Энергетикалық газ турбиналы қондырғылар. Газтурбиналық қондырғылардың циклдері

2024 Автор: Howard Calhoun | [email protected]. Соңғы өзгертілген: 2023-12-17 10:33

Газтурбиналық қондырғылар (ГТП) біртұтас, салыстырмалы түрде ықшам қуат кешені болып табылады, онда қуат турбинасы мен генератор жұптасып жұмыс істейді. Жүйе шағын электр энергетикасы деп аталатын салаларда кеңінен тарады. Ірі кәсіпорындарды, шалғай елді мекендерді және басқа тұтынушыларды электрмен және жылумен қамтамасыз ету үшін тамаша. Әдетте, газ турбиналары сұйық отынмен немесе газбен жұмыс істейді.

Прогресстің шетінде

Электр станцияларының энергетикалық қуатын арттыруда жетекші рөл газтурбиналық қондырғыларға және олардың одан әрі эволюциясы – құрама циклді қондырғыларға (ККТ) беріледі. Осылайша, АҚШ-тың электр станцияларында 1990 жылдардың басынан бері іске қосылған және жаңартылған қуаттардың 60%-дан астамы газ турбиналары мен аралас циклді қондырғылар болды, ал кейбір елдерде олардың үлесі кейбір жылдары 90%-ға жетті.

Қарапайым газ турбиналары да көптеп салынған. Газ турбиналық қондырғы – жылжымалы, пайдалану үнемді және жөндеуге оңай – ең жоғары жүктемелерді жабу үшін оңтайлы шешім болып шықты. Ғасырлар тоғысында (1999-2000 ж.) жалпы қуаттылықгазтурбиналық қондырғылар 120 000 МВт-қа жетті. Салыстыру үшін: 1980 жылдары осы типтегі жүйелердің жалпы қуаты 8000-10000 МВт болды. Газ турбиналарының едәуір бөлігі (60%-дан астамы) орташа қуаты шамамен 350 МВт болатын ірі бинарлы аралас циклді қондырғылардың бөлігі ретінде жұмыс істеуге арналған.

Тарихи дерек

Біріктірілген циклдік технологияларды қолданудың теориялық негіздері біздің елімізде 60-жылдардың басында жеткілікті түрде егжей-тегжейлі зерттелді. Жылу энергетикасын дамытудың жалпы жолы біріктірілген циклдік технологиялармен дәл байланысты екені сол кезде-ақ белгілі болды. Дегенмен, оларды сәтті жүзеге асыру үшін сенімді және жоғары тиімді газтурбиналық қондырғылар қажет болды.

Жылуэнергетикадағы заманауи сапалы секірісті анықтаған газ турбиналық құрылыстағы елеулі прогресс болды. Бірқатар шетелдік фирмалар тиімді стационарлық газ турбиналарын құру мәселесін командалық экономикадағы отандық жетекші жетекші ұйымдар келешегі аз бу турбиналық технологияларды (STP) ілгерілетіп жатқан кезде сәтті шешті.

Егер 60-шы жылдары газтурбиналық қондырғылардың ПӘК 24-32% деңгейінде болса, 80-жылдардың аяғында ең жақсы стационарлық қуатты газ турбиналық қондырғылардың ПӘК (автономды пайдалану кезінде) 36-37 болды. %. Бұл олардың негізінде тиімділігі 50%-ға жеткен CCGT құруға мүмкіндік берді. Жаңа ғасырдың басында бұл көрсеткіш 40%-ға тең болды, ал аралас циклді газ-циклдік қондырғылармен бірге ол тіпті 60%-ды құрады.

Бу турбинасын салыстыружәне аралас циклді қондырғылар

Газ турбиналарына негізделген аралас циклді қондырғыларда 65% немесе одан да көп тиімділікті алу жақын және нақты перспектива болды. Сонымен қатар, бу турбиналық қондырғылар үшін (КСРО-да жасалған) аса критикалық буды өндіруге және пайдалануға байланысты бірқатар күрделі ғылыми мәселелер сәтті шешілген жағдайда ғана 46-дан аспайтын тиімділікке үміттенуге болады. 49%. Осылайша, тиімділік тұрғысынан бу турбиналық жүйелер аралас цикл жүйелерінен үмітсіз түрде төмен.

Құны мен құрылыс уақыты жағынан да бу турбиналы электр станцияларынан айтарлықтай төмен. 2005 жылы дүниежүзілік энергетикалық нарықта қуаты 200 МВт және одан жоғары CCGT қондырғысының 1 кВт бағасы 500-600 доллар/кВт құрады. Кішірек қуаттылықтағы CCGT үшін құны $600-900/кВт диапазонында болды. Қуатты газ турбиналық қондырғылар 200-250 $/кВт мәндеріне сәйкес келеді. Бірлік қуатының төмендеуімен олардың бағасы өседі, бірақ әдетте $ 500 / кВт-тан аспайды. Бұл мәндер бу турбиналық жүйелердегі бір киловатт электр энергиясының құнынан бірнеше есе аз. Мысалы, конденсациялық бу турбиналы электр станцияларында орнатылған киловатттың бағасы 2000-3000 $/кВт аралығында болады.

Газтурбиналық қондырғының схемасы

Орнату үш негізгі блокты қамтиды: газ турбинасы, жану камерасы және ауа компрессоры. Сонымен қатар, барлық қондырғылар құрастырмалы бір ғимаратта орналасқан. Компрессор мен турбина роторлары бір-бірімен берік жалғанған, мойынтіректермен бекітілген.

Жану камералары (мысалы, 14 дана) компрессордың айналасына әрқайсысы жеке корпуста орналастырылған. Қабылдау үшінАуа компрессоры кіріс құбыры ретінде қызмет етеді, ауа шығару құбыры арқылы газ турбинасынан шығады. Газ турбинасы корпусы бір жақтауға симметриялы түрде орналастырылған қуатты тіректерге негізделген.

Жұмыс принципі

Газтурбиналық қондырғылардың көпшілігі үздіксіз жану немесе ашық цикл принципін пайдаланады:

• Біріншіден, жұмыс сұйықтығы (ауа) сәйкес компрессор арқылы атмосфералық қысыммен айдалады.
• Одан әрі ауа жоғарырақ қысымға дейін сығылып, жану камерасына жіберіледі.
• Ол отынмен қамтамасыз етіледі, ол тұрақты қысыммен жанып, тұрақты жылу беруді қамтамасыз етеді. Жанармайдың жануына байланысты жұмыс сұйықтығының температурасы артады.
• Содан кейін жұмыс сұйықтығы (қазір ол ауа мен жану өнімдерінің қоспасы болып табылатын газ болып табылады) газ турбинасына түседі, онда атмосфералық қысымға дейін кеңейіп, пайдалы жұмыс жасайды (генерациялайтын турбинаны айналдырады) электр қуаты).
• Турбинадан кейін газдар атмосфераға шығарылады, ол арқылы жұмыс циклі жабылады.
• Турбина мен компрессор жұмысының арасындағы айырмашылық турбина мен компрессормен ортақ білікке орналасқан электр генераторы арқылы қабылданады.

Үзіліссіз жану қондырғылары

Алдыңғы конструкциядан айырмашылығы, үзіліссіз жану бір емес, екі клапанды пайдаланады.

• Компрессор екінші клапан жабық кезде бірінші клапан арқылы жану камерасына ауаны күштеп жібереді.
• Жану камерасындағы қысым көтерілген кезде бірінші клапан жабылады. Нәтижесінде камераның көлемі жабылады.
• Клапандар жабылған кезде камерада отын жағылады, табиғи түрде оның жануы тұрақты көлемде жүреді. Нәтижесінде жұмыс сұйықтығының қысымы одан әрі артады.
• Содан кейін екінші клапан ашылып, жұмыс сұйықтығы газ турбинасына түседі. Бұл жағдайда турбинаның алдындағы қысым бірте-бірте төмендейді. Атмосфераға жақындағанда, екінші клапанды жабу керек, ал біріншісін ашып, әрекеттер тізбегін қайталау керек.

Газ турбиналық циклдер

Бір немесе басқа термодинамикалық циклді іс жүзінде жүзеге асыруға жүгінсек, дизайнерлер көптеген еңсерілмейтін техникалық кедергілерге тап болады. Ең тән мысал: будың ылғалдылығы 8-12%-дан жоғары болғанда бу турбинасы ағынының жолындағы ысыраптар күрт артып, динамикалық жүктемелер артып, эрозия пайда болады. Бұл, сайып келгенде, турбинаның ағын жолының бұзылуына әкеледі.

Энергия секторындағы осы шектеулердің нәтижесінде (жұмысқа орналасу үшін) осы уақытқа дейін тек екі негізгі термодинамикалық цикл кеңінен қолданылады: Рэнкин циклі және Брейтон циклі. Көптеген электр станциялары осы циклдар элементтерінің жиынтығына негізделген.

Рэнкин циклі циклді жүзеге асыру кезінде фазалық ауысуды жүзеге асыратын жұмыс сұйықтықтары үшін пайдаланылады; бу электр станциялары осы циклге сәйкес жұмыс істейді. Нақты жағдайларда конденсацияланбайтын және біз газдар деп атайтын жұмыс сұйықтары үшін Брейтон циклі қолданылады. Осы цикл арқылыгаз турбиналық қондырғылар мен іштен жанатын қозғалтқыштар жұмыс істейді.

Қолданылған отын

Газ турбиналарының басым көпшілігі табиғи газбен жұмыс істеуге арналған. Кейде сұйық отын аз қуатты жүйелерде қолданылады (аз жиі – орташа, өте сирек – жоғары қуатты). Жаңа тенденция - ықшам газ турбиналық жүйелерді қатты жанғыш материалдарды (көмір, сирек шымтезек және ағаш) пайдалануға көшу. Бұл тенденциялар газдың химия өнеркәсібі үшін құнды технологиялық шикізат болып табылатындығына байланысты, оны пайдалану энергетикалық секторға қарағанда жиі тиімдірек. Қатты отынмен тиімді жұмыс істеуге қабілетті газ турбиналық қондырғыларды өндіру белсенді қарқын алуда.

ICE және GTU арасындағы айырмашылық

Іштен жанатын қозғалтқыштар мен газтурбиналық кешендердің негізгі айырмашылығы келесідей. Іштен жанатын қозғалтқышта ауаны қысу, отынның жану және жану өнімдерінің кеңею процестері қозғалтқыш цилиндрі деп аталатын бір құрылымдық элементтің ішінде жүреді. Газ турбиналарында бұл процестер жеке құрылымдық блоктарға бөлінеді:

• сығу компрессорда жүзеге асырылады;
• отынның сәйкесінше арнайы камерада жануы;
• жану өнімдерін кеңейту газ турбинасында жүзеге асырылады.

Нәтижесінде, газ турбиналары мен іштен жану қозғалтқыштары ұқсас термодинамикалық циклдерге сәйкес жұмыс істегенімен құрылымдық жағынан ұқсастықтары шамалы.

Қорытынды

Шағын көлемді электр энергиясын өндірудің дамуымен оның тиімділігін арттырумен GTP және STP жүйелері жалпы электр энергиясының өсіп келе жатқан үлесін алады.әлемнің энергетикалық жүйесі. Тиісінше, газтурбиналық қондырғының операторының келешегі бар кәсібі сұранысқа ие. Батыс серіктестерінен кейін бірқатар ресейлік өндірушілер үнемді газ турбиналық қондырғыларды шығаруды игерді. Санкт-Петербордағы «Северо-Западная» ЖЭО Ресейдегі жаңа буынның алғашқы құрама циклді электр станциясы болды.