De quoi est composée une turbine à gaz ? Le principe de fonctionnement des turbines à gaz. Moteurs à turbomoteur

Les centrales électriques de capacité relativement petite peuvent comprendre à la fois des moteurs à turbine à gaz (GTE) et des moteurs à pistons (RP). Par conséquent, les clients demandent souvent quel lecteur est le meilleur. Et, bien qu'il soit sans ambiguïté impossible d'y répondre, le but de cet article est une tentative de comprendre cette question.

Introduction

Le choix du type de moteur, ainsi que leur nombre pour entraîner des générateurs électriques dans une centrale électrique de toute capacité, est une tâche technique et économique complexe. Les tentatives de comparaison des moteurs à piston et à turbine à gaz en tant qu'entraînement sont le plus souvent faites en utilisant du gaz naturel comme carburant. Leurs avantages et inconvénients fondamentaux ont été analysés dans littérature technique, dans les brochures des fabricants de centrales électriques à moteurs alternatifs et même sur Internet.

En règle générale, des informations généralisées sont données sur la différence de consommation de carburant, dans le coût des moteurs, sans tenir compte de leur puissance et de leurs conditions de fonctionnement. On note souvent qu'il est préférable de former la composition de centrales électriques d'une capacité de 10 à 12 MW sur la base de moteurs alternatifs et d'une puissance supérieure - sur la base de turbines à gaz. Ces recommandations ne doivent pas être prises comme un axiome. Une chose est évidente: chaque type de moteur a ses propres avantages et inconvénients, et lors du choix d'un lecteur, certains, au moins approximatifs, critères quantitatifs leurs cotes.

Actuellement, le marché russe de l'énergie propose une gamme assez large de moteurs à pistons et à turbine à gaz. Parmi les moteurs à pistons, les moteurs importés prédominent, et parmi les moteurs à turbine à gaz, les moteurs nationaux.

Des informations sur Caractéristiques les moteurs à turbine à gaz et les centrales électriques basées sur eux, proposés pour fonctionner en Russie, ont été régulièrement publiés dans le "Catalogue des équipements de turbine à gaz" ces dernières années.

Des informations similaires sur les moteurs alternatifs et les centrales électriques, dont ils font partie, ne peuvent être obtenues qu'à partir des brochures publicitaires des sociétés russes et étrangères qui fournissent ces équipements. Les informations sur le coût des moteurs et des centrales électriques ne sont le plus souvent pas publiées et les informations publiées sont souvent fausses.

Comparaison directe des moteurs à piston et à turbine à gaz

Le traitement des informations disponibles permet de constituer le tableau ci-dessous qui contient à la fois une évaluation quantitative et qualitative des avantages et inconvénients des moteurs alternatifs et à turbine à gaz. Malheureusement, certaines des caractéristiques sont tirées de supports promotionnels dont l'exactitude complète est extrêmement difficile ou presque impossible à vérifier. Les données nécessaires à la vérification des résultats du fonctionnement des moteurs et des centrales électriques, à de rares exceptions près, ne sont pas publiées.

Naturellement, les chiffres donnés sont généralisés, pour des moteurs spécifiques, ils seront strictement individuels. De plus, certains d'entre eux sont donnés conformément aux normes ISO et les conditions de fonctionnement réelles des moteurs diffèrent considérablement de la norme.

Les informations fournies ne fournissent que caractéristique qualitative moteurs et ne peut pas être utilisé lors de la sélection d'équipements pour une centrale électrique particulière. Des commentaires peuvent être donnés pour chaque position du tableau.

Indice	type de moteur
	Piston	turbine à gaz
Plage de puissance de l'unité moteur (ISO), MW	0.1 - 16.0	0.03 - 265.0
Changement de puissance à température extérieure constante	Plus stable lorsque la charge est réduite de 50 %. L'efficacité est réduite de 8 à 10 %	Moins stable lorsque la charge est réduite de 50 %. L'efficacité est réduite de 50%
Influence de la température extérieure sur la puissance du moteur	Pratiquement aucun effet	Lorsque la température descend à -20°C, la puissance augmente d'environ 10-20%, lorsqu'elle monte à +30°C, elle diminue de 15-20%
Effet de la température extérieure sur le rendement du moteur	Pratiquement aucun effet	Lorsque la température descend à -20°C, le rendement augmente d'environ 1,5% abs.
Le carburant	gazeux, liquide	Gazeux, liquide (sur commande spéciale)
Pression de gaz combustible requise, MPa	0.01 - 0.035	Plus de 1,2
Efficacité de la production d'électricité au gaz (ISO)	de 31% à 48%	Dans un cycle simple de 25% à 38%, dans un cycle combiné - de 41% à 55%
Rapport entre la puissance électrique et la quantité de chaleur utilisée, MW/MW (ISO)	1/(0.95-1.3)	1/(1.4-4.0)
Possibilités d'utiliser la chaleur récupérée des gaz d'échappement	Uniquement pour l'eau de chauffage au-dessus de 115°C	Pour la production de vapeur pour la production d'électricité, la réfrigération, le dessalement de l'eau, etc., pour le chauffage de l'eau jusqu'à une température de 150°C
Influence de la température de l'air extérieur sur la quantité de chaleur récupérée	Pratiquement aucun effet	Avec une diminution de la température de l'air, la quantité de chaleur en présence d'un appareil à pales réglables d'une turbine à gaz ne diminue presque pas, en son absence elle diminue
Ressource motrice, h	Plus : jusqu'à 300 000 pour les moteurs à vitesse moyenne	Moins : jusqu'à 100 000
Taux d'augmentation des coûts d'exploitation avec l'augmentation de la durée de vie	Moins grand	Plus haut
Masse de l'unité de puissance (moteur avec générateur électrique et équipement auxiliaire), kg/kW	Significativement plus élevé : 22,5	Significativement inférieur : 10
Dimensions de l'unité de puissance, m	Plus : 18.3x5.0x5.9 avec une puissance unitaire de l'unité 16MW sans système de refroidissement	Moins : 19.9x5.2x3.8 avec une puissance unitaire de l'unité 25MW
Consommation spécifique d'huile, g/kW*h	0.3 - 0.4	0.05
Nombre de démarrages	Non limité et n'affecte pas la réduction des ressources motrices	Non limité, mais affecte la réduction des ressources motrices
maintenabilité	Les réparations peuvent être effectuées sur place et nécessitent moins de temps	La réparation est possible dans une entreprise spéciale
Coût de révision	Moins cher	Chere
Écologie	Plus précisément - en mg / m3 - plus, mais la quantité d'émissions nocives en m3 est inférieure	Spécifique - en mg/m3 - moins, mais le volume d'émissions en m3 est plus élevé
Coût unitaire	Moins avec une puissance moteur unitaire jusqu'à 3,5 MW	Moins avec une puissance moteur unitaire de plus de 3,5 MW

Le marché de l'énergie dispose d'un très large choix de moteurs avec des différences significatives dans les caractéristiques techniques. La concurrence entre les moteurs des types considérés n'est possible que dans la gamme de puissance électrique unitaire jusqu'à 16 MW. À des puissances plus élevées, les moteurs à turbine à gaz remplacent presque complètement les moteurs à pistons.

Il faut tenir compte du fait que chaque moteur a des caractéristiques individuelles et que seules celles-ci doivent être utilisées lors du choix d'un type de variateur. Cela permet de former la composition de l'équipement principal d'une centrale électrique d'une capacité donnée en plusieurs versions, en faisant varier, tout d'abord, la puissance électrique et le nombre de moteurs requis. La polyvalence rend difficile le choix du type de moteur préféré.

Sur l'efficacité des moteurs à pistons et à turbine à gaz

La caractéristique la plus importante de tout moteur dans les centrales électriques est l'efficacité de la production d'énergie (KPIe), qui détermine le volume principal, mais pas le volume total de consommation de gaz. Le traitement des données statistiques sur les valeurs d'efficacité permet de montrer clairement les domaines d'application dans lesquels, selon cet indicateur, un type de moteur présente des avantages par rapport à un autre.

L'arrangement mutuel et la configuration des trois sélectionnés dans la Fig. 1 zones, dans lesquelles se trouvent des images par points des valeurs de l'efficacité électrique de différents moteurs, nous permettent de tirer quelques conclusions:

• même au sein d'un même type de moteurs de même puissance, il existe une dispersion importante des valeurs d'efficacité pour la production d'électricité ;
• avec une puissance unitaire supérieure à 16 MW, les moteurs à turbine à gaz en cycle combiné assurent une valeur de rendement de plus de 48 % et monopolisent le marché ;
• le rendement électrique des moteurs à turbine à gaz jusqu'à 16 MW, fonctionnant aussi bien en cycle simple qu'en cycle combiné, est inférieur (parfois très significativement) à celui des moteurs à pistons ;
• les moteurs à turbine à gaz d'une capacité unitaire allant jusqu'à 1 MW, apparus récemment sur le marché, sont supérieurs en termes d'efficacité aux moteurs d'une capacité de 2 à 8 MW, qui sont le plus souvent utilisés aujourd'hui dans les centrales électriques;
• la nature du changement d'efficacité des moteurs à turbine à gaz comporte trois zones: deux avec une valeur relativement constante - 27 et 36%, respectivement, et une avec une variable - de 27 à 36%; à l'intérieur de deux zones, le coefficient de rendement dépend faiblement de la puissance électrique ;
• la valeur du rendement pour la génération d'électricité des moteurs alternatifs est en constante dépendance de leur puissance électrique.

Cependant, ces facteurs ne sont pas une raison pour donner la priorité aux moteurs à pistons. Même si la centrale ne produira que de l'énergie électrique, lors de la comparaison des options de composition des équipements avec différents types de moteurs, il sera nécessaire d'effectuer calculs économiques. Il est nécessaire de prouver que le coût du gaz économisé couvrira la différence de coût entre les moteurs alternatifs et les moteurs à turbine à gaz, ainsi que équipement supplémentaire pour eux. La quantité de gaz économisée ne peut pas être déterminée si le mode de fonctionnement de la centrale pour la fourniture d'électricité en hiver et heure d'été. Idéalement, si les charges électriques nécessaires sont connues - maximum (jour de travail d'hiver) et minimum (jour de congé d'été).

Utilisation de l'énergie électrique et thermique

Si la centrale devait produire non seulement de l'électricité, mais aussi l'énérgie thermique, il faudra alors déterminer à partir de quelles sources il est possible de couvrir la consommation de chaleur. En règle générale, il existe deux sources de ce type - la chaleur utilisée par les moteurs et/ou la chaufferie.

Pour les moteurs à piston, la chaleur de l'huile de refroidissement, de l'air comprimé et des gaz d'échappement est utilisée, pour les moteurs à turbine à gaz, seule la chaleur des gaz d'échappement est utilisée. La majeure partie de la chaleur est récupérée des gaz d'échappement à l'aide d'échangeurs de chaleur résiduelle (UHE).

La quantité de chaleur récupérée dépend en grande partie du mode de fonctionnement du moteur pour produire de l'électricité et des conditions climatiques. Mauvaise appréciation des modes de fonctionnement des moteurs en heure d'hiver entraînera des erreurs dans la détermination de la quantité de chaleur utilisée et mauvais choix puissance installée de la chaufferie.

Les graphiques de la figure 2 montrent la possibilité d'un apport de chaleur récupérée à partir de turbines à gaz et de moteurs à pistons à des fins d'alimentation en chaleur. Les points sur les courbes correspondent aux données du fabricant sur les capacités des équipements disponibles pour la récupération de chaleur. Sur le moteur de même puissance électrique, les constructeurs installent divers UTO - en fonction de tâches spécifiques.

Les avantages des moteurs à turbine à gaz en termes de génération de chaleur sont indéniables. Cela est particulièrement vrai pour les moteurs d'une puissance électrique de 2 à 10 MW, ce qui s'explique par la valeur relativement faible de leur rendement électrique. À mesure que l'efficacité des moteurs à turbine à gaz augmente, la quantité de chaleur utilisée doit inévitablement diminuer.

Lors du choix d'un moteur à pistons pour l'alimentation en électricité et en chaleur d'une installation particulière, la nécessité d'utiliser une chaufferie dans le cadre d'une centrale électrique ne fait presque aucun doute. Le fonctionnement de la chaufferie nécessite une augmentation de la consommation de gaz supérieure à ce qui est nécessaire pour produire de l'électricité. La question se pose de savoir comment les coûts du gaz pour l'approvisionnement énergétique de l'installation diffèrent si, dans un cas, seuls des moteurs à turbine à gaz avec récupération de chaleur des gaz d'échappement sont utilisés et, dans l'autre cas, des moteurs à pistons avec récupération de chaleur et une chaufferie sont utilisés. Ce n'est qu'après une étude approfondie des caractéristiques de la consommation d'électricité et de chaleur de l'objet que l'on peut répondre à cette question.

Si nous supposons que la consommation de chaleur estimée d'un objet peut être entièrement couverte par la chaleur utilisée par le moteur à turbine à gaz et que le manque de chaleur lors de l'utilisation d'un moteur à piston est compensé par la chaufferie, il est alors possible d'identifier la nature de la variation de la consommation totale de gaz pour l'alimentation énergétique de l'objet.

En utilisant les données de la Fig. 1 et 2, il est possible pour les points caractéristiques des zones repérées aux Figs. 1, obtenir des informations sur les économies de gaz ou les dépassements lors de l'utilisation de différents types d'actionneurs. Ils sont présentés dans le tableau :

Les valeurs absolues des économies de gaz ne sont valables que pour un objet spécifique, dont les caractéristiques ont été incluses dans le calcul, mais la nature générale de la dépendance se reflète correctement, à savoir :
avec des valeurs de rendement électrique relativement proches (différence jusqu'à 10%), l'utilisation de moteurs à pistons et d'une chaufferie entraîne une consommation excessive de carburant;

• avec des valeurs de rendement électrique relativement proches (différence jusqu'à 10%), l'utilisation de moteurs à pistons et d'une chaufferie entraîne une consommation excessive de carburant;
• avec une différence de valeurs de rendement supérieure à 10%, le fonctionnement des moteurs alternatifs et de la chaufferie nécessitera moins de gaz que pour les moteurs à turbine à gaz;
• il existe un certain point avec des économies de gaz maximales lors de l'utilisation de moteurs alternatifs et d'une chaufferie, où la différence entre les valeurs d'efficacité des moteurs est de 13 à 14%;
• plus le rendement d'un moteur à piston est élevé et plus le rendement d'une turbine à gaz est faible, plus les économies de gaz sont importantes.

En complément

En règle générale, la tâche ne se limite pas au choix du type d'entraînement, il est nécessaire de déterminer la composition de l'équipement principal de la centrale - le type d'unités, leur nombre, l'équipement auxiliaire.

Le choix des moteurs pour produire la bonne quantité d'électricité détermine les possibilités de génération de chaleur récupérée. Dans ce cas, il faut prendre en compte toutes les particularités d'évolution des caractéristiques techniques du moteur liées aux conditions climatiques, à la nature de la charge électrique, et déterminer l'effet de ces évolutions sur le dégagement de chaleur utilisée.

Il faut également se rappeler que la centrale électrique ne comprend pas seulement des moteurs. Sur son site, il y a généralement plus d'une douzaine de structures auxiliaires, dont le fonctionnement affecte également les aspects techniques et indicateurs économiques centrales électriques.

Comme déjà mentionné, d'un point de vue technique, la composition de l'équipement de la centrale électrique peut être formée de plusieurs manières, de sorte que son choix final ne peut être justifié que d'un point de vue économique.

Dans le même temps, la connaissance des caractéristiques de moteurs spécifiques et de leur impact sur les performances économiques d'une future centrale électrique est extrêmement importante. Lors des calculs économiques, il est inévitable de prendre en compte la ressource motrice, la maintenabilité, le calendrier et le coût des réparations majeures. Ces indicateurs sont également individuels pour chaque moteur spécifique, quel que soit son type.

L'influence des facteurs environnementaux sur le choix du type de moteurs pour la centrale électrique ne peut être exclue. L'état de l'atmosphère dans la zone où la centrale électrique doit être exploitée peut être un facteur majeur dans la détermination du type de moteur (indépendamment de toute considération économique).

Comme indiqué précédemment, les données sur le coût des moteurs et des centrales électriques basées sur eux ne sont pas publiées. Les fabricants ou fournisseurs d'équipements se réfèrent à la différence possible dans la configuration, les conditions de livraison et d'autres raisons. Les prix ne seront présentés qu'après avoir rempli le questionnaire corporatif. Par conséquent, les informations du premier tableau selon lesquelles le coût des moteurs alternatifs d'une puissance allant jusqu'à 3,5 MW est inférieur au coût des moteurs à turbine à gaz de même puissance peuvent s'avérer incorrectes.

Conclusion

Ainsi, dans la classe de puissance unitaire jusqu'à 16 MW, ni les turbines à gaz ni les moteurs à pistons ne peuvent être privilégiés sans équivoque. Seule une analyse approfondie des modes de fonctionnement attendus d'une centrale particulière pour la production d'électricité et de chaleur (en tenant compte des caractéristiques des moteurs spécifiques et de nombreux facteurs économiques) justifiera pleinement le choix du type de moteur. Une entreprise spécialisée peut déterminer la composition de l'équipement à un niveau professionnel.

Références

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Cet article, avec des modifications mineures, est extrait de la revue "Turbines and Diesels", n°1 (2) pour 2006.
Auteur - V.P. Vershinsky, OOO "Gazpromenergoservis".

Dans la production autonome - production d'électricité à petite échelle, une attention considérable a récemment été accordée à turbines à gaz puissance différente. Centrales électriques à la base turbines à gaz sont utilisés comme source principale ou d'appoint d'électricité et d'énergie thermique pour des installations industrielles ou domestiques. turbines à gaz dans le cadre des centrales électriques sont conçues pour fonctionner dans toutes les conditions climatiques de la Russie. Domaines d'utilisation turbines à gaz pratiquement illimité : industrie pétrolière et gazière, entreprises industrielles, structures d'habitation et services communaux.

Facteur d'utilisation positif turbines à gaz dans le domaine du logement et des services communaux est que la teneur en émissions nocives dans les gaz d'échappement de NO x et de CO est au niveau de 25 et 150 ppm, respectivement (pour les usines à piston, ces valeurs sont beaucoup plus élevées), ce qui vous permet d'installer une centrale électrique à proximité de zones résidentielles. Usage turbines à gaz comme unités de puissance des centrales électriques évite la construction de hautes cheminées.

En fonction des besoins turbines à gazéquipées de chaudières à vapeur ou à eau chaude, qui permettent de recevoir de la centrale soit de la vapeur (basse, moyenne, haute pression) pour les besoins du process, soit de l'eau chaude (ECS) avec des valeurs de température standard. Vous pouvez obtenir de la vapeur et de l'eau chaude en même temps. La puissance de l'énergie thermique produite par une centrale électrique basée sur des turbines à gaz est généralement le double de celle de l'électricité.

A la centrale électrique turbines à gaz dans cette configuration, le rendement énergétique passe à 90 %. Haute efficacité d'utilisation turbines à gaz car les unités de puissance sont fournies pendant le fonctionnement à long terme avec une charge électrique maximale. Avec assez de puissance turbines à gaz il y a la possibilité d'une utilisation combinée de turbines à vapeur. Cette mesure permet d'augmenter considérablement l'efficacité d'utilisation de la centrale électrique, en augmentant l'efficacité électrique jusqu'à 53%.

Combien coûte une centrale électrique à turbine à gaz ? Quel est son prix total ? Qu'est-ce qui est inclus dans le prix clé en main?

Une centrale thermique autonome basée sur des turbines à gaz a beaucoup de frais supplémentaires, mais souvent, simplement équipement nécessaire(un exemple concret est un projet terminé). Avec l'utilisation d'équipements de première classe, le coût d'une centrale électrique de ce niveau, clé en main, ne dépasse pas 45 000 à 55 000 roubles pour 1 kW de capacité électrique installée. Le prix final d'une centrale électrique basée sur des turbines à gaz dépend des tâches et des besoins spécifiques du consommateur. Le prix comprend la conception, la construction et travaux de mise en service. Les turbines à gaz elles-mêmes, en tant qu'unités de puissance, sans équipement supplémentaire, selon le fabricant et la puissance, coûtent de 400 à 800 dollars pour 1 kW.

Pour obtenir des informations sur le coût de construction d'une centrale électrique ou d'une centrale thermique dans votre cas particulier, vous devez envoyer un questionnaire rempli à notre société. Après cela, après 2-3 jours, le client-client reçoit une proposition technique et commerciale préliminaire - TCH (exemple court). Sur la base du TCH, le client prend la décision finale sur la construction d'une centrale électrique basée sur des turbines à gaz. En règle générale, avant de prendre une décision, le client visite une installation existante afin de voir de ses propres yeux une centrale électrique moderne et de « toucher à tout avec ses mains ». Directement à l'installation, le client reçoit des réponses aux questions existantes.

Le concept de construction modulaire en blocs est souvent pris comme base pour la construction de centrales électriques basées sur des turbines à gaz. La conception modulaire en blocs fournit haut niveau la préparation en usine des centrales électriques à turbine à gaz et réduit le temps de construction des installations énergétiques.

Turbines à gaz - un peu d'arithmétique sur le coût de l'énergie produite

Pour produire 1 kW d'électricité, les turbines à gaz ne consomment que 0,29 à 0,37 m³/h de gaz combustible. Lorsqu'elles brûlent un mètre cube de gaz, les turbines à gaz génèrent 3 kW d'électricité et 4 à 6 kW d'énergie thermique. Avec le prix (moyen) du gaz naturel en 2011, 3 roubles. pour 1 m³, le coût de 1 kW d'électricité reçu d'une turbine à gaz est d'environ 1 rouble. De plus, le consommateur reçoit 1,5 à 2 kW d'énergie thermique gratuite !

Avec une alimentation électrique autonome à partir d'une centrale électrique basée sur des turbines à gaz, le coût de l'électricité et de la chaleur produites est 3 à 4 fois inférieur aux tarifs en vigueur dans le pays, et cela ne tient pas compte du coût élevé de la connexion à l'électricité de l'État réseaux (60 000 roubles pour 1 kW dans la région de Moscou, 2011).

Construction de centrales électriques autonomes basées sur turbines à gaz vous permet d'obtenir d'importantes économies de trésorerie en éliminant les coûts de construction et d'exploitation de lignes électriques coûteuses (TL), Les centrales électriques basées sur des turbines à gaz peuvent augmenter considérablement la fiabilité de l'approvisionnement électrique et thermique des entreprises ou organisations individuelles et des régions en tant que ensemble.
Le degré d'automatisation de la centrale électrique basée sur des turbines à gaz permet d'abandonner un grand nombre de personnel de maintenance. Lors de l'exploitation d'une centrale à gaz, seules trois personnes assurent son fonctionnement : un opérateur, un électricien de garde et un mécanicien de garde. Lorsque les urgences Des systèmes de protection fiables sont prévus pour assurer la sécurité du personnel, la sécurité des systèmes et des unités de la turbine à gaz.

L'air atmosphérique est acheminé par une prise d'air équipée d'un système de filtration (non représenté sur le schéma) jusqu'à l'entrée d'un compresseur axial multiétagé. Le compresseur comprime l'air atmosphérique et le refoule sous haute pression dans la chambre de combustion. Dans le même temps, une certaine quantité de carburant gazeux est fournie à la chambre de combustion de la turbine à travers les buses. Le carburant et l'air se mélangent et s'enflamment. Le mélange air-carburant brûle, libérant une grande quantité d'énergie. L'énergie des produits gazeux de combustion est convertie en travail mécanique grâce à la rotation des aubes de turbine par des jets de gaz chauds. Une partie de l'énergie reçue est utilisée pour comprimer l'air dans le compresseur de la turbine. Le reste du travail est transféré au générateur électrique via l'essieu moteur. Ce travail est le travail utile de la turbine à gaz. Les produits de combustion, qui ont une température d'environ 500 à 550 °C, sont évacués par le conduit d'échappement et le diffuseur de la turbine, et peuvent ensuite être utilisés, par exemple, dans un échangeur de chaleur, pour obtenir de l'énergie thermique.

Les turbines à gaz, en tant que moteurs, ont la puissance spécifique la plus élevée parmi les moteurs à combustion interne, jusqu'à 6 kW/kg.

En tant que carburant de turbine à gaz, le kérosène, le carburant diesel, le gaz peuvent être utilisés.

L'un des avantages des turbines à gaz modernes est la longue cycle de la vie- durée de vie du moteur (plein jusqu'à 200 000 heures, avant révision 25 000 à 60 000 heures).

Moderne turbines à gaz sont très fiables. Il existe des preuves de fonctionnement continu de certaines unités pendant plusieurs années.

De nombreux fournisseurs de turbines à gaz effectuent des révisions sur site, remplaçant les composants individuels sans les transporter à l'usine, ce qui réduit considérablement les coûts de temps.

La possibilité d'un fonctionnement à long terme dans n'importe quelle plage de puissance de 0 à 100%, l'absence de refroidissement par eau, le fonctionnement sur deux types de combustible - tout cela fait des turbines à gaz des unités de puissance populaires pour les centrales électriques autonomes modernes.

L'utilisation des turbines à gaz est plus efficace dans les centrales de moyenne puissance, et à des capacités supérieures à 30 MW, le choix est évident.

« Turbo », « turboréacteur », « turbopropulseur » - ces termes se sont solidement établis dans le lexique des ingénieurs du XXe siècle impliqués dans la conception et la maintenance. Véhicule et installations électriques fixes. Ils sont utilisés même dans des domaines connexes et dans la publicité, lorsqu'ils veulent donner au nom du produit une touche de puissance et d'efficacité particulières. Dans l'aviation, les fusées, les navires et les centrales électriques, la turbine à gaz est le plus souvent utilisée. Comment est-il organisé ? Fonctionne-t-il au gaz naturel (comme son nom l'indique) et à quoi ressemblent-ils ? En quoi une turbine est-elle différente des autres types de moteurs à combustion interne ? Quels sont ses avantages et ses inconvénients ? Une tentative de répondre à ces questions aussi complètement que possible est faite dans cet article.

UEC, leader russe de la construction de machines

La Russie, contrairement à de nombreux autres États indépendants formés après l'effondrement de l'URSS, a réussi à préserver en grande partie l'industrie de la construction mécanique. En particulier, la société Saturn est engagée dans la production de centrales électriques à usage spécial. Les turbines à gaz de cette entreprise sont utilisées dans la construction navale, l'industrie des matières premières et l'énergie. Les produits sont de haute technologie, ils nécessitent une approche particulière lors de l'installation, du débogage et de l'exploitation, ainsi que des connaissances particulières et des équipements coûteux lorsque maintenance prévue. Tous ces services sont à la disposition des clients de UEC - Gas Turbines, comme on l'appelle aujourd'hui. Il n'y a pas tellement d'entreprises de ce type dans le monde, bien que le principe de l'organisation du produit principal soit à première vue simple. L'expérience accumulée est d'une grande importance, ce qui permet de prendre en compte de nombreuses subtilités technologiques, sans lesquelles il est impossible d'obtenir un fonctionnement durable et fiable de l'unité. Voici juste une partie de la gamme de produits UEC : turbines à gaz, centrales électriques, unités de pompage de gaz. Parmi les clients figurent "Rosatom", "Gazprom" et autres "baleines" de l'industrie chimique et de l'énergie.

La fabrication de machines aussi complexes nécessite une approche individuelle dans chaque cas. Le calcul d'une turbine à gaz est actuellement entièrement automatisé, mais les matériaux et les caractéristiques des schémas de câblage sont importants dans chaque cas individuel.

Et tout a commencé si facilement...

Recherches et couples

Les premières expériences de conversion de l'énergie de translation du flux en force de rotation ont été réalisées par l'humanité dans l'Antiquité, à l'aide d'une roue hydraulique ordinaire. Tout est extrêmement simple, le liquide coule de haut en bas, des lames sont placées dans son écoulement. La roue, qui en est équipée autour du périmètre, tourne. Le moulin à vent fonctionne de la même manière. Puis vint l'ère de la vapeur, et la roue tourna plus vite. Soit dit en passant, le soi-disant "eolipil", inventé par l'ancien héron grec environ 130 ans avant la naissance du Christ, était une machine à vapeur qui fonctionne exactement sur ce principe. En substance, il s'agissait de la première turbine à gaz connue de la science historique (après tout, la vapeur est un état gazeux d'agrégation d'eau). Aujourd'hui, cependant, il est d'usage de séparer ces deux concepts. L'invention de Heron fut alors traitée à Alexandrie sans grand enthousiasme, bien qu'avec curiosité. Les équipements industriels de type turbine n'apparaissent qu'à la fin du XIXe siècle, après que le suédois Gustaf Laval a créé la première unité de puissance active au monde équipée d'une tuyère. Approximativement dans la même direction, l'ingénieur Parsons a travaillé, fournissant à sa machine plusieurs étapes fonctionnellement connectées.

La naissance des turbines à gaz

Un siècle plus tôt, un certain John Barber a eu une idée géniale. Pourquoi faut-il d'abord chauffer la vapeur, n'est-il pas plus facile d'utiliser directement les gaz d'échappement générés lors de la combustion du carburant, et ainsi d'éliminer les médiations inutiles dans le processus de conversion d'énergie ? C'est ainsi qu'est née la première véritable turbine à gaz. Le brevet de 1791 énonce l'idée de base d'être utilisé dans une voiture sans chevaux, mais des éléments de celui-ci sont utilisés aujourd'hui dans les moteurs de fusées, d'avions, de chars et d'automobiles modernes. Le début du processus de construction de moteurs à réaction a été donné en 1930 par Frank Whittle. Il a eu l'idée d'utiliser une turbine pour propulser un avion. Plus tard, elle a trouvé le développement dans de nombreux projets de turbopropulseurs et de turboréacteurs.

Turbine à gaz Nikola Tesla

Le célèbre scientifique-inventeur a toujours abordé les questions à l'étude d'une manière non standard. Il semblait évident à tout le monde que les roues à palettes ou à pales "attrapent" mieux le mouvement du médium que les objets plats. Tesla, à sa manière habituelle, a prouvé que si vous assemblez un système de rotor à partir de disques disposés en série sur l'axe, puis en ramassant les couches limites avec un flux de gaz, il ne tournera pas pire, et dans certains cas même mieux, que une hélice multipale. Certes, la direction du support en mouvement doit être tangentielle, ce qui n'est pas toujours possible ou souhaitable dans les unités modernes, mais la conception est grandement simplifiée - elle n'a pas du tout besoin de pales. Une turbine à gaz selon le schéma Tesla n'est pas encore en construction, mais peut-être que l'idée attend son heure.

schéma

Parlons maintenant du dispositif fondamental de la machine. C'est une combinaison d'un système tournant monté sur un axe (rotor) et d'une partie fixe (stator). Sur l'arbre, il y a un disque avec des pales de travail formant un réseau concentrique, elles sont affectées par du gaz fourni sous pression à travers des buses spéciales. Ensuite, le gaz détendu pénètre dans la roue à aubes, également équipée d'aubes, appelées ouvrières. Pour l'entrée du mélange air-carburant et la sortie (échappement), des tuyaux spéciaux sont utilisés. Le compresseur est également impliqué dans le schéma global. Il peut être réalisé selon un principe différent, en fonction de la pression de travail requise. Pour son fonctionnement, une partie de l'énergie est prélevée sur l'axe, qui sert à comprimer l'air. La turbine à gaz fonctionne au moyen du processus de combustion du mélange air-carburant, accompagné d'une augmentation significative du volume. L'arbre tourne, son énergie peut être utilisée utilement. Un tel schéma est appelé circuit unique, mais s'il est répété, il est alors considéré comme à plusieurs étages.

Avantages des turbines d'avion

Depuis le milieu des années 50 environ, une nouvelle génération d'avions est apparue, y compris des avions de passagers (en URSS, ce sont les Il-18, An-24, An-10, Tu-104, Tu-114, Tu-124, etc. ), dans des conceptions dont les moteurs à pistons d'avion ont finalement et irrévocablement été supplantés par ceux à turbine. Cela indique une plus grande efficacité de ce type de centrale électrique. Les caractéristiques d'une turbine à gaz sont supérieures à celles des moteurs à carburateur à bien des égards, notamment en termes de puissance / poids, ce qui est d'une importance primordiale pour l'aviation, ainsi que dans des indicateurs de fiabilité tout aussi importants. Consommation de carburant réduite, moins de pièces mobiles, meilleures performances environnementales, réduction du bruit et des vibrations. Les turbines sont moins critiques pour la qualité du carburant (ce qui ne peut pas être dit des systèmes de carburant), elles sont plus faciles à entretenir, elles nécessitent moins huile de graissage. En général, à première vue, il semble qu'ils ne soient pas constitués de métal, mais de solides vertus. Hélas, ce n'est pas le cas.

Les moteurs à turbine à gaz présentent des inconvénients

La turbine à gaz s'échauffe pendant le fonctionnement et transfère la chaleur aux éléments structurels environnants. Ceci est particulièrement critique, toujours dans l'aviation, lors de l'utilisation d'un schéma de disposition redan qui implique de laver la partie inférieure de l'empennage avec un jet stream. Et le carter du moteur lui-même nécessite une isolation thermique spéciale et l'utilisation de matériaux réfractaires spéciaux pouvant résister à des températures élevées.

Refroidissement des turbines à gaz - complexe tâche technique. Ce n'est pas une blague, ils fonctionnent sur le mode d'une explosion quasi permanente se produisant dans le corps. L'efficacité dans certains modes est inférieure à celle des moteurs à carburateur, cependant, lors de l'utilisation d'un schéma à double circuit, cet inconvénient est éliminé, bien que la conception devienne plus compliquée, comme dans le cas de l'inclusion de compresseurs "surpresseurs" dans le schéma. L'accélération des turbines et l'atteinte du mode de fonctionnement nécessitent un certain temps. Plus l'unité démarre et s'arrête souvent, plus elle s'use rapidement.

Application correcte

Eh bien, aucun système n'est sans défauts. Il est important de trouver une telle application de chacun d'eux, dans laquelle ses avantages se manifesteront plus clairement. Par exemple, des chars comme l'américain Abrams, qui est propulsé par une turbine à gaz. Il peut être rempli de tout ce qui brûle, de l'essence à indice d'octane élevé au whisky, et il produit beaucoup de puissance. Ce n'est peut-être pas un très bon exemple, car l'expérience en Irak et en Afghanistan a montré la vulnérabilité des aubes de compresseur au sable. La réparation des turbines à gaz doit être effectuée aux États-Unis, à l'usine de fabrication. Prenez le réservoir là-bas, puis revenez, et le coût de l'entretien lui-même, plus les accessoires ...

Les hélicoptères, russes, américains et autres pays, ainsi que les puissants hors-bords, sont moins touchés par le colmatage. Dans les fusées à liquide, ils sont indispensables.

Moderne navires de guerre et les navires civils ont également des moteurs à turbine à gaz. Et aussi de l'énergie.

Centrales trigénérateurs

Les problèmes rencontrés par les avionneurs ne sont pas si préoccupants pour ceux qui produisent équipement industriel pour la production d'électricité. Le poids dans ce cas n'est plus si important et vous pouvez vous concentrer sur des paramètres tels que l'efficacité et l'efficacité globale. Les groupes électrogènes à turbine à gaz ont un châssis massif, un châssis fiable et des pales plus épaisses. Il est tout à fait possible d'utiliser la chaleur générée, en l'utilisant pour une variété de besoins, du recyclage secondaire dans le système lui-même, au chauffage des locaux domestiques et à l'alimentation thermique des unités de réfrigération à absorption. Cette approche est appelée trigénérateur et le rendement dans ce mode approche les 90 %.

Centrales nucléaires

Pour une turbine à gaz, peu importe quelle est la source du fluide chauffé qui transmet son énergie à ses aubes. Il peut s'agir d'un mélange air-carburant brûlé, ou simplement de vapeur surchauffée (pas nécessairement d'eau), l'essentiel est qu'il assure son alimentation électrique ininterrompue. En substance, les centrales de toutes les centrales nucléaires, sous-marins, les porte-avions, les brise-glaces et certains navires de surface militaires (le croiseur lance-missiles Pierre le Grand, par exemple) sont basés sur une turbine à gaz (GTU) entraînée en rotation par la vapeur. Les questions de sécurité et d'environnement imposent une boucle primaire fermée. Cela signifie que l'agent thermique primaire (dans les premiers échantillons, ce rôle était joué par le plomb, maintenant il a été remplacé par la paraffine) ne quitte pas la zone proche du réacteur, circulant autour des éléments combustibles en cercle. Le chauffage de la substance de travail est effectué dans des circuits ultérieurs et le dioxyde de carbone, l'hélium ou l'azote évaporé fait tourner la roue de la turbine.

Application large

Les installations complexes et de grande taille sont presque toujours uniques, leur production est réalisée en petits lots ou en général des exemplaires uniques sont réalisés. Le plus souvent, les unités produites en grande quantité sont utilisées dans des secteurs pacifiques de l'économie, par exemple pour pomper des matières premières d'hydrocarbures à travers des pipelines. Ce sont ceux-ci qui sont produits par la société UEC sous la marque Saturn. Les turbines à gaz des stations de pompage correspondent parfaitement à leur nom. Ils pompent vraiment du gaz naturel, utilisant sa propre énergie pour leur travail.

Une turbine à gaz est communément appelée moteur à fonctionnement continu. Ensuite, nous parlerons de la disposition d'une turbine à gaz, quel est le principe de fonctionnement de l'unité. Une caractéristique d'un tel moteur est qu'à l'intérieur de celui-ci, l'énergie est produite par du gaz comprimé ou chauffé, dont le résultat est un travail mécanique sur l'arbre.

Histoire de la turbine à gaz

Fait intéressant, les mécanismes de turbine ont été développés par des ingénieurs depuis très longtemps. La première turbine à vapeur primitive a été créée au 1er siècle avant JC. e. ! Bien sûr, c'est essentiel
Ce mécanisme n'a atteint son apogée que maintenant. Les turbines ont commencé à se développer activement à la fin du XIXe siècle, parallèlement au développement et à l'amélioration de la thermodynamique, de la mécanique et de la métallurgie.

Les principes des mécanismes, des matériaux, des alliages ont changé, tout a été amélioré, et maintenant, aujourd'hui, l'humanité connaît la plus parfaite de toutes les formes de turbine à gaz existantes, qui se divisent en différents types. Il y a une turbine à gaz pour l'aviation et il y en a une industrielle.

Il est d'usage d'appeler une turbine à gaz une sorte de moteur thermique, ses pièces de travail sont prédéterminées avec une seule tâche - tourner en raison de l'action d'un jet de gaz.

Il est agencé de telle sorte que partie principale La turbine est représentée par une roue sur laquelle sont fixés des ensembles de pales. , agissant sur les aubes d'une turbine à gaz, les fait bouger et faire tourner la roue. La roue, à son tour, est fixée rigidement à l'arbre. Ce tandem a un nom spécial - le rotor de turbine. À la suite de ce mouvement, qui a lieu à l'intérieur du moteur à turbine à gaz, de l'énergie mécanique est obtenue, qui est transmise à un générateur électrique, à une hélice de navire, à une hélice d'avion et à d'autres mécanismes de fonctionnement d'un principe de fonctionnement similaire.

Turbines actives et à jet

L'impact du jet de gaz sur les aubes de turbine peut être double. Par conséquent, les turbines sont divisées en classes : la classe des turbines actives et réactives. Les turbines à gaz réactives et actives diffèrent par le principe du dispositif.

Turbine à impulsion

Une turbine active se caractérise par le fait qu'il y a un débit de gaz élevé vers les pales du rotor. A l'aide d'une lame incurvée, le jet de gaz dévie de sa trajectoire. À la suite de la déviation, une grande force centrifuge se développe. Grâce à cette force, les lames sont mises en mouvement. Pendant tout le trajet décrit du gaz, une partie de son énergie est perdue. Cette énergie est dirigée vers le mouvement de la roue et de l'arbre.

turbine à réaction

Dans une turbine à réaction, les choses sont quelque peu différentes. Ici, le flux de gaz vers les pales du rotor s'effectue à faible vitesse et sous l'influence d'un niveau de pression élevé. La forme des pales est également excellente, grâce à laquelle la vitesse du gaz est considérablement augmentée. Ainsi, le jet de gaz crée une sorte de force réactive.

Du mécanisme décrit ci-dessus, il résulte que le dispositif d'une turbine à gaz est assez compliqué. Pour qu'une telle unité fonctionne correctement et apporte des bénéfices et des avantages à son propriétaire, vous devez confier son entretien à des professionnels. Profil de service fourni par les entreprises entretien des services installations utilisant des turbines à gaz, fournitures de composants, toutes sortes de pièces et pièces. DMEnergy est l'une de ces entreprises () qui offre à son client la tranquillité d'esprit et la confiance qu'il ne sera pas laissé seul avec les problèmes qui surviennent lors du fonctionnement d'une turbine à gaz.

L'article décrit comment l'efficacité de la turbine à gaz la plus simple est calculée, des tableaux de différentes turbines à gaz et centrales à cycle combiné sont donnés pour comparer leur efficacité et d'autres caractéristiques.

Dans le domaine de l'utilisation industrielle des technologies des turbines à gaz et du gaz à vapeur, la Russie est loin derrière les pays avancés du monde.

Leaders mondiaux dans la production de centrales à gaz et à cycle combiné de grande capacité: GE, Siemens Wistinghouse, ABB - ont atteint des valeurs de puissance unitaire de centrales à turbine à gaz de 280 à 320 MW et un rendement supérieur à 40%, avec un utilisant la superstructure à vapeur dans un cycle à cycle combiné (également appelé binaire) - capacités de 430 à 480 MW avec une efficacité allant jusqu'à 60 %. Si vous avez des questions sur la fiabilité de CCGT, lisez l'article.

Ces chiffres impressionnants servent de référence pour déterminer les voies de développement de l'industrie de l'énergie électrique en Russie.

Comment le rendement d'une turbine à gaz est-il déterminé ?

Voici quelques formules simples pour montrer quelle est l'efficacité d'une centrale à turbine à gaz :

Puissance interne turbine :

• Nt = Gex * Lt, où Lt est le fonctionnement de la turbine, Gex est le débit des gaz d'échappement ;

Alimentation interne GTU :

• Ni gtu \u003d Nt - Nk, où Nk est la puissance interne du compresseur d'air;

Puissance effective GTU :

• Nef \u003d Ni gtu * Efficacité mécanique, efficacité mécanique - efficacité associée aux pertes mécaniques dans les roulements, peut être prise 0,99

Pouvoir électrique:

• Nel \u003d Ne * efficacité par exemple, où l'efficacité par exemple est l'efficacité associée aux pertes dans le générateur électrique, nous pouvons prendre 0,985

Chaleur disponible du combustible :

• Qsp = Gtop * Qrn, où Gref - consommation de carburant, Qrn - le pouvoir calorifique de travail le plus bas du carburant

Rendement électrique absolu d'une centrale à turbine à gaz :

• Efficacité \u003d Nel / Q dist

L'efficacité CCGT est supérieure à l'efficacité GTU puisque la centrale à cycle combiné utilise la chaleur des gaz d'échappement de la turbine à gaz. Une chaudière de récupération de chaleur est installée derrière la turbine à gaz, dans laquelle la chaleur des gaz d'échappement de la turbine à gaz est transférée au fluide de travail (eau d'alimentation), la vapeur générée est envoyée à la turbine à vapeur pour générer de l'électricité et de la chaleur.

Lire aussi : Comment choisir une centrale à turbine à gaz pour une centrale CCGT

L'efficacité CCGT est généralement représentée par le rapport :

• Efficacité PGU \u003d Efficacité GTU * B + (efficacité 1-GTU * B) * Efficacité PSU

B est le degré de binarité du cycle

Efficacité PSU - Efficacité d'une centrale à vapeur

• B = Qks/(Qks+Qku)

Qks est la chaleur du combustible brûlé dans la chambre de combustion d'une turbine à gaz

Qku - chaleur du combustible supplémentaire brûlée dans la chaudière de récupération

Dans le même temps, on note que si Qku = 0, alors B = 1, c'est-à-dire que l'installation est complètement binaire.

Influence du degré de binarité sur le rendement CCGT

B	Efficacité GTU	Efficacité du bloc d'alimentation	Efficacité CCCG
1	0,32	0,3	0,524
1	0,36	0,32	0,565
1	0,36	0,36	0,590
1	0,38	0,38	0,612
0,3	0,32	0,41	0,47
0,4	0,32	0,41	0,486
0,3	0,36	0,41	0,474
0,4	0,36	0,41	0,495
0,3	0,36	0,45	0,51
0,4	0,36	0,45	0,529

Présentons séquentiellement des tableaux avec les caractéristiques de l'efficacité des turbines à gaz et après eux les indicateurs de CCGT avec ces moteurs à gaz, et comparons l'efficacité d'une turbine à gaz individuelle et l'efficacité de CCGT.

Caractéristiques des puissantes turbines à gaz modernes

Turbines à gaz ABB

Caractéristique	Modèle CGU
	GT26GTU avec réchauffage	GT24GTU avec réchauffage
Puissance ISO MW	265	183
Efficacité %	38,5	38,3
	30	30
	562	391
	1260	1260
	610	610
	50	50

Centrales à cycle combiné avec turbines à gaz ABB

Turbines à gaz GE

Caractéristique	Modèle CGU
	MS7001FA	MS9001FA	MS7001G	MS9001G
Puissance ISO MW	159	226,5	240	282
Efficacité %	35,9	35,7	39,5	39,5
Rapport de pression du compresseur	14,7	14,7	23,2	23,2
Consommation du fluide de travail à l'échappement GTU kg/s	418	602	558	685
Température initiale, devant les lames de travail 1 c. DE	1288	1288	1427	1427
La température du fluide de travail à l'échappement C	589	589	572	583
Vitesse du générateur 1/s	60	50	60	50

Lire aussi : Pourquoi construire des Centrales Thermique à Cycle Combiné ? Quels sont les avantages des centrales à cycle combiné.

Centrales à cycle combiné avec turbines à gaz GE

Caractéristique	Modèle CGU
	MS7001FA	MS9001FA	MS7001G	MS9001G
La composition de la partie turbine à gaz de la CCG	1хMS7001FA	1хMS9001FA	1хMS9001G	1xMS9001H
Modèle CCCG	S107FA	S109FA	S109G	S109H
Puissance CCCG MW	259.7	376.2	420.0	480.0
Efficacité CCCG %	55.9	56.3	58.0	60.0

Turbines à gaz Siemens

Caractéristique	Modèle CGU
	V64.3A	V84.3A	V94.3A
Puissance ISO MW	70	170	240
Efficacité %	36,8	38	38
Rapport de pression du compresseur	16,6	16,6	16,6
Consommation du fluide de travail à l'échappement GTU kg/s	194	454	640
Température initiale, devant les lames de travail 1 c. DE	1325	1325	1325
La température du fluide de travail à l'échappement C	565	562	562
Vitesse du générateur 1/s	50/60	60	50

Centrales à cycle combiné avec turbines à gaz Siemens

Turbines à gaz Westinghouse-Mitsubishi-Fiat

Caractéristique	Modèle CGU
	501F	501G	701F	701G1	701G2
Puissance ISO MW	167	235,2	251,1	271	308
Efficacité %	36,1	39	37	38,7	39
Rapport de pression du compresseur	14	19,2	16,2	19	21
Consommation du fluide de travail à l'échappement GTU kg/s	449,4	553,4	658,9	645	741
Température initiale, devant les lames de travail 1 c. DE	1260	1427	1260	1427	1427
La température du fluide de travail à l'échappement C	596	590	569	588	574
Vitesse du générateur 1/s	60	60	50	50	50