompressordrift eller öka turbinens drifttemperatur. Om gasturbinen har två moduler, högt och lågt tryck, används en överhettare (vanligtvis en annan förbränningskammare) för att värma gasflödet mellan hög- och lågtrycksturbinerna (figur 6c). Detta kan öka uteffekten med 1-3%. Dubbel uppvärmning i flygplansturbiner realiseras genom att lägga till en efterbrännare vid turbinmunstycket. Detta ökar dragkraften, men ökar bränsleförbrukningen avsevärt.

Kombinerad gasturbinkraftverk kallas ofta GHC. Kombinerad cykel betyder ett kraftverk där en gasturbin och en ångturbin används tillsammans för att uppnå större effektivitet än när de används separat. En gasturbin driver en elektrisk generator. Avgaserna från turbinen används för att generera ånga i en värmeväxlare, denna ånga driver en ångturbin, som också producerar el. Om ånga används för uppvärmning kallas installationen för kraftvärmeverk. Med andra ord, i Ryssland används vanligtvis förkortningen CHPP (värme- och kraftverk). Men kraftvärmeverk driver som regel inte gasturbiner, utan vanliga ångturbiner. Och den använda ångan används för uppvärmning, så kraftvärme och kraftvärme är inte synonyma. I fig. 7 är ett förenklat diagram över ett kraftvärmeverk, det visar två värmemotorer installerade i serie. Den övre motorn är en gasturbin. Den överför energi till den nedre motorn - ångturbinen. Ångturbinen överför sedan värmen till kondensorn.

Figur 7. Schematisk bild av ett kraftverk med kombinerad cykel.

Effektiviteten hos den kombinerade cykeln \ (\ nu_ (cc) \) kan representeras av ett ganska enkelt uttryck: \ (\ nu_ (cc) = \ nu_B + \ nu_R - \ nu_B \ times \ nu_R \) Med andra ord, det är summan av effektiviteten för varje steg minus deras produkt. Denna ekvation visar varför kraftvärme är så effektivt. Antag att \ (\ nu_B = 40% \) är en rimlig övre effektivitetsuppskattning för en gasturbin i Brighton -cykeln. En rimlig uppskattning av effektiviteten hos en ångturbin som arbetar i Rankine -cykeln i det andra steget av kraftvärme är \ (\ nu_R = 30% \). Genom att sätta in dessa värden i ekvationen får vi: \ (\ nu_ (cc) = 0,40 + 0,30 - 0,40 \ gånger 0,3 = 0,70 - 0,12 = 0,58 \). Det vill säga effektiviteten för ett sådant system kommer att vara 58%.

Detta är den övre uppskattningen av effektiviteten i ett kraftvärmeverk. Praktisk effektivitet blir lägre på grund av den oundvikliga energiförlusten mellan stegen. Praktiskt taget i systemen för kraftvärmeproduktion, som tagits i drift de senaste åren, har en effektivitet på 52-58% uppnåtts.

Gasturbinkomponenter

Driften av en gasturbin demonteras bäst genom att dela den i tre delsystem: en kompressor, en förbränningskammare och en turbin, som görs i fig. 1. Därefter kommer vi att granska vart och ett av dessa delsystem kort.

Kompressorer och turbiner

Kompressorn är ansluten till turbinen med en gemensam axel så att turbinen kan rotera kompressorn. En gastaxel med en axel har en enda axel som förbinder turbinen och kompressorn. En tvåaxlad gasturbin (fig. 6b och 6c) har två avsmalnande axlar. Den längre är ansluten till en lågtryckskompressor och en lågtrycksturbin. Den roterar inuti en kortare ihålig axel som ansluter högtryckskompressorn till högtrycksturbinen. Axeln som förbinder turbinen och högtryckskompressorn roterar snabbare än turbinens och lågtryckskompressorns axel. Den treaxlade gasturbinen har en tredje axel som förbinder turbinen och medeltryckskompressorn.

Gasturbiner kan ha ett centrifugalt eller axiellt flöde eller av en kombinerad typ. En centrifugalkompressor, där tryckluft kommer ut runt maskinens utsida, är tillförlitlig, kostar vanligtvis mindre, men är begränsad till ett kompressionsförhållande på 6-7 till 1. De användes i stor utsträckning tidigare och används fortfarande idag i små gasturbiner.

I mer effektiva och effektiva axialkompressorer kommer tryckluft ut längs maskinens axel. Detta är den vanligaste typen av gaskompressor (se fig. 2 och 3). Centrifugalkompressorer består av ett stort antal identiska sektioner. Varje sektion innehåller ett roterande hjul med turbinblad och ett hjul med fasta blad (statorer). Sektionerna är anordnade på ett sådant sätt att tryckluften i följd passerar genom varje sektion, vilket ger en del av sin energi till var och en av dem.

Turbiner har en enklare design än en kompressor eftersom det är svårare att komprimera gasströmmen än att få den att expandera bakåt. Axialturbiner liknande de som visas i fig. 2 och 3 har färre sektioner än en centrifugalkompressor. Det finns små gasturbiner som använder centrifugalturbiner (med radiell gasinjektion), men axiella flödesturbiner är de vanligaste.

Turbinutformning och tillverkning är utmanande eftersom det kräver längre komponentlivslängd i varmgasströmmen. Designtillförlitlighetsproblemet är mest kritiskt i turbinens första steg, där temperaturen är högst. Speciella material och ett sofistikerat kylsystem används för att få turbinbladen att smälta vid en temperatur av 980-1040 grader Celsius i en gasström vars temperatur når 1650 grader Celsius.

Förbränningskammaren

En framgångsrik förbränningskammarkonstruktion måste uppfylla många krav och korrekt design har varit en utmaning sedan Whittles och von Ohains turbiner. Den relativa betydelsen av var och en av kraven för förbränningskammaren beror på användning av turbinen och naturligtvis strider vissa krav mot varandra. Det finns oundvikliga avvägningar i förbränningskammarens design. De flesta konstruktionskraven är relaterade till motorns pris, effektivitet och miljösäkerhet. Här är en lista över de grundläggande kraven för en förbränningskammare:

1. Hög effektivitet vid bränsleförbränning under alla driftsförhållanden.
2. Låga utsläpp av underkokt bränsle och kolmonoxid (kolmonoxid), låga utsläpp av kväveoxider under tung belastning och inga synliga rökutsläpp (minimerar miljöföroreningar).
3. Lågt tryckfall när gas passerar genom förbränningskammaren. En 3-4% tryckförlust är ett typiskt tryckfall.
4. Förbränningen måste vara stabil under alla driftsförhållanden.
5. Förbränningen måste vara stabil vid mycket låga temperaturer och lågt tryck på höga höjder (för flygmotorer).
6. Bränningen ska vara smidig, utan pulsering eller stallning.
7. Temperaturen måste vara stabil.
8. Lång livslängd (tusentals timmar), speciellt för industriturbiner.
9. Möjligheten att använda olika typer av bränsle. Landturbiner använder vanligtvis naturgas eller diesel. För fotogen -turbiner för flyg.
10. Förbränningskammarens längd och diameter måste matcha storleken på motorn.
11. Den totala ägandekostnaden för förbränningskammaren bör hållas på ett minimum (detta inkluderar initialkostnader, drifts- och reparationskostnader).
12. Förbränningskammaren för flygmotorer måste ha en lägsta vikt.

Förbränningskammaren består av minst tre huvuddelar: ett skal, ett flamrör och ett bränsleinsprutningssystem. Skalet måste tåla arbetstrycket och kan vara en del av gasturbinutformningen. Skalet täcker ett relativt tunnväggigt flamrör där förbränning och bränsleinsprutningssystemet sker.

Jämfört med andra typer av motorer, till exempel diesel- och kolvmotorer, producerar gasturbiner minst utsläpp av luftföroreningar per kraftenhet. Bland gasturbinutsläpp är de största bekymmerna oförbrända bränslen, kolmonoxid (kolmonoxid), kväveoxider (NOx) och rök. Även om luftfartsturbinernas bidrag till de totala förorenande utsläppen är mindre än 1%, har utsläppen direkt till troposfären fördubblats mellan 40 och 60 grader nordlig latitud, vilket orsakar en ökning av ozonkoncentrationen med 20%. I stratosfären, där supersoniska flygplan flyger, orsakar NOx -utsläpp ozonförstöring. Båda effekterna är skadliga för miljön, så att minska kväveoxider (NOx) i flygmotorns utsläpp är vad som måste hända under 2000 -talet.

Detta är en ganska kort artikel som försöker täcka alla aspekter av turbintillämpningar, från luftfart till energi, och inte förlitar sig på formler. För att få en bättre förståelse av ämnet kan jag rekommendera boken "Gasturbin på järnvägstransporter"Http://tapemark.narod.ru/turbo/index.html. Om vi ​​utelämnar kapitlen om specifika egenskaper för att använda turbiner på järnvägen, är boken fortfarande mycket tydlig, men mycket mer detaljerad.

En gasturbin, liksom en värmemotor, kombinerar egenskaperna hos en ångturbin och en förbränningsmotor, där bränslets energi omvandlas direkt till mekaniskt arbete när det brinner. Arbetsmediet för gasturbiner som arbetar i en öppen cykel är produkter från bränsleförbränning, och arbetsmediet för gasturbiner som arbetar i en sluten cykel är ren luft eller gas som kontinuerligt cirkulerar i systemet. På fartyg används gasturbinanläggningar (GTU) som arbetar i en öppen cykel, med bränsleförbränning vid konstant tryck (p = const) och GTU i en sluten cykel.

För närvarande finns marina gasturbiner av två typer: 1) turbokompressor och 2) med gratis kolvgasgeneratorer (LNGG).

Ett diagram över den enklaste turbokompressorgasturbinenheten som arbetar med ett konstant bränsletryck visas i fig. 101. Kompressor 9 suger in ren atmosfärisk luft, komprimerar den till högt tryck och levererar den genom luftkanalen3 in i förbränningskammaren 2, där samtidigt genom ett munstycke1 bränsle levereras. Bränsle, blandning med luft, bildar en arbetsblandning som brinner ut närR = konst. De resulterande förbränningsprodukterna kyls med luft och skickas till turbinflödesbanan. I de stationära bladen 4 expanderar förbränningsprodukterna och kommer med hög hastighet in i rotorbladen 5, där gasflödets kinetiska energi omvandlas till mekaniskt axelrotationsarbete. Genom grenröret 6 lämnar avgaserna turbinen. Gasturbinen driver kompressorn 9 och genom växellådan7 propeller 8. För att starta installationen används en startmotor 10, som snurrar kompressorn till minsta varvtal.

Samma figur visar den teoretiska cykeln för den övervägda GTU: n i koordinaterna p -? ochS - Т: AB - processen för luftkomprimering i kompressorn; BC-förbränning av bränsle vid konstant tryck i förbränningskammaren; SD - gasexpansion i turbinen, JA - värmeavlägsnande från avgaser.

För att öka GTU -driftens effektivitet används regenerativ uppvärmning av luften som kommer in i förbränningskammaren, eller stegvis förbränning av bränsle i flera på varandra följande förbränningskammare som betjänar enskilda turbiner. På grund av dess strukturella komplexitet används stegvis förbränning sällan. För att öka enhetens effektiva effektivitet, tillsammans med regenerering, används tvåstegs luftkomprimering, medan en luftkylare ingår mellan kompressorerna, vilket minskar den erforderliga effekten hos högtryckskompressorn.

I fig. 102 visar ett diagram över den enklaste gasturbinanläggningen med bränsleförbränning vidR = const och värmeåtervinning. Tryckluft i kompressorn1 , passerar genom regeneratorn 2 in i förbränningskammaren3 där den värms av värmen från avgaserna som lämnar turbinen 4 med en relativt hög temperatur. Den faktiska cykeln för denna installation visas i S-T diagram(fig. 103): Kompressorluftkompressionsprocess1 - 2 ; uppvärmning av luft i regeneratorn, åtföljt av ett tryckfall frånR 2 innanR 4 2 - 3; värmeförsörjning i processen med bränsleförbränning 3 - 4; den faktiska processen för gasexpansion i turbiner4-5 ; kylning av gaser i regeneratorn, åtföljd av en tryckförlust p 5 -R 1 5-6; gasutsläpp - värmeborttagning6-1 ... Mängden värme som luften mottar i regeneratorn representeras av en yta på 2 "-2-3-3" och mängden värme som avges från avgaserna i regeneratorn representeras av ett område på 6 "-6-5-5". Dessa områden är lika med varandra.

I en GTU med sluten cykel kommer den förbrukade arbetsvätskan inte in i atmosfären, men efter förkylning skickas den igen till kompressorn. Följaktligen cirkulerar en arbetsvätska i cykeln, som inte är förorenad med förbränningsprodukter. Detta förbättrar driftförhållandena för turbinflödesbanorna, vilket resulterar i att tillförlitligheten för installationen ökar och dess livslängd ökar. Förbränningsprodukterna blandas inte med arbetsvätskan och därför är alla typer av bränsle lämpliga för förbränning.

I fig. 104 visar ett schematiskt diagram över en all-mode sluten cykel marint gasturbinanläggning. Luften efter förkylning i luftkylaren 4 kommer in i kompressorn5 drivs av en högtrycksturbin7 ... Från kompressorn leds luften till regeneratorn3 , och sedan in i luftvärmaren 6, som utför samma roll som förbränningskammaren i öppna installationer. Från luftvärmaren kommer arbetsluften vid en temperatur på 700 ° C in i högtrycksturbinen7 som roterar kompressorn och sedan in i lågtrycksturbinen2 som genom reduceraren1 driver en justerbar stigskruv. Startmotorn 8 är utformad för att starta installationen i drift. Nackdelarna med en sluten GTU inkluderar värmeväxlarnas volym.

Av särskilt intresse är gasturbiner med slutna cykler med en kärnreaktor. I dessa installationer används helium, kväve, koldioxid som arbetsvätska för gasturbiner (värmebärare). Dessa gaser aktiveras inte i kärnreaktor... Gasen som värms upp i reaktorn till en hög temperatur skickas direkt till gasturbinen för drift.

De största fördelarna med gasturbiner i jämförelse med ångturbiner är: liten vikt och dimensioner, eftersom det inte finns någon panna och kondenseringsenhet med hjälpmekanismer och anordningar; snabb start och utveckling av full effekt inom 10-15 minuter \ mycket låg förbrukning av kylvatten; enkel underhåll.

De främsta fördelarna med gasturbiner i jämförelse med förbränningsmotorer är: frånvaron av en vevmekanism och tillhörande tröghetskrafter; liten vikt och dimensioner vid hög effekt (gasturbinenheter är 2–2,5 gånger lättare i vikt och 1,5–2 gånger kortare i längd än dieselmotorer); förmågan att arbeta med lågkvalitativt bränsle; lägre driftskostnader. Nackdelarna med gasturbiner är följande: kort livslängd vid höga gastemperaturer (till exempel vid en gastemperatur på 1173 ° K är livslängden 500-1000 h); lägre effektivitet än dieselmotorer; betydande buller under drift.

För närvarande används gasturbiner som huvudmotorer för marina transportfartyg. I vissa fall används lågeffekta gasturbiner som en drivning för pumpar, nödkraftgeneratorer, extra kompressorer för kompressor etc. Gasturbiner är av särskilt intresse som huvudmotorer för hydrofoiler och svävare.

Gritsyna V.P.

På grund av den multipla höjningen av eltaxorna i Ryssland överväger många företag att bygga sina egna små kraftverk. I ett antal regioner utvecklas program för byggande av små eller minikraftverk, i synnerhet som ersättning för föråldrade pannhus. Vid en ny liten kraftvärme, där bränsleutnyttjandet når 90% med full användning av kroppen i produktion och för uppvärmning, kan kostnaden för el som genereras vara betydligt lägre än kostnaden för el som tas emot från kraftsystemet.

När man överväger projekt för byggande av små värmekraftverk styrs specialister inom kraftteknik och företagsspecialister av de indikatorer som uppnås inom den stora kraftindustrin. Kontinuerlig förbättring av gasturbiner (GTU) för användning i storskalig kraftproduktion gjorde det möjligt att öka deras effektivitet till 36% eller mer, och användningen av en kombinerad ånggascykel (CCGT) ökade TPP: ns elektriska effektivitet till 54% -57 %.
I småskalig kraftteknik är det dock olämpligt att överväga möjligheten att använda komplexa system för kombinerade cykler av CCGT för elproduktion. Dessutom är gasturbiner, jämfört med gasmotorer, som drivenheter för elektriska generatorer betydligt sämre när det gäller effektivitet och driftsegenskaper, särskilt vid låg effekt (mindre än 10 MW). Eftersom varken gasturbiner eller gastappmotorer i vårt land ännu har blivit utbredd i små stationära elproduktioner, är valet av en specifik teknisk lösning ett betydande problem.
Detta problem är också relevant för stora krafttekniker, d.v.s. för kraftsystem. I moderna ekonomiska förhållanden, i avsaknad av medel för byggandet av stora kraftverk enligt föråldrade projekt, som redan kan inkludera det inhemska projektet på 325 MW CCGT, designat för 5 år sedan. Rysslands energisystem och RAO UES bör ägna särskild uppmärksamhet åt utvecklingen av småskalig elproduktion, vid de anläggningar där ny teknik kan testas, vilket gör det möjligt för återupplivning av inhemska turbin- och maskinbyggnadsanläggningar att börja och i framtiden att flytta till stor kapacitet.
Under det senaste decenniet har stora diesel- eller gasmotorvärmekraftverk med en kapacitet på 100-200 MW byggts utomlands. Den elektriska verkningsgraden för diesel- eller gasmotorkraftverk (DTPP) når 47%, vilket överstiger prestanda hos gasturbinanläggningar (36%-37%), men är sämre än indikatorerna för CCGT (51%-57%). CCGT -kraftverk inkluderar ett stort utbud av utrustning: en gasturbin, en ångavfallsvärmepanna, en ångturbin, en kondensor, ett vattenbehandlingssystem (plus en booster -kompressor om naturgas med lågt eller medelhögt tryck bränns. Dieselgeneratorer kan fungera på tungt bränsle, vilket är 2 gånger billigare än gasturbinbränsle och kan fungera på lågtrycksgas utan användning av boosterkompressorer. Enligt företaget SEMT PIELSTICK är den totala kostnaden för 15 års drift av en dieselmotor med en kapacitet på 20 MW är 2 gånger mindre än för en gasturbin TPP med samma kapacitet vid användning av flytande bränsle från båda kraftverken.
En lovande rysk tillverkare av dieselmotorer upp till 22 MW är Bryansk maskinbyggnadsanläggning, som erbjuder sina kunder kraftenheter med en ökad effektivitet på upp till 50% för drift både på tungt bränsle med en viskositet på upp till 700 cSt vid 50 C och en svavelhalt på upp till 5%, och för drift på gasformigt bränsle.
Alternativet med ett stort dieselkraftverk kan vara att föredra framför ett gasturbinkraftverk.
I småskalig kraftteknik med enhetskapacitet på mindre än 10 MW manifesteras fördelarna med moderna dieselgeneratorer i ännu större utsträckning.
Tänk på tre alternativ för värmekraftverk med gasturbinenheter och gaskolvmotorer.

Kraftvärme som arbetar med nominell belastning dygnet runt med spillvärmepannor för värmeförsörjning eller ångförsörjning.

En kraftvärme, en elgenerator och en spillvärmepanna, som endast fungerar under dagen och på natten, levereras värme från en varmvattentank.

Ett värmekraftverk som bara producerar el utan att använda spillvärme.

Bränsleutnyttjandegraden för de två första kraftverksalternativen (med olika elektrisk verkningsgrad) på grund av värmeförsörjning kan nå 80% -94%, både vid användning av gasturbiner och för en motordrift.
Effektiviteten hos alla varianter av kraftverk beror på tillförlitligheten och effektiviteten, först och främst av den "första etappen" -drivningen hos den elektriska generatorn.
Små gasturbinentusiaster kämpar för sin utbredda användning och noterar deras högre effekttäthet. Till exempel [1] rapporterar att Elliot Energy Systems (1998-1999) etablerar ett distributionsnät med 240 distributörer i Nordamerika som tillhandahåller teknik- och servicestöd för försäljning av "mikro" gasturbiner. Kraftsystemet beställde tillverkning av en 45 kW turbin, som skulle vara klar för leverans i augusti 1998. Det indikerade också att turbinens elektriska verkningsgrad når 17%och noterar att gasturbinernas tillförlitlighet är högre än för dieselgeneratorer.
Detta påstående är precis tvärtom!
Om du tittar på bordet. 1. då kommer vi att se att i ett så brett intervall från hundratals kW till tiotals MW är motordriftens effektivitet 13% -17% högre. Den angivna livslängden för Vyartsilya -motordriften innebär en garanterad livslängd fram till fullständig översyn. Resursen för nya gasturbiner är en uppskattad resurs, bekräftad av tester, men inte av statistik över arbete i verklig drift. Enligt många källor är resursen för gasturbiner 30-60 tusen timmar med en minskning med minskad effekt. Resursen för utländska tillverkade dieselmotorer är 40-100 tusen timmar eller mer.

bord 1
Huvudsakliga tekniska parametrar för elektriska generatoraggregat
G-gasturbinkraftverk, D-gas kolvgeneratoruppsättning Vyartsilya.
D - diesel från Gazprom -katalogen
* Minimivärdet för det erforderliga bränslegastrycket = 48 ata !!
Prestandaegenskaper
Elektrisk effektivitet (och effekt) en elektrisk generator som drivs av en gasmotor enligt Wärtsilä -data när lasten minskas från 100% till 50%, ändras verkningsgraden endast något.
Gasmotorns verkningsgrad ändras praktiskt taget inte upp till 25 ° C.
Gasturbinens effekt minskar stadigt från -30 ° C till +30 ° C.
Vid temperaturer över 40 ° C är minskningen av gasturbineffekten (från den nominella) 20%.
Starttid gasmotor från 0 till 100% belastning är mindre än en minut och snabbt på 20 sekunder. Det tar cirka 9 minuter att starta en gasturbin.
Gasförsörjningstryck för ett gasturbin ska det vara 16-20 bar.
Nätgastrycket för en gasmotor kan vara 4 bar (abs) och till och med 1,15 bar för en 175 SG -motor.
Investeringar vid ett kraftvärmeverk med en kapacitet på cirka 1 MW, enligt uppskattningar från Vyartsilyas specialister, uppgår de till 1400 dollar / kW för en gasturbin och 900 dollar / kW för ett gaskolvkraftverk.

Kombinerad cykelapplikation vid små värmekraftverk är det opraktiskt att installera en extra ångturbin eftersom det fördubblar antalet termiska mekaniska utrustningar, turbinhallens yta och antalet service-personal med en effektökning på bara 1,5 gånger.
Med en minskning av CCGT -enhetens kapacitet från 325 MW till 22 MW, enligt anläggningen NPP "Mashproekt" (Ukraina, Nikolaev), minskar kraftverkets ceremoniella effektivitet från 51,5% till 43,6%.
Effektiviteten hos en dieselmotor (drivs med gas) med en kapacitet på 20-10 MW är 43,3%. Det bör noteras att på sommaren, vid en kraftvärme med en diesel, kan varmvattenförsörjning tillhandahållas från motorkylsystemet.
Beräkningar om konkurrenskraften hos kraftverk baserade på gasmotorer visade att kostnaden för el vid små (1-1,5 MW) kraftverk är cirka 4,5 cent / kWh) och i stor utsträckning 32-40 MW med gasmotorer, stationer 3, 8 Amerikanska cent / kWh.
Enligt en liknande beräkningsmetod kostar el från ett kondenserande kärnkraftverk cirka 5,5 US cent / kWh. och kol -IES är cirka 5,9 cent. US / kWh Jämfört med en koleldad IES genererar ett gaseldat kraftverk el 30% billigare.
Kostnaden för el som produceras av mikroturbiner beräknas enligt andra data i intervallet från $ 0,06 till $ 0,10 / kWh
Det förväntade priset för en komplett amerikansk gasturbingenerator på 75 kW är $ 40 000, vilket motsvarar enhetskostnaden för större (över 1000 kW) kraftverk. En stor fördel med kraftenheter med gasturbiner är deras mindre storlek, 3 eller fler gånger mindre vikt.
Observera att den specifika kostnaden för att generera uppsättningar Rysk produktion baserat på bilmotorer med en kapacitet på 50-150 kW kan visa sig vara flera gånger mindre än de ovan nämnda turbinblocken (USA), med tanke på serieproduktion av motorer och lägre materialkostnad.
Här är yttrandet från danska experter som bedömer deras erfarenhet av implementering av små kraftverk.
"Investeringar i en färdig, nyckelfärdig kraftvärmeverk för naturgas med en kapacitet på 0,5-40 MW är 6,5-4,5 miljoner DKK per MW (1 krona var ungefär lika med 1 rubel sommaren 1998) En kraftvärmeverk med kombinerad cykel med en kapacitet under 50 MW kommer att uppnå en elektrisk verkningsgrad på 40-44%.
Driftskostnader för smörjoljor, Underhåll och underhållet av personalen vid kraftvärmeverket når 0,02 kroon per 1 kWh som produceras av gasturbiner. I en kraftvärmeverk med gasmotorer är driftskostnaderna cirka 0,06 datum. CZK för 1 kWh Vid dagens elpriser i Danmark kompenserar gasmotors höga prestanda mer än deras högre driftskostnader.
Danska experter tror att de flesta kraftvärme med en kapacitet under 10 MW kommer att utrustas med gasmotorer under de kommande åren. "

Slutsatser
Ovanstående uppskattningar, verkar det, visar entydigt fördelarna med motordriften vid lågkraftverk.
För närvarande överstiger emellertid kraften hos den föreslagna ryska motordriften på naturgas inte effekten på 800 kW-1500 kW (RUMO-anläggningen, N-Novgorod och Kolomensky maskinanläggning), och flera fabriker kan erbjuda turbo med högre effekt enheter.
Två fabriker i Ryssland: zd im. Klimova (St. Petersburg) och Permskie Motory är redo att leverera kompletta kraftenheter för minikraftvärme med spillvärmepannor.
När det gäller att anordna ett regionalt servicecenter kan frågorna om underhåll och reparation av små turbiner av turbiner lösas genom att turbinen ersätts med en reserv på 2-4 timmar och dess ytterligare reparation i det tekniska centrets fabriksförhållanden.

Gasturbinernas effektivitet kan för närvarande ökas med 20-30% genom att använda kraftinsprutning av ånga i en gasturbin (STIG -cykel eller kombinerad gascykel i en turbin). Denna tekniska lösning har testats i fullskaliga fälttester under tidigare år. kraftverk"Vattumannen" i Nikolaev (Ukraina) NPP "Mashproekt" och PO "Zarya", vilket gjorde det möjligt att öka kapaciteten hos turbinenheten från 16 till 25 MW och effektiviteten ökades från 32,8% till 41,8%.
Ingenting hindrar att överföra denna erfarenhet till lägre kapacitet och därmed att realisera CCGT i seriell leverans. I det här fallet jämförs den elektriska verkningsgraden med dieselmotorer, och effekttätheten ökar så mycket att kapitalkostnaderna kan vara 50% lägre än i en kraftvärme med gasmotordrift, vilket är mycket attraktivt.

Denna översyn gjordes för att visa att när man överväger alternativ för byggande av kraftverk i Ryssland, och ännu mer riktningarna för att skapa ett program för byggande av kraftverk, är det nödvändigt att inte överväga enskilda alternativ som kan vara föreslagits av designorganisationer, men en bred lista med frågor, med hänsyn tagen till inhemska och regionala tillverkares utrustning.

Litteratur

1. Power Value, Vol.2, No.4, juli / augusti 1998, USA, Ventura, CA.
Small Turbine Marketplace
Stan Price, Northwest Energy Efficiency Council, Seattle, Washington och Portland, Oregon
2. Nya riktningar för energiproduktion i Finland
ASKO VUORINEN, Assoc. teknik. Sciences, JSC Vyartsila NSD Corporation, "ENERGETIK" -11.1997. sidan 22
3. Fjärrvärme. Forskning och utveckling av teknik i Danmark. Institutionen för energi. Energidirektoratet, 1993
4. DIESELKRAFTPLANTER. S.E.M.T. PIELSTICK. POWERTEK 2000 utställningsbroschyr, 14-17 mars, 2000
5. Kraftverk och elektriska enheter rekommenderas för användning vid anläggningarna i JSC "GAZPROM". KATALOG. Moskva 1999
6. Dieselkraftverk. Prospekt för JSC "Bryansk maskinbyggnadsanläggning". 1999 POWERTEK 2000 utställningsbroschyr /
7. NK-900E Blockmodulärt värmekraftverk. JSC Samara Scientific and Technical Complex uppkallat efter N. D. Kuznetsov. POWERTEK 2000 utställningsbroschyr