Информация о газовых турбинах. Устройство и принцип действия газовой турбины Чем газовая турбина отличается от паровой

Газовая турбина, как тепловой двигатель, объединяет харак­терные особенности паровой турбины и двигателя внутреннего сго­рания, в котором энергия топлива при его горении превращается непосредственно в механическую работу. Рабочим телом газовых турбин, работающих по открытому циклу, являются продукты сгорания топлива, а рабочим телом газовых турбин, работающих по закрытому циклу,- чистый воздух или газ, непрерывно цирку­лирующий в системе. На судах применяют газотурбинные уста­новки (ГТУ), работающие по открытому циклу, со сгоранием топ­лива при постоянном давлении (р = const) и ГТУ, работающие по закрытому циклу.

В настоящее время судовые ГТУ выполняют двух типов: 1) турбокомпрессорные и 2) со свободно-поршневыми генераторами газа (СПГГ).

Схема простейшей турбокомирессорной газотурбинной уста­новки, работающей при постоянном давлении сгорания топлива представлена на рис. 101. Компрессор 9 засасывает чистый атмо­сферный воздух, сжимает его до высокого давления и подает по воздухопроводу 3 в камеру сгорания 2, куда одновременно через форсунку 1 поступает топливо. Топливо, смешиваясь с воздухом, образует рабочую смесь, которая сгорает при р = const. Образо­вавшиеся продукты сгорания охлаждаются воздухом и направля­ются в проточную часть турбины. В неподвижных лопатках 4 про­дукты сгорания расширяются и с большой скоростью поступают на рабочие лопатки 5, где происходит преобразование кинетиче­ской энергии газового потока в механическую работу вращения вала. По патрубку 6 отработавшие газы уходят из турбины. Газо­вая турбина приводит во вращение компрессор 9 и через редук­тор 7 гребной винт 8. Для запуска установки используется пуско­вой двигатель 10, который раскручивает компрессор до минималь­ной частоты вращения.

На этом же рисунке изображен теоретический цикл рассмот­ренной ГТУ в координатах р - ? и S - Т: AВ - процесс сжатия воздуха в компрессоре; ВС-сгорание топлива при постоянном давлении в камере сгорания; СД- расширение газа в турбине, ДА - отвод тепла от отработавших газов.

Для повышения экономичности работы ГТУ применяют реге­неративный подогрев воздуха, поступающего в камеру сгорания, либо ступенчатое сгорание топлива в нескольких последователь­ных камерах сгорания, которые обслуживают отдельные турбины. Из-за конструктивной сложности ступенчатое сгорание применяют редко. С целью повышения эффективного к. п. д. установки наряду с регенерацией используют двухступенчатое сжатие воздуха, при этом между компрессорами включают промежуточный охладитель воздуха, что сокращает потребную мощность компрессора высо­кого давления.

На рис. 102 дана схема простейшей газотурбинной установки со сгоранием топлива при р = const и регенерацией тепла. Воздух, сжатый в компрессоре 1 , проходит через регенератор 2 в камеру сгорания 3 , где подогревается за счет тепла отработавших газов, покидающих турбину 4 со сравнительно высокой температурой. Действительный цикл этой установки показан на диаграмме S-Т (рис. 103): процесс сжатия воздуха в компрессоре 1 - 2 ; нагрев воздуха в регенераторе, сопровождаемый падением давления от р 2 до р 4 2 - 3; подвод тепла в процессе сгорания топлива 3 - 4; действительный процесс расширения газа в турбинах 4-5 ; охлаж­дение газов в регенераторе, со­провождаемое потерей давле­ния р 5 -р 1 5-6; выпуск га­зов- отвод тепла 6-1 . Коли­чество тепла, полученное воз­духом в регенераторе, изобра­жается площадью 2"-2-3-3", а количество тепла, отданного отходящими газами в регенераторе, площадью 6"-6-5-5". Эти площади равны между собой.

В ГТУ закрытого цикла отработавшее рабочее тело не посту­пает в атмосферу, а после предварительного охлаждения вновь направляется в компрессор. Следовательно, в цикле циркулирует рабочее тело, не загрязненное продуктами сгорания. Это улуч­шает условия работы проточных частей турбин в результате чего повышается надежность работы установки и увеличивается ее мо­торесурс. Продукты сгорания не смешиваются с рабочим телом и поэтому для сжигания пригодно топливо любого вида.

На рис. 104 показана принципиальная схема всережимной су­довой ГТУ закрытого цикла. Воздух после предварительного ох­лаждения в воздухоохладителе 4 поступает в компрессор 5 , кото­рый приводится во вращение турбиной высокого давления 7 . Из компрессора воздух направляется в регенератор 3 , а затем в воздухонагреватель 6, выполняющий ту же роль, что и камера сго­рания в установках открытого типа. Из воздухонагревателя рабо­чий воздух при температуре 700° С поступает в турбину высокого давления 7 , которая вращает компрессор, а затем в турбину низ­кого давления 2 , которая через редуктор 1 приводит в действие винт регулируемого шага. Пусковой электродвигатель 8 предназ­начен для запуска установки в работу. К недостаткам ГТУ закры­того цикла следует отнести громоздкость теплообменников.

Особый интерес представляют ГТУ закрытого цикла с ядерным реактором. В этих установках в качестве рабочего тела газовых турбин (теплоносителя) применяют гелий, азот, углекислый газ. Эти газы не активируются в ядерном реакторе. Нагретый в реакторе до высокой температуры газ непосредственно направляется на работу в газовую турбину.

Основными достоинствами газовых турбин по сравнению с па­ровыми являются: малые вес и габариты, так как отсутствуют ко­тельная и конденсационная установка со вспомогательными меха­низмами и устройствами; быстрый пуск в ход и развитие полной мощности в течение 10-15 мин\ весьма малый расход охлаждаю­щей воды; простота обслуживания.

Основные преимущества газовых турбин по сравнению с дви­гателями внутреннего сгорания являются: отсутствие кривошипно-шатунного механизма и связанных с ним инерционных сил; малые вес и габариты при больших мощностях (ГТУ по весу легче в 2- 2,5 раза и по длине короче в 1,5-2 раза, чем дизели); возмож­ность работы на низкосортном топливе; меньшие эксплуатацион­ные расходы. Недостатки газовых турбин следующие: небольшой срок службы при высоких температурах газа (так, при темпера­туре газа 1173° К срок службы 500-1000 ч); меньшая, чем у ди­зелей, экономичность; значительная шумность при работе.

В настоящее время газовые турбины применяют в качестве главных двигателей морских транспортных судов. В отдельных случаях газовые турбины малой мощности применяют в качестве привода насосов, аварийных электрогенераторов, вспомогатель­ных наддувочных компрессоров и др. Особый интерес представ­ляют газовые турбины как главные двигатели для судов с подвод­ными крыльями и судов на воздушной подушке.

В статье рассказывается о том, как вычисляется КПД простейшей ГТУ, даны таблицы разных ГТУ и ПГУ для сравнения их КПД и других характеристик.

В области промышленного использования газотурбинных и парогазовых технологий Россия значительно отстала от пере­довых стран мира.

Мировые лидеры в производстве газовых и парогазовых энергоустановок большой мощности: GE, Siemens Wistinghouse, ABB - достигли значений единичной мощности газотурбинных установок 280-320 МВт и КПД свыше 40 %, с утилизационной паросиловой надстройкой в парогазовом цикле (называемом также бинарным) - мощности 430-480 МВт при КПД до 60 %. Если есть вопросы по надежности ПГУ - то читайте статью.

Эти впечатляющие цифры служат в качестве ори­ентиров при определении путей развития энергомашиностро­ения России.

Как определяется КПД ГТУ

Приведем пару простых формул, чтобы показать, что такое КПД газотурбинной установки:

Внутренняя мощность турбины:

• Nт = Gух * Lт, где Lт – работа турбины, Gух – расход уходящих газов;

Внутренняя мощность ГТУ:

• Ni гту = Nт – Nк, где Nк – внутренняя мощность воздушного компрессора;

Эффективная мощность ГТУ:

• Nэф = Ni гту * КПД мех, КПД мех – КПД связанный с механическими потерями в подшипниках, можно принимать 0,99

Электрическая мощность:

• Nэл = Ne * КПД эг, где КПД эг – КПД связанный с потерями в электрическом генераторе, можно принять 0,985

Располагаемая теплота топлива:

• Q расп = Gтоп * Qрн, где Gтоп – расход топлива, Qрн – низшая рабочая теплота сгорания топлива

Абсолютный электрический КПД газотурбинной установки:

• КПДэ = Nэл/Q расп

КПД ПГУ выше, чем КПД ГТУ так как в Парогазовой установке используется тепло уходящих газов ГТУ. За газовой турбиной устанавливается котел-утилизатор в котором тепло от уходящих газов ГТУ передается рабочему телу (питательной воде) , сгенерированный пар отправляется в паровую турбину для генерации электроэнергии и тепла.

Читайте также: Как выбрать газотурбинную установку для станции с ПГУ

КПД ПГУ обычно представляют соотношением:

• КПД пгу = КПД гту*B+(1-КПД гту*B)*КПД псу

B – степень бинарности цикла

КПД псу – КПД паросиловой установки

• B = Qкс/(Qкс+Qку)

Qкс – теплота топлива, сжигаемого в камере сгорания газовой турбины

Qку – теплота дополнительного топлива сжигаемого в котле-утилизаторе

При этом отмечают, что если Qку = 0, то B = 1, т. е. установка является полностью бинар­ной.

Влияние степени бинарности на КПД ПГУ

Давайте приведем последовательно таблицы с характеристиками эффективности ГТУ и вслед за ними показатели ПГУ с этими газовыми машинами, и сравним КПД отдельной ГТУ и КПД ПГУ.

Характеристики современных мощных ГТУ

Газовые турбины фирмы ABB

Парогазовые установки с газовыми турбинами ABB

Газовые турбины фирмы GE

Читайте также: Зачем строить Парогазовые ТЭЦ? В чем преимущества парогазовых установок.

Парогазовые установки с газовыми турбинами GE

Газовые турбины фирмы Siemens

Парогазовые установки с газовыми турбинами Siemens

Газовые турбины Westinghouse-Mitsubishi-Fiat

В автономной генерации - малой энергетике в последнее время значительное внимание уделяется газовым турбинам различной мощности. Электростанции на базе газовых турбин используются как основной или резервный источник электричества и тепловой энергии для объектов производственного или бытового назначения. Газовые турбины в составе электростанций предназначены для эксплуатации в любых климатических условиях России. Области применения газовых турбин практически не ограничены: нефтегазодобывающая промышленность, промышленные предприятия, структуры ЖКХ.

Положительным фактором использования газовых турбин в сфере ЖКХ является то, что содержание вредных выбросов в выхлопных газах NO х и CO находится на уровне 25 и 150 ppm соответственно (у поршневых установок эти значения гораздо больше), что позволяет устанавливать электростанцию рядом с жилой застройкой. Использование газовых турбин в качестве силовых агрегатов электростанций позволяет избежать строительства высоких дымовых труб.

В зависимости от потребностей газовые турбины комплектуется паровыми или водогрейными котлами–утилизаторами, что позволяет получать от электростанции либо пар (низкого, среднего, высокого давления) для технологических нужд, либо горячую воду (ГВС) со стандартными температурными значениями. Можно получать пар и горячую воду одновременно. Мощность тепловой энергии, производимой электростанцией на базе газовых турбин, как правило, в два раза превышает электрическую.

На электростанции с газовыми турбинами в такой конфигурации коэффициент использования топлива возрастает до 90%. Высокая эффективность использования газовых турбин в качестве силовых агрегатов обеспечивается при длительной работе с максимальной электрической нагрузкой. При достаточно высокой мощности газовых турбин существует возможность совокупного использования паровых турбин. Эта мера позволяет существенно повысить эффективность использования электростанции, увеличивая электрический КПД до 53%.

Сколько стоит электростанция на базе газовых турбин? Какова её полная цена? Что входит в стоимость «под ключ»?

Автономная тепловая электростанция на базе газовых турбин имеет массу дополнительного дорогостоящего, но зачастую, просто необходимого оборудования (пример из жизни – реализованный проект). С использованием первоклассного оборудования стоимость электростанции подобного уровня, «под ключ», не превышает 45000 - 55000 рублей за 1 кВт установленной электрической мощности. Конечная цена электростанции на основе газовых турбин зависит от конкретных задач и нужд потребителя. В стоимость входят проектные, строительные и пусконаладочные работы. Сами газовые турбины, как силовые агрегаты, без дополнительного оборудования, в зависимости от компании-производителя и мощности, стоят от 400 до 800 долларов за 1 кВт.

Для получения информации о стоимости строительства электростанции или ТЭС в конкретном Вашем случае, необходимо отправить в нашу компанию заполненный опросный лист . После этого, по истечении 2–3 дней заказчик-клиент получает предварительное технико-коммерческое предложение - ТКП (краткий пример). На основании ТКП заказчиком принимается окончательное решение о строительстве электростанции на базе газовых турбин. Как правило, до принятия решения клиент посещает уже существующий объект, чтобы воочию увидеть современную электростанцию и «потрогать всё руками». Непосредственно на объекте заказчик получает ответы на имеющиеся вопросы.

За основу строительства электростанций на базе газовых турбин часто берется концепция блочно–модульного построения. Блочно-модульное исполнение обеспечивает высокий уровень заводской готовности газотурбинных электростанций и уменьшает сроки строительства объектов энергетики.

Газовые турбины – немного арифметики по себестоимости производимой энергии

Для производства 1 кВт электричества газовые турбины потребляют всего 0,29–0,37 м³/час газового топлива. При сжигании одного кубического метра газа, газовые турбины вырабатывают 3 кВт электричества и 4–6 кВт тепловой энергии. С ценой (усредненной) на природный газ в 2011 году 3 руб. за 1 м³, себестоимость 1 кВт электроэнергии полученной от газовой турбины, равна, приблизительно, 1 рублю. Дополнительно к этому потребитель получает 1,5–2 кВт бесплатной тепловой энергии!

При автономном энергоснабжении от электростанции на основе газовых турбин себестоимость производимой электроэнергии и тепла в 3–4 раза ниже действующих по стране тарифов, и это без учета высокой стоимости подключения к государственным электросетям (60 000 рублей за 1 кВт в Московской области, 2011 год).

Строительство автономных электростанций на основе газовых турбин позволяет получить значительную экономию денежных средств за счет исключения издержек на строительство и эксплуатацию дорогостоящих линий электропередач (ЛЭП), Электростанции на базе газовых турбин могут значительно повысить надежность электрического, теплового снабжения как отдельных предприятий или организаций, так и регионов в целом.
Степень автоматизации электростанции на основе газовых турбин позволяет отказаться от большого количества обслуживающего персонала. Во время эксплуатации газовой электростанции ее работу обеспечивают всего три человека: оператор, дежурный электрик, дежурный механик. При возникновении аварийных ситуаций для обеспечения безопасности персонала, сохранности систем и агрегатов газовой турбины предусмотрены надежные системы защиты.

Атмосферный воздух через воздухозаборник, оборудованный системой фильтров (на схеме не показаны) подается на вход многоступенчатого осевого компрессора. Компрессор сжимает атмосферный воздух, и подает его под высоким давлением в камеру сгорания. В это же время в камеру сгорания турбины через форсунки подается и определенное количество газового топлива. Топливо и воздух перемешиваются и воспламеняются. Топливовоздушная смесь сгорает, выделяя большое количество энергии. Энергия газообразных продуктов сгорания преобразуется в механическую работу за счёт вращения струями раскаленного газа лопаток турбины. Часть полученной энергии расходуется на сжатие воздуха в компрессоре турбины. Остальная часть работы передаётся на электрический генератор через ось привода. Эта работа является полезной работой газовой турбины. Продукты сгорания, которые имеют температуру порядка 500-550 °С, выводятся через выхлопной тракт и диффузор турбины, и могут быть далее использованы, например, в теплоутилизаторе, для получения тепловой энергии.

Газовые турбины, как двигатели, имеют самую большую удельную мощность среди ДВС, до 6 кВт/кг.

В качестве топлива газовой турбины могут использоваться: керосин, дизельное топливо, газ .

Одними из преимуществ современных газовых турбин является длительный жизненный цикл - моторесурс (полный до 200 000 часов, до капитального ремонта 25000–60000 часов).

Современные газовые турбины отличаются высокой надежностью. Есть данные о непрерывной работе некоторых агрегатов в течение нескольких лет.

Многие поставщики газовых турбин производят капитальный ремонт оборудования на месте, производя замену отдельных узлов без транспортировки на завод-изготовитель, что существенно снижает временные затраты.

Возможность длительной работы в любом диапазоне мощностей от 0 до 100%, отсутствие водяного охлаждения, работа на двух видах топлива, - все это делает газовые турбины востребованными силовыми агрегатами для современных автономных электростанций.

Наиболее эффективно применение газовых турбин при средних мощностях электростанций, а на мощностях свыше 30 МВт - выбор очевиден.

Тепловая турбина постоянного действия, в которой тепловая энергия сжатого и нагретого газа (обычно продуктов сгорания топлива) преобразуется в механическую вращательную работу на валу ; является конструктивным элементом газотурбинного двигателя.

Нагревание сжатого газа, как правило, происходит в камере сгорания. Также можно осуществлять нагрев в ядер-ном реакторе и др. Впервые газовые турбины появились в конце XIX в. в качестве газотурбинного двигателя и по конструктивному выполнению приближались к паровой турбине. Газовая турбина конструктивно представляет собой целый ряд упорядоченно расположенных неподвижных лопаточных венцов аппарата сопла и вращающихся венцов рабочего колеса, которые в результате образуют проточную часть. Ступень турбины представляет собой сопловой аппарат, совмещенный с рабочим колесом . Ступень состоит из статора, в который входят стационарные детали (корпус, сопловые лопатки, бандажные кольца), и ротора , представляющего собой совокупность вращающихся частей (таких, как рабочие лопатки, диски, вал).

Классификация газовой турбины осуществляется по многим конструктивным особенностям: по направлению газового потока, количеству ступеней, способу использования перепада тепла и способу подвода газа к рабочему колесу. По направлению газового потока можно различить газовые турбины осевые (самые распространенные) и радиальные, а также диагональные и тангенциальные. В осевых газовых турбинах поток в меридиональном сечении транспортируется в основном вдоль всей оси турбины; в радиальных турбинах, наоборот, перпендикулярно оси. Радиальные турбины подразделяются на центростремительные и центробежные. В диагональной турбине газ течет под некоторым углом к оси вращения турбины. У рабочего колеса тангенциальной турбины отсутствуют лопатки, такие турбины применяются при очень малом расходе газа, обычно в измерительных приборах. Газовые турбины бывают одно-, двух- и многоступенчатые.

Количество ступеней определяется многими факторами: назначением турбины, ее конструктивной схемой, общей мощностью и развиваемой одной ступенью, а также срабатываемым перепадом давления. По способу использования располагаемого перепада тепла различают турбины со ступенями скорости, у которых в рабочем колесе происходит только поворот потока, без изменения давления (активные турбины), и турбины со ступенями давления, в них давление уменьшается как в сопловых аппаратах, так и на рабочих лопатках (реактивные турбины). В парциальных газовых турбинах подвод газа к рабочему колесу происходит по части окружности соплового аппарата или по его полной окружности.

В многоступенчатой турбине процесс преобразования энергии состоит из целого ряда последовательных процессов в отдельных ступенях. В межлопаточные каналы соплового аппарата подается сжатый и подогретый газ с начальной скоростью, где в процессе расширения происходит преобразование части располагаемого теплоперепада в кинетическую энергию струи вытекания. Дальнейшее расширение газа и преобразование теплоперепада в полезную работу происходят в межлопаточных каналах рабочего колеса. Газовый поток, воздействуя на рабочие лопатки, создает крутящий момент на главном валу турбины. При этом происходит уменьшение абсолютной скорости газа. Чем ниже эта скорость, тем большая часть энергии газа преобразовалась в механическую работу на валу турбины.

КПД характеризует эффективность газовых турбин, представляющую собой отношение работы, снимаемой с вала, к располагаемой энергии газа перед турбиной. Эффективный КПД современных многоступенчатых турбин довольно высок и достигает 92-94%.

Принцип работы газовой турбины состоит в следующем: газ нагнетается в камеру сгорания компрессором , перемешивается с воздухом, формирует топливную смесь и поджигается. Образовавшиеся продукты горения с высокой температурой (900-1200 °С) проходят через несколько рядов лопаток, установленных на валу турбины, и приводят к вращению турбины. Полученная механическая энергия вала передается через редуктор генератору , вырабатывающему электричество.

Тепловая энергия выходящих из турбины газов попадает в теплоутилизатор. Также вместо производства электричества механическая энергия турбины может быть использована для работы различных насосов , компрессоров и т. п. Наиболее часто используемым видом топлива для газовых турбин является природный газ, хотя это не может исключить возможности использования других видов газообразного топлива. Но при этом газовые турбины очень капризны и предъявляют повышенные требования к качеству его подготовки (необходимы определенные механические включения, влажность).

Температура исходящих из турбины газов составляет 450-550 °С. Количественное соотношение тепловой энергии к электрической у газовых турбин составляет от 1,5: 1 до 2,5: 1, что позволяет строить когенерационные системы, различающиеся по типу теплоносителя:

1) непосредственное (прямое) использование отходящих горячих газов;
2) производство пара низкого или среднего давления (8-18 кг/см2) во внешнем котле;
3) производство горячей воды (лучше, когда требуемая температура превышает 140 °С);
4) производство пара высокого давления.

Большой вклад в развитие газовых турбин внесли советские ученые Б. С. Стечкин, Г. С. Жирицкий, Н. Р. Брилинг, В. В. Уваров, К. В. Холщевиков, И. И. Кириллов и др. Значительных успехов в создании газовых турбин для стационарных и передвижных газотурбинных установок достигли зарубежные фирмы (швейцарские «Броун-Бовери», в которой работал известный словацкий ученый А. Стодола, и «Зульцер», американская «Дженерал электрик» и др.).

В дальнейшем развитие газовых турбин зависит от возможности повышения температуры газа перед турбиной. Это связано с созданием новых жаропрочных материалов и надежных систем охлаждения рабочих лопаток при значительном усовершенствовании проточной части и др.

Благодаря повсеместному переходу в 1990-е гг. на использование природного газа в качестве основного топлива для электроэнергетики газовые турбины заняли существенный сегмент рынка. Несмотря на то что максимальная эффективность оборудования достигается на мощностях от 5 МВт и выше (до 300 МВт), некоторые производители выпускают модели в диапазоне 1-5 МВт.

Применяются газовые турбины в авиации и на электростанциях.

• Предыдущее: ГАЗОАНАЛИЗАТОР
• Следующее: ГАЗОВЫЙ ДВИГАТЕЛЬ