Maximální účinnost plynové turbíny. Jak se liší účinnost jednotek s plynovou turbínou a účinnost jednotek stlačeného plynu pro domácí a zahraniční elektrárny? Motory s plynovou turbínou mají také nevýhody.

Příznaky těhotenství po implantaci embrya

Kontinuální tepelná turbína, ve které se tepelná energie stlačeného a ohřátého plynu (obvykle produktů spalování) přeměňuje na mechanickou rotační práci na hřídeli; je konstrukční prvek motoru s plynovou turbínou.

K ohřevu stlačeného plynu obvykle dochází ve spalovací komoře. Je možné provádět i ohřev v jaderném reaktoru apod. Plynové turbíny se poprvé objevily na konci 19. století. jako motor s plynovou turbínou a svou konstrukcí se blížily parní turbíně. Plynová turbína je konstrukčně řada uspořádaně uspořádaných stacionárních věnce lopatek tryskového zařízení a rotujících věnců oběžného kola, které v důsledku tvoří průtokovou část. Stupeň turbíny je tryskové zařízení kombinované s oběžným kolem. Stupeň se skládá ze statoru, který zahrnuje stacionární části (pouzdro, lopatky trysky, obvazové kroužky), a rotor, což je sada rotujících částí (jako jsou rotující lopatky, kotouče, hřídel).

Klasifikace plynové turbíny se provádí podle mnoha Designové vlastnosti: podle směru proudění plynu, počtu stupňů, způsobu využití tepelného rozdílu a způsobu přivádění plynu do oběžného kola. Na základě směru proudění plynu lze rozlišovat plynové turbíny na axiální (nejběžnější) a radiální, dále na diagonální a tangenciální. V axiálním plynové turbíny proudění v meridionálním úseku je transportováno převážně po celé ose turbíny; u radiálních turbín je naopak kolmá k ose. Radiální turbíny se dělí na dostředivé a odstředivé. V diagonální turbíně proudí plyn pod určitým úhlem k ose otáčení turbíny. Oběžné kolo tangenciální turbíny nemá lopatky, takové turbíny se používají pro velmi nízký průtok plynu, obvykle v měřicích přístrojích. Plynové turbíny se dodávají v jedno, dvou a vícestupňových typech.

Počet stupňů je určen mnoha faktory: účelem turbíny, její konstrukcí, celkovým výkonem jednoho stupně a také spouštěným poklesem tlaku. Podle způsobu využití disponibilního rozdílu tepla se rozlišují turbíny s rychlostními stupni, u kterých se v oběžném kole otáčí pouze proudění, beze změny tlaku (aktivní turbíny), a turbíny s tlakovými stupni, u kterých je tlak klesá jak v tryskovém aparátu, tak na lopatkách rotoru (proudové turbíny). U parciálních plynových turbín je plyn přiváděn k oběžnému kolu po části obvodu tryskového zařízení nebo po celém jeho obvodu.

U vícestupňové turbíny se proces přeměny energie skládá z řady po sobě jdoucích procesů v jednotlivých stupních. Stlačený a ohřátý plyn se přivádí do mezilopatkových kanálů tryskového zařízení s počáteční rychlost, kde se během procesu expanze část dostupného tepelného spádu přemění na kinetickou energii výstupního paprsku. Další expanze plynu a přeměna přestupu tepla na užitečná práce se vyskytují v mezilopatkových kanálech oběžného kola. Proud plynu, působící na lopatky rotoru, vytváří krouticí moment na hlavním hřídeli turbíny. V tomto případě klesá absolutní rychlost plynu. Čím nižší jsou tyto otáčky, tím více energie plynu se přemění na mechanickou práci na hřídeli turbíny.

Účinnost charakterizuje účinnost plynových turbín, což je poměr práce odebrané z hřídele k dostupné energii plynu před turbínou. Efektivní účinnost moderních vícestupňových turbín je poměrně vysoká a dosahuje 92-94%.

Princip činnosti plynové turbíny je následující: plyn je čerpán do spalovací komory kompresorem, smíchán se vzduchem, tvoří palivovou směs a je zapálen. Výsledné produkty spalování vysoká teplota(900-1200 °C) procházejí několika řadami lopatek namontovaných na hřídeli turbíny a způsobují otáčení turbíny. Výsledná mechanická energie hřídele je přenášena přes převodovku do generátoru, který vyrábí elektřinu.

Termální energie Plyny opouštějící turbínu vstupují do výměníku tepla. Také místo výroby elektřiny lze mechanickou energii turbíny využít k provozu různých čerpadel, kompresorů apod. Nejčastěji používané palivo pro plynové turbíny je zemní plyn, i když to nemůže vyloučit možnost použití jiných plynných paliv. Plynové turbíny jsou ale zároveň velmi vrtošivé a kladou zvýšené nároky na kvalitu její přípravy (jsou vyžadovány určité mechanické inkluze a vlhkost).

Teplota plynů vycházejících z turbíny je 450-550 °C. Kvantitativní poměr tepelné energie k elektrické energii u plynových turbín se pohybuje od 1,5:1 do 2,5:1, což umožňuje budovat kogenerační systémy, které se liší typem chladiva:

1) přímé (přímé) použití horkých výfukových plynů;
2) výroba nízkotlaké nebo středotlaké páry (8-18 kg/cm2) v externím kotli;
3) výroba teplé vody (lepší, když požadovaná teplota překročí 140 °C);
4) výroba vysokotlaké páry.

Sovětští vědci B. S. Stechkin, G. S. Zhiritsky, N. R. Briling, V. V. Uvarov, K. V. Kholshchevikov, I. I. Kirillov a další významně přispěli k vývoji plynových turbín Vytvoření plynových turbín pro stacionární a mobilní jednotky plynových turbín bylo dosaženo zahraničními společnostmi (. Swiss Brown-Boveri, kde působil slavný slovenský vědec A. Stodola, a Sulzer, americký General Electric aj.).

V další vývoj plynových turbín závisí na možnosti zvýšení teploty plynu před turbínou. To je způsobeno vytvořením nových tepelně odolných materiálů a spolehlivých chladicích systémů pro pracovní lopatky s výraznými vylepšeními v průtokové části atd.

Díky rozsáhlému přechodu v 90. letech 20. století. Plynové turbíny zaujímají významný segment trhu pro využití zemního plynu jako hlavního paliva pro výrobu elektrické energie. Navzdory skutečnosti, že maximální účinnosti zařízení je dosahováno při výkonech 5 MW a vyšších (až 300 MW), někteří výrobci vyrábějí modely v rozsahu 1-5 MW.

Plynové turbíny se používají v letectví a elektrárnách.

  • Předchozí: ANALYZÁTOR PLYNU
  • Následující: PLYNOVÝ MOTOR
Kategorie: Průmysl na G 


Elektrárny s relativně nízkým výkonem mohou zahrnovat jak motory s plynovou turbínou (GTE), tak pístové motory (RP). V tomto ohledu mají zákazníci často otázku: který pohon je výhodnější. A i když na to nelze jednoznačně odpovědět, účelem tohoto článku je pokus o pochopení této problematiky.

Úvod

Výběr typu motoru a jeho počtu pro pohon elektrických generátorů v elektrárně libovolné kapacity je složitý technický a ekonomický úkol. Pokusy o srovnání pístových a plynových turbínových motorů jako pohonů jsou nejčastěji prováděny za použití zemního plynu jako paliva. Jejich zásadní výhody a nevýhody byly rozebrány v odborné literatuře, v reklamních brožurách výrobců elektráren s pístovými motory a dokonce i na internetu.

Zpravidla jsou poskytovány zobecněné informace o rozdílu ve spotřebě paliva a ceně motorů bez ohledu na jejich výkon a provozní podmínky. Často se uvádí, že je výhodné formulovat elektrárny o výkonu 10-12 MW na bázi pístových motorů a pro větší elektrárny na bázi motorů s plynovou turbínou. Tato doporučení by neměla být brána jako axiom. Jedno je zřejmé: každý typ motoru má své výhody i nevýhody a při výběru pohonu jsou potřeba nějaká, alespoň orientační, kvantitativní kritéria pro jejich posouzení.

V současné době ruský energetický trh nabízí poměrně širokou škálu jak pístových, tak plynových turbínových motorů. Mezi pístovými motory převažují motory z dovozu a mezi motory s plynovou turbínou domácí.

Informace o technická charakteristika ah motory s plynovou turbínou a elektrárny na nich založené, navržené pro provoz v Rusku, v minulé roky jsou pravidelně zveřejňovány v „Katalogu zařízení plynových turbín“.

Podobné informace o pístových motorech a elektrárnách, kterých jsou součástí, lze získat pouze z reklamních brožur ruských a zahraničních společností dodávajících toto zařízení. Informace o nákladech na motory a elektrárny se nejčastěji nezveřejňují a zveřejněné informace často nejsou pravdivé.

Přímé srovnání pístových a plynových turbínových motorů

Zpracování dostupných informací nám umožňuje vygenerovat níže uvedenou tabulku, která obsahuje kvantitativní i kvalitativní posouzení výhod a nevýhod pístových a plynových turbínových motorů. Některé charakteristiky jsou bohužel převzaty z reklamních materiálů, jejichž úplnou přesnost je extrémně obtížné nebo téměř nemožné ověřit. Údaje potřebné pro ověření o výkonu jednotlivých motorů a elektráren až na vzácné výjimky nejsou zveřejňovány.

Uvedené údaje jsou samozřejmě zobecněné pro konkrétní motory budou přísně individuální. Některé z nich jsou navíc uvedeny v souladu s normy ISO a skutečné provozní podmínky motorů se výrazně liší od standardních.

Uvedené informace poskytují pouze kvalitativní popis motorů a nelze je použít při výběru zařízení pro konkrétní elektrárnu. Ke každé pozici v tabulce lze uvést nějaké komentáře.

Index typ motoru
Píst Plynová turbína
Rozsah jednotkových výkonů motoru (ISO), MW 0.1 - 16.0 0.03 - 265.0
Změna výkonu při konstantní venkovní teplotě Stabilnější, když se zátěž sníží o 50 %. Účinnost klesá o 8-10% Méně stabilní při snížení zátěže o 50 %. Účinnost klesá o 50 %
Vliv venkovní teploty vzduchu na výkon motoru Prakticky žádný efekt Při poklesu teploty na -20°C se výkon zvýší o cca 10-20%, při zvýšení na +30°C se sníží o 15-20%.
Vliv venkovní teploty vzduchu na účinnost motoru Prakticky žádný efekt Když teplota klesne na -20°C, účinnost se zvýší přibližně o 1,5% abs.
Palivo Plynné, kapalné Plynné, kapalné (na zvláštní objednávku)
Požadovaný tlak palivového plynu, MPa 0.01 - 0.035 Více než 1.2
Účinnost výroby elektřiny při provozu na plyn (ISO) od 31 % do 48 % V jednoduchém cyklu od 25 % do 38 %, v kombinovaném cyklu - od 41 % do 55 %
Poměr elektrického výkonu a množství rekuperovaného tepla, MW/MW (ISO) 1/(0.95-1.3) 1/(1.4-4.0)
Možnosti využití rekuperovaného odpadního tepla Pouze pro ohřev vody na teploty nad 115°C Pro výrobu páry pro výrobu elektřiny, chlazení, odsolování vody atd., pro ohřev vody na teplotu 150°C
Vliv teploty venkovního vzduchu na množství rekuperovaného tepla Prakticky žádný efekt Když teplota vzduchu klesá, množství tepla v přítomnosti nastavitelného lopatkového zařízení v plynové turbíně téměř neklesá, ale v jeho nepřítomnosti klesá
Zdroj motoru, h Více: až 300 000 pro středněrychlostní motory Méně: do 100 000
Míra nárůstu provozních nákladů s rostoucí životností Méně vysoký Vyšší
Hmotnost pohonné jednotky (motor s elektrocentrálou a pomocným zařízením), kg/kW Výrazně vyšší: 22.5 Výrazně nižší: 10
Rozměry pohonné jednotky, m Více: 18,3x5,0x5,9 s jednotkovým výkonem 16 MW bez chladicího systému Méně: 19,9x5,2x3,8 s jednotkovým výkonem 25 MW
Specifická spotřeba oleje, g/kW*h 0.3 - 0.4 0.05
Počet startů Není omezeno a nemá vliv na snížení životnosti motoru Není omezen, ale ovlivňuje snížení životnosti motoru
Udržitelnost Opravy lze provádět na místě a vyžadují méně času Opravy jsou možné ve speciálním zařízení
Náklady na generální opravu Levnější Drahý
Ekologie Měrné - v mg/m3 - více, ale objem škodlivých emisí v m3 je menší Měrné - v mg/m3 - méně, ale objem emisí v m3 je větší
Náklady na pohonnou jednotku Méně pro výkon jednotkového motoru do 3,5 MW Méně pro jednotkový výkon motoru vyšší než 3,5 MW

Energetický trh nabízí velmi velký výběr motorů s výraznými rozdíly v technických vlastnostech. Konkurence mezi motory uvažovaných typů je možná pouze v rozsahu jednotkového elektrického výkonu do 16 MW. Při vyšších výkonech motory s plynovou turbínou nahrazují pístové motory téměř úplně.

Je třeba vzít v úvahu, že každý motor má individuální vlastnosti a pouze ty by měly být použity při výběru typu pohonu. To umožňuje formulovat skladbu hlavního zařízení elektrárny daného výkonu v několika variantách, lišících se především elektrickým výkonem a počtem požadovaných motorů. Množství možností ztěžuje výběr preferovaného typu motoru.

O účinnosti pístových a plynových turbínových motorů

Nejdůležitější charakteristikou každého motoru v elektrárně je účinnost výroby energie (EP), která určuje hlavní, ale ne úplný objem spotřeby plynu. Zpracování statistických údajů o hodnotách účinnosti umožňuje jasně ukázat oblasti použití, ve kterých má podle tohoto ukazatele jeden typ motoru výhody oproti jinému.

Relativní umístění a konfigurace tří zvýrazněných na Obr. 1 zóny, ve kterých jsou umístěny bodové obrázky hodnot elektrické účinnosti různých motorů, nám umožňuje vyvodit některé závěry:

  • i v rámci stejného typu motorů o stejném výkonu dochází k výraznému rozpětí hodnot účinnosti výroby elektřiny;
  • s jednotkovým výkonem vyšším než 16 MW poskytují motory s plynovou turbínou v kombinovaném cyklu hodnotu účinnosti nad 48 % a mají monopol na trhu;
  • elektrická účinnost plynových turbínových motorů o výkonu do 16 MW, pracujících v jednoduchém i kombinovaném cyklu, je nižší (někdy velmi výrazně) než u pístových motorů;
  • motory s plynovou turbínou s jednotkovým výkonem do 1 MW, které se objevily na trhu v poslední době, svou účinností předčí motory s výkonem 2-8 MW, které se dnes nejčastěji používají v elektrárnách;
  • povaha změny účinnosti motorů s plynovou turbínou má tři zóny: dvě s relativně konstantní hodnotou - 27 a 36% a jedna s proměnnou hodnotou - od 27 do 36%; uvnitř dvou zón účinnost slabě závisí na elektrické energii;
  • Hodnota účinnosti pro výrobu elektřiny pístových motorů je neustále závislá na jejich elektrickém výkonu.

Tyto faktory však nejsou důvodem pro upřednostnění pístových motorů. I když elektrárna pouze vyrábí elektrická energie, při porovnávání možností složení výbavy s různými typy motorů budete muset provést ekonomické výpočty. Je třeba prokázat, že náklady na ušetřený plyn pokryjí rozdíl v ceně pístových a plynových turbínových motorů a jejich doplňkového vybavení. Množství ušetřeného plynu nelze určit, pokud není znám provozní režim stanice pro dodávku elektřiny v zimě a v létě. V ideálním případě jsou požadované elektrické zátěže známé - maximální (zimní pracovní den) a minimální (letní víkend).

Využití elektrické i tepelné energie

Pokud musí elektrárna vyrábět nejen elektrickou, ale i tepelnou energii, pak bude nutné určit, z jakých zdrojů je možné pokrýt tepelnou spotřebu. Zpravidla existují dva takové zdroje - rekuperované teplo motoru a/nebo kotelna.

Pístové motory využívají teplo chladicího oleje, stlačeného vzduchu a výfukových plynů, zatímco motory s plynovou turbínou využívají pouze teplo výfukových plynů. Hlavní množství tepla se získává z výfukových plynů pomocí výměníků odpadního tepla (RHE).

Množství rekuperovaného tepla do značné míry závisí na provozním režimu motoru pro výrobu elektřiny a na klimatických podmínkách. Nesprávné posouzení provozních režimů motoru v zimním období povede k chybám při určování množství rekuperovaného tepla a špatná volba instalovaný výkon kotelny.

Grafy na obr. 2 ukazují možnosti uvolňování rekuperovaného tepla z plynových turbín a pístových motorů pro účely zásobování teplem. Body na křivkách odpovídají údajům výrobce o schopnostech stávajících zařízení pro rekuperaci tepla. Výrobci instalují různé UTO na motor se stejným elektrickým výkonem na základě konkrétních úkolů.

Výhody plynových turbínových motorů z hlediska tvorby tepla jsou nepopiratelné. To platí zejména pro motory s elektrickým výkonem 2-10 MW, což se vysvětluje relativně nízkou hodnotou jejich elektrické účinnosti. Se zvyšující se účinností motorů s plynovou turbínou se množství rekuperovaného tepla musí nevyhnutelně snižovat.

Při volbě pístového motoru pro dodávku energie a tepla do konkrétního zařízení je nutnost využití kotelny jako součásti elektrárny téměř nepochybná. Provoz kotelny vyžaduje zvýšení spotřeby plynu nad rámec výroby elektřiny. Vyvstává otázka, jak se liší náklady na plyn pro napájení zařízení, když v jednom případě jsou použity pouze motory s plynovou turbínou s rekuperací tepla z výfukových plynů a v druhém případě jsou použity pístové motory s rekuperací tepla a kotelna. . Na tuto otázku lze odpovědět pouze po důkladném prostudování charakteristik spotřeby elektřiny a tepla objektu.

Pokud předpokládáme, že odhadovanou spotřebu tepla objektu lze zcela pokrýt zpětně získaným teplem motoru s plynovou turbínou a nedostatek tepla při použití pístového motoru kompenzuje kotelna, pak je možné identifikovat povahu o změně celkové spotřeby plynu pro energetické zásobování objektu.

Pomocí údajů na Obr. 1 a 2 je možné pro charakteristické body zón vyznačených na Obr. 1, získat informace o úspoře plynu nebo nadměrné spotřebě při použití různých typů pohonů. Jsou uvedeny v tabulce:

Absolutní hodnoty úspor plynu jsou platné pouze pro konkrétní objekt, jehož charakteristiky byly zahrnuty do výpočtu, ale obecná povaha závislosti se odráží správně, a to:
při relativně blízkých hodnotách elektrické účinnosti (rozdíl do 10 %) vede použití pístových motorů a kotelny k nadměrné spotřebě paliva;

  • při relativně blízkých hodnotách elektrické účinnosti (rozdíl do 10 %) vede použití pístových motorů a kotelny k nadměrné spotřebě paliva;
  • pokud je rozdíl hodnot účinnosti větší než 10 %, bude provoz pístových motorů a kotelny vyžadovat méně plynu než u motorů s plynovou turbínou;
  • existuje určitý bod s maximální úsporou plynu při použití pístových motorů a kotelny, kde je rozdíl mezi hodnotami účinnosti motoru 13-14%;
  • Čím vyšší je hodnota účinnosti pístového motoru a čím nižší je účinnost motoru s plynovou turbínou, tím větší jsou úspory plynu.

Jako doplněk

Úkol se zpravidla neomezuje na výběr typu pohonu, je nutné určit složení hlavního zařízení elektrárny - typ jednotek, jejich počet, pomocná zařízení.

Volba motorů pro výrobu potřebného množství elektřiny určuje možnost výroby rekuperovaného tepla. V tomto případě je nutné vzít v úvahu všechny znaky změn technických charakteristik motoru související s klimatickými podmínkami a charakterem elektrické zátěže a určit vliv těchto změn na dodávku rekuperovaného tepla.

Je také nutné pamatovat na to, že součástí elektrárny nejsou pouze motory. Na jeho místě se obvykle nachází přes tucet pomocných staveb, jejichž provoz ovlivňuje i technické a ekonomické ukazatele elektrárny.

Jak již bylo naznačeno, skladbu zařízení elektrárny z technického hlediska lze konfigurovat ve více variantách, takže její konečný výběr lze odůvodnit pouze z ekonomického hlediska.

Znalost vlastností konkrétních motorů a jejich vlivu na ekonomický výkon budoucí elektrárny je přitom nesmírně důležitá. Při provádění ekonomických výpočtů je nutné vzít v úvahu životnost, udržovatelnost, načasování a náklady na velké opravy. Tyto ukazatele jsou také individuální pro každý konkrétní motor bez ohledu na jeho typ.

Nelze vyloučit vliv faktorů prostředí na volbu typu motoru pro elektrárnu. Atmosférické podmínky v oblasti, kde má být elektrárna provozována, mohou být hlavním faktorem při určování typu motoru (bez ohledu na jakékoli ekonomické úvahy).

Jak již bylo uvedeno, údaje o nákladech na motory a elektrárny na nich založené nejsou zveřejněny. Výrobci nebo dodavatelé zařízení uvádějí možné rozdíly v konfiguraci, dodacích podmínkách a dalších důvodech. Teprve po vyplnění firemního dotazníku budou uvedeny ceny. Proto se informace v první tabulce, že náklady na pístové motory o výkonu do 3,5 MW jsou nižší než náklady na motory s plynovou turbínou stejného výkonu, může ukázat jako nesprávná.

Závěr

V jednotkové výkonové třídě do 16 MW tak nelze jednoznačně upřednostňovat ani plynové turbíny, ani pístové motory. Pouze důkladná analýza předpokládaných provozních podmínek konkrétní elektrárny na výrobu elektřiny a tepla (s přihlédnutím k vlastnostem konkrétních motorů a četným ekonomickým faktorům) umožní plně odůvodnit volbu typu motoru. Určete složení zařízení pro profesionální úroveň možná specializovaná firma.

Reference

  1. Gabich A. Aplikace nízkovýkonových plynových turbínových motorů v energetice // Technologie plynových turbín. 2003, č. 6. S. 30-31.
  2. Burov V. D. Plynové turbíny a plynové pístové motory elektrárny nízký výkon // Těžební deník. 2004, zvláštní vydání. str. 87-89,133.
  3. Katalog zařízení plynových turbín // Technologie plynových turbín. 2005. S. 208.
  4. Salikhov A. A., Fatkulin R. M., Abrahmanov P. P., Shchaulov V. Yu Vývoj mini-CHP pomocí plynových pístových motorů v Republice Bashkortostan // Novinky v oblasti dodávek tepla. 2003, č. 11. s. 24-30.

Tento článek s drobnými úpravami je převzat z časopisu "Turbíny a diesely", č. 1(2) pro rok 2006.
Autor - V.P. Vershinsky, Gazpromenergoservice LLC.

Plynové turbínové jednotky (GTU) jsou žádané v průmyslu, dopravě a hojně se využívají v energetice. Toto zařízení není designově příliš složité, má vysokou účinnost a je ekonomické.

Plynové turbíny jsou v mnoha ohledech podobné motorům na naftu nebo benzín: stejně jako u spalovacího motoru se tepelná energie získaná spalováním paliva přeměňuje na mechanickou energii. Zároveň v nastavení otevřený typ se používají produkty spalování, v uzavřených systémech - plyn nebo běžný vzduch. Oba jsou stejně žádané. Kromě otevřených a uzavřených existují turbokompresorové turbíny a instalace s generátory plynu s volnými písty.

Nejjednodušší je zvážit konstrukci a princip činnosti plynové turbíny v instalaci turbokompresorového typu, která pracuje při konstantním tlaku.

Konstrukce plynové turbíny

Plynová turbína se skládá z kompresoru, vzduchového potrubí, spalovací komory, trysky, dráhy proudění, stacionárních a pracovních lopatek, výfukového potrubí, převodovky, vrtule a startovacího motoru.

Startovací motor je zodpovědný za spuštění turbíny. Pohání kompresor, který se roztočí na požadovanou rychlost. Pak:

  • kompresor odebírá vzduch z atmosféry a stlačuje jej;
  • vzduch je přiváděn do spalovací komory vzduchovým potrubím;
  • palivo vstupuje do stejné komory tryskou;
  • plyn a vzduch se mísí a hoří při konstantním tlaku, což vede k tvorbě produktů spalování;
  • produkty spalování jsou ochlazovány vzduchem, po kterém vstupují do průtokové části;
  • u stacionárních lopatek se směs plynů rozpíná a zrychluje, poté je nasměrována na pracovní lopatky a uvádí je do pohybu;
  • vyčerpaná směs opouští turbínu potrubím;
  • turbína předává kinetickou energii kompresoru a vrtuli přes převodovku.

Plyn smíchaný se vzduchem, hoří, tvoří pracovní médium, které rozpínáním urychluje a roztáčí listy a za nimi vrtuli. Následně se kinetická energie přemění na elektřinu nebo se použije k pohybu lodi.

Použitím principu rekuperace tepla můžete ušetřit na palivu. V tomto případě je vzduch vstupující do turbíny ohříván výfukovými plyny. Výsledkem je, že jednotka spotřebuje méně paliva a generuje více kinetické energie. Regenerátor, kde se ohřívá vzduch, slouží zároveň k chlazení výfukových plynů.

Vlastnosti uzavřených plynových turbín

Plynová turbína otevřeného typu odebírá vzduch z atmosféry a výfukové plyny odvádí ven. To není příliš efektivní a je nebezpečné, pokud je instalace v uvnitř kde lidé pracují. V tomto případě se používá uzavřený typ plynové turbíny. Takové turbíny nevypouštějí spotřebovanou pracovní tekutinu do atmosféry, ale směřují ji do kompresoru. Nemíchá se se zplodinami hoření. Díky tomu zůstává pracovní médium cirkulující v turbíně čisté, což zvyšuje životnost zařízení a snižuje počet poruch.

Uzavřené turbíny jsou však příliš velké. Plyny, které neuniknou, je nutné dostatečně účinně chladit. To je možné pouze u velkých výměníků tepla. Proto se instalace používají na velkých lodích, kde je dostatek místa.

Uzavřené plynové turbíny mohou mít i jaderný reaktor. Používají se jako chladicí kapalina oxid uhličitý helium nebo dusík. Plyn se zahřívá v reaktoru a posílá se do turbíny.

Plynové turbíny a jejich odlišnosti od parních turbín a spalovacích motorů

Plynové turbíny se od spalovacích motorů liší jednodušší konstrukcí a snadnou opravou. Důležité také je, že nemají klikový mechanismus, díky kterému je spalovací motor objemný a těžký. Turbína je přibližně dvakrát lehčí a menší než motor podobného výkonu. Kromě toho může jezdit na palivo nízké kvality.

Plynové turbíny se od parních liší malými rozměry a snadným startem. Jejich údržba je snazší než jednotky poháněné párou.

Turbíny mají také nevýhody: nejsou tak ekonomické ve srovnání se spalovacími motory, vydávají více hluku a rychleji se kazí. To však nebrání využití jednotek plynových turbín v dopravě, průmyslu a dokonce i v každodenním životě. Turbíny jsou instalovány na námořních a říčních plavidlech, používají se v elektrárnách, čerpacích zařízeních a mnoha dalších oblastech. Jsou pohodlné a mobilní, takže se používají poměrně často.

Plynová turbína se obvykle nazývá nepřetržitě pracující motor. Dále si povíme, jak je plynová turbína navržena a jaký je princip činnosti jednotky. Zvláštností takového motoru je, že uvnitř se vyrábí energie stlačeným nebo zahřátým plynem, jehož výsledkem přeměny je mechanická práce na hřídeli.

Historie plynové turbíny

Je zajímavé, že turbínové mechanismy začali vyvíjet inženýři již velmi dávno. První primitivní parní turbína byla vytvořena již v 1. století před naším letopočtem. E.! Samozřejmě, jeho zásadní
Tento mechanismus dosáhl svého vrcholu teprve nyní. Turbíny se začaly aktivně vyvíjet na konci 19. století současně s rozvojem a zdokonalováním termodynamiky, strojírenství a metalurgie.

Změnily se principy mechanismů, materiálů, slitin, vše se zdokonalilo a dnes, dnes, lidstvo zná nejpokročilejší ze všech dříve existujících forem plynové turbíny, která se dělí na Různé typy. Je tam letecká plynová turbína a tam je průmyslová.

Plynová turbína je obvykle nazývána jakýmsi tepelným motorem, její pracovní části jsou předurčeny jediným úkolem - otáčet se vlivem plynového paprsku.

Je navržena tak, že hlavní část turbíny představuje kolo, ke kterému jsou připevněny sady lopatek. , působící na lopatky plynové turbíny, způsobuje jejich pohyb a otáčení kola. Kolo je zase pevně spojeno s hřídelí. Tento tandem má zvláštní název – rotor turbíny. V důsledku tohoto pohybu uvnitř motoru s plynovou turbínou se získává mechanická energie, která je přenášena na elektrický generátor, na lodní šroub, na vrtuli letadla a další pracovní mechanismy podobného principu činnosti.

Aktivní a reakční turbíny

Účinek plynového paprsku na lopatky turbíny může být dvojí. Turbíny se proto dělí do tříd: třída aktivních a reaktivních turbín. Reaktivní a aktivní plynové turbíny se liší svými konstrukčními principy.

Impulzní turbína

Aktivní turbína se vyznačuje tím, že k lopatkám rotoru dochází vysokou rychlostí proudění plynu. Pomocí zakřivené lopatky se proud plynu odchyluje od své trajektorie. V důsledku odchylky vzniká velká odstředivá síla. Pomocí této síly se lopatky uvádějí do pohybu. Během celé popisované dráhy plynu se ztrácí část jeho energie. Tato energie je směrována k pohybu oběžného kola a hřídele.

Trysková turbína

U tryskové turbíny je vše poněkud jiné. Plyn zde proudí k listům rotoru nízkou rychlostí a pod vlivem vysokého tlaku. Odlišný je také tvar lopatek, díky čemuž se výrazně zvyšuje rychlost plynu. Proud plynu tedy vytváří jakousi reaktivní sílu.

Z výše popsaného mechanismu vyplývá, že konstrukce plynové turbíny je značně komplikovaná. Aby taková jednotka fungovala hladce a přinášela svému majiteli zisk a užitek, měla by být její údržba svěřena profesionálům. Společnosti poskytující profil služeb servisní údržba instalace pomocí plynových turbín, dodávky komponentů, všech druhů dílů a komponentů. DMEnergy je jednou z takových společností (), které poskytují svým klientům klid a jistotu, že nezůstanou sami s problémy, které vznikají při provozu plynové turbíny.

Tradiční moderní jednotka plynové turbíny (GTU) je kombinací vzduchového kompresoru, spalovací komory a plynové turbíny a také pomocných systémů, které zajišťují její provoz. Kombinace jednotky plynové turbíny a elektrického generátoru se nazývá jednotka plynové turbíny.

Je potřeba zdůraznit jeden důležitý rozdíl mezi GTU a PTU. PTU neobsahuje kotel, přesněji řečeno, kotel je považován za samostatný zdroj tepla; s tímto uvážením je kotel „černá skříňka“: napájecí voda do něj vstupuje s teplotou $t_(p.v)$ a pára vystupuje s parametry $р_0$, $t_0$. Zařízení s parní turbínou nemůže fungovat bez kotle jako fyzického objektu. V jednotce plynové turbíny je spalovací komora jejím integrálním prvkem. V tomto smyslu je GTU soběstačný.

Elektrárny s plynovou turbínou jsou extrémně rozmanité, možná ještě rozmanitější než elektrárny s parními turbínami. Níže se budeme zabývat nejslibnějšími a nejpoužívanějšími zařízeními s plynovými turbínami s jednoduchým cyklem v energetickém sektoru.

Schematický diagram takové jednotky plynové turbíny je znázorněn na obrázku. Vzduch z atmosféry vstupuje na vstup vzduchového kompresoru, což je rotační lopatkový stroj s dráhou proudění sestávající z rotujících a stacionárních mřížek. Tlakový poměr za kompresorem p b na tlak před ním p a se nazývá kompresní poměr vzduchového kompresoru a obvykle se označuje jako pk (pk = p b/p a). Rotor kompresoru je poháněn plynovou turbínou. Proud stlačeného vzduchu je přiváděn do jedné, dvou nebo více spalovacích komor. Ve většině případů je proud vzduchu přicházející z kompresoru rozdělen do dvou proudů. První proud je nasměrován do hořákových zařízení, kam se také dodává palivo (plyn nebo kapalné palivo). Při spalování paliva se tvoří produkty spalování paliva o vysoké teplotě. S nimi se mísí poměrně studený vzduch z druhého proudu, aby se získaly plyny (obvykle nazývané pracovní plyny) s teplotou přijatelnou pro části plynové turbíny.

Pracovní plyny s tlakem r s (r s < p b díky hydraulickému odporu spalovací komory) jsou přiváděny do průtokové části plynové turbíny, jejíž princip činnosti se neliší od principu činnosti parní turbíny (rozdíl je pouze v tom, že plynová turbína pracuje na produkty spalování paliva, nikoli pára). V plynové turbíně expandují pracovní plyny téměř na atmosférický tlak p d, vstupte do výstupního difuzoru 14 az něj - buď přímo do komín nebo dříve do nějakého tepelného výměníku, který využívá teplo výfukových plynů elektrárny s plynovou turbínou.

V důsledku expanze plynů v plynové turbíně tato turbína vyrábí energii. Velmi podstatnou část (asi polovinu) spotřebuje na pohon kompresoru a zbývající část na pohon elektrického generátoru. Toto je užitečný výkon jednotky plynové turbíny, který je uveden na štítku.

Pro znázornění obvodů plynové turbíny použijte symboly, obdobné těm, které se používají pro odborné školy.


Plynová turbína nemůže být jednodušší, protože obsahuje minimum nezbytných součástí, které zajišťují sekvenční procesy komprese, ohřevu a expanze pracovní tekutiny: jeden kompresor, jedna nebo více spalovacích komor pracujících za stejných podmínek a jedna plynová turbína. Kromě zařízení s jednoduchými cykly plynových turbín existují zařízení s komplexními cykly plynových turbín, které mohou obsahovat několik kompresorů, turbín a spalovacích komor. Mezi plynové turbíny tohoto typu patří zejména GT-100-750, postavená v SSSR v 70. letech.


Skládá se ze dvou hřídelí. Vysokotlaký kompresor je umístěn na jedné hřídeli KVD a vysokotlakou turbínou, která jej pohání dějiště operací; tato hřídel má proměnnou rychlost otáčení. Nízkotlaká turbína je umístěna na druhém hřídeli TND, který pohání nízkotlaký kompresor KND a elektrický generátor NAPŘ; proto má tento hřídel konstantní rychlost otáčení 50 s -1. Z atmosféry přichází vzduch v množství 447 kg/s KND a je v něm stlačen na tlak přibližně 430 kPa (4,3 at) a poté přiveden do vzduchového chladiče V, kde se chladí vodou ze 176 na 35 °C. To snižuje práci potřebnou ke stlačování vzduchu ve vysokotlakém kompresoru KVD(kompresní poměr p k = 6,3). Z ní vzduch vstupuje do vysokotlaké spalovací komory KSWD a zplodiny hoření o teplotě 750 °C jsou zasílány do dějiště operací. Z dějiště operací plyny obsahující značné množství kyslíku vstupují do nízkotlaké spalovací komory KSND, ve kterém se spaluje další palivo, a z něj do TND. Spaliny o teplotě 390 °C odcházejí buď do komína nebo do výměníku tepla k využití tepla spalin.

Plynové turbíny nejsou příliš ekonomické kvůli vysoké teplotě výfukových plynů. Zvýšení složitosti schématu umožňuje zvýšit jeho účinnost, ale zároveň vyžaduje zvýšené kapitálové investice a komplikuje provoz.


Na obrázku je zařízení agregátu plynové turbíny Siemens V94.3. Do dolu vstupuje atmosférický vzduch z integrovaného zařízení na čištění vzduchu (ACP). 4 a z něj - do průtokové části 16 vzduchový kompresor. Kompresor stlačuje vzduch. Kompresní poměr u typických kompresorů je pc = 13-17, a proto tlak v jednotce plynové turbíny nepřesahuje 1,3-1,7 MPa (13-17 at). To je další závažný rozdíl mezi plynovou turbínou a parní turbínou, ve které je tlak páry 10-15krát větší než tlak plynu v plynové turbíně. Nízký tlak pracovní prostředí určuje malou tloušťku stěn pouzder a snadnost jejich zahřívání. Díky tomu je plynová turbína velmi dobře ovladatelná, tzn. schopné rychlého rozjezdu a zastavení. Pokud spuštění parní turbíny trvá 1 hodinu až několik hodin, v závislosti na jejím počátečním teplotním stavu, lze jednotku plynové turbíny uvést do provozu za 10-15 minut.

Při stlačení v kompresoru se vzduch ohřívá. Toto zahřívání lze odhadnout pomocí jednoduchého přibližného vztahu:

$$T_a/T_b = \pi_к^(0,25)$$

ve kterém T b A T a- absolutní teploty vzduchu za a před kompresorem. Pokud např. T a= 300 K, tzn. teplota okolního vzduchu je pak 27 °C a p k = 16 T b= 600 K a proto se vzduch ohřívá o

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

Za kompresorem je tedy teplota vzduchu 300-350 °C. Vzduch mezi stěnami plamence a tělesem spalovací komory se pohybuje k hořákovému zařízení, do kterého je přiváděn topný plyn. Protože palivo musí vstupovat do spalovací komory, kde je tlak 1,3-1,7 MPa, musí být tlak plynu vysoký. Aby bylo možné regulovat jeho průtok do spalovací komory, je zapotřebí tlak plynu přibližně dvakrát vyšší než tlak v komoře. Pokud je v přívodním plynovodu takový tlak, je plyn přiváděn do spalovací komory přímo z distribučního místa plynu (HDP). Pokud je tlak plynu nedostatečný, je mezi jednotku hydraulického štěpení a komoru instalován pomocný plynový kompresor.

Spotřeba palivového plynu je pouze přibližně 1-1,5 % spotřeby vzduchu pocházejícího z kompresoru, takže vytvoření vysoce ekonomického kompresoru s plynovým posilovačem představuje určité technické potíže.

Uvnitř plamence 10 vznikají vysokoteplotní produkty spalování. Po přimíchání sekundárního vzduchu na výstupu ze spalovací komory poněkud klesá, přesto však u typických moderních plynových turbín dosahuje 1350-1400 °C.

Ze spalovací komory vstupují horké plyny do průtokové části 7 plynová turbína. Plyny v něm expandují až téměř na atmosférický tlak, protože prostor za plynovou turbínou komunikuje buď s komínem, nebo s výměníkem tepla, jehož hydraulický odpor je nízký.

Když plyny v plynové turbíně expandují, na jejím hřídeli vzniká energie. Tento výkon je částečně spotřebováván k pohonu vzduchového kompresoru a jeho přebytek je využíván k pohonu rotoru 1 elektrický generátor. Jedním z charakteristických rysů plynové turbíny je, že kompresor vyžaduje přibližně polovinu výkonu vyvinutého plynovou turbínou. Například v soustrojí s plynovou turbínou o výkonu 180 MW (to je užitečný výkon), které vzniká v Rusku, je výkon kompresoru 196 MW. To je jeden ze zásadních rozdílů mezi plynovou turbínou a parní turbínou: u parní turbíny je výkon použitý ke stlačení napájecí vody i na tlak 23,5 MPa (240 at) jen několik procent výkonu páry. turbína. To je způsobeno skutečností, že voda je špatně stlačitelná kapalina a vzduch vyžaduje mnoho energie ke stlačení.

V první, poměrně hrubé aproximaci, lze teplotu plynů za turbínou odhadnout pomocí jednoduchého vztahu podobného:

$$T_c/T_d = \pi_к^(0,25).$$

Pokud tedy $\pi_к = 16$, a teplota před turbínou T s= 1400 °C = 1673 K, teplota za tím je přibližně K:

$$T_d=T_c/\pi_к^(0,25) = 1673/16^(0,25) = 836,$$

Teplota plynů za zařízením s plynovou turbínou je tedy poměrně vysoká a značné množství tepla získaného spalováním paliva jde doslova do komína. Proto, když plynová turbína pracuje autonomně, její účinnost je nízká: u typických plynových turbín je to 35-36 %, tzn. výrazně nižší než účinnost PTU. Situace se však radikálně změní, když je na „ocas“ jednotky plynové turbíny instalován výměník tepla (síťový ohřívač nebo kotel na odpadní teplo pro kombinovaný cyklus).

Za plynovou turbínou je instalován difuzor - plynule se rozšiřující kanál, při kterém se vysokorychlostní tlak plynů částečně přeměňuje na tlak. To umožňuje mít za plynovou turbínou tlak nižší než atmosférický, což zvyšuje účinnost 1 kg plynů v turbíně a tím i její výkon.

Zařízení vzduchového kompresoru. Jak již bylo naznačeno, vzduchový kompresor je lopatkový stroj, na jehož hřídel je přiváděna energie z plynové turbíny; tato síla se přenáší na vzduch proudící dráhou proudění kompresoru, v důsledku čehož se tlak vzduchu zvyšuje až na tlak ve spalovací komoře.


Obrázek ukazuje rotor plynové turbíny uložený v nosných ložiskách; Prvky rotoru a statoru kompresoru jsou jasně viditelné v popředí.

Z dolu 4 vzduch vstupuje do kanálů tvořených rotujícími lopatkami 2 nerotující vstupní naváděcí lopatka (VNA). hlavním úkolem VNA - informuje o proudění pohybujícím se v axiálním (nebo radiálně-axiálním) směru rotační pohyb. Kanály VNA se zásadně neliší od kanálů trysek parní turbíny: jsou matoucí (kuželovité) a proudění v nich se zrychluje a současně získává složku obvodové rychlosti.


U moderních plynových turbín je vstupní vodicí lopatka rotační. Potřeba rotačního VNA je způsobena snahou zabránit poklesu účinnosti, když se sníží zatížení elektrárny s plynovou turbínou. Jde o to, že hřídele kompresoru a elektrického generátoru mají stejnou frekvenci otáčení, rovnou síťové frekvenci. Pokud tedy nepoužíváte VNA, pak je množství vzduchu dodávaného kompresorem do spalovací komory konstantní a nezávisí na zatížení turbíny. A výkon plynové turbíny lze změnit pouze změnou průtoku paliva do spalovací komory. Proto s poklesem spotřeby paliva a konstantním množstvím vzduchu dodávaného kompresorem klesá teplota pracovních plynů jak před plynovou turbínou, tak za ní. To vede k velmi výraznému poklesu účinnosti jednotky plynové turbíny. Rotace lopatek při snížení zatížení kolem osy 1 o 25 - 30° umožňuje zúžit průtokové úseky VHA kanálů a snížit proudění vzduchu do spalovací komory při zachování konstantního poměru mezi proudem vzduchu a paliva. Instalace vstupní vodicí lopatky umožňuje udržovat konstantní teplotu plynů před a za plynovou turbínou v rozsahu výkonu cca 100-80 %.

Obrázek ukazuje pohon lopatek VNA. K osám každé čepele je připevněna otočná páka 2 který přes páku 4 připojený k otočnému kroužku 1 . Pokud je nutné změnit proudění vzduchu, kroužek 1 otáčí se pomocí tyčí a elektromotoru s převodovkou; v tomto případě se všechny páky otáčejí současně 2 a podle toho lopatky VNA 5 .

Vzduch vířený pomocí VHA vstupuje do 1. stupně vzduchového kompresoru, který se skládá ze dvou mřížek: rotační a stacionární. Obě mřížky na rozdíl od turbínových mají rozšiřující (difuzorové) kanály, tzn. prostor pro průchod vzduchu na vstupu F 1 méně než F 2 na výstupu.


Když se vzduch pohybuje v takovém kanálu, jeho rychlost klesá ( w 2 < w 1) a tlak se zvyšuje ( R 2 > R 1). Bohužel, dělat mřížku difuzoru ekonomickou, tzn. tak, aby průtok w 1 by se v maximální míře přeměnil na tlak a ne na teplo, což je možné pouze s malým stupněm stlačení R 2 /R 1 (obvykle 1,2 - 1,3), což vede k velkému počtu stupňů kompresoru (14 - 16 s kompresním poměrem kompresoru p k = 13 - 16).

Obrázek ukazuje proudění vzduchu ve stupni kompresoru. Vzduch vychází ze vstupního (pevného) aparátu rotační trysky rychlostí C 1 (viz horní trojúhelník rychlostí), mající potřebné obvodové zkroucení (a 1< 90°). Если расположенная за ВНА вращающаяся (рабочая) решетка имеет скорость u 1, pak relativní rychlost vstupu do něj w 1 se bude rovnat vektorovému rozdílu C 1 a u 1 a tento rozdíl bude větší než C 1 tj. w 1 > C 1. Při pohybu v kanálu se rychlost vzduchu snižuje na hodnotu w 2 a vychází pod úhlem b2, určeným sklonem profilů. Vlivem rotace a přívodu energie do vzduchu z lopatek rotoru však jeho otáčky S 2 v absolutním pohybu bude větší než C 1. Lopatky pevné mřížky jsou instalovány tak, aby vstup vzduchu do kanálu byl bez rázů. Protože se kanály této mřížky rozšiřují, rychlost v ní klesá na hodnotu C"1 a tlak se zvyšuje od R 1 až R 2. Mřížka je navržena tak, že C" 1 = C 1, a a " 1 = a 1. Ve druhém stupni a následujících stupních tedy bude proces stlačování probíhat obdobným způsobem, navíc se výška jejich mřížek bude zmenšovat v souladu se zvýšenou hustotou vzduchu v důsledku stlačení.

Někdy jsou vodicí lopatky prvních několika stupňů kompresoru otočné stejným způsobem jako lopatky VNA. To umožňuje rozšířit výkonový rozsah agregátu plynové turbíny, při kterém zůstává teplota plynů před a za plynovou turbínou nezměněna. V souladu s tím se zvyšuje účinnost. Použití několika otočných vodicích lopatek umožňuje ekonomickou práci v rozsahu 100 - 50 % výkonu.

Poslední stupeň kompresoru je řešen stejně jako předchozí, pouze s tím rozdílem, že úkolem poslední vodicí lopatky je 1 je nejen zvýšit tlak, ale také zajistit axiální výstup proudu vzduchu. Vzduch vstupuje do prstencového výstupního difuzoru 23 , kde tlak stoupne na maximální hodnotu. S tímto tlakem vstupuje vzduch do spalovací zóny 9 .

Vzduch je odebírán ze skříně vzduchového kompresoru pro chlazení prvků plynové turbíny. K tomuto účelu jsou v jeho těle vytvořeny prstencové komory komunikující s prostorem za odpovídajícím stupněm. Vzduch je z komor odváděn pomocí potrubí.

Kompresor má navíc tzv. ventily proti přepětí a obtokové potrubí 6 , obtékání vzduchu z mezistupňů kompresoru do výstupního difuzoru plynové turbíny při jejím rozběhu a zastavení. Tím se eliminuje nestabilní chod kompresoru při nízkém průtoku vzduchu (tento jev se nazývá surging), který se projevuje intenzivními vibracemi celého stroje.

Vytvoření vysoce účinných vzduchových kompresorů je mimořádně složitý úkol, který na rozdíl od turbín nelze řešit pouze výpočtem a návrhem. Vzhledem k tomu, že výkon kompresoru je přibližně roven výkonu jednotky plynové turbíny, vede zhoršení účinnosti kompresoru o 1 % ke snížení účinnosti celé jednotky plynové turbíny o 2-2,5 %. Vytvoření dobrého kompresoru je proto jedním z klíčových problémů při vytváření jednotky plynové turbíny. Kompresory jsou obvykle vytvářeny simulací (škálováním) pomocí modelu kompresoru vytvořeného zdlouhavým experimentálním vývojem.


Spalovací komory zařízení s plynovou turbínou jsou velmi rozmanité. Výše je znázorněna jednotka plynové turbíny se dvěma oddělenými komorami. Na obrázku je uvedena jednotka s plynovou turbínou typu 13E o výkonu 140 MW od ABB s jednou vzdálenou spalovací komorou, jejíž konstrukce je podobná jako u komory znázorněné na obrázku. Vzduch z kompresoru z prstencového difuzoru vstupuje do prostoru mezi tělesem komory a plamencem a je následně využíván pro spalování plynu a pro chlazení plamence.

Hlavní nevýhodou dálkových spalovacích komor jsou jejich velké rozměry, které jsou dobře patrné z obrázku. Plynová turbína je umístěna vpravo od komory a kompresor je umístěn vlevo. V horní části pouzdra jsou vidět tři otvory pro umístění ventilů proti přepětí a dále pohon VNA. Moderní plynové turbíny používají hlavně vestavěné spalovací komory: prstencový a trubkový prstenec.


Obrázek ukazuje integrovanou prstencovou spalovací komoru. Prstencový spalovací prostor je tvořen vnitřním 17 a venkovní 11 plamenové trubky. Vnitřek trubek je vyložen speciálními vložkami 13 A 16 mající tepelně bariérový povlak na straně obrácené k plameni; na opačné straně mají vložky žebra, která zlepšují jejich chlazení vzduchem vstupujícím přes prstencové mezery mezi vložkami uvnitř plamence. Ve spalovací zóně je tak dosaženo teploty plamence 750-800 °C. Přední mikroflórové hořákové zařízení komory se skládá z několika stovek hořáků 10 , do kterého je plyn přiváděn ze čtyř kolektorů 5 -8 . Vypínáním kolektorů po jednom můžete měnit výkon jednotky plynové turbíny.


Struktura hořáku je znázorněna na obrázku. Plyn vstupuje z potrubí vrtáním v tyči 3 do vnitřní dutiny lopatek 6 vírník. Posledně jmenované jsou duté radiální rovné lopatky, které nutí vzduch přicházející ze spalovací komory se kroutit a otáčet kolem osy tyče. Zemní plyn vstupuje do tohoto rotujícího vzdušného víru z vnitřní dutiny lopatek víru 6 přes malé dírky 7 . V tomto případě se vytvoří homogenní směs paliva a vzduchu, která vystupuje ve formě vířivého paprsku ze zóny 5 . Prstencový rotující vír zajišťuje stabilní spalování plynu.

Obrázek ukazuje spalovací komoru GTE-180 s trubkovým prstencem. Do prstencového prostoru 24 mezi výstupem vzduchového kompresoru a vstupem plynové turbíny pomocí perforovaných kuželů 3 umístěte 12 plamenců 10 . Plamenná trubice obsahuje četné otvory o průměru 1 mm, umístěné v prstencových řadách se vzdáleností 6 mm mezi nimi; vzdálenost mezi řadami otvorů je 23 mm. Těmito otvory vstupuje zvenčí „studený“ vzduch, který zajišťuje konvekční chlazení filmu a teplotu plamence nepřesahující 850 °C. Na vnitřní povrch plamence je nanesena tepelná bariéra o tloušťce 0,4 mm.


Na přední desce 8 plamence, je instalováno hořákové zařízení sestávající z centrálního zapalovacího hořáku 6 zapálení paliva při startování pomocí zapalovací svíčky 5 a pět hlavních modulů, z nichž jeden je znázorněn na obrázku. Modul umožňuje spalovat plyn a naftu. Plyn přes armaturu 1 po filtru 6 vstupuje do prstencového potrubí palivového plynu 5 a z něj do dutin obsahujících malé otvory (průměr 0,7 mm, rozteč 8 mm). Těmito otvory vstupuje plyn do prstencového prostoru. Ve stěnách modulu je vytvořeno šest tangenciálních drážek 9 , kterým vstupuje hlavní množství vzduchu přiváděného ke spalování ze vzduchového kompresoru. V tangenciálních drážkách vzduch víří a tím i uvnitř dutiny 8 vytváří se rotující vír pohybující se směrem k výstupu hořákového zařízení. Na okraj víru skrz otvory 3 plyn vstupuje, mísí se se vzduchem a výsledná homogenní směs opouští hořák, kde se vznítí a hoří. Produkty spalování vstupují do tryskového aparátu 1. stupně plynové turbíny.

Plynová turbína je nejsložitějším prvkem plynové turbíny, což je dáno především velmi vysokou teplotou pracovních plynů proudících její průtokovou částí: teplota plynu před turbínou 1350 °C je v současnosti považována za „standardní“ , a přední společnosti, především General Electric, pracují na zvládnutí počáteční teploty 1500 °C. Připomeňme, že „standardní“ počáteční teplota pro parní turbíny je 540 ° C a v budoucnu - teplota 600-620 ° C.


Touha zvýšit počáteční teplotu je spojena především se zvýšením účinnosti, které to dává. To je dobře patrné z obrázku shrnujícího dosaženou úroveň konstrukce plynové turbíny: zvýšením počáteční teploty z 1100 na 1450 °C dochází ke zvýšení absolutní účinnosti z 32 na 40 %, tzn. vede k úspoře paliva 25 %. Část této úspory je samozřejmě spojena nejen se zvýšením teploty, ale i se zlepšením ostatních prvků zařízení s plynovou turbínou, přičemž určujícím faktorem je stále počáteční teplota.

Pro zajištění dlouhodobého provozu plynové turbíny se používá kombinace dvou prostředků. Prvním řešením je použití tepelně odolných materiálů pro nejvíce zatěžované díly, které odolávají vysokému mechanickému zatížení a teplotám (především pro trysky a pracovní lopatky). Pokud se pro lopatky parních turbín a některé další prvky používají oceli (tj. slitiny na bázi železa) s obsahem chrómu 12-13 %, pak se pro lopatky plynových turbín používají slitiny na bázi niklu (nimonics), které jsou schopné nést skutečné mechanické zatížení a požadovanou životnost, aby vydržely teploty 800-850 °C. Proto se spolu s prvním používá druhý prostředek - chlazení nejžhavějších částí.

Pro chlazení většiny moderních plynových turbín se vzduch odebírá z různých stupňů vzduchového kompresoru. Již fungují plynové turbíny, ve kterých se k chlazení využívá vodní pára, která je lepším chladicím prostředkem než vzduch. Chladicí vzduch je po ohřátí v chlazené části vypouštěn do průtokové cesty plynové turbíny. Tento chladicí systém se nazývá otevřený. Existují uzavřené chladicí systémy, ve kterých je chladicí kapalina ohřátá v dílu posílána do chladničky a poté se opět vrací k ochlazení dílu. Takový systém je nejen velmi složitý, ale vyžaduje také rekuperaci tepla nashromážděného v chladničce.

Chladicí systém plynové turbíny je nejsložitějším systémem v zařízení s plynovou turbínou, který určuje její životnost. Zajišťuje nejen udržení přípustné úrovně pracovních a tryskových lopatek, ale také tělesových prvků, kotoučů nesoucích pracovní lopatky, aretaci těsnění ložisek tam, kde cirkuluje olej atd. Tento systém je extrémně rozvětvený a je organizován tak, aby každý chlazený prvek dostával chladicí vzduch parametrů a množství potřebného k udržení jeho optimální teploty. Nadměrné chlazení dílů je stejně škodlivé jako nedostatečné chlazení, protože vede ke zvýšeným nákladům na chladicí vzduch, jehož komprese v kompresoru vyžaduje výkon turbíny. Zvýšené průtoky vzduchu pro chlazení navíc vedou ke snížení teploty plynů za turbínou, což velmi výrazně ovlivňuje provoz zařízení instalovaného za soustrojí plynové turbíny (např. jednotka parní turbíny pracující jako součást parního turbínová jednotka). A konečně, chladicí systém musí zajistit nejen požadovanou teplotní úroveň dílů, ale také jejich rovnoměrný ohřev, eliminující výskyt nebezpečných teplotních pnutí, jejichž cyklické působení vede ke vzniku trhlin.


Obrázek ukazuje příklad chladicího okruhu typické plynové turbíny. Hodnoty teplot plynu jsou uvedeny v obdélníkových rámečcích. Před tryskovým aparátem 1. stupně 1 dosahuje 1350 °C. Za ním, tzn. před pracovním roštem 1. stupně je 1130 °C. Ještě před pracovní lopatkou posledního stupně je na úrovni 600 °C. Plyny o této teplotě omývají trysku a pracovní lopatky a pokud by nebyly chlazeny, jejich teplota by se rovnala teplotě plynů a jejich životnost by byla omezena na několik hodin.

K chlazení prvků plynové turbíny se používá vzduch odebraný z kompresoru v tom stupni, kde je jeho tlak mírně vyšší než tlak pracovních plynů v zóně plynové turbíny, do které je vzduch přiváděn. Například pro chlazení lopatek trysek 1. stupně je z výstupního difuzoru kompresoru odebírán chladicí vzduch v množství 4,5 % proudu vzduchu na vstupu kompresoru a pro chlazení lopatek trysky posledního stupně a přilehlého sekce skříně - od 5. stupně kompresoru. Někdy, aby se ochladily nejžhavější prvky plynové turbíny, je vzduch odebraný z výstupního difuzoru kompresoru nejprve odeslán do vzduchového chladiče, kde je ochlazen (obvykle vodou) na 180-200 °C a poté odeslán ke chlazení. V tomto případě je potřeba méně vzduchu pro chlazení, ale zároveň vznikají náklady na vzduchový chladič, plynová turbína se komplikuje a část tepla odebraného chladicí vodou se ztrácí.

Plynová turbína má obvykle 3-4 stupně, tzn. Roštů je 6-8 řad a nejčastěji se chladí lopatky všech řad, kromě pracovních lopatek posledního stupně. Vzduch pro chlazení lopatek trysky je přiváděn jejich konci a odváděn četnými (600-700 otvory o průměru 0,5-0,6 mm) umístěnými v odpovídajících zónách profilu. Chladicí vzduch je přiváděn k listům rotoru otvory vytvořenými na koncích dříků.

Abychom pochopili, jak jsou chlazené lopatky navrženy, je nutné alespoň obecný obrys zvážit technologii jejich výroby. Vzhledem k mimořádné obtížnosti obrábění slitin niklu se k výrobě čepelí používá především přesné odlévání. Pro jeho realizaci se nejprve vyrábějí licí tyče z materiálů na bázi keramiky pomocí speciální technologie lisování a tepelného zpracování. Licí jádro je přesnou kopií dutiny uvnitř budoucí lopatky, do které bude proudit chladicí vzduch a proudit požadovaným směrem. Licí jádro je umístěno ve formě, jejíž vnitřní dutina zcela odpovídá čepeli, kterou je třeba získat. Vzniklý volný prostor mezi tyčí a stěnou formy se vyplní zahřátou nízkotavnou hmotou (například plastem), která ztvrdne. Tyč, spolu s tuhnoucí hmotou, která ji obklopuje, opakující vnější tvar čepele, je model ze ztraceného vosku. Umístí se do licí formy, do které se přivádí tavenina nimonic. Ten roztaví plast, zaujme jeho místo a v důsledku toho se objeví litá čepel s vnitřní dutinou vyplněnou tyčí. Tyč se odstraňuje leptáním speciálními chemickými roztoky. Výsledné lopatky trysek nevyžadují prakticky žádné dodatečné mechanické zpracování (kromě výroby četných otvorů pro výstup chladicího vzduchu). Odlévané pracovní nože vyžadují opracování stopky pomocí speciálního brusného nástroje.

Stručně popsaná technologie je vypůjčena z letecké techniky, kde jsou dosahované teploty mnohem vyšší než u stacionárních parní turbíny. Obtížnost zvládnutí těchto technologií je spojena s mnoha velké velikosti lopatky u stacionárních plynových turbín, které se zvětšují úměrně s průtokem plynu, tzn. výkon GTU.

Velmi slibně se jeví použití tzv. monokrystalických břitů, které jsou vyrobeny z monokrystalu. To je způsobeno skutečností, že přítomnost hranic zrn při dlouhodobém vystavení vysokým teplotám vede ke zhoršení vlastností kovu.


Rotor plynové turbíny je unikátní prefabrikovaná konstrukce. Před montáží jednotlivé kotouče 5 kompresor a disk 7 plynové turbíny jsou lopatkové a vyvážené, koncové díly jsou vyráběny 1 A 8 , distanční díl 11 a středový spojovací šroub 6 . Každý z kotoučů má dva prstencové nákružky, na kterých jsou vyrobeny hirths (pojmenovaný po vynálezci - Hirth), - přísně radiální zuby trojúhelníkového profilu. Sousední kusy mají úplně stejné límce s přesně stejnými jílci. Na dobrá kvalita Výroba Hirthova spoje zajišťuje absolutní vyrovnání sousedních disků (tím je zajištěn poloměr Hirthů) a opakovatelnou montáž po demontáži rotoru.

Rotor je sestaven na speciálním stojanu, kterým je výtah s kruhovou plošinou pro montážní personál, uvnitř kterého se montáž provádí. Nejprve se na závit namontuje koncová část rotoru 1 a spojovací tyč 6 . Tyč je umístěna svisle uvnitř prstencové plošiny a pomocí jeřábu se na ni spouští disk 1. stupně kompresoru. Centrování disku a koncové části se provádí pomocí hirthů. Montážní personál se pohybuje na speciálním výtahu nahoru, disk po disku [nejdříve kompresor, poté rozpěrná část a poté turbína a pravá koncová část 8 ] sestaví celý rotor. Na pravý konec je našroubována matice 9 , a na zbylou část závitové části táhla je instalováno hydraulické zařízení, stlačující kotouče a vytahování táhla. Po vytažení tyče matice 9 zašroubujte, dokud se nezastaví a hydraulické zařízení není odstraněno. Natažená tyč spolehlivě stáhne disky k sobě a promění rotor v jedinou pevnou konstrukci. Smontovaný rotor se vyjme z montážního stojanu a je připraven k instalaci do agregátu plynové turbíny.

Hlavní výhodou plynové turbíny je její kompaktnost. Za prvé, továrna s plynovou turbínou nemá parní kotel, konstrukci, která dosahuje velké výšky a vyžaduje samostatnou místnost pro instalaci. Tato okolnost souvisí především s vysoký tlak ve spalovací komoře (1,2-2 MPa); ke spalování dochází v kotli při atmosférický tlak a v souladu s tím se objem vytvořených horkých plynů ukazuje jako 12-20krát větší. Dále v jednotce plynové turbíny dochází k procesu expanze plynu v plynové turbíně sestávající pouze z 3-5 stupňů, zatímco parní turbína se stejným výkonem sestává ze 3-4 válců obsahujících 25-30 stupňů. I s přihlédnutím jak ke spalovací komoře, tak ke vzduchovému kompresoru má agregát plynové turbíny o výkonu 150 MW délku 8-12 m, délka parní turbíny stejného výkonu s tříválcovým provedením je 1,5krát delší. Současně je u parní turbíny kromě kotle nutné zajistit instalaci kondenzátoru s oběhovými a kondenzátními čerpadly, regenerační systém 7-9 ohřívačů, napájecí turbočerpadla (od jednoho do tří) a odvzdušňovač. V důsledku toho lze jednotku plynové turbíny instalovat na betonový základ v nulové úrovni strojovny a jednotka parní turbíny vyžaduje rámový základ 9-16 m vysoký s parní turbínou umístěnou na horní základové desce a pomocné vybavení- v kondenzační místnosti.

Kompaktnost plynové turbíny umožňuje její montáž v turbínovém závodě a dopravu do turbínové místnosti po železnici nebo po silnici pro instalaci na jednoduchý základ. Dopravují se tak zejména agregáty plynových turbín s vestavěnými spalovacími komorami. Při přepravě soustrojí plynové turbíny s oddělenými komorami jsou tyto přepravovány odděleně, ale jsou snadno a rychle připojeny k modulu kompresor - plynová turbína pomocí přírub. Parní turbína je dodávána s četnými jednotkami a díly, instalace jak vlastní, tak četných pomocných zařízení a spojení mezi nimi trvá několikanásobně déle než jednotka plynové turbíny.

Jednotka plynové turbíny nepotřebuje chladicí vodu. Agregát s plynovou turbínou tak nemá kondenzátor a systém zásobování technickou vodou s čerpacím agregátem a chladicí věží (s dodávkou recyklované vody). To vše vede k tomu, že náklady na 1 kW instalovaného výkonu elektrárny s plynovou turbínou jsou výrazně nižší. Přitom náklady na samotnou plynovou turbínu (kompresor + spalovací komora + plynová turbína) jsou vzhledem ke své složitosti 3-4krát vyšší než náklady na parní turbínu stejného výkonu.

Důležitou výhodou plynové turbíny je její vysoká manévrovatelnost, daná nízkou úrovní tlaku (ve srovnání s tlakem v parní turbíně), a tedy snadný ohřev a chlazení bez vzniku nebezpečných teplotních pnutí a deformací.

Elektrárny s plynovou turbínou však mají i značné nevýhody, z nichž především je třeba poznamenat jejich nižší účinnost než u parní elektrárny. Průměrná účinnost docela dobrých jednotek s plynovou turbínou je 37-38% a účinnost jednotek s parní turbínou je 42-43%. Strop pro výkonné energetické plynové turbíny, jak je v současnosti vidět, je účinnost 41-42 % (a možná i vyšší, vezmeme-li v úvahu velké rezervy pro zvýšení počáteční teploty). Nižší účinnost plynových turbín je spojena s vysokou teplotou výfukových plynů.

Další nevýhodou plynových turbín je nemožnost v nich používat nízkokvalitní paliva, alespoň v současné době. Může dobře fungovat pouze na plyn nebo dobré kapalné palivo, jako je nafta. Parní pohonné jednotky mohou pracovat na jakékoli palivo, včetně nejnižší kvality.

Nízké počáteční náklady tepelných elektráren s plynovými turbínami a zároveň relativně nízká účinnost a vysoké náklady na použité palivo a manévrovatelnost určují hlavní oblast individuálního použití plynových turbín: v energetických systémech by měly být používá se jako špičkové nebo rezervní zdroje energie v provozu několik hodin denně.

Situace se přitom radikálně mění, když se teplo z výfukových plynů zařízení s plynovou turbínou využívá v teplárnách nebo v kombinovaném (paroplynovém) cyklu.



Publikace na dané téma