Газотурбинные установки введение. Газотурбинные установкиГТУГАЗОТУРБИННЫЕ УСТАНОВКИ
Традиционная современная газотурбинная установка (ГТУ) — это совокупность воздушного компрессора, камеры сгорания и газовой турбины, а также вспомогательных систем, обеспечивающих ее работу. Совокупность ГТУ и электрического генератора называют газотурбинным агрегатом. Необходимо подчеркнуть одно важное отличие ГТУ от ПТУ. В состав ПТУ не входит котел, точнее котел рассматривается как отдельный источник тепла; при таком рассмотрении котел — это «черный ящик»: в него входит питательная вода с температурой tп.в, а выходит пар с параметрами р0, t0. Паротурбинная установка без котла как физического объекта работать не может. В ГТУ камера сгорания — это ее неотъемлемый элемент. В этом смысле ГТУ — самодостаточна. Газотурбинные установки отличаются чрезвычайно большим разнообразием, пожалуй, даже большим, чем паротурбинные. Ниже рассмотрим наиболее перспективные и наиболее используемые в энергетике ГТУ простого цикла. Принципиальная схема такой ГТУ показана на рисунке 1. Воздух из атмосферы поступает на вход воздушного компрессора, который представляет собой роторную турбомашину с проточной частью, состоящей из вращающихся и неподвижных решеток. Отношение давления за компрессором рb к давлению перед ним рa называется степенью сжатия воздушного компрессора и обычно обозначается как pк (pк = pb/pa). Ротор компрессора приводится газовой турбиной. Поток сжатого воздуха подается в одну, две или более камер сгорания. При этом в большинстве случаев поток воздуха, идущий из компрессора, разделяется на два потока. Первый поток направляется к горелочным устройствам, куда также подается топливо (газ или жидкое топливо). При сжигании топлива образуются продукты сгорания топлива высокой температуры. К ним подмешивается относительно холодный воздух второго потока с тем, чтобы получить газы (их обычно называют рабочими газами) с допустимой для деталей газовой турбины температурой. Рабочие газы с давлением рс (рс < рb) из-за гидравлического сопротивления камеры сгорания) подаются в проточную часть газовой турбины, принцип действия которой ничем не отличается от принципа действия паровой турбины (отличие состоит только в том, что газовая турбина работает на продуктах сгорания топлива, а не на паре). В газовой турбине рабочие газы расширяются практически до атмосферного давления pd, поступают в выходной диффузор 14, и из него — либо сразу в дымовую трубу, либо предварительно в какой-либо теплообменник, использующий теплоту уходящих газов ГТУ. Вследствие расширения газов в газовой турбине, последняя вырабатывает мощность. Весьма значительная ее часть (примерно половина) тратится на привод компрессора, а оставшаяся часть — на привод электрогенератора. Это и есть полезная мощность ГТУ, которая указывается при ее маркировке. Для изображения схем ГТУ применяют условные обозначения, показанные на рисунке 2. Рисунок 2 – Схема газотурбинной установки Из рассмотрения рисунков 1 и 2 становится ясным, почему описанная ГТУ называется ГТУ простого термодинамического цикла. Более простой ГТУ быть не может, так как она содержит минимум необходимых компонентов, обеспечивающих последовательные процессы сжатия, нагрева и расширения рабочего тела: один компрессор, одну или несколько камер сгорания, работающих в одинаковых условиях, и одну газовую турбину. Наряду с ГТУ простого цикла, существуют ГТУ сложного цикла, которые могут содержать несколько компрессоров, турбин и камер сгорания. В частности, к ГТУ этого типа относятся ГТ-100-750, строившиеся в СССР в 70-е годы на рисунке 3.
Рисунок 3 – Схема газотурбинной установки Она выполнена двухвальной. На одном валу расположены компрессор высокого давления КВД и приводящая его турбина высокого давления ТВД; этот вал имеет переменную частоту вращения. На втором валу расположены турбина низкого давления ТНД, приводящая компрессор низкого давления КНД и электрический генератор ЭГ; поэтому этот вал имеет постоянную частоту вращения 50 с-1. Воздух в количестве 447 кг/с поступает из атмосферы в КНД и сжимается в нем до давления примерно 430 кПа (4,3 ат) и затем подается в воздухоохладитель ВО, где охлаждается водой с 176 до 35 °С. Это позволяет уменьшить работу, затрачиваемую на сжатие воздуха в компрессоре высокого давления КВД (степень сжатия pк = 6,3). Из него воздух поступает в камеру сгорания высокого давления КСВД и продукты сгорания с температурой 750 °С направляются в ТВД. Из ТВД газы, содержащие значительное количество кислорода, поступают в камеру сгорания низкого давления КСНД, в которой сжигается дополнительное топливо, а из нее — в ТНД. Отработавшие газы с температурой 390 °С выходят либо в дымовую трубу, либо в теплообменник для использования теплоты уходящих газов. Как увидим ниже, ГТУ не отличается высокой экономичностью из-за высокой температуры уходящих газов. Усложнение схемы позволяет повысить ее экономичность, но одновременно требует увеличения капиталовложений и усложняет эксплуатацию.
Рисунок 4 – Устройство ГТУ V94.3 (Siemens) На рисунке 4 показано устройство ГТУ V94.3 фирмы Siemens. Атмосферный воздух от комплексного воздухоочистительного устройства (КВОУ) поступает в шахту 4, а из нее — к проточной части 16 воздушного компрессора. В компрессоре происходит сжатие воздуха. Степень сжатия в типичных компрессорах составляет pк = 13—17, и таким образом давление в тракте ГТУ не превышает 1,3—1,7 МПа (13—17 ат). Это еще одно серьезное отличие ГТУ от паровой турбины, в которой давление пара больше, чем давление газов в ГТУ в 10—15 раз. Малое давление рабочей среды обусловливает малую толщину стенок корпусов и легкость их прогрева. Именно это делает ГТУ очень маневренной, т.е. способной к быстрым пускам и остановкам. Если для пуска паровой турбины в зависимости от ее начального температурного состояния требуется от 1 ч до нескольких часов, то ГТУ может быть введена в работу за 10—15 мин. При сжатии в компрессоре воздух нагревается. Оценить этот нагрев можно по простому приближенному соотношению:
в котором Тb и Та — абсолютные температуры воздуха за и перед компрессором. Если, например,Та = 300 К, т.е. температура окружающего воздуха 27 °С, а pк = 16, то Тb = 600 К и, следовательно, воздух нагревается на
Таким образом, за компрессором температура воздуха составляет 300—350 °С. Воздух между стенками пламенной трубы и корпуса камеры сгорания движется к горелочному устройству, к которому подается и топливный газ. Поскольку топливо должно поступать в камеру сгорания, где давление 1,3—1,7 МПа, то давление газа должно быть большим. Для возможности регулирования его расхода в камеру сгорания требуется давление газа примерно вдвое больше, чем давление в камере. Если в подводящем газопроводе имеется такое давление, то газ подается в камеру сгорания прямо с газораспределительного пункта (ГРП). Если давление газа недостаточное, то между ГРП и камерой устанавливают дожимной газовый компрессор. Расход топливного газа составляет всего примерно 1—1,5 % от расхода воздуха, поступающего от компрессора, поэтому создание высокоэкономичного дожимного газового компрессора представляет определенные технические трудности. Внутри пламенной трубы 10 образуются продукты сгорания высокой температуры. После подмешивания вторичного воздуха на выходе из камеры сгорания она несколько снижается, но достигает тем не менее, в типичных современных ГТУ 1350—1400 °С. Из камеры сгорания горячие газы поступают в проточную часть 7 газовой турбины. В ней газы расширяются до практически атмосферного давления, так как пространство за газовой турбиной сообщается либо с дымовой трубой, либо с теплообменником, гидравлическое сопротивление которого невелико. При расширении газов в газовой турбине на ее валу создается мощность. Эта мощность частично расходуется на привод воздушного компрессора, а ее избыток — на привод ротора 1 электрогенератора. Одна из характерных особенностей ГТУ состоит в том, что компрессор требует примерно половины мощности, развиваемой газовой турбиной. Например, в создаваемой в России ГТУ мощностью 180 МВт (это и есть полезная мощность) мощность компрессора составляет 196 МВт. Это одно из принципиальных отличий ГТУ от ПТУ: в последней мощность, идущая на сжатие питательной воды даже до давления в 23,5 МПа (240 ат) составляет всего несколько процентов от мощности паровой турбины. Связано это с тем, что вода — малосжимаемая жидкость, а воздух для сжатия требует много энергии. В первом, достаточно грубом приближении, температуру газов за турбиной можно оценить по простому соотношению:
Таким образом, температура газов за ГТУ достаточно высока, и значительное количество теплоты, полученной при сжигании топлива, в буквальном смысле уходит в дымовую трубу. Поэтому при автономной работе ГТУ ее КПД невелик: для типичных ГТУ он составляет 35—36 %, т.е. существенно меньше, чем КПД ПТУ. Дело, однако, кардинальным образом изменяется при установке на «хвосте» ГТУ теплообменника (сетевого подогревателя или котла-утилизатора для комбинированного цикла), о чем пойдет речь в следующей лекции. За газовой турбиной устанавливают диффузор — плавно расширяющийся канал, при течении в котором скоростной напор газов частично преобразуется в давление. Это позволяет иметь за газовой турбиной давление меньшее, чем атмосферное, что увеличивает работоспособность 1 кг газов в турбине и, следовательно, повышает ее мощность. Устройство воздушного компрессора. Как уже указывалось, воздушный компрессор — это турбомашина, к валу которой подводится мощность от газовой турбины; эта мощность передается воздуху, протекающему через проточную часть компрессора, вследствие чего давление воздуха повышается вплоть до давления в камере сгорания.
Рисунок 5 – Ротор воздушного компрессора ГТУ, уложенный в опорные подшипники На рисунке 5 показан ротор ГТУ, уложенный в опорные подшипники; на переднем плане хорошо виден ротор компрессора и статорные элементы. Из шахты 4 рисунка 4 воздух поступает в каналы, образованные поворотными лопатками 2 рисунка 5 невращающегося входного направляющего аппарата (ВНА). Главная задача ВНА — сообщить потоку, движущемуся в осевом (или радиально-осевом) направлении вращательное движение. Каналы ВНА принципиально не отличаются от сопловых каналов паровой турбины: они являются конфузорными (суживающимися), и поток в них ускоряется, одновременно приобретая окружную составляющую скорости.
Рисунок 6 – Входная часть воздушного компрессора В современных ГТУ входной направляющий аппарат делают поворотным на рисунке 6. Необходимость в поворотном ВНА вызвана стремлением не допустить снижения экономичности при снижении нагрузки ГТУ. Дело заключается в том, что валы компрессора и электрогенератора имеют одинаковую частоту вращения, равную частоте сети. Поэтому, если не использовать ВНА, то и количество воздуха, подаваемого компрессором в камеру сгорания, постоянно и не зависит от нагрузки турбины. А изменить мощность ГТУ можно только изменением расхода топлива в камеру сгорания. Поэтому при уменьшении расхода топлива и неизменности количества воздуха, подаваемого компрессором, снижается температура рабочих газов и перед газовой турбиной, и за ней. Это приводит к очень значительному снижению экономичности ГТУ. Поворот лопаток при снижении нагрузки вокруг оси 1 на 25 — 30° на рисунке 6 позволяет сузить проходные сечения каналов ВНА и уменьшить расход воздуха в камеру сгорания, поддерживая постоянным соотношение между расходом воздуха и топлива. Установка входного направляющего аппарата позволяет поддерживать температуру газов перед газовой турбиной и за ней постоянной в диапазоне мощности примерно 100—80 %.
Рисунок 7. – Устройство входного поворотного направляющего аппарата ГТУ На рисунке 7 показан привод лопаток ВНА. К осям каждой лопатки крепится поворотный рычаг 2 , который через рычаг 4 связан с поворотным кольцом 1. При необходимости изменения расхода воздуха кольцо 1 поворачивается с помощью тяг и электродвигателя с редуктором; при этом поворачиваются одновременно все рычаги 2 и соответственно лопатки ВНА 5. Закрученный с помощью ВНА воздух поступает в 1-ю ступень воздушного компрессора, которая состоит из двух решеток: вращающейся (см. поз. 13 на рисунке 6 и поз. 3 на рисунке 5) и неподвижной (см. поз. 1 на рисунке 6; в этом отличие от ступени турбины, в которой первая решетка — невращающаяся). Обе решетки в отличие от решеток турбины имеют расширяющиеся (диффузорные) каналы, т.е. площадь для прохода воздуха на входе F1 меньше, чем F2 на выходе.
Рисунок 8 – Течение воздуха в компрессорной ступени На рисунке 8 показано течение воздуха в компрессорной ступени. Из входного (неподвижного) поворотного соплового аппарата воздух выходит со скоростью c1 (см. верхний треугольник скоростей), имеющий необходимую окружную закрутку (a1 < 90°). Если расположенная за ВНА вращающаяся (рабочая) решетка имеет скорость u1, то относительная скорость входа в нее w1будет равна разности векторов c1 и u1, и эта разность будет больше, чем c1 т.е. w1 > c1. При движении в канале скорость воздуха уменьшается до значения w2, и он выходит под углом b2, определяемым наклоном профилей. Однако вследствие вращения и подвода к воздуху энергии от рабочих лопаток его скорость с2 в абсолютном движении будет больше, чем c1. Лопатки неподвижной решетки устанавливают так, чтобы вход воздуха в канал был безударным. Так как каналы этой решетки расширяющиеся, то скорость в ней уменьшается, а давление возрастает от р1 до р2. Решетку проектируют так, чтобы =c1, a = α1. Поэтому во второй ступени и последующих ступенях процесс сжатия будет протекать аналогичным образом. При этом высота их решеток будет уменьшаться в соответствии с увеличившейся плотностью воздуха из-за сжатия. Иногда направляющие лопатки нескольких первых ступеней компрессора выполняют поворотными точно так же, как и лопатки ВНА. Это позволяет расширить диапазон мощности ГТУ, при котором температура газов перед газовой турбиной и за ней остается неизменной. Соответственно повышается и экономичность. Применение нескольких поворотных направляющих аппаратов позволяет работать экономично в диапазоне 100 — 50 % мощности.
Рисунок 9 – Выходная часть компрессора, трубчато-кольцевая камера сгорания и входная часть газовой турбины Последняя ступень компрессора устроена так же, как и предшествующие с той лишь разницей, что задачей последнего направляющего аппарата 1 на рисунке 9 является не только повышение давления, но и обеспечение осевого выхода потока воздуха. Воздух поступает в кольцевой выходной диффузор 23, где давление повышается до максимального значения. С этим давлением воздух поступает в зону горения 9. Из корпуса воздушного компрессора выполняются отборы воздуха для охлаждения элементов газовой турбины. Для этого в его корпусе выполняют кольцевые камеры (см. поз. 8 на рисунке 5), сообщаемые с пространством за соответствующей ступенью. Воздух из камер отводится с помощью трубопроводов (см. поз. 14 на рисунке 4). Кроме того, компрессор имеет так называемые антипомпажные клапаны и обводные трубопроводы (см. поз. 6 на рисунке 4), перепускающие воздух из промежуточных ступеней компрессора в выходной диффузор газовой турбины при ее пуске и остановке. Это исключает неустойчивую работу компрессора при малых расходах воздуха (это явление называется помпажом), выражающуюся в интенсивной вибрации всей машины. Создание высокоэкономичных воздушных компрессоров представляет собой чрезвычайно сложную задачу, которую, в отличие от турбин, невозможно решить только расчетом и проектированием. Поскольку мощность компрессора равна примерно мощности ГТУ, то ухудшение экономичности компрессора на 1 % приводит к снижению экономичности всей ГТУ на 2—2,5 %. Поэтому создание хорошего компрессора является одной из ключевых проблем создания ГТУ. Обычно компрессоры создаются путем моделирования (масштабирования), используя модельный компрессор, созданный путем длительной экспериментальной доводки.
Рисунок 10 – ГТУ с одной выносной камерой сгорания Камеры сгорания ГТУ отличаются большим разнообразием. Выше на рисунке 4 показана ГТУ с двумя выносными камерами. На рисунке 10 показана ГТУ типа 13Е мощностью 140 МВт фирмы ABB с одной выносной камерой сгорания. Воздух из компрессора из кольцевого диффузора поступает в пространство между корпусом камеры и пламенной трубой и затем используется для горения газа и для охлаждения пламенной трубы.
Рисунок 11 – Внешний вид ГТУ на сборочном стенде завода Главный недостаток выносных камер сгорания - большие габариты, которые хорошо видны из рисунке 11. Справа от камеры размещается газовая турбина, слева - компрессор. Сверху в корпусе видны три отверстия для размещения антипомпажных клапанов и далее - привод ВНА. В современных ГТУ используют в основном встроенные камеры сгорания: кольцевые и трубчато-кольцевые.
Рисунок 12 – Встроенная кольцевая камера сгорания ГТУ На рисунке 12 показана встроенная кольцевая камера сгорания. Кольцевое пространство для горения образовано внутренней 17 и наружной 11 пламенными трубами. Изнутри трубы облицованы специальными вставками 13 и 16, имеющими термобарьерное покрытие со стороны, обращенной к пламени; с противоположной стороны вставки имеют оребрение, улучшающее их охлаждение воздухом, поступающим через кольцевые зазоры между вставками внутрь пламенной трубы. Таким образом, достигается температура пламенной трубы 750-800 °С в зоне горения. Фронтовое микрофакельное горелочное устройство камеры состоит из нескольких сотен горелок 10, к которым подается газ из четырех коллекторов 5-8. Отключая коллекторы поочередно можно изменять мощность ГТУ. Рисунок 13 – Горенка кольцевой камеры сгорания Устройство горелки показано на рисунке 13. Из коллектора газ поступает по сверлению в штоке 3 к внутренней полости лопаток 6 завихрителя. Последний представляет собой полые радиальные прямые лопатки, заставляющие воздух, поступающий из камеры сгорания, закручиваться и вращаться вокруг оси штока. В этот вращающийся воздушный вихрь поступает природный газ из внутренней полости лопаток завихрителя 6 через мелкие отверстия 7. При этом образуется однородная топливно-воздушная смесь, выходящая в виде закрученной струи из зоны 5. Кольцевой вращающийся вихрь обеспечивает устойчивое горение газа. На рисунке 9 показана трубчато-кольцевая камера сгорания ГТЭ-180. В кольцевое пространство 24 между выходной частью воздушного компрессора и входной частью газовой турбины с помощью перфорированных конусов 3 помещают 12 пламенных труб 10. Пламенная труба содержит многочисленные отверстия диаметром 1 мм, расположенные по кольцевым рядам на расстоянии 6 мм между ними; расстояние между рядами отверстий 23 мм. Через эти отверстия снаружи поступает «холодный» воздух, обеспечивая конвективно-пленочное охлаждение и температуру пламенной трубы не выше 850 °С. На внутреннюю поверхность пламенной трубы наносится термобарьерное покрытие толщиной 0,4 мм.
Рисунок 14 – Горелочный модуль трубчато-кольцевой камеры сгорания На фронтовой плите 8 пламенной трубы устанавливают горелочное устройство, состоящее из центральной пилотной горелки 6, поджигающей топливо при пуске с помощью свечи 5, и пяти основных модулей, один из которых показан на рисунке 14. Модуль позволяет сжигать газ и дизельное топливо. Газ через штуцер 1 после фильтра 6 поступает в кольцевой коллектор топливного газа 5, а из нее - в полости, содержащие мелкие отверстия (диаметр 0,7 мм, шаг 8 мм). Через эти отверстия газ поступает внутрь кольцевого пространства. В стенках модуля выполнено шесть тангенциальных пазов 9, через которые поступает основное количество воздуха, подаваемого для горения от воздушного компрессора. В тангенциальных пазах воздух закручивается и, таким образом, внутри полости 8 образуется вращающийся вихрь, движущийся к выходу из горелочного устройства. На периферию вихря через отверстия 3 поступает газ, смешивается с воздухом, и образовавшаяся гомогенная смесь выходит из горелки, где воспламеняется и сгорает. Продукты сгорания поступают к сопловому аппарату 1-й ступени газовой турбины. Газовая турбина является наиболее сложным элементом ГТУ, что обусловлено в первую очередь очень высокой температурой рабочих газов, протекающих через ее проточную часть: температура газов перед турбиной 1350 °С в настоящее время считается «стандартной», и ведущие фирмы, в первую очередь General Electric, работают над освоением начальной температуры 1500 °С. Напомним, что «стандартная» начальная температура для паровых турбин составляет 540 °С, а в перспективе — температура 600-620 °С.
Рисунок 15 – Повышение КПД реальных ГТУ в связи с ростом температуры перед газовой турбиной Стремление повысить начальную температуру связано, прежде всего, с выигрышем в экономичности, который она дает. Это хорошо видно из рисунка 15, обобщающего достигнутый уровень газотурбостроения: повышение начальной температуры с 1100 до 1450 °С дает увеличение абсолютного КПД с 32 до 40 %, т.е. приводит к экономии топлива в 25 %. Конечно, часть этой экономии связана не только с повышением температуры, но и с совершенствованием других элементов ГТУ, а определяющим фактором все-таки является начальная температура. Для обеспечения длительной работы газовой турбины используют сочетание двух средств. Первое средство - применение для наиболее нагруженных деталей жаропрочных материалов, способных сопротивляться действию высоких механических нагрузок и температур (в первую очередь для сопловых и рабочих лопаток). Если для лопаток паровых турбин и некоторых других элементов применяются стали (т.е. сплавы на основе железа) с содержанием хрома 12-13 %, то для лопаток газовых турбин используют сплавы на никелевой основе (нимоники), которые способны при реально действующих механических нагрузках и необходимом сроке службы выдержать температуру 800 -850 °С. Поэтому вместе с первым используют второе средство - охлаждение наиболее горячих деталей. Для охлаждения большинства современных ГТУ используется воздух, отбираемый из различных ступеней воздушного компрессора. Уже работают ГТУ, в которых для охлаждения используется водяной пар, который является лучшим охлаждающим агентом, чем воздух. Охлаждающий воздух после нагрева в охлаждаемой детали сбрасывается в проточную часть газовой турбины. Такая система охлаждения называется открытой. Существуют замкнутые системы охлаждения, в которых нагретый в детали охлаждающий агент направляется в холодильник и затем снова возвращается для охлаждения детали. Такая система не только весьма сложна, но и требует утилизации тепла, отбираемого в холодильнике. Система охлаждения газовой турбины — самая сложная система в ГТУ, определяющая ее срок службы. Она обеспечивает не только поддержание допустимого уровня рабочих и сопловых лопаток, но и корпусных элементов, дисков, несущих рабочие лопатки, запирание уплотнений подшипников, где циркулирует масло и т.д. Эта система чрезвычайно сильно разветвлена и организуется так, чтобы каждый охлаждаемый элемент получал охлаждающий воздух тех параметров и в том количестве, который необходим для поддержания его оптимальной температуры. Излишнее охлаждение деталей так же вредно, как и недостаточное, так как оно приводит к повышенным затратам охлаждающего воздуха, на сжатие которого в компрессоре затрачивается мощность турбины. Кроме того, повышенные расходы воздуха на охлаждение приводят к снижению температуры газов за турбиной, что очень существенно влияет на работу оборудования, установленного за ГТУ (например, паротурбинной установки, работающей в составе ПТУ). Наконец, система охлаждения должна обеспечивать не только необходимый уровень температур деталей, но и равномерность их прогрева, исключающую появление опасных температурных напряжений, циклическое действие которых приводит к появлению трещин. studfiles.net Газотурбинные установки введениеНа первых этапах развития ГТУ для сжигания топлива применяли два типа камер сгорания. В камеру сгорания первого типа топливо и окислитель (воздух) подавались непрерывно, их горение также поддерживалось непрерывно, а давление не изменялось. В камеру сгорания, второго типа топливо и окислитель (воздух) подавались порциями. Смесь поджигалась и сгорала в замкнутом объеме, а затем продукты сгорания поступали в турбину. В такой камере сгорания температура и давление не постоянны: они резко увеличиваются в момент сгорания топлива. Со временем выявились несомненные преимущества камер сгорания первого типа. Поэтому в современных ГТУ топливо в большинстве случаев сжигают при постоянном давлении в камере сгорания. Первые ГТУ имели низкий КПД, так как газовые турбины и компрессоры были несовершенны. По мере совершенствования этих агрегатов увеличивался КПД газотурбинных установок, и они становились конкурентоспособными по отношению к другим видам тепловых двигателей. В настоящее время газотурбинные установки являются основным видом двигателей, используемых в авиации, что обусловлено простотой их конструкции, способностью быстро набирать нагрузку, большой мощностью при малой массе, возможностью полной автоматизации управления. Самолет с газотурбинным двигателем впервые совершил полет в 1941 г. В энергетике ГТУ работают в основном в то время, когда резко увеличивается потребление электроэнергии, т. е. во время пиков нагрузки. Хотя КПД ГТУ ниже кпд паротурбинных установок (при мощности 20—100 МВт КПД ГТУ достигает 20—30%), использование их в пиковом режиме оказывается выгодным, так как пуск занимает гораздо меньше времени. В некоторых пиковых ГТУ в качестве источников газа для турбины, вращающей электрический генератор, применяют авиационные турбореактивные двигатели, отслужившие свой срок в авиации. Наряду с двигателями внутреннего сгорания ГТУ применяют в качестве основных двигателей на передвижных электростанциях. В технологических процессах нефтеперегонных и химических производств горючие отходы используются в качестве топлива для газовых турбин. Газотурбинные установки находят также широкое применение на железнодорожном, морском, речном и автомобильном транспорте. Так, на быстроходных судах на подводных крыльях и воздушной подушке ГТУ являются двигателями. На большегрузных автомобилях они могут использоваться в качестве как основного, так и вспомогательного двигателя, предназначенного для подачи воздуха в основной двигатель внутреннего сгорания и работающего на его выхлопных газах. Кроме того, ГТУ служат приводом нагнетателей природного газа на магистральных газопроводах, резервных электрогенераторов пожарных насосов. ! Основное направление, по которому развивается газотурбиностроение, это повышение экономичности ГТУ за счет увеличения температуры и давления газа перед газовой турбиной. С этой целью разрабатываются сложные системы охлаждения наиболее напряженных деталей турбин или применяются новые, высокопрочные материалы — жаропрочные на основе никеля, керамика и др. Газотурбинные установки обычно надежны и просты в эксплуатации при условии строгого соблюдения установленных правил и режимов работы, отступление от которых может вызвать разрушение турбин, поломку компрессоров, взрывы в камерах сгорания и др. studfiles.net ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ГАЗОТУРБИННЫХ УСТАНОВКАХ — МегаобучалкаГАЗОТУРБИННЫЕ УСТАНОВКИ
ВВЕДЕНИЕ
На первых этапах развития ГТУ для сжигания топлива применяли два типа камер сгорания. В камеру сгорания первого типа топливо и окислитель (воздух) подавались непрерывно, их горение также поддерживалось непрерывно, а давление не изменялось. В камеру сгорания, второго типа топливо и окислитель (воздух) подавались порциями. Смесь поджигалась и сгорала в замкнутом объеме, а затем продукты сгорания поступали в турбину. В такой камере сгорания температура и давление не постоянны: они резко увеличиваются в момент сгорания топлива. Со временем выявились несомненные преимущества камер сгорания первого типа. Поэтому в современных ГТУ топливо в большинстве случаев сжигают при постоянном давлении в камере сгорания. Первые ГТУ имели низкий КПД, так как газовые турбины и компрессоры были несовершенны. По мере совершенствования этих агрегатов увеличивался КПД газотурбинных установок, и они становились конкурентоспособными по отношению к другим видам тепловых двигателей. В настоящее время газотурбинные установки являются основным видом двигателей, используемых в авиации, что обусловлено простотой их конструкции, способностью быстро набирать нагрузку, большой мощностью при малой массе, возможностью полной автоматизации управления. Самолет с газотурбинным двигателем впервые совершил полет в 1941 г. В энергетике ГТУ работают в основном в то время, когда резко увеличивается потребление электроэнергии, т. е. во время пиков нагрузки. Хотя КПД ГТУ ниже кпд паротурбинных установок (при мощности 20—100 МВт КПД ГТУ достигает 20—30%), использование их в пиковом режиме оказывается выгодным, так как пуск занимает гораздо меньше времени. В некоторых пиковых ГТУ в качестве источников газа для турбины, вращающей электрический генератор, применяют авиационные турбореактивные двигатели, отслужившие свой срок в авиации. Наряду с двигателями внутреннего сгорания ГТУ применяют в качестве основных двигателей на передвижных электростанциях. В технологических процессах нефтеперегонных и химических производств горючие отходы используются в качестве топлива для газовых турбин. Газотурбинные установки находят также широкое применение на железнодорожном, морском, речном и автомобильном транспорте. Так, на быстроходных судах на подводных крыльях и воздушной подушке ГТУ являются двигателями. На большегрузных автомобилях они могут использоваться в качестве как основного, так и вспомогательного двигателя, предназначенного для подачи воздуха в основной двигатель внутреннего сгорания и работающего на его выхлопных газах. Кроме того, ГТУ служат приводом нагнетателей природного газа на магистральных газопроводах, резервных электрогенераторов пожарных насосов. ! Основное направление, по которому развивается газотурбиностроение, это повышение экономичности ГТУ за счет увеличения температуры и давления газа перед газовой турбиной. С этой целью разрабатываются сложные системы охлаждения наиболее напряженных деталей турбин или применяются новые, высокопрочные материалы — жаропрочные на основе никеля, керамика и др. Газотурбинные установки обычно надежны и просты в эксплуатации при условии строгого соблюдения установленных правил и режимов работы, отступление от которых может вызвать разрушение турбин, поломку компрессоров, взрывы в камерах сгорания и др.
ОСНОВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ГАЗОТУРБИННЫХ УСТАНОВОК
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ГАЗОТУРБИННЫХ УСТАНОВКАХ
Газотурбинный двигатель (ГТД) — один из видов теплового двигателя, в котором газ сжимается и нагревается, а затем энергия сжатого и нагретого газа преобразуется в механическую работу на валу газовой турбины. Газотурбинная установка состоит из трех основных элементов: газовой турбины, камер сгорания и воздушного компрессора. Превращение теплоты в работу осуществляется в нескольких агрегатах ГТД (рис.1)
Рис. 1. Схема газотурбинного двигателя:
ТН – топливный насос; КС – камера сгорания; К – компрессор; Т – турбина; ЭГ – электрогенератор.
В камеру сгорания топливным насосом подаются топливо и сжатый воздух после компрессора. Топливо перемешивается с воздухом, который служит окислителем, поджигается и сгорает. Чистые продукты сгорания также смешиваются с воздухом, чтобы температура газа, получившегося после смешения, не превышала заданного значения. Из камер сгорания газ поступает в газовую турбину, которая предназначена для преобразования его потенциальной энергии в механическую работу. Совершая работу, газ остывает и давление его уменьшается до атмосферного. Из газовой турбины газ выбрасывается в окружающую среду. Из атмосферы в компрессор поступает чистый воздух. В компрессоре его давление увеличивается и температура растет. На привод компрессора приходится отбирать значительную часть мощности турбины. Газотурбинные установки, работающие по такой схеме, называют установками открытого цикла. Большинство современных ГТУ работает по этой схеме. Рис. 2. Цикл газотурбинного двигателя.
Заменив сгорание топлива изобарным подводом теплоты (линия 2-3 на рис. 2), а охлаждение выброшенных в атмосферу продуктов сгорания – изобарным отводом теплоты (линия 1-4), получается цикл ГТД: 1-2 – сжатие рабочего тела от атмосферного давления до давления в двигателе; 2-3 – горение в камере; 3-4 – процесс адиабатного расширения рабочего тела; 4-1 – отработанные газы выбрасываются в атмосферу
Кроме того, применяются замкнутые ГТУ (рис. 3). В замкнутых ГТУ также имеются компрессор 3 и турбина 2. Вместо камеры сгорания используется источник теплоты 1, в котором теплота передается рабочему телу без перемешивания с топливом. В качестве рабочего тела может применяться воздух, углекислый газ, пары ртути или другие газы. Рабочее тело, давление которого повышено в компрессоре, в источнике теплоты 1нагревается и поступает в турбину 2, в которой отдает свою энергию. После турбины газ поступает в промежуточный теплообменник 5 (регенератор), в котором он подогревает воздух, а затем охлаждается в охладителе 4, поступает в компрессор 3, и цикл повторяется, В качестве источника теплоты могут использоваться специальные котлы для нагрева рабочего-тела энергией сжигаемого топлива или атомные реакторы. Рис. 3. Схема газотурбинного двигателя, работающего по замкнутому циклу: 1 — поверхностный нагреватель; 2 — турбина; 3 — компрессор; 4 — охладитель; 5 — регенератор; 6 — аккумулятор воздуха; 7 — вспомогательный компрессор.
megaobuchalka.ru Газотурбинная установка (ГТУ) | ЭлектростанцииГазотурбинная установка (ГТУ) - энергетическая установка: конструктивно объединённая совокупность газовой турбины, электрического генератора, газовоздушного тракта, системы управления и вспомогательных устройств: пусковое устройство, компрессор, теплообменный аппарат или котёл-утилизатор для подогрева сетевой воды для промышленного снабжения.Выходящие из турбины отработанные газы в зависимости от потребностей Заказчика используются для производства горячей воды или пара. Газотурбинная установка состоит из 2-х основных частей: силовая турбина и генератор, которые размещаются в одном корпусе. Поток газа высокой температуры воздействует на лопатки силовой турбины (создает крутящий момент). Использование тепла посредством теплообменника или котла-утилизатора обеспечивает увеличение общего КПД установки.ГТУ может работать как на жидком, так и на газообразном топливе в обычном рабочем режиме - на газе, а в резервном (аварийном) - автоматически переключается на дизельное топливо. Электрическая мощность газотурбинных энергоустановок колеблется от 10-ков кВт до 10-ков МВт. Оптимальным режимом работы газотурбинной установки является комбинированная выработка тепловой и электрической энергии. Наибольший КПД достигается при работе в режиме когенерации (одновременная выработка тепловой и электрической энергии) или тригенерации (одновременная выработка тепловой, электрической энергии и энергии холода). Электрический КПД современных газотурбинных установок составляет 33-39%. С учетом высокой температуры выхлопных газов в мощных ГТУ комбинированное использование газовых и паровых турбин позволяет повысить эффективность использования топлива и увеличивает электрический КПД установок до 57-59%. ГТУ в энергетике работают как в базовом режиме, так и для покрытия пиковых нагрузок.В настоящее время газотурбинные установки начали широко применяться в малой энергетикеГТУ предназначены для эксплуатации в любых климатических условиях как основной или резервный источник электроэнергии и тепла для объектов производственного или бытового назначения. Области применения газотурбинных установок практически не ограничены: нефтегазодобывающая промышленность, промышленные предприятия, муниципальные образования.Блочно-модульное исполнение ГТУ обеспечивает высокий уровень заводской готовности газотурбинных электростанций. Степень автоматизации газотурбинной электростанции позволяет отказаться от постоянного присутствия обслуживающего персонала в блоке управления. Контроль работы станции может осуществляться с главного щита управления, дистанционно. Возможность получения недорогой тепловой и электрической энергии предполагает быструю окупаемость поставленной газотурбинной установки. Газотурбинная установка может работать как на газообразном, так и на жидком топливе. Так, в газотурбинных установках может использоваться: Дизельное топливо Керосин Природный газ Попутный нефтяной газ Биогаз (образованный из отходов сточных вод, мусорных свалок и т.п.) Шахтный газ Коксовый газ Древесный газ и др. Большинство газотурбинных установок могут работать на низкокалорийных топливах с минимальной концентрацией метана (до 30%). Преимуществом при использовании ГТУ непосредственно в местах проживания людей, является то, что содержание вредных выбросов у них минимально и находится на уровне 9-25 ppm. Этот критерий ГТУ значительно лучше, чем у поршневых электростанций. При использовании ГТУ потребитель может получить существенную экономию средств на катализаторах и при строительстве дымовых труб. neftegaz.ru Газотурбинные установки (ГТУ) | Энергия ПлюсВ настоящее время в России действует несколько тысяч ТЭЦ и ГРЭС, а также более 66 тысяч котельных, которые дают практически 80% вырабатываемого тепла. В этом плане, Россия является безусловным мировым лидером по объемам централизованного теплоснабжения. Заметим, что по части централизации Россия является мировым лидером не только в области энергетики. Однако экспертами отмечаются неэффективность использования газа на устаревших агрегатах, а также низкий уровень КПД традиционных паросиловых турбин, который не превышает 38%. В централизованных сетях тепло производится большей частью на оборудовании прошлых поколений, избыток же тепла «греет» воздух. Наиболее актуальным является переход на новые небольшие объекты с применением современных газовых турбин, обеспечивающих когенерацию. В развитых странах увеличивается доля установок малой энергетики с когенерационным циклом, позволяющим оптимизировать выработку тепла и электроэнергии социальной и промышленной инфраструктуры, а также обеспечить эффективное энергосбережение. Например, в США и Великобритании доля когенерации в малой энергетике достигает 80%, в Нидерландах – 70%, в Германии – 50%. За рубежом этот процесс активно поддерживается государством и через законодательное регулирование, и посредством бюджетного финансирования. Основой экономической эффективности газотурбинных когенеративных энергетических установок является их высокая электрическая и тепловая экономичность, достигаемая за счет базового режима их работы на тепловом потреблении (отопление, горячее водоснабжение, отпуск тепла для производственных нужд). Газотурбинные установки получили в настоящее время признание в энергетике, как полностью освоенное, надежное оборудование. Эксплуатационные показатели ГТУ на электростанциях находятся на том же уровне, что и традиционное энергетическое оборудование. Для них характерна готовность к работе в течение 90% календарного времени, 2 – 3 летний ремонтный цикл, безотказность пусков 95 – 97%. Малый удельный вес, компактность, простота транспортировки и легкость монтажа являются одними из основных достоинств газотурбинных установок, наиболее привлекательным с точки зрения их использования. К преимуществам ГТУ также относятся короткие сроки строительства, повышение надежности тепло и электроснабжения потребителей, минимальные объемы вредных выбросов в окружающую среду, снижение инерционности теплового регулирования и потерь в тепловых сетях, относительно сетей подключенных к крупным РТС и ТЭЦ. Описание газотурбинной технологии. Основой ГТУ является газогенератор, служащий источником сжатых горячих продуктов сгорания для привода силовой турбины. Газогенератор состоит из компрессора, камеры сгорания и турбины привода компрессора. В компрессоре сжимается атмосферный воздух, который поступает в камеру сгорания, где в него через форсунки подается топливо (обычно газ), затем происходит сгорание топлива в потоке воздуха. Продукты сгорания подаются на турбину компрессора и силовую турбину (при одновальном варианте компрессор и силовая турбина объеденены). Мощность, развиваемая силовой турбиной, существенно превышает мощность, потребляемую компрессором на сжатие воздуха, а также преодоление трения в подшипниках и мощность, затрачиваемую на привод вспомогательных агрегатов.
Пар или горячая вода от котла-утилизатора могут передаваться непосредственно к тепловому потребителю. Электрический КПД современных газотурбинных установок составляет 33–39%. Однако с учетом высокой температуры выхлопных газов в мощных газотурбинных установках имеется возможность комбинированного использования газовых и паровых турбин. Такой инженерный подход позволяет существенно повысить эффективность использования топлива и увеличивает электрический КПД установок до 57–59%. Достоинствами газотурбинных установок являются малый удельный вес, компактность, простота транспортировки и легкость монтажа. Допускается монтаж ГТУ на техническом этаже здания или крышное расположение маломощных газотурбинных установок. Это полезное свойство ГТУ является важным фактором в городской застройке. При эксплуатации газотурбинных установок содержание вредных выбросов NOх и CO в выхлопных газах у них минимально. Такие отличные экологические качества позволяют без проблем размещать газотурбинные установки в непосредственной близости от проживания людей. Вдобавок ГТУ небольшой мощности обычно поставляются в виде одного или нескольких блоков полной заводской готовности, требующих небольшого объема монтажных работ, а их сравнительно небольшие размеры позволяют их устанавливать в условиях стесненного генерального плана. Отсюда и относительная дешевизна строительных и монтажных работ.
Однако, производители накладывают жесткие ограничения на продолжительность таких режимов, допуская работу с превышением начальной температуры не более нескольких сотен часов. Нарушение этих ограничений заметно снижает ресурс установки. Тем не менее, при внедрении энергетических газотурбинных установок есть и сложности. Это, прежде всего, необходимость предварительного сжатия газового топлива, что заметно удорожает производство энергии особенно для малых ГТУ и в ряде случаев является существенным препятствием на пути их внедрения в энергетику. Для современных ГТУ с высокими степенями сжатия воздуха, необходимое давление топливного газа может превышать 25-30 кг/см2. Другим существенным недостатком ГТУ является резкое падение КПД при снижении нагрузки. Срок службы ГТУ значительно меньше, чем у других энергетических установок и находится обычно в интервале 45-125 тыс. часов. Исторически сложилось так, что пионерами в освоении газотурбинной технологии являлись создатели двигателей для кораблей и самолетов. Поэтому, в настоящее время, они накопили наибольший опыт в этой области и являются наиболее квалифицированными специалистами. В России, ведущие позиции в изготовлении газотурбинных энергетических установок занимают компании, разрабатывающие и изготовляющие авиационные газотурбинные двигатели и газотурбинные установки, созданные специально для энергетического использования. xn--c1adkmgpem4hrai.xn--p1ai |
|
|||||||||||||||||
|
|
|||||||||||||||||
|
Использование локальных систем производства электрической и тепловой энергии с использованием газотурбинных энергетических установок (ГТУ), работающих на природном газе или пропане является одним из возможных решений данной задачи. В связи с этим, наметилась тенденция на строительство децентрализованных комбинированных источников электро- и теплоснабжения (так называемый режим когенерации), устанавливаемых как в существующих отопительных котельных, так и на вновь строящихся источниках тепла.
Разница между этими величинами представляет собой полезную мощность ГТУ. На валу турбины расположен турбогенератор (электрический генератор). Отработанные в газотурбинном приводе газы через выхлопное устройство и шумоглушитель уходят в дымовую трубу. Возможна утилизация тепла выхлопных газов, когда отработанные газы поступают в котел-утилизатор, в котором происходит выработка тепловой энергии в виде пара и/или горячей воды.
Газотурбинные установки имеют незначительные вибрации и шумы в пределах 65–75 дБ (что соответствует по шкале уровня шума звуку пылесоса на расстоянии 1 метр). Как правило, специальная звуковая изоляция для подобного высокотехнологичного генерационного оборудования не нужна. Современные газотурбинные установки отличаются высокой надежностью. Есть данные о непрерывной работе некоторых агрегатов в течение нескольких лет. Многие поставщики газовых турбин производят капитальный ремонт оборудования на месте, производя замену отдельных узлов без транспортировки на завод - изготовитель, что существенно снижает затраты на обслуживание агрегата. Большинство газотурбинных установок обладают возможностью к перегрузке, т.е. увеличению мощности выше номинальной. Достигается это путем повышения температуры рабочего тела.
