Instalace energetických plynových turbín. Cykly plynových turbín

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Naposledy změněno: 2023-12-17 10:22

Jednotky plynové turbíny (GTP) jsou jeden, relativně kompaktní energetický komplex, ve kterém výkonová turbína a generátor pracují ve dvojicích. Systém se rozšířil v tzv. malé energetice. Skvělé pro zásobování energií a teplem velkých podniků, vzdálených osad a dalších spotřebitelů. Plynové turbíny zpravidla pracují na kapalné palivo nebo plyn.

Na hraně pokroku

Při zvyšování energetické kapacity elektráren se vedoucí role přesouvá na jednotky s plynovou turbínou a jejich další vývoj - elektrárny s kombinovaným cyklem (CCGT). V amerických elektrárnách tak od počátku 90. let 20. století již více než 60 % zprovozněných a modernizovaných kapacit tvořily plynové turbíny a elektrárny s kombinovaným cyklem a v některých zemích dosáhl jejich podíl v některých letech 90 %.

Jednoduché plynové turbíny se také staví ve velkém počtu. Zařízení s plynovou turbínou – mobilní, hospodárné na provoz a snadno opravitelné – se ukázalo jako optimální řešení pro pokrytí špičkového zatížení. Na přelomu století (1999-2000) celková kapacitajednotky s plynovou turbínou dosáhly výkonu 120 000 MW. Pro srovnání: v 80. letech byla celková kapacita systémů tohoto typu 8 000-10 000 MW. Významná část plynových turbín (více než 60 %) měla fungovat jako součást velkých binárních elektráren s kombinovaným cyklem o průměrném výkonu asi 350 MW.

Historické pozadí

Teoretické základy pro využití technologií kombinovaného cyklu byly u nás dostatečně podrobně studovány na počátku 60. let. Již tehdy se ukázalo, že obecná cesta rozvoje tepelné energetiky je spojena právě s technologiemi kombinovaného cyklu. Jejich úspěšná implementace však vyžadovala spolehlivé a vysoce účinné jednotky s plynovou turbínou.

Byl to významný pokrok v konstrukci plynových turbín, který určil moderní kvalitativní skok v tepelné energetice. Řada zahraničních firem úspěšně vyřešila problém vytváření účinných stacionárních plynových turbín v době, kdy domácí přední přední organizace v řízené ekonomice prosazovaly nejméně slibné technologie parních turbín (STP).

Pokud v 60. letech byla účinnost instalací plynových turbín na úrovni 24-32 %, pak na konci 80. let měly nejlepší stacionární elektrárny s plynovou turbínou účinnost (s autonomním využitím) 36-37 %. To umožnilo na jejich základě vytvořit CCGT, jejichž účinnost dosahovala 50 %. Na začátku nového století se toto číslo rovnalo 40 % a v kombinaci se zařízeními s kombinovaným cyklem s plynovým cyklem to bylo dokonce 60 %.

Porovnání parní turbínya závody kombinovaného cyklu

V závodech s kombinovaným cyklem založeným na plynových turbínách bylo bezprostřední a reálné vyhlídky dosáhnout účinnosti 65 % nebo více. Přitom u parních turbín (vyvinutých v SSSR) lze doufat v účinnost nepřesahující 46- 49 %. Z hlediska účinnosti jsou tedy systémy parních turbín beznadějně horší než systémy s kombinovaným cyklem.

Výrazně horší než elektrárny s parní turbínou také z hlediska nákladů a doby výstavby. V roce 2005 byla na světovém energetickém trhu cena 1 kW za CCGT jednotku s výkonem 200 MW a více $ 500-600/kW. U CCGT menších kapacit se cena pohybovala v rozmezí 600-900 $/kW. Výkonné elektrárny s plynovou turbínou odpovídají hodnotám 200-250 $/kW. S poklesem výkonu jednotky se jejich cena zvyšuje, ale obvykle nepřesahuje 500 $ / kW. Tyto hodnoty jsou několikanásobně nižší než náklady na kilowatt elektřiny v systémech parních turbín. Například cena instalovaného kilowattu v elektrárnách s kondenzační parní turbínou se pohybuje od 2000 do 3000 $/kW.

Schéma elektrárny s plynovou turbínou

Instalace obsahuje tři základní jednotky: plynovou turbínu, spalovací komoru a vzduchový kompresor. Všechny jednotky jsou navíc umístěny v prefabrikované jediné budově. Rotory kompresoru a turbíny jsou navzájem pevně spojeny, nesené ložisky.

Spalovací komory (například 14 kusů) jsou umístěny kolem kompresoru, každá ve svém samostatném krytu. Pro přijetí doVzduchový kompresor slouží jako vstupní potrubí, vzduch opouští plynovou turbínu výfukovým potrubím. Těleso plynové turbíny je založeno na výkonných podpěrách umístěných symetricky na jediném rámu.

Funkční princip

Většina jednotek s plynovou turbínou využívá princip kontinuálního spalování nebo otevřeného cyklu:

• Nejprve je pracovní tekutina (vzduch) čerpána při atmosférickém tlaku příslušným kompresorem.
• Dále je vzduch stlačen na vyšší tlak a odeslán do spalovací komory.
• Je dodáván s palivem, které hoří při konstantním tlaku a zajišťuje stálý přísun tepla. V důsledku spalování paliva se zvyšuje teplota pracovní tekutiny.
• Dále pracovní tekutina (nyní je to již plyn, který je směsí vzduchu a produktů spalování) vstupuje do plynové turbíny, kde po expanzi na atmosférický tlak vykonává užitečnou práci (otáčí turbínu, která generuje elektřina).
• Za turbínou jsou plyny vypouštěny do atmosféry, čímž se uzavírá pracovní cyklus.
• Rozdíl mezi chodem turbíny a kompresoru vnímá elektrický generátor umístěný na společné hřídeli s turbínou a kompresorem.

Zařízení s přerušovaným spalováním

Na rozdíl od předchozí konstrukce používá přerušované spalování dva ventily místo jednoho.

• Kompresor tlačí vzduch do spalovací komory přes první ventil, zatímco druhý ventil je zavřený.
• Když tlak ve spalovací komoře stoupne, první ventil se uzavře. V důsledku toho je objem komory uzavřen.
• Při zavřených ventilech se v komoře spaluje palivo, přirozeně k jeho spalování dochází při konstantním objemu. V důsledku toho se tlak pracovní tekutiny dále zvyšuje.
• Poté se otevře druhý ventil a pracovní tekutina vstupuje do plynové turbíny. V tomto případě bude tlak před turbínou postupně klesat. Když se blíží atmosférickému tlaku, druhý ventil by měl být uzavřen a první by měl být otevřen a opakujte sekvenci akcí.

cykly plynové turbíny

Pokud jde o praktickou realizaci toho či onoho termodynamického cyklu, musí konstruktéři čelit mnoha nepřekonatelným technickým překážkám. Nejcharakterističtější příklad: při vlhkosti páry nad 8-12% se prudce zvyšují ztráty v dráze proudění parní turbíny, zvyšuje se dynamické zatížení a dochází k erozi. To nakonec vede ke zničení průtokové cesty turbíny.

V důsledku těchto omezení v energetickém sektoru (pro získání zaměstnání) jsou zatím široce používány pouze dva základní termodynamické cykly: Rankinův cyklus a Braytonův cyklus. Většina elektráren je založena na kombinaci prvků těchto cyklů.

Rankinův cyklus se používá pro pracovní kapaliny, které při realizaci cyklu procházejí fázovým přechodem, podle tohoto cyklu pracují parní elektrárny. Pro pracovní kapaliny, které nelze za reálných podmínek kondenzovat a které nazýváme plyny, se používá Braytonův cyklus. Prostřednictvím tohoto cykluplynové turbíny a spalovací motory jsou v provozu.

Spotřebované palivo

Naprostá většina plynových turbín je navržena pro provoz na zemní plyn. Někdy se kapalná paliva používají v systémech s nízkým výkonem (méně často - střední, velmi zřídka - vysoký výkon). Novým trendem je přechod kompaktních systémů plynových turbín k používání pevných hořlavých materiálů (uhlí, méně často rašelina a dřevo). Tyto trendy jsou dány tím, že plyn je cennou technologickou surovinou pro chemický průmysl, kde je jeho využití často rentabilnější než v energetice. Výroba elektráren s plynovou turbínou schopných efektivně pracovat na pevná paliva aktivně nabírá na síle.

Rozdíl mezi ICE a GTU

Základní rozdíl mezi spalovacími motory a komplexy plynových turbín je následující. Ve spalovacím motoru probíhají procesy komprese vzduchu, spalování paliva a expanze produktů spalování v rámci jednoho konstrukčního prvku, nazývaného válec motoru. V plynových turbínách jsou tyto procesy rozděleny do samostatných konstrukčních jednotek:

• komprese se provádí v kompresoru;
• spalování paliva, respektive ve speciální komoře;
• expanze produktů spalování se provádí v plynové turbíně.

Výsledkem je, že konstrukčně jsou plynové turbíny a spalovací motory jen málo podobné, ačkoli fungují podle podobných termodynamických cyklů.

Závěr

S rozvojem výroby elektřiny v malém měřítku a zvyšováním její účinnosti zaujímají systémy GTP a STP stále větší podíl na celkovémenergetický systém světa. Slibná profese operátora elektrárny s plynovou turbínou je tedy stále více žádaná. Po západních partnerech si řada ruských výrobců osvojila výrobu nákladově efektivních jednotek plynových turbín. Severo-Zapadnaya CHPP v Petrohradu se stala první elektrárnou s kombinovaným cyklem nové generace v Rusku.