Energie gasturbine installaties. Cycli van gasturbine-installaties

2024 Auteur: Howard Calhoun | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2023-12-17 10:36

Gasturbine-eenheden (GTP) zijn een enkel, relatief compact energiecomplex, waarin een krachtturbine en een generator in paren werken. Het systeem is wijdverbreid in de zogenaamde kleinschalige energie-industrie. Geweldig voor stroom- en warmtevoorziening van grote ondernemingen, afgelegen nederzettingen en andere consumenten. Gasturbines werken in de regel op vloeibare brandstof of gas.

Op de rand van vooruitgang

Bij het vergroten van de energiecapaciteit van elektriciteitscentrales, wordt de hoofdrol overgedragen aan gasturbine-eenheden en hun verdere evolutie - gecombineerde cycluscentrales (STEG). Zo is bij Amerikaanse elektriciteitscentrales sinds het begin van de jaren negentig al meer dan 60% van de in gebruik genomen en gemoderniseerde capaciteiten gasturbines en gecombineerde-cycluscentrales geweest, en in sommige landen bereikte hun aandeel in sommige jaren 90%.

Eenvoudige gasturbines worden ook in grote aantallen gebouwd. De gasturbine-installatie - mobiel, zuinig in gebruik en eenvoudig te repareren - bleek de optimale oplossing om piekbelastingen op te vangen. Bij de eeuwwisseling (1999-2000) bedroeg de totale capaciteitgasturbine-eenheden bereikten 120.000 MW. Ter vergelijking: in de jaren tachtig bedroeg het totale vermogen van dergelijke systemen 8.000-10.000 MW. Een aanzienlijk deel van de gasturbines (meer dan 60%) was bedoeld om te werken als onderdeel van grote binaire gecombineerde cyclusinstallaties met een gemiddeld vermogen van ongeveer 350 MW.

Historische achtergrond

Theoretische grondslagen voor het gebruik van gecombineerde cyclustechnologieën werden begin jaren 60 in ons land voldoende gedetailleerd bestudeerd. Reeds in die tijd werd duidelijk dat het algemene pad voor de ontwikkeling van thermische energietechniek precies verband houdt met gecombineerde cyclustechnologieën. Hun succesvolle implementatie vereiste echter betrouwbare en zeer efficiënte gasturbine-eenheden.

Het was de aanzienlijke vooruitgang in de bouw van gasturbines die de moderne kwalitatieve sprong in thermische energietechniek heeft bepaald. Een aantal buitenlandse bedrijven heeft met succes het probleem opgelost van het creëren van efficiënte stationaire gasturbines in een tijd waarin toonaangevende binnenlandse organisaties in een commando-economie de minst veelbelovende stoomturbinetechnologieën (STP) promootten.

Als in de jaren 60 het rendement van gasturbine-installaties op het niveau van 24-32% lag, dan hadden eind jaren 80 de beste stationaire gasturbine-installaties al een rendement (bij autonoom gebruik) van 36-37 %. Dit maakte het mogelijk om STEG's op basis daarvan te creëren, waarvan de efficiëntie 50% bereikte. Aan het begin van de nieuwe eeuw was dit cijfer gelijk aan 40%, en in combinatie met gaskringloopinstallaties met gecombineerde cyclus zelfs 60%.

Vergelijking van stoomturbineen gecombineerde cyclus planten

In installaties met gecombineerde cyclus op basis van gasturbines was het onmiddellijke en reële vooruitzicht om een efficiëntie van 65% of meer te behalen. Tegelijkertijd kan men voor stoomturbine-installaties (ontwikkeld in de USSR), alleen als een aantal complexe wetenschappelijke problemen met betrekking tot de opwekking en het gebruik van superkritische stoom met succes worden opgelost, hopen op een efficiëntie van niet meer dan 46- 49%. Dus in termen van efficiëntie zijn stoomturbinesystemen hopeloos inferieur aan gecombineerde cyclussystemen.

Aanzienlijk inferieur aan stoomturbinecentrales, ook wat betreft kosten en bouwtijd. In 2005 bedroeg de prijs van 1 kW op de wereldenergiemarkt voor een STEG-eenheid met een capaciteit van 200 MW of meer $ 500-600/kW. Voor STEG's met een kleinere capaciteit lagen de kosten tussen de $600-900/kW. Krachtige gasturbine-installaties komen overeen met waarden van 200-250 $/kW. Met een afname van het vermogen van de eenheid, stijgt hun prijs, maar meestal niet hoger dan $ 500 / kW. Deze waarden zijn meerdere malen lager dan de kosten van een kilowatt elektriciteit in stoomturbinesystemen. De prijs van een geïnstalleerde kilowatt bij condenserende stoomturbinecentrales varieert bijvoorbeeld van 2000-3000 $/kW.

Schema van een gasturbine-installatie

De installatie omvat drie basiseenheden: een gasturbine, een verbrandingskamer en een luchtcompressor. Bovendien zijn alle units ondergebracht in een geprefabriceerd enkel gebouw. De compressor- en turbinerotors zijn star met elkaar verbonden, ondersteund door lagers.

Verbrandingskamers (bijvoorbeeld 14 stuks) zijn rondom de compressor geplaatst, elk in een eigen aparte behuizing. Voor toelating totDe luchtcompressor dient als inlaatpijp, lucht verlaat de gasturbine via de uitlaatpijp. Het lichaam van de gasturbine is gebaseerd op krachtige steunen die symmetrisch op een enkel frame zijn geplaatst.

Werkingsprincipe

De meeste gasturbine-eenheden gebruiken het principe van continue verbranding of open cyclus:

• Eerst wordt de werkvloeistof (lucht) onder atmosferische druk gepompt door de juiste compressor.
• Verder wordt de lucht gecomprimeerd tot een hogere druk en naar de verbrandingskamer gestuurd.
• Het wordt geleverd met brandstof, die met een constante druk brandt en zorgt voor een constante toevoer van warmte. Door de verbranding van brandstof neemt de temperatuur van de werkvloeistof toe.
• Vervolgens komt de werkvloeistof (nu is het al een gas, dat een mengsel is van lucht en verbrandingsproducten) de gasturbine binnen, waar het, uitzettend tot atmosferische druk, nuttig werk doet (draait de turbine die genereert elektriciteit).
• Na de turbine worden de gassen in de atmosfeer geloosd, waardoor de werkcyclus wordt gesloten.
• Het verschil tussen de werking van de turbine en de compressor wordt waargenomen door een elektrische generator die zich op een gemeenschappelijke as met de turbine en de compressor bevindt.

Intermitterende stookinstallaties

In tegenstelling tot het vorige ontwerp, gebruikt intermitterende verbranding twee kleppen in plaats van één.

• De compressor dwingt lucht in de verbrandingskamer door de eerste klep terwijl de tweede klep gesloten is.
• Als de druk in de verbrandingskamer stijgt, wordt de eerste klep gesloten. Als resultaat wordt het volume van de kamer gesloten.
• Wanneer de kleppen gesloten zijn, wordt brandstof in de kamer verbrand, natuurlijk vindt de verbranding plaats met een constant volume. Als gevolg hiervan neemt de druk van de werkvloeistof verder toe.
• Vervolgens wordt de tweede klep geopend en komt de werkvloeistof de gasturbine binnen. In dit geval zal de druk voor de turbine geleidelijk afnemen. Wanneer het atmosferisch nadert, moet de tweede klep worden gesloten en de eerste worden geopend en de reeks acties herhalen.

Gasturbinecycli

Wat betreft de praktische implementatie van een of andere thermodynamische cyclus, hebben ontwerpers te maken met veel onoverkomelijke technische obstakels. Het meest kenmerkende voorbeeld: wanneer de stoomvochtigheid meer dan 8-12% is, nemen de verliezen in het stroompad van de stoomturbine sterk toe, nemen de dynamische belastingen toe en treedt erosie op. Dit leidt uiteindelijk tot vernietiging van het stroompad van de turbine.

Als gevolg van deze beperkingen in de energiesector (om een baan te krijgen), worden tot nu toe slechts twee fundamentele thermodynamische cycli veel gebruikt: de Rankine-cyclus en de Brayton-cyclus. De meeste energiecentrales zijn gebaseerd op een combinatie van elementen van deze cycli.

De Rankine-cyclus wordt gebruikt voor werkvloeistoffen die een faseovergang maken tijdens de uitvoering van de cyclus; stoomcentrales werken volgens deze cyclus. Voor werkvloeistoffen die onder reële omstandigheden niet kunnen worden gecondenseerd en die we gassen noemen, wordt de Brayton-cyclus gebruikt. Door deze cyclusgasturbine-installaties en verbrandingsmotoren werken.

Verbruikte brandstof

De overgrote meerderheid van gasturbines is ontworpen om op aardgas te draaien. Soms worden vloeibare brandstoffen gebruikt in systemen met een laag vermogen (minder vaak - gemiddeld, zeer zelden - hoog vermogen). Een nieuwe trend is de transitie van compacte gasturbinesystemen naar het gebruik van vaste brandbare materialen (kolen, minder vaak turf en hout). Deze trends zijn te wijten aan het feit dat gas een waardevolle technologische grondstof is voor de chemische industrie, waar het gebruik ervan vaak winstgevender is dan in de energiesector. De productie van gasturbine-installaties die efficiënt op vaste brandstof kunnen werken, wint actief aan kracht.

Verschil tussen ICE en GTU

Het fundamentele verschil tussen interne verbrandingsmotoren en gasturbinecomplexen is als volgt. In een verbrandingsmotor vinden de processen van luchtcompressie, brandstofverbranding en expansie van verbrandingsproducten plaats binnen één structureel element, de motorcilinder genoemd. In gasturbines zijn deze processen gescheiden in afzonderlijke structurele eenheden:

• compressie wordt uitgevoerd in de compressor;
• verbranding van brandstof in een speciale kamer;
• expansie van verbrandingsproducten wordt uitgevoerd in een gasturbine.

Als resultaat hebben gasturbines en verbrandingsmotoren structureel weinig overeenkomst, hoewel ze volgens vergelijkbare thermodynamische cycli werken.

Conclusie

Met de ontwikkeling van kleinschalige stroomopwekking en het verhogen van de efficiëntie, nemen GTP- en STP-systemen een steeds groter aandeel in het totaal inenergiesysteem van de wereld. Dienovereenkomstig is er steeds meer vraag naar het veelbelovende beroep van exploitant van gasturbine-installaties. In navolging van westerse partners hebben een aantal Russische fabrikanten de productie van kosteneffectieve gasturbine-eenheden onder de knie. Severo-Zapadnaya CHPP in St. Petersburg werd de eerste gecombineerde energiecentrale van een nieuwe generatie in Rusland.