Definícia parnej a plynovej turbíny. O plynových turbínach pre neinžinierov. Aký môže byť počet štartov plynových piestových jednotiek

Princíp činnosti zariadení s plynovou turbínou

Obr.1. Schéma agregátu plynovej turbíny s jednohriadeľovým motorom s plynovou turbínou jednoduchého cyklu

Kompresor (1) pohonnej jednotky plynovej turbíny je dodávaný s čerstvý vzduch. Pod vysokým tlakom je vzduch z kompresora privádzaný do spaľovacej komory (2), kde je dodávané aj hlavné palivo, plyn. Zmes sa zapáli. Pri spaľovaní zmesi plynu a vzduchu vzniká energia vo forme prúdu horúcich plynov. Tento prúd sa vysokou rýchlosťou rúti k turbínovému kolesu (3) a roztáča ho. Rotačná kinetická energia cez hriadeľ turbíny poháňa kompresor a elektrický generátor (4). Zo svoriek generátora elektrickej energie sa vyrobená elektrina, zvyčajne cez transformátor, posiela do elektrickej siete spotrebiteľom energie.

Plynové turbíny sú opísané Braytonovým termodynamickým cyklom Brayton/Jouleov cyklus je termodynamický cyklus, ktorý popisuje pracovné procesy plynových turbín, prúdových a náporových spaľovacích motorov, ako aj plynových turbínových motorov s vonkajším spaľovaním s uzavretou slučkou plynného (jednofázová) pracovná kvapalina.

Cyklus je pomenovaný po americkom inžinierovi Georgovi Brightonovi, ktorý vynašiel piestový spaľovací motor, ktorý pracoval na tomto cykle.

Niekedy sa tento cyklus nazýva aj Jouleov cyklus – na počesť anglického fyzika Jamesa Jouleho, ktorý zaviedol mechanický ekvivalent tepla.

Obr.2. Diagram P,V Braytonovho cyklu

Ideálny Braytonov cyklus pozostáva z procesov:

• 1-2 Izentropická kompresia.
• 2-3 Izobarický tepelný príkon.
• 3-4 Izentropická expanzia.
• 4-1 Izobarický odvod tepla.

Berúc do úvahy rozdiely medzi skutočnými adiabatickými procesmi expanzie a kontrakcie od izoentropických, je skonštruovaný skutočný Braytonov cyklus (1-2p-3-4p-1 na T-S diagrame) (obr. 3).

Obr.3. T-S graf Brightonský cyklus
Ideálne (1-2-3-4-1)
Skutočné (1-2p-3-4p-1)

Tepelná účinnosť ideálneho Braytonovho cyklu sa zvyčajne vyjadruje vzorcom:

• kde P = p2 / p1 - stupeň zvýšenia tlaku v procese izentropickej kompresie (1-2);
• k - adiabatický index (pre vzduch rovný 1,4)

Zvlášť treba poznamenať, že tento všeobecne uznávaný spôsob výpočtu účinnosti cyklu zakrýva podstatu prebiehajúceho procesu. Limitná účinnosť termodynamického cyklu sa vypočíta pomocou teplotného pomeru pomocou Carnotovho vzorca:

• kde T1 je teplota chladničky;
• T2 - teplota ohrievača.

Presne rovnaký teplotný pomer možno vyjadriť pomocou tlakových pomerov použitých v cykle a adiabatického indexu:

Účinnosť Braytonovho cyklu teda závisí od počiatočných a konečných teplôt cyklu presne rovnakým spôsobom ako účinnosť Carnotovho cyklu. S nekonečne malým ohrevom pracovnej tekutiny pozdĺž línie (2-3) možno tento proces považovať za izotermický a úplne ekvivalentný Carnotovmu cyklu. Množstvo ohrevu pracovnej tekutiny T3 v izobarickom procese určuje množstvo práce súvisiacej s množstvom pracovnej tekutiny použitej v cykle, ale žiadnym spôsobom neovplyvňuje tepelnú účinnosť cyklu. Pri praktickej realizácii cyklu sa však ohrev zvyčajne vykonáva na najvyššie možné hodnoty obmedzené tepelnou odolnosťou použitých materiálov, aby sa minimalizovala veľkosť mechanizmov, ktoré stláčajú a rozťahujú pracovnú tekutinu.

V praxi spôsobuje trenie a turbulencie:

• Neadiabatická kompresia: pre daný celkový tlakový pomer je výstupná teplota kompresora vyššia ako ideálna.
• Neadiabatická expanzia: hoci teplota turbíny klesne na úroveň potrebnú pre prevádzku, kompresor nie je ovplyvnený, tlakový pomer je vyšší, v dôsledku toho expanzia nestačí na poskytnutie užitočnej práce.
• Straty tlaku v prívode vzduchu, spaľovacej komore a výstupe: v dôsledku toho expanzia nie je dostatočná na poskytnutie užitočnej práce.

Rovnako ako u všetkých cyklických tepelných motorov, čím vyššia je teplota spaľovania, tým vyššia je účinnosť. Limitujúcim faktorom je schopnosť ocele, niklu, keramiky alebo iných materiálov, ktoré tvoria motor, odolávať teplu a tlaku. Veľká časť inžinierskych prác je zameraná na odvod tepla z častí turbíny. Väčšina turbín sa tiež snaží získavať teplo z výfukových plynov, ktoré sú inak plytvané.

Rekuperátory sú výmenníky tepla, ktoré pred spaľovaním odovzdávajú teplo z výfukových plynov stlačenému vzduchu. V kombinovanom cykle sa teplo prenáša do systémov parných turbín. A pri kombinovanej výrobe tepla a elektriny (KVET) sa odpadové teplo využíva na výrobu teplej vody.

mechanicky plynové turbíny môže byť oveľa jednoduchšie ako piestové spaľovacie motory. Jednoduché turbíny môžu mať jednu pohyblivú časť: zostavu hriadeľ/kompresor/turbína/alternatívny rotor (pozri obrázok nižšie), bez palivového systému.

Obr.4. Tento stroj má jednostupňový radiálny kompresor,
turbína, rekuperátor a vzduchové ložiská.

Zložitejšie turbíny (tie používané v moderných prúdových motoroch) môžu mať viacero hriadeľov (cievok), stovky lopatiek turbíny, pohyblivé statorové lopatky a rozsiahly systém zložitých potrubí, spaľovacích komôr a výmenníkov tepla.

Vo všeobecnosti platí, že čím menší je motor, tým vyššia je rýchlosť hriadeľa (hriadeľov) potrebná na udržanie maximálnej lineárnej rýchlosti lopatiek.

Maximálna rýchlosť lopatiek turbíny určuje maximálny dosiahnuteľný tlak, výsledkom čoho je maximálny výkon bez ohľadu na veľkosť motora. Prúdový motor točí sa frekvenciou asi 10 000 otáčok za minútu a mikroturbína - s frekvenciou asi 100 000 ot./min.

Podobne ako naftový alebo benzínový motor je aj plynová turbína spaľovací motor s pracovným cyklom nasávania-kompresie-spaľovanie (expanzia)-výfuk. Základný pohyb je však výrazne odlišný. Pracovné teleso plynovej turbíny sa otáča a v piestovom motore sa pohybuje vratne.

Princíp činnosti plynovej turbíny je znázornený na obrázku nižšie. Najprv je vzduch stlačený kompresorom, potom stlačený vzduch privádzaný do spaľovacej komory. Tu palivo, ktoré neustále horí, produkuje plyny s vysokou teplotou a tlakom. Zo spaľovacej komory plyn, expandujúci v turbíne, tlačí na lopatky a otáča rotor turbíny (hriadeľ s obežnými kolesami vo forme kotúčov nesúcich lopatky rotora), ktorý zase otáča hriadeľ kompresora. Zvyšná energia sa odvádza cez pracovný hriadeľ.

Vlastnosti plynových turbín

Typy plynových turbín podľa konštrukcie a účelu

Najzákladnejším typom plynovej turbíny je prúdová tryska, ktorá je zároveň konštrukčne najjednoduchšia.
Tento motor je vhodný pre lietadlá vysoká rýchlosť a používa sa v nadzvukových lietadlách a prúdových stíhačkách.

Tento typ má samostatnú turbínu za turbojetom, ktorá vpredu roztáča veľký ventilátor. Tento ventilátor zvyšuje prietok vzduchu a prievan.
Tento typ je tichý a ekonomický pri podzvukových rýchlostiach, preto sa plynové turbíny tohto typu používajú pre motory osobných lietadiel.

Táto plynová turbína dodáva výkon ako krútiaci moment, pričom turbína a kompresor zdieľajú spoločný hriadeľ. Časť užitočnej energie turbíny ide na rotáciu hriadeľa kompresora a zvyšok energie sa prenáša na pracovný hriadeľ.
Tento typ sa používa, keď je potrebná konštantná rýchlosť otáčania, napríklad ako pohon generátora.

Pri tomto type je druhá turbína umiestnená za turbínou plynového generátora a rotačná sila je na ňu prenášaná prúdom. Táto zadná turbína sa nazýva výkonová turbína. Keďže hriadele výkonovej turbíny a kompresora nie sú mechanicky spojené, rýchlosť otáčania pracovného hriadeľa je voľne nastaviteľná. Vhodné ako mechanický pohon so širokým rozsahom otáčok.
Tento typ sa široko používa v lietadlách a vrtuľníkoch poháňaných vrtuľami, ako aj v aplikáciách, ako sú pohony čerpadiel/kompresorov, lodné hlavné motory, pohony generátorov atď.

Čo je to plynová turbína série GREEN?

Princíp, ktorým sa Kawasaki riadi v oblasti plynových turbín od vývoja našej prvej plynovej turbíny v roku 1972, nám umožnil ponúkať zákazníkom stále vyspelejšie zariadenia, t. j. energeticky účinnejšie a ekologickejšie. Myšlienky obsiahnuté v našich produktoch boli vysoko ocenené svetovým trhom a umožnili nám nazhromaždiť referencie pre viac ako 10 000 turbín (na konci marca 2014) ako súčasť záložných generátorov a kogeneračných systémov.
Plynové turbíny Kawasaki boli vždy veľkým úspechom a dali sme im nový názov „GREEN Gas Turbines“, aby sme ukázali ešte väčší záväzok voči tomuto princípu.

Pohonné jednotky - pohony elektrických generátorov pre autonómne malé tepelné elektrárne môžu byť dieselové, plynové piestové, mikroturbínové a plynové turbínové motory.

O výhodách určitých elektrární a technológií bolo napísaných veľké množstvo diskusných a polemických článkov. Spravidla pri sporoch v koterci zostáva buď jeden, alebo druhý často v hanbe. Skúsme prísť na to prečo.

Stanovenie výberových kritérií pohonných jednotiek pre výstavbu autonómnych elektrární sú otázky spotreby paliva, výšky prevádzkových nákladov, ako aj doby návratnosti zariadení elektrární.

Dôležitými faktormi pri výbere pohonných jednotiek sú jednoduchosť obsluhy, úroveň Údržba a oprava, ako aj miesto opravy pohonných jednotiek. Tieto otázky súvisia predovšetkým s nákladmi a problémami, ktoré následne môže mať majiteľ autonómnej elektrárne.

V tomto článku autor nemá sebecký cieľ uprednostňovať piestové alebo turbínové technológie. Typy elektrární elektrární sú správnejšie, najlepšie je vyberať priamo na projekt, na základe individuálnych podmienok a technických špecifikácií zákazníka.

Pri výbere energetického zariadenia na výstavbu autonómnej plynovej kogeneračnej jednotky je vhodné poradiť sa s nezávislými odborníkmi z inžinierskych spoločností, ktoré už stavajú elektrárne na kľúč. Strojárska firma musí mať dokončené projekty ktoré môžete vidieť a navštíviť s prehliadkou. Je potrebné vziať do úvahy aj taký faktor, ako je slabosť a nedostatočný rozvoj trhu s výrobnými zariadeniami v Rusku, kde sú skutočné objemy predaja v porovnaní s rozvinutými krajinami malé a zanechávajú veľa želaní - to je predovšetkým sa odráža v objeme a kvalite ponúk.

Plynové piestové zariadenia vs. motory s plynovou turbínou – prevádzkové náklady

Je pravda, že prevádzkové náklady minikogeneračnej jednotky s piestovými strojmi sú nižšie ako prevádzkové náklady elektrárne s plynovými turbínami?

Náklady na generálnu opravu plynového piestového motora môžu byť 30 - 350% počiatočných nákladov na samotnú pohonnú jednotku, a nie na celú elektráreň - počas generálnej opravy sa skupina piestov vymení. Plynové piestové jednotky je možné opraviť na mieste bez zložitých diagnostických zariadení raz za 7-8 rokov.

Náklady na opravu zariadenia s plynovou turbínou sú 30–50 %. počiatočné investície. Ako vidíte, náklady sú približne rovnaké. Podobné sú aj reálne, poctivé ceny plynových turbín a piestových jednotiek porovnateľného výkonu a kvality.

Kapitálové opravy závodu s plynovou turbínou z dôvodu jeho zložitosti sa nevykonávajú na mieste. Dodávateľ musí odviezť opotrebovaný blok a priniesť náhradný agregát s plynovou turbínou. Starú jednotku je možné obnoviť iba do stavu z výroby.

Vždy by ste mali brať do úvahy dodržiavanie plánu údržby, charakter záťaže a prevádzkové režimy elektrárne bez ohľadu na typ inštalovaných energetických jednotiek.

Často zveličená otázka o náročnosti turbíny na prevádzkové podmienky sa spája so zastaranými informáciami spred štyridsiatich rokov. Potom sa „na zemi“ v pohone elektrární uplatnili letecké turbíny „odstránené z krídla“ lietadla. Takéto turbíny s minimálnymi zmenami prispôsobené na prácu ako hlavné energetické jednotky pre elektrárne.

Moderné autonómne elektrárne dnes využívajú turbíny priemyselného, ​​priemyselného dizajnu, určené na nepretržitú prevádzku s rôznym zaťažením.

Spodná hranica minimálneho elektrického zaťaženia, oficiálne deklarovaná výrobcami pre priemyselné turbíny, je 3–5 %, ale v tomto režime sa spotreba paliva zvyšuje o 40 %. Maximálne zaťaženie zariadenia s plynovou turbínou môže v obmedzených časových intervaloch dosiahnuť 110-120%.

Moderné plynové piestové inštalácie majú fenomenálnu účinnosť založenú na vysokej úrovni elektrickej účinnosti. „Problémy“ spojené s prevádzkou plynových piestových jednotiek pri nízkom zaťažení sú pozitívne vyriešené už v štádiu projektovania. Dizajn musí byť vysoko kvalitný.

Dodržiavanie prevádzkového režimu odporúčaného výrobcom predĺži životnosť častí motora, čím ušetrí peniaze majiteľovi autonómnej elektrárne. Niekedy, aby sa plynové piestové stroje dostali do nominálneho režimu pri čiastočnom zaťažení, je do projektu tepelnej schémy stanice zahrnutý jeden alebo dva elektrické kotly, ktoré umožňujú poskytnúť požadované 50% zaťaženie.

Pri elektrárňach na báze plynových piestových jednotiek a plynových turbín je dôležité dodržať pravidlo N + 1 - počet prevádzkových jednotiek plus jedna pre rezervu. „N + 1“ je pohodlný, racionálny počet inštalácií pre obsluhujúci personál. Je to spôsobené tým, že pre elektrárne všetkých typov a typov je potrebné vykonávať rutinné a opravárenské práce.

Spoločnosť pripojená k sieti môže inštalovať iba jednu jednotku a využívať vlastnú elektrinu za cenu a počas údržby byť napájaná z verejnej elektrickej siete, pričom platí podľa merača. Je to lacnejšie ako „+1“, ale bohužiaľ to nie je vždy možné. Je to spravidla spôsobené nedostatkom elektrickej siete vo všeobecnosti alebo neuveriteľne vysokými nákladmi. technické údaje pre samotné pripojenie.

Bezohľadní predajcovia plynových piestových jednotiek a plynových turbín pred predajom zariadenia kupujúcemu spravidla poskytujú iba prospekty - komerčnú literatúru všeobecného plánu a veľmi zriedkavo presné informácie o úplných prevádzkových nákladoch a vyrobených technických predpisoch.

Na výkonných plynových piestových jednotkách nie je potrebné meniť olej. O trvalé zamestnanie jednoducho sa vyrába, nestihne zostarnúť. Olej na takýchto zariadeniach sa neustále dopĺňa. Takéto prevádzkové režimy sú zabezpečené špeciálnou konštrukciou výkonných plynových piestových motorov a sú odporúčané výrobcom.

Odpad motorového oleja je 0,25-0,45 gramov na kilowatt vyrobený za hodinu. Strata je vždy vyššia, keď sa zníži zaťaženie. Súprava plynového piestového motora spravidla obsahuje špeciálnu nádrž na priebežné dopĺňanie oleja a minilaboratórium na kontrolu jeho kvality a určenie doby výmeny.

V súlade s tým musia byť vymenené olejové filtre alebo kazety v nich.

Pretože motorový olej stále horí, piestové jednotky majú o niečo vyššiu úroveň škodlivých emisií do atmosféry ako jednotky s plynovou turbínou. Ale keďže plyn úplne horí a je jedným z najviac čistý druh palivo, potom hovoríme o vážnom znečistení ovzdušia - iba "hlúpe dámy." Oveľa vážnejšie škody na životnom prostredí spôsobuje pár starých maďarských autobusov Ikarus. Pre splnenie environmentálnych požiadaviek je pri použití piestových strojov potrebné vybudovať vyššie komíny s prihliadnutím na už existujúcu úroveň MPC v prostredí.

Odpadový olej z plynových piestových jednotiek nie je možné len tak vyliať na zem – vyžaduje likvidáciu – to je pre majiteľov elektrárne „náklad“. Ale môžete na tom zarobiť peniaze - špecializované organizácie nakupujú použitý motorový olej.

Mnohí z nás používajú motorový olej vo svojich piestových motoroch. Ak je motor prevádzkyschopný, správne prevádzkovaný a natankovaný bežným palivom, nenastávajú žiadne finančné kataklizmy spojené s jeho spotrebou.

To isté platí aj pri piestových elektrárňach: - spotreby motorového oleja sa netreba báť, nezruinuje vás, pri bežnej prevádzke moderných kvalitných montáží plynových piestov sú náklady na tento článok len 2- 3 (!) kopejky za 1 kW vyrobenej elektriny.

V moderných inštaláciách plynových turbín sa olej používa iba v prevodovke. Jeho objem možno považovať za nevýznamný. Výmena prevodového oleja v plynových turbínach sa vykonáva v priemere raz za 3-5 rokov a nie je potrebné jeho dopĺňanie.

Na úplné vykonanie služby musí byť v súprave výkonnej inštalácie plynového piestu zahrnutý nosníkový žeriav. Pomocou nosníkového žeriavu sa odstraňujú ťažké časti piestových motorov. Použitie nosníkového žeriavu si vyžaduje vysoké stropy v strojovniach piestovej elektrárne. Na opravu plynových piestov s malým a stredným výkonom je možné upustiť od jednoduchších zdvíhacích mechanizmov.

Plynové piestové elektrárne pri dodaní môžu byť vybavené rôznymi opravárskymi nástrojmi a zariadeniami. Jeho prítomnosť znamená, že aj všetky kritické operácie môže vykonávať kvalifikovaný personál na mieste. Prakticky všetky opravy plynových turbín je možné vykonávať buď vo výrobnom závode, alebo s priamou pomocou továrenských špecialistov.

Raz za 3-4 mesiace je potrebné vymeniť zapaľovacie sviečky. Výmena sviečok je len 1-2 (!) Kopejky v nákladoch na 1 kW / h vlastnej elektriny.

Piestové jednotky, na rozdiel od jednotiek plynových turbín, sú chladené kvapalinou, takže personál autonómnej elektrárne musí neustále monitorovať hladinu chladiacej kvapaliny a vykonávať pravidelnú výmenu, a ak ide o vodu, je potrebné vykonať jej chemickú úpravu. príprava.

Vyššie uvedené vlastnosti prevádzky piestových jednotiek v zariadeniach s plynovou turbínou chýbajú. Elektrárne s plynovou turbínou nepoužívajú taký spotrebný materiál a komponenty ako:

• motorový olej,
• zapaľovacia sviečka,
• olejové filtre,
• chladiaca kvapalina,
• sady vysokonapäťových vodičov.

Ale plynové turbíny sa nedajú opraviť na mieste a oveľa vyššia spotreba plynu sa nedá porovnať s nákladmi na prevádzku a spotrebný materiál piestových jednotiek.

Čo si vybrať? Inštalácie plynových piestov alebo plynových turbín?

Ako koreluje výkon pohonných jednotiek elektrární a teplota okolia?

S výrazným zvýšením teploty životné prostredie výkon plynovej turbíny sa zníži. Ale s poklesom teploty sa elektrický výkon plynovej turbíny naopak zvyšuje. Parametre elektrického výkonu, podľa existujúcich normy ISO, merané pri t +15 °C.

Niekedy dôležitý bod je tiež skutočnosť, že zariadenie s plynovou turbínou je schopné dodať 1,5-krát viac voľnej tepelnej energie ako piestová jednotka podobného výkonu. Pri použití výkonnej (od 50 MW) autonómnej KVET napríklad vo verejných službách to môže mať rozhodujúci význam pri výbere typu pohonných jednotiek, najmä pri veľkej a rovnomernej spotrebe tepelnej energie.

Naopak tam, kde teplo nie je potrebné vo veľkých množstvách, ale je potrebný dôraz na výrobu elektrickej energie, bude ekonomicky výhodnejšie použiť zariadenia s plynovými piestami.

Vysoká teplota na výstupe zo zariadení s plynovou turbínou umožňuje použiť parnú turbínu ako súčasť elektrárne. Toto zariadenie je žiadané, ak spotrebiteľ potrebuje získať maximálne množstvo elektrickej energie pri rovnakom objeme spotrebovaného plynového paliva a tým dosiahnuť vysokú elektrickú účinnosť - až 59%. Energetický komplex tejto konfigurácie je náročnejší na prevádzku a stojí o 30 – 40 % viac ako zvyčajne.

Elektrárne s parnými turbínami vo svojej štruktúre sú spravidla navrhnuté na pomerne veľký výkon - od 50 MW a viac.

Povedzme si to najdôležitejšie: plynové piestové jednotky verzus pohonné jednotky plynových turbín – účinnosť

Účinnosť elektrárne je viac ako relevantná – ovplyvňuje totiž spotrebu paliva. Priemerná špecifická spotreba plynové palivo na 1 vyrobenú kW/h je oveľa menej pre zariadenie s plynovými piestami a pri akomkoľvek režime zaťaženia (hoci nepretržité zaťaženie menšie ako 25% je kontraindikované pre piestové motory).

Elektrická účinnosť piestových strojov je 40 – 44 % a plynových turbín 23 – 33 % (v paroplynovom cykle je turbína schopná dodať účinnosť až 59 %).

Paroplynový cyklus sa používa pri vysokých elektrárňach - od 50-70 MW.

Ak potrebujete vyrobiť lokomotívu, lietadlo alebo námornú loď, potom jedným z určujúcich ukazovateľov je faktor účinnosti (COP) elektrárne. Teplo, ktoré sa získa pri prevádzke motora lokomotívy, lietadla (alebo plavidla), sa nevyužíva a uvoľňuje sa do atmosféry.

Ale nestaviame lokomotívu, ale elektráreň a pri výbere typu pohonných jednotiek pre autonómnu elektráreň je prístup trochu iný - tu je potrebné hovoriť o úplnosti použitia horľavého paliva - faktor využitia paliva (FU).

Spaľovanie, palivo vykonáva hlavnú prácu - otáča generátor elektrárne. Zvyšok energie spaľovania paliva je teplo, ktoré môže a malo by sa použiť. V tomto prípade bude takzvaná "celková účinnosť" alebo skôr faktor využitia paliva (FUE) elektrárne asi 80-90%.

Ak spotrebiteľ očakáva plné využitie tepelnej energie autonómnej elektrárne, čo je zvyčajne nepravdepodobné, potom koeficient výkonu (COP) autonómnej elektrárne nemá praktický význam.

Keď sa zaťaženie zníži na 50 %, elektrická účinnosť plynovej turbíny sa zníži.

Turbíny navyše vyžadujú vysoký vstupný tlak plynu, a preto sú nevyhnutne inštalované kompresory (piesty), ktoré tiež zvyšujú spotrebu paliva.
Porovnanie zariadení s plynovou turbínou a plynových piestových motorov ako súčasti mini-CHP ukazuje, že inštalácia plynových turbín je účelná v zariadeniach, ktoré majú jednotné elektrické a tepelné potreby s výkonom nad 30-40 MW.

Z vyššie uvedeného vyplýva, že elektrická účinnosť pohonných jednotiek rôznych typov má priamy vplyv na spotrebu paliva.

Plynové piestové jednotky spotrebujú o štvrtinu alebo dokonca tretinu menej paliva ako jednotky s plynovou turbínou – to je hlavná nákladová položka!

V súlade s tým, s podobnými alebo rovnakými nákladmi na samotné zariadenie, lacnejšie Elektrická energia vyrábané v plynových turbínach. Plyn je hlavnou nákladovou položkou pri prevádzke autonómnej elektrárne!

Plynové piestové jednotky vs. motory s plynovou turbínou - vstupný tlak plynu

Je vždy potrebné mať pri použití plynových turbín vysokotlakové plynovodné potrubie?

Pre všetky typy moderných energetických jednotiek elektrární nemá tlak dodávaného plynu praktický význam, pretože jednotka plynovej turbíny vždy obsahuje plynový kompresor, ktorý je zahrnutý v cene energetického komplexu.

Kompresor zabezpečuje požadovaný tlakový výkon plynného paliva. Moderné kompresory sú mimoriadne spoľahlivé a nenáročné na údržbu. Vo svete moderné technológie, pre plynové piestové motory aj plynové turbíny je dôležité mať len správne množstvo plynového paliva, aby sa zabezpečilo normálna operácia autonómna elektráreň.

Na to by sa však nemalo zabúdať pomocný kompresor tiež vyžaduje značnú energiu, Zásoby a servis. Paradoxne, piestové kompresory sa často používajú pre výkonné turbíny.

Plynové piestové motory vs. jednotky s plynovou turbínou - dvojpalivové inštalácie

Často sa píše a hovorí, že dvojpalivové inštalácie môžu byť iba piestové. Je to pravda?

To nie je pravda. Všetci známi výrobcovia plynových turbín majú vo svojom sortimente dvojpalivové jednotky. Hlavnou črtou dvojpalivovej inštalácie je jej schopnosť pracovať na zemnom plyne aj na naftu. Vďaka použitiu dvoch druhov paliva v dvojpalivovom zariadení možno v porovnaní s jednopalivovými zariadeniami zaznamenať množstvo jeho výhod:

• pri absencii zemného plynu sa jednotka automaticky prepne na motorovú naftu;
• pri prechodných dejoch sa agregát automaticky prepne do dieselovej prevádzky.

Pri vstupe do prevádzkového režimu, spätný proces prechod na prácu so zemným plynom a motorovou naftou;
Nezabudnite na skutočnosť, že prvé turbíny boli pôvodne navrhnuté na prevádzku na kvapalné palivo - kerozín.

Dvojpalivové inštalácie majú stále obmedzené využitie a nie sú potrebné pre väčšinu autonómnych kogeneračných jednotiek – existujú na to jednoduchšie technické riešenia.

Jednotky s plynovými piestami vs. jednotky s plynovou turbínou - počet štartov

Aký môže byť počet štartov plynových piestových jednotiek?

Počet štartov: plynový piestový motor sa môže naštartovať a zastaviť neobmedzený počet krát, čo neovplyvňuje jeho životnosť. Ale časté štarty a zastavenia jednotiek s plynovým piestom so stratou pomocného výkonu môžu viesť k opotrebovaniu najviac zaťažovaných jednotiek (ložiská turbodúchadla, ventily atď.).

Vzhľadom na prudké zmeny tepelného namáhania, ktoré sa vyskytujú v najkritickejších komponentoch a častiach horúceho potrubia plynovej turbíny počas rýchlych štartov bloku zo studeného stavu, je výhodné použiť zariadenie s plynovou turbínou na nepretržitú, nepretržitú prevádzku.

Plynové piestové motory elektrární proti elektrárňam s plynovou turbínou - zdroj pred generálnou opravou

Aký môže byť zdroj inštalácie pred generálnou opravou?

Zdroj pred generálnou opravou je 40 000 – 60 000 pracovných hodín pre plynovú turbínu. Pri správnej prevádzke a včasnej údržbe plynového piestového motora sa toto číslo rovná aj 40 000 – 60 000 prevádzkovým hodinám. Existujú však aj iné situácie, keď generálna oprava nastane oveľa skôr.

Plynové piestové jednotky vs. motory s plynovou turbínou - kapitálové investície a ceny

Aké kapitálové investície (investície) si vyžiada výstavba elektrárne? Aké sú náklady na vybudovanie komplexu autonómnej energetiky na kľúč?

Výpočty ukazujú, že investície (dolár/kW) do výstavby tepelnej elektrárne s plynovými piestovými motormi sa približne rovnajú elektrárňam s plynovou turbínou. fínsky tepelná elektráreň WARTSILA s výkonom 9 MW vyjde zákazníka na približne 14 miliónov eur. Podobná tepelná elektráreň s plynovou turbínou založená na prvotriednych jednotkách bude stáť 15,3 milióna dolárov.

Plynové piestové motory proti plynovým turbínam - ekológia

Ako sú splnené environmentálne požiadavky?

Treba poznamenať, že jednotky s plynovými piestami sú z hľadiska emisií NOx horšie ako jednotky s plynovou turbínou. Keďže motorový olej horí, piestové jednotky majú o niečo vyššiu úroveň škodlivých emisií do atmosféry ako jednotky s plynovou turbínou.

Ale to nie je kritické: SES žiada o úroveň pozadia podľa MPC v mieste mini-CHP.Potom sa vypočíta rozptyl tak, aby sa „aditívum“ škodlivých látok z mini-CHP pridalo do pozadia nevedie k prekročeniu MPC. Prostredníctvom niekoľkých iterácií sa vyberie minimálna výška komína, pri ktorej sú splnené požiadavky SanPiN. Prírastok zo závodu 16 MW z hľadiska emisií NO x nie je taký významný: pri výške komína 30 m - 0,2 MPC, pri 50 m - 0,1 MPC.

Úroveň škodlivých emisií z väčšiny moderných zariadení s plynovou turbínou nepresahuje 20 – 30 ppm av niektorých projektoch môže mať určitú hodnotu.

Piestové inštalácie majú počas prevádzky vibrácie a nízkofrekvenčný hluk. Uvedenie hluku na štandardné hodnoty je možné, jednoducho sú potrebné vhodné technické riešenia. Okrem výpočtu rozptylu pri vývoji sekcie projektovej dokumentácie„Ochrana životného prostredia“ sa robí akustický výpočet a kontroluje sa, či zvolené konštrukčné riešenia a použité materiály spĺňajú požiadavky SanPiN z hľadiska hluku.

Akékoľvek zariadenie vydáva hluk v určitom frekvenčnom spektre. Elektrárne s plynovou turbínou neprešli týmto pohárom.

Plynové piestové jednotky vs. motory s plynovou turbínou - závery

Pri lineárnom zaťažení a dodržiavaní pravidla N + 1 je možné použitie plynových piestových motorov ako hlavného zdroja napájania. V rámci takejto elektrárne sú potrebné záložné jednotky a nádrže na uskladnenie druhého druhu paliva – nafty.

Vo výkonovom rozsahu do 40-50 MW využitie piestové motory pri mini-CHP sa považuje za absolútne opodstatnené.

V prípade použitia plynových piestových jednotiek sa spotrebiteľ môže úplne vzdialiť od externého napájania, ale iba s premysleným a vyváženým prístupom.

Piestové inštalácie možno použiť aj ako záložné alebo núdzové zdroje elektrickej energie.

Určitou alternatívou k piestovým inštaláciám sú plynové mikroturbíny. Je pravda, že ceny za mikroturbíny veľa „hryzú“ a dosahujú ~ 2 500 - 4 000 $ za 1 kW inštalovaného výkonu!

Porovnanie zariadení s plynovou turbínou a plynových piestových motorov ako súčasti mini-CHP ukazuje, že inštalácia plynových turbín je možná na všetkých zariadeniach, ktoré majú elektrické zaťaženie viac ako 14-15 MW, ale vzhľadom na vysokú spotrebu plynu sú turbíny sa odporúčajú pre elektrárne s oveľa väčšou kapacitou - 50-70 MW.

Pre mnohé moderné elektrárne nie je 200 000 hodín prevádzky kritickou hodnotou a podlieha plánovanej údržbe a postupnej výmene častí turbíny podliehajúcich opotrebovaniu: ložiská, vstrekovače, rôzne pomocné zariadenia (čerpadlá, ventilátory), ďalšia prevádzka zariadenie s plynovou turbínou zostáva ekonomicky realizovateľné. Kvalitné plynové piestové jednotky dnes úspešne prekonávajú aj 200 000 hodín prevádzky.

Potvrdzuje to moderná prax prevádzky zariadení s plynovou turbínou / plynovými piestami po celom svete.

Pri výbere pohonných jednotiek autonómnej elektrárne je potrebná odborná rada!

Odborné poradenstvo a dozor sú potrebné aj pri výstavbe autonómnych elektrární. Na vyriešenie problému potrebujeme inžiniersku firmu so skúsenosťami a zrealizovanými projektmi.

Inžinierstvo vám umožňuje kompetentne, nestranne a objektívne určiť výber hlavného a pomocného zariadenia pre výber optimálnej konfigurácie - konfigurácie vašej budúcej elektrárne.

Kvalifikovaný inžiniering výrazne šetrí hotovosť zákazníka, a to je 10 – 40 %. celková suma náklady. Technika od profesionálov v energetickom priemysle sa vyhýba nákladným chybám pri projektovaní a výbere dodávateľov zariadení.

Plynová turbína ako tepelný motor spája charakteristické vlastnosti parnej turbíny a spaľovacieho motora, v ktorom sa energia paliva pri jeho spaľovaní premieňa priamo na mechanickú prácu. Pracovnou tekutinou plynových turbín pracujúcich v otvorenom cykle sú produkty spaľovania paliva a pracovnou tekutinou plynových turbín pracujúcich v uzavretom cykle je čistý vzduch alebo plyn nepretržite cirkulujúci v systéme. Na lodiach sa používajú plynové turbínové jednotky (GTU) pracujúce v otvorenom cykle, so spaľovaním paliva pri konštantnom tlaku (p = const) a GTU pracujúce v uzavretom cykle.

V súčasnosti sú lodné plynové turbíny dvoch typov: 1) turbokompresorové a 2) s generátormi plynu s voľným piestom (SPGG).

Schéma najjednoduchšieho zariadenia s turbokompresorovou plynovou turbínou pracujúcou pri konštantnom tlaku spaľovania paliva je znázornená na obr. 101. Kompresor 9 nasáva čistý atmosférický vzduch, stláča ho na vysoký tlak a dodáva ho vzduchovým potrubím3 do spaľovacej komory 2, kde súčasne cez dýzu1 dodáva sa palivo. Palivo zmiešané so vzduchom tvorí pracovnú zmes, ktorá pri horíR = konšt. Výsledné produkty spaľovania sú ochladzované vzduchom a posielané do prietokovej dráhy turbíny. V pevných lopatkách 4 sa splodiny rozpínajú a vysokou rýchlosťou vstupujú do rotorových lopatiek 5, kde sa kinetická energia prúdu plynu premieňa na mechanickú prácu otáčania hriadeľa. Cez potrubie 6 opúšťajú výfukové plyny turbínu. Plynová turbína poháňa kompresor 9 a cez prevodovku7 vrtuľa 8. Na spustenie agregátu slúži štartovací motor 10, ktorý roztočí kompresor na minimálne otáčky.

Rovnaký obrázok znázorňuje teoretický cyklus uvažovaného GTP v súradniciach p - ? AS - T: AB - proces kompresie vzduchu v kompresore; VS-spaľovanie paliva pri konštantnom tlaku v spaľovacej komore; SD - expanzia plynu v turbíne, ÁNO - odvod tepla z výfukových plynov.

Na zvýšenie účinnosti prevádzky plynovej turbíny sa využíva regeneračný ohrev vzduchu vstupujúceho do spaľovacej komory, alebo stupňovité spaľovanie paliva vo viacerých za sebou idúcich spaľovacích komorách, ktoré obsluhujú jednotlivé turbíny. Kvôli konštrukčnej zložitosti sa stupňovité spaľovanie používa len zriedka. Pre zvýšenie efektívnej účinnosti inštalácie sa spolu s regeneráciou využíva dvojstupňová kompresia vzduchu, pričom medzi kompresory je zaradený vzduchový medzichladič, ktorý znižuje potrebný výkon vysokotlakového kompresora.

Na obr. 102 je schéma najjednoduchšieho zariadenia s plynovou turbínou so spaľovaním paliva priR = konštantná a rekuperácia tepla. Vzduch stlačený v kompresore1 , prechádza cez regenerátor 2 do spaľovacej komory3 , kde sa ohrieva teplom výfukových plynov opúšťajúcich turbínu 4 s relatívne vysokou teplotou. Skutočný cyklus tejto inštalácie je zobrazený v S-T diagram(obr. 103): proces stláčania vzduchu v kompresore1 - 2 ; ohrev vzduchu v regenerátore, sprevádzaný poklesom tlaku zR 2 predtýmR 4 2 - 3; dodávka tepla v procese spaľovania paliva 3 - 4; skutočný proces expanzie plynu v turbínach4-5 ; ochladzovanie plynu v regenerátore, sprevádzané stratou tlaku p 5 -R 1 5-6; odvod plynu - odvod tepla6-1 . Množstvo tepla prijatého vzduchom v regenerátore predstavuje plocha 2"-2-3-3" a množstvo tepla odovzdaného výfukovými plynmi v regenerátore plocha 6"-6-5-5". Tieto oblasti sú rovnaké.

V plynovej turbíne s uzavretým cyklom vyčerpaná pracovná tekutina nevstupuje do atmosféry a po predchladení sa opäť posiela do kompresora. V dôsledku toho pracovná tekutina cirkuluje v cykle, nie je kontaminovaná produktmi spaľovania. Tým sa zlepšujú pracovné podmienky prietokových častí turbín, čo má za následok zvýšenú spoľahlivosť inštalácie a zvýšenie zdroja motora. Splodiny horenia sa nemiešajú s pracovnou kvapalinou a preto je na spaľovanie vhodný akýkoľvek druh paliva.

Na obr. 104 znázorňuje schematický diagram lodnej plynovej turbíny s uzavretým cyklom pre všetky režimy. Vzduch po predchladení vo vzduchovom chladiči 4 vstupuje do kompresora5 , ktorý je poháňaný vysokotlakovou turbínou7 . Vzduch sa posiela z kompresora do regenerátora.3 a potom do ohrievača vzduchu 6, ktorý plní rovnakú úlohu ako spaľovacia komora v inštaláciách otvoreného typu. Z ohrievača vzduchu vstupuje do vysokotlakovej turbíny pracovný vzduch s teplotou 700 °C7 , ktorý roztáča kompresor a následne do nízkotlakovej turbíny2 , ktorý cez reduktor1 ovláda nastaviteľnú vrtuľu. Štartovací motor 8 je určený na spustenie inštalácie. Nevýhody plynových turbín s uzavretým cyklom zahŕňajú objemnosť výmenníkov tepla.

Obzvlášť zaujímavé sú plynové turbíny uzavretého cyklu s jadrovým reaktorom. V týchto zariadeniach sa ako pracovná kvapalina plynových turbín (chladiaca kvapalina) používa hélium, dusík, oxid uhličitý. Tieto plyny sa v jadrovom reaktore neaktivujú. Plyn zahriaty v reaktore na vysokú teplotu sa priamo posiela do práce v plynovej turbíne.

Hlavnými výhodami plynových turbín v porovnaní s parnými turbínami sú: nízka hmotnosť a rozmery, keďže tu nie je kotol a kondenzačná jednotka s pomocnými mechanizmami a zariadeniami; rýchle spustenie a rozvinutie plného výkonu do 10-15 minút, veľmi nízka spotreba chladiacej vody; jednoduchosť údržby.

Hlavné výhody plynových turbín v porovnaní so spaľovacími motormi sú: absencia kľukového mechanizmu a s tým spojené zotrvačné sily; nízka hmotnosť a rozmery pri vysokom výkone (GTU sú 2-2,5-krát ľahšie a 1,5-2-krát kratšie ako dieselové motory); schopnosť pracovať na nízkokvalitnom palive; nižšie prevádzkové náklady. Nevýhody plynových turbín sú nasledovné: krátka životnosť pri vysokých teplotách plynu (napríklad pri teplote plynu 1173 ° K je životnosť 500-1000 hodín); menej ako dieselové motory, účinnosť; výrazný hluk počas prevádzky.

V súčasnosti sa plynové turbíny používajú ako hlavné motory námorných dopravných lodí. V niektorých prípadoch sa plynové turbíny s nízkym výkonom používajú ako pohon čerpadiel, núdzových generátorov energie, pomocných posilňovacích kompresorov atď. Plynové turbíny sú mimoriadne zaujímavé ako hlavné motory pre krídlové lode a vznášadlá.

Jednotky s plynovou turbínou (GTP) sú žiadané v priemysle, sektor dopravy sú široko používané v energetickom priemysle. Toto zariadenie nie je dizajnovo veľmi zložité, má vysokú účinnosť a je ekonomické.

Plynové turbíny sú v mnohom podobné motorom na naftu alebo benzín: ako v spaľovacích motoroch, termálna energia, získaný pri spaľovaní paliva, prechádza do mechanického. Súčasne sa produkty spaľovania používajú v inštaláciách otvoreného typu, v uzavretých systémoch - plyn alebo obyčajný vzduch. Obe sú rovnako žiadané. Okrem otvorených a uzavretých sú tu turbokompresorové turbíny a inštalácie s generátormi plynu s voľnými piestami.

Najjednoduchšie je zvážiť návrh a prevádzku plynovej turbíny v zariadení turbokompresorového typu, ktoré pracuje pri konštantnom tlaku.

Dizajn plynovej turbíny

Plynová turbína sa skladá z kompresora, vzduchového potrubia, spaľovacej komory, dýzy, dráhy prúdenia, pevných a pracovných lopatiek, výfukového potrubia, prevodovky, vrtule a štartovacieho motora.

Štartovací motor je zodpovedný za spustenie turbíny. Poháňa kompresor, ktorý sa roztočí na požadovanú rýchlosť. potom:

• kompresor zachytáva vzduch z atmosféry a stláča ho;
• vzduch sa posiela do spaľovacej komory vzduchovým potrubím;
• palivo vstupuje do tej istej komory cez dýzu;
• plyn a vzduch sa miešajú a horia pri konštantnom tlaku, čo vedie k tvorbe produktov spaľovania;
• produkty spaľovania sa ochladzujú vzduchom, po ktorom vstupujú do dráhy toku;
• v pevných lopatkách sa zmes plynov rozširuje a zrýchľuje, potom je nasmerovaná na pracovné lopatky a uvádza ich do pohybu;
• výfuková zmes vystupuje z turbíny potrubím;
• turbína prenáša kinetickú energiu na kompresor a vrtuľu cez prevodovku.

Plyn zmiešaný so vzduchom teda pri spaľovaní vytvára pracovné médium, ktoré rozpínaním urýchľuje a roztáča lopatky a za nimi vrtuľu. Následne sa kinetická energia premení na elektrickú energiu alebo sa použije na pohon lode.

Pomocou princípu rekuperácie tepla môžete ušetriť na palive. V tomto prípade je vzduch vstupujúci do turbíny ohrievaný výfukovými plynmi. Výsledkom je, že zariadenie spotrebuje menej paliva a vyrobí sa viac kinetickej energie. Na chladenie výfukových plynov slúži aj regenerátor, kde sa ohrieva vzduch.

Vlastnosti plynovej turbíny uzavretého typu

Plynová turbína otvoreného typu odoberá vzduch z atmosféry a výfukové plyny odvádza von. Toto nie je veľmi efektívne a nebezpečné, ak je jednotka v uzavretej miestnosti, kde pracujú ľudia. V tomto prípade sa používa plynová turbína uzavretého typu. Takéto turbíny nevypúšťajú spotrebovanú pracovnú tekutinu do atmosféry, ale smerujú ju do kompresora. Nemieša sa so splodinami horenia. Ako výsledok, Pracovné prostredie cirkulujúci v turbíne zostáva čistý, čo zvyšuje životnosť zariadenia a znižuje počet porúch.

Uzavreté turbíny sú však príliš veľké. Plyny, ktoré neunikajú von, musia byť dostatočne účinne chladené. To je možné len vo veľkých výmenníkoch tepla. Preto sa inštalácie používajú na veľkých lodiach, kde je dostatok miesta.

Uzavreté plynové turbíny môžu mať nukleárny reaktor. Ako nosič tepla využívajú oxid uhličitý, hélium alebo dusík. Plyn sa ohrieva v reaktore a posiela sa do turbíny.

GTP a ich rozdiely od parných turbín a spaľovacích motorov

Plynové turbíny sa líšia od spaľovacích motorov v jednoduchšej konštrukcii a jednoduchosti opravy. Dôležité je aj to, že nemajú kľukový mechanizmus, vďaka čomu je spaľovací motor objemný a ťažký. Turbína je ľahšia a menej ako motor podobného výkonu asi o polovicu. Okrem toho môže jazdiť na palivo nízkej kvality.

Plynové turbíny sa líšia od parných turbín malými rozmermi a jednoduchým spustením. Ich údržba je jednoduchšia ako parné zariadenia.

Majú turbíny a nevýhody: v porovnaní so spaľovacími motormi nie sú také ekonomické, robia viac hluku, rýchlejšie sa stanú nepoužiteľnými. To však nebráni používaniu plynových turbín v doprave, priemysle a dokonca aj v každodennom živote. Turbíny sú inštalované na námorných a riečnych plavidlách, používajú sa v elektrárňach, čerpacích zariadeniach a mnohých ďalších oblastiach. Sú pohodlné a mobilné, takže sa používajú pomerne často.