Газотурбинная установка

Газотурбинная установка

 

 

Газотурбинная установка - это агрегат, состоящий из газотурбинного двигателя, редуктора, генератора и вспомогательных систем. Поток газа, образованный в результате сгорания топлива, воздействуя на лопатки турбины, создает крутящий момент и вращает ротор, который в свою очередь соединен с генератором. Генератор вырабатывает электроэнергию.

В основу устройства газотурбинного агрегата положен принцип модульности: ГТУ состоят из отдельных блоков, включая блок автоматики. Модульная конструкция позволяет в кратчайшие сроки производить сервисное обслуживание и ремонт, наращивать мощность, а также экономить средства за счет того, что все работы могут производиться быстро на месте эксплуатации.

Устройство газотурбинной установки

 

 

 

Газотурбинная установка состоит из трех основных элементов: газовой турбины, камер  сгорания и воздушного компрессора.

 

На рис. 1-а показана газотурбинная установка, компрессор 1, камеры сгорания 2 и газовая турбина 3 которой расположены в едином сборном корпусе. Роторы 6 и 5 компрессора и турбины жестко соединены друг с другом и опираются на три подшипника. Четырнадцать камер сгорания располагаются вокруг компрессора каждая в своем корпусе. Воздух поступает в компрессор через входной патрубок и уходит из газовой турбины через выхлопной патрубок. Корпус газотурбинной установки опирается на четыре опоры 4 и 8, которые расположены на единой раме 7.

Тепловая схема такой газотурбинной установки показана на рис. 1-б. В камеры сгорания топливным насосом подаются топливо и сжатый воздух после компрессора. Топливо перемешивается с воздухом, который служит окислителем, поджигается и сгорает. Чистые продукты сгорания также смешиваются с воздухом, чтобы температура газа, получившегося после смешения, не превышала заданного значения. Из камер сгорания газ поступает в газовую турбину, которая предназначена для преобразования его потенциальной энергии в механическую работу. Совершая работу, газ остывает и давление его уменьшается до атмосферного. Из газовой турбины газ выбрасывается в окружающую среду.

Из  атмосферы в компрессор поступает  чистый воздух. В компрессоре его  давление увеличивается и температура  растет. На привод компрессора приходится отбирать значительную часть мощности турбины.

Газотурбинные установки, работающие по такой схеме, называют установками открытого  цикла. Большинство современных ГТУ работает по этой схеме.

 

Кроме того, применяются замкнутые ГТУ (рис. 2). В замкнутых ГТУ также имеются компрессор 1 и турбина 2. Вместо камеры сгорания используется источник теплоты 4, в котором теплота передается рабочему телу без перемешивания с топливом. В качестве рабочего тела может применяться воздух, углекислый газ, пары ртути или другие газы.

Рис. 2. Схема замкнутой ГТУ: 
1 - компрессор, 2 - турбина, 3 - электрический генератор, 
4 - источник теплоты, 5 - регенератор, 6 - охладитель

 

 

Рабочее тело, давление которого повышено в компрессоре, в источнике теплоты 4 нагревается и поступает в турбину 2, в которой отдает свою энергию. После турбины газ поступает в промежуточный теплообменник 5 (регенератор), в котором он подогревает воздух, а затем охлаждается в охладителе 6, поступает в компрессор 1, и цикл повторяется. В качестве источника теплоты могут использоваться специальные котлы для нагрева рабочего тела энергией сжигаемого топлива или атомные реакторы.

 



Принцип действия ГТУ был известен уже в XVIII в., а первый газотурбинный двигатель был построен в России инженером П.Д.Кузьминским в 1897—1900 гг. и тогда же прошел предварительные испытания. Полезная мощность от ГТУ была впервые получена в 1906 г. на установке французских инженеров Арменго и Лемаля.

Принцип действия газотурбинных установок

 

Рис.1. Схема ГТУ  с одновальным ГТД простого цикла

 

В компрессор (1) газотурбинного силового агрегата подается чистый воздух. Под высоким давлением воздух из компрессора направляется в камеру сгорания (2), куда подается и основное топливо — газ. Смесь воспламеняется. При сгорании газовоздушной смеси образуется энергия в виде потока раскаленных газов. Этот поток с высокой скоростью устремляется на рабочее колесо турбины (3) и вращает его. Вращательная кинетическая энергия через вал турбины приводит в действие компрессор и электрический генератор (4). С клемм электрогенератора произведенное электричество, обычно через трансформатор, направляется в электросеть, к потребителям энергии.

Газовые турбины описываются  термодинамическим циклом Брайтона Цикл Брайтона/Джоуля — термодинамический  цикл, описывающий рабочие процессы газотурбинного, турбореактивного и  прямоточного воздушно-реактивного  двигателей внутреннего сгорания, а  также газотурбинных двигателей внешнего сгорания с замкнутым контуром газообразного (однофазного) рабочего тела.

Цикл назван в честь  американского инженера Джорджа  Брайтона, который изобрёл поршневой  двигатель внутреннего сгорания, работавший по этому циклу.

Иногда этот цикл называют также циклом Джоуля — в честь  английского физика Джеймса Джоуля, установившего механический эквивалент тепла.

 

Рис.2. P,V диаграмма  цикла Брайтона

 

Идеальный цикл Брайтона состоит  из процессов:

• 1—2 Изоэнтропическое сжатие.
• 2—3 Изобарический подвод теплоты.
• 3—4 Изоэнтропическое расширение.
• 4—1 Изобарический отвод теплоты.

С учётом отличий реальных адиабатических процессов расширения и сжатия от изоэнтропических, строится реальный цикл Брайтона (1—2p—3—4p—1 на T-S диаграмме)(рис.3)

 

Рис.3. T-S диаграмма  цикла Брайтона 
Идеального (1—2—3—4—1) 
Реального (1—2p—3—4p—1)

 

Термический КПД идеального цикла Брайтона принято выражать формулой:

• где П = p2 / p1 — степень повышения давления в процессе изоэнтропийного сжатия (1—2);
• k — показатель адиабаты (для воздуха равный 1,4)

Следует особо отметить, что этот общепринятый способ вычисления КПД цикла затемняет суть происходящего  процесса. Предельный КПД термодинамического цикла вычисляется через отношение  температур по формуле Карно:

• где T1 - температура холодильника;
• T2 - температура нагревателя.

Ровно это же отношение  температур можно выразить через  величину применяемых в цикле  отношений давлений и показатель адиабаты:

Таким образом КПД цикла Брайтона, зависит от начальной и конечной температур цикла ровно так же, как и КПД цикла Карно. При бесконечно малой величине нагрева рабочего тела по линии (2-3) процесс можно считать изотермическим и полностью эквивалентным циклу Карно. Величина нагрева рабочего тела T3 при изобарическом процессе определяет величину работы отнесённую к количеству использованного в цикле рабочего тела, но ни каким образом не влияет на термический КПД цикла. Однако при практической реализации цикла нагрев обычно производится до возможно больших величин ограниченных жаростойкостью применяемых материалов с целью минимизировать размеры механизмов осуществляющих сжатие и расширение рабочего тела.

На практике, трение и  турбулентность вызывают:

• Неадиабатическое сжатие: для данного общего коэффициента давления температура нагнетания компрессора выше идеальной.
• Неадиабатическое расширение: хотя температура турбины падает до уровня, необходимого для работы, на компрессор это не влияет, коэффициент давления выше, в результате, расширения не достаточно для обеспечения полезной работы.
• Потери давления в воздухозаборнике, камере сгорания и на выходе: в результате, расширения не достаточно для обеспечения полезной работы.

Как и во всех циклических  тепловых двигателях, чем выше температура  сгорания, тем выше КПД. Сдерживающим фактором является способность стали, никеля, керамики или других материалов, из которых состоит двигатель, выдерживать  температуру и давление. Значительная часть инженерных разработок направлена на то, чтобы отводить тепло от частей турбины. Большинство турбин также  пытаются рекуперировать тепло выхлопных  газов, которые, в противном случае, теряется впустую.

Рекуператоры — это  теплообменники, которые передают тепло  выхлопных газов сжатому воздуху  перед сгоранием. При комбинированном  цикле тепло передается системам паровых турбин. И при комбинированном  производстве тепла и электроэнергии (когенерация) отработанное тепло используется для производства горячей воды.

Механически газовые турбины  могут быть значительно проще, чем  поршневые двигатели внутреннего  сгорания. Простые турбины могут  иметь одну движущуюся часть: вал/компрессор/турбина/альтернативный ротор в сборе (см. изображение  ниже), не учитывая топливную систему.

 

Рис.4. Эта машина имеет одноступенчатый радиальный компрессор, 
турбину, рекуператор, и воздушные подшипники.

 

Более сложные турбины (те, которые используются в современных  реактивных двигателях), могут иметь  несколько валов (катушек), сотни  турбинных лопаток, движущихся статорных  лезвий, а также обширную систему  сложных трубопроводов, камер сгорания и теплообменников.

Как правило, чем меньше двигатель, тем выше должна быть частота вращения вала(ов), необходимая для поддержания максимальной линейной скорости лопаток.

Максимальная скорость турбинных  лопаток определяет максимальное давление, которое может быть достигнуто, что  приводит к получению максимальной мощности, независимо от размера двигателя. Реактивный двигатель вращается  с частотой около 10000 об/мин и микро-турбина — с частотой около 100000 об/мин.

 

На первых этапах развития газотурбинных установок (ГТУ) в  них для сжигания топлива применяли  два типа камер сгорания. В камеру сгорания первого типа топливо и окислитель (воздух) подавались непрерывно, их горение также поддерживалось непрерывно, а давление не изменялось. В камеру сгорания, второго типа топливо и окислитель (воздух) подавались порциями. Смесь поджигалась и сгорала в замкнутом объеме, а затем продукты сгорания поступали в турбину. В такой камере сгорания температура и давление не постоянны: они резко увеличиваются в момент сгорания топлива.

Со временем выявились  несомненные преимущества камер  сгорания первого типа. Поэтому в современных ГТУ топливо в большинстве случаев сжигают при постоянном давлении в камере сгорания.

Первые ГТУ имели низкий кпд, так как газовые турбины и компрессоры были несовершенны. По мере совершенствования этих агрегатов увеличивался кпд газотурбинных установок и они становились конкурентоспособными по отношению к другим видам тепловых двигателей.

В настоящее время газотурбинные  установки являются основным видом  двигателей, используемых в авиации, что обусловлено простотой их конструкции, способностью быстро набирать нагрузку, большой мощностью при  малой массе, возможностью полной автоматизации  управления. Самолет с газотурбинным  двигателем впервые совершил полет  в 1941 г.

В энергетике газотурбинные  установки (ГТУ) работают в основном в то время, когда резко увеличивается  потребление электроэнергии, т. е. во время пиков нагрузки. Хотя КПД  ГТУ ниже КПД паротурбинных установок (при мощности 20—100 МВт КПД ГТУ  достигает 20—30%), использование их в  пиковом режиме оказывается выгодным, так как пуск занимает гораздо  меньше времени.

В некоторых пиковых ГТУ  в качестве источников газа для турбины, вращающей электрический генератор, применяют авиационные турбореактивные  двигатели, отслужившие свой срок в  авиации. Значительной экономии следует  ожидать от парогазовых установок (ПГУ), в которых совместно работают паротурбинные и газотурбинные  установки. Они позволяют на несколько  процентов сократить расход топлива по сравнению с лучшими паротурбинными установками.

Наряду с паротурбинными установками и двигателями внутреннего  сгорания ГТУ применяют в качестве основных двигателей на передвижных  электростанциях.

В технологических процессах  нефтеперегонных и химических производств  горючие отходы используются в качестве топлива для газовых турбин.

Газотурбинные установки  находят также широкое применение на железнодорожном, морском, речном и  автомобильном транспорте. Так, на быстроходных судах на подводных крыльях и воздушной подушке ГТУ являются двигателями. На большегрузных автомобилях они могут использоваться в качестве как основного, так и вспомогательного двигателя, предназначенного для подачи воздуха в 'основной двигатель внутреннего сгорания и работающего на его выхлопных газах.

Кроме того, ГТУ служат приводом нагнетателей природного газа на магистральных  газопроводах, резервных электрогенераторов пожарных насосов.

Основное направление, по которому развивается газотурбиностроение - это повышение экономичности ГТУ за счет увеличения температуры и давления газа перед газовой турбиной. С этой целью разрабатываются сложные системы охлаждения наиболее напряженных деталей турбин или применяются новые, высокопрочные материалы - жаропрочные на основе никеля, керамика и др.

Газотурбинные установки  обычно надежны и просты в эксплуатации при условии строгого соблюдения установленных правил и режимов  работы, отступление от которых может  вызвать разрушение турбин, поломку  компрессоров, взрывы в камерах сгорания и др.

 

Применение газотурбинных  энергоустановок

Газотурбинные энергоустановки  применяются в качестве постоянных, резервных или аварийных источников тепло- и электроснабжения в городах, а также отдаленных, труднодоступных  районах. Основные потребители продуктов  работы ГТУ следующие: