Чем газовая турбина отличается от паровой. Принцип работы гту. Газовые турбины Westinghouse-Mitsubishi-Fiat

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!

Традиционная современная газотурбинная установка (ГТУ) - это совокупность воздушного компрессора, камеры сгорания и газовой турбины, а также вспомогательных систем, обеспечивающих ее работу. Совокупность ГТУ и электрического генератора называют газотурбинным агрегатом.

Необходимо подчеркнуть одно важное отличие ГТУ от ПТУ. В состав ПТУ не входит котел, точнее котел рассматривается как отдельный источник тепла; при таком рассмотрении котел - это «черный ящик»: в него входит питательная вода с температурой $t_{п.в}$, а выходит пар с параметрами $р_0$, $t_0$. Паротурбинная установка без котла как физического объекта работать не может. В ГТУ камера сгорания - это ее неотъемлемый элемент. В этом смысле ГТУ - самодостаточна.

Газотурбинные установки отличаются чрезвычайно большим разнообразием, пожалуй, даже большим, чем паротурбинные. Ниже рассмотрим наиболее перспективные и наиболее используемые в энергетике ГТУ простого цикла.

Принципиальная схема такой ГТУ показана на рисунке. Воздух из атмосферы поступает на вход воздушного компрессора, который представляет собой роторную турбомашину с проточной частью, состоящей из вращающихся и неподвижных решеток. Отношение давления за компрессором р b к давлению перед ним р a называется степенью сжатия воздушного компрессора и обычно обозначается как p к (p к = p b /p a ). Ротор компрессора приводится газовой турбиной. Поток сжатого воздуха подается в одну, две или более камер сгорания. При этом в большинстве случаев поток воздуха, идущий из компрессора, разделяется на два потока. Первый поток направляется к горелочным устройствам, куда также подается топливо (газ или жидкое топливо). При сжигании топлива образуются продукты сгорания топлива высокой температуры. К ним подмешивается относительно холодный воздух второго потока с тем, чтобы получить газы (их обычно называют рабочими газами) с допустимой для деталей газовой турбины температурой.

Рабочие газы с давлением р с (р с < р b из-за гидравлического сопротивления камеры сгорания) подаются в проточную часть газовой турбины, принцип действия которой ничем не отличается от принципа действия паровой турбины (отличие состоит только в том, что газовая турбина работает на продуктах сгорания топлива, а не на паре). В газовой турбине рабочие газы расширяются практически до атмосферного давления p d , поступают в выходной диффузор 14, и из него - либо сразу в дымовую трубу, либо предварительно в какой-либо теплообменник, использующий теплоту уходящих газов ГТУ.

Вследствие расширения газов в газовой турбине, последняя вырабатывает мощность. Весьма значительная ее часть (примерно половина) тратится на привод компрессора, а оставшаяся часть - на привод электрогенератора. Это и есть полезная мощность ГТУ, которая указывается при ее маркировке.

Для изображения схем ГТУ применяют условные обозначения, подоб­ные тем, которые используют для ПТУ.

Более простой ГТУ быть не может, так как она содержит минимум необходимых компонентов, обеспечивающих последовательные процессы сжатия, нагрева и расширения рабочего тела: один компрессор, одну или несколько камер сгорания, работающих в одинаковых условиях, и одну газовую турбину. Наряду с ГТУ простого цикла, существуют ГТУ сложного цикла, которые могут содержать несколько компрессоров, турбин и камер сгорания. В частности, к ГТУ этого типа относятся ГТ-100-750, строив­шиеся в СССР в 70-е годы.

Она выполнена двухвальной. На одном валу расположены компрессор высокого давления КВД и приводящая его турбина высокого давления ТВД ; этот вал имеет переменную частоту вращения. На втором валу расположены турбина низкого давления ТНД , приводящая компрессор низкого давления КНД и электрический генератор ЭГ ; поэтому этот вал имеет постоянную частоту вращения 50 с -1 . Воздух в количестве 447 кг/с поступает из атмосферы в КНД и сжимается в нем до давления примерно 430 кПа (4,3 ат) и затем подается в воздухоохладитель ВО , где охлаждается водой с 176 до 35 °С. Это позволяет уменьшить работу, затрачиваемую на сжатие воздуха в компрессоре высокого давления КВД (степень сжатия p к = 6,3). Из него воздух поступает в камеру сгорания высокого давления КСВД и продукты сгорания с температурой 750 °С направляются в ТВД . Из ТВД газы, содержащие значительное количество кислорода, поступают в камеру сгорания низкого давления КСНД , в которой сжигается дополнительное топливо, а из нее - в ТНД . Отработавшие газы с температурой 390 °С выходят либо в дымовую трубу, либо в теплообменник для использования теплоты уходящих газов.

ГТУ не отличается высокой экономичностью из-за высокой температуры уходящих газов. Усложнение схемы позволяет повысить ее экономичность, но одновременно требует увеличения капиталовложений и усложняет эксплуатацию.

На рисунке показано устройство ГТУ V94.3 фирмы Siemens. Атмосферный воздух от комплексного воздухоочистительного устройства (КВОУ) поступает в шахту 4 , а из нее - к проточной части 16 воздушного компрессора. В компрессоре происходит сжатие воздуха. Степень сжатия в типичных компрессорах составляет p к = 13-17, и таким образом давление в тракте ГТУ не превышает 1,3-1,7 МПа (13-17 ат). Это еще одно серьезное отличие ГТУ от паровой турбины, в которой давление пара больше, чем давление газов в ГТУ в 10-15 раз. Малое давление рабочей среды обусловливает малую толщину стенок корпусов и легкость их прогрева. Именно это делает ГТУ очень маневренной, т.е. способной к быстрым пускам и остановкам. Если для пуска паровой турбины в зависимости от ее начального температурного состояния требуется от 1 ч до нескольких часов, то ГТУ может быть введена в работу за 10-15 мин.

При сжатии в компрессоре воздух нагревается. Оценить этот нагрев можно по простому приближенному соотношению:

$$T_a/T_b = \pi_к^{0.25}$$

в котором Т b и Т а - абсолютные температуры воздуха за и перед компрессором. Если, например, Т а = 300 К, т.е. температура окружающего воздуха 27 °С, а p к = 16, то Т b = 600 К и, следовательно, воздух нагревается на

$$\Delta t = (600-273)-(300-273) = 300°C.$$

Таким образом, за компрессором температура воздуха составляет 300-350 °С. Воздух между стенками пламенной трубы и корпуса камеры сгорания движется к горелочному устройству, к которому подается и топливный газ. Поскольку топливо должно поступать в камеру сгорания, где давление 1,3-1,7 МПа, то давление газа должно быть большим. Для возможности регулирования его расхода в камеру сгорания требуется давление газа примерно вдвое больше, чем давление в камере. Если в подводящем газопроводе имеется такое давление, то газ подается в камеру сгорания прямо с газораспределительного пункта (ГРП). Если давление газа недостаточное, то между ГРП и камерой устанавливают дожимной газовый компрессор.

Расход топливного газа составляет всего примерно 1-1,5 % от расхода воздуха, поступающего от компрессора, поэтому создание высокоэкономичного дожимного газового компрессора представляет определенные технические трудности.

Внутри пламенной трубы 10 образуются продукты сгорания высокой температуры. После подмешивания вторичного воздуха на выходе из камеры сгорания она несколько снижается, но достигает тем не менее, в типичных современных ГТУ 1350-1400 °С.

Из камеры сгорания горячие газы поступают в проточную часть 7 газовой турбины. В ней газы расширяются до практически атмосферного давления, так как пространство за газовой турбиной сообщается либо с дымовой трубой, либо с теплообменником, гидравлическое сопротивление которого невелико.

При расширении газов в газовой турбине на ее валу создается мощность. Эта мощность частично расходуется на привод воздушного компрессора, а ее избыток - на привод ротора 1 электрогенератора. Одна из характерных особенностей ГТУ состоит в том, что компрессор требует примерно половины мощности, развиваемой газовой турбиной. Например, в создаваемой в России ГТУ мощностью 180 МВт (это и есть полезная мощность) мощность компрессора составляет 196 МВт. Это одно из принципиальных отличий ГТУ от ПТУ: в последней мощность, идущая на сжатие питательной воды даже до давления в 23,5 МПа (240 ат) составляет всего несколько процентов от мощности паровой турбины. Связано это с тем, что вода - малосжимаемая жидкость, а воздух для сжатия требует много энергии.

В первом, достаточно грубом приближении, температуру газов за турбиной можно оценить по простому соотношению, аналогичному:

$$T_c/T_d = \pi_к^{0.25}.$$

Поэтому, если $\pi_к = 16$, а температура перед турбиной Т с = 1400 °С = 1673 К, то температура за ней составляет примерно, K:

$$T_d=T_c/\pi_к^{0.25} = 1673/16^{0.25} = 836.$$

Таким образом, температура газов за ГТУ достаточно высока, и значительное количество теплоты, полученной при сжигании топлива, в буквальном смысле уходит в дымовую трубу. Поэтому при автономной работе ГТУ ее КПД невелик:для типичных ГТУ он составляет 35-36 %, т.е. существенно меньше, чем КПД ПТУ. Дело, однако, кардинальным образом изменяется при установке на «хвосте» ГТУ теплообменника (сетевого подогревателя или котла-утилизатора для комбинированного цикла).

За газовой турбиной устанавливают диффузор - плавно расширяющийся канал, при течении в котором скоростной напор газов частично преобразуется в давление. Это позволяет иметь за газовой турбиной давление меньшее, чем атмосферное, что увеличивает работоспособность 1 кг газов в турбине и, следовательно, повышает ее мощность.

Устройство воздушного компрессора. Как уже указывалось, воздушный компрессор - это турбомашина, к валу которой подводится мощность от газовой турбины; эта мощность передается воздуху, протекающему через проточную часть компрессора, вследствие чего давление воздуха повышается вплоть до давления в камере сгорания.

На рисунке показан ротор ГТУ, уложенный в опорные подшипники; на переднем плане хорошо виден ротор компрессора и статорные элементы.

Из шахты 4 воздух поступает в каналы, образованные поворотными лопатками 2 невращающегося входного направляющего аппарата (ВНА). Главная задача ВНА - сообщить потоку, движущемуся в осевом (или радиально-осевом) направлении вращательное движение. Каналы ВНА принципиально не отличаются от сопловых каналов паровой турбины: они являются конфузорными (суживающимися), и поток в них ускоряется, одновременно приобретая окружную составляющую скорости.

В современных ГТУ входной направляющий аппарат делают поворотным. Необходимость в поворотном ВНА вызвана стремлением не допустить снижения экономичности при снижении нагрузки ГТУ. Дело заключается в том, что валы компрессора и электрогенератора имеют одинаковую частоту вращения, равную частоте сети. Поэтому, если не использовать ВНА, то и количество воздуха, подаваемого компрессором в камеру сгорания, постоянно и не зависит от нагрузки турбины. А изменить мощность ГТУ можно только изменением расхода топлива в камеру сгорания. Поэтому при уменьшении расхода топлива и неизменности количества воздуха, подаваемого компрессором, снижается температура рабочих газов и перед газовой турбиной, и за ней. Это приводит к очень значительному снижению экономичности ГТУ. Поворот лопаток при снижении нагрузки вокруг оси 1 на 25 - 30° позволяет сузить проходные сечения каналов ВНА и уменьшить расход воздуха в камеру сгорания, поддерживая постоянным соотношение между расходом воздуха и топлива. Установка входного направляющего аппарата позволяет поддерживать температуру газов перед газовой турбиной и за ней постоянной в диапазоне мощности примерно 100-80 %.

На рисунке показан привод лопаток ВНА. К осям каждой лопатки крепится поворотный рычаг 2 , который через рычаг 4 связан с поворотным кольцом 1 . При необходимости изменения расхода воздуха кольцо 1 поворачивается с помощью тяг и электродвигателя с редуктором; при этом поворачиваются одновременно все рычаги 2 и соответственно лопатки ВНА 5 .

Закрученный с помощью ВНА воздух поступает в 1-ю ступень воздушного компрессора, которая состоит из двух решеток: вращающейся и неподвижной. Обе решетки в отличие от решеток турбины имеют расширяющиеся (диффузорные) каналы, т.е. площадь для прохода воздуха на входе F 1 меньше, чем F 2 на выходе.

При движении воздуха в таком канале, его скорость уменьшается (w 2 < w 1), а давление увеличивается (р 2 > р 1). К сожалению, сделать диффузорную решетку экономичной, т.е. чтобы скорость потока w 1 в максимальной степени преобразовалась бы в давление, а не в теплоту, можно только при небольшой степени сжатия р 2 /р 1 (обычно 1,2 - 1,3), что приводит к большому числу ступеней компрессора (14 - 16 при степени сжатия компрессора p к = 13 - 16).

На рисунке показано течение воздуха в компрессорной ступени. Из входного (неподвижного) поворотного соплового аппарата воздух выходит со скоростью c 1 (см. верхний треугольник скоростей), имеющий необходимую окружную закрутку (a 1 < 90°). Если расположенная за ВНА вращающаяся (рабочая) решетка имеет скорость u 1 , то относительная скорость входа в нее w 1 будет равна разности векторов c 1 и u 1 , и эта разность будет больше, чем c 1 т.е. w 1 > c 1 . При движении в канале скорость воздуха уменьшается до значения w 2 , и он выходит под углом b 2 , определяемым наклоном профилей. Однако вследствие вращения и подвода к воздуху энергии от рабочих лопаток его скорость с 2 в абсолютном движении будет больше, чем c 1 . Лопатки неподвижной решетки устанавливают так, чтобы вход воздуха в канал был безударным. Так как каналы этой решетки расширяющиеся, то скорость в ней уменьшается до значения c " 1 , а давление возрастает от р 1 до р 2 . Решетку проектируют так, чтобы c " 1 = c 1 , a a " 1 = a 1 . Поэтому во второй ступени и последующих ступенях процесс сжатия будет протекать аналогичным образом. При этом высота их решеток будет уменьшаться в соответствии с увеличившейся плотностью воздуха из-за сжатия.

Иногда направляющие лопатки нескольких первых ступеней компрессора выполняют поворотными точно так же, как и лопатки ВНА. Это позволяет расширить диапазон мощности ГТУ, при котором температура газов перед газовой турбиной и за ней остается неизменной. Соответственно повышается и экономичность. Применение нескольких поворотных направляющих аппаратов позволяет работать экономично в диапазоне 100 - 50 % мощности.

Последняя ступень компрессора устроена так же, как и предшествующие с той лишь разницей, что задачей последнего направляющего аппарата 1 является не только повышение давления, но и обеспечение осевого выхода потока воздуха. Воздух поступает в кольцевой выходной диффузор 23 , где давление повышается до максимального значения. С этим давлением воздух поступает в зону горения 9 .

Из корпуса воздушного компрессора выполняются отборы воздуха для охлаждения элементов газовой турбины. Для этого в его корпусе выполняют кольцевые камеры, сообщаемые с пространством за соответствующей ступенью. Воздух из камер отводится с помощью трубопроводов.

Кроме того, компрессор имеет так называемые антипомпажные клапаны и обводные трубопроводы 6 , перепускающие воздух из промежуточных ступеней компрессора в выходной диффузор газовой турбины при ее пуске и остановке. Это исключает неустойчивую работу компрессора при малых расходах воздуха (это явление называется помпажом), выражающуюся в интенсивной вибрации всей машины.

Создание высокоэкономичных воздушных компрессоров представляет собой чрезвычайно сложную задачу, которую, в отличие от турбин, невозможно решить только расчетом и проектированием. Поскольку мощность компрессора равна примерно мощности ГТУ, то ухудшение экономичности компрессора на 1 % приводит к снижению экономичности всей ГТУ на 2-2,5 %. Поэтому создание хорошего компрессора является одной из ключевых проблем создания ГТУ. Обычно компрессоры создаются путем моделирования (масштабирования), используя модельный компрессор, созданный путем длительной экспериментальной доводки.

Камеры сгорания ГТУ отличаются большим разнообразием. Выше показана ГТУ с двумя выносными камерами. На рисунке показана ГТУ типа 13Е мощностью 140 МВт фирмы ABB с одной выносной камерой сгорания, устройство которой аналогично устройству камеры, показанной на рисунке. Воздух из компрессора из кольцевого диффузора поступает в пространство между корпусом камеры и пламенной трубой и затем используется для горения газа и для охлаждения пламенной трубы.

Главный недостаток выносных камер сгорания - большие габариты, которые хорошо видны из рисунке. Справа от камеры размещается газовая турбина, слева - компрессор. Сверху в корпусе видны три отверстия для размещения антипомпажных клапанов и далее - привод ВНА. В современных ГТУ используют в основном встроенные камеры сгорания: кольцевые и трубчато-кольцевые.

На рисунке показана встроенная кольцевая камера сгорания. Кольцевое пространство для горения образовано внутренней 17 и наружной 11 пламенными трубами. Изнутри трубы облицованы специальными вставками 13 и 16 , имеющими термобарьерное покрытие со стороны, обращенной к пламени; с противоположной стороны вставки имеют оребрение, улучшающее их охлаждение воздухом, поступающим через кольцевые зазоры между вставками внутрь пламенной трубы. Таким образом, достигается температура пламенной трубы 750-800 °С в зоне горения. Фронтовое микрофакельное горелочное устройство камеры состоит из нескольких сотен горелок 10 , к которым подается газ из четырех коллекторов 5 -8 . Отключая коллекторы поочередно можно изменять мощность ГТУ.

Устройство горелки показано на рисунке. Из коллектора газ поступает по сверлению в штоке 3 к внутренней полости лопаток 6 завихрителя. Последний представляет собой полые радиальные прямые лопатки, заставляющие воздух, поступающий из камеры сгорания, закручиваться и вращаться вокруг оси штока. В этот вращающийся воздушный вихрь поступает природный газ из внутренней полости лопаток завихрителя 6 через мелкие отверстия 7 . При этом образуется однородная топливно-воздушная смесь, выходящая в виде закрученной струи из зоны 5 . Кольцевой вращающийся вихрь обеспечивает устойчивое горение газа.

На рисунке показана трубчато-кольцевая камера сгорания ГТЭ-180. В кольцевое пространство 24 между выходной частью воздушного компрессора и входной частью газовой турбины с помощью перфорированных конусов 3 помещают 12 пламенных труб 10 . Пламенная труба содержит многочисленные отверстия диаметром 1 мм, расположенные по кольцевым рядам на расстоянии 6 мм между ними; расстояние между рядами отверстий 23 мм. Через эти отверстия снаружи поступает «холодный» воздух, обеспечивая конвективно-пленочное охлаждение и температуру пламенной трубы не выше 850 °С. На внутреннюю поверхность пламенной трубы наносится термобарьерное покрытие толщиной 0,4 мм.

На фронтовой плите 8 пламенной трубы устанавливают горелочное устройство, состоящее из центральной пилотной горелки 6 , поджигающей топливо при пуске с помощью свечи 5 , и пяти основных модулей, один из которых показан на рисунке. Модуль позволяет сжигать газ и дизельное топливо. Газ через штуцер 1 после фильтра 6 поступает в кольцевой коллектор топливного газа 5 , а из нее - в полости, содержащие мелкие отверстия (диаметр 0,7 мм, шаг 8 мм). Через эти отверстия газ поступает внутрь кольцевого пространства. В стенках модуля выполнено шесть тангенциальных пазов 9 , через которые поступает основное количество воздуха, подаваемого для горения от воздушного компрессора. В тангенциальных пазах воздух закручивается и, таким образом, внутри полости 8 образуется вращающийся вихрь, движущийся к выходу из горелочного устройства. На периферию вихря через отверстия 3 поступает газ, смешивается с воздухом, и образовавшаяся гомогенная смесь выходит из горелки, где воспламеняется и сгорает. Продукты сгорания поступают к сопловому аппарату 1-й ступени газовой турбины.

Газовая турбина является наиболее сложным элементом ГТУ, что обусловлено в первую очередь очень высокой температурой рабочих газов, протекающих через ее проточную часть: температура газов перед турбиной 1350 °С в настоящее время считается «стандартной», и ведущие фирмы, в первую очередь General Electric, работают над освоением начальной температуры 1500 °С. Напомним, что «стандартная» начальная температура для паровых турбин составляет 540 °С, а в перспективе - температура 600-620 °С.

Стремление повысить начальную температуру связано, прежде всего, с выигрышем в экономичности, который она дает. Это хорошо видно из рисунке, обобщающего достигнутый уровень газотурбостроения: повышение начальной температуры с 1100 до 1450 °С дает увеличение абсолютного КПД с 32 до 40 %, т.е. приводит к экономии топлива в 25 %. Конечно, часть этой экономии связана не только с повышением температуры, но и с совершенствованием других элементов ГТУ, а определяющим фактором все-таки является начальная температура.

Для обеспечения длительной работы газовой турбины используют сочетание двух средств. Первое средство - применение для наиболее нагруженных деталей жаропрочных материалов, способных сопротивляться действию высоких механических нагрузок и температур (в первую очередь для сопловых и рабочих лопаток). Если для лопаток паровых турбин и некоторых других элементов применяются стали (т.е. сплавы на основе железа) с содержанием хрома 12-13 %, то для лопаток газовых турбин используют сплавы на никелевой основе (нимоники), которые способны при реально действующих механических нагрузках и необходимом сроке службы выдержать температуру 800-850 °С. Поэтому вместе с первым используют второе средство - охлаждение наиболее горячих деталей.

Для охлаждения большинства современных ГТУ используется воздух, отбираемый из различных ступеней воздушного компрессора. Уже работают ГТУ, в которых для охлаждения используется водяной пар, который является лучшим охлаждающим агентом, чем воздух. Охлаждающий воздух после нагрева в охлаждаемой детали сбрасывается в проточную часть газовой турбины. Такая система охлаждения называется открытой. Существуют замкнутые системы охлаждения, в которых нагретый в детали охлаждающий агент направляется в холодильник и затем снова возвращается для охлаждения детали. Такая система не только весьма сложна, но и требует утилизации тепла, отбираемого в холодильнике.

Система охлаждения газовой турбины - самая сложная система в ГТУ, определяющая ее срок службы. Она обеспечивает не только поддержание допустимого уровня рабочих и сопловых лопаток, но и корпусных элементов, дисков, несущих рабочие лопатки, запирание уплотнений подшипников, где циркулирует масло и т.д. Эта система чрезвычайно сильно разветвлена и организуется так, чтобы каждый охлаждаемый элемент получал охлаждающий воздух тех параметров и в том количестве, который необходим для поддержания его оптимальной температуры. Излишнее охлаждение деталей так же вредно, как и недостаточное, так как оно приводит к повышенным затратам охлаждающего воздуха, на сжатие которого в компрессоре затрачивается мощность турбины. Кроме того, повышенные расходы воздуха на охлаждение приводят к снижению температуры газов за турбиной, что очень существенно влияет на работу оборудования, установленного за ГТУ (например, паротурбинной установки, работающей в составе ПТУ). Наконец, система охлаждения должна обеспечивать не только необходимый уровень температур деталей, но и равномерность их прогрева, исключающую появление опасных температурных напряжений, циклическое действие которых приводит к появлению трещин.

На рисунке показан пример схемы охлаждения типичной газовой турбины. В прямоугольных рамках приведены значения температур газов. Перед сопловым аппаратом 1-й ступени 1 она достигает 1350 °С. За ним, т.е. перед рабочей решеткой 1-й ступени она составляет 1130 °С. Даже пе­ред рабочей лопаткой последней ступени она находится на уровне 600 °С. Газы этой температуры омывают сопловые и рабочие лопатки, и если бы они не охлаждались, то их температура равнялась бы температуре газов и срок их службы ограничивался бы несколькими часами.

Для охлаждения элементов газовой турбины используется воздух, отбираемый от компрессора в той его ступени, где его давление несколько больше, чем давление рабочих газов в той зоне газовой турбины, в которую подается воздух. Например, на охлаждение сопловых лопаток 1-й ступени охлаждающий воздух в количестве 4,5 % от расхода воздуха на входе в компрессор отбирается из выходного диффузора компрессора, а для охлаждения сопловых лопаток последней ступени и примыкающего участка корпуса - из 5-й ступени компрессора. Иногда для охлаждения самых горячих элементов газовой турбины воздух, отбираемый из выходного диффузора компрессора, направляют сначала в воздухоохладитель, где его охлаждают (обычно водой) до 180-200 °С и затем направляют на охлаждение. В этом случае воздуха для охлаждения требуется меньше, но при этом появляются затраты на воздухоохладитель, усложняется ГТУ, теряется часть теплоты, отводимой охлаждающей водой.

Газовая турбина обычно имеет 3-4 ступени, т.е. 6-8 венцов решеток, и чаще всего охлаждаются лопатки всех венцов, кроме рабочих лопаток последней ступени. Воздух для охлаждения сопловых лопаток подводится внутрь через их торцы и сбрасываются через многочисленные (600-700 отверстий диаметром 0,5-0,6 мм) отверстия, расположенные в соответствующих зонах профиля. К рабочим лопаткам охлаждающий воздух подводится через отверстия, выполненные в торцах хвостовиков.

Для того чтобы понять, как устроены охлаждаемые лопатки, необходимо хотя бы в общих чертах рассмотреть технологию их изготовления. Ввиду исключительной трудности механической обработки никелевых сплавов для получения лопаток в основном используется точное литье по выплавляемым моделям. Для его реализации сначала по специальной технологии формовки и термообработки из материалов на основе керамики изготавливают литейные стержни. Литейный стержень - это точная копия полости внутри будущей лопатки, в которую будет поступать и протекать в необходимом направлении охлаждающий воздух. Литейный стержень помещают в пресс-форму, внутренняя полость в которой полностью соответствует лопатке, которую необходимо получить. Получающееся свободное пространство между стержнем и стенкой пресс-формы запол­няют нагретой легкоплавкой массой (например, пластмассой), которая застывает. Стержень вместе с обволакивающей ее застывающей массой, повторяющей внешнюю форму лопатки, представляет собой выплавляемую модель. Ее помещают в литейную форму, к которой подают расплав нимоника. Последний выплавляет пластмассу, занимает ее место и в результате появляется литая лопатка с внутренней полостью, заполненной стержнем. Стрежень удаляют вытравливанием специальными химическими растворами. Полученные сопловые лопатки практически не требуют дополнительной механической обработки (кроме изготовления многочисленных отверстий для выхода охлаждающего воздуха). Рабочие литые лопатки требуют обработки хвостовика с помощью специального абразивного инструмента.

Описанная вкратце технология заимствована из авиационной техники, где достигнутые температуры гораздо выше, чем в стационарных паровых турбинах. Трудность освоения этих технологий связана с гораздо большими размерами лопаток для стационарных ГТУ, которые растут пропорционально расходу газов, т.е. мощности ГТУ.

Весьма перспективным представляется использование так называемых монокристаллических лопаток, которые изготавливаются из одного кристалла. Связано это с тем, что наличие границ зерен при длительном пребывании при высокой температуре приводит к ухудшению свойств металла.

Ротор газовой турбины представляет собой уникальную сборную конструкцию. Перед сборкой отдельные диски 5 компрессора и диска 7 газовой турбины облопачиваются и балансируются, изготавливаются концевые части 1 и 8 , проставочная часть 11 и центральный стяжной болт 6 . Каждый из дисков имеет два кольцевых воротника, на котором выполнены хирты (по имени изобретателя - Hirth), - строго радиальные зубья треугольного профиля. Смежные детали имеют точно такие же воротники с точно такими же хиртами. При хорошем качестве изготовления хиртового соединения обеспечивается абсолютная центровка смежных дисков (это обеспечивает радиальность хиртов) и повторяемость сборки после разборки ротора.

Ротор собирается на специальном стенде, представляющем собой лифт с кольцевой площадкой для монтажного персонала, внутри которой осуществляется сборка. Сначала собирается на резьбе концевая часть ротора 1 и стяжной стержень 6 . Стержень ставится вертикально внутри кольцевой площадки и сверху на него с помощью крана опускается диск 1-й ступени компрессора. Центровка диска и концевой части осуществляется хиртами. Перемещаясь на специальном лифте вверх, монтажный персонал диск за диском [сначала компрессора, затем проставочная часть, а затем турбины и правой концевой части 8 ] собирает весь ротор. На правый конец навинчивается гайка 9 , а на оставшуюся часть резьбовой части стяжного стержня устанавливается гидравлическое устройство, сдавливающее диски и вытягивающее стяжной стержень. После вытяжки стержня гайка 9 навинчивается до упора, и гидравлическое устройство снимается. Растянутый стержень надежно стягивает диски между собой и превращает ротор в единую жесткую конструкцию. Собранный ротор извлекают из сборочного стенда, и он готов к установке в ГТУ.

Главным преимуществом ГТУ является ее компактность. Действительно, прежде всего, в ГТУ отсутствует паровой котел, - сооружение, достигающее большой высоты и требующее для установки отдельного помещения. Связано это обстоятельство, прежде всего с высоким давлением в камере сгорания (1,2-2 МПа); в котле горение происходит при атмосферном давлении и соответственно объем образующихся горячих газов оказывается в 12-20 раз больше. Далее, в ГТУ процесс расширения газов происходит в газовой турбине, состоящей всего из 3-5 ступеней, в то время как паровая турбина, имеющая такую же мощность, состоит из 3-4 цилиндров, заключающих 25-30 ступеней. Даже с учетом и камеры сгорания, и воздушного компрессора ГТУ мощностью 150 МВт имеет длину 8-12 м, а длина паровой турбины такой же мощности при трехцилиндровом исполнении в 1,5 раза больше. При этом для паровой турбины кроме котла необходимо предусмотреть установку конденсатора с циркуляционными и конденсатными насосами, систему регенерации из 7-9 подогревателей, питательные турбонасосы (от одного до трех), деаэратор. Как следствие, ГТУ может быть установлена на бетонное основание на нулевой отметке машинного зала, а ПТУ требует рамного фундамента высотой 9-16 м с размещением паровой турбины на верхней фундаментной плите и вспомогательного оборудования - в конденсационном помещении.

Компактность ГТУ позволяет осуществить ее сборку на турбинном заводе, доставить в машинный зал железнодорожным или автодорожным транспортом для установки на простом фундаменте. Так, в частности, транспортируется ГТУ с встроенными камерами сгорания. При транспортировке ГТУ с выносными камерами последние транспортируются отдельно, но легко и быстро присоединяются с помощью фланцев к модулю компрессор - газовая турбина. Паровая турбина поставляется многочисленными узлами и деталями, монтаж как ее самой, так и многочисленного вспомогательного оборудования и связей между ними занимает в несколько раз больше времени, чем ГТУ.

ГТУ не требует охлаждающей воды. Как следствие, в ГТУ отсутствует конденсатор и система технического водоснабжения с насосной установкой и градирней (при оборотном водоснабжении). В результате все это приводит к тому, что стоимость 1 кВт установленной мощности газотурбинной электростанции значительно меньше. При этом стоимость собственно ГТУ (компрессор + камера сгорания + газовая турбина) из-за ее сложности оказывается в 3-4 раза больше, чем стоимость паровой турбины такой же мощности.

Важным преимуществом ГТУ является ее высокая маневренность, определяемая малым уровнем давления (по сравнению с давлением в паровой турбине) и, следовательно, легким прогревом и охлаждением без возникновения опасных температурных напряжений и деформаций.

Однако ГТУ имеют и существенные недостатки, из которых, прежде всего, необходимо отметить меньшую экономичность, чем у паросиловой установки. Средний КПД достаточно хороших ГТУ составляет 37-38 %, а паротурбинных энергоблоков - 42-43 %. Потолком для мощных энергетических ГТУ, как он видится в настоящее время, является КПД на уровне 41-42 %, (а может быть и выше с учетом больших резервов повышения начальной температуры). Меньшая экономичность ГТУ связана с высокой температурой уходящих газов.

Другим недостатком ГТУ является невозможность использования в них низкосортных топлив, по крайней мере, в настоящее время. Она может хорошо работать только на газе или на хорошем жидком топливе, например дизельном. Паросиловые энергоблоки могут работать на любом топливе, включая самое некачественное.

Низкая начальная стоимость ТЭС с ГТУ и одновременно сравнитель­но низкая экономичность и высокие стоимость используемого топлива и маневренность определяют основную область индивидуального использования ГТУ: в энергосистемах их следует применять как пиковые или резервные источники мощности, работающие несколько часов в сутки.

Вместе с тем ситуация кардинально изменяется при использовании теплоты уходящих газов ГТУ в теплофикационных установках или в комбинированном (парогазовом) цикле.

Грицына В.П.

В связи с многократным ростом тарифов на электроэнергию в России, на многих предприятиях рассматривается вопросы строительства собственных электростанций малой мощности. В ряде регионов разрабатываются программы строительства малых или мини ТЭЦ, в частности, как замена устаревших котельных. На новой малой ТЭЦ, коэффициент использования топлива на которой достигает 90% при полном использовании тела в производстве и для отопления, стоимость получаемой электроэнергии может быть значительно ниже стоимости электроэнергии, получаемой от энергосистемы.

При рассмотрении проектов сооружения малых ТЭС энергетики и специалисты предприятий ориентируются на показатели, достигнутые в большой энергетике. Постоянное совершенствование газовых турбин (ГТУ) для применения в большой энергетике позволило увеличить их кпд до 36% и более, а применение комбинированного парогазового цикла (ПГУ) увеличило электрический кпд ТЭС до 54 %-57%.
Однако, в малой энергетике нецелесообразно рассматривать возможности применения сложных схем комбинированных циклов ПГУ для производства электроэнергии. Кроме того, газовые турбины в сравнении с газовыми двигателями, как приводы электрогенераторов, существенно проигрывают по кпд и эксплуатационным характеристикам, особенно при малых мощностях (менее 10 МВт). Так как в нашей стране ни газовые турбины, ни газопоршневые двигатели пока не получили широкого распространения в малой стационарной энергетике, то выбор конкретного технического решения представляет существенную проблему.
Эта проблема актуальна и для большой энергетики, т.е. для энергосистем. В современных экономических условиях, при отсутствии средств на строительство крупных электростанций по устаревшим проектам, к которым можно уже отнести и отечественный проект ПГУ 325 МВт, спроектированный 5 лет назад. Энергосистемы и РАО ЕЭС России должны обратить специальное внимание на развитие малой энергетики, на объектах которой могут быть опробованы новые технологии, что позволит начать возрождение отечественных турбостроительных и машиностроительных заводов и в дальнейшем перейти на большие мощности.
В последнее десятилетие за рубежом построены крупные дизельные или газомоторные ТЭС мощностью 100-200 Мвт . Электрический кпд дизельных или газомоторных электростанций (ДТЭС) достигает 47%, что превышает показатели ГТУ (36%-37%), однако уступает показателям ПГУ (51%-57%). Электростанции ПГУ включают большую номенклатуру оборудования: газовую турбину, паровой котел-утилизатор, паровую турбину, конденсатор, систему водоподготовки (плюс еще дожимной компрессор, если сжигается природный газ низкого или среднего давления. Дизель-генераторы могут работать на тяжелом топливе, которое в 2 раза дешевле, чем газотурбинное топливо и могут работать на газе низкого давления без применения дожимных компрессоров. По оценке фирмы S.E.M.T. PIELSTICK , полные затраты в течение 15 лет на эксплуатацию дизельного энергоблока мощностью 20 МВт в 2 раза меньше, чем для газотурбинной ТЭС той же мощности при использовании жидкого топлива обеими энергоустановками.
Перспективным Российским производителем дизельных энергоблоков до 22 МВт является Брянский машиностроительный завод, который предлагает заказчикам энергоблоки с повышенным кпд до 50% для работы, как на тяжелом топливе с вязкостью до 700 сСт при 50 С и содержанием серы до 5%, так и для работы на газообразном топливе.
Вариант крупной дизельной ТЭС может оказаться предпочтительнее, чем газотурбинная энергоустановка.
В малой энергетике при мощностях агрегатов менее 10 Мвт преимущества современных дизель-генераторов проявляются еще в большей мере.
Рассмотрим три варианта ТЭС с газотурбинными установками и газопоршневыми двигателями.

ТЭЦ, работающая на номинальной нагрузке круглосуточно с котлами-утилизаторами для теплоснабжения или пароснабжения.

ТЭЦ, электрогенератор и котел-утилизатор, которой работают только днем, а ночью теплоснабжение осуществляется от бака-аккумулятора горячей воды.

ТЭС, производящая только электричество без использования тепла уходящих газов.

Коэффициент использования топлива у первых двух вариантов электростанций (при различном электрическом кпд) за счет теплоснабжения могут достигать 80%-94%, как в случае применения газовых турбин, так и для моторного привода.
Экономичность всех вариантов электростанций зависит от надежности и экономичности прежде всего "первой ступени" -привода электрогенератора.
Энтузиасты применения малых газовых турбин агитируют за их широкое применение, отмечая более высокую удельную мощность. Например, в [ 1 ] сообщается, что Elliot Energy Systems (в 1998-1999 г.) cоздает распределительную сеть из 240 дистрибьюторов в Северной Америке с обеспечением инжиниринговой и сервисной поддержки для продажи "микро"-газовых турбин. Энергосистема заказала изготовление 45 кВт турбины, которая должна была быть готова к поставкам в августе 1998 г. Там же указывалось, что электрический кпд турбины достигает 17%, и отмечается, что надежность газовых турбин выше, чем у дизель-генераторов.
Это утверждение верно с точностью наоборот!
Если взглянуть на табл. 1. то мы увидим, что в таком широком диапазоне от сотен кВт до десятков Мвт, кпд моторного привода на 13%-17% выше. Обозначенный ресурс моторного привода фирмы "Вяртсиля" означает гарантированный ресурс до полного капитального ремонта. Ресурс новых газовых турбин, -это расчетный ресурс, подтвержденный испытаниями, но не статистикой работы в реальной эксплуатации. По многочисленным источникам ресурс газовых турбин составляет 30-60 тыс. часов с уменьшением при уменьшении мощности. Ресурс дизелей зарубежного производства составляет 40-100 тысяч часов и более.

Табл.1
Основные технические параметры приводов электрогенераторов
Г-газотурбинная энергоустановка, Д-газопоршневая генераторная установка Вяртсиля.
Д - дизель из каталога Газпрома
*Минимальная величина требуемого давления топливного газа=48 ата!!
Эксплуатационные характеристики
Электрический кпд (и мощность) электрогенератора с приводом от газового двигателя по данным фирмы Вяртсиля при снижении нагрузки со 100% до 50% кпд меняется слабо.
КПД газового двигателем практически не изменяется до 25 оС.
Мощность газовой турбины равномерно падает от -30 оС до +30 оС.
При температурах выше 40 оС уменьшение мощности газовой турбины (от номинала) составляет 20%.
Время запуска газового двигателя с 0 до 100% нагрузки составляет менее минуты и экстренно за 20 секунд . Для запуска газовой турбины требуется около 9 мин .
Давление подачи газа для газовой турбины должно быть 16-20 бар.
Давление газа в сети для газового двигателя может быть 4 бар (абс) и даже 1,15 бар для двигателя 175 SG.
Капитальные затраты на ТЭЦ мощностью около 1 Мвт, по оценке специалистов "Вяртсиля" составляют для газотурбинной $1400/ kВт и $900/кВт для газопоршневой ЭУ.

Применение комбинированного цикла на малых ТЭЦ, путем установки дополнительно паровой турбины нецелесообразно, так как увеличивает вдвое количество тепломеханического оборудования, площадь машзала и количество обслуживающего персонала при увеличении мощности только в 1.5 раза.
При снижении мощности ПГУ с 325 Мвт до 22 Мвт по данным завода НПП "Машпроект" (Украина, г. Николаев) парадный кпд энергоустановки снижается с 51,5 %до 43,6%.
КПД дизельэнергоблока (на газовом топливе) мощностью 20-10 Мвт составляет 43,3 %. Отметим, что в летнее время на ТЭЦ с дизельным агрегатом горячее водоснабжение может обеспечиваться от системы охлаждения двигателя.
Расчеты по конкурентоспособности электростанций, базирующихся на газовых двигателях показали, что себестоимость электроэнергии на малых (1-1,5 Мвт) электростанциях составляет приблизительно 4,5 цента/ кВт.ч), а на крупных 32-40 Мвт с газовыми двигателями станциях 3,8 цента США/кВт.ч.
Согласно аналогичному методу расчета электроэнергия конденсационной АЭС стоит примерно 5,5 центов США /кВт.ч. , а угольной КЭС примерно 5,9 центов. США/кВт.ч. По сравнению с угольной КЭС станция с газовыми двигателями вырабатывает электроэнергию на 30% дешевле.
Стоимость электроэнергии, производимой микротурбинами, по другим данным оценивается в пределах от $0,06 до $0,10/ кВт.ч
Ожидаемая цена за полнокомплектный газотурбинный генератор 75 кВт (США) составляет $40,000, что соответствует удельной стоимость для более крупных (более 1000 кВт) энергоустановок. Большим преимуществом энергоблоков с газовыми турбинами являются меньшие габариты, в 3 и более раз меньший вес.
Отметим, что удельная стоимость электрогенераторных установок российского производства на базе автомобильных двигателей мощностью 50-150 КВт может оказаться в несколько раз меньше, чем упомянутые турбоблоки (США), учитывая серийность производства двигателей и меньшую стоимость материалов.
Приведем мнение датских специалистов , оценивающих свой опыт внедрения малых энергоустановок.
"Инвестиции в завершенную, построенную под ключ ТЭЦ, работающую на природном газе, мощностью 0,5-40 Мвт составляют 6,5-4,5 млн. датских крон на 1 МВт (1 крона была примерно равна 1 рублю летом 1998 г.). ТЭЦ комбинированного цикла мощностью ниже 50 Мвт достигнет электрического кпд= 40-44 %.
Эксплуатационные расходы на смазочные масла, техническое обслуживание и содержание персонала на ТЭЦ достигают 0,02 дат кроны за 1 кВт.ч, производимого на газовых турбинах. На ТЭЦ с газовыми двигателями эксплуатационные расходы составляют около 0,06 дат. крон на 1 кВт.ч. При текущих ценах на электроэнергию в Дании высокая производительность газовых двигателей более, чем компенсирует их более высокие эксплуатационные расходы.
Датские специалисты считают, что большинство ТЭЦ мощностью ниже 10 Мвт в ближайшие годы будут оснащены газовыми двигателями".

Выводы
Приведенные оценки, казалось бы, однозначно показывают преимущества моторного привода при малых мощностях энергоустановок.
Однако, в настоящее время мощность предлагаемого моторного привода российского производства на природном газе не превышает мощность 800 кВт-1500 кВт (завод РУМО, Н-Новгород и Коломенский машзавод), а турбоприводы большей мощности могут предложить несколько заводов.
Два завода в России: з-д им. Климова (С-Петербург) и Пермские Моторы готовы поставлять полнокомплектные энергоблоки мини-ТЭЦ с котлами-утилизаторами.
В случае организации регионального сервисного центра вопросы техобслуживания и ремонта малых турбин турбин могут решаться путем замены турбины на резервную за 2-4 часа и ее дальнейшим ремонтом в заводских условиях техцентра.

КПД газовых турбин в настоящее время может быть повышен на 20-30 % путем применения энергетического впрыска пара в газовую турбину (цикл STIG или парогазовый цикл в одной турбине). Это техническое решение в предыдущие годы было проверено в полномасштабных натурных испытаниях энергетической установки "Водолей" в г. Николаеве (Украина) НПП "Машпроект" и ПО "Заря", что позволило увеличить мощность турбоагрегата с 16 до 25 Мвт а кпд был увеличен с 32,8 %до 41,8%.
Ничего не мешает перенести этот опыт на меньшие мощности и реализовать, таким образом, ПГУ в серийной поставке. В этом случае электрический кпд сравнивается с кпд дизелей, а удельная мощность возрастает настолько, что капитальные затраты могут быть на 50% ниже, чем на ТЭЦ с газомоторным приводом, что весьма привлекательно.

Данное рассмотрение проведено с целью показать: что при рассмотрении вариантов строительства электростанций в России, а тем более направлений создания программы строительства энергоустановок, необходимо рассматривать не отдельные варианты, которые могут предлагать проектные организации, а широкий перечень вопросов с учетом возможностей и интересов отечественных и региональных производителей оборудования.

Литература

1. Power Value, Vol.2, No.4, July/August 1998 , USA, Ventura, CA.
The Small Turbine Marketplace
Stan Price, Northwest Energy Efficiency Council, Seattle, Washington and Portland, Oregon
2. Новые направления энергопроизводства Финляндии
АСКО ВУОРИНЕН, доц. техн. наук, АО Вяртсила NSD Corporation, "ЭНЕРГЕТИК" -11.1997. стр.22
3. Централизованное теплоснабжение. Исследование и разработка технологии в Дании. Министерство энергетики. Управление энергетики,1993 г.
4. DIESEL POWER PLANTS. S.E.M.T. PIELSTICK. Проспект выставки POWERTEK 2000, 14-17 марта 2000 г.
5. Электростанции и электроагрегаты, рекомендованные к применению на объектах ОАО "ГАЗПРОМ". КАТАЛОГ. Москва 1999 г.
6. Дизельная электрическая станция. Проспект ОАО "Брянский машиностроительный завод". 1999г. Проспект выставки POWERTEK 2000/
7. НК-900Э Блочно-модульная теплоэлектростанция. ОАО Самарский научно-технический комплекс им. Н.Д. Кузнецова. Проспект выставки POWERTEK 2000

Турбина это любое вращающееся устройство, которое использует энергию движущегося рабочего тела (флюида), чтобы производить работу. Типичные флюиды турбин это: ветер, вода, пар и гелий. Ветряные мельницы и гидроэлектростанции использовали турбины десятилетия чтобы вращать электрогенераторы и производить энергию для промышленности и жилья. Простые турбины известны гораздо дольше, первые из них появились в древней Греции.

В истории энергогенерации, тем не менее, собственно газовые турбины появились не так давно. Первая, практически полезная газовая турбина начала генерировать электричество в Neuchatel, Швейцария в 1939 году. Она была разработана Brown Boveri Company. Первая газовая турбина, приводящая в действие самолёт также заработала в 1939 году в Германии, с использованием газовой турбины, разработанной Гансом П. фон Огайн. В Англии в 1930-е изобретение и конструирование газовой турбины Франком Виттлом привело к первому полёту с газотурбинным двигателем в 1941 году.

Рисунок 1. Схема авиационной турбины (а) и газовой турбины для наземного использования (б)

Термин "газовая турбина" легко вводит в заблуждение, поскольку для многих это означает турбинный двигатель, который использует газ в качестве топлива. На самом деле газовая турбина (показанная схематически на рис. 1) имеет компрессор, который подаёт и сжимает газ (как правило - воздух); камеру сгорания, где сжигание топлива нагревает сжатый газ и собственно турбину, которая извлекает энергию из потока горячих, сжатых газов. Этой энергии достаточно, чтобы питать компрессор и остаётся для полезных применений. Газовая турбина - это двигатель внутреннего сгорания (ДВС) использующий непрерывное сгорание топлива для производства полезной работы. Этим турбина отличается от карбюраторных или дизельных двигателей внутреннего сгорания, где процесс сжигания прерывистый.

Поскольку с 1939 года использование газовых турбин началось одновременно и в энергетике и в авиации - для авиационных и наземных газовых турбин используются различные названия. Авиационные газовые турбины называются турбореактивными или реактивными двигателями, а прочие газовые турбины называются газотурбинными двигателями. В английском языке имеется даже больше названий для этих, однотипных в общем, двигателей.

Использование газовых турбин

В авиационном турбореактивном двигателе энергия турбины приводит в действие компрессор, который засасывает воздух в двигатель. Горячий газ, покидающий турбину, выбрасывается в атмосферу через выхлопное сопло, что создаёт силу тяги. На рис. 1а изображена схема турбореактивного двигателя.

Рисунок 2. Схематичное изображение авиационного турбореактивного двигателя.

Типичный турбореактивный двигатель показан на рис. 2. Такие двигатели создают тягу от 45 кгс до 45000 кгс при собственном весе от 13 кг до 9000 кг. Самые маленькие двигатели приводят в движение крылатые ракеты, самые большие - огромные самолёты. Газовая турбина на рис. 2 - это турбовентиляторный двигатель с компрессором большого диаметра. Тяга создаётся и воздухом, который всасывается компрессором и воздухом, который проходит собственно через турбину. Двигатель имеет большие размеры и способен создавать большую тягу на маленькой скорости при взлёте, что и делает его наиболее подходящим для коммерческих самолётов. Турбореактивный двигатель не имеет вентилятора и создаёт тягу воздухом, который полностью проходит через газовый тракт. Турбореактивные двигатели имеют малые фронтальные размеры и производят наибольшую тягу на высоких скоростях, что делает их наиболее подходящими для использования на истребителях.

В газовых турбинах неавиационного применения часть энергии турбины используется для приведения в действие компрессора. Оставшаяся энергия - "полезная энергия" снимается с вала турбины на устройстве использования энергии, таком как электрический генератор или винт корабля.

Типичная газовая турбина для наземного использования показана на рис. 3. Такие установки могут генерировать энергию от 0,05 МВт до 240 МВт. Установка, показанная на рис. 3 это газовая турбина, производная от авиационной, но более лёгкая. Более тяжёлые установки созданы специально для наземного использования и называются промышленными турбинами. Хотя турбины, производные от авиационных, всё чаще используются как основные энергогенераторы, они по-прежнему наиболее часто используются как компрессоры для перекачки природного газа, приводят в действие корабли и используются как дополнительные генераторы электроэнергии на периоды пиковых нагрузок. Генераторы на газовых турбинах могут быстро включаться в работу, поставляя энергию в моменты наибольшей потребности в ней.

Рисунок 3. Наиболее простая, одностадийная, газовая турбина для наземного применения. Например, в энергетике. 1 – компрессор, 2 – камера сгорания, 3 – турбина.

Наиболее важные преимущества газовой турбины таковы:

1. Она способна вырабатывать много энергии при относительно небольших размере и весе.
2. Газовая турбина работает в режиме постоянного вращения, в отличие от поршневых двигателей, работающих с постоянно меняющимися нагрузками. Поэтому турбины служат долго и требуют относительно мало обслуживания.
3. Хотя газовая турбина запускается при помощи вспомогательного оборудования, такого как электрические моторы или другая газовая турбина, запуск занимает минуты. Для сравнения, время запуск паровой турбины измеряется часами.
4. В газовой турбине может использоваться разнообразное топливо. В больших наземных турбинах обычно используется природный газ, в то время, как в авиационных преимущественно лёгкие дистилляты (керосин). Дизельное топливо или специально обработанный мазут также может быть использован. Возможно также использование горючих газов от процесса пиролиза, газификации и переработки нефти, а также биогаз.
5. Обычно газовые турбины используют атмосферный воздух в качестве рабочего тела. При генерации электричества газовой турбине не нужен охладитель (такой как вода).

В прошлом одним из главных недостатков газовых турбин была низкая эффективность по сравнению с прочими ДВС или паровыми турбинами электростанций. Тем не менее, за последние 50 лет совершенствование их конструкции увеличило тепловой КПД с 18% в 1939 году на газовой турбине Neuchatel до нынешнего КПД 40% при работе в простом цикле и около 55% в комбинированном цикле (об этом ниже). В будущем КПД газовых турбин повысится ещё больше, ожидается, что эффективность в простом цикле повысится до 45-47% и в комбинированном цикле до 60%. Эти ожидаемые величины КПД существенно выше, чем у других распространённых двигателей, таких как паровых турбин.

Циклы газовой турбины

Циклограмма показывает, что происходит, когда воздух входит, проходит по газовому тракту и выходит из газовой турбины. Обычно циклограмма показывает отношение между объёмом воздуха и давлением в системе. На рис. 4а показан цикл Брайтона, который показывает изменение свойств фиксированного объёма воздуха проходящего через газовую турбину во время её работы. Ключевые области этой циклограммы показаны также на схематичном изображении газовой турбины на рис. 4б.

Рисунок 4а. Диаграмма цикла Брайтона в координатах P-V для рабочего тела, показывающая потоки работы (W) и тепла (Q).

Рисунок 4б. Схематичное изображение газовой турбины, показывающее точки с диаграммы цикла Брайтона.

Воздух сжимается от точки 1 до точки 2. Давление газа при этом растёт, а объём газа уменьшается. Затем воздух нагревается при постоянном давлении от точки 2 до точки 3. Это тепло производится топливом, вводимым в камеру сгорания и его непрерывным горением.

Горячий сжатый воздух от точки 3 начинает расширяться между точками 3 и 4. Давление и температура в этом интервале падают, а объём газа увеличивается. В двигателе на рис. 4б это представлено потоком газа от точки 3 до через турбину до точки 4. При этом производится энергия, которая затем может быть использована. В рис. 1а поток направляется из точки 3" в точку 4 через выходное сопло и производит тягу. «Полезная работа» на рис. 4а показана кривой 3’-4. Это энергия, способная приводить в действие вал привода наземной турбины или создавать тягу авиационного двигателя. Цикл Брайтона завершается на рис. 4 процессом, в котором объём и температура воздуха уменьшаются, т.к. тепло выбрасывается в атмосферу.

Рисунок 5. Система с закрытым циклом.

Большинство газовых турбин работают в режиме открытого цикла. В открытом цикле воздух забирается из атмосферы (точка 1 на рис. 4а и 4б) и выбрасывается назад в атмосферу в точке 4, таким образом, горячий газ охлаждается в атмосфере, после выброса из двигателя. В газовой турбине работающей по закрытому циклу рабочее тело (жидкость или газ) постоянно используется для охлаждения отходящих газов (в точке 4) в теплообменнике (показанном схематично на рис. 5) и направляется на вход в компрессор. Поскольку используется закрытый объём с ограниченным количеством газа, турбина закрытого цикла – это не двигатель внутреннего сгорания. В системе с закрытым циклом горение не может поддерживаться и обычная камера сгорания заменяется вторичным теплообменником, который нагревает сжатый воздух перед тем, как он войдёт в турбину. Тепло обеспечивается внешним источником, например, ядерным реактором, угольной топкой с псевдоожиженным слоем или иным источником тепла. Предлагалось использовать газовые турбины закрытого цикла в полётах на Марс и других длительных космических полётах.

Газовая турбина, которая сконструирована и работает в соответствии с циклом Брайсона (рис. 4) называется газовой турбиной простого цикла. Большинство газовых турбин на самолётах работают по простому циклу, так как необходимо поддерживать вес и фронтальный размер двигателя как можно меньшими. Тем не менее, для наземного или морского использования становится возможным добавить дополнительное оборудование к турбине простого цикла, чтобы увеличить эффективность и/или мощность двигателя. Используются три типа модификаций: регенерация, промежуточное охлаждение и двойной нагрев.

Регенерация предусматривает установку теплообменника (рекуператора) на пути отходящих газов (точка 4 на рис. 4б). Сжатый воздух из точки 2 на рис. 4б предварительно нагревается на теплообменнике выхлопными газами перед входом в камеру сжигания (рис. 6а).

Если регенерация хорошо реализована, то есть эффективность теплооменника велика, а падение давления в нём мало, эффективность будет больше, чем при простом цикле работы турбины. Тем не менее, следует брать во внимание также стоимость регенератора. Регенераторы использовались в газотурбинных двигателях в танках Абрамс М1 - главном боевом танке операции "Буря в пустыне" и в экспериментальных газотурбинных двигателях автомобилей. Газовые турбины с регенерацией повышают эффективность на 5-6% и их эффективность ещё выше при работе под неполной нагрузкой.

Промежуточное охлаждение также подразумевает использование теплообменников. Промежуточный охладитель (интеркулер) охлаждает газ во время его сжатия. Например, если компрессор состоит из двух модулей, высокого и низкого давления, интеркулер должен быть установлен между ними, чтобы охлаждать поток газа и уменьшить количество работы, необходимой для сжатия в компрессоре высокого давления (рис. 6б). Охлаждающим агентом может быть атмосферный воздух (так называемые аппараты воздушного охлаждения) или вода (например, морская вода в судовой турбине). Несложно показать, что мощность газовой турбины с хорошо сконструированным интеркулером увеличивается.

Двойной нагрев используется в турбинах и это способ увеличить выходную мощность турбины без изменения работы компрессора или повышения рабочей температуры турбины. Если газовая турбина имеет два модуля, высокого и низкого давления, то используется перегреватель (обычно ещё одна камера сжигания), чтобы повторно нагреть поток газа между турбинами высокого и низкого давления (рис. 6в). Это может увеличить выходную мощность на 1-3%. Двойной нагрев в авиационных турбинах реализуется добавлением камеры дожигания у сопла турбины. Это увеличивает тягу, но существенно увеличивает потребление топлива.

Газотурбинная электростанция с комбинированным циклом часто обозначается аббревиатурой ПГЦ. Комбинированый цикл означает электростанцию в которой газовая турбина и паровая турбина используются вместе чтобы достичь большей эффективности, чем при их использовании по-отдельности. Газовая турбина приводит в действие электрогенератор. Выхлопные газы турбины используются для получения пара в теплообменнике, этот пар приводит в действие паровую турбину, которая также производит электричество. Если пар используется для отопления, установка называется когенерационной электростанцией. Прочем, в России обычно используется аббревиатура ТЭЦ (теплоэнергоцентраль). Но на ТЭЦ, как правило, работают не газовые турбины, а обычные паровые турбины. А использованный пар используется для нагрева, так что ТЭЦ и когенерационная электростанция - не синонимы. На рис. 7 упрощённая схема когенерационной электростанции, там показано два последовательно установленных тепловых двигателя. Верхний двигатель - это газовая турбина. Она передаёт энергию нижнему двигателю - паровой турбине. Паровая турбина затем передаёт тепло в конденсатор.

Рисунок 7. Схема электростанции комбинированного цикла.

Эффективность комбинированного цикла \(\nu_{cc} \) может быть представлена довольно простым выражением: \(\nu_{cc} = \nu_B + \nu_R - \nu_B \times \nu_R \) Другими словами - это сумма КПД каждой из ступеней минус их произведение. Это уравнение показывает, почему когенерация так эффективна. Предположим, \(\nu_B = 40% \), это разумная верхняя оценка эффективности для газовой турбины, работающей по циклу Брайтона. Разумная оценка эффективности паровой турбины, работающей по циклу Ранкина на второй ступени когенерациии - \(\nu_R = 30% \). Подставив эти значения в уравнение получим: \(\nu_{cc} = 0,40 + 0,30 - 0,40 \times 0,3 = 0,70 - 0,12 = 0,58 \). То есть КПД такой системы составит 58%.

Это верхняя оценка эффективности когенерационной электростанции. Практическая эффективность будет ниже из-за неизбежных потерей энергии между ступенями. Практически в системах когенерации энергии, введённых в эксплуатацию в последние годы, достигнута эффективность 52-58%.

Компоненты газовой турбины

Работу газовой турбины лучше всего разобрать, разделив её на три подсистемы: компрессор, камеру сгорания и турбину, как это сделано на рис. 1. Далее мы кратко рассмотрим каждую из этих подсистем.

Компрессоры и турбины

Компрессор соединен с турбиной общим валом, так что турбина может вращать компрессор. Газовая турбина с одним валом имеет единственный вал, соединяющий турбину и компрессор. Двухвальная газовая турбина (рис. 6б и 6в) имеют два конических вала. Более длинный соединён с компрессором низкого давления и турбиной низкого давления. Он вращается внутри более короткого полого вала, который соединяет компрессор высокого давления с турбиной высокого давления. Вал, соединяющий турбину и компрессор высокого давления вращается быстрее, чем вал турбины и компрессора низкого давления. Трёхвальная газовая турбина имеет третий вал, соединяющий турбину и компрессор среднего давления.

Газовые турбины могут быть центробежными или осевыми, либо комбинированного типа. Центробежный компрессор, в котором сжатый воздух выходит вокруг наружного периметра машины, надёжен, обычно стоит меньше, но ограничен степенью сжатия 6-7 к 1. Они широко применялись ранее и используются по сей день в небольших газовых турбинах.

В более эффективных и производительных осевых компрессорах сжатый воздух выходит вдоль оси механизма. Это наиболее распространённый тип газовых компрессоров (см. рис. 2 и 3). Центробежные компрессоры состоят из большого количества одинаковых секций. Каждая секция содержит вращающееся колесо с лопатками турбины и колесо с неподвижными лопатками (статорами). Секции расположены таким образом, что сжатый воздух последовательно проходит каждую секцию отдавая часть своей энергии на каждой из них.

Турбины имеют более простую конструкцию, по сравнению с компрессором, так как сжать поток газа труднее, чем вызывать его обратное расширение. Осевые турбины, подобные изображённым на рис. 2 и 3 имеют меньше секций, чем центробежный компрессор. Существуют небольшие газовые турбины, которые используют центробежные турбины (с радиальным вводом газа), но наиболее распространены осевые турбины.

Конструирование и производство турбины сложно, так как требуется увеличить срок жизни компонентов в горячем газовом потоке. Проблема с надёжностью конструкции наиболее критична в первой ступени турбины, где температуры наиболее велики. Используются специальные материалы и проработанная система охлаждения, чтобы лопатки турбины, которые плавятся при температуре 980-1040 градусов Цельсия в газовом потоке, температура которого достигает 1650 градусов Цельсия.

Камера сгорания

Удачная конструкция камеры сгорания должна удовлетворять многим требованиям и её правильное конструирование было непростым делом со времён турбин Виттла и фон Огайна. Относительная важность каждого из требований к камере сгорания зависит от области применения турбины и, разумеется, некоторые требования вступают в противоречие друг с другом. При конструировании камеры сгорания неизбежны компромиссы. Большинство требований к конструкции имеют отношение к цене, эффективности и экологической безопасности двигателя. Вот перечень базовых требований к камере сгорания:

1. Высокая эффективность сгорания топлива при любых условиях работы.
2. Низкий уровень выбросов недогара топлива и монооксида углерода (угарного газа), низкие выбросы оксидов азота при большой нагрузке и отсутствие видимых выбросов дыма (минимизация загрязнения окружающей среды).
3. Малое падение давления при прохождении газа через камеру сгорания. 3-4% потери давления – это обычная величина падения давления.
4. Горение должно быть устойчивым при всех режимах работы.
5. Горение должно быть устойчивым при очень низких температурах и низком давлении на большой высоте (для авиационных двигателей).
6. Горение должно быть ровным, без пульсаций или срывов.
7. Температура должна быть стабильной.
8. Большой срок службы (тысячи часов), особенно для промышленных турбин.
9. Возможность использования разных видов топлива. Для наземных турбин типично использование природного газа или дизельного топлива. Для авиационных турбин керосина.
10. Длина и диаметр камеры сгорания должны соответствовать размера двигательной сборки.
11. Общая стоимость владения камерой сгорания должна быть минимальной (это включает исходную стоимость, стоимость эксплуатации и ремонта).
12. Камера сгорания для авиационных двигателей должна иметь минимальный вес.

Камера сгорания состоит из минимум трёх основных частей: оболочки, жаровой трубы и системы впрыска топлива. Оболочка должна выдерживать рабочее давление и может быть частью конструкции газовой турбины. Оболочка закрывает относительно тонкостенную жаровую трубу в которой и происходит сгорания и систему впрыска топлива.

По сравнению с другими типами двигателей, такими как дизельные и поршневые автомобильные двигатели, газовые турбины производят наименьшее количество выбросов загрязняющих веществ в атмосферу на единицу мощности. Среди выбросов газовых турбин наибольшие опасения вызывают недогоревшее топливо, монооксид углерода (угарный газ), оксиды азота (NOx) и дым. Хотя вклад авиационных турбин в общие выбросы загрязняющих веществ составляет менее 1%, выбросы производимые непосредственно в тропосферу удвоились между 40 и 60 градусами северной широты, вызвав увеличение концентрации озона на 20%. В стратосфере, где летают сверхзвуковые самолёты, выбросы NOx вызывают разрушение озона. Оба эффекта вредят окружающей среде, так что уменьшение содержания оксидов азота (NOx) в выбросах авиационных двигателей – это то, что должно произойти в 21 столетии.

Это довольно короткая статья, которая старается охватить все аспекты применения турбин, от авиации до энергетики, да ещё и не полагается на формулы. Чтобы лучше ознакомиться с темой могу порекомендовать книгу «Газовая турбина на железнодорожном транспорте» http://tapemark.narod.ru/turbo/index.html . Если опустить главы, связанные со спецификой использования турбин на железной дороге – книга по-прежнему очень понятная, но гораздо более подробная.

Газовая турбина - это двигатель, в котором в процессе непрерывной работы основной орган устройства (ротор) превращает (в других случаях пара или воды) в работу механического плана. При этом струя рабочего вещества воздействует на закрепленные по окружности ротора лопатки, приводя их в движение. По направлению газового потока турбины делятся на осевые (газ перемещается параллельно оси турбины) или радиальные (перпендикулярное движение относительно той же оси). Существуют как одно- , так и многоступенчатые механизмы.

Газовая турбина может действовать на лопатки двумя способами. Во-первых, это активный процесс, когда газ подается в рабочую зону на высоких скоростях. При этом газовый поток стремится перемещаться прямолинейно, а стоящая на его пути изогнутая лопаточная деталь отклоняет его, поворачиваясь сама. Во-вторых, это процесс реактивного типа, когда скорость подачи газа невелика, однако при этом используются высокие давления. типа в чистом виде почти не встречается, т. к. в их турбинах присутствует которая действует на лопатки вместе с силой реакции.

Где сегодня применяется газовая турбина? Принцип работы устройства позволяет использовать его для приводов генераторов электротока, компрессоров и др. Широкое распространение турбины такого вида получили на транспорте (судовые газотурбинные установки). По сравнению с паровыми аналогами они имеют сравнительно небольшой вес и габариты, для них не нужно обустройство котельной, конденсационной установки.

Газовая турбина достаточно быстро готова к работе после запуска, развивает полную мощность приблизительно за 10 минут, проста в обслуживании, требует небольшого количества воды для охлаждения. В отличие от двигателей внутреннего сгорания, она не имеет инерционных воздействий от кривошипно-шатунного механизма. в полтора раза короче, чем дизельные двигатели и более чем в два раза легче. У устройств есть возможность работать на топливе низкого качества. Вышеуказанные качества позволяют считать двигатели такого плана представляющими особый интерес для судов на и на подводных крыльях.

Газовая турбина как основной компонент двигателя имеет и ряд существенных недостатков. В их числе отмечают высокую шумность, меньшую, чем у дизелей, экономичность, небольшой срок работы при высоких температурах (если используемая газовая среда имеет температуру около 1100 о С, то сроки использования турбины могут составлять в среднем до 750 часов).

КПД газовой турбины зависит от того, в какой системе она используется. Например, устройства, применяемые в энергетике с начальной температурой газов выше 1300 градусов Цельсия, со воздуха в компрессоре не более 23 и не менее 17 имеют при автономных операциях коэффициент около 38,5%. Такие турбины не очень широко распространены и применяются в основном для перекрытия нагрузочных пиков в электросистемах. Сегодня около 15 газовых турбин с мощностью до 30 МВт работают на ряде теплоэлектростанций России. На многоступенчатых установках достигается гораздо более высокий показатель полезного действия (около 0,93) за счет высокой эффективности конструктивных элементов.