Din ce este făcută o turbină cu gaz? Principiul de funcționare a turbinelor cu gaz. Motoare cu turboax

Centralele electrice de capacitate relativ mică pot include atât motoare cu turbină cu gaz (GTE) cât și motoare cu piston (RP). Drept urmare, clienții întreabă adesea care unitate este mai bună. Și, deși este clar imposibil să răspunzi, scopul acestui articol este o încercare de a înțelege această problemă.

Introducere

Alegerea tipului de motor, precum și a numărului acestora pentru acționarea generatoarelor electrice la o centrală electrică de orice capacitate, este o sarcină tehnică și economică complexă. Încercările de a compara motoarele cu piston și turbine cu gaz ca propulsie se fac cel mai adesea folosind gaz natural ca combustibil. Avantajele și dezavantajele lor fundamentale au fost analizate în literatura tehnica, în broșuri ale producătorilor de centrale electrice cu motoare alternative și chiar pe Internet.

De regulă, se oferă informații generalizate despre diferența de consum de combustibil, în costul motoarelor, fără a lua în considerare puterea și condițiile de funcționare ale acestora. Se remarcă adesea că este de preferat să se formeze compoziția centralelor electrice cu o capacitate de 10-12 MW pe baza motoarelor cu piston și o putere mai mare - pe baza turbinelor cu gaz. Aceste recomandări nu trebuie luate ca o axiomă. Un lucru este clar: fiecare tip de motor are avantajele și dezavantajele sale, iar atunci când alegeți o unitate, unele, cel puțin aproximative, criterii cantitative evaluările lor.

În prezent, piața energetică din Rusia oferă o gamă destul de largă de motoare cu piston și turbine cu gaz. Dintre motoarele cu piston predomină motoarele de import, iar dintre motoarele cu turbine cu gaz, cele autohtone.

Informatii despre specificații motoarele cu turbine cu gaz și centralele electrice bazate pe acestea, propuse pentru funcționare în Rusia, au fost publicate în mod regulat în „Catalogul echipamentelor cu turbine cu gaz” în ultimii ani.

Informații similare despre motoarele cu piston și centralele electrice, din care fac parte, pot fi adunate numai din broșurile companiilor ruse și străine care furnizează acest echipament. Informațiile despre costul motoarelor și al centralelor electrice nu sunt de cele mai multe ori publicate, iar informațiile publicate nu sunt adesea adevărate.

Comparație față la cap a motoarelor alternative și cu turbine cu gaz

Prelucrarea informațiilor disponibile face posibilă formarea tabelului de mai jos, care conține atât o evaluare cantitativă, cât și una calitativă a avantajelor și dezavantajelor motoarelor cu piston și turbine cu gaz. Din păcate, unele dintre caracteristici sunt preluate din materiale promoționale, a căror acuratețe completă este extrem de dificil sau aproape imposibil de verificat. Datele necesare pentru verificarea rezultatelor exploatării motoarelor și centralelor individuale, cu rare excepții, nu sunt publicate.

Desigur, cifrele date sunt generalizate; pentru anumite motoare, acestea vor fi strict individuale. În plus, unele dintre ele sunt date în conformitate cu standardele ISO, iar condițiile reale de funcționare ale motoarelor diferă semnificativ de standard.

Informațiile furnizate furnizează numai caracteristica calitativa motoare și nu pot fi utilizate la selectarea echipamentelor pentru o anumită centrală electrică. Unele comentarii pot fi date pentru fiecare poziție a tabelului.

Indicator	tipul motorului
	Piston	turbina de gaz
Gama de putere a unității motorului (ISO), MW	0.1 - 16.0	0.03 - 265.0
Schimbarea puterii la temperatură exterioară constantă	Mai stabil când sarcina este redusă cu 50%. Eficiența este redusă cu 8-10%	Mai puțin stabil când sarcina este redusă cu 50%. Eficiența este redusă cu 50%
Influența temperaturii exterioare asupra puterii motorului	Practic, niciun efect	Când temperatura scade la -20°C, puterea crește cu aproximativ 10-20%, când crește la +30°C, scade cu 15-20%
Efectul temperaturii exterioare asupra randamentului motorului	Practic, niciun efect	Când temperatura scade la -20°C, eficiența crește cu aproximativ 1,5% abs.
Combustibil	gazos, lichid	Gazos, lichid (la comandă specială)
Presiunea gazului combustibil necesar, MPa	0.01 - 0.035	Peste 1,2
Eficiență de generare a energiei pe gaz (ISO)	de la 31% la 48%	Într-un ciclu simplu de la 25% la 38%, într-un ciclu combinat - de la 41% la 55%
Raportul dintre puterea electrică și cantitatea de căldură utilizată, MW/MW (ISO)	1/(0.95-1.3)	1/(1.4-4.0)
Posibilități de utilizare a căldurii recuperate a gazelor de eșapament	Doar pentru încălzirea apei peste 115°C	Pentru producerea de abur pentru producerea de energie electrică, refrigerare, desalinizare a apei etc., pentru încălzirea apei până la o temperatură de 150°C
Influența temperaturii aerului exterior asupra cantității de căldură recuperată	Practic, niciun efect	Odată cu scăderea temperaturii aerului, cantitatea de căldură în prezența unui aparat cu lame reglabile a unei turbine cu gaz aproape nu scade, în absența acesteia scade
Resursa motorie, h	Mai mult: până la 300.000 pentru motoarele cu turație medie	Mai puțin: până la 100.000
Rata de creștere a costurilor de exploatare odată cu creșterea duratei de viață	Mai puțin înalt	Superior
Masa unității de putere (motor cu generator electric și echipament auxiliar), kg/kW	Semnificativ mai mare: 22,5	Semnificativ mai mic: 10
Dimensiuni unitate de putere, m	Mai mult: 18.3x5.0x5.9 cu o putere unitară a unității de 16MW fără sistem de răcire	Mai puțin: 19,9x5,2x3,8 cu o putere unitară a unității de 25MW
Consum specific de ulei, g/kW*h	0.3 - 0.4	0.05
Numărul de porniri	Nu este limitat și nu afectează reducerea resurselor motorii	Nu se limitează, dar afectează reducerea resurselor motorii
mentenabilitatea	Reparațiile se pot face la fața locului și necesită mai puțin timp	Reparația este posibilă la o întreprindere specială
Costul reviziei	Mai ieftin	Scump
Ecologie	Mai exact - în mg / m3 - mai mult, dar cantitatea de emisii nocive în m3 este mai mică	Specific - în mg/m3 - mai puțin, dar volumul emisiilor în m3 este mai mare
Cost unitar	Mai puțin cu puterea motorului unității de până la 3,5 MW	Mai puțin cu o putere unitară a motorului mai mare de 3,5 MW

Piața energiei are o selecție foarte mare de motoare cu diferențe semnificative în caracteristicile tehnice. Concurența între motoarele tipurilor considerate este posibilă numai în intervalul de putere electrică unitară de până la 16 MW. La puteri mai mari, motoarele cu turbine cu gaz înlocuiesc aproape complet motoarele cu piston.

Trebuie luat în considerare faptul că fiecare motor are caracteristici individuale și numai acestea ar trebui folosite atunci când alegeți un tip de unitate. Acest lucru vă permite să formați compoziția echipamentului principal al unei centrale electrice de o anumită capacitate în mai multe versiuni, variind, în primul rând, puterea electrică și numărul de motoare necesare. Versatilitatea face dificilă alegerea tipului de motor preferat.

Despre eficiența motoarelor cu piston și turbine cu gaz

Cea mai importantă caracteristică a oricărui motor din centralele electrice este eficiența de generare a energiei (KPIe), care determină principalul, dar nu și volumul total al consumului de gaz. Prelucrarea datelor statistice privind valorile eficienței face posibilă arătarea clară a domeniilor de aplicare în care, conform acestui indicator, un tip de motor are avantaje față de altul.

Aranjamentul și configurația reciprocă a celor trei selectați în Fig. 1 zone, în care există imagini cu puncte ale valorilor eficienței electrice a diferitelor motoare, ne permit să tragem câteva concluzii:

• chiar și în cadrul aceluiași tip de motoare de aceeași putere, există o împrăștiere semnificativă a valorilor eficienței pentru generarea de energie electrică;
• cu o putere unitară de peste 16 MW, motoarele cu turbină cu gaz în ciclu combinat asigură o valoare a eficienței de peste 48% și monopolizează piața;
• randamentul electric al motoarelor cu turbină cu gaz de până la 16 MW, care funcționează atât în ​​cicluri simple, cât și în cicluri combinate, este mai mic (uneori foarte semnificativ) decât cel al motoarelor cu piston;
• motoarele cu turbină cu gaz cu o capacitate unitară de până la 1 MW, care au apărut recent pe piață, sunt superioare din punct de vedere al eficienței motoarelor cu o capacitate de 2-8 MW, care sunt cel mai des folosite astăzi ca parte a centralelor electrice;
• natura modificării eficienței motoarelor cu turbină cu gaz are trei zone: două cu o valoare relativ constantă - 27, respectiv 36% și una cu o variabilă - de la 27 la 36%; în două zone, coeficientul de eficiență depinde slab de puterea electrică;
• valoarea randamentului pentru generarea de energie electrica a motoarelor cu piston este in permanenta dependenta de puterea electrica a acestora.

Cu toate acestea, acești factori nu reprezintă un motiv pentru a acorda prioritate motoarelor cu piston. Chiar dacă centrala electrică va produce numai energie electrică, atunci când se compară opțiunile pentru compoziția echipamentelor cu diferite tipuri de motoare, va fi necesar să se efectueze calcule economice. Este necesar să se demonstreze că costul gazului economisit va plăti diferența de cost al motoarelor cu piston și turbine cu gaz, precum și echipament adițional lor. Cantitatea de gaz economisită nu poate fi determinată dacă modul de funcționare al stației de alimentare cu energie electrică în timpul iernii și ora de vara. În mod ideal, dacă se cunosc sarcinile electrice necesare - maximă (zi de lucru de iarnă) și minime (zi liberă de vară).

Utilizarea atât a energiei electrice, cât și a energiei termice

Dacă centrala ar trebui să producă nu numai energie electrică, ci și energie termală, atunci va fi necesar să se determine din ce surse este posibil să se acopere consumul de căldură. De regulă, există două astfel de surse - căldura utilizată a motoarelor și/sau cazanul.

Pentru motoarele cu piston se folosește căldura uleiului de răcire, a aerului comprimat și a gazelor de evacuare, pentru motoarele cu turbină cu gaz este utilizată doar căldura gazelor de eșapament. Cantitatea principală de căldură este recuperată din gazele de evacuare cu ajutorul schimbătoarelor de căldură reziduală (UHE).

Cantitatea de căldură recuperată depinde în mare măsură de modul de funcționare al motorului pentru a genera electricitate și de condițiile climatice. Evaluarea incorectă a modurilor de funcționare a motoarelor în timp de iarna va duce la erori în determinarea cantităţii de căldură utilizată şi alegere greșită capacitatea instalată a cazanelor.

Graficele din Fig. 2 arată posibilitatea alimentării cu energie termică recuperată de la motoarele cu turbină cu gaz și cu piston în scopul furnizării de căldură. Punctele de pe curbe corespund datelor producătorului privind capacitățile echipamentelor disponibile pentru recuperarea căldurii. Pe motorul aceleiași puteri electrice, producătorii instalează diverse UTO - pe baza unor sarcini specifice.

Avantajele motoarelor cu turbină cu gaz în ceea ce privește generarea de căldură sunt incontestabile. Acest lucru este valabil mai ales pentru motoarele cu o putere electrică de 2-10 MW, ceea ce se explică prin valoarea relativ scăzută a eficienței lor electrice. Pe măsură ce eficiența motoarelor cu turbină cu gaz crește, cantitatea de căldură utilizată trebuie inevitabil să scadă.

Atunci când alegeți un motor cu piston pentru alimentarea cu energie și căldură a unei anumite instalații, necesitatea de a utiliza o boiler ca parte a unei centrale electrice este aproape fără îndoială. Funcționarea cazanului necesită o creștere a consumului de gaze peste ceea ce este necesar pentru a genera energie electrică. Se pune întrebarea cum diferă costurile cu gaz pentru alimentarea cu energie a instalației dacă într-un caz se folosesc numai motoare cu turbină cu gaz cu recuperare a căldurii de evacuare, iar în celălalt caz se folosesc motoare cu piston cu recuperare de căldură și o centrală termică. Numai după un studiu amănunțit al caracteristicilor consumului de energie electrică și căldură al obiectului se poate răspunde la această întrebare.

Dacă presupunem că consumul de căldură estimat al unui obiect poate fi acoperit complet de căldura utilizată a motorului cu turbină cu gaz, iar lipsa căldurii atunci când se utilizează un motor cu piston este compensată de centrala termică, atunci este posibil să se identifice natura de modificarea consumului total de gaz pentru alimentarea cu energie a obiectului.

Folosind datele din fig. 1 și 2, este posibil pentru punctele caracteristice ale zonelor marcate în Fig. 1, obțineți informații despre economiile de gaz sau depășirile atunci când utilizați diferite tipuri de actuatoare. Sunt prezentate în tabel:

Valorile absolute ale economiilor de gaze sunt valabile numai pentru un anumit obiect, ale cărui caracteristici au fost incluse în calcul, dar natura generală a dependenței este reflectată corect, și anume:
cu valori relativ apropiate ale eficienței electrice (diferență de până la 10%), utilizarea motoarelor cu piston și a unei camere de cazane duce la un consum excesiv de combustibil;

• cu valori relativ apropiate ale eficienței electrice (diferență de până la 10%), utilizarea motoarelor cu piston și a unei camere de cazane duce la un consum excesiv de combustibil;
• cu o diferență a valorilor de eficiență de peste 10%, funcționarea motoarelor cu piston și a cazanului va necesita mai puțin gaz decât pentru motoarele cu turbină cu gaz;
• există un anumit punct cu economii maxime de gaz atunci când se utilizează motoare cu piston și o cameră de cazane, unde diferența dintre valorile de eficiență ale motoarelor este de 13-14%;
• cu cât randamentul unui motor cu piston este mai mare și cu cât eficiența unei turbine cu gaz este mai mică, cu atât economiile de gaz sunt mai mari.

Ca supliment

De regulă, sarcina nu se limitează la alegerea tipului de acționare, este necesară determinarea compoziției echipamentului principal al centralei electrice - tipul de unități, numărul acestora, echipamente auxiliare.

Alegerea motoarelor care să producă cantitatea potrivită de electricitate determină posibilitățile de generare a căldurii recuperate. În acest caz, este necesar să se ia în considerare toate caracteristicile modificărilor caracteristicilor tehnice ale motorului asociate cu condițiile climatice, cu natura sarcinii electrice și să se determine efectul acestor modificări asupra furnizării de căldură utilizată.

De asemenea, trebuie amintit că centrala electrică include nu numai motoare. Pe site-ul său, există de obicei mai mult de o duzină de structuri auxiliare, a căror funcționare afectează și aspectele tehnice și indicatori economici centrale electrice.

După cum sa menționat deja, din punct de vedere tehnic, compoziția echipamentelor centralei poate fi formată în mai multe moduri, astfel încât alegerea sa finală nu poate fi justificată decât din punct de vedere economic.

În același timp, cunoașterea caracteristicilor motoarelor specifice și a impactului acestora asupra performanței economice a unei viitoare centrale electrice este extrem de importantă. Atunci când se efectuează calcule economice, este inevitabil să se țină cont de resursa motorului, mentenabilitatea, timpul și costul reparațiilor majore. Acești indicatori sunt, de asemenea, individuali pentru fiecare motor specific, indiferent de tipul acestuia.

Nu poate fi exclusă influența factorilor de mediu asupra alegerii tipului de motoare pentru centrala electrică. Starea atmosferei din zona in care urmeaza sa functioneze centrala poate fi un factor major in determinarea tipului de motor (indiferent de orice considerente economice).

După cum sa menționat deja, datele privind costul motoarelor și centralelor electrice pe baza acestora nu sunt publicate. Producătorii sau furnizorii de echipamente se referă la posibila diferență de configurație, condiții de livrare și alte motive. Preturile vor fi prezentate numai dupa completarea chestionarului corporativ. Prin urmare, informațiile din primul tabel conform cărora costul motoarelor cu piston cu o putere de până la 3,5 MW este mai mic decât costul motoarelor cu turbină cu gaz de aceeași putere se pot dovedi a fi incorecte.

Concluzie

Astfel, în clasa de putere a unității de până la 16 MW, nici motoarele cu turbine cu gaz, nici motoare cu piston nu pot fi preferate fără echivoc. Doar o analiză amănunțită a modurilor de funcționare așteptate ale unei anumite centrale electrice pentru generarea de energie electrică și căldură (ținând cont de caracteristicile motoarelor specifice și a numeroși factori economici) va justifica pe deplin alegerea tipului de motor. O firmă specializată poate determina compoziția echipamentului la nivel profesional.

Referințe

1. Gabich A. Aplicarea motoarelor cu turbine cu gaz de putere redusă în sectorul energetic // Tehnologii cu turbine cu gaz. 2003, nr. 6. S. 30-31.
2. Burov V. D. Turbină cu gaz și piston cu gaz centrale electrice putere redusă // Revista miniere. 2004, număr special. pp. 87-89.133.
3. Catalog echipamente turbine cu gaz // Tehnologii turbine cu gaz. 2005. S. 208.
4. Salikhov A. A., Fatkulin R. M., Abrakhmanov R. R., Shchaulov V. Yu. Dezvoltarea mini-CHP folosind motoare cu piston pe gaz în Republica Bashkortostan. 2003, nr. 11. S. 24-30.

Acest articol, cu mici modificări, este preluat din revista „Turbine și Diesel”, nr. 1 (2) pentru anul 2006.
Autor - V.P. Vershinsky, OOO „Gazpromenergoservis”.

În generarea autonomă - producția de energie la scară mică, recent s-a acordat o atenție considerabilă turbine cu gaz putere diferită. Centrale electrice la bază turbine cu gaz sunt utilizate ca sursă principală sau de rezervă de energie electrică și termică pentru instalațiile industriale sau casnice. turbine cu gaz ca parte a centralelor electrice sunt proiectate pentru funcționarea în orice condiții climatice ale Rusiei. Domenii de utilizare turbine cu gaz practic nelimitat: industria petrolului și gazelor, întreprinderile industriale, structuri de locuinte si servicii comunale.

Factorul de utilizare pozitiv turbine cu gazîn domeniul locuințelor și serviciilor comunale este că conținutul de emisii nocive din gazele de evacuare de NO x și CO este la nivelul de 25, respectiv 150 ppm (pentru instalațiile cu piston, aceste valori sunt mult mai mari), ceea ce vă permite să instalați o centrală electrică în apropierea zonelor rezidențiale. Utilizare turbine cu gaz ca unităţi de putere ale centralelor electrice evită construirea coşurilor de fum înalte.

In functie de nevoi turbine cu gaz echipat cu cazane de căldură reziduală cu abur sau apă caldă, care vă permite să primiți de la centrală fie abur (presiune joasă, medie, înaltă) pentru nevoi de proces, fie apă caldă (ACM) cu valori standard de temperatură. Puteți obține abur și apă fierbinte în același timp. Puterea energiei termice produsă de o centrală bazată pe turbine cu gaz, de regulă, este de două ori mai mare decât a energiei electrice.

La centrala electrica turbine cu gazîn această configurație, eficiența combustibilului crește la 90%. Eficiență ridicată de utilizare turbine cu gaz ca unități de putere este furnizată în timpul funcționării pe termen lung cu sarcină electrică maximă. Cu suficientă putere turbine cu gaz există posibilitatea utilizării combinate a turbinelor cu abur. Această măsură permite creșterea semnificativă a eficienței utilizării centralei, crescând eficiența electrică până la 53%.

Cât costă o centrală electrică cu turbină cu gaz? Care este prețul său integral? Ce este inclus in pretul la cheie?

O centrală termică autonomă bazată pe turbine cu gaz are o mulțime de costuri suplimentare, dar adesea, pur și simplu echipamentul necesar(un exemplu din viața reală este un proiect finalizat). Cu utilizarea echipamentelor de primă clasă, costul unei centrale electrice de acest nivel, la cheie, nu depășește 45.000 - 55.000 de ruble per 1 kW de capacitate electrică instalată. Prețul final al unei centrale electrice bazată pe turbine cu gaz depinde de sarcinile și nevoile specifice ale consumatorului. Pretul include proiectarea, constructia si lucrări de punere în funcţiune. Turbinele cu gaz în sine, ca unități de putere, fără echipamente suplimentare, în funcție de producător și putere, costă de la 400 la 800 de dolari pe 1 kW.

Pentru a obține informații despre costul construirii unei centrale electrice sau termocentrale în cazul dumneavoastră particular, trebuie să trimiteți un chestionar completat companiei noastre. După aceea, după 2-3 zile, clientul-client primește o propunere tehnică și comercială preliminară - TCH (exemplu scurt). Pe baza TCH, clientul ia decizia finală cu privire la construcția unei centrale electrice pe bază de turbine cu gaz. De regulă, înainte de a lua o decizie, clientul vizitează o instalație existentă pentru a vedea o centrală modernă cu ochii și „atinge totul cu mâinile”. Direct la unitate, clientul primește răspunsuri la întrebările existente.

Conceptul de construcție bloc-modulară este adesea luat ca bază pentru construcția de centrale electrice bazate pe turbine cu gaz. Designul bloc-modular oferă nivel inalt pregătirea din fabrică a centralelor cu turbine cu gaz și reduce timpul de construcție a instalațiilor energetice.

Turbine cu gaz - unele aritmetice privind costul energiei produse

Pentru a produce 1 kW de energie electrică, turbinele cu gaz consumă doar 0,29–0,37 m³/h de combustibil gazos. La arderea unui metru cub de gaz, turbinele cu gaz generează 3 kW de energie electrică și 4–6 kW de energie termică. Cu prețul (medie) pentru gazul natural în 2011, 3 ruble. pe 1 m³, costul pentru 1 kW de electricitate primit de la o turbină cu gaz este de aproximativ 1 rublă. În plus, consumatorul primește 1,5–2 kW de energie termică gratuită!

Cu alimentarea cu energie autonomă de la o centrală bazată pe turbine cu gaz, costul energiei electrice și căldurii produse este de 3-4 ori mai mic decât tarifele în vigoare în țară, iar acest lucru nu ține cont de costul ridicat al conectării la puterea de stat. grile (60.000 de ruble per 1 kW în regiunea Moscova, 2011).

Construirea centralelor autonome pe baza turbine cu gaz vă permite să obțineți economii semnificative de numerar prin eliminarea costurilor de construcție și exploatare a liniilor electrice scumpe (TL), Centralele electrice bazate pe turbine cu gaz pot crește semnificativ fiabilitatea alimentării cu energie electrică, termică atât a întreprinderilor individuale sau organizațiilor, cât și a regiunilor ca un întreg.
Gradul de automatizare a centralei pe bază de turbine cu gaz face posibilă abandonarea unui număr mare de personal de întreținere. În timpul funcționării unei centrale pe gaz, doar trei persoane asigură funcționarea acesteia: un operator, un electrician de serviciu și un mecanic de serviciu. Când urgente Sunt prevăzute sisteme de protecție fiabile pentru a asigura siguranța personalului, siguranța sistemelor și unităților turbinei cu gaz.

Aerul atmosferic este alimentat printr-o priză de aer echipată cu un sistem de filtrare (nu este prezentat în diagramă) la admisia unui compresor axial cu mai multe trepte. Compresorul comprimă aerul atmosferic și îl livrează sub presiune ridicataîn camera de ardere. În același timp, o anumită cantitate de combustibil gazos este furnizată în camera de ardere a turbinei prin duze. Combustibilul și aerul se amestecă și se aprind. Amestecul aer-combustibil arde, eliberând o cantitate mare de energie. Energia produșilor gazoși de combustie este transformată în lucru mecanic datorită rotației palelor turbinei prin jeturi de gaz fierbinte. O parte din energia primită este utilizată pentru comprimarea aerului din compresorul turbinei. Restul lucrării este transferat la generatorul electric prin axa motoare. Această lucrare este munca utilă a turbinei cu gaz. Produsele de ardere, care au o temperatură de aproximativ 500-550 °C, sunt îndepărtate prin canalul de evacuare și difuzorul turbinei și pot fi utilizate în continuare, de exemplu, într-un schimbător de căldură, pentru a genera energie termică.

Turbinele cu gaz, ca motoare, au cea mai mare putere specifică dintre motoarele cu ardere internă, până la 6 kW/kg.

Ca combustibil pentru turbina cu gaz se poate folosi kerosen, motorină, gaz.

Unul dintre avantajele turbinelor cu gaz moderne este lungimea ciclu de viață- durata de viață a motorului (complet până la 200.000 ore, înainte de revizie 25.000–60.000 ore).

Modern turbine cu gaz sunt extrem de fiabile. Există dovezi ale funcționării continue a unor unități de câțiva ani.

Mulți furnizori de turbine cu gaz efectuează revizii la fața locului, înlocuind componente individuale fără a le transporta la fabrică, ceea ce reduce semnificativ costurile de timp.

Posibilitatea de funcționare pe termen lung în orice interval de putere de la 0 la 100%, absența răcirii cu apă, funcționarea pe două tipuri de combustibil - toate acestea fac turbinele cu gaz populare unități de putere pentru centralele autonome moderne.

Utilizarea turbinelor cu gaz este cea mai eficientă la centralele de putere medie, iar la capacități de peste 30 MW, alegerea este evidentă.

„Turbo”, „turbojet”, „turboprop” - acești termeni au devenit ferm stabiliți în lexicul inginerilor din secolul al XX-lea implicați în proiectare și întreținere. Vehiculși instalații electrice staționare. Sunt folosite chiar și în domenii conexe și în publicitate, atunci când doresc să dea denumirii produsului un indiciu de putere și eficiență deosebită. În aviație, rachete, nave și centrale electrice, cel mai des este folosită turbina cu gaz. Cum este organizat? Funcționează cu gaz natural (cum ar putea sugera și numele) și cum sunt acestea? Cum este o turbină diferită de alte tipuri de motoare cu ardere internă? Care sunt avantajele și dezavantajele sale? O încercare de a răspunde la aceste întrebări cât mai complet posibil este făcută în acest articol.

Lider rus în construcția de mașini UEC

Rusia, spre deosebire de multe alte state independente formate după prăbușirea URSS, a reușit să păstreze în mare măsură industria construcțiilor de mașini. În special, compania Saturn este angajată în producția de centrale electrice cu destinații speciale. Turbinele cu gaz ale acestei companii sunt folosite în construcții navale, industria materiilor prime și energie. Produsele sunt de înaltă tehnologie, necesită o abordare specială în timpul instalării, depanării și exploatării, precum și cunoștințe speciale și echipamente costisitoare atunci când Intretinere programata. Toate aceste servicii sunt disponibile clienților UEC - Turbine cu gaz, așa cum se numește astăzi. Nu există atât de multe astfel de întreprinderi în lume, deși principiul amenajării principalelor produse este simplu la prima vedere. Experiența acumulată este de mare importanță, ceea ce face posibilă luarea în considerare a multor subtilități tehnologice, fără de care este imposibil să se realizeze o funcționare durabilă și fiabilă a unității. Iată doar o parte din gama de produse UEC: turbine cu gaz, centrale electrice, unități de pompare cu gaz. Printre clienți se numără „Rosatom”, „Gazprom” și alte „balene” din industria chimică și energetică.

Fabricarea unor astfel de mașini complexe necesită o abordare individuală în fiecare caz. Calculul unei turbine cu gaz este în prezent complet automatizat, dar materialele și caracteristicile diagramelor de cablare contează în fiecare caz individual.

Și totul a început atât de ușor...

Căutări și cupluri

Primele experimente de conversie a energiei de translație a fluxului în forță de rotație au fost efectuate de omenire în antichitate, folosind o roată de apă obișnuită. Totul este extrem de simplu, lichidul curge de sus în jos, lamele sunt plasate în curgerea lui. Roata, echipată cu ele în jurul perimetrului, se învârte. Moara de vânt funcționează la fel. Apoi a venit epoca aburului, iar roata s-a întors mai repede. Apropo, așa-numitul „eolipil”, inventat de anticul stârc grecesc cu aproximativ 130 de ani înainte de nașterea lui Hristos, era o mașină cu abur care funcționează exact pe acest principiu. În esență, aceasta a fost prima turbină cu gaz cunoscută științei istorice (la urma urmei, aburul este o stare gazoasă de agregare a apei). Astăzi, însă, se obișnuiește să se separe aceste două concepte. Invenția lui Heron a fost apoi tratată în Alexandria fără prea mult entuziasm, deși cu curiozitate. Echipamentele industriale de tip turbină au apărut abia la sfârșitul secolului al XIX-lea, după ce suedezul Gustaf Laval a creat prima unitate de putere activă din lume echipată cu duză. Aproximativ în aceeași direcție, a lucrat inginerul Parsons, furnizându-și mașina cu mai multe trepte conectate funcțional.

Nașterea turbinelor cu gaz

Cu un secol mai devreme, un anume John Barber a avut o idee genială. De ce trebuie să încălziți mai întâi aburul, nu este mai ușor să utilizați direct gazele de eșapament generate în timpul arderii combustibilului și, prin urmare, să eliminați medierea inutilă în procesul de conversie a energiei? Așa a apărut prima turbină cu gaz adevărată. Brevetul din 1791 prezintă ideea de bază de a fi folosit într-o trăsură fără cai, dar elemente ale acestuia sunt folosite astăzi în motoarele moderne de rachete, avioane, tancuri și autovehicule. Începutul procesului de construire a motoarelor cu reacție a fost dat în 1930 de Frank Whittle. I-a venit ideea de a folosi o turbină pentru a propulsa un avion. Mai târziu, ea a găsit dezvoltare în numeroase proiecte cu turbopropulsoare și turborreactor.

Turbina cu gaz Nikola Tesla

Celebrul om de știință-inventator a abordat întotdeauna problemele studiate într-un mod non-standard. Pentru toată lumea părea evident că roțile cu palete sau lame „prind” mișcarea mediului mai bine decât obiectele plate. Tesla, în maniera sa caracteristică, a dovedit că, dacă asamblați un sistem rotor din discuri dispuse în serie pe axă, atunci prin ridicarea straturilor limită cu un flux de gaz, acesta nu se va roti mai rău, și în unele cazuri chiar mai bine decât o elice cu mai multe pale. Adevărat, direcția mediului în mișcare ar trebui să fie tangențială, ceea ce nu este întotdeauna posibil sau de dorit în unitățile moderne, dar designul este mult simplificat - nu are nevoie deloc de lame. O turbină cu gaz conform schemei Tesla nu este încă construită, dar poate că ideea doar așteaptă timpul.

schema circuitului

Acum despre dispozitivul fundamental al mașinii. Este o combinație între un sistem rotativ montat pe o axă (rotor) și o parte fixă ​​(stator). Pe arbore se află un disc cu lame de lucru care formează o rețea concentrică, acestea sunt afectate de gazul furnizat sub presiune prin duze speciale. Apoi gazul expandat intră în rotor, echipat și cu palete, numite muncitori. Pentru intrarea amestecului aer-combustibil și evacuarea (eșapament) se folosesc țevi speciale. Compresorul este, de asemenea, implicat în schema generală. Se poate realiza dupa un principiu diferit, in functie de presiunea de lucru ceruta. Pentru funcționarea sa, o parte din energie este preluată de pe axă, care este folosită pentru comprimarea aerului. Turbina cu gaz funcționează prin procesul de ardere a amestecului aer-combustibil, însoțit de o creștere semnificativă a volumului. Arborele se rotește, energia sa poate fi folosită util. O astfel de schemă se numește un singur circuit, dar dacă se repetă, atunci este considerată cu mai multe etape.

Avantajele turbinelor aeronavei

De la jumătatea anilor cincizeci, a apărut o nouă generație de aeronave, inclusiv cele de pasageri (în URSS acestea sunt Il-18, An-24, An-10, Tu-104, Tu-114, Tu-124 etc. ), în modelele cărora motoarele cu piston ale aeronavelor au fost înlocuite definitiv și irevocabil de cele cu turbină. Acest lucru indică o eficiență mai mare a acestui tip de centrale electrice. Caracteristicile turbinei cu gaz sunt superioare parametrilor motoarelor cu carburator în multe privințe, în special în ceea ce privește puterea / greutatea, care este de o importanță capitală pentru aviație, precum și în indicatorii la fel de importanți ai fiabilității. Consum mai mic de combustibil, mai puține piese în mișcare, performanță mai bună asupra mediului, zgomot și vibrații reduse. Turbinele sunt mai puțin critice pentru calitatea combustibilului (ceea ce nu se poate spune despre sistemele de combustibil), sunt mai ușor de întreținut, necesită mai puțin Ulei lubrifiant. În general, la prima vedere pare că nu sunt formate din metal, ci din virtuți solide. Din păcate, nu este.

Există dezavantaje ale motoarelor cu turbină cu gaz

Turbina cu gaz se încălzește în timpul funcționării și transferă căldură elementelor structurale din jur. Acest lucru este deosebit de critic, din nou în aviație, atunci când se utilizează o schemă de layout redan care implică spălarea părții inferioare a unității de coadă cu un curent cu jet. Și carcasa motorului în sine necesită izolație termică specială și utilizarea unor materiale refractare speciale care pot rezista la temperaturi ridicate.

Răcire turbină cu gaz - complex sarcina tehnica. Nu este o glumă, ele funcționează în modul unei explozii aproape permanente care se produce în corp. Eficiența în unele moduri este mai mică decât cea a motoarelor cu carburator, cu toate acestea, atunci când se utilizează o schemă cu circuit dublu, acest dezavantaj este eliminat, deși designul devine mai complicat, ca în cazul includerii compresoarelor „booster” în schemă. Accelerarea turbinelor și atingerea modului de funcționare necesită ceva timp. Cu cât unitatea pornește și se oprește mai des, cu atât se uzează mai repede.

Aplicarea corectă

Ei bine, niciun sistem nu este lipsit de defecte. Este important să găsim o astfel de aplicație a fiecăruia dintre ele, în care avantajele sale să se manifeste mai clar. De exemplu, tancuri precum americanul Abrams, care este alimentat de o turbină cu gaz. Poate fi umplut cu orice arde, de la benzină cu octan mare până la whisky, și stinge multă putere. Acesta poate să nu fie un exemplu foarte bun, deoarece experiența din Irak și Afganistan a arătat vulnerabilitatea palelor compresorului la nisip. Reparația turbinelor cu gaz trebuie făcută în SUA, la uzina de producție. Luați rezervorul acolo, apoi înapoi și costul întreținerii în sine, plus accesorii...

Elicopterele, țările rusești, americane și din alte țări, precum și bărcile cu motor puternice, sunt mai puțin afectate de înfundare. În rachetele lichide, ele sunt indispensabile.

Modern nave de război iar navele civile au și motoare cu turbină cu gaz. Și, de asemenea, energie.

Centrale electrice trigeneratoare

Problemele cu care se confruntă producătorii de avioane nu sunt atât de îngrijorătoare pentru cei care produc echipament industrial pentru producerea energiei electrice. Greutatea în acest caz nu mai este atât de importantă și vă puteți concentra pe parametri precum eficiența și eficiența generală. Unitățile generatoare cu turbine cu gaz au un cadru masiv, un cadru de încredere și lame mai groase. Este foarte posibil să se utilizeze căldura generată, utilizând-o pentru o mare varietate de nevoi, de la reciclarea secundară în sistemul propriu-zis, până la încălzirea spațiilor casnice și alimentarea termică a unităților frigorifice de tip absorbție. Această abordare se numește trigenerator, iar eficiența în acest mod se apropie de 90%.

Centrale nucleare

Pentru o turbină cu gaz, nu are nicio diferență fundamentală care este sursa mediului încălzit care își dă energia palelor sale. Poate fi un amestec aer-combustibil ars, sau pur și simplu abur supraîncălzit (nu neapărat apă), principalul lucru este că îi asigură alimentarea neîntreruptă. În esență, centralele electrice ale tuturor centralelor nucleare, submarine, portavioane, spărgătoare de gheață și unele nave militare de suprafață (crucișătorul de rachete Peter the Great, de exemplu) se bazează pe o turbină cu gaz (GTU) rotită cu abur. Problemele de siguranță și de mediu dictează o buclă primară închisă. Aceasta înseamnă că agentul termic primar (în primele mostre acest rol a fost jucat de plumb, acum a fost înlocuit cu parafină) nu părăsește zona apropiată reactorului, curgând în jurul elementelor de combustibil într-un cerc. Încălzirea substanței de lucru se realizează în circuite ulterioare, iar dioxidul de carbon, heliul sau azotul evaporat rotește roata turbinei.

Aplicație largă

Instalațiile complexe și mari sunt aproape întotdeauna unice, producția lor se realizează în loturi mici sau în general se fac exemplare unice. Cel mai adesea, unitățile produse în cantități mari sunt folosite în sectoare pașnice ale economiei, de exemplu, pentru pomparea materiilor prime de hidrocarburi prin conducte. Acestea sunt produse de compania UEC sub marca Saturn. Turbinele cu gaz ale stațiilor de pompare sunt pe deplin în concordanță cu numele lor. Ei chiar pompează gaze naturale, folosind propria energie pentru munca lor.

O turbină cu gaz este denumită în mod obișnuit motor cu funcționare continuă. În continuare, vom vorbi despre cum este aranjată o turbină cu gaz, care este principiul de funcționare al unității. O caracteristică a unui astfel de motor este că în interiorul acestuia, energia este produsă de gaz comprimat sau încălzit, rezultatul căruia este lucrul mecanic asupra arborelui.

Istoria turbinei cu gaz

Interesant este că mecanismele cu turbine au fost dezvoltate de ingineri de foarte mult timp. Prima turbină cu abur primitivă a fost creată în secolul I î.Hr. e.! Desigur, este esențial
Acest mecanism a atins apogeul abia acum. Turbinele au început să fie dezvoltate activ la sfârșitul secolului al XIX-lea, concomitent cu dezvoltarea și îmbunătățirea termodinamicii, ingineriei mecanice și metalurgiei.

Principiile mecanismelor, materialelor, aliajelor s-au schimbat, totul a fost îmbunătățit, iar acum, astăzi, omenirea cunoaște cea mai perfectă dintre toate formele existente anterior de turbină cu gaz, care este împărțită în diferite tipuri. Există o turbină cu gaz de aviație și una industrială.

Se obișnuiește să se numească o turbină cu gaz un fel de motor termic, părțile sale de lucru sunt predeterminate cu o singură sarcină - să se rotească datorită acțiunii unui jet de gaz.

Este aranjat în așa fel încât parte principală Turbina este reprezentată de o roată pe care sunt atașate seturi de pale. , acționând asupra palelor unei turbine cu gaz, le face să se miște și să rotească roata. Roata, la rândul său, este fixată rigid de arbore. Acest tandem are un nume special - rotorul turbinei. Ca urmare a acestei mișcări care are loc în interiorul motorului unei turbine cu gaz, se obține energie mecanică, care este transmisă unui generator electric, elicei unei nave, elicei unei aeronave și altor mecanisme de funcționare cu un principiu similar de funcționare.

Turbine active și cu reacție

Impactul jetului de gaz asupra palelor turbinei poate fi dublu. Prin urmare, turbinele sunt împărțite în clase: clasa de turbine active și reactive. Turbinele cu gaz reactive și active diferă prin principiul dispozitivului.

Turbină cu impuls

O turbină activă se caracterizează prin faptul că există o rată mare de flux de gaz către palele rotorului. Cu ajutorul unei lame curbate, jetul de gaz se abate de la traiectoria sa. Ca urmare a devierii, se dezvoltă o forță centrifugă mare. Cu ajutorul acestei forțe, lamele sunt puse în mișcare. Pe parcursul întregului traseu descris al gazului, o parte din energia acestuia se pierde. O astfel de energie este direcționată către mișcarea rotorului și a arborelui.

turbină cu reacție

Într-o turbină cu reacție, lucrurile stau oarecum diferit. Aici, fluxul de gaz către paletele rotorului se realizează la viteză mică și sub influența unui nivel ridicat de presiune. Forma lamelor este, de asemenea, excelentă, datorită căreia viteza gazului crește semnificativ. Astfel, jetul de gaz creează un fel de forță reactivă.

Din mecanismul descris mai sus, rezultă că dispozitivul unei turbine cu gaz este destul de complicat. Pentru ca o astfel de unitate să funcționeze fără probleme și să aducă profit și beneficii proprietarului său, ar trebui să încredințați întreținerea ei unor profesioniști. Companiile de profil oferă servicii întreținerea serviciului instalatii care folosesc turbine cu gaz, livrari de componente, tot felul de piese si piese. DMEnergy este o astfel de companie () care oferă clientului său liniște și încredere că nu va rămâne singur cu problemele care apar în timpul funcționării unei turbine cu gaz.

Articolul descrie modul în care se calculează eficiența celei mai simple turbine cu gaz, sunt oferite tabele cu diferite turbine cu gaz și centrale cu ciclu combinat pentru a compara eficiența acestora și alte caracteristici.

În domeniul utilizării industriale a turbinelor cu gaz și a tehnologiilor cu abur-gaz, Rusia a rămas cu mult în urma țărilor avansate ale lumii.

Lideri mondiali în producția de centrale pe gaz de mare capacitate și cu ciclu combinat: GE, Siemens Wistinghouse, ABB - au atins valori de putere unitară a centralelor cu turbine cu gaz de 280-320 MW și o eficiență de peste 40%, cu un utilizarea suprastructurii cu abur-putere într-un ciclu combinat (numit și binar) - capacități de 430-480 MW cu eficiență de până la 60%. Dacă aveți întrebări despre fiabilitatea CCGT - atunci citiți articolul.

Aceste cifre impresionante servesc drept repere în determinarea căilor de dezvoltare pentru industria energetică din Rusia.

Cum se determină randamentul unei turbine cu gaz?

Iată câteva formule simple pentru a arăta care este eficiența unei instalații cu turbine cu gaz:

Puterea internă a turbinei:

• Nt = Gex * Lt, unde Lt este funcționarea turbinei, Gex este debitul gazelor de eșapament;

Putere internă GTU:

• Ni gtu \u003d Nt - Nk, unde Nk este puterea internă a compresorului de aer;

Putere efectivă GTU:

• Nef \u003d Ni gtu * Eficiență mech, eficiență mech - eficiența asociată cu pierderile mecanice în rulmenți, poate fi luată 0,99

Energie electrică:

• Nel \u003d Ne * De exemplu, eficiența, unde eficiența de exemplu este eficiența asociată cu pierderile în generatorul electric, putem lua 0,985

Căldura disponibilă a combustibilului:

• Qsp = Gtop * Qrn, unde Gref - consumul de combustibil, Qrn - cea mai mică putere calorică de lucru a combustibilului

Eficiența electrică absolută a unei instalații cu turbine cu gaz:

• Eficiență \u003d Nel / Q dist

Eficiența CCGT este mai mare decât eficiența GTUîntrucât instalația cu ciclu combinat folosește căldura gazelor de eșapament ale turbinei cu gaz. Un cazan de căldură reziduală este instalat în spatele turbinei cu gaz, în care căldura din gazele de evacuare ale turbinei cu gaz este transferată în fluidul de lucru (apa de alimentare), aburul generat este trimis la turbina cu abur pentru a genera energie electrică și căldură.

Citeste si: Cum să alegi o centrală cu turbină cu gaz pentru o centrală CCGT

Eficiența CCGT este de obicei reprezentată de raportul:

• Eficiență PGU \u003d Eficiență GTU * B + (eficiență 1-GTU * B) * Eficiență PSU

B este gradul de binaritate al ciclului

Eficiență PSU - Eficiența unei centrale electrice cu abur

• B = Qks/(Qks+Qku)

Qks este căldura combustibilului ars în camera de ardere a unei turbine cu gaz

Qku - căldura combustibilului suplimentar ars în cazanul de căldură reziduală

În același timp, se observă că dacă Qku = 0, atunci B = 1, adică instalarea este complet binară.

Influența gradului de binaritate asupra eficienței CCGT

B	Eficiența GTU	Eficiența PSU	Eficiența CCGT
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

Să prezentăm secvențial tabele cu caracteristicile eficienței turbinelor cu gaz și după acestea indicatorii CCGT cu aceste motoare cu gaz și să comparăm eficiența unei turbine cu gaz individuale și eficiența CCGT.

Caracteristicile turbinelor moderne cu gaz puternice

Turbine cu gaz ABB

Caracteristică	Model GTU
	GT26GTU cu reîncălzire	GT24GTU cu reîncălzire
Putere ISO MW	265	183
eficienta %	38,5	38,3
	30	30
	562	391
	1260	1260
	610	610
	50	50

Centrale cu ciclu combinat cu turbine cu gaz ABB

Turbine cu gaz GE

Caracteristică	Model GTU
	MS7001FA	MS9001FA	MS7001G	MS9001G
Putere ISO MW	159	226,5	240	282
eficienta %	35,9	35,7	39,5	39,5
Raportul presiunii compresorului	14,7	14,7	23,2	23,2
Consumul fluidului de lucru la evacuarea GTU kg/s	418	602	558	685
Temperatura inițială, în fața lamelor de lucru 1 lingură. Cu	1288	1288	1427	1427
Temperatura fluidului de lucru la evacuare C	589	589	572	583
Viteza generatorului 1/s	60	50	60	50

Citeste si: De ce să construim centrale termice cu ciclu combinat? Care sunt avantajele plantelor cu ciclu combinat.

Centrale cu ciclu combinat cu turbine cu gaz GE

Caracteristică	Model GTU
	MS7001FA	MS9001FA	MS7001G	MS9001G
Compoziția părții turbinei cu gaz a CCGT	1хMS7001FA	1хMS9001FA	1хMS9001G	1xMS9001H
Model CCGT	S107FA	S109FA	S109G	S109H
Putere CCGT MW	259.7	376.2	420.0	480.0
Eficiența CCGT %	55.9	56.3	58.0	60.0

Turbine cu gaz Siemens

Caracteristică	Model GTU
	V64.3A	V84.3A	V94.3A
Putere ISO MW	70	170	240
eficienta %	36,8	38	38
Raportul presiunii compresorului	16,6	16,6	16,6
Consumul fluidului de lucru la evacuarea GTU kg/s	194	454	640
Temperatura inițială, în fața lamelor de lucru 1 lingură. Cu	1325	1325	1325
Temperatura fluidului de lucru la evacuare C	565	562	562
Viteza generatorului 1/s	50/60	60	50

Centrale cu ciclu combinat cu turbine cu gaz Siemens

Turbine cu gaz Westinghouse-Mitsubishi-Fiat

Caracteristică	Model GTU
	501F	501G	701F	701G1	701G2
Putere ISO MW	167	235,2	251,1	271	308
eficienta %	36,1	39	37	38,7	39
Raportul presiunii compresorului	14	19,2	16,2	19	21
Consumul fluidului de lucru la evacuarea GTU kg/s	449,4	553,4	658,9	645	741
Temperatura inițială, în fața lamelor de lucru 1 lingură. Cu	1260	1427	1260	1427	1427
Temperatura fluidului de lucru la evacuare C	596	590	569	588	574
Viteza generatorului 1/s	60	60	50	50	50