Принцип работы газотурбинной установки: Газотурбинные установки – ГТУ

Содержание

Принцип работы ГТУ — Энергодиспетчер

В последнее время благодаря СМИ  у  читателя на слуху такие понятия как  газотурбинная установка ГТУ или  парогазовая установка ПГУ (недавно мы публиковали познавтельную статью «Принцип работы ПГУ«.

То и дело в новостях говорят, что, к примеру, на такой то ГРЭС полным  ходом идет строительство  ПГУ -400 МВт, а на другой ТЭЦ-2 включена в  работу установка ГТУ-столько то МВт.  О таких событиях пишут, их освещают, поскольку включение таких мощных и эффективных агрегатов — это не только «галочка» в выполнении государственной программы, но и реальное повышение эффективности работы электростанций, областной энергосистемы и даже объединенной энергосистемы.

Но довести до сведения хочется не о выполнении госпрограмм или прогнозных показателей, а именно о ПГУ и ГТУ.  В этих двух терминах может запутаться не только обыватель, но и начинающий энергетик.

Начнем с того, что проще.

ГТУ — газотурбинная установка — это газовая турбина и электрический генератор, объединенные в одном  корпусе. Ее выгодно устанавливать на ТЭЦ. Это эффективно, и многие реконструкции ТЭЦ направлены на установку  именно таких турбин.

Вот  упрощенный цикл работы тепловой станции:

Газ (топливо) поступает в котел, где сгорает и передает тепло воде, которая выходит из котла в виде пара и крутит паровую турбину. А паровая турбина крутит генератор. Из генератора мы получаем электроэнергию, а пар для промышленных нужд (отопление, подогрев) забираем из турбины при необходимости.

А в газотурбиной  установке газ сгорает и крутит газовую турбину, которая вырабатывают электроэнергию, а выходящие газы превращают воду в пар в котле-утилизаторе, т.е. газ работает с двойной пользой: сначала сгорает и крутит турбину, затем  нагревает воду в котле.

А если саму газотурбинную установку показать еще более развернуто, то будет выглядеть так:

На этом видео наглядно показано какие процессы происходят в газотурбинной установке.

Но еще больше пользы будет в том случае, если и полученный пар заставить работать — пустить его в паровую турбину, чтобы работал еще один генератор!  Вот тогда наша ГТУ станет ПАРО-ГАЗОВОЙ УСАНОВКОЙ (ПГУ).

В итоге ПГУ — это более широкое понятие. Эта установка – самостоятельный энергоблок, где топливо используется один раз, а электроэнергия вырабатывается дважды: в газотурбинной установке и в паровой турбине. Этот цикл очень эффективный, и имеет КПД порядка 57 %! Это очень хороший результат, который позволяет значительно снизить расход топлива на получение киловатт-часа электроэнергии!

В Беларуси для повышения эффективности работы электростанций применяют ГТУ как «надстройку» к существующей схеме ТЭЦ, а ПГУ возводят на ГРЭСах, как самостоятельные энергоблоки. Работая на электростанциях, эти газовые турбины не только повышают «прогнозные технико-экономические показатели», но и улучшают управление генерацией, так как имеют высокую маневренность: быстроту пуска и набора мощности.

Вот какие полезные эти газовые турбины!

Газотурбинная станция принцип работы

На чтение 15 мин Просмотров 452 Опубликовано

Довольно часто возникают ситуации, когда некоторые промышленные и хозяйственные объекты вынужденно располагаются на больших расстояниях от основных электрических сетей. В таких случаях питание подается с помощью передвижных и стационарных установок. В этом списке широко используется газотурбинная электростанция, представляющая собой высокотехнологичную современную конструкцию, обладающую высоким коэффициентом полезного действия. Установки этого типа успешно генерируют электрическую и тепловую энергию, обеспечивая нормальное функционирование закрепленных за ними объектов.

Типовая схема агрегата

Стандартная газотурбинная установка представляет собой тепловую машину, где используется теплоноситель, находящийся в газообразном состоянии, нагретый до высокой температуры. В результате определенных процессов, которые будут рассмотрены ниже, его энергия превращается в механическую.

Конструкция такой электростанции состоит из следующих частей: компрессора, камеры сгорания и самой газовой турбины. Взаимодействие этих компонентов и управление ими в процессе работы обеспечивается специальными вспомогательными системами, входящими в конструкцию установки. Газотурбинная установка и электрический генератор образуют в совокупности газотурбинный агрегат. Мощностью от нескольких десятков киловатт до показателей, измеряемых в мегаваттах. Электростанция, в зависимости от целевого назначения и количества потребителей, имеет одну или несколько газотурбинных установок.

Сама газотурбинная установка разделяется на две части, размещенные в общем корпусе: газогенератор и силовая турбина. Газогенератор состоит из камеры сгорания и турбокомпрессора. Именно здесь создается газовый поток с высокой температурой, оказывающий воздействие на лопатки турбины. Выхлопные газы утилизируются в теплообменнике, и одновременно производят нагрев паровых или водогрейных котлов. Газотурбинные установки могут работать на жидком или газообразном топливе. В стандартном рабочем режиме используется газ, а в критических ситуациях установка автоматически переходит на жидкое топливо.

В нормальных условиях ГТЭС осуществляет комбинированное производство электричества и тепловой энергии. Как правило, они работают в базовом режиме, но при необходимости успешно перекрывают пиковые нагрузки. Вырабатываемое тепло, в количественном отношении существенно выше, чем производимое обычными поршневыми устройствами.

Как работает газотурбинная установка

По сравнению с переносными бензиновыми или дизельными электростанциями, газотурбинные установки имеют более сложную конструкцию и принципиальную схему. Тем не менее, основная задача у тех и других агрегатов совершенно одинаковая: преобразование исходного топлива в электрическую энергию.

Преимуществом газотурбинных установок является возможность дополнительно вырабатывать тепло.

Работа агрегатов этого типа происходит в следующем алгоритме:

  • Газ, поступающий в качестве топлива, вначале воспламеняется, а затем переходит в стадию горения. Образуется газовый поток с высокой температурой, представляющий собой тепловую энергию.
  • Попадая в турбину, раскаленный газ начинает вращать вал, создавая тем самым механическую энергию.
  • С вала турбины вращательный момент передается на ротор генератора, который начинает вырабатывать уже электрическую энергию. Далее она уходит к трансформатору, и пройдя через него, поступает к потребителям.

Газ в турбинный двигатель поступает непрерывным потоком. Вначале воздух сжимается компрессором, смешивается с топливом и в таком виде попадает в камеру сгорания. Смесь воспламеняется, а высокое давление обеспечивает большой выход энергии в виде продуктов горения. Современные модификации агрегатов могут работать не только на газе. В качестве горючего используется дизельное топливо, керосин, нефть. Эти установки отличает высокая производительность и надежность в работе. При поломке какого-либо элемента, ремонт легко производится на месте, что существенно снижает эксплуатационные расходы.

Газотурбинные установки малой мощности отличаются низким расходом смазочных материалов, им не требуется водяное охлаждение. При соблюдении рекомендация завода-изготовителя, они могут безопасно работать в течение длительного времени, без аварий и поломок.

Основные виды газотурбинных агрегатов

Газотурбинные электростанции нашли широкое применения в самых разных сферах. Они снабжают электроэнергией крупные объекты промышленного назначения, удаленные здания и сооружения. В случае необходимости, газотурбинная электростанция в состоянии обеспечить электричеством целые населенные пункты. Агрегаты малой мощности нередко используются в частном секторе и на сельскохозяйственных объектах.

Основным критерием классификации электростанций являются их размеры, в соответствии с которыми выбирается и место их использования:

  • Стационарные установки и сопутствующее оборудование. Монтируются на капитальных неподвижных фундаментах. На них устанавливаются самые мощные турбины и электрические генераторы.
  • Передвижные или мобильные установки. Также обладают высокой мощностью, но при этом могут перемещаться с места на место. Работают не только на газе, но и на жидком топливе.
  • Мини-установки или микротурбины. Вырабатывают электрическую и тепловую энергию, но при этом отличаются компактными размерами и низким уровнем шума во время работы. Последнее качество дает возможность размещать такие агрегаты в непосредственной близости от частных домов. Они могут работать в режиме когенерации, вырабатывая воду и пар для систем отопления, и в режиме тригенерации, преимущественно, в вентиляционных системах.

Преимущества и недостатки ГТЭС

К несомненным плюсам можно отнести следующие:

  • Максимально простое устройство. В отличие от паровой установки, котел не нужен. В связи с этим отсутствуют градирни, паропроводы и другие приспособления. Существенно снижена масса и материалоемкость таких установок.
  • Вода расходуется в минимальном количестве, охлаждая смазку в подшипниках.
  • Быстрый монтаж и ввод в эксплуатацию. Мощный турбогенератор запускается в работу в течение 15-20 минут, а паровая турбина – в течение нескольких часов.
  • Возможность дополнительно производить тепловую энергию, что способствует более быстрой окупаемости установки.
  • Токсичные выбросы отсутствуют, вибрация незначительная. Можно без ограничений использовать в населенных пунктах.
  • Доступное газовое топливо.
  • Использование в труднодоступных районах, где отсутствует центральное электроснабжение.

Тем не менее, нельзя сбрасывать со счетов и определенные минусы, характерные для данного типа установок:

  • Для достижения полезной мощности изначально требуется высокая температура газа – свыше 550 градусов. В связи с этим, для изготовления турбины используются жаростойкие материалы. Требуется система охлаждения мест, подверженных сильному нагреву.
  • Фактическая полезная мощность довольно низкая, поскольку ее значительная часть расходуется на привод компрессорной установки.
  • Твердым видам топлива необходима предварительная обработка.
  • Большие турбины отличаются высоким уровнем шума.

Газотурбинная установка представляет собой универсальное модульное устройство, которое объединяет в себе: электрогенератор, редуктор, газовую турбину и блок управления. Также, присутствует и дополнительное оборудование, такое как: компрессор, устройство запуска, аппарат теплового обмена.

Газотурбинная установка способна функционировать не только лишь в режиме вырабатывания электроэнергии, но и производить совместное производство электрической энергии с тепловой.

Опираясь на то, что пожелает клиент, производство газотурбинных установок способно исполняться с универсальной системой, когда выхлопные газы применяют для получения пара либо же горячей воды.

Схема газотурбинной установки

Данное оборудование имеет два главных блока: турбину силового типа и генератор. Они размещаются в одном блоке.

Схема газотурбинной установки очень проста: газ, образующийся после перегорания топлива, начинает способствовать вращению лопастей самой турбины.

Таким образом, образуется крутящий момент. Это приводит к образованию электрической энергии. Выходящие газы осуществляют превращение воды в пар в котле – утилизаторе. Газ в данном случае работает с двойной пользой.

Циклы газотурбинных установок

Данное оборудование может быть выполнено с разными циклами работы.

Замкнутый цикл газотурбинной установки подразумевает под собой следующее: газ через компрессор подается в калорифер (теплообменник), куда поступает тепло от внешних источников. Затем он подается в газовую турбину, где осуществляется его расширение. Давление газа при этом получается меньше.

После этого газы попадают в холодильную камеру. Тепло оттуда выводится во внешнюю среду. Потом газ направляется в компрессор. Затем цикл возобновляется заново. Сегодня в энергетике аналогичное оборудование почти не применяется.

Производство газотурбинных установок такого типа осуществляется в больших размерах. Также, имеются потери и низкое значение КПД, напрямую зависящее от температурных показателей самого газа до турбины.

Разомкнутый цикл газотурбинной установки используют намного чаще. В этом оборудовании компрессором осуществляет подача воздуха из окружающей среды, который при высоком давлении попадает в специально предназначенную камеру сгорания. Тут происходит сжигание топлива.

Температура органического топлива достигает отметки в 2000 градусов. Это может привести к повреждению металла самой камеры. Чтобы предотвратить это, в нее подается много воздуха, чем это нужно (примерно в 5 раз). Это существенно снижает температуру самого газа и защищает металл.

Схема газотурбинной установки с разомкнутым циклом

Схема газотурбинной установки с разомкнутым циклом выглядит следующим образом: топливо подается в газовую горелку (форсунки), располагаемой внутри жаропрочной трубы. Туда нагнетается и воздух, после чего осуществляется процесс сгорания топлива.

Таких труб несколько и располагаются они концентрически. Поступает воздух в имеющиеся между ними зазоры, создавая защитный барьер и препятствуя выгоранию.

Благодаря трубам и потоку воздуха камера находится в надежной защите от перегревания. При этом на выходе температура газов ниже, чем у самого топлива.

Металл может выдерживать 1000 – 1300°С. Именно такие показатели температуры газов камеры и присутствуют в современных газотурбинных аппаратах.

Отличия газотурбинных установок закрытого и открытого типа

Главное отличие газотурбинных установок закрытого типа от открытого основывается на том, что в первом случае нет камеры сгорания, а применяется нагреватель. Тут происходит нагрев воздуха, при этом, он не участвует в самом процессе образования тепла.

Такое оборудование выполняют исключительно с горением, при неизменной величине давления. Применяется тут органическое либо ядерное топливо.

В ядерных агрегатах используют не воздух, а гелий, углекислый газ либо же азот. К преимуществам такого оборудования можно отнести возможность применять тепло атомного распада, которое выделяется в атомных реакторах.

Благодаря большой концентрации «рабочего тела» стало возможно добиться высоких показаний коэффициента теплоотдачи внутри самого регенератора. Это способствует и повышению уровня регенерации при небольших размерах. Однако такое оборудование широкого применения пока не получило.

Энергетические газотурбинные установки

Энергетические газотурбинные установки еще называют «газотурбинными мини электростанциями». Применяют их в качестве постоянных, аварийных либо резервных источников снабжения городов и труднодоступных районов.

Энергетические газотурбинные установки используют во многих отраслях промышленности:

  • нефтеперерабатывающей;
  • газодобывающей;
  • металлообрабатывающей;
  • лесной и деревообрабатывающей;
  • металлургической;
  • сельского хозяйства;
  • утилизации отходов и т.д.

Виды топлива, использующие в газотурбинных установках?

Данное оборудование способно функционировать на разных видах топлива.

В газотурбинных установках используются следующие виды горючего:

  • природный газ;
  • керосин;
  • биогаз;
  • дизельное топливо;
  • нефтяной газ попутного типа;
  • коксовый, древесный, шахтный газ и другие виды.

Многие такие турбины способны работать и на низкокалорийном виде топлива, в котором содержится небольшое количество метана (порядка 3- процентов).

Другие особенности газотурбинных установок

Отличительные особенности газотурбинных установок:

  • Незначительный вред, причиняемый окружающей среде. Это малый расход масла. Способность работать на отходах самого производства. Выброс в атмосферу вредных веществ составляет 25 ppm.
  • Небольшие габариты и вес. Это позволяет располагать данное оборудование на небольших площадках, что экономит деньги.
  • Незначительный уровень шума, а также вибрации. Данный показатель находится в пределах 80 – 85 дБА.
  • Способность газотурбинного оборудования работать на различном топливе позволяет применять его практически в любом производстве. При этом предприятие сможет само выбирать экономически выгодный вид топлива, опираясь на специфику своей деятельности.
  • Продолжительная работа с минимальной нагрузкой. Это касается и режима холостого хода.
  • На протяжении одной минуты данное оборудование способно выдерживать превышение номинальной величины тока на 150 процентов. А в течение 2 часов – 110 %.
  • При трехфазном симметричном «КЗ» система генератора способна выдержать на протяжении 10 секунд порядка 300 процентов номинального непрерывного тока.
  • Отсутствие водяного охлаждения.
  • Высокая надежность работы.
  • Продолжительный ресурс работы (около 200 000 часов).
  • Использование оборудования в любых климатических условиях.
  • Умеренная цена строительства и небольшие затраты во время самой работы, ремонта и технического обслуживания.

Электрическая мощность газотурбинного оборудования находится в пределах от десятков кВт до нескольких МВт. Максимально большой КПД достигается, если газотурбинная установка функционирует в режиме одновременного производства тепловой и электрической энергии (когенерации).

Благодаря получению недорогой такой энергии, появляется возможность быстрой окупаемости такого рода оборудования. Энергоустановка и котел – утилизатор выходящих газов способствуют более эффективному использованию топлива.

С газотурбинными машинами существенно упростилась задача получения большой мощности. А при выполнении всех тепловых особенностей турбин газового типа, значение большого электрического коэффициента полезного действия отходит на второй план.

Если брать во внимание большое значение температуры выпускных газов газотурбинного оборудования, то можно осуществить комбинацию применения газовой и паровой турбины.

Данное инженерное решение способствует предприятиям значительно наращивать производительность от применения топлива и увеличить электрический КПД до отметки в 57 – 59 процентов. Такой метод очень хороший, но он приводит к финансовым затратам и усложнению конструкции оборудования. Поэтому его часто используют только крупные производства.

Отношение производимой электрической энергии по отношению к тепловой в газотурбинной установке составляет 1 к 2. Таким образом, к примеру, если газотурбинная установка имеет мощность в 10 Мегаватт, то она способна выработать 20 МВт тепловой энергии.

Чтобы осуществить перевод Мегаватт в гигакалории, необходимо использовать специальный коэффициент, который равен 1,163.

В зависимости от того, что именно необходимо заказчику, газотурбинное оборудование может дополнительно оснащаться водонагревательными и паровыми котлами. Это позволяет получать пар с различным давлением, который будет применяться для решения различных производственных задач.

Также, это позволяет получить горячую воду, которая будет иметь стандартную температуру.

Во время совмещенной эксплуатации двух типов энергии, можно получить увеличение коэффициента использования топлива (КИТ) газотурбинной тепловой электростанции до 90 процентов.

При использовании газотурбинных установок в виде оборудования силового типа для мощных ТЭС, а также мини-ТЭЦ, вы получите оправданное экономическое решение. Обусловлено это тем, что сегодня практически все электростанции работают на газе. Они имеют очень низкую для потребителя удельную стоимость, что касается строительства и небольших затрат во время последующего использования.

Лишняя, причем даже бесплатная, тепловая энергия позволяет без каких либо затрат на электроэнергию настроить вентиляцию (кондиционирование) производственных помещений. И это можно делать в любое время года. Охлажденный таким способом теплоноситель, можно использовать для разных промышленных нужд. Такой вид технологии носит название «тригенерация».

Газотурбинные установки на выставке

Центральный комплекс ЦВК «Экспоцентр» – это очень комфортабельная площадка, которая располагается в Москве, вблизи станций метрополитена «Выставочная» и «Деловой центр».

Благодаря высокому профессионализму сотрудников данного комплекса и их компаний, обеспечивается идеальная логистика создания выставок и быстрое оформление таможенных документов, погрузочных, разгрузочных и монтажных работ. Также, осуществляется поддержка постоянной работы установок во время ее презентации.

Выставочная павильонная площадка ЦВК «Экспоцентр» имеет все необходимое оборудование для проведения таких масштабных мероприятий.

Благодаря открытой площадке вы сможете без проблем презентовать свое инновационное или энергоемкое оборудование, которое работает в реальном времени.

Ежегодная международная выставка «Электро» представляет собой крупномасштабное мероприятие в России и СНГ. На нем будет продемонстрировано электрическое оборудование для энергетики, электротехники, промышленной световой техники, а также автоматизации предприятий.

На выставке «Электро», вы сможете увидеть современные тенденции отрасли, от генерации электрической энергии до завершающего ее использования.

Благодаря инновационным технологиям и высококачественному оборудованию ваше предприятие может получить «глоток свежего воздуха» и заново возродиться.

Такая модернизация производства не сможет быть не замечена потребителями ваших услуг и товаров. Такое оборудование способно существенно снизить себестоимость и затраты на электрическую энергию.

Ежегодно данное мероприятие посещают производители из более двадцати стран мира. Посетить его можете и вы. Для этого вам стоит заполнить соответствующую заявку у нас на сайте либо позвонить нам.

У нас на выставке вы сможете презентовать свои новые образцы продукции, полезные модели и изобретения, новые оригинальные товары и многое другое, что относится к энергетике и электрическому оборудованию.

На выставке также будут представлены новые и современные образцы газотурбинных установок.

Газотурбинная электростанция — это сложная, инновационная установка, вырабатывающая тепло и электричество.

Основу ее устройства составляет газотурбинный двигатель, число которых может варьироваться в зависимости от эксплуатационных требований. Газотурбинный двигатель объединяется с электрогенератором энергетическим комплексом. Электростанция может иметь мощность от 20 КВт до сотней МВт. При работе системы при мощности в размере нескольких КВт, ее называют «микротурбиной» или мини газотурбинной электростанцией.

Газотурбинный генератор на заводе

Микротурбины не имеют в своем устройстве редуктора, а частота вращения турбины изменяется в соответствии с изменением нагрузки. В перечень основных работ входит:

  • Когенерация — нагрев воды для отопительных систем;
  • Тригенерация — для вентиляции помещений, охлаждения.

Такие мини электростанции себя высоко зарекомендовали за счет мобильности с общим КПД, который достигает 95%, экономичности, сравнительно небольшими габаритами и низкими показателями шумовыделения.

Благодаря своим качествам, их можно размещать максимально близко к непосредственному потребителю.

Принцип работы газотурбинной электростанции

Принцип работы мини газотурбинных электростанций осуществляется в соответствии с «воздушным строением». Такое строение предусматривает наличие в конструкции аэрокомпрессоров, куда постоянно поступает топливо, продукты сгорания из которого выходят с высокой температурой в диапазоне от 900-1200°С. После прохождения турбины, газы попадают в котел утилизатор, где вырабатывается энергия.

Современные модели отличаются высокой надежностью и производительностью. В случае выхода из строя отдельных элементов системы, ремонт осуществляется на месте, без необходимости в транспортировки, что существенно сказывается на стоимости.

Паровые турбины во время ремонта, оборудования, труб, трубок на электростанции

Низкое потребление смазочного материала, безопасная работа при любой нагрузке, не превышающей рекомендованные производителем, длительный эксплуатационный цикл работы, снятие вопроса водоохлаждения — одни из самых основных положительных свойств в газотурбинных электростанций малой мощности.

Виды топлива и применение

Минитурбины эксплуатируются на следующем сырье:

  • Дизель;
  • Попутный нефтяной газ;
  • Природный газ;
  • Керосин.

Также газотурбинны могут эксплуатироваться в двух сырьевом формате.

Мобильные турбины используются преимущественно как резервный источник энергии при недостатке на момент оснащения дополнительных энергоблоков, работающих на постоянной основе.

Эксплуатация на мобильные станции предполагает режим в момент максимальной нагрузки на основные источники энергии, но актуально использование передвижных станций и в продолжительной перспективе.

Мини газотурбинные станции также широко используются при возникновении аварийных случаев, когда необходимо создать резервные источники энергии на момент устранения дефектов на основных источниках.

Газотурбинные электростанции в России

В связи с общим износом оборудования в сфере энергетики, спрос на газотурбинные электростанции в России постоянно растет. Износ и техническое устаревание ветхого оборудования требует времени и огромных ресурсов на замену или модернизацию, поэтому газотурбинные электростанции — это оптимальное решение для резервного источника тепла и производства электроэнергии.

Газотурбинные установки представляют собой эффективные и оптимальные решения проблем в энергетике для России и мира.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

особенности конструкции и принцип работы

Газотурбинные установки (ГТУ) востребованы в промышленности, транспортной сфере, широко используются в энергетической отрасли. Это не очень сложное по конструкции оборудование, которые имеет высокий КПД и экономично в использовании.

Газовые турбины во многом схожи с двигателями, работающими на дизеле или бензине: как и в ДВС, тепловая энергия, получаемая при сгорании топлива, переходит в механическую. При этом в установках открытого типа используются продукты сгорания, в закрытых системах — газ или обычный воздух. Одинаково востребованы и те, и другие. Кроме открытых и закрытых, различают турбокомпрессорные турбины и установки со свободно-поршневыми газогенераторами.

Проще всего рассмотреть конструкцию и принцип работы газовой турбины на установке турбокомпрессорного типа, которая работает при постоянном давлении.

Конструкция газовой турбины

Газовая турбина состоит из компрессора, воздухопровода, камеры сгорания, форсунки, проточной части, неподвижных и рабочих лопаток, патрубка для отработанных газов, редуктора, гребного винта и пускового двигателя.

За запуск турбины отвечает пусковой двигатель. Он приводит в движение компрессор, который раскручивается до нужной частоты вращения. Затем:

  • компрессор захватывает воздух из атмосферы и сжимает его;
  • воздух отправляется в камеру сгорания через воздухопровод;
  • через форсунку в ту же камеру входит топливо;
  • газ и воздух смешиваются и сгорают при постоянном давлении, в результате образуются продукты сгорания;
  • продукты сгорания охлаждают с помощью воздуха, после чего они поступают в проточную часть;
  • в неподвижных лопатках смесь газов расширяется и ускоряется, затем направляется на рабочие лопатки и приводит их в движение;
  • отработанная смесь выходит из турбины, по патрубку;
  • турбина передает кинетическую энергию компрессору и гребному винту посредством редуктора.

Таким образом, газ в смеси с воздухом, сгорая, образует рабочую среду, которая, расширяясь, ускоряется и раскручивает лопатки, а за ними — и гребной винт. В последующем кинетическая энергия превращается в электричество или используется для передвижения морского судна.

Сэкономить на топливе можно, используя принцип регенерации тепла. В этом случае воздух, поступающий в турбину, согревается за счет отработанных газов. В результате установка расходует меньше топлива и происходит больше кинетической энергии. Регенератор, где подогревается воздух, одновременно служит для охлаждения отработанных газов.

Особенности ГТУ закрытого типа

Газовая турбина открытого типа забирает воздух из атмосферы и выводит отработанный газ наружу. Это не очень эффективно и опасно, если установка стоит в закрытом помещении, где работают люди. В этом случае используют ГТУ закрытого типа. Такие турбины не выпускают отработанные рабочее тело в атмосферу, а направляют его в компрессор. Оно не перемешивается с продуктами сгорания. Как результат, рабочая среда, циркулирующая в турбине, остается чистой, что увеличивает ресурс установки и сокращает количество поломок.

Однако закрытые турбины имеют слишком большие габариты. Газы, которые не выходят наружу, должны быть достаточно эффективно охлаждены. Это возможно только в больших теплообменниках. Поэтому установки используют на крупных судах, где достаточно места.

Закрытые ГТУ могут иметь и ядерный реактор. В качестве теплоносителя в них используют углекислый газ, гелий или азот. Газ нагревают в реакторе и направляют в турбину.

ГТУ и их отличия от паровых турбин и ДВС

Газовые турбины отличаются от ДВС более простой конструкцией и легкостью ремонта. Важно и то, что в них не предусмотрен кривошипно-шатунный механизм, который делает ДВС громоздким и тяжелым. Турбина легче и меньше двигателя аналогичной мощности приблизительно в два раза. Кроме того, она может работать на топливе низкого сорта.

От паровых газовые турбины отличаются небольшими габаритами и простым запуском. Обслуживать их легче, чем установки, работающие на пару.

Имеют турбины и недостатки: они не настолько экономичны по сравнению с ДВС, сильнее шумят, быстрее приходят в негодность. Впрочем, это не мешает использовать ГТУ в транспорте, промышленности и даже быту. Турбины устанавливают на морских и речных судах, используют в электростанциях, насосном оборудовании и многих других сферах. Они удобны и мобильны, поэтому применяются достаточно часто.

 

23 августа 2017

Поделитесь ссылкой со своими друзьями:

3.7. Основные элементы энергетических газотурбинных установок и их назначение

3.7. Основные элементы энергетических газотурбинных установок и их назначение

В принципах конструирования газотурбинных установок можно выделить две основные тенденции. Первая базируется на традициях конструирования, свойственного паротурбостроению, вторая основана на подходах, характерных для авиационных газотурбинных двигателей. Собственно значительная часть первых стационарных энергетических газотурбинных установок, выпускаемых ведущими турбостроительными фирмами мира, создавалась на базе конструктивных традиций паротурбостроения. В дальнейшем по мере развития авиационных газотурбинных двигателей большая часть фирм для конструирования стационарных энергетических газотурбинных установок стала использовать подходы и опыт авиационного двигателестроения и близкого к нему судового газотурбостроения. Можно утверждать, что именно такие установки в существенной степени формируют облик современных стационарных энергетических газотурбинных установок.

Газотурбинной установкой называется двигатель, в котором сжатый в компрессоре воздух подается в камеру сгорания, где к нему подводится теплота, а образовавшийся горячий газ, поступая в лопаточный аппарат турбины, преобразует свою потенциальную энергию в кинетическую; последняя на лопатках рабочих колес превращается в механическую энергию, передавая её вращающемуся непрерывно валу, соединенному с компрессором и нагрузочным устройством.

Для газотурбинных установок, создаваемых на конструктивной базе паротурбинных установок, характерны более умеренные температуры газа в сравнении с газотурбинными установками, создаваемыми на базе авиационных газотурбинных двигателей. Им свойствены одновальные схемы с массивными, обладающими высокой жесткостью, цельнокованными или сварными барабанно-дисковыми двухопорными роторами. Достаточно часто также применяется конструктивная схема с выделенной силовой турбиной, т.е. схема, когда компрессор приводится турбиной высокого давления, а турбина низкого давления работает на привод нагрузки (рис. 3.19).

Охлаждение роторов, как правило, производится продувкой воздуха через монтажные зазоры в хвостовых соединениях лопаток и дисков. При высоких температурах газа рабочие лопатки первой ступени выполняются охлаждаемыми. Статоры таких установок образуют несущие силовую нагрузку массивные наружные литые корпуса с тепловой изоляцией по их внутренней поверхности. Здесь устанавливаются обоймы с расположенными в них сопловыми аппаратами. Сопловые лопатки первой ступени охлаждаемые. Охлаждение статора обычно осуществляется продувкой воздухом наружных поверхностей обойм. В конструкциях используются как выносные, так и встроенные блочные камеры сгорания. Преимущества выносных камер сгорания в том, что в них можно обеспечить более эффективный процесс сгорания топлива, большую полноту сгорания, меньшие вредные выбросы в атмосферу и большую равномерность температурных полей газа на входе в турбину. Недостаток – увеличение массогабаритных характеристик установки, часто и увеличение гидравлического сопротивления тракта. В первом случае обычно делаются одна или две, три камеры. Таким образом, направление движения потоков газа и воздуха изменяется несколько раз. В установках этого типа применяются подшипники скольжения.

Газотурбинные установки, которые создаются на основе традиций авиационного газотурбостроения, имеют свои вполне определенные конструктивные особенности. Здесь распространены как одновальные (рис. 3.20), так и двухвальные двухи трехопорные роторные схемы с разделенными компрессорами и турбинами низкого и высокого давления (рис. 3.21). Роторы таких установок составные дисковые с одной центральной или несколькими периферийными стяжками. Боковые поверхности дисков турбин, как правило, закрыты дефлекторными или покрывными дисками. Охлаждение роторов осуществляется продувкой боковых поверхностей дисков, а также зоны хвостовых соединений лопаток и дисков. Рабочие лопатки первой, а чаще всего и второй ступени охлаждаемые. В установках этого типа применяются как подшипники скольжения, так и хорошо отработанные и рассчитанные на длительный ресурс подшипники качения.

Рис. 3.19. Конструктивная схема и внешний вид одновальной ГТУ для энергетики (UGT 110000), «Зоря»–«Машпроект»: 1 – входное направляющее устройство; 2 – компрессор; 3 – камера сгорания; 4 – турбина; 5 – рама

В установках применяются встроенные блочные камеры сгорания, расположенные между компрессором и турбиной высокого давления. Такая компоновка основных узлов и элементов конструкции обеспечивает прямоточность потоков воздуха и газа в установке, благодаря чему улучшаются массогабаритные показатели, а также снижаются гидравлические потери в газовоздушном тракте установки. Прямоточность газовоздушных потоков в таких конструкциях с разделенными роторами турбин высокого и низкого давления вынуждает применять либо «горячий» средний подшипник (подшипник, находящийся внутри газохода между компрессорной и силовой турбиной), либо консольное расположение самих турбин, с размещенным снаружи подшипником силовой турбины.

Статорные части в таких конструкциях обычно двухстенные и состоят из наружного силового корпуса, воспринимающего механические нагрузки и давление рабочего тела, а также тонкостенного жаростойкого внутреннего корпуса (см. рис. 3.21). Элементы, соединяющие их, выполняются с максимально возможным тепловым сопротивлением и минимально возможной площадью контактов, что способствует минимальной передаче теплоты от газа к наружному корпусу. Часть теплоты снимается продувкой полостей между корпусами охлаждающим воздухом, а также охлаждением элементов, соединяющих корпуса. Ещё часть теплоты отсекается от силового корпуса за счет применения тепловых экранов с воздушными прослойками в полости между корпусами, а в некоторых случаях за счет применения изоляции на внутренней поверхности корпуса. Сопловые лопатки обычно связываются в диафрагме блоками или по отдельности с помощью бандажных колец. Установка диафрагм в наружном корпусе осуществляется либо за счет установочных колец, либо за счет обоймы, закатываемой в наружный корпус. Сопловые лопатки первой, а часто и второй ступени в современных газотурбинных установках охлаждаемые.

Рис. 3.20. Газотурбинная установка MS6001 и ее ротор, фирма GE («Дженерал электрик»)

Основные элементы современных газотурбинных установок. Компрессор газотурбинных установок предназначен для сжатия больших объемов воздуха до расчетных давлений и обеспечения устойчивой работы на переменных режимах работы установки. Степень сжатия современных компрессоров достигает 16–30, а расходы воздуха 300–700 кг/с. Наибольшее распространение в энергетических газотурбинных установках получили многоступенчатые осевые компрессоры с составными дисковыми роторами. Очень редко применяются центробежные компрессоры в установках небольшой мощности. Назначение камеры сгорания состоит в организации эффективного и устойчивого сжигания топлива в воздушном потоке от компрессора. Камера сгорания должна обеспечить полное сжигание топлива независимо от величины коэффициента избытка воздуха, минимальные потери давления, равномерное температурное поле за камерой, устойчивое зажигание и горение на переменных режимах работы установки. Наиболее распространенной является цилиндрическая конструкция камер сгорания с блочно-кольцевой компоновкой их. Иногда некоторые фирмы применяют конструкции с одной или двумя выносными камерами сгорания для создания более благоприятных условий процесса сжигания топлива, а также конструкции с кольцевыми и вихревыми камерами сгорания.

Газовая турбина, основными элементами которой являются сопловые лопатки, установленные в статорной части, и рабочие лопатки, установленные на роторной части газотурбинной установки, предназначена для преобразования потенциальной энергии потока рабочего тела в механическую энергию вращающегося вала с дальнейшей передачей ее электрогенератору, нагнетателю природного газа и другим нагрузочным устройствам. Электрические мощности современных энергетических ГТУ достигают 260–280 МВт.

Рис. 3.21. Газотурбинный двигатель UGТ15000+ ГП НПКП «Зоря»–«Машпроект»: 1 – входное направляющее устройство; 2 – компрессор низкого давления; 3 – компрессор высокого давления; 4 – форсунка; 5 – камера сгорания; 6 – турбина высокого давления; 7 – турбина низкого давления; 8 – силовая турбина; 9 – фланец отбора мощности; 10 – коробка приводов; 11 – электростартеры; 12 – рама

Поскольку температуры газа перед турбиной в современных энергетических ГТУ достигают весьма высоких значений (до 1200–1300°С), практически все основные узлы и детали газовых турбин – статор, сопловые и рабочие лопатки, ротор – имеют развитые системы воздушного охлаждения. В подавляющем большинстве случаев используются составные дисковые конструкции роторов газовых турбин (см. рис. 3.20, 3.21).

Практическое применение в энергетических стационарных ГТУ нашли две конструктивные схемы – одновальная и двухвальная. В случае использования одной и той же турбины для привода компрессора и производства полезной работы роторы турбины и компрессора представляют собой одно целое. Достоинство этой схемы в конструктивной простоте и снижении массы установки. Недостаток – уменьшение области эффективной работы установки на частичных нагрузках, особенно при больших степенях сжатия (числе ступеней компрессора). Применение регулируемого поворотного направляющего аппарата компрессора в существенной степени избавляет от этого недостатка, однако не исключает его совсем.

Разделение турбинной группы на две части, одной на привод только компрессора, а другой на выработку полезной мощности, благоприятно отражается на характеристиках как стационарных, так и транспортных газотурбинных установок. Связь турбин осуществляется газодинамическим путем, при этом обеспечивается работа турбины низкого давления (силовой турбины) с постоянной скоростью вращения ротора при всех нагрузках, что необходимо для производства электрического тока постоянной частоты.

Рост параметров рабочего тела перед турбиной и соответствующее увеличение степени сжатия в компрессоре могут осуществляться разделением компрессора на компрессор низкого и высокого давления с соответствующим разделением турбины на турбину высокого давления для привода компрессора высокого давления и турбину низкого давления для привода компрессора низкого давления и нагрузочных устройств через полый вал группы высокого давления. Это позволяет увеличить число ступеней компрессора и, следовательно, степень сжатия, а также улучшить характеристики приемистости установки.

Каждая газотурбинная установка обеспечивается рядом систем, относимых к вспомогательным, без которых, однако, работа установки невозможна. К ним относятся система смазки, обеспечивающей работу подшипников и редукторов, система регулирования, в которую можно включить и топливную систему, обеспечивающие устойчивую и надёжную работу установки на любом расчетном режиме от холостого хода до номинальной нагрузки, а также на режимах пуска и останова, система очистки воздуха и шумоглушения, а также система пуска установки. Важнейшую роль в обеспечении надёжной и высокоэкономичной работы газотурбинных установок играет система охлаждения или тепловой защиты установки, которая по сути состоит из ряда автономных систем, охлаждающих наиболее горячие и напряженные детали и узлы установки и поддерживающих расчетный уровень термонапряженного состояния деталей. Системы охлаждения стационарных энергетических газотурбинных установок в качестве охладителя используют исключительно цикловой воздух, отбираемый из компрессора. К числу наиболее важных, определяющих работоспособность и надёжность двигателя следует отнести системы охлаждения сопловых и рабочих лопаток, а также камер сгорания и роторов турбин. На рис. 3.22 показана стационарная ГТЭ-160 (это энергетическая ГТУ V-94.2, выпускаемая по лицензии фирмы «Сименс» на ЛМЗ) мощностью 159 МВт и с к.п.д. 34,5%, выполненная по одновальной схеме. Ротор компрессора 16-ступенчатый, дискового типа. Турбина 4-ступенчатая; в рабочих лопатках первых двух ступеней и сопловых аппаратах первых трех ступеней турбины применено конвективно-пленочное воздушное охлаждение. Четыре таких ГТЭ-160 успешно работают на двух энергоблоках Северо-Западной ТЭЦ г. Санкт-Петербурга.

Рис. 3.22. Стационарная газовая турбина V-94.2

Развитие и совершенствование современного стационарного энергетического газотурбостроения в направлении повышения экономичности и надёжности работы газотурбинных установок определяются по сути следующими факторами:

  • термодинамическими законами, описывающими рабочие циклы газотурбинной установки, и возможностями реализации выбранных циклов;
  • возможностями современного материаловедения по созданию новых жаропрочных и жаростойких материалов;
  • возможностями создания новых, высокоэффективных, надёжных систем охлаждения, обеспечивающих дальнейшее повышение начальной температуры газа в цикле;
  • возможностями аэродинамического совершенствования процессов течения в проточной части газотурбинной установки.

Последние два фактора в свою очередь определяются возможностями современных технологий, применяемых в турбостроении, обеспечивающих изготовление лопаточных аппаратов и систем охлаждения нового типа.

3.2. Схемы и принцип работы газотурбинных установок

Термин турбина происходит от латинского слова turbineus — вихреобразный, или turbo — волчок. Турбина и есть двигатель, в котором механическая работа на валу силовой турбины получается за счет преобразования кинетической энергии газовой струи, которая, в свою очередь, получается в результате преобразования потенциальной энергии — энергии сгоревшего топлива, подведенного к камере сгорания, в поток воздуха.

В основе современных представлений о превращении теплоты в работу в двигателях внутреннего сгорания лежат два важнейших положения термодинамики: во-первых, невозможность создания вечного двигателя первого рода, т.е. такого двигателя, который без затраты какой-либо энергии может производить механическую работу (следствие первого начала термодинамики) и, во-вторых, невозможность создания вечного двигателя второго рода, в котором бы теплота полностью превращалась в работу (следствие второго начала термодинамики).

Поэтому непременным условием создания любого теплового двигателя является наличие материальной среды — рабочего тела и, по меньшей мере, двух тепловых источников: источника высокой температуры (нагреватель), от которого получают теплоту для преобразования части ее в работу, и источника низкой температуры, которому отдается часть неиспользованной в двигателе теплоты.

Следовательно, каждый двигатель внутреннего сгорания должен состоять из нагревателя, расширительной машины, холодильника и компрессорной машины. Так как процесс превращения теплоты в работу происходит непрерывно, то необходимо непрерывно, наряду с расширением, осуществлять процесс сжатия рабочего тела, причем при таких условиях, чтобы работа сжатия была естественно меньше работы расширения. Получаемая полезная работа определяется как разность работ расширения и сжатия рабочего тела.

Характерной особенностью осуществления круговых процессов в газотурбинных двигателях является то, что все основные процессы цикла — сжатие, подвод теплоты, расширение непрерывно осуществляются в различных элементах двигателя (компрессор, камера сгорания, газовая турбина), расположенных последовательно по ходу рабочего тела.

В зависимости от способов подвода теплоты к рабочему телу, организации процессов сжатия и расширения рабочего тела газотурбинные установки могут быть выполнены по различным схемам (рис. 3.1). ГТУ простейшего цикла в механическом отношении могут быть выполнены как одновальные (рис. 3.1,а), так и двухвальные (рис. 3.1,б).

В одновальных установках все элементы газоперекачивающего агрегата (ГПА) — осевой компрессор, газовая турбина и нагнетатель находятся на одном валу, что естественно приводит к тому, что при работе все они имеют одну и ту же частоту вращения. Различный закон изменения характеристик газопровода и одновальной ГТУ приводит к тому, что при снижении частоты вращения, одновальная ГТУ быстрее теряет мощность, чем снижается мощность, потребляемая нагнетателем. Это приводит к тому, что одновальная ГТУ будет обеспечивать режим работы нагнетателя только в ограниченном диапазоне изменения частоты вращения. При ухудшении КПД нагнетателя или элементов ГТУ осуществить оптимальную работу ГПА с приводом от одновальной ГТУ без перепуска и дросселирования газа или без существенного повышения температуры газа перед ТВД будет уже трудно. Все это привело к тому, что в настоящее время одновальные ГТУ для перекачки газа на газопроводах не используются.

В установках с разрезным валом, или с независимой силовой турбиной, где вал полезной мощности выделен от турбокомпрессора, нет такой однозначной связи и нагнетатель может практически иметь любую частоту вращения, ему необходимую. Следовательно, у двухвальной ГТУ каждому режиму работы системы ГТУ — нагнетатель, т.е. требованию = idem, соответствует ряд значений по компрессору в границах изменения температуры наружного воздуха (при заданной температуре газов перед турбиной) или наоборот.

При постоянной частоте вращения вала осевого компрессора и переменной частоте вращения силового вала, температура перед газовой турбиной высокого давления может практически оставаться постоянной в достаточно широком диапазоне изменения частоты вращения вала силовой турбины. Это значит, что полезная мощность ГТУ будет изменяться пропорционально изменению КПД силовой турбины.

Кроме того, двухвальные ГТУ имеют несколько лучшие экономические характеристики не только на частичных нагрузках, но и на расчетной, когда одновальная установка, имея некоторый запас по мощности, на номинальной нагрузке будет обеспечивать режим работы нагнетателя ниже расчетного.

Благодаря этим особенностям, двухвальные установки с регенерацией (3.1в) и без регенерации (3.1б) теплоты отходящих газов и получили широкое распространение на газопроводах.

Рис. 3.1. (а,б) — Простейшие схемы ГТУ открытого типа; (в) — ГТУ с регенерацией теплоты отходящих газов; (г) — ГТУ простого цикла с двумя компрессорами; (д) — ГТУ с промежуточным подводом теплоты при сжатии и промежуточным отводом

теплоты при расширении с регенерацией теплоты:

К — осевой компрессор; КС — камера сгорания; Р — регенератор, ТВД — турбина высокого давлеия; ТНД — турбина низкого давления; ТСД — турбина среднего давления; Н — нагнетатель; ПО — рекуператор (промежуточный холодильник)

Рабочий процесс установки с регенерацией теплоты отходящих газов осуществляется следующим образом: атмосферный воздух после прохождения системы фильтров (на схеме они не показаны) и сжатия в осевом компрессоре (К) поступает в воздухоподогреватель (регенератор) (Р), где за счет использования теплоты отходящих из турбины газов его температура повышается на 200-250 °С. После регенератора сжатый воздух поступает в камеру сгорания (КС), куда одновременно извне подводится топливный газ. В результате сжигания топлива температура образовавшихся продуктов сгорания перед газовой турбиной высокого давления (ТВД) доводится до величины, обусловленной жаростойкостью дисков и лопаток турбины. После расширения в газовой турбине продукты сгорания проходят регенератор, в котором они частично охлаждаются, отдавая часть теплоты воздуху, идущему из осевого компрессора в камеру сгорания, и затем через дымовую трубу выбрасываются в атмосферу.

Сверху, рис. 3.1в показаны процессы, характеризующие образование цикла ГТУ в координатах и . На этих графиках процесс 1-2 — характеризует сжатие в осевом компрессоре; 2-3 — процесс подвода теплоты в регенераторе и камере сгорания; 3-4 — процесс расширения рабочего тела в газовой турбине; 4-1- процесс выхлопа рабочего тела в атмосферу. Здесь же приведен цикл ГТУ и в координатах . Линиями 1-2’ и 3-4’ отмечены соответственно реальные процессы сжатия и расширения рабочего тела в цикле, штриховыми 1-2 и 3-4 — процессы сжатия и расширения в идеальном цикле ГТУ.

Коэффициент полезного действия установок с регенерацией теплоты отходящих газов при существующих параметрах цикла может достигать величины 32-35%, что во всех случаях при тех же параметрах цикла на 4-5% больше, чем в установках без регенерации теплоты отходящих газов.

В настоящее время около тысячи агрегатов, в основном мощностью 6 и 10 МВт, эксплуатируются в ОАО «Газпром» с пластинчатыми регенераторами теплоты (рис. 3.2). Однако необходимо отметить, что эти пластинчатые регенераторы имеют ряд конструктивных и технологических недоработок, которые после нескольких десятков пусков и остановок ГТУ начинают сказываться на потере герметичности регенератора. В результате регенератор теряет свои показатели, падает степень регенерации, а следовательно и ухудшаются характеристики ГТУ. В настоящий момент на смену им приходят трубчатые и термопластинчатые регенераторы.

Регенераторы экономически эффективно устанавливать на компрессорных станциях, где загрузка по времени работы составляет не менее 80 %. Чисто конструктивно такие ГТУ имеют низкую степень сжатия за осевым компрессором и вследствие этого получается значительная разница температуры воздуха за осевым компрессором и температуры отработанных газов, что обеспечивает высокий коэффициент регенерации теплоты в ГТУ.

Рис. 3.2. Воздухоподогреватель (регенератор) пластинчатого типа:

1 — теплообменные поверхности; 2 — ребра; 3 — коллектор; 4 — опора

Тем не менее, регенерация теплоты отходящих газов с использованием герметичных регенераторов (в частности, трубчатых) остается одним из наиболее доступных и термодинамически эффективных способов повышения экономичности ГТУ в эксплуатационных условиях, когда одним из главных направлений по дальнейшему совершенствованию газотранспортной системы страны является разработка и использование ресурсоэнергосберегающих технологий при транспорте природных газов.

О целесообразности использования регенеративных ГТУ на КС свидетельствует и тот факт, что в последние годы отмечены случаи перевода ряда эксплуатируемых безрегенеративных установок типов ГТК-10И и ГТК-25И на работу по регенеративному циклу с использованием для этого регенераторов трубчатого типа (рис. 3.3).

Рис. 3.3. Воздухоподогреватель (регенератор) трубчатого типа:

1 — трубчатый пучок; 2 — трубная доска; 3 — разделительная трубная доска; 4 — камера продуктов сгорания; 5 — коллектор; 6 — опора

Вопрос о целесообразности применения регенеративных ГТУ на газопроводах должен решаться на основе термодинамических и основанных на них технико-экономических расчетах с учетом накопленного опыта эксплуатации установок подобного типа и для каждой конкретной станции индивидуально, исходя из цены на энергоносители.

На рис. 3.1г приведена схема ГТУ простого цикла с двумя осевыми компрессорами без промежуточного охлаждения воздуха между ними и независимой силовой турбиной для привода нагнетателя. Установки подобных схем, созданные по типу авиационных ГТУ, позволяют получить в цикле высокую степень сжатия (до 18-25) и обеспечить оптимальную работу компрессоров на пусковых и переменных режимах. Высокая степень сжатия при относительно высоких температурах продуктов сгорания перед турбиной, позволяет получить в таких установках КПД на уровне 33-35% и выше. Компактность таких установок достигается размещением обоих компрессоров, камер сгорания и газовых турбин в одном корпусе. Привод компрессоров низкого и высокого давления осуществляется соответственно от турбины среднего и высокого давления, используя схему «вал в валу».

Опыт эксплуатации газоперекачивающих агрегатов типа ГТН-25-1, производства НЗЛ, который реализовал этот цикл с двумя осевыми компрессорами, показал, что агрегаты данной конструкции имеют очень низкую надежность и большие затраты при проведении ремонта.

Газотурбинные установки более сложных теплотехнических схем (рис. 3.1д) — с промежуточным отводом теплоты в процессе сжатия, промежуточным подводом теплоты в процессе расширения и с регенератором, при существующих достижениях в области компрессоростроения и турбостроения позволяют достичь КПД установки на уровне 43-47%. Цикл такого двигателя в координатах приведен на рис. 3.4.

Рис. 3.4. Цикл ГТУ с промежуточным отводом теплоты в процессе сжатия

и промежуточным подводом теплоты в процессе расширения

По линии 1-2 здесь осуществляется сжатие воздуха в компрессоре К1 с подводом к нему работы () от турбины среднего давления (см. рис. 3.1д), по линии 2-3 осуществляется отвод теплоты от воздуха в промежуточном холодильнике (ПО). По линии 3-4 осуществляется дальнейшее сжатие воздуха в компрессоре высокого давления (К), с подводом к нему работы () от турбины высокого давления. По линии 4-6 осуществляется подвод теплоты, вначале в регенераторе на участке 4-5, а затем в камере сгорания высокого давления (КС). После камеры сгорания (КС), продукты сгорания, расширяясь в ТВД, совершают работу (), идущую на привод компрессора (К). После ТВД продукты сгорания направляются в камеру сгорания (КС), где их температура за счет дополнительного подвода теплоты на линии 7-8 вновь доводится до уровня температуры, равной температуре перед ТВД. По линии 8-9 происходит дальнейшее расширение продуктов сгорания, вначале в турбине среднего давления и далее в силовой турбине с получением работы. Работа турбины среднего давления идет на привод компрессора (К), работа силовой турбины — на привод полезной нагрузки.

Рассмотренный трехвальный двигатель с теплотехническими мероприятиями позволяет получить не только высокий КПД на расчетной нагрузке, но и практически удержать его при нагрузке до 50-60% от номинальной, имея максимум КПД в интервале 80-90% номинальной мощности.

При кажущейся сложности такой трехвальный двигатель может быть выполнен весьма компактным.

Повышение экономичности ГПА с газотурбинным приводом за счет рационального использования теплоты отходящих газов, можно достаточно хорошо осуществить путем использования установок так называемого парогазового цикла (рис. 3.5), сочетающих в себе цикл газовой турбины на уровне высоких температур рабочего тела и цикл паровой турбины, работающий на отходящих продуктах сгорания ГТУ. По этой схеме продукты сгорания ГТУ после турбины низкого давления поступают в котел-утилизатор для выработки пара высокого давления. Полученный пар из котла-утилизатора поступает в паровую турбину, где, расширяясь, вырабатывает полезную работу, идущую на привод нагнетателя или электрогенератора. Отработанный пар после паровой турбины проходит конденсатор, конденсируется, и полученная жидкость насосом вновь направляется в котел-утилизатор, замыкая цикл силовой установки. Схема цикла парогазовой установки в координатах приведена на рис. 3.6.

Рис. 3.5. Принципиальная схема ПГУ с котлом — утилизатором:

ОК — осевой компрессор; КС — камера сгорания; ГТ — газовая турбина; Н — нагнетатель; КУ — котел-утилизатор; ПТ — паровая турбина; ЭЛ — электрогенератор; К — конденсатор; КН — конденсатный насос; Д — деаэратор; ПН — питательный насос

Рис. 3.6. Схема цикла парогазовой установки в координатах

На этой схеме в верхней её части показан цикл ГТУ, в нижней части — цикл паросиловой установки. На линии 1-2 цикла ГТУ осуществляется процесс сжатия воздуха в осевом компрессоре, на линии 2-3 — подвод теплоты в регенераторе и камере сгорания, на линии 3-4 — процесс расширения продуктов сгорания в турбине, на участке 4-5 линии 4-1 — осуществляется отвод теплоты от продуктов сгорания, прошедших газовую турбину к воде и пару в котле-утилизаторе паросиловой установки.

Подвод теплоты к воде в котле-утилизаторе идет на линии 1’-2’, где она нагревается до температуры кипения. Дело в том, что температура воды на входе в котел-утилизатор практически равна ее температуре на выходе из конденсатора и лежит значительно ниже температуры кипения, соответствующей давлению воды () на выходе из насоса. Поэтому в паровом котле вода вначале нагревается при постоянном давлении () до температуры кипения по линии 1’-2’ и испаряется, превращаясь в сухой насыщенный пар (линия 2’-3’). Полученный пар поступает в пароперегреватель, который обычно составляет одно целое с паровым котлом, перегревается там (линия 3’-4’) до нужной температуры (t) и затем поступает в паровую турбину, где расширяется по линии 4’-5’. На линии 5’-1’ пар конденсируется в конденсаторе и вода насосом вновь подается в котел-утилизатор. Цикл замыкается.

Установки подобных схем находят применение в стационарной энергетике, отдельные образы используются на газопроводах Германии. В 1995 г. была принята в эксплуатацию первая опытно-промышленная парогазовая установка в России на КС «Грязовец» на базе ГТН-25 и паротурбинной установки мощностью 10 МВт. В настоящий момент разрабатывается большой ряд установок парогазового цикла, мощностью от 0,5 до 6 МВт, которые будут применяться на компрессорных станциях для выработки электроэнергии. КПД схем подобных установок может достигать величины 45-50%. В значительной степени это зависит от значения мощности, которая при этом вырабатывается паровой турбиной. Однако к недостаткам этой схемы следует отнести определенное удорожание энергопривода КС, усложнение эксплуатации подобных установок на газопроводах, особенно в суровых природно-климатических условиях, необходимость водоподготовки и т.д. Все это позволяет утверждать, что эти установки не выйдут из стадии использования на КС отдельных опытно-промышленных образцов.

Предпочтение в эксплуатации будет отдаваться главным образом двухвальным установкам простейших схем с регенерацией или без регенерации теплоты отходящих газов.

ГАЗОТУРБИННЫЕ УСТАНОВКИ (ГТУ) %

ГАЗОТУРБИННЫЕ УСТАНОВКИ (ГТУ): НЕОБХОДИМОСТЬ И ПЕРСПЕКТИВЫ

ГАЗОВЫЕ ТУРБИНЫ – МЕСТО В ЭНЕРГОСИСТЕМЕ СТРАНЫ
Современное состояние энергетики обусловлено, с одной стороны, постоянным ростом мощностей в производственном секторе экономики страны, с другой стороны, исследовательской и инновационной деятельностью, внедрением научных разработок, которые позволяют снижать затраты, модернизировать и развивать энергосистему страны.
В этой системе особое место занимают паровые и газотурбинные установки (ГТУ).
ИСТОРИЯ СОЗДАНИЯ И РАЗВИТИЯ ГТУ
За тысячелетия истории человеческая культура научилась эффективно использовать силу ветра и воды для совершения работы. Зарождение капиталистических отношений, особенно промышленная добыча полезных ископаемых, обусловило развитие двигательных мощностей. Ветряные и гидравлические машины уже не справлялись с задачами, стоявшими перед производственниками.
В 1765 г. ученый И. И. Ползунов разработал двухцилиндровую пароатмосферную машину мощностью в сорок лошадиных сил. Спустя 20 лет Джемс Уатт представил миру свои разработки. В ХIXв. Уже широко используются паровые машины, на смену которым постепенно приходят двигатели внутреннего сгорания. В 1909-1911г. инженером Гольцвартом были разработаны экспериментальные газотурбинные механизмы, доработанные в сотрудничестве со Стодолой, позже получившие развитие в ряде работ.
Сегодня газовые турбины являются неотъемлемой частью энергосистемы страны, но сфера их применения гораздо шире: от использования в авиации и заканчивая производством синтетического топлива. Всестороннее использование механизмов на базе ГТУ обуславливает необходимость знания принципов их работы для специалистов, заведующих тепловым и энергетическим производством.

ГАЗОВЫЕ ТУРБИНЫ СОВРЕМЕННОСТИ: ПРИНЦИПЫ СТРОЕНИЯ И ВИДЫ
ГТУ, являясь тепловым двигателем, объединяет в себе механизмы паровой турбины и двигателя внутреннего сгорания, который используется для преобразования энергии горения топлива в механическую работу.
Проектирование и конструирование ГТУ является сложнейшим процессом с использованием основ аэродинамики, термодинамики, теплопроводности, свойств металлов и еще десятка наук.
Основные элементы газовоздушной турбинной установки: электрогенератор, редуктор, компрессор, камера сгорания, блок управления и сама турбина (лопатки, лопасти, диски и т.п.) Направляющие и рабочие лопатки являются основными деталями газовых турбин. На лопаточный аппарат приходится удельная доля себестоимости агрегата.
Газовые турбины построены с использованием открытого цикла либо закрытого цикла. Первые в результате производят не только энергию (работу), но и продукты горения топлива. ГТУ, организованные по второму принципу, экологически чисты, а продуктом горения является пар.
Газовоздушные установки работают на любом топливе – от керосина до дизтоплива.
Устройства закрытого цикла редко применяются в современной промышленности из-за низкого КПД.
Отличие газотурбинных установок закрытого и открытого цикла состоит в разнице конструкции. В первом случае применяется не камера сгорания, а калорифер. Воздух нагревается, что требует дополнительной работы, но сам тепло не производит. В таком цикле применяется органическое или ядерное топливо. Турбинные газовые установки на ядерном топливе являются перспективными, но пока не внедрены массово в промышленности.
Принцип строения ГТУ открытого типа состоит в следующем: атмосферный воздух из компрессора поступает в камеру сгорания с одновременной подачей топлива. За счет продуктов горения топлива образуется давление, которое вращает лопаточный механизм. Далее механическая энергия вращения поступает на электрогенератор (а частично – обратно в компрессор для производства нового цикла преобразования), и через трансформатор – в общую электросеть.
Следует отметить, что элементы установки подвергаются повышенным нагрузкам и воздействию высоких температур. Они пребывают в сильной закисленной среде. В этих условиях особую важность приобретают их износостойкость, прочность, устойчивость к коррозии. Достигают этого за счет использования сплавов различных сталей с присадками титана, вольфрама и других.
Данные сплавы плохо поддаются резанию, поэтому в ряде случаев, при изготовлении деталей турбин используют литье и штамповку, электрохимический, электронно-лучевой и даже ультразвуковой способы обработки, что влияет на себестоимость агрегата.
Некоторые марки турбин имеют в своем составе более тысячи деталей, как, например, марка Т-100-130,

Чертёж газотурбинной установки

вследствие чего, производство такой турбины занимает около трех лет. Продолжительность цикла производства больших турбин занимает от пяти до восьми месяцев, малых – до трех. План производства на заводах показывает, что в месяц выпускается, в среднем, одна-две турбины большой, малой и средней мощности (кроме турбин небольших мощностей типа ГТ-6-750).
РЕЖИМЫ РАБОТЫ ГТУ
Установки газового цикла используют в двух режимах: стационарный и переменный.
В стационарном режиме ГТУ работают на тепло-, электростанциях. В таких условиях агрегат часто используется не на полную мощность. Переменный режим предусматривает возможность изменения нагрузки. Данный режим требует повышенной квалификации от обслуживающего персонала, и представляет собой многоэтапный и технологически сложный процесс. Режим работы изменяется через объем подачи топлива в камеру сгорания.
ПРЕИМУЩЕСТВА И НЕДОСТАТКИ ГТУ
Одно из основных преимуществ газовоздушной установки производства электроэнергии – способность работать на любом топливе. При этом владелец сам определяет вид топлива, что позволяет выбрать оптимальный по цене и доступности в регионе ресурс.
ГТУ не несет значительного вреда для окружающей природы. Она также относительно бесшумна и имеет низкие показатели вибрации. Это делает газотурбинное оборудование оптимальным выбором при эксплуатации в населенных пунктах.
Обычные пользовательские ГТУ малой мощности не тяжелы, компактны, занимают немного места, что обеспечивает их универсальность и возможность монтажа в различного типа строениях.
Не требует водяного охлаждения, что снижает расходы на монтаж системы, и особенно актуально для засушливых районов, а также с суровыми зимами.
Агрегат способен на продолжительную работу в условиях минимальной нагрузки и холостого хода.
Оборудование способно выдерживать перепады мощности, однако для надежного использования следует включить стабилизатор в комплектацию. ГТУ надежны и неприхотливы в эксплуатации, имеют низкую себестоимость и быстро окупаются за счет подбора подходящего топлива.
Минимальное время запуска позволяет оперативно реагировать на нужды производства, перекрывая недостаток мощностей в период пиковой нагрузки.
Высокий уровень КПД агрегат выдает в режиме одновременно и теплового, и электрического производства (это явление носит название «когенерации»). В таком случае в комплектацию должны входить водогрейный или паровой котел. В отдельных случаях, в зависимости от нужд производства, производимое тепло используется для охлаждения через специальные установки.

Основным недостатком газовой турбинной установки является низкий КПД производства электроэнергии, что частично компенсируется режимом когенерации. Существуют научные разработки, призванные повысить КПД газотурбинного оборудования.
С учетом всех показателей, выбор газотурбинного оборудования является оптимальным для эксплуатации в городе, жилом массиве, поселении. Выбор топлива позволяет оперативно влиять на издержки производства. Простота и надежность конструкции обеспечивают долгий срок эксплуатации. ГТУ – оптимальный выбор для многих.

Виды газотурбинных установок. Принцип работы ГТУ

Газотурбинная установка представляет собой универсальное модульное устройство, которое объединяет в себе: электрогенератор, редуктор, газовую турбину и блок управления. Также, присутствует и дополнительное оборудование, такое как: компрессор, устройство запуска, аппарат теплового обмена.

Газотурбинная установка способна функционировать не только лишь в режиме вырабатывания электроэнергии, но и производить совместное производство электрической энергии с тепловой.

Опираясь на то, что пожелает клиент, производство газотурбинных установок способно исполняться с универсальной системой, когда выхлопные газы применяют для получения пара либо же горячей воды.

Схема газотурбинной установки

Данное оборудование имеет два главных блока: турбину силового типа и генератор. Они размещаются в одном блоке.

Схема газотурбинной установки очень проста: газ, образующийся после перегорания топлива, начинает способствовать вращению лопастей самой турбины.

Таким образом, образуется крутящий момент. Это приводит к образованию электрической энергии. Выходящие газы осуществляют превращение воды в пар в котле – утилизаторе. Газ в данном случае работает с двойной пользой.

Циклы газотурбинных установок

Данное оборудование может быть выполнено с разными циклами работы.

Замкнутый цикл газотурбинной установки подразумевает под собой следующее: газ через компрессор подается в калорифер (теплообменник), куда поступает тепло от внешних источников. Затем он подается в газовую турбину, где осуществляется его расширение. Давление газа при этом получается меньше.

После этого газы попадают в холодильную камеру. Тепло оттуда выводится во внешнюю среду. Потом газ направляется в компрессор. Затем цикл возобновляется заново. Сегодня в энергетике аналогичное оборудование почти не применяется.

Производство газотурбинных установок такого типа осуществляется в больших размерах. Также, имеются потери и низкое значение КПД, напрямую зависящее от температурных показателей самого газа до турбины.

Разомкнутый цикл газотурбинной установки используют намного чаще. В этом оборудовании компрессором осуществляет подача воздуха из окружающей среды, который при высоком давлении попадает в специально предназначенную камеру сгорания. Тут происходит сжигание топлива.

Температура органического топлива достигает отметки в 2000 градусов. Это может привести к повреждению металла самой камеры. Чтобы предотвратить это, в нее подается много воздуха, чем это нужно (примерно в 5 раз). Это существенно снижает температуру самого газа и защищает металл.

Схема газотурбинной установки с разомкнутым циклом

Схема газотурбинной установки с разомкнутым циклом выглядит следующим образом: топливо подается в газовую горелку (форсунки), располагаемой внутри жаропрочной трубы. Туда нагнетается и воздух, после чего осуществляется процесс сгорания топлива.

Таких труб несколько и располагаются они концентрически. Поступает воздух в имеющиеся между ними зазоры, создавая защитный барьер и препятствуя выгоранию.

Благодаря трубам и потоку воздуха камера находится в надежной защите от перегревания. При этом на выходе температура газов ниже, чем у самого топлива.

Металл может выдерживать 1000 – 1300°С. Именно такие показатели температуры газов камеры и присутствуют в современных газотурбинных аппаратах.

Отличия газотурбинных установок закрытого и открытого типа

Главное отличие газотурбинных установок закрытого типа от открытого основывается на том, что в первом случае нет камеры сгорания, а применяется нагреватель. Тут происходит нагрев воздуха, при этом, он не участвует в самом процессе образования тепла.

Такое оборудование выполняют исключительно с горением, при неизменной величине давления. Применяется тут органическое либо ядерное топливо.

В ядерных агрегатах используют не воздух, а гелий, углекислый газ либо же азот. К преимуществам такого оборудования можно отнести возможность применять тепло атомного распада, которое выделяется в атомных реакторах.

Благодаря большой концентрации «рабочего тела» стало возможно добиться высоких показаний коэффициента теплоотдачи внутри самого регенератора. Это способствует и повышению уровня регенерации при небольших размерах. Однако такое оборудование широкого применения пока не получило.

Энергетические газотурбинные установки

Энергетические газотурбинные установки еще называют «газотурбинными мини электростанциями». Применяют их в качестве постоянных, аварийных либо резервных источников снабжения городов и труднодоступных районов.

Энергетические газотурбинные установки используют во многих отраслях промышленности:

  • нефтеперерабатывающей;
  • газодобывающей;
  • металлообрабатывающей;
  • лесной и деревообрабатывающей;
  • металлургической;
  • сельского хозяйства;
  • утилизации отходов и т.д.

Виды топлива, использующие в газотурбинных установках?

Данное оборудование способно функционировать на разных видах топлива.

В газотурбинных установках используются следующие виды горючего:

  • природный газ;
  • керосин;
  • биогаз;
  • дизельное топливо;
  • нефтяной газ попутного типа;
  • коксовый, древесный, шахтный газ и другие виды.

Многие такие турбины способны работать и на низкокалорийном виде топлива, в котором содержится небольшое количество метана (порядка 3- процентов).

Другие особенности газотурбинных установок

Отличительные особенности газотурбинных установок:

  • Незначительный вред, причиняемый окружающей среде. Это малый расход масла. Способность работать на отходах самого производства. Выброс в атмосферу вредных веществ составляет 25 ppm.
  • Небольшие габариты и вес. Это позволяет располагать данное оборудование на небольших площадках, что экономит деньги.
  • Незначительный уровень шума, а также вибрации. Данный показатель находится в пределах 80 – 85 дБА.
  • Способность газотурбинного оборудования работать на различном топливе позволяет применять его практически в любом производстве. При этом предприятие сможет само выбирать экономически выгодный вид топлива, опираясь на специфику своей деятельности.
  • Продолжительная работа с минимальной нагрузкой. Это касается и режима холостого хода.
  • На протяжении одной минуты данное оборудование способно выдерживать превышение номинальной величины тока на 150 процентов. А в течение 2 часов – 110 %.
  • При трехфазном симметричном «КЗ» система генератора способна выдержать на протяжении 10 секунд порядка 300 процентов номинального непрерывного тока.
  • Отсутствие водяного охлаждения.
  • Высокая надежность работы.
  • Продолжительный ресурс работы (около 200 000 часов).
  • Использование оборудования в любых климатических условиях.
  • Умеренная цена строительства и небольшие затраты во время самой работы, ремонта и технического обслуживания.

Электрическая мощность газотурбинного оборудования находится в пределах от десятков кВт до нескольких МВт. Максимально большой КПД достигается, если газотурбинная установка функционирует в режиме одновременного производства тепловой и электрической энергии (когенерации).

Благодаря получению недорогой такой энергии, появляется возможность быстрой окупаемости такого рода оборудования. Энергоустановка и котел – утилизатор выходящих газов способствуют более эффективному использованию топлива.

С газотурбинными машинами существенно упростилась задача получения большой мощности. А при выполнении всех тепловых особенностей турбин газового типа, значение большого электрического коэффициента полезного действия отходит на второй план. Если брать во внимание большое значение температуры выпускных газов газотурбинного оборудования, то можно осуществить комбинацию применения газовой и паровой турбины.

Данное инженерное решение способствует предприятиям значительно наращивать производительность от применения топлива и увеличить электрический КПД до отметки в 57 – 59 процентов. Такой метод очень хороший, но он приводит к финансовым затратам и усложнению конструкции оборудования. Поэтому его часто используют только крупные производства.

Отношение производимой электрической энергии по отношению к тепловой в газотурбинной установке составляет 1 к 2. Таким образом, к примеру, если газотурбинная установка имеет мощность в 10 Мегаватт, то она способна выработать 20 МВт тепловой энергии. Чтобы осуществить перевод Мегаватт в гигакалории, необходимо использовать специальный коэффициент, который равен 1,163.

В зависимости от того, что именно необходимо заказчику, газотурбинное оборудование может дополнительно оснащаться водонагревательными и паровыми котлами. Это позволяет получать пар с различным давлением, который будет применяться для решения различных производственных задач. Также, это позволяет получить горячую воду, которая будет иметь стандартную температуру.

Во время совмещенной эксплуатации двух типов энергии, можно получить увеличение коэффициента использования топлива (КИТ) газотурбинной тепловой электростанции до 90 процентов.

При использовании газотурбинных установок в виде оборудования силового типа для мощных ТЭС, а также мини-ТЭЦ, вы получите оправданное экономическое решение. Обусловлено это тем, что сегодня практически все электростанции работают на газе. Они имеют очень низкую для потребителя удельную стоимость, что касается строительства и небольших затрат во время последующего использования.

Лишняя, причем даже бесплатная, тепловая энергия позволяет без каких либо затрат на электроэнергию настроить вентиляцию (кондиционирование) производственных помещений. И это можно делать в любое время года. Охлажденный таким способом теплоноситель, можно использовать для разных промышленных нужд. Такой вид технологии носит название «тригенерация».

Газотурбинные установки на выставке

Центральный комплекс ЦВК «Экспоцентр» – это очень комфортабельная площадка, которая располагается в Москве, вблизи станций метрополитена «Выставочная» и «Деловой центр».

Благодаря высокому профессионализму сотрудников данного комплекса и их компаний, обеспечивается идеальная логистика создания выставок и быстрое оформление таможенных документов, погрузочных, разгрузочных и монтажных работ. Также, осуществляется поддержка постоянной работы установок во время ее презентации.

Выставочная павильонная площадка ЦВК «Экспоцентр» имеет все необходимое оборудование для проведения таких масштабных мероприятий. Благодаря открытой площадке вы сможете без проблем презентовать свое инновационное или энергоемкое оборудование, которое работает в реальном времени.

Ежегодная международная выставка «Электро» представляет собой крупномасштабное мероприятие в России и СНГ. На нем будет продемонстрировано электрическое оборудование для энергетики, электротехники, промышленной световой техники, а также автоматизации предприятий.

На выставке «Электро», вы сможете увидеть современные тенденции отрасли, от генерации электрической энергии до завершающего ее использования. Благодаря инновационным технологиям и высококачественному оборудованию ваше предприятие может получить «глоток свежего воздуха» и заново возродиться.

Такая модернизация производства не сможет быть не замечена потребителями ваших услуг и товаров. Такое оборудование способно существенно снизить себестоимость и затраты на электрическую энергию.

Ежегодно данное мероприятие посещают производители из более двадцати стран мира. Посетить его можете и вы. Для этого вам стоит заполнить соответствующую заявку у нас на сайте либо позвонить нам. У нас на выставке вы сможете презентовать свои новые образцы продукции, полезные модели и изобретения, новые оригинальные товары и многое другое, что относится к энергетике и электрическому оборудованию.

Условия участия в выставке в ЦВК «Экспоцентр» очень прозрачные. Любой правообладатель, если обнаружит различные нарушения его прав на объекты интеллектуальной собственности, может гарантированно рассчитывать на правовую помощь. Это позволяет повысить ответственность и осмотрительность каждого участника выставки во время презентации своего продукта.

Газотурбинные установки (ГТУ) относятся к тепловым машинам, в которых получение полезной работы осуществляется за счет передачи тепла сгораемого топлива к рабочему телу (газу), не изменяющему своего агрегатного состояния.
ГТУ находят все более широкое применение на судах. Эксплуатация этих установок дала хорошие результаты. Применение ГТУ значительно увеличивает полезное водоизмещение, дальность плавания и скорость судна. Однако КПД газотурбинных установок по сравнению с дизельными энергетическими установками более низкий, что сдерживает их распространение на судах.
Газотурбинная установка состоит из следующих основных элементов: компрессора, нагнетающего сжатый воздух в камеру сгорания; камеры сгорания, служащей для сжигания топлива; газовой турбины.
ГТУ работают по открытому и закрытому циклам. В установках первого типа рабочим агентом являются продукты сгорания топлива (газы), которые после совершения работы выпускаются в атмосферу. В установках второго типа продукты сгорания топлива служат только для нагрева рабочего агента за счет теплообмена в специальных аппаратах. Рабочим агентом может быть воздух или какой-либо газ, непрерывно циркулирующий в системе.
Газотурбинные установки имеют ряд преимуществ перед паротурбинными, основные из которых: отсутствие паровых котлов, конденсаторов, механизмов и систем котельной установки, меньшие габариты и масса при одинаковой мощности, лучшие пусковые качества и т. д.
В современных ГТУ сгорание топлива (подвод теплоты) происходит при постоянном давлении и при постоянном объеме. ГТУ со сгоранием топлива при постоянном объеме в настоящее время на судах не применяются.

На рисунке выше дана принципиальная схема газотурбинной установки, в которой сгорание топлива происходит при постоянном давлении. Рабочее тело (воздух) засасывается из атмосферы в компрессор 1 , сжимается до определенного давления и подается в камеру сгорания 2 . Одновременно с воздухом туда поступает топливо, которое сгорает при постоянном давлении. Продукты сгорания расширяются в газовой турбине 3 , приводящей в действие электрический генератор 4 . Часть энергии, получаемой в турбине, расходуется на привод компрессора 1 .
Для повышения экономичности ГТУ применяют метод регенерации, т. е. используют тепло отработавших газов для подогрева воздуха, поступающего в камеру сгорания.


На рисунке выше дана принципиальная схема газотурбинной установки с регенерацией. Воздух, нагнетаемый компрессором 1 в камеру сгорания 2 , предварительно проходит через регенератор 4 , в котором подогревается до определенной температуры за счет теплоты выходящих из турбины 3 газов. Регенератор представляет собой трубчатый теплообменный аппарат, в котором воздух проходит внутри труб, а отходящие газы омывают их снаружи. Благодаря регенерации эффективный КПД газотурбинной установки может достичь 26—28 %.
В связи с тем что расход энергии на сжатие воздуха в многоступенчатом компрессоре меньше, чем в одноступенчатом, в ГТУ широко используется разделение компрессора на два агрегата с установкой между ними промежуточного холодильника для охлаждения сжатого воздуха. Один агрегат называется компрессором высокого давления (КВД), второй — низкого давления (КНД).


Принципиальная схема ГТУ с регенерацией и двухступенчатым сжатием воздуха показана на рисунке выше. Воздух из атмосферы засасывается и сжимается в КНД 1 , после чего направляется в холодильник 2 , где охлаждается забортной водой, циркулирующей по трубам. Далее охлажденный воздух поступает в КВД 6 , сжимается в нем до более высокого давления и направляется в регенератор 5 , а из него в камеру сгорания 3 . Туда же подается топливо, которое сгорает, а газообразные продукты сгорания поступают в турбину 4 , расширяются в ней и, пройдя регенератор 5 , уходят в атмосферу. Отходящие газы, проходя через регенератор, отдают воздуху часть своей теплоты и подогревают его до определенной температуры.
Одновременное использование регенерации и двухступенчатого сжатия воздуха повышает эффективный КПД газотурбинной установки до 28—30 % и более. Рассмотренная схема ГТУ наиболее широко применяется на судах, так как другие схемы, и в частности с трехступенчатым сжатием воздуха, незначительно повышают экономичность установки, зато очень усложняют ее конструкцию.

Газотурбинные установки (ГТУ) — тепловые машины, в которых тепловая энергия газообразного рабочего тела преобразуется в механическую энергию. Основными компонентами являются: компрессор, камера сгорания и газовая турбина. Для обеспечения работы и управления в установке присутствует комплекс объединенных между собой вспомогательных систем. ГТУ в совокупности с электрическим генератором называют газотурбинным агрегатом. Вырабатываемая мощность одного устройства составляет от двадцати киловатт до десятков мегаватт. Это классические газотурбинные установки. Производство электроэнергии на электростанции осуществляется при помощи одной или нескольких ГТУ.

Устройство и описание

Газотурбинные установки состоят из двух основных частей, расположенных в одном корпусе, — газогенератора и силовой турбины. В газогенераторе, включающем в себя камеру сгорания и турбокомпрессор, создается поток газа высокой температуры, воздействующего на лопатки силовой турбины. При помощи теплообменника производится утилизация выхлопных газов и одновременное производство тепла через водогрейный или паровой котел. Работа газотурбинных установок предусматривает использование двух видов топлива — газообразного и жидкого.

В обычном режиме ГТУ работает на газе. В аварийном или резервном при прекращении подачи газа осуществляется автоматический переход на жидкое (дизельное) топливо. В оптимальном режиме газотурбинные установки комбинированно производят электрическую и тепловую энергию. По количеству вырабатываемой тепловой энергии ГТУ значительно превосходят газопоршневые устройства. Турбоагрегаты используются на электростанциях как для работы в базовом режиме, так и для компенсирования пиковых нагрузок.

История создания

Идея использовать энергию горячего газового потока была известна еще с древних времен. Первый патент на устройство, в котором были представлены те же основные составляющие, что и в современных ГТУ, был выдан англичанину Джону Барберу в 1791 году. Газотурбинная установка включала в себя компрессоры (воздушный и газовый), камеру сгорания и активное турбинное колесо, но так и не получила практического применения.

В 19-м и начале 20-го века многие ученые и изобретатели всего мира разрабатывали установку, пригодную для практического применения, но все попытки были безуспешными ввиду низкого развития науки и техники тех времен. Полезная мощность, выдаваемая опытными образцами, не превышала 14% при низкой эксплуатационной надежности и конструктивной сложности.

Впервые газотурбинные установки электростанций были использованы в 1939 году в Швейцарии. В эксплуатацию была введена электростанция с турбогенератором, выполненным по простейшей схеме мощностью 5000 кВт. В 50-х годах эта схема была доработана и усложнена, что позволило увеличить КПД и мощность до 25 МВт. Производство газотурбинных установок в промышленно развитых странах сформировалось в единый уровень и направление развития по мощностям и параметрам турбоагрегатов. Суммарная мощность выпущенных в Советском Союзе и России газотурбинных установок исчисляется миллионами кВт.

Принцип работы ГТУ

Атмосферный воздух поступает в компрессор, сжимается и под высоким давлением через воздухоподогреватель и воздухораспределительный клапан направляется в камеру сгорания. Одновременно через форсунки в камеру сгорания подается газ, который сжигается в воздушном потоке. Сгорание газовоздушной смеси образует поток раскаленных газов, который с высокой скоростью воздействует на лопасти газовой турбины, заставляя их вращаться. Тепловая энергия потока горячего газа преобразуется в механическую энергию вращения вала турбины, который приводит в действие компрессор и электрогенератор. Электроэнергия с клемм генератора через трансформатор направляется в потребительскую электросеть.

Горячие газы через регенератор поступают в водогрейный котел и далее через утилизатор в дымовую трубу. Между водогрейным котлом и центральным тепловым пунктом (ЦТП) при помощи сетевых насосов организована циркуляция воды. Нагретая в котле жидкость поступает в ЦТП, к которому осуществляется подключение потребителей. Термодинамический цикл газотурбинной установки состоит из адиабатного сжатия воздуха в компрессоре, изобарного подвода теплоты в камере сгорания, адиабатного расширения рабочего тела в газовой турбине, изобарного отвода теплоты.

В качестве топлива для ГТУ используется природный газ — метан. В аварийном режиме, в случае прекращения подачи газа, ГТУ переводится на частичную нагрузку, а в качестве резервного топлива используются дизельное топливо или сжиженные газы (пропан-бутан). Возможные варианты работы газотурбинной установки: отпуск электроэнергии или совмещенный отпуск электричества и тепловой энергии.

Когенерация

Производство электричества с одновременной выработкой сопутствующей тепловой энергии называется когенерацией. Эта технология позволяет значительно повысить экономическую эффективность использования топлива. В зависимости от нужд газотурбинная установка дополнительно может оснащаться водогрейными или паровыми котлами. Это дает возможность получать горячую воду или пар различного давления.

При оптимальном использовании двух видов энергии достигается максимальный экономический эффект когенерации, а коэффициент использования топлива (КИТ) достигает 90%. В этом случае тепло выхлопных газов и тепловая энергия из системы охлаждения агрегатов, вращающих электрогенераторы (по сути, бросовая энергия), используется по назначению. При необходимости утилизируемое тепло может использоваться для производства холода в абсорбционных машинах (тригенерация). Система когенерации состоит из четырех ключевых частей: первичный двигатель (газовая турбина), электрогенератор, система теплоутилизации, система управления и контроля.

Управление

Выделяют два основных режима работы, при которых эксплуатируются газотурбинные установки:

  • Стационарный. В этом режиме турбина работает при фиксированной номинальной или неполной нагрузке. До недавнего времени стационарный режим был основным для ГТУ. Остановка турбины проводилась несколько раз в год для плановых ремонтов или в случае неполадок.
  • Переменный режим предусматривает возможность изменения мощности ГТУ. Необходимость изменять режим работы турбины может быть вызвана одной из двух причин: если изменилась потребляемая электрогенератором мощность ввиду изменения подключенной к нему нагрузки потребителей, и если изменилось атмосферное давление и температура забираемого компрессором воздуха. К нестационарным режимам, причем наиболее сложным, относится остановка и пуск газотурбинной установки. При последнем машинист газотурбинных установок должен выполнить многочисленные операции перед первым толчком ротора. Перед полноценным пуском установки осуществляется предварительная раскрутка ротора.

Изменение режима работы установки осуществляется регулировкой подачи горючего в камеру сгорания. Главной задачей управления ГТУ является обеспечение нужной мощности. Исключением является газотурбинная энергетическая установка, для которой основная задача управления — постоянство частоты ращения, связанного с турбиной электрического генератора.

Применение в энергетике

В стационарной энергетике применяются ГТУ разного назначения. В качестве основных приводных двигателей электрогенераторов на тепловых электростанциях газотурбинные установки используются в основном в районах с достаточным количеством природного газа. Благодаря возможности быстрого пуска ГТУ широко применяются для покрытия пиковых нагрузок в энергосистемах в периоды максимального потребления энергии. Резервные газотурбинные агрегаты обеспечивают внутренние нужды ТЭС во время остановки основного оборудования.

КПД

В целом электрический КПД газовых турбин ниже, чем у других силовых агрегатов. Но при полной реализации теплового потенциала газотурбинного агрегата значимость этого показателя становится менее актуальной. Для мощных газотурбинных установок существует инженерный подход, предполагающий комбинированное использование двух видов турбин за счет высокой температуры выхлопных газов.

Вырабатываемая тепловая энергия идет на производство пара для паровой турбины, которая используется параллельно с газовой. Это повышает электрический КПД до 59% и существенно увеличивает эффективность использования топлива. Недостатком такого подхода является конструктивное усложнение и удорожание проекта. Соотношение производимой ГТУ электрической и тепловой энергии примерно 1:2, то есть на 10 МВт электроэнергии выдается 20 МВт энергии тепловой.

Достоинства и недостатки

К преимуществам газовых турбин относятся:

  • Простота устройства. Ввиду отсутствия котельного блока, сложной системы трубопроводов и множества вспомогательных механизмов металлозатраты на единицу мощности у газотурбинных установок значительно меньше.
  • Минимальный расход воды, которая в ГТУ требуется только для охлаждения подаваемого к подшипникам масла.
  • Быстрый ввод в работу. Для газовых турбоагрегатов время пуска из холодного состояния до принятия нагрузки не превышает 20 минут. Для паросиловой установки ТЭС пуск занимает несколько часов.

Недостатки:

  • В работе газовых турбоагрегатов используется газ с весьма высокой начальной температурой — более 550 градусов. Это вызывает трудности при практическом исполнении газовых турбин, так как требуются специальные жаростойкие материалы и особые системы охлаждения для наиболее нагреваемых частей.
  • Около половины развиваемой турбиной мощности расходуется на привод компрессора.
  • ГТУ ограничены по топливу, используется природный газ или качественное жидкое топливо.
  • Мощность одной газотурбинной установки ограничена 150 МВт.

Экология

Позитивным фактором использования ГТУ является минимальное содержание вредных веществ в выбросах. По этому критерию газовые турбины опережают ближайшего конкурента — поршневые электростанции. Благодаря своей экологичности газотурбинные агрегаты без проблем можно размещать в непосредственной близости от мест проживания людей. Низкое содержание вредных выбросов при эксплуатации ГТУ позволяет экономить средства при строительстве дымовых труб и приобретении катализаторов.

Экономика ГТУ

На первый взгляд, цены на газотурбинные установки довольно высоки, но при объективной оценке возможностей этого энергетического оборудования все аспекты встают на свои места. Высокие капиталовложения на старте энергетического проекта полностью компенсируются незначительными расходами при последующей эксплуатации. Кроме того, значительно снижаются экологические платежи, уменьшаются затраты на покупку электрической и тепловой энергии, снижается влияние на окружающую среду и население. Вследствие перечисленных причин ежегодно приобретаются и устанавливаются сотни новых газотурбинных установок.

Газотурбинная установка (ГТУ) состоит из двух основных частей — это силовая турбина и генератор, которые размещаются в одном корпусе. Поток газа высокой температуры воздействует на лопатки силовой турбины (создает крутящий момент). Утилизация 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. Оптимальным режимом работы газотурбинной установки является комбинированная выработка тепловой и электрической энергии. ГТУ может работать как в базовом режиме, так и для покрытия пиковых нагрузок.

Простая газотурбинная установка непрерывного горения и устройство её основных элементов

Принципиальная схема простой газотурбинной установки показана на рисунке 1.

Рисунок 1. Принципиальна схема ГТУ: 1 — компрессор; 2 — камера сгорания; 3 — газовая турбина; 4 – электрогенератор

Компрессор 1 засасывает воздух из атмосферы, сжимает его до определенного давления и подает в камеру сгорания 2. Сюда же непрерывно поступает жидкое или газообразное топливо. Сгорание топлива при такой схеме происходит непрерывно, при постоянном давлении, поэтому такие ГТУ называются газотурбинными установками непрерывного сгорания или ГТУ со сгоранием при постоянном давлении.

Горячие газы, образовавшиеся в камере сгорания в результате сжигания топлива, поступают в турбину 3. В турбине газ расширяется, и его внутренняя энергия преобразуется в механическую работу. Отработавшие газы выходят из турбины в окружающую среду (в атмосферу).

Часть мощности, развиваемой газовой турбиной, затрачивается на вращение компрессора, а оставшаяся часть (полезная мощность) отдается потребителю. Мощность, потребляемая компрессором, относительно велика и в простых схемах при умеренной температуре рабочей среды может в 2-3 раза превышать полезную мощность ГТУ. Это означает, что полная мощность собственно газовой турбины долгий быть значительно больше полезной мощности ГТУ.

Так как газовая турбина может работать только при наличии сжатого воздуха, получаемого только от компрессора, приводимого во вращение турбиной, очевидно, что пуск ГТУ должен осуществляться от постороннего источника энергии (пускового мотора), с помощью которого компрессор вращается до тех пор, пока из камеры сгорания не начнет поступать газ определённых параметров и в количестве, достаточном для начала работы газовой турбины.

Из приведенного описания ясно, что газотурбинная установка состоит из трех основных элементов: газовой турбины, компрессора и камеры сгорания. Рассмотрим принцип действия и устройство этих элементов.

Турбина. На рисунке 2 показана схема простой одноступенчатой турбины. Основными частями её являются; корпус (цилиндр.) турбины 1, в котором укреплены направляющие лопатки 2, рабочие лопатка 3, установленные по всей окружности на ободе диска 4, закрепленного на валу 5. Вал турбины вращается в подшипниках 6. В местах выход вала из корпуса установлены концевые уплотнения 7, ограничивающие утечку горячих газов из корпуса турбин. Все вращающиеся части, турбины (рабочие лопатки, диск, вал) составляют её ротор. Корпус с неподвижными направляющими лопатками и уплотнениями образует статор турбины. Диск с лопатками образует рабочее колесо.

Рисунок 2. Схема одноступенчатой турбины

Совокупность ряда направлявших и рабочих лопаток называется турбинной ступенью. На рисунке 3 вверху изображена схема такой турбинной ступени и внизу дано сечение направляющих и рабочих лопаток цилиндрической поверхности а-а, развернутой затем на плоскость чертежа.

Рисунок 3. Схема турбинной ступени

Направляющие лопатки 1 образуют в сечении суживающиеся каналы, называемые соплами. Каналы, образованные рабочими лопатками 2, также обычно имеют суживающуюся форму.

Горячий газ при повышенном давлении поступает в сопла турбины, где происходит его расширение и соответствующее увеличение скорости. При этом давление и температура газа падают. Таким образом, в соплах турбины совершается преобразование потенциальной энергии газа в кинетическую энергии. После выхода из сопел газ попадает в межлопаточные каналы рабочих лопаток, где изменяет свое направление. При обтекании газом рабочих лопаток давление на их вогнутой поверхности оказывается большим, чем на выпуклой, и под влиянием этой разности давлений происходит вращение рабочего колеса (направление вращение на рисунке 3 показано стрелкой u). Таким образом, часть кинетической энергии газа преобразуется на рабочих лопатках в механическую оказаться недопустимей по соображениям прочности рабочих лопаток или диска турбины. В таких случаях турбины выполняются многоступенчатыми. Схема многоступенчатой турбины показана на рисунке 4.

Рисунок 4. Схема многоступенчатой турбины: 1-подшипники; 2-концевые уплотнения; 3-входной патрубок; 4-корпус; 5-направляющие лопатки; 6-рабочие лопатки; 7-ротор; 8-выходной патрубок турбины

Турбина состоит из ряда последовательно расположенных отдельных ступеней, в которых происходит постепенное расширение газа. Падение давления, приходящееся на каждую ступень, а, следовательно, и скорость с1 в каждой ступени такой турбины, меньше, чем в одноступенчатой. Число ступеней может быть выбрано таким, чтобы при заданной окружной скорости и было получено желаемое отношение

.

Компрессор. Схема многоступенчатого осевого компрессора изображена на рисунке 5.

Рисунок 5. Схема многоступенчатого осевого компрессора: 1-входной патрубок; 2-концевые уплотнения; 3-подшипники; 4-входной направляющий аппарат; 5-рабочие лопатки; 6-направляющие лопатки; 7-корпус 8-спрямляющий аппарат; 9-диффузор; 10-выходной патрубок; 11-ротор.

Его основными составными частями являются: ротор 2 с закрепленными на нем рабочими лопатками 5, корпус 7 (цилиндр.), к которому крепятся направляющие лопатки 6 и концевые уплотнения 2, и подшипники 3. Совокупность одного ряда вращающихся рабочих лопаток и одного ряда расположенных за ними неподвижных направляющих лопаток называется ступенью компрессора. Засасываемый компрессором воздух последовательно проходит через следующие элементы компрессора, показанные на рисунке 5: входной патрубок 1, входной направляющий аппарат 4, группу ступеней 5, 6, спрямляющий аппарат 8, диффузор 9 и выходной патрубок 10.

Рассмотрим назначение этих элементов. Входной патрубок предназначен для равномерного подвода воздуха из атмосферы к входному направляющему аппарату, который должен придать необходимое направление потоку перед входом в первую степень. В ступенях воздух сжимается за счет передачи механической энергии потоку воздуха от вращающихся лопаток. Из последней ступени воздух поступает в спрямляющий аппарат, предназначенный для придания потоку осевого направления перед входом в диффузор. В диффузоре продолжается сжатие газа за счет понижения его кинетической энергии. Выходной патрубок предназначен для подачи воздуха от диффузора к перепускному трубопроводу. Лопатки компрессора 1 (рисунок 6) образуют ряд расширяющихся каналов (диффузоров). При вращении ротора воздух входит в межлопаточные каналы с большой относительной скоростью (скорость движения воздуха, наблюдаемая с движущихся лопаток). При движении воздуха по этим каналам его давление повышается в результате уменьшения относительной скорости. В расширяющихся каналах, образованных не-подвижными направляющими лопатками 2, происходит дальнейшее повышение давления воздуха, сопровождающееся соответствующим уменьшением его кинетической энергии. Таким образом, преобразование энергии в ступени компрессора происходит по сравнению с турбиной ступенью в обратном направлении.

Рисунок 6. Схема ступени осевого компрессора

Камера сгорания

Назначение камеры сгорания заключается в повышения температуры рабочего тела за счет сгорания топлива в среде сжатого воздуха. Схема камеры сгорания показана на рисунке 7.

Рисунок 7. Камера сгорания

Сгорание топлива, впрыскиваемого через форсунку 1, происходит в зоне горения камеры, ограниченной жаровой трубой 2. В эту зону поступает только такое количество воздуха, которое необходимо для полного и интенсивного сгорания топлива (этот воздух называемся первичным).

Поступающий в зону горения воздух проходит через завихритель 3, который способствует хорошему перемешиванию топлива с воздухом. В зоне горения температура газов достигает 1300… 2000°С. По условиям прочности лопаток газовых турбин такая температура недопустима. Поэтому получающиеся в зоне горения камеры горячие газы разбавляются холодным воздухом, который называется вторичным. Вторичный воздух протекает по кольцевому пространству между жаровой трубкой 2 и корпусом 4. Часть этого воздуха поступает к продуктам сгорания через окна 5, а остальная часть смешивается с горячими глазами после жаровой трубы. Таким образом, компрессор должен подавать в камеру сгорания в несколько раз больше воздуха, чем необходимо для сжигания топлива, а поступающие в турбину продукты сгорания получаются сильно разбавленными воздухом и охлажденными.

  В 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.
  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. 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 электро-снабжения 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 силовуая 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. Разность 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. 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 эксплуотации 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 устанавлиать в условиях стесненного генерального плана. Отсюда и относительная дешевизна строительных и монтажных работ.
  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.
  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.


Ложка дегтя.
  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/см 2 .
  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 фирмы, разрабатывающие и изготовляющие авиационные газотурбинные дви-гатели и газотурбинные установки, созданные специально для энергетического использования:
   — АО «Люлька-Сатурн» (г. Москва),
   — ОАО «Рыбинские Моторы» (г. Рыбинск),
  оба входят в НПО «Сатурн» ,
   — НПП им. В.Я. Климова (г. Санкт-Петербург),
   — ФГУП ММПП «Салют» (г. Москва),
  и другие

В 2004-2006 гг в Москве с участием ОАО «Сатурн – Газовые турбины» было осуществлено строительство и эксплуатация экспериментальных газотурбинных установок (ГТУ) на РТС «Курьяново» и РТС «Пенягино» . Основная задача использования газотурбинных установок – обеспечение независимого снабжения электроэнергией и теплом объектов жилищно-коммунального хозяйства. В обоих РТС было установлены по два газотурбинных агрегата ГТА-6РМ единичной мощностью 6 МВт. ГТА-6РМ является одним из основных видов наземной продукции НПО «Сатурн».
  Газотурбинные агрегаты ГТА-6РМ собираются на базе серийных, сравнительно дешевых, авиационных двигателей Д-30КУ/КП , зарекомендовавших себя как самый надежный двигатель России, который эксплуатируется на массовых самолетах ИЛ-62М, ТУ-154М и ИЛ-76. Общая наработка этих двигателей превысила 36 млн. часов.
  Агрегаты выпускаются в блочно-модульном и цеховом (станционном) исполнении и могут эксплуатироваться при одиночной работе, или в комплексе, с турбогенераторами разных серий, имеющих идентичные эксплуатационные характеристики, водогрейными или паровыми котлами-утилизаторами.
  В 2005 году ГТА-6РМ вошел в число 100 лучших товаров России, ему был официально присвоен статус «Гордость Отечества».

Эксперимент показал, что использование ГТУ в системе РТС позволяют повысить надежность в обеспечении теплом городского хозяйства и жилого сектора столицы за счет дублирования и резервирования существующих систем жизнеобеспечения, а также повысить энергозащищенность городского хозяйства.

И надо сказать, правительство Москвы всерьез зделало ставку на массовом использовании ГТУ в энергетическом комплексе столицы.
  Вот выдержки из постановления от 29 декабря 2009 г. N 1508-ПП «О Схеме теплоснабжения города Москвы на период до 2020 года.»
  Приоритетным направлением развития теплоснабжения города Москвы на период до 2020 года является реализация технологии комбинированной выработки тепла и электроэнергии с дополнительным привлечением теплофикационного ресурса и покрытия тепловых и электрических нагрузок потребителей города новыми газотурбинными электростанциями .
………………………………
  Дальнейшее развитие системы теплоснабжения должно основываться на:
 ………………………………………
  — установке на электростанциях автономных источников генерации (газотурбинных установок ) для пуска электростанции при потере связи с энергосистемой и автономного электроснабжения пиковых водогрейных котлов в аварийных режимах.

(PDF) Принципы работы газовой турбины

Эффективность цикла Брайтона довольно низкая, прежде всего потому, что значительное количество

подводимой энергии выбрасывается в окружающую среду. Эта израсходованная энергия обычно находится при относительно высокой температуре, и поэтому ее можно эффективно использовать для производства энергии.

Одним из возможных применений является комбинированный цикл Брайтона-Ренкина, в котором высокотемпературные выхлопные газы, выходящие из газовой турбины, используются для подачи энергии в котел

цикла Ренкина, как показано на рис.3.12. Обратите внимание, что температура T

9

газов цикла Брайтона, выходящих из котла, меньше температуры T

3

пара цикла Ренкина

, выходящего из котла; это возможно в противоточном теплообменнике

котла.

7.7 Одновальная и многовальная конструкция

Газовая турбина может иметь одновальную или многовальную конфигурацию. В одновальном случае

газовая турбина спроектирована с примерно одинаковыми перепадами давления

на всех ступенях расширения, которые механически соединены с газовым компрессором

и генератором и работают на частоте вращения генератора (обычно 3600 или 1800 об/мин для

электрические системы 60 Гц и 3000 или 1500 об/мин для электрических систем 50 Гц).В конфигурации с несколькими валами

компрессор приводится в действие механически набором расширительных ступеней, размеры которых позволяют производить механическую работу, необходимую для компрессора

, так что этот вал не соединен с электрическим генератором. и может

вращаться с разной скоростью. Воздух, производимый этим газогенератором, нагревается и

направляется в турбогенератор: последнюю ступень расширения на отдельном

валу, который вращается

с оптимальной скоростью генератора.Газотурбинные электростанции с комбинированным циклом (ПГУ)

Поставщики

конфигурируют турбогенераторы в различных конфигурациях.

Конфигурации с несколькими и одним валом позволяют оптимизировать производительность предприятия, капитальные вложения, доступ для строительства и обслуживания, удобство эксплуатации и минимальные требования к пространству.

Разработка больших газовых турбин F-класса в течение последнего десятилетия

шла рука об руку с усилиями производителей по стандартизации конфигураций парогазовых электростанций

(CCPP), стремясь наилучшим образом использовать новую технологию.Одновальная силовая передача

(SSPT) была впервые задумана для приложений, использующих газовые турбины

мощностью более 250 мегаватт. Только позже концепция была расширена до меньших

блоков в диапазоне 60 мегаватт. Новая компоновка ССПТ позволила построить одиночные

блока

мощностью до 450 МВт. SSPT внесли наибольший вклад в электростанции

, стремясь к экономии затрат и сокращению времени проекта и, следовательно, к снижению риска. В схемах

ССПТ газовая турбина и паровая турбина соединены с общим генератором

на одном валу, тогда как в многовальных блоках силовой передачи (МШПТ) до

три газовые турбины и выделенные им котлы и генераторы совместно обычная паровая турбина

(см.7.11). SSPT и MSPT созданы для рынков с частотой 50 и 60 Гц.

Основными преимуществами новой концепции, отмеченными производителями, являются более

повышенная эксплуатационная гибкость, меньшая занимаемая площадь, упрощенное управление, более короткое время запуска, более

стандартизированных периферийных систем, а также более высокая эффективность и доступность. Эта разработка требует, чтобы, в дополнение к новым техническим вопросам, связанным с газовой турбиной

160 7 Принципы работы газовой турбины

Газотурбинная электростанция | Electrical4U

На всех электростанциях, кроме солнечной электростанции, используется генератор переменного тока для выработки электрической энергии.Генератор переменного тока представляет собой вращающуюся машину, которая может производить электричество только при вращении. Следовательно, должен быть первичный двигатель, который помогает вращать генератор переменного тока. Основное устройство всех электростанций состоит в том, чтобы вращать первичный двигатель так, чтобы генератор переменного тока мог вырабатывать необходимое электричество. В газотурбинной электростанции вместо пара высокого давления и температуры для вращения турбины используется воздух высокого давления и температуры.

Основной принцип работы газотурбинной электростанции такой же, как у паротурбинной электростанции.Разница лишь в том, что в паротурбинной электростанции для вращения турбины используется сжатый пар, а в газотурбинной электростанции для вращения турбины используется сжатый воздух.


В газотурбинной электростанции воздух сжимается в компрессоре. Затем этот сжатый воздух проходит через камеру сгорания, где температура сжатого воздуха повышается. Этот воздух высокой температуры и высокого давления проходит через газовую турбину. В турбине сжатый воздух внезапно расширяется; следовательно, он получает кинетическую энергию, и благодаря этой кинетической энергии воздух может совершать механическую работу по вращению турбины.

В газотурбинной электростанции вал турбины, генератор переменного тока и воздушный компрессор являются общими. Механическая энергия, создаваемая в турбине, частично используется для сжатия воздуха. Газотурбинные электростанции в основном используются в качестве резервного вспомогательного источника электроэнергии на гидроэлектростанциях. Он вырабатывает вспомогательную энергию при запуске гидроэлектростанции.

Преимущества газотурбинной электростанции

  • По конструкции газотурбинная электростанция намного проще паротурбинной электростанции.
  • Размер газотурбинной электростанции меньше, чем у паротурбинной электростанции.
  • Газотурбинная электростанция не имеет компонентов, подобных котлу, и, следовательно, аксессуары, связанные с котлом, здесь отсутствуют.
  • Он не работает с паром, поэтому не требует конденсатора, поэтому здесь не требуется конструкция, подобная градирне.
  • Поскольку газотурбинные электростанции с точки зрения конструкции и конструкции намного проще и меньше, капитальные затраты и эксплуатационные расходы значительно ниже, чем у эквивалентной паротурбинной электростанции.
  • Постоянные потери на газотурбинной электростанции значительно меньше, чем на паротурбинной электростанции, потому что на паротурбинной электростанции котел должен работать непрерывно, даже когда система не обеспечивает нагрузку в сеть.
  • Газотурбинная электростанция может быть запущена быстрее, чем эквивалентная паротурбинная электростанция.

Недостатки газотурбинной электростанции

  • Механическая энергия, создаваемая в турбине, также используется для работы воздушного компрессора.Поскольку большая часть механической энергии, создаваемой в турбине, используется для работы воздушного компрессора, общий КПД газотурбинной электростанции не так высок, как эквивалентной паротурбинной электростанции.
  • Мало того, что выхлопные газы газотурбинной электростанции отводят значительное количество тепла от печи. Это также приводит к дальнейшему снижению эффективности системы.
  • Для запуска силовой установки требуется предварительное сжатие. Поэтому перед фактическим запуском турбины воздух должен быть предварительно сжат, что требует вспомогательного источника питания для запуска газотурбинной электростанции.Как только установка запущена, больше нет необходимости в подаче внешнего питания, но в начальной точке внешнее питание необходимо.
  • Температура топки газотурбинной электростанции довольно высока. Это делает срок службы системы меньше, чем у эквивалентной паротурбинной электростанции.
  • Из-за более низкой эффективности газотурбинная электростанция не может использоваться для коммерческого производства электроэнергии, вместо этого она обычно используется для подачи вспомогательной энергии на другие традиционные электростанции, такие как гидроэлектростанции.

Что такое газотурбинная электростанция?

Введение

После прочтения заголовка поста. Если вы можете угадать ответ на вопрос, это хорошо, но не беспокойтесь, если вы потерпите неудачу. Потому что в этой статье я дам всю возможную информацию о газотурбинной электростанции, ее определении, принципе работы и принципах ее работы. Итак, не теряя времени, давайте начнем наше обсуждение с его определения.

Что такое газотурбинная электростанция?

Газотурбинная электростанция — электростанция, использующая газовую турбину для производства электроэнергии.Теперь у нас возник вопрос, как это электричество вырабатывается газовой турбиной. Итак, прежде чем разбираться в работе ГТЭС. Мы должны иметь глубокое понимание его основных частей. Итак, давайте сначала разберемся с его основными частями, а затем перейдем к его работе.

Основные части
  1. Компрессор: Это механическое устройство, которое используется для сжатия воздуха до высокой плотности. Сжатый воздух способствует сжиганию топлива. Компрессор и турбина имеют общий вал.
  2. Камера сгорания: Это камера, в которой происходит сжигание топлива в присутствии воздуха.
  3. Газовая турбина: Состоит из вращающихся лопаток. Горячие газы, образующиеся при сгорании топлива в камере сгорания, ударяются об эти лопатки, и они начинают вращаться.
  4. Генератор/генератор переменного тока: Электрогенератор соединен с валом газовой турбины. Он вращается вместе с валом турбины и вырабатывает электричество.

Читайте также:

Детали конструкции

1. Компрессор:

Воздушный компрессор роторного типа используется в газотурбинной электростанции. На входе в компрессор осуществлена ​​фильтрация воздуха от пыли за счет воздушного фильтра. Компрессор играет роль сжатия воздуха и увеличения давления воздуха.

2. Регенератор:

Выхлопные газы всегда несут тепло, и это тепло используется в регенераторе для повышения температуры сжатого воздуха.Короче говоря, в регенераторе сжатый воздух, проходящий через тонкую трубку регенератора, смешивается с выхлопными газами, что приводит к повышению температуры сжатого воздуха.

3. Камера сгорания:

Затем горячий воздух из регенератора поступает в камеру сжатия. Горелки внутри камеры сгорания выполняют функцию впрыскивания мазута в виде масляных брызг. Сжатый воздух из регенератора нагревается до 3000ºF из-за сжигания масла.Затем этот сжатый воздух смешивается с дымовыми газами и охлаждается до 1300–1500ºF.

4. Турбина:

В турбине происходит смешивание продуктов сгорания и сжатого воздуха. Кинетическая энергия вырабатывается внутри турбины, а также температура газа снова снижается до 900ºF.

5. Генератор:

Внутри генератора находится ротор. Ротор генератора и турбины имеет один и тот же вал.Генератор вырабатывает необходимую электрическую энергию.

Принцип работы газотурбинной электростанции

Сначала весь воздух сжимается внутри компрессора. Этот сжатый воздух поступает в камеру сжатия и нагревается. После этого этот сильно нагретый и сжатый воздух поступает в турбину. В турбине происходит расширение воздуха, который приобретает кинетическую энергию и вращает лопатки турбины. Теперь эта кинетическая энергия преобразуется в электрическую с помощью генератора (альтернатора), соединенного с валом турбины.

Топливо:

Теперь поговорим о выборе топлива для газотурбинной электростанции. Природный газ является наиболее подходящим топливом, так как он дешевле и выделяет мало углекислого газа. За счет этого производится меньше загрязнений. Следует отметить, что топливо не должно выделять после сгорания загрязняющие вещества, такие как угарный газ, оксиды азота.

Разница между газотурбинной электростанцией и паротурбинной электростанцией:

Газотурбинная и паротурбинная электростанции кажутся похожими.Но в ГТЭС используется сжатый воздух, а в паротурбинной электростанции – сжатый пар. Основная цель обеих этих электростанций одна и та же — выработка электроэнергии.

Читайте также:

Преимущества
  • ГТЭС имеет простую конструкцию. А вот паротурбинная силовая установка конструктивно сложнее.
  • Газотурбинная электростанция имеет габариты меньше других типов электростанций. Таким образом, он может быть установлен в компактном месте.
  • Стоимость содержания данной силовой установки в рабочем состоянии намного меньше.
  • ГТЭС меньше загрязняет окружающую среду, и для ее работы требуется меньше воды. Поскольку потребность в воде меньше, такие электростанции широко используются в местах, где есть дефицит воды и больше потребность в электроэнергии.
  • Отсутствие необходимости в конденсаторе и котле при эксплуатации ГТЭС.
  • Требуется экономичное топливо.Мы можем использовать более дешевое топливо, такое как керосин, бензол, для работы электростанции.

Недостатки 
  • При рассмотрении электростанций наиболее важным фактором, который мы должны учитывать, является их эффективность. Газотурбинная электростанция имеет низкий тепловой КПД. Этот более низкий КПД ГТЭС приводит к ограничениям в ее применении.
  • От компрессора из-за высокой частоты генерируется шум. Это приводит к шумовому загрязнению.
  • Тепло с поверхности уносится выхлопными газами, что также снижает КПД данной силовой установки.
  • Он не подходит для производства электроэнергии в наших повседневных целях.
  • Для изготовления газовой турбины требуются большие затраты. Рабочая температура внутри ГТЭС выше. Поэтому при его изготовлении используются специальные металлы и сплавы.

Применение  
  • ГТЭС находят свое применение в больших компрессорах, скоростных автомобилях.
  • Они также используются для выработки электроэнергии на кораблях и самолетах.

В этой статье мы подробно рассказали о газотурбинной электростанции. Дайте нам знать, если у вас есть какие-либо вопросы по этому поводу в поле для комментариев.

Газовая турбина открытого цикла – обзор

Газовые турбины (гл. 12.2)

Для малых и средних промышленных предприятий обычно используются простые газовые турбины открытого цикла, работающие на природном газе или дизельном топливе. Двухтопливные схемы легко приспосабливаются, и в некоторых случаях может быть обеспечено автоматическое переключение между двумя видами топлива под нагрузкой.

Машина может быть простой одновальной, в которой силовая турбина, компрессор и выходной привод находятся на общем валу; или двухвальный тип, в котором компрессор и его приводная турбина находятся на одном валу, а силовая турбина — на выходном приводном валу. Оба типа подходят для приводов генератора переменного тока, но имеют несколько разные характеристики регулирования мощности; также они могут быть разработаны на основе двигателей, изначально предназначенных для использования в самолетах, или агрегатов, специально разработанных для наземного применения.Первые считаются более легкими, компактными и более эффективными при частичной нагрузке, в то время как вторые считаются более прочными, но есть много точек соприкосновения. В этой стране обычные размеры блоков составляют от 0,5 до 3,5 МВт, но могут быть получены блоки до 60 МВт.

В малых промышленных размерах эффективность выработки электроэнергии может составлять от 14 до 20 % при полной нагрузке, но более крупные установки могут достигать более 30 %. Удельный расход топлива типовой установки мощностью 1,25 МВт может варьироваться от 0.51 кг газойля/кВт·ч при полной нагрузке до 0,63 кг при половинной нагрузке при температуре окружающей среды 15°C, однако увеличивается при повышении температуры окружающей среды, особенно при частичной нагрузке.

Если вычесть тепловой эквивалент электрической мощности из общего количества подведенного тепла, то практически весь остаток можно использовать для рекуперации тепла. Потери на излучение и маслоохладители составляют всего 1–2 %. Отработанный газ чистый – почти весь воздух имеет температуру более 500°C при полной нагрузке. Если отработанные газы пропускались через котел-утилизатор для получения пара, то 1.Установка мощностью 25 МВт может генерировать около 4500 кг/ч при манометрическом давлении 1,75 МПа, повышая комбинированный КПД выработки электроэнергии и пара примерно до 50%. Если требуется дополнительный пар, выхлопной газ может быть использован в качестве предварительно подогретого воздуха для горения для сжигания дополнительного топлива в котле-утилизаторе; таким образом, дополнительные 13 000 кг/ч пара при 1,75 МПа могут быть легко подняты, увеличивая общий тепловой КПД до более чем 70%, а дополнительным топливом может быть мазут.

Газовая турбина как генератор электроэнергии сама по себе менее эффективна, чем дизельный двигатель.Однако его потенциал рекуперации отходящего тепла больше, и он более гибкий.

Таким образом, дизельный двигатель, как правило, используется там, где потребность в электричестве высока по сравнению с потребностью в паре или тепле, например, менее 3 кг пара на кВт·ч. Газовая турбина не может полностью реализовать свой тепловой КПД, если не требуется более 4 кг пара на кВт·ч. Эти цифры выгодно отличаются от прямоточной паровой турбины с противодавлением, где при типичных средних промышленных диапазонах входного и рабочего давления пара паровая нагрузка должна превышать 10 кг/кВт·ч.

В качестве альтернативы выработке пара отработанный газ можно использовать напрямую или через теплообменник для многих промышленных осушителей.

Газовые турбины имеют много преимуществ перед дизельными двигателями для комбинированных электроэнергетических и тепловых установок. Они имеют малый вес и работают с небольшой вибрацией, требуя недорогих фундаментов. Затраты на техническое обслуживание низкие, а надежность высокая. Также обычно не требуется система водяного охлаждения, поскольку для охлаждения масла обычно достаточно простого воздушного охладителя с вентилятором.

Первоначальная стоимость, как правило, выше, чем у дизельных двигателей, хотя это обычно компенсируется более низкими эксплуатационными расходами для непрерывно работающей установки. Проблемой с газовыми турбинами может быть шум. Даже небольшие установки в диапазоне 1–3 МВт могут излучать звуковое давление около 100 дБА на расстоянии 1 м (гл. 19.7), хотя в основном в высокочастотном диапазоне (4000 с −1 ), который можно легко ослабить. Наиболее распространенный подход заключается в установке акустических кожухов вокруг самой машины или размещении каждой машины в акустической ячейке прочной конструкции.В любом случае требуются глушители на входе воздуха и выпуске охлаждающего воздуха. Оборудование для рекуперации тепла и дымоход часто обеспечивают достаточное ослабление звука выхлопных газов.

Газовые турбины: введение, типы, принцип работы и применение

В этой статье мы обсудим газовые турбины: 1. Введение в газовые турбины 2. Типы газовых турбин 3. Используемое топливо 4. Типы компрессоров 5. Использование теплообменника 6. Газовая турбина с промежуточным охлаждением и подогревом 7.Преимущества 8. Приложения.

Комплектация:

  1. Введение в газовые турбины
  2. Типы газовых турбин
  3. Топливо, используемое в газовых турбинах
  4. Типы компрессоров, используемых в газовых турбинах
  5. Использование теплообменников в газовых турбинах
  6. Газовая турбина с промежуточным охлаждением и подогревом
  7. Преимущества газовых турбин
  8. Применение газовых турбин

1. Введение в газовые турбины:

Газовая турбина представляет собой первичный двигатель, который развивает мощность за счет сжигания топлива.Газовые турбины представляют собой машины с осевым потоком, которые преобразуют тепло от сгораемого топлива в мощность треста или мощность на валу. Горячие газы претерпевают изменение импульса при протекании через каналы, образованные стационарными и вращающимися лопастями.

Струя смеси горячих газов и воздуха обтекает кольца подвижных лопаток, закрепленных на валу, при этом скорость струи уменьшается. Его кинетическая энергия поглощается кольцами лопастей, сообщающих вращательное движение валу. Большая часть мощности, развиваемой ротором турбины, расходуется на привод компрессора, подающего воздух под давлением в камеру сгорания, а остальная мощность расходуется на совершение внешней работы.

Основной принцип работы газовой турбины аналогичен поршневому двигателю внутреннего сгорания. В обоих случаях воздух подается в первичный двигатель, который сжимает воздух, и он нагревается в процессе сгорания и, таким образом, еще больше повышает давление, расширяясь, и, наконец, расширенные продукты выбрасываются через выхлоп.

Однако в случае поршневого двигателя внутреннего сгорания заряд периодически вводится в цилиндр двигателя.С другой стороны, поток рабочего тела в газовой турбине является непрерывным и плавным, за исключением газовых турбин постоянного объема или газовых турбин взрывного типа, которые в настоящее время обычно не используются.

Топливом, используемым для сжигания в газотурбинной установке, может быть нефть, угольный газ, генераторный газ, доменный газ и даже угольная пыль или торф.


2. Типы газовых турбин:

Газовые турбины можно разделить на два основных типа:

(1) Постоянный объем или взрывной тип

(2) Постоянное давление или непрерывное горение

(1) Постоянный объем или тип взрыва:

Сгорание топлива в этом случае происходит при постоянном объеме.

На рис. 15-3 показан эскиз газовой турбины постоянного объема.

Воздух, забираемый из атмосферы, сжимается в компрессоре до давления от 15 Н/см 2 до 35 Н/см 2 и нагнетается в камеру сгорания через клапаны. Масло, хранящееся в топливном баке, подается в камеру сгорания через форсунку с помощью топливного насоса высокого давления.

После этого впрыск прекращается и масло воспламеняется в присутствии воздуха от свечи зажигания.Воспламенение происходит при постоянном объеме, что приводит к взрыву, и во время этого давление внезапно возрастает примерно от 10 Н/см 2 до 145 Н/см 2 .

Открывает выпускной клапан, через который выходят продукты сгорания. При прохождении через выпускной клапан давление газообразных продуктов сгорания падает, но скорость значительно возрастает.

При обтекании колец подвижных лопаток турбины высокоскоростными газами их скорость падает, сообщая вращательное движение валу ротора импульсной турбины.Выпускной клапан остается открытым до тех пор, пока не будут выпущены продукты сгорания из камеры сгорания.

Лопасти ротора, клапаны и камера сгорания охлаждаются водой, циркулирующей в предусмотренных рубашках, так как подается лишь небольшое количество избыточного воздуха. Этот тип газовой турбины имеет некоторые недостатки. Скорость вращения вала турбины не постоянная, а прерывистая.

Ряд клапанов, работающих автоматически, они необходимы для камеры сгорания.Помимо нефти, другими видами топлива, которые до сих пор использовались в турбинах этого типа, являются доменный газ и пылевидный уголь.

Турбина постоянного объема или взрывного типа работает по циклу Аткинсона. В настоящее время он устарел и был заменен типом постоянного давления.

(2) Турбина постоянного давления или непрерывного сгорания:

Это называется газовая турбина непрерывного сгорания. Он работает по циклу Джоуля или циклу Брайтрона.На рис. 15-4 показана установка с турбиной этого типа. Атмосферный воздух всасывается и сжимается компрессором, который обычно приводится в движение валом ротора турбины, до давления от 15 Н/см 2 до 40 Н/см 2 .

Воздух высокой температуры и давления проходит через кольцевое пространство между стенками камеры сгорания и камеры смешения. Затем этот горячий воздух встречается и смешивается с горячими газами из горелки. Таким образом, видно, что количество воздуха, значительно превышающее количество, необходимое для сгорания масла в камере сгорания, подается компрессором.

Это связано с тем, что продукты сгорания горелки имеют очень высокую температуру и могут повредить лопатки и другие компоненты турбины. Подача избыточного воздуха значительно снижает температуру. Было замечено, что за счет этого избытка воздуха температура продуктов сгорания может быть снижена примерно до 600-800°С.

Когда эта смесь горячих газов и избыточного воздуха проходит через различные кольца движущихся лопаток турбины, она непрерывно расширяется, и при этом давление падает, вызывая эквивалентное увеличение кинетической энергии.

Турбина приводит в действие компрессор и генератор. Часть выходной мощности турбины, которая используется для привода компрессора, называется «обратной работой». Полезная мощность, получаемая от газовой турбины, равна общей мощности, развиваемой турбиной, за вычетом мощности, необходимой для привода компрессора (т. е. обратной работы).

Компрессор потребляет около 75% мощности, развиваемой турбиной, и только оставшиеся 25% предоставляются установке для привода генератора.

Газотурбинные установки постоянного давления далее подразделяются на установки открытого и замкнутого цикла.


3. Топливо, используемое в газовых турбинах:

Газовая турбина может использовать в камере сгорания топлива трех различных видов:

(1) Жидкое топливо

(2) Газообразное топливо

(3) Твердое топливо.

Жидкое топливо, используемое для газовой турбины, представляет собой дизельное топливо, печное топливо, высокоскоростное дизельное топливо и т. д. Преимуществами жидкого топлива являются простота обращения, меньше места для хранения и впрыска топлива, которые легко возможны и могут контролироваться.Метанол можно использовать в качестве топлива для газовой турбины.

В качестве газообразного топлива используются сжиженный нефтяной газ (LPG), сжатый природный газ (CNG). Преимущества газообразного топлива заключаются в том, что оно легко смешивается с воздухом, меньше загрязняет окружающую среду и создает меньше проблем с коррозией или эрозией лопастей. Они также используют доменный газ с теплотворной способностью 2,82 МДж/м 3 .

Жидкие и газообразные виды топлива предпочтительны для газовых турбин, потому что:

(I) Обладают высокой теплотворной способностью.

(II) Объем и вес топлива, необходимого для обеспечения выходной мощности, относительно невелики.

(III) Эти виды топлива легко сгорают в системе сгорания.

(IV) Это относительно чистое горючее топливо.

В качестве топлива для газовых турбин можно использовать твердое топливо, такое как угольная пыль или опилки. Угольная пыль также может быть использована в качестве топлива в газотурбинных установках. Но он может содержать до 5-10 процентов от своего веса грязи в виде пепла.

В случае, если частицы золы будут пропущены через турбину, лопатки последней могут быть заблокированы и даже повреждены. Использование твердого топлива с высокой летучестью и низкой зольностью дает преимущество в том, что его легко сжигать. Камера сгорания с псевдоожиженным слоем используется для сжигания пылевидного топлива.

Были проведены эксперименты по использованию водоугольной суспензии, которая обеспечивает преимущество использования воды в качестве топлива за счет разрушения молекул воды и получения высокой теплотворной способности водородного топлива.Но ведутся исследовательские работы по использованию угля/воды в качестве шламового топлива.


4. Типы компрессоров, используемых в газовых турбинах:

Компрессоры применяются в газотурбинной установке для сжатия среды.

Компрессор, используемый в газотурбинной установке, обычно относится к роторному типу и может быть классифицирован как:

1. Центробежные компрессоры:

Принципиальная особенность центробежного компрессора показана на рис.15-18. Вращающийся элемент, известный как рабочее колесо, состоит из большого количества лопастей и установлен на валу компрессора внутри стационарного корпуса. По мере вращения крыльчатки давление в этой области падает, и, следовательно, воздух входит через проушину и течет радиально наружу через лопасти крыльчатки, как показано на рис. 15-18.

И скорость, и давление увеличиваются, когда воздух проходит через лопасти рабочего колеса. Затем этот воздух поступает и проходит через конвергентные каналы, образованные лопатками диффузора, где его скорость уменьшается, но давление еще больше возрастает.

Другими словами, во время этой части потока энергия скорости преобразуется в энергию давления. Наконец, этот воздух под высоким давлением попадает в нагнетательный патрубок компрессора. Таким образом, видно, что в компрессоре этого типа воздух входит в осевом направлении, а выходит радиально. Устройство известно как одноступенчатое сжатие и подходит только для небольших соотношений давлений, скажем, до 4: 1.

Для обеспечения высокой степени сжатия некоторые компрессоры расположены последовательно.

2. Осевой компрессор:

В этом типе компрессора, который в настоящее время используется чаще, воздух течет в осевом направлении прямо от всасывания к нагнетанию. Принцип работы показан на рис. 15-19. Статор, окружающий ротор, снабжен кольцами лопаток.

Когда воздух поступает в указанном направлении, он проходит через чередующиеся кольца статора и лопаток ротора. Проходя через каждую пару лопаточных колец, состоящую из одного рабочего кольца ротора и одного рабочего кольца статора, воздух последовательно сжимается.Наконец, воздух подается в указанном направлении.

3. Тип лопасти:

Он состоит из барабана, на котором установлено несколько лопастей таким образом, что они могут скользить внутрь или наружу против усилия пружины. Они все время остаются в контакте с внутренней поверхностью корпуса нагнетателя. Пространство между корпусом и барабаном уменьшается от входа к выходу. Среда, захваченная между любыми двумя лопатками на входе, продолжает уменьшаться в объеме и увеличиваться в давлении по мере того, как она достигает выхода.

4. Вентилятор корневого канала:

Компрессор состоит из двух роторов эпициклоидальной формы. Каждый ротор закреплен на валу шпонкой. Два вала соединены между собой шестернями одинакового размера. Два ротора вращаются с одинаковой скоростью. Он работает так же, как шестеренчатый насос, где смесь на выходе находится под высоким давлением.

Эти компрессоры проще по конструкции и требуют меньше обслуживания. Он имеет сравнительно более длительный срок службы.Работает даже на меньшей скорости. Центробежный компрессор имеет плохие рабочие характеристики на более низких скоростях. Компрессор лопастного типа имеет проблемы с износом наконечников лопастей.

 


5. Использование теплообменников в газовых турбинах:

На рис. 15-22 показана простейшая газотурбинная установка. Теперь выхлопные газы покидают турбину при достаточно высокой температуре (около 430°С), значительно превышающей температуру воздуха, выходящего из компрессора.Следовательно, большое количество тепла теряется в атмосферу.

Большая часть этого тепла может быть восстановлена ​​путем установки теплообменника или регенератора, как показано на рис. 15-22, в котором выхлопные газы турбины нагревают сжатый воздух до того, как последний попадет в камеру сгорания. В этом случае расход топлива на единицу массы воздуха будет меньше, что повысит общую эффективность установки. Разные размеры теплообменников подходят для разных целей.Для целей авиации используется только небольшой теплообменник, если таковой имеется.

При большой стационарной эксплуатации газотурбинной установки, где вес или занимаемая площадь менее важны, используются теплообменники довольно больших размеров. Единицы среднего размера используются в локомотивах или морских службах.

Эффективность теплообменника:

С помощью теплообменника воздух от компрессора может быть нагрет от Т 3 до Т 2 , а горячие выхлопные газы охлаждены тем самым от Т 4 до Т 1 (= Т 5 ) .Но на практике воздух от компрессора нагревается только до некоторой точки 4′, а горячие выхлопные газы турбины охлаждаются до 5′. Эффективность теплообменника определяется как отношение фактически переданного тепла к теплу, которое может быть передано в идеальных условиях. Другими словами Эффективность теплообменника-

 


6. Газовая турбина с промежуточным охлаждением и подогревом

:

На рис. 15-26 показана схема установки, в которой сжатие воздуха происходит в два этапа.Промежуточный охладитель используется, когда используются высокие коэффициенты давления для охлаждения воздуха от компрессора низкого давления перед входом в компрессор высокого давления, что снижает общую мощность, необходимую для сжатия. Хотя промежуточный охладитель снижает работу сжатия, есть некоторая потеря давления. Но даже тогда это способствует общей экономии.

На рис. 15-27 показана газовая турбина с расширением в две ступени, как в турбинах высокого и низкого давления, и газы, выходящие из турбины высокого давления, повторно нагреваются до той же температуры перед расширением или ниже, а затем направляются в турбину низкого давления.

Соотношение воздух-топливо в газовой турбине довольно высокое. Таким образом, продукты сгорания выбрасываются после расширения в турбине высокого давления, которые все еще богаты кислородом, и снова подвергаются сгоранию во второй камере сгорания непосредственно перед воздухом.

После повторного нагрева такой же, как и перед входом в турбину высокого давления. Компрессоры могут приводиться в действие от турбины высокого давления (рис. 15-28) или турбины низкого давления.

 

На рис. 15-28 показана газотурбинная силовая установка с промежуточным охладителем, подогревателем и теплообменником для рекуперации тепла. Следует отметить, что хотя использование теплообменника, промежуточного охладителя и промежуточных подогревателей дает некоторый выигрыш в общей эффективности газотурбинной установки, этот выигрыш достигается за счет увеличения веса и стоимости.

Иногда две турбины соединяют в тандем (рис. 15-29), в котором сжатый воздух после прохождения теплообменника разделяется на две части, каждая часть проходит через отдельную камеру сгорания непосредственно перед входом в каждую из двух турбин.


7. Преимущества газовых турбин

:

Преимущества газовых турбин перед поршневыми двигателями внутреннего сгорания:

Газовая турбина имеет ряд преимуществ перед поршневым двигателем внутреннего сгорания.

Преимущества:

(1) При одинаковой мощности вес на единицу мощности, развиваемой газовой турбиной, примерно в три раза меньше, чем у поршневого двигателя внутреннего сгорания.Это одна из причин того, что турбореактивные двигатели все чаще используются в самолетах.

(2) Снижение затрат на топливо и смазку.

(3) Можно использовать даже топливо низкого качества. В некоторых случаях сжигались даже уголь и торф.

(4) Мощность газовой турбины увеличивается, если снижается температура рабочего тела на входе. На больших высотах, где температура воздуха достаточно низкая, мощность авиационного газотурбинного двигателя может поддерживаться на хорошем уровне.С другой стороны, мощность двигателя внутреннего сгорания на большой высоте уменьшится.

(5) Зимой ночью, особенно в холодных регионах, необходимо принять меры для предотвращения замерзания двигателей внутреннего сгорания с водяным охлаждением, когда температура атмосферы падает до отрицательных значений. Для этой цели обычно используется антифриз. Поскольку газовая турбина не использует воду, опасность замерзания отсутствует. С другой стороны, газовая турбина работает лучше, если температура атмосферы падает.

(6) Вибрации очень меньше.

(7) Меньше колебаний энергии.

(8) Работает на высокой скорости.

(9) Имеет низкое отношение мощности к весу.

(10) Работа плавная.


8. Применение газовых турбин:

Газовые турбины имеют широкое применение:

(1) Наддув:

Газовые турбины используются для наддува.Небольшая газовая турбина, работающая на горячих выхлопных газах, которая приводит в действие компрессор авиационных бензиновых двигателей и дизельных двигателей большой мощности.

(2) Турбореактивные и турбовинтовые двигатели:

Каждый турбореактивный и турбовинтовой двигатель имеет газовую турбину. Турбина обеспечивает мощность только для привода воздушного компрессора в турбореактивных двигателях, тогда как в турбореактивных двигателях они могут приводить в движение воздушный винт в дополнение к компрессору. Расширение газов может происходить только в одной турбине или в комплекте из турбины низкого и высокого давления.Температуры, при которых должны эксплуатироваться такие турбины, составляют от 800°С до 1000°С.

(3) Морское поле:

Газовая турбина также может использоваться в морской области. Они используются для приведения в движение кораблей или производства электроэнергии на корабле.

(4) Железная дорога:

Газовые турбины также могут быть использованы для железнодорожного движения.

(5) Автомобильный транспорт:

Газовые турбины используются для тяжелых бронированных транспортных средств, чтобы двигаться на высоких скоростях.

(6) Производство электроэнергии:

Газовые турбины очень популярны для производства электроэнергии из-за возможности быстрого запуска и доведения до полной нагрузки, а также меньших затрат на установку и техническое обслуживание. По сравнению с паровой электростанцией газотурбинная электростанция требует гораздо меньше воды для определенной эффективности.

(7) Промышленность:

Газовые турбины также используются в промышленных целях, например, для продувки воздухом доменных печей в сталелитейной, нефтяной и других химических отраслях промышленности.


Принцип работы электростанции комбинированного цикла

Что такое комбинированный цикл:

Процесс преобразования энергии топлива в электроэнергию включает в себя создание механической работы, которая затем преобразуется в электроэнергию с помощью генератора. Общий КПД преобразования в зависимости от типа топлива и используемого термодинамического процесса может составлять всего 30%.

Чтобы повысить общий КПД электростанции, можно ввести или объединить несколько термодинамических процессов для рекуперации и использования остаточной тепловой энергии горячих выхлопных газов.Используя комбинированный цикл, электростанции могут достигать электрического КПД до 60%.

Термин «комбинированный цикл» относится к объединению нескольких термодинамических циклов для выработки электроэнергии. В комбинированном цикле используется парогенератор с рекуперацией тепла (HRSG) , который улавливает тепло от высокотемпературных выхлопных газов для производства пара, который затем подается на паровую турбину для выработки дополнительной электроэнергии. Процесс создания пара для производства работы с помощью паровой турбины основан на цикле Ренкина .

Наиболее распространенный тип электростанции с комбинированным циклом использует газовые турбины и называется парогазовой установкой (ПГУ). Потому что газовые турбины имеют низкий КПД в режиме простого цикла, а мощность паровой турбины составляет около половины мощности ПГУ.

Принципы работы:

Следующие этапы выполняются на установках с комбинированным циклом для производства электроэнергии и улавливания избыточного тепла газовой турбины для повышения эффективности и выработки электроэнергии.

  1. Газовая турбина сжигает топливо (газ)
  • Газовая турбина сжимала воздух и смешивала его с топливом, нагретым до очень высокой температуры. Затем горячая топливовоздушная смесь проходит через лопатки газовой турбины, заставляя их вращаться.
  • Быстрое вращение турбины приводит в действие генератор, который преобразует часть вращающейся энергии в электричество.
  • Система рекуперации тепла с улавливанием выхлопных газов (HRSG)
    • Парогенератор-утилизатор (HRSG) улавливает тепловую энергию выхлопных газов газовой турбины, которая в противном случае уходила бы через выхлопную трубу/дымоход.
    • Котел-утилизатор помогает создавать пар из тепла выхлопных газов газовой турбины и подает его на паровую турбину.
  • Паровая турбина вырабатывает дополнительную электроэнергию
    • Паровая турбина передает свою энергию на приводной вал генератора, где она преобразуется в дополнительную электроэнергию.

    62B-104 ОСНОВНАЯ ГАЗОВАЯ ТУРБИНА

    62B-104 ОСНОВНАЯ ГАЗОВАЯ ТУРБИНА
    Инженерное обучение

    ЛИСТ НАЗНАЧЕНИЯ

    ОСНОВНЫЕ ГАЗОТУРБИННЫЕ ДВИГАТЕЛИ

    Лист назначения 60B-104

     

    ВВЕДЕНИЕ

    С увеличением количества судов с газотурбинными двигателями становится важным понимание базовой конструкции и работы газотурбинной установки.Офицер надводных боевых действий также должен понимать последствия эксплуатации этих двигателей в морской среде.

    ТЕМА УРОКА ЦЕЛИ ОБУЧЕНИЯ

    Терминальная цель:

    7.0 ОПИШИТЕ принципы, конструкцию, функции, компоненты, системы управления и контроля, а также работу газотурбинной двигательной установки и связанных с ней вспомогательных вспомогательных систем. (ДЖТИ: А)

    Дополнительные цели:

    7.1 ОПИШИТЕ следующие применения газовых турбин и укажите тип газовой турбины, связанный с каждым:

    а.Двигатель

    б. Электрогенерация

    7.2 Имея график, представляющий зависимость давления от объема в идеальном цикле Брайтона, ОТМЕТЬТЕ пять фаз и объясните процесс преобразования энергии, происходящий в каждой из них.

    а. Впуск

    б. Компрессия

    в. Сжигание

    д. Расширение

    эл. Выхлоп

    7.3 ОПРЕДЕЛИТЕ следующее, применимое к газотурбинным двигателям, включая преимущества и недостатки, если это применимо.

    а. Двигатель с разъемным валом

    б. Одновальный двигатель

    в. Кольцевая камера сгорания

    д. Канально-кольцевая камера сгорания

    эл. Осевой поток

    ф. Коробка отбора мощности в сборе

    7.4 ОПИШИТЕ следующие устройства и укажите их функции:

    а. Компрессор

    б. Камера сгорания

    в. Турбина ВД/турбина газогенератора

    д. Турбина низкого давления/силовая турбина

    эл.Подшипник/рама газовой турбины в сборе

    ф. Привод аксессуаров в сборе

    г. Впускной направляющий аппарат

    ч. Переменные лопатки статора компрессора

    я. Коллекторы продувки двигателя

    Дж. Коллектор стравливающего воздуха заказчика

    тыс. Высокоскоростная эластичная муфта

    л. Впуск/выпуск

    7.5 ОБСУДИТЕ источник и использование отбираемого клиентом воздуха.

    7.6 УКАЖИТЕ работу системы впуска и выпуска воздуха газовой турбины.

    7.7 ОПИШИТЕ путь воздуха от влагоотделителей к вытяжным эжекторам.

    7.8 ОПИШИТЕ влияние следующих факторов на газотурбинные двигатели и меры предосторожности, предпринятые в отношении окружающей среды, включая:

    а. Солевой спрей

    б. Ледообразование/температура наружного воздуха

    в. Повреждение посторонним предметом

    д. Чистота компрессора

    эл. Срывы/скачки

    ф.Запуск/остановка

    7.9 ОПИШИТЕ следующие системы двигателя:

    а. Система обнаружения льда

    б. Система обнаружения и тушения пожара

    в. Система зажигания

    д. Система промывки водой

    7.10 НЕ НАЗНАЧЕН; зарезервировано для использования в будущем

    7.11 НЕ НАЗНАЧЕН; зарезервировано для использования в будущем

    7.12 НЕ НАЗНАЧЕН; зарезервировано для использования в будущем

    УЧЕБНОЕ ЗАДАНИЕ

    1. Прочтите информационный лист 60B-104.
    2. Информационный лист плана 60B-104, используя вспомогательные цели урока 60B-104 в качестве руководства.
    3. Ответы на учебные сценарии.

    СЦЕНАРИИ ИССЛЕДОВАНИЯ:

    Изучая готовящуюся доску SWO, вы изучаете другие типы морских двигателей. Вы задаете себе несколько вопросов о газотурбинных двигателях.

    1. Зная, что газотурбинный двигатель представляет собой открытый термодинамический цикл, каким образом двигатель преобразует энергию, запасенную в топливе и воздухе, в полезную работу в виде вращающегося воздушного винта?

    После изучения вы явитесь на мостик к мидвахте как ДЖУД.Здесь тихо, поэтому вы смотрите на доску чтения сообщений OOD. Вы видите, что в этом районе есть несколько небольших песчаных бурь (вы в настоящее время находитесь в Персидском заливе), и что сообщение рекомендует всем кораблям с газовыми турбинами внимательно следить за состоянием своих воздушных фильтров / туманоуловителей.

    2. Каково значение этого компонента? Если это не удается, двигатель OOC?

    Просматривая поток сообщений, вы замечаете, что одного из FFG в вашей боевой группе нет поблизости.Любопытно, вы спрашиваете OOD, знает ли она, куда они ушли, и она говорит вам, что им пришлось заехать в Бахрейн, чтобы заменить и двигатель из-за неисправной камеры сгорания.

    3. Почему замена камеры сгорания LM2500 настолько сложна, что судно должно заходить в порт?

     

     

    ИНФОРМАЦИОННЫЙ ЛИСТ

    ОСНОВНЫЕ ГАЗОТУРБИННЫЕ ДВИГАТЕЛИ

    Информационный лист 64B-104I

    ВВЕДЕНИЕ

    С увеличением количества судов с газотурбинными двигателями становится важным понимание базовой конструкции и работы газотурбинной установки.Офицер надводных боевых действий также должен понимать последствия эксплуатации этих двигателей в морской среде.

    ССЫЛКИ

    (a) Руководство по силовой установке DD-963

    (b) Эксплуатация морских газовых турбин (NAVEDTRA-10097)

     

    ИНФОРМАЦИЯ

    1. Обзор урока:
    2. Газотурбинная установка представляет собой инновационную концепцию судовых электростанций.Суда ВМС США используют газотурбинные двигатели, производные от самолетов, как в качестве основного двигателя, так и в качестве корабельной электроэнергии. Высокая степень автоматизации установки достигается за счет интегрированной системы пультов управления и контроля.
    3. Преимущества:
    4. К преимуществам газотурбинной установки по сравнению с паровой установкой сопоставимой мощности относятся:
      1. Снижение веса на 70%
      2. Простота (меньше вспомогательных силовых установок)
      3. Сокращение численности персонала из-за автоматизированного управления силовой установкой
      4. Более быстрое время отклика
      5. Более быстрое ускорение/торможение
    5. Принципы газовых турбин:
      1. Компоненты базового газотурбинного двигателя включают:
        1. Компрессор
        2. Камера сгорания
        3. Турбина
      2. Рабочий цикл:
      3. В газотурбинном двигателе сжатие, сгорание и расширение происходят непрерывно в разных камерах.Газотурбинные двигатели работают по циклу Брайтона (открытый цикл двигателя).

        Рис. 1: Цикл Брайтона

        1. Фаза впуска:
        2. Наружный воздух всасывается в двигатель под действием компрессора. Давление, температура и объем остаются неизменными на протяжении всей фазы всасывания.
        3. Фаза сжатия:
        4. Всасываемый воздух механически сжимается. Давление и температура увеличиваются при соответствующем уменьшении объема.Механическая энергия, приводящая в действие компрессор, преобразуется в кинетическую энергию в виде сжатого воздуха.
        5. Фаза горения:
        6. Топливо впрыскивается в камеру сгорания и сгорает, превращая химическую энергию в тепловую в виде горячего расширяющегося газа. Объем и температура значительно увеличиваются, в то время как давление в камере сгорания остается постоянным.
        7. Фаза расширения:
        8. Тепловая энергия преобразуется в механическую по мере того, как горячие расширяющиеся газы из камеры сгорания вращают ротор турбины.Давление и температура уменьшаются, а объем увеличивается в фазе расширения.
        9. Фаза выхлопа:
        10. Горячие выхлопные газы отводятся через судовые воздухозаборники в атмосферу. Давление, температура и объем остаются неизменными на протяжении всей фазы выхлопа.
    6. Компоненты газовой турбины:
      1. Компрессоры: Существует два основных типа компрессоров газовых турбин.
        1. Центробежный компрессор:
        2. В этом компрессоре используется вращающаяся крыльчатка для всасывания всасываемого воздуха и его ускорения наружу посредством центробежной силы в диффузор.Он используется в небольших газовых турбинах и лучше всего подходит для низкого отношения давлений, когда общий диаметр двигателя не важен.

          Рис. 2: Центробежный компрессор

        3. Осевой компрессор:
        4. Состоит из вращающихся и неподвижных лопаток. Воздух сжимается, когда он проходит в осевом направлении вдоль вала. Это обеспечивает большую эффективность и более высокие коэффициенты давления за счет многоступенчатой ​​конструкции. Ступень сжатия состоит из одного ряда вращающихся лопастей, за которым следует ряд неподвижных лопастей.Это наиболее распространенный тип компрессора, используемый в судовых газотурбинных двигателях.

          Рис. 3: Осевой компрессор

        5. Остановка компрессора:
        6. Остановка или помпаж определяется как прерывание потока воздуха через компрессор. Остановка на работающем двигателе может привести к серьезному повреждению двигателя из-за чрезмерных вибраций и перегрева секции камеры сгорания. Для предотвращения остановки компрессора двигатели оснащены перепускными клапанами компрессора или лопатками компрессора с изменяемой геометрией.Спускные клапаны выпускают воздух из компрессора во время пуска, а регулируемые лопасти компрессора регулируют поток воздуха, чтобы избежать турбулентности, тем самым предотвращая остановку компрессора.
      2. Камеры сгорания:
      3. Камера сгорания смешивает сжатый воздух с топливом и сжигает смесь для получения горячего расширяющегося газа. Существует три основных типа топочных устройств.
        1. Банка:
        2. Отдельные банки горелок устанавливаются по периметру двигателя. Каждая банка представляет собой отдельную камеру сгорания и вкладыш, получающий собственную подачу топлива.
          1. Преимущество: простая замена
          2. Недостатки — Неэффективность, более слабая конструкция

          Рис. 4: Камера сгорания баночного типа

        3. Кольцевая:
        4. Одна большая камера сгорания в корпусе двигателя. Несколько топливных форсунок образуют сплошное «огненное кольцо». Этот тип используется на LM2500.
          1. Преимущества: Самый эффективный, самый прочный элемент рамы двигателя.
          2. Недостаток: Для ремонта или замены требуется полная разборка двигателя.

          Рис. 5: Кольцевая камера сгорания

        5. Канальный кольцевой:
        6. Этот гибридный тип использует несколько отдельных баллонов с отдельными топливными форсунками, которые получают воздух из общего кольцевого корпуса (Allison 501-K17).
          1. Преимущества: Прочный, легко заменяемый.
          2. Недостаток: менее эффективен, чем кольцевая камера сгорания.

        Рис. 6: Кольцевая камера сгорания

      4. Турбина:

        1. Энергия:
        2. Тепловая энергия горячих расширяющихся газов камеры сгорания преобразуется в механическую энергию при вращении колеса турбины.
        3. Конструкция:
        4. Состоит из стационарных лопастей (сопел) и вращающихся лопастей. Ступень турбины представляет собой один ряд сопел и один ряд лопаток.
      5. Узел привода вспомогательных агрегатов:
      6. Узел привода вспомогательных агрегатов приводится в действие компрессором через конические шестерни. Привод вспомогательных агрегатов используется для привода компонентов, чтобы сделать двигатель самодостаточным. Общие аксессуары включают такие компоненты, как насосы для смазочного масла и топливного масла.
      7. Двигатели:
        1. Два основных типа, используемых в ВМС США:
          1. Одновальный двигатель:
          2. Одновальные двигатели имеют один вал, который проходит через весь двигатель.На этом валу крепятся все вращающиеся части двигателя. Удлинение того же вала, узел отбора мощности, приводит в движение нагрузку. В основном этот тип двигателя используется там, где требуется постоянная скорость, например, для производства электроэнергии. Для этого используется двигатель Allison 501-K17.

            Рис. 7: Ротор турбины

          3. Двигатель с разъемным валом:
          4. Двигатель разделен на две основные секции: газогенератор и секцию силовой турбины. Секция газогенератора состоит из компрессора, камеры сгорания и турбины высокого давления (ВД).Целью газогенератора является производство горячего расширяющегося газа для использования в силовой турбине. Силовая турбина аэродинамически связана с газогенератором, но два вала не связаны механически. Силовая турбина преобразует тепловую энергию газогенератора в механическую энергию для привода нагрузки.
            1. Выходная скорость изменяется за счет управления скоростью газогенератора, которая определяет количество выхлопных газов, направляемых на силовую турбину.
            2. Газотурбинные двигатели с разъемным валом, такие как LM2500, подходят для главных силовых установок.Преимущества этого приложения:
              1. Газогенератор более чувствителен к требованиям нагрузки, поскольку работа компрессора не ограничивается нагрузкой на силовую турбину.
              2. Секция газогенератора и секция силовой турбины работают на скоростях, близких к их наиболее эффективным, во всем диапазоне нагрузок.

  • Газовая турбина воздухозаборника:


      1. Высокая шляпа Ассамблеи:


          1. Строительство:
          2. Внешняя структура, которая поддерживает сепараторы влаги и домов. .
          3. Влагоотделители (жалюзи и сетчатые экраны):
          4. Влагоотделители удаляют капли воды и грязь из всасываемого воздуха для предотвращения эрозии компонентов компрессора. Электрические ленточные нагреватели предотвращают образование льда на жалюзи.
          5. Двери для вдува:
          6. Двери для вдува устанавливаются для предотвращения недостатка воздуха в двигателе при загрязнении влагоотделителей.
            1. Эти двери срабатывают автоматически при увеличении перепада давления воздуха на влагоотделителях.
            2. В открытом состоянии впускной воздух обходит забитые влагоотделители и подает нефильтрованный воздух в двигатель, чтобы предотвратить воздушное голодание двигателя.

          Рис. 8: Высокая шляпа в сборе

        1. Впускной канал:

          1. Назначение:
          2. Впускной канал обеспечивает подачу воздуха для горения двигателя и охлаждающего воздуха для модуля.
          3. Система охлаждения модуля:
          4. Система охлаждения модуля направляет часть всасываемого воздуха в корпус двигателя для вентиляции модуля и внешнего охлаждения двигателя.Охлаждающий воздух модуля закручивается вокруг двигателя, отводя тепло и вентилируя модуль, прежде чем выйти через небольшой воздушный зазор вокруг заднего конца силовой турбины. Выхлоп работающих двигателей вызывает эффект эжектора, втягивая охлаждающий модуль воздух в выхлопной канал.

          Рис. 9: Впускной воздуховод GTM

        2. Противообледенительный коллектор:

          1. Назначение:
          2. Противообледенительный коллектор предназначен для подачи горячего отбираемого воздуха во впускной патрубок под каналом охлаждающего воздуха модуля для предотвращения образования льда.
          3. Обледенение:
          4. Обледенение может произойти во впускном канале, когда температура наружного воздуха упадет до 38 o F. Сигнал обледенения загорится при температуре 41 o F при влажности 70 %, чтобы предупредить оператора до образования льда во впуске.
          5. Эффекты:
          6. Обледенение на входе компрессора может ограничивать поток воздуха, вызывая остановку двигателя, а также представлять серьезную опасность повреждения двигателя посторонними предметами (FOD).
          7. Датчики:
          8. Датчик обнаружения льда, расположенный во впускной камере, выдает аварийный сигнал, предупреждающий оператора о возможности образования льда на воздухозаборнике.
          9. Управление:
          10. Противообледенительная воздушная система активируется вручную вахтенными и контролируется для предотвращения образования льда.
        3. Глушители:

          1. Расположение:
          2. Впускные глушители расположены на полпути вниз по воздуховоду для снижения воздушного шума.
          3. Конструкция:
          4. Глушители состоят из вертикальных пластин из звукопоглощающего материала, заключенных в перфорированные листы из нержавеющей стали.
          5. Канал охлаждающего воздуха модуля:
          6. Канал охлаждающего воздуха модуля содержит одиночный пулевидный глушитель для подавления шума, создаваемого охлаждающим воздухом.
        4. Компенсатор
        5. : Компенсатор представляет собой резиновый чехол, соединяющий впускной канал с впускной камерой модуля. Это предотвращает передачу шума модуля на корпус корабля.
      2. Базовый корпус газовой турбины LM2500 в сборе (модуль):

        1. Описание:
        2. Базовый корпус в сборе состоит из модуля корпуса (26 футов x 8 футов x 9 футов) на амортизируемом основании.
          1. Основание модуля:
          2. Основание представляет собой изготовленную из двутавровой балки стальную раму с креплениями для крепления двигателя.
          3. Проходки:
          4. Сервисные патрубки проходят через основание для всех сервисов двигателя, таких как электричество, воздух, масло, топливо, CO 2 или Галон .
          5. Защита:
          6. Корпус имеет тепловую и акустическую изоляцию, что обеспечивает двигателю контролируемую среду.
            1. Впускная камера: передняя часть модуля отделена от кожуха двигателя перегородкой.Впускная камера считается чистой частью модуля. В этой области на передней части двигателя установлен экран FOD на входе газовой турбины, чтобы предотвратить попадание крупных посторонних предметов в компрессор.
            2. Рис. 10: Сборка модуля GTM

            3. Кожух двигателя: Кожух содержит сам двигатель и выпускной патрубок, а также получает воздух из канала охлаждения модуля. Доступ к двигателю обеспечивается через боковую дверь и верхний люк.
        3. Система обнаружения и тушения пожара:
        4. Система обнаружения и тушения пожара обеспечивает автоматическую противопожарную защиту газотурбинного двигателя и модуля.

          Рис. 11: Сборка основания модуля

          1. Компоненты системы обнаружения пожара включают:

            1. Ультрафиолетовые детекторы пламени, которые обнаруживают пламя в зоне камеры сгорания.
            2. Температурные датчики, установленные на 400 o F для обнаружения возгораний за пределами диапазона обзора УФ-детекторов.
            3. Ручная кнопка «ПОЖАР» — может использоваться вахтенным для включения пожарной системы.
          2. Компоненты системы пожаротушения включают:

            1. Блок первичного CO 2 баллона для быстрого затопления модуля.
            2. Блок вторичного CO 2 для поддержания инертной атмосферы в модуле при необходимости.
            3. A CO 2 Выключатель запрета разблокировки, расположенный на пультах управления.Этот переключатель позволяет оператору остановить автоматический сброс основного CO 2 в модуль в случае ложного срабатывания тревоги или наличия персонала в модуле.
            4. Электронный сигнал пожарной остановки, используемый для остановки двигателя при обнаружении возгорания ультрафиолетовыми датчиками пламени, термовыключателями или кнопкой пожарной сигнализации с ручным управлением. Этот сигнал активирует последовательность пожарной остановки. Противопожарная остановка инициирует следующие действия:
              1. Сигнализация «ПОЖАР» на пультах управления.
              2. Прикрепляет топливо к двигателю.
              3. Останавливает вентилятор охлаждения модуля и закрывает вентиляционную заслонку.
              4. Выпускает CO 2 после 20-секундной задержки.

        Указание по технике безопасности: При входе в модуль убедитесь, что система пожаротушения отключена, а на модуле и пультах управления размещены таблички, предупреждающие о том, что в модуле находится персонал.

        Примечание: FFG оснащены системами галона.

      3. Система выхлопных каналов:

        1. Функция:
        2. Направляет выхлопные газы двигателя в атмосферу, снижая тепловыделение и шум выхлопа.
        3. Выхлопной коллектор:
        4. Выхлопной патрубок направляет выхлопные газы в выхлопной патрубок. Зазор между выхлопным коленом и корабельным всасывающим патрубком вызывает эффект эжектора, втягивающий охлаждающий модуль воздух в выхлопной патрубок.
        5. Впускной воздуховод:
        6. Выпускной воздуховод изолирован для контроля тепла и шума при выходе выхлопных газов в атмосферу.
        7. Шумоглушение:
        8. Пластинчатый глушитель расположен в центре воздуховода. Эти глушители такие же, как и во впускном канале, но установлены стационарно.
        9. Вытяжные эдукторы:
        10. Вытяжные эдукторы расположены на самом верхнем конце вытяжного канала. Выхлопные эдукторы охлаждают выхлопные газы, смешивая их с холодным окружающим воздухом, чтобы уменьшить инфракрасную сигнатуру корабля.
        11. Система подавления инфракрасного излучения пограничным слоем (BLISS):
        12. Крышки Bliss устанавливаются в верхней части каждой смесительной трубы для дополнительного охлаждения отработанного воздуха путем смешивания его со слоями окружающего воздуха.Это достигается за счет использования нескольких жалюзи, расположенных под углом для создания эффекта эдуктора. Это позволяет холодному окружающему воздуху смешиваться с горячими выхлопными газами.

        Рис. 12: Выхлопная система GTM

      4. Система промывки водой:

        1. Назначение:
        2. Используется для удаления грязи и солевых отложений с лопаток компрессора.
        3. Компоненты:
        4. Состоит из бака на 40 галлонов и стационарно установленного трубопровода для подачи промывочного раствора на вход компрессора.
        5. Процедура:
        6. В соответствии с PMS компрессор необходимо промывать для поддержания эффективности и предотвращения остановки компрессора.

        Рис. 13: Система промывки водой

      5. Отбор воздуха:

        1. Источники:
        2. Отбор воздуха от последней ступени компрессора на газотурбинных генераторах (ГТГ) и газотурбинных магистралях (ГТМ)
        3. (СПАМ):
          1. Пуск или приведение в действие прочих газовых турбин.
          2. Воздух прерий для глушения шума пропеллеров.
          3. Противообледенительный воздух для предотвращения обледенения воздухозаборника.
          4. Маскер воздуха для маскировки корпусных шумов главного двигателя.

        Рис. 14: Основные вращающиеся части LM2500

      6. LM2500 газовая турбина двигателя:
        1. Компоненты газового генератора:


          1. Секция компрессора:
          2. LM2500 имеет 16 этап осевого потока компрессора состоит из следующих компонентов:
            1. Ротор компрессора: 16 ступеней подвижных лопаток, приводимых в движение турбиной высокого давления.
            2. Статор компрессора: корпус компрессора, содержащий одну ступень входных направляющих лопаток (IGV), шесть ступеней регулируемых лопаток статора (VSV) и 10 ступеней неподвижных лопаток статора.
              1. IGV и лопасти статора 1-6 имеют изменяемую геометрию. Угол атаки лопастей можно изменить, чтобы компрессор не заглох.
              2. Отбираемый воздух извлекается из компрессора для использования в корабельной системе отбора воздуха и для внутреннего использования в двигателе.
          3. Камера сгорания:

            1. Камера сгорания кольцевого типа с 30 топливными форсунками и 2 искровыми запальниками.
            2. Около 30% воздуха из компрессора смешивается с топливом для поддержки горения. Остальные 70% используются для охлаждения и центрирования пламени внутри футеровки сгорания.
            3. Система зажигания производит искру высокой интенсивности для воспламенения топливно-воздушной смеси во время последовательности запуска. После запуска двигателя воспламенители больше не нужны и будут обесточены.
          4. Секция турбины высокого давления:

            1. Турбина высокого давления извлекает достаточно энергии из горячих расширяющихся газов для привода компрессора и вспомогательного привода.
            2. Турбина высокого давления представляет собой двухступенчатую осевую турбину, которая механически соединена с ротором компрессора.
            3. Турбина высокого давления использует около 65% тепловой энергии камеры сгорания для привода компрессора и агрегатов, установленных на двигателе.
          5. Узел привода вспомогательного оборудования:

            1. Приводится через вал ротора компрессора через впускной редуктор, радиальный приводной вал и раздаточный редуктор.
            2. Вспомогательный редуктор обеспечивает монтаж топливного насоса, насоса смазочного масла, воздушно-масляного сепаратора и пневматического стартера.
        2. Силовая турбина:

          1. Конструкция:
          2. Силовая турбина представляет собой шестиступенчатую осевую турбину. Силовая турбина извлекает оставшиеся 35% полезной энергии и использует ее для привода главного редуктора. Силовая турбина приводит в движение редуктор через высокоскоростной гибкий соединительный вал и узел сцепления.

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован.