Принцип работы ГТУ

В ГТУ в основном используются разные вида газа:

• многоступенчатый компрессор с валом;
• камера сгорания;
• рабочее колесо турбины;
• редуктор, с валом к электрическому генератору;
• выхлопная система;
• система утилизации тепловой энергии;
• электронный блок управления газовой турбины и распредустройство

1. Топливо, вместе со сжатым компрессором атмосферным воздухом, (под большим давлением) поступают в камеру сгорания.
2. Происходит смешение потоков на высокой скорости, что приводит к воспламенению газовоздушной смеси.
3. Энергия выделяется, при сгорании образовавшейся смеси.
4. Энергия струй раскаленного газа, вращая турбинные лопатки колеса, преобразовывается в механическую работу.

• нефтеперерабатывающая;
• ЖКХ;
• газодобывающая;
• металлургическая;
• утилизации отходов и пр.

Газотурбинная электростанция (сокращённо ГТЭС) — установка, генерирующая электричество и тепловую энергию. Основу ГТЭС составляют одна или несколько газотурбинных установок — силовых агрегатов, механически связанных с электрогенератором и объединенных системой управления в единый энергетический комплекс.

Принцип работы ГТЭС

Газотурбинная электростанция работает следующим образом: топливо (газ или дизельное горючее) подается в камеру сгорания, туда же компрессором нагнетается сжатый воздух. Газ, смешанный с воздухом, образует топливную смесь, которая под давлением нагнетается в компрессор и воспламеняется.

Из сопла вырывается под высоким давлением струя раскалённого газа, попадает на установленные в несколько рядов лопатки турбины и начинает её вращать. Вал турбины передает крутящий момент на ротор генератора, ответственного за выработку электроэнергии, которая, проходя через трансформатор, передается потребителю энергии.

Отработанные газы уходят через выхлопную трубу в атмосферу или, если предусмотрена их утилизация, поступают в теплообменник или котел утилизатор и используются для обогрева помещений.

Упрощенная принципиальная схема энергоблока газотурбинной электростанции представлена на рисунке:

Принципиальная технологическая схема электростанции с газовыми турбинами:
КС — камера сгорания; КП — компрессор; ГТ — газовая турбина; С — генератор;
Т — трансформатор; М — пусковой двигатель.

В последнее время благодаря СМИ у читателя на слуху такие понятия как газотурбинная установка ГТУ или парогазовая установка ПГУ (недавно мы публиковали познавтельную статью «Принцип работы ПГУ«.

Опубликовано: admin-zeleniy 2 июля 2013

Просмотров: 52 148

В последнее время благодаря СМИ у читателя на слуху такие понятия как газотурбинная установка ГТУ или парогазовая установка ПГУ (недавно мы публиковали познавтельную статью «Принцип работы ПГУ«.

То и дело в новостях говорят, что, к примеру, на такой то ГРЭС полным ходом идет строительство ПГУ -400 МВт, а на другой ТЭЦ-2 включена в работу установка ГТУ-столько то МВт. О таких событиях пишут, их освещают, поскольку включение таких мощных и эффективных агрегатов — это не только «галочка» в выполнении государственной программы, но и реальное повышение эффективности работы электростанций, областной энергосистемы и даже объединенной энергосистемы.

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.1. Схема ГТУ с одновальным ГТД простого цикла

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:

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.

• газовая турбина (ГТ) MS5002E (по лицензии GE);
• турбогенератор (ТГ) для ГТ;
• редуктор для передачи мощности к ТГ ГТ;
• комплексное воздухоочистительное устройство (КВОУ);
• котел-утилизатор (КУП или КУВ – при необходимости);
• дожимной компрессор топливного газа (при необходимости);
• система воздуховодов, газоходов;
• система автоматического управления (АСУ ТП);
• электрооборудование.

• ( 1 / count($arResult[«PROPERTY»][«PHOTO»]) )
• ( 2 / count($arResult[«PROPERTY»][«PHOTO»]) )
• ( 3 / count($arResult[«PROPERTY»][«PHOTO»]) )

Описание

Газотурбинная энергетическая установка ГТЭС-32 простого цикла на базе газотурбинного двигателя MS5002E, который производится «РЭП Холдингом» по лицензии компании GE Oil&Gas Nuovo Pignone, Италия. Основное оборудование установки максимально унифицировано и комплектуется из модульных блоков.

Состав ГТЭС-32:

• газовая турбина (ГТ) MS5002E (по лицензии GE);
• турбогенератор (ТГ) для ГТ;
• редуктор для передачи мощности к ТГ ГТ;
• комплексное воздухоочистительное устройство (КВОУ);
• котел-утилизатор (КУП или КУВ – при необходимости);
• дожимной компрессор топливного газа (при необходимости);
• система воздуховодов, газоходов;
• система автоматического управления (АСУ ТП);
• электрооборудование.

Размещение элементов энергоблока (в едином здании)

1 — ГТУ (газотурбинная энергетическая установка)
2 — Генератор с системой воздушного охлаждения
3 — АВОМ (агрегат воздушного охлаждения масла)
4 — Выхлопная труба
5 — Воздуховоды циклового воздуха и системы воздушного охлаждения
6 — КВОУ
(комплексное воздухоочистительное устройство)
7 — КУП (котел-утилизатор паровой)

Преимущества ГТЭ-32:

23 августа 2017

Конструкция газовой турбины

Газовая турбина состоит из компрессора, воздухопровода, камеры сгорания, форсунки, проточной части, неподвижных и рабочих лопаток, патрубка для отработанных газов, редуктора, гребного винта и пускового двигателя.

За запуск турбины отвечает пусковой двигатель. Он приводит в движение компрессор, который раскручивается до нужной частоты вращения. Затем:

Таким образом, газ в смеси с воздухом, сгорая, образует рабочую среду, которая, расширяясь, ускоряется и раскручивает лопатки, а за ними — и гребной винт. В последующем кинетическая энергия превращается в электричество или используется для передвижения морского судна.

Сэкономить на топливе можно, используя принцип регенерации тепла. В этом случае воздух, поступающий в турбину, согревается за счет отработанных газов. В результате установка расходует меньше топлива и происходит больше кинетической энергии. Регенератор, где подогревается воздух, одновременно служит для охлаждения отработанных газов.

Особенности ГТУ закрытого типа

Однако закрытые турбины имеют слишком большие габариты. Газы, которые не выходят наружу, должны быть достаточно эффективно охлаждены. Это возможно только в больших теплообменниках. Поэтому установки используют на крупных судах, где достаточно места.

Закрытые ГТУ могут иметь и ядерный реактор. В качестве теплоносителя в них используют углекислый газ, гелий или азот. Газ нагревают в реакторе и направляют в турбину.

Газотурбинные установки тепловых электростанций имеются практически в каждом населенном пункте России. Аргументом в пользу их активной эксплуатации выступает универсальность, высокая климатическая адаптивность, а также вариативность использования с различными видами топлива и режимами работы.

Блочно-модульная конструкция ГТУ

В промышленных условиях получили широкое распространение газотурбинные системы, выполненные в виде блочно-модульного сооружения (также называемые кластерными). Они представлены набором из готовых к эксплуатации энергоблоков, объединенных общей системой управления. Модули являются унифицированными (единые размеры и параметры) и могут без последствий заменяться (в случае поломки) на аналоги или добавляться (при необходимости увеличения электрической мощности системы).

Благодаря блочно-модульным газотурбинным станциям стала возможной оперативная сборка и починка оборудования, обеспечение предприятиям бесперебойной работы даже в ситуациях, близких к аварийным.

Использование тепла посредством теплообменника или котла-утилизатора обеспечивает увеличение общего КПД установки.

Газотурбинная установка (ГТУ) — энергетическая установка

Газотурбинная установка (ГТУ) — энергетическая установка: конструктивно объединённая совокупность газовой турбины, электрического генератора, газовоздушного тракта, системы управления и вспомогательных устройств (пусковое устройство, компрессор, теплообменный аппарат или котёл-утилизатор для подогрева сетевой воды для промышленного снабжения).

Выходящие из турбины отработанные газы в зависимости от потребностей заказчика используются для производства горячей воды или пара.

Газотурбинная установка состоит из 2-х основных частей: силовая турбина и генератор.

Они размещаются в одном корпусе.

Поток газа высокой температуры воздействует на лопатки силовой турбины (создает крутящий момент).

Использование тепла посредством теплообменника или котла-утилизатора обеспечивает увеличение общего КПД установки.

Электрическая мощность газотурбинных энергоустановок колеблется от десятков кВт до десятков МВт.

Оптимальным режимом работы газотурбинной установки является комбинированная выработка тепловой и электрической энергии.

Наибольший КПД достигается при работе в режиме когенерации (одновременная выработка тепловой и электрической энергии) или тригенерации (одновременная выработка тепловой, электрической энергии и энергии холода).

Электрический КПД современных газотурбинных установок составляет 33-39%.

С учетом высокой температуры выхлопных газов в мощных ГТУ комбинированное использование газовых и паровых турбин позволяет повысить эффективность использования топлива и увеличивает электрический КПД установок до 57-59%.

ГТУ в энергетике работают как в базовом режиме, так и для покрытия пиковых нагрузок.

В настоящее время газотурбинные установки начали широко применяться в малой энергетике.

ГТУ предназначены для эксплуатации в любых климатических условиях как основной или резервный источник электроэнергии и тепла для объектов производственного или бытового назначения.

Области применения газотурбинных установок практически не ограничены: нефтегазодобывающая промышленность, промышленные предприятия, муниципальные образования.

Блочно-модульное исполнение ГТУ обеспечивает высокий уровень заводской готовности газотурбинных электростанций.

Степень автоматизации газотурбинной электростанции позволяет отказаться от постоянного присутствия обслуживающего персонала в блоке управления.

Контроль работы станции может осуществляться с главного щита управления, дистанционно.

Возможность получения недорогой тепловой и электрической энергии предполагает быструю окупаемость поставленной газотурбинной установки.

Газотурбинная установка может работать как на газообразном, так и на жидком топливе.

Так, в газотурбинных установках может использоваться:

Для работы предполагалось использовать продукты перегонки угля, дерева или нефти.

Идея использования энергии горячих дымовых газов для совершения механической работы известна человечеству очень давно.

Идея использования энергии горячих дымовых газов для совершения механической работы известна человечеству очень давно.

По имеющимся данным она была высказана и реализована еще Героном Александрийским, которым был построен прибор, где для целей вращения использовалась энергия восходящего горячего газового потока.

Позднее, в 15 веке, Леонардо да Винчи была высказана идея «дымового вертела» для обжарки туш животных.

Принцип действия «дымового вертела» совершенно подобен принципу действия ветряной мельницы.

«Дымовой вертел» размещался в дымоходе, и вращение его создавалось дымовыми газами, проходившими через колесо с насаженными на него лопастями.

Подобное устройство было осуществлено в средние века.

1 й патент на проект газотурбинной установки (ГТУ) был выдан в 1791 г в Англии Д.Барберу.

В патенте Барбера, хотя и в примитивной форме, были представлены все основные элементы современных ГТУ: имелись воздушный и газовый компрессоры, камера горения и активное турбинное колесо.

Для работы предполагалось использовать продукты перегонки угля, дерева или нефти.

Для понижения температуры рабочих газов предполагалось впрыскивание воды в камеру горения.

В 19 веке продолжались попытки многочисленных ученых и изобретателей различных стран создать ГТУ, пригодную для практического использования.

Однако эти попытки были обречены на неудачу вследствие низкого уровня науки и техники.

Металлы, которые могли бы длительное время противостоять температурам порядка 500 о С и выше еще не были получены.

Свойства, газов и паров были изучены недостаточно.

Состояние газодинамики не могло обеспечить создания хороших проточных частей турбины и компрессора.

В России также предпринимались попытки создать ГТУ, в частности, инженер-механиком русского военно-морского флота П. Кузьминским.

Он разработал, а затем и осуществил небольшую газопаровую турбинную установку, состоявшую из камеры сгорания, в которую кроме воздуха и топлива, подавался водяной пар, получавшийся в змеевике, окружавшем камеру.

Газопаровая смесь затем поступала в многоступенчатую турбину радиального типа.

Горение топлива (керосина) происходило при постоянном давлении порядка 10 кгс/см 2 .

При испытаниях, несмотря на принятые меры, камера горения быстро прогорала и выходила из строя.

Создать длительно действующую установку не удалось.

В 1900 — 1904 гг в Германии инженером Штольце была построена и испытана ГТУ, в которой понижение температуры рабочих газов перед поступлением их в турбину осуществлялось за счет большого избытка воздуха, подававшегося компрессором в камеру горения.

Испытания установки не дали положительных результатов.

Вся мощность, развивавшаяся газовой турбиной, расходовалась только на привод компрессора.

Полезная мощность установки была равна 0.

В 1905 — 1906 гг французскими инженерами Арманго и Лемалем были построены 2 ГТУ, работавшие на керосине.

Снижение температуры газов перед турбинами примерно до 560 °С достигалось впрыскиванием воды.

Мощность газовой турбины 1 й ГТУ равнялась 25 л.с., 2 й — 400 л.с.

От 2 й установки впервые была получена полезная мощность.

КПД установки был чрезвычайно низок и не превышал 3 — 4 %, хотя КПД собственно турбины достигал уже 70 — 75 %.

Над созданием ГТУ работал также немецкий ученый доктор Хольцварт, который провел обширные экспериментальные работы, основанные на глубоких теоретических исследованиях.

Начиная с 1908 г по проектам Хольцварта было построено несколько ГТУ. Наибольший КПД, который был получен в опытах с турбинами Хольцварта за период до 1927 г составил 14 %.

Те немногие, фактически работавшие ГТУ, которые были построены за рассмотренный период времени, либо обладали низким КПД, либо были конструктивно очень сложны и мало надежны в эксплуатации, что, естественно, являлось препятствием для их практического использования.

Реальное применение газовых турбин началось в 1950 х гг.

Первые практически эксплуатировавшиеся газовые турбины выполнялись утилизационными.

Они работали на газах, отходивших от двигателей внутреннего сгорания, и приводили в действие воздуходувку, осуществлявшую наддув того же двигателя (увеличение воздушной зарядки цилиндров).

Подобная система впервые была применена в авиации и позволила уменьшить падение мощности мотора с увеличением высоты полета.

1 я газотурбинная электростанция (ГТЭС) с турбоагрегатом мощностью 5000 кВт была введена в эксплуатацию в 1939 г в Швейцарии.

ГТЭС была выполнена по простейшей схеме и работала при температуре газа перед турбиной порядка 560 °С.

Позднее, в 1950 х гг, в Швейцарии же была построена и эксплуатировалась ГТЭС в местечке Бецнау с турбоагрегатами мощностью в 12 и 25 МВт при начальной температуре газа 650 °С.

Тепловая схема установок была усложнена, что обеспечило более высокий КПД.

С 1950 х гг начинается быстрое развитие газотурбостроения во всех странах, имевших развитую турбостроительную промышленность.

В стационарном применении ГТУ наметились 2 основные направления: использование на магистральных газопроводах (МГП) и для выработки электроэнергии на электростанциях.

На МГП газотурбинные агрегаты применяются для привода компрессоров, перекачивающих газ.

На отечественных заводах (НЗЛ, УТЗ, ЛМЗ) был освоен выпуск подобных турбонагнетателей первоначально мощностью 4 МВт, затем 5, 6, 10, 16, 25 МВт и более мощных.

Суммарная мощность ГТУ, выпущенных для этих целей только заводами Советского Союза и России, превышает многие миллионы кВт.

ГТУ на электростанциях, как основной тип двигателя для привода электрогенераторов, используются главным образом в тех районах, где имеется природный газ, а так же, учитывая их возможности к быстрому пуску, для покрытия пиковых нагрузок, возникающих в энергосистемах в относительно кратковременные периоды наибольшего потребления энергии.

На ЛМЗ, в частности, освоен выпуск турбоагрегатов мощностью 100 МВт.

Предпринимались попытки применения газотурбинных агрегатов в новых технологических процессах — с использованием в качестве топлива для ГТУ продуктов подземной газификации угля.

С этой целью на ЛМЗ были изготовлены 2 турбоагрегата мощностью по 12 МВт, смонтированы на Шацкой электростанции (Рязанская область) и запущены в эксплуатацию.

Однако работы, проводившиеся в течение ряда лет, показали, что путь использования в газотурбинных агрегатах низкокалорийных продуктов подземной газификации в энергетике неперспективен с экономической точки зрения.

Паротурбинные установки с обычной схемой использования топлива экономичнее и надежнее.

Поэтому в 1961 г работы по освоению сжигания продуктов перегонки твердого топлива в газотурбинных агрегатах были прекращены, а Шацкая электростанция остановлена.

Еще одно из направлений по применению ГТУ для выработки электроэнергии — использование авиационных газотурбинных агрегатов.

Эти агрегаты имеют высокое техническое совершенство, компактны, надежны, не требуют охлаждающей воды, быстро запускаются в работу (1-3 мин) и при минимальных работах по реконструкции могут быть использованы для привода электрогенераторов как для передвижных автоматизированных энергоустановок небольшой мощности (1000 — 3000 кВт), так и для более мощных, в том числе пиковых.

Мобильные установки монтируются на трейлерах и могут быть доставлены практически в любой район для обслуживания строительных объектов и снятия пиковых нагрузок.

Стандартные обозначения ГТУ, принятые в отечественной практике (как пример): ГТ-35-770-2, ГТ-50-800, ГТ-100-750-1, ГТ-45-950. Здесь первые цифры — мощность в МВт, вторые — температура газа перед турбиной, гр.С и третья — номер модели.

В газотурбостроении промышленно развитых стран, так же, как и в паротурбостроении, практически существует единый мировой уровень по тенденциям развития, мощностям турбоагрегатов и их параметрам.

Эта газовая турбина выдает мощность как крутящий момент, причем у турбины и компрессора общий вал. Часть полезной мощности турбины идет на вращение вала компрессора, а остальная энергия передается на рабочий вал.
Этот тип используют, когда нужна постоянная скорость вращения, например — как привод генератора.

• Главная

• Транспортные средства
• Энергетика
• Промышленное оборудование
• Досуг

Powering your potential. Компания Kawasaki стремится предоставлять клиентам уникальные бизнес-решения с использованием наших инновационных технологий для удовлетворения разнообразных общественных потребностей во всем мире. Kawasaki «работает как единое целое на благо планеты».

• Карта сайта
• Политика конфиденциальности
• Политика сайта
• Политика ведения социальных СМИ

Copyright © 2018 Kawasaki Heavy Industries, Ltd. Все права защищены.