Instalacije energetskih plinskih turbina. Ciklusi plinskih turbinskih postrojenja

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Zadnja promjena: 2023-12-17 10:29

Plinskoturbinske jedinice (GTP) su jedan, relativno kompaktan energetski kompleks, u kojem energetska turbina i generator rade u paru. Sustav je postao široko rasprostranjen u takozvanoj maloj elektroprivredi. Izvrsno za opskrbu električnom energijom i toplinom velikih poduzeća, udaljenih naselja i drugih potrošača. U pravilu plinske turbine rade na tekuće gorivo ili plin.

Na rubu napretka

U povećanju energetskog kapaciteta elektrana vodeću ulogu prenose plinskoturbinske jedinice i njihov daljnji razvoj - postrojenja s kombiniranim ciklusom (CCGT). Tako su u američkim elektranama od ranih 1990-ih više od 60% puštenih i moderniziranih kapaciteta već bile plinske turbine i elektrane s kombiniranim ciklusom, a u nekim zemljama njihov je udio u nekim godinama dosegao 90%.

Jednostavne plinske turbine također se grade u velikom broju. Plinsko turbinsko postrojenje - mobilno, ekonomično za rad i lako za popravak - pokazalo se kao optimalno rješenje za pokrivanje vršnih opterećenja. Na prijelazu stoljeća (1999.-2000.) ukupni kapacitetplinske turbine dosegle su 120.000 MW. Za usporedbu: osamdesetih godina prošlog stoljeća ukupni kapacitet sustava ovog tipa bio je 8.000-10.000 MW. Značajan dio plinskih turbina (više od 60%) trebao je raditi kao dio velikih binarnih postrojenja s kombiniranim ciklusom prosječne snage oko 350 MW.

Povijesna pozadina

Teorijske osnove za korištenje tehnologija kombiniranog ciklusa dovoljno su detaljno proučavane u našoj zemlji početkom 60-ih godina. Već tada je postalo jasno da je opći put razvoja termoenergetike povezan upravo s tehnologijama kombiniranog ciklusa. Međutim, njihova uspješna implementacija zahtijevala je pouzdane i visoko učinkovite plinske turbinske jedinice.

Upravo značajan napredak u izgradnji plinskih turbina odredio je suvremeni kvalitativni skok u termoenergetici. Brojne strane tvrtke uspješno su riješile problem stvaranja učinkovitih stacionarnih plinskih turbina u vrijeme kada su domaće vodeće vodeće organizacije u zapovjednoj ekonomiji promovirale najmanje obećavajuće tehnologije parnih turbina (STP).

Ako je 60-ih godina učinkovitost plinskih turbinskih instalacija bila na razini 24-32%, onda su krajem 80-ih najbolje stacionarne plinske turbinske instalacije već imale učinkovitost (uz autonomno korištenje) od 36-37 %. To je omogućilo stvaranje CCGT-ova na njihovoj osnovi, čija je učinkovitost dosegla 50%. Početkom novog stoljeća ta je brojka iznosila 40%, a u kombinaciji s plinskim postrojenjima s kombiniranim ciklusom čak 60%.

Usporedba parne turbinei postrojenja s kombiniranim ciklusom

U postrojenjima s kombiniranim ciklusom baziranim na plinskim turbinama, neposredna i stvarna perspektiva bila je postići učinkovitost od 65% ili više. Istodobno, za postrojenja s parnim turbinama (razvijena u SSSR-u), samo ako se može uspješno riješiti niz složenih znanstvenih problema vezanih uz stvaranje i korištenje superkritične pare, može se nadati učinkovitosti ne većoj od 46- 49%. Dakle, u smislu učinkovitosti, sustavi parnih turbina su beznadno inferiorni u odnosu na sustave s kombiniranim ciklusom.

Značajno inferiorne u odnosu na elektrane na parne turbine također u smislu cijene i vremena izgradnje. U 2005. godini na svjetskom energetskom tržištu cijena 1 kW za CCGT jedinicu kapaciteta 200 MW ili više bila je 500-600 USD/kW. Za CCGT manjeg kapaciteta cijena je bila u rasponu od 600-900 USD/kW. Snažne plinske turbine odgovaraju vrijednostima od 200-250 $/kW. Sa smanjenjem jedinične snage, njihova cijena raste, ali obično ne prelazi 500 USD / kW. Ove vrijednosti su nekoliko puta manje od cijene kilovata električne energije u sustavima parnih turbina. Na primjer, cijena instaliranog kilovata u kondenzacijskim parnim turbinskim elektranama kreće se od 2000-3000 $/kW.

Shema plinske turbine

Instalacija uključuje tri osnovne jedinice: plinsku turbinu, komoru za izgaranje i zračni kompresor. Štoviše, sve jedinice su smještene u montažnoj jednoj zgradi. Rotori kompresora i turbine međusobno su čvrsto povezani, poduprti ležajevima.

Komore za izgaranje (na primjer, 14 komada) postavljene su oko kompresora, svaka u svom zasebnom kućištu. Za prijem uZračni kompresor služi kao ulazna cijev, zrak izlazi iz plinske turbine kroz ispušnu cijev. Tijelo plinske turbine temelji se na snažnim nosačima postavljenim simetrično na jednom okviru.

Princip rada

Većina plinskih turbinskih jedinica koristi princip kontinuiranog izgaranja ili otvorenog ciklusa:

• Prvo, radni fluid (zrak) se pumpa pri atmosferskom tlaku odgovarajućim kompresorom.
• Dalje, zrak se komprimira na viši tlak i šalje u komoru za izgaranje.
• Opskrbljuje se gorivom, koje gori pod konstantnim tlakom, osiguravajući stalnu opskrbu toplinom. Zbog sagorijevanja goriva temperatura radnog fluida raste.
• Dalje, radni fluid (sada je to već plin, koji je mješavina zraka i produkata izgaranja) ulazi u plinsku turbinu, gdje, šireći se na atmosferski tlak, obavlja koristan rad (okreće turbinu koja stvara struja).
• Nakon turbine, plinovi se ispuštaju u atmosferu, kroz koju se radni ciklus zatvara.
• Razliku između rada turbine i kompresora percipira električni generator koji se nalazi na zajedničkoj osovini s turbinom i kompresorom.

Postrojenja s povremenim izgaranjem

Za razliku od prethodnog dizajna, isprekidano izgaranje koristi dva ventila umjesto jednog.

• Kompresor tjera zrak u komoru za izgaranje kroz prvi ventil dok je drugi ventil zatvoren.
• Kada tlak u komori za izgaranje poraste, prvi ventil se zatvara. Kao rezultat toga, volumen komore je zatvoren.
• Kada su ventili zatvoreni, gorivo se sagorijeva u komori, naravno, njegovo izgaranje se odvija pri konstantnom volumenu. Kao rezultat, pritisak radnog fluida dodatno raste.
• Dalje se otvara drugi ventil i radni fluid ulazi u plinsku turbinu. U tom slučaju tlak ispred turbine će se postupno smanjivati. Kada se približi atmosferskom, drugi ventil treba zatvoriti, a prvi otvoriti i ponoviti slijed radnji.

ciklusi plinske turbine

Okrećući se praktičnoj implementaciji jednog ili drugog termodinamičkog ciklusa, dizajneri se moraju suočiti s mnogim nepremostivim tehničkim preprekama. Najkarakterističniji primjer: kada je vlažnost pare veća od 8-12%, gubici u protočnom putu parne turbine naglo rastu, povećavaju se dinamička opterećenja i dolazi do erozije. To u konačnici dovodi do uništenja puta protoka turbine.

Kao rezultat ovih ograničenja u energetskom sektoru (za dobivanje posla), do sada su u širokoj upotrebi samo dva osnovna termodinamička ciklusa: Rankineov ciklus i Braytonov ciklus. Većina elektrana temelji se na kombinaciji elemenata ovih ciklusa.

Rankineov ciklus se koristi za radne fluide koji čine fazni prijelaz tijekom provedbe ciklusa; prema ovom ciklusu rade parne elektrane. Za radne tekućine koje se u stvarnim uvjetima ne mogu kondenzirati i koje nazivamo plinovima, koristi se Braytonov ciklus. Kroz ovaj ciklusplinske turbine i motori s unutarnjim izgaranjem rade.

Potrošeno gorivo

Velika većina plinskih turbina dizajnirana je za rad na prirodni plin. Ponekad se tekuća goriva koriste u sustavima male snage (rjeđe - srednje, vrlo rijetko - velike snage). Novi trend je prijelaz kompaktnih plinskih turbinskih sustava na korištenje čvrstih gorivih materijala (ugljen, rjeđe treset i drvo). Ovi trendovi su posljedica činjenice da je plin vrijedna tehnološka sirovina za kemijsku industriju, gdje je njegova upotreba često isplativija nego u energetskom sektoru. Proizvodnja plinskih turbinskih postrojenja koja mogu učinkovito raditi na kruto gorivo aktivno dobiva zamah.

Razlika između ICE i GTU

Temeljna razlika između motora s unutarnjim izgaranjem i plinskih turbina je sljedeća. U motoru s unutarnjim izgaranjem procesi kompresije zraka, izgaranja goriva i širenja produkata izgaranja odvijaju se unutar jednog strukturnog elementa, koji se naziva cilindar motora. U plinskim turbinama ovi procesi su odvojeni u zasebne strukturne jedinice:

• kompresija se vrši u kompresoru;
• sagorijevanje goriva, odnosno u posebnoj komori;
• proširenje produkata izgaranja vrši se u plinskoj turbini.

Kao rezultat toga, strukturno, plinske turbine i motori s unutarnjim izgaranjem imaju malo sličnosti, iako rade prema sličnim termodinamičkim ciklusima.

Zaključak

Razvojom male proizvodnje električne energije, povećanjem njezine učinkovitosti, GTP i STP sustavi zauzimaju sve veći udio u ukupnomenergetski sustav svijeta. Sukladno tome, obećavajuće zanimanje operatera plinskih turbina sve je traženije. Nakon zapadnih partnera, brojni ruski proizvođači ovladali su proizvodnjom isplativih plinskih turbinskih jedinica. Severo-Zapadnaya CHPP u Sankt Peterburgu postala je prva kombinirana elektrana nove generacije u Rusiji.