Information om gasturbiner. Om gasturbiner för icke-ingenjörer Vad krav på gasturbineffektivitet betyder 40

Principen för gasturbinanläggningar

Figur 1. Schema för en GTU med en enda axel GTE för en enkel cykel

Kompressorn (1) på gasturbinaggregatet levereras med ren luft. Under högt tryck luften från kompressorn leds till förbränningskammaren (2), där även huvudbränslet, gasen, tillförs. Blandningen är brandfarlig. När en gas-luft-blandning bränns, genereras energi i form av en ström av glödande gaser. Denna ström rusar med hög hastighet till turbinhjulet (3) och roterar den. Rotations -kinetisk energi genom turbinaxeln driver en kompressor och en elektrisk generator (4). Från terminalerna på en elektrisk generator, genereras den genererade elen, vanligtvis genom en transformator, till elnätet, till energikonsumenter.

Gasturbiner beskrivs av Brightons termodynamiska cykel Brighton / Joule -cykeln är en termodynamisk cykel som beskriver arbetsprocesserna för gasturbin-, turbojet- och ramjetmotorer förbränning, såväl som gasturbinmotorer yttre förbränning med sluten slinga gasformig (enfas) arbetsvätska.

Cykeln är uppkallad efter Amerikansk ingenjör George Brighton, som uppfann kolvförbränningsmotorn som arbetade med denna cykel.

Ibland kallas denna cykel också Joule -cykeln - till ära för den engelska fysikern James Joule, som fastställde den mekaniska ekvivalenten av värme.

Bild 2. P, V -diagram Brighton cykel

Brightons idealcykel består av processer:

1-2 isentropisk komprimering.
2-3 isobarisk värmeinmatning.
3-4 Isentropisk expansion.
4-1 Isobarisk värmeborttagning.

Med hänsyn till skillnaderna mellan verklig adiabatisk expansion och sammandragningsprocesser från isentropiska konstrueras den verkliga Brighton-cykeln (1-2p-3-4p-1 på TS-diagrammet) (bild 3)

Fig. 3. TS-diagram över Brighton-cykeln
Perfekt (1-2-3-4-1)
Verklig (1-2p-3-4p-1)

Den termiska verkningsgraden för en idealisk Brighton -cykel uttrycks vanligtvis med formeln:

där P = p2 / p1 - graden av tryckökning i processen för isentropisk kompression (1-2);
k - adiabatiskt index (för luft lika med 1,4)

Det bör särskilt noteras att detta allmänt accepterade sätt att beräkna cykeleffektivitet döljer processens väsen. Den termodynamiska cykelns begränsande effektivitet beräknas genom temperaturförhållandet med Carnot -formeln:

där T1 är kylskåpets temperatur;
T2 är värmarens temperatur.

Exakt samma temperaturförhållande kan uttryckas genom värdet på de tryckförhållanden som används i cykeln och det adiabatiska indexet:

Således beror Brighton -cykelns effektivitet på cykelns initiala och slutliga temperaturer på exakt samma sätt som effektiviteten hos Carnot -cykeln. Med ett oändligt litet värde för uppvärmning av arbetsvätskan längs linjen (2-3) kan processen betraktas som isotermisk och helt likvärdig Carnot-cykeln. Mängden uppvärmning av arbetsvätskan T3 under den isobära processen bestämmer mängden arbete som är relaterat till mängden arbetsvätska som används i cykeln, men påverkar inte på något sätt cykelns termiska effektivitet. Vid den praktiska genomförandet av cykeln utförs emellertid uppvärmning vanligtvis till de högsta möjliga värden som begränsas av värmebeständigheten hos de material som används för att minimera storleken på de mekanismer som komprimerar och expanderar arbetsvätskan.

I praktiken orsakar friktion och turbulens:

Icke-adiabatisk kompression: För ett givet totalt tryckförhållande är kompressorns urladdningstemperatur över idealisk.
Icke-adiabatisk expansion: även om temperaturen på turbinen sjunker till den nivå som krävs för drift påverkas inte kompressorn, tryckförhållandet är högre, vilket gör att expansionen inte är tillräcklig för att ge användbart arbete.
Tryckförlust i luftintaget, förbränningskammaren och utloppet: som ett resultat är expansionen inte tillräcklig för att ge användbart arbete.

Som med alla cykliska värmemotorer, ju högre förbränningstemperatur, desto högre verkningsgrad. Den begränsande faktorn är förmågan hos stål, nickel, keramik eller andra material som gör att motorn klarar temperatur och tryck. Mycket av den tekniska ansträngningen har fokuserat på att ta bort värme från delar av turbinen. De flesta turbiner försöker också återvinna värme från avgaserna som annars skulle gå till spillo.

Återvinnare är värmeväxlare som överför avloppsvärme till tryckluft före förbränning. I en kombinerad cykel överförs värme till ångturbinsystemen. Och i kombinerad värme och kraft (kraftvärme) används spillvärmen för att producera varmt vatten.

Mekaniskt kan gasturbiner vara betydligt enklare än fram- och återgående förbränningsmotorer. Enkla turbiner kan ha en rörlig del: axel / kompressor / turbin / alternativ rotor (se bild nedan), exklusive bränslesystemet.

Bild 4. Denna maskin har en enstegs radiell kompressor,
turbin, recuperator och luftlager.

Mer komplexa turbiner (de som används i moderna jetmotorer) kan ha flera axlar (spolar), hundratals turbinblad, rörliga statorblad och ett omfattande system av komplexa rörsystem, förbränningskammare och värmeväxlare.

Generellt gäller att ju mindre motorn är, desto högre hastighet krävs för axeln / axlarna för att bibehålla bladens maximala linjära hastighet.

Maxhastighet Turbinbladet bestämmer det maximala tryck som kan uppnås, vilket resulterar i maximal effekt, oavsett motorstorlek. Jetmotor roterar med en frekvens av cirka 10 000 rpm och en mikro-turbin med en frekvens av cirka 100 000 rpm.

Gasturbinenheter (GTU) är efterfrågade inom industri, transport och används ofta i energibranschen. Denna utrustning är inte särskilt komplex i design, har hög effektivitet och är ekonomisk att använda.

Gasturbiner liknar på många sätt motorer som körs på diesel eller bensin: som i en förbränningsmotor omvandlas den värmeenergi som erhålls vid förbränning av bränsle till mekanisk energi. Samtidigt används förbränningsprodukter i öppna installationer, i slutna system - gas eller vanlig luft. Båda är lika efterfrågade. Förutom öppna och stängda finns turbokompressorsturbiner och installationer med gasolgeneratorer med frikolv.

Det är lättast att överväga konstruktionen och driftsprincipen för en gasturbin på en turboladdare som fungerar med konstant tryck.

Gasturbin design

Gasturbinen består av en kompressor, en luftkanal, en förbränningskammare, ett munstycke, en flödesbana, fasta och rotorblad, ett avgasrör, en reducerare, en propeller och en startmotor.

Startmotorn ansvarar för att starta turbinen. Det driver kompressorn, som snurrar upp till önskad hastighet. Sedan:

kompressorn fångar upp luft från atmosfären och komprimerar den;
luft skickas till förbränningskammaren genom luftkanalen;
bränsle kommer in i samma kammare genom munstycket;
gas och luft blandas och bränns vid konstant tryck, vilket resulterar i förbränningsprodukter;
förbränningsprodukter kyls med luft, varefter de kommer in i flödesbanan;
i stationära blad expanderar och accelererar gasblandningen, riktas sedan till rotorbladen och sätter dem i rörelse;
den förbrukade blandningen lämnar turbinen genom grenröret;
Turbinen överför rörelseenergi till kompressorn och propellern via en växellåda.

Således bildar gasen blandad med luft, brinnande, ett arbetsmedium, som vid expansion, accelererar och snurrar bladen, och bakom dem - propellern. Därefter omvandlas rörelseenergi till elektricitet eller används för att flytta ett sjöfartyg.

Du kan spara på bränsle genom att använda principen för värmeåtervinning. I detta fall värms luften in i turbinen upp av avgaserna. Som ett resultat förbrukar installationen mindre bränsle och mer rörelseenergi produceras. Regeneratorn, där luften värms upp, tjänar samtidigt till att kyla avgaserna.

Egenskaper hos en gasturbin av sluten typ

Gasturbinen av öppen typ drar in luft från atmosfären och släpper ut avgaserna till utsidan. Det är inte särskilt effektivt och farligt om enheten ligger i ett slutet område där människor arbetar. I detta fall används en gasturbinanläggning av sluten typ. Sådana turbiner släpper inte ut den använda arbetsvätskan i atmosfären, utan skickar den till kompressorn. Det blandas inte med förbränningsprodukter. Som ett resultat förblir arbetsmiljön som cirkulerar i turbinen ren, vilket ökar installationens resurs och minskar antalet störningar.

Stängda turbiner är dock för stora. Gaser som inte släpper ut måste kylas tillräckligt effektivt. Detta är endast möjligt med stora värmeväxlare. Därför används enheterna på stora fartyg, där det finns tillräckligt med utrymme.

Stängda gasturbiner kan ha och kärnreaktor... De använder koldioxid, helium eller kväve som kylmedel. Gasen värms upp i en reaktor och skickas till en turbin.

GTU och deras skillnader från ångturbiner och förbränningsmotorer

Gasturbiner skiljer sig från förbränningsmotorer i en enklare design och enkel reparation. Det är också viktigt att de inte tillhandahåller en vevmekanism, vilket gör förbränningsmotorn skrymmande och tung. Turbinen är ungefär två gånger lättare och mindre än motorn med samma effekt. Dessutom kan den köras på lågkvalitativt bränsle.

Gasturbiner skiljer sig från ångturbiner i sina små dimensioner och enkel start. De är lättare att underhålla än ånginstallationer.

Turbiner har också nackdelar: de är inte så ekonomiska jämfört med förbränningsmotorn, de ger mer buller och blir snabbare oanvändbara. Detta hindrar dock inte användning av gasturbiner inom transport, industri och till och med vardagen. Turbiner installeras på havs- och flodfartyg, som används i kraftverk, pumputrustning och många andra områden. De är bekväma och rörliga, så de används ganska ofta.

Då och då i nyheterna säger de att till exempel vid ett sådant statligt distriktskraftverk är byggandet av en 400 MW CCGT i full gång, och vid en annan CHPP-2 läggs en gasturbinenhet med så många MW i drift. Sådana händelser skrivs om, de täcks, eftersom införandet av sådana kraftfulla och effektiva enheter inte bara är en "fästing" i genomförandet av det statliga programmet, utan också en verklig ökning av effektiviteten hos kraftverk, det regionala kraftsystemet och till och med det enhetliga kraftsystemet.

Men jag skulle vilja informera dig inte om genomförandet av statliga program eller prognosindikatorer, utan om CCGT och GTU. I dessa två termer kan inte bara en lekman bli förvirrad, utan också en nybörjare energisk.

Låt oss börja med det som är lättare.

GTU - gasturbinanläggning - är en gasturbin och en elektrisk generator, kombinerad i ett hus. Det är fördelaktigt att installera det på en kraftvärme. Detta är effektivt, och många av CHPP -rekonstruktionerna syftar till att installera just sådana turbiner.

Här är en förenklad cykel för termostationen:

Gas (bränsle) kommer in i pannan, där den brinner och överför värme till vattnet, vilket lämnar pannan i form av ånga och vänder ångturbinen. Och ångturbinen vänder generatorn. Vi tar emot el från generatorn, och vi tar ånga för industriella behov (uppvärmning, uppvärmning) från turbinen, om det behövs.

Och i en gasturbininstallation brinner gasen och vänder gasturbinen, som genererar el, och de utgående gaserna gör vatten till ånga i en spillvärmepanna, d.v.s. gas fungerar med en dubbel fördel: först brinner den och vänder turbinen och värmer sedan vattnet i pannan.

Och om själva gasturbinenheten visas ännu mer fullständigt kommer det att se ut så här:

Denna video visar tydligt vilka processer som pågår i en gasturbinanläggning.

Men det kommer att vara ännu mer fördelaktigt om den resulterande ångan får att fungera - att lägga den i en ångturbin så att en annan generator fungerar! Då blir vår GTU en STEAM-GAS UNIT (CCGT).

Som ett resultat är PSU ett bredare koncept. Denna enhet är en oberoende kraftenhet där bränsle används en gång och el genereras två gånger: i en gasturbinenhet och i en ångturbin. Denna cykel är mycket effektiv och har en verkningsgrad på cirka 57%! Detta är ett mycket bra resultat, vilket avsevärt kan minska bränsleförbrukningen per kilowattimme el!

I Vitryssland används gasturbiner för att förbättra kraftverkens effektivitet som ett "tillägg" till det befintliga kraftvärmesystemet, och CCGT: er uppförs vid GRES som oberoende kraftenheter. Dessa gasturbiner arbetar vid kraftverk och förbättrar inte bara de "förutsagda tekniska och ekonomiska indikatorerna", utan förbättrar också generationshanteringen, eftersom de har hög manövrerbarhet: snabb start och effektökning.

Så användbara är dessa gasturbiner!

En värmeturbin med konstant verkan, där den termiska energin hos komprimerad och uppvärmd gas (vanligtvis produkter från bränsleförbränning) omvandlas till mekaniskt roterande arbete på axeln; är ett strukturellt element i en gasturbinmotor.

Komprimerad gas upphettas vanligtvis i en förbränningskammare. Du kan också utföra uppvärmning i en kärnreaktor etc. Gasturbiner uppträdde först i slutet av 1800 -talet. som en gasturbinmotor och i design, närmade de sig en ångturbin. Gasturbinen är strukturellt hela linjen väl anordnade stationära blad med fälgar på munstycksapparaten och roterande fälgar på pumphjulet, vilka som ett resultat bildar flödesbanan. Turbinsteget är en munstyckenhet kombinerad med ett pumphjul. Scenen består av en stator, som innehåller stationära delar (hus, munstycksblad, höljesringar) och en rotor, som är en samling roterande delar (såsom rotorblad, skivor, axel).

Klassificeringen av en gasturbin utförs enligt många konstruktionsegenskaper: i gasflödets riktning, antalet steg, metoden för att använda värmefall och metoden för att leverera gas till pumphjulet. Genom gasflödets riktning kan man skilja mellan axiella (vanligaste) och radiella gasturbiner, samt diagonala och tangentiella. I axiella gasturbiner transporteras flödet i meridiansektionen huvudsakligen längs hela turbinens axel; i radiella turbiner är det tvärtom vinkelrätt mot axeln. Radialturbiner klassificeras som centripetal och centrifugal. I en diagonal turbin flyter gas i en vinkel mot turbinens rotationsaxel. Det tangentiella turbinhjulet har inga blad; sådana turbiner används vid mycket låga gasflödeshastigheter, vanligtvis i mätinstrument. Gasturbiner finns i ett-, två- och flersteg.

Antalet steg bestäms av många faktorer: turbins syfte, dess konstruktion, total effekt och utvecklad av ett steg, liksom tryckfallet som utlöses. Enligt metoden för att använda det tillgängliga värmefallet skiljer sig turbiner med hastighetssteg ut, där endast en svängning av flödet sker i pumphjulet, utan att ändra trycket (aktiva turbiner), och turbiner med trycksteg, där trycket minskar både i munstycksapparaten och på rotorbladen (jetturbiner). I partiella gasturbiner tillförs gas till pumphjulet längs en del av munstycksapparatens omkrets eller längs hela omkretsen.

I en flerstegsturbin består energiomvandlingsprocessen av ett antal sekventiella processer i enskilda steg. Komprimerad och uppvärmd gas tillförs munstycksapparatens interskapulära kanaler med en initial hastighet, där en del av det tillgängliga värmefallet i expansionsprocessen omvandlas till kinetisk energi från utströmningsstrålen. Ytterligare expansion av gasen och omvandling av värmefallet till användbart arbete sker i pumphjulets interscapular -kanaler. Gasflödet, som verkar på rotorbladen, skapar ett vridmoment på turbinens huvudaxel. I detta fall minskar den absoluta gashastigheten. Ju lägre denna hastighet, desto mer av gasenergin omvandlades till mekaniskt arbete på turbinaxeln.

Effektivitet kännetecknar gasturbinernas effektivitet, vilket är förhållandet mellan arbetet från axeln till den tillgängliga gasenergin framför turbinen. Den effektiva effektiviteten hos moderna flerstegsturbiner är ganska hög och når 92-94%.

Principen för drift av en gasturbin är följande: gas pumpas in i förbränningskammaren av en kompressor, blandad med luft, bildar en bränsleblandning och antänds. De resulterande förbränningsprodukterna med en hög temperatur (900-1200 ° C) passerar genom flera rader av blad monterade på turbinaxeln och får turbinen att rotera. Den resulterande mekaniska energin från axeln överförs via en växellåda till en generator som genererar elektricitet.

Värmeenergi De gaser som lämnar turbinen kommer in i värmeväxlaren. I stället för att generera el kan turbinens mekaniska energi användas för att driva olika pumpar, kompressorer etc. Det mest använda bränslet för gasturbiner är naturgas, även om detta inte kan utesluta möjligheten att använda andra typer av gasformiga bränslen . Men samtidigt är gasturbiner mycket nyckfulla och ställer höga krav på kvaliteten på dess beredning (vissa mekaniska inneslutningar och fukt krävs).

Temperaturen på gaserna som lämnar turbinen är 450-550 ° C. Det kvantitativa förhållandet mellan värmeenergi och elektrisk energi i gasturbiner sträcker sig från 1,5: 1 till 2,5: 1, vilket gör det möjligt att bygga kraftvärmesystem som skiljer sig åt i typen av värmebärare:

1) direkt (direkt) användning av heta avgaser;
2) produktion av ånga med lågt eller medelhögt tryck (8-18 kg / cm2) i en extern panna;
3) produktion av varmt vatten (bättre när den erforderliga temperaturen överstiger 140 ° C);
4) produktion av högtrycksånga.

Ett stort bidrag till utvecklingen av gasturbiner gjordes av sovjetiska forskare B.S.Stechkin, G.S.Zhiritsky, N.R. Briling, V.V. Uvarov, K.V. skapande av gasturbiner för stationära och mobila gasturbinenheter nådde utländska företag (schweiziska "Brown-Boveri", där den berömda slovakiska forskaren A. Stodola arbetade, och "Sulzer", American General Electric, etc.).

Vidare utveckling av gasturbiner beror på möjligheten att öka gastemperaturen framför turbinen. Detta beror på skapandet av nya värmebeständiga material och pålitliga system för kylning av rotorbladen med en betydande förbättring av flödesbanan etc.

Tack vare den omfattande övergången på 1990 -talet. för användning av naturgas som huvudbränsle för elkraftsindustrin har gasturbiner upptagit ett betydande segment av marknaden. Trots att utrustningens maximala effektivitet uppnås vid kapaciteter från 5 MW och högre (upp till 300 MW), tillverkar vissa tillverkare modeller i intervallet 1-5 MW.

Gasturbiner används i flyg- och kraftverk.

Tidigare: GASANALYSATOR
Följande: GASMOTOR

Kategori: Industri på G

En turbin är en motor där den komprimerbara vätskans potentiella energi omvandlas till rörelseenergi, och den senare i pumphjulen till mekaniskt arbete som överförs till en kontinuerligt roterande axel.

Av design är ångturbiner en värmemotor som ständigt är i drift. Under drift tvingas överhettad eller mättad vattenånga, som kommer in i flödesbanan, och på grund av dess expansion tvingar rotorn att rotera. Rotation sker som ett resultat av ångflödets inverkan på bladapparaten.

Ångturbinen är en del av ångturbinstrukturen, som är utformad för att generera energi. Det finns också installationer som, förutom el, kan generera termisk energi - ångan som har passerat genom ångbladen går in i värmevattenberedarna. Denna typ av turbin kallas en industriell kraftvärme eller kraftvärmestyp av turbiner. I det första fallet tillhandahålls ånguttag i turbinen för industriella ändamål. Komplett med en generator är en ångturbin en turbinenhet.

Ångturbintyper

Turbiner indelas, beroende på i vilken riktning ångan rör sig, i radiella och axiella turbiner. Ångflöde i radiella turbiner riktas vinkelrätt mot axeln. Ångturbiner kan vara ett-, två- och trehölje. Ångturbinen är utrustad med en mängd olika tekniska anordningar som förhindrar att omgivande luft kommer in i huset. Dessa är en mängd olika tätningar som levereras med en liten mängd vattenånga.

På axelns främre del finns en säkerhetsregulator utformad för att stänga av ångtillförseln när turbinhastigheten ökar.

Egenskaper för huvudparametrarna för de nominella värdena

· Turbin nominell effekt- den maximala effekt som turbinen måste utveckla under lång tid vid elgeneratorns terminaler, vid normala värden för huvudparametrarna eller när de ändras inom de gränser som industrin anger och statliga standarder... En turbin med variabel ångaxtraktion kan utveckla en effekt högre än den nominella effekten, om den uppfyller villkoren för hållfastheten hos sina delar.

· Turbinekonomisk kraft- den effekt som turbinen arbetar med störst effektivitet. Beroende på parametrarna för levande ånga och turbins syfte kan märkeffekten vara lika med den ekonomiska effekten eller mer med 10-25%.

· Nominell temperatur för regenerativ matvattenuppvärmning- temperaturen på matningsvattnet nedströms den sista värmaren längs vattenflödet.

· Kylvattens nominella temperatur- kylvattnets temperatur vid inloppet till kondensorn.

Gasturbin(Fransk turbin från latinsk turbo virvel, rotation) är en värmemotor med kontinuerlig verkan, i bladapparaten av vilken energin från den komprimerade och uppvärmda gasen omvandlas till mekaniskt arbete på axeln. Den består av en rotor (rotorblad monterade på skivor) och en stator (styrskovlar fixerade i ett hus).

Gas med hög temperatur och tryck kommer in genom turbinmunstycket in i området lågtryck bakom munstycksdelen, expanderar och accelererar samtidigt. Vidare kommer gasflödet in i turbinrotorbladen, vilket ger dem en del av sin rörelseenergi och ger bladet vridmoment. Rotorbladen överför vridmomentet genom turbinskivorna till axeln. Användbara egenskaper hos en gasturbin: en gasturbin driver till exempel en generator på samma axel med den, vilket är användbar för en gasturbin.

Gasturbiner används som en del av gasturbinmotorer (används för transport) och gasturbinenheter (används vid värmekraftverk som en del av stationära gasturbinenheter, CCGT -enheter). Gasturbiner beskrivs av den termodynamiska cykeln i Brayton, där luft först komprimeras adiabatiskt, sedan bränns vid konstant tryck och sedan expanderas adiabatiskt tillbaka till starttrycket.

Gasturbintyper

- Flygplan och jetmotorer

- Extra kraftenhet

- Industriella gasturbiner för elproduktion

- Turboshaftmotorer

- Radiella gasturbiner

- Mikroturbiner

Generellt gäller att ju mindre motorn är, desto högre hastighet krävs för axeln / axlarna för att bibehålla bladens maximala linjära hastighet. Turbinbladens maximala hastighet bestämmer det maximala tryck som kan uppnås, vilket resulterar i maximal effekt, oavsett motorstorlek. Jetmotorn roterar med cirka 10 000 varv / min och mikroturbinen med cirka 100 000 varv / min.