Instal·lacions de turbines de gas energètiques. Cicles de les plantes de turbines de gas

2024 Autora: Howard Calhoun | [email protected]. Última modificació: 2023-12-17 10:21

Les unitats de turbina de gas (GTP) són un complex de potència únic i relativament compacte, en el qual una turbina elèctrica i un generador funcionen per parelles. El sistema s'ha estès a l'anomenada indústria elèctrica a petita escala. Ideal per al subministrament d'energia i calor de grans empreses, assentaments remots i altres consumidors. Per regla general, les turbines de gas funcionen amb combustible líquid o gas.

A la vora del progrés

En augmentar la capacitat energètica de les centrals elèctriques, el paper principal es transfereix a les unitats de turbines de gas i la seva posterior evolució: plantes de cicle combinat (CCGT). Així, a les centrals elèctriques nord-americanes des de principis dels anys noranta, més del 60% de les capacitats encarregades i modernitzades ja han estat turbines de gas i plantes de cicle combinat, i en alguns països la seva quota va arribar en alguns anys al 90%.

Les turbines de gas senzilles també es construeixen en gran nombre. La planta de turbines de gas -mòbil, econòmica d'operar i fàcil de reparar- va demostrar ser la solució òptima per cobrir les pics de càrrega. Al tombant de segle (1999-2000), la capacitat tot alturbines de gas van arribar als 120.000 MW. Per comparació: a la dècada de 1980, la capacitat total dels sistemes d'aquest tipus era de 8.000-10.000 MW. Una part important de les turbines de gas (més del 60%) estaven destinades a funcionar com a part de grans plantes de cicle combinat binari amb una potència mitjana d'uns 350 MW.

Antecedents històrics

Els fonaments teòrics per a l'ús de les tecnologies de cicle combinat es van estudiar amb prou detall al nostre país a principis dels anys 60. Ja en aquell moment, va quedar clar que el camí general per al desenvolupament de l'enginyeria tèrmica està connectat precisament amb les tecnologies de cicle combinat. Tanmateix, la seva implementació exitosa requeria unitats de turbines de gas fiables i altament eficients.

Va ser el progrés significatiu en la construcció de turbines de gas el que va determinar el s alt qualitatiu modern en l'enginyeria tèrmica. Diverses empreses estrangeres van resoldre amb èxit el problema de crear turbines de gas estacionàries eficients en un moment en què les principals organitzacions nacionals líders en una economia de comandament promocionaven les tecnologies de turbines de vapor (STP) menys prometedores.

Si als anys 60 l'eficiència de les instal·lacions de turbines de gas estava al nivell del 24-32%, aleshores a finals dels 80 les millors instal·lacions de turbines de gas estacionàries ja tenien una eficiència (amb ús autònom) del 36-37 %. Això va permetre crear CCGT sobre la seva base, l'eficiència dels quals va arribar al 50%. A principis del nou segle, aquesta xifra era igual al 40%, i en combinació amb les plantes de cicle combinat de gasos, fins i tot era del 60%.

Comparació de la turbina de vapori plantes de cicle combinat

A les plantes de cicle combinat basades en turbines de gas, la perspectiva immediata i real era obtenir una eficiència del 65% o més. Al mateix temps, per a les plantes de turbines de vapor (desenvolupades a l'URSS), només si es poden resoldre amb èxit una sèrie de problemes científics complexos relacionats amb la generació i l'ús de vapor supercrític, es pot esperar una eficiència de no més de 46- 49%. Per tant, en termes d'eficiència, els sistemes de turbines de vapor són irremediablement inferiors als sistemes de cicle combinat.

Significativament inferior a les centrals elèctriques de turbines de vapor també en termes de cost i temps de construcció. L'any 2005, al mercat mundial de l'energia, el preu d'1 kW per a una unitat CCGT amb una capacitat de 200 MW o més era de 500-600 $/kW. Per als CCGT de capacitats més petites, el cost era d'entre 600 i 900 $/kW. Les potents plantes de turbines de gas corresponen a valors de 200-250 $/kW. Amb una disminució de la potència de la unitat, el seu preu augmenta, però normalment no supera els 500 $ / kW. Aquests valors són diverses vegades inferiors al cost d'un quilowatt d'electricitat en sistemes de turbines de vapor. Per exemple, el preu d'un quilowatt instal·lat a les centrals elèctriques de turbines de vapor de condensació oscil·la entre 2000 i 3000 $/kW.

Esquema d'una planta de turbines de gas

La instal·lació inclou tres unitats bàsiques: una turbina de gas, una cambra de combustió i un compressor d'aire. A més, totes les unitats estan ubicades en un únic edifici prefabricat. Els rotors del compressor i de la turbina estan connectats rígidament entre si, recolzats per coixinets.

Les cambres de combustió (per exemple, 14 peces) es col·loquen al voltant del compressor, cadascuna en la seva pròpia carcassa. Per admissió aEl compressor d'aire serveix com a tub d'entrada, l'aire surt de la turbina de gas a través del tub d'escapament. El cos de la turbina de gas es basa en potents suports col·locats simètricament en un únic bastidor.

Principi de funcionament

La majoria de les turbines de gas utilitzen el principi de combustió contínua o cicle obert:

• Primer, el compressor adequat bombeja el fluid de treball (aire) a pressió atmosfèrica.
• A més, l'aire es comprimeix a una pressió més alta i s'envia a la cambra de combustió.
• Es subministra amb combustible, que crema a pressió constant, proporcionant un subministrament constant de calor. A causa de la combustió del combustible, la temperatura del fluid de treball augmenta.
• A continuació, el fluid de treball (ara ja és un gas, que és una mescla d'aire i productes de combustió) entra a la turbina de gas, on, expandint-se a pressió atmosfèrica, fa un treball útil (fa girar la turbina que genera electricitat).
• Després de la turbina, els gasos es descarreguen a l'atmosfera, a través de la qual es tanca el cicle de treball.
• La diferència entre el funcionament de la turbina i el compressor la percep un generador elèctric situat en un eix comú amb la turbina i el compressor.

Plants de combustió intermitent

A diferència del disseny anterior, la combustió intermitent utilitza dues vàlvules en lloc d'una.

• El compressor força l'aire a la cambra de combustió a través de la primera vàlvula mentre la segona està tancada.
• Quan augmenta la pressió a la cambra de combustió, la primera vàlvula es tanca. Com a resultat, el volum de la cambra es tanca.
• Quan les vàlvules estan tancades, el combustible es crema a la cambra, naturalment, la seva combustió es produeix a volum constant. Com a resultat, la pressió del fluid de treball augmenta encara més.
• A continuació, s'obre la segona vàlvula i el fluid de treball entra a la turbina de gas. En aquest cas, la pressió davant de la turbina anirà disminuint gradualment. Quan s'acosta a l'atmosfera, s'ha de tancar la segona vàlvula i obrir la primera i repetir la seqüència d'accions.

Cicles de la turbina de gas

Tocant a la implementació pràctica d'un o altre cicle termodinàmic, els dissenyadors s'han d'enfrontar a molts obstacles tècnics insuperables. L'exemple més característic: quan la humitat del vapor és superior al 8-12%, les pèrdues en el recorregut del flux de la turbina de vapor augmenten bruscament, augmenten les càrregues dinàmiques i es produeix l'erosió. Això condueix finalment a la destrucció de la trajectòria de flux de la turbina.

Com a conseqüència d'aquestes restriccions al sector energètic (per aconseguir una feina), fins ara només s'utilitzen dos cicles termodinàmics bàsics: el cicle Rankine i el cicle Brayton. La majoria de les centrals elèctriques es basen en una combinació d'elements d'aquests cicles.

El cicle Rankine s'utilitza per a fluids de treball que fan una transició de fase durant la implementació del cicle; les centrals elèctriques de vapor funcionen segons aquest cicle. Per als fluids de treball que no es poden condensar en condicions reals i que anomenem gasos, s'utilitza el cicle de Brayton. A través d'aquest cicleles plantes de turbines de gas i els motors de combustió interna estan en funcionament.

Combustible utilitzat

La gran majoria de les turbines de gas estan dissenyades per funcionar amb gas natural. De vegades, els combustibles líquids s'utilitzen en sistemes de baixa potència (menys sovint - mitjana, molt rarament - alta potència). Una nova tendència és la transició dels sistemes compactes de turbines de gas a l'ús de materials combustibles sòlids (carbó, menys sovint torba i fusta). Aquestes tendències es deuen al fet que el gas és una matèria primera tecnològica valuosa per a la indústria química, on el seu ús sovint és més rendible que en el sector energètic. La producció de plantes de turbines de gas capaços de funcionar de manera eficient amb combustible sòlid està guanyant impuls activament.

Diferència entre ICE i GTU

La diferència fonamental entre els motors de combustió interna i els complexos de turbines de gas és la següent. En un motor de combustió interna, els processos de compressió d'aire, combustió de combustible i expansió dels productes de combustió es produeixen dins d'un element estructural, anomenat cilindre del motor. A les turbines de gas, aquests processos es separen en unitats estructurals separades:

• la compressió es realitza al compressor;
• combustió de combustible, respectivament, en una cambra especial;
• expansió dels productes de combustió es realitza en una turbina de gas.

Com a resultat, estructuralment, les turbines de gas i els motors de combustió interna tenen poca similitud, tot i que funcionen segons cicles termodinàmics similars.

Conclusió

Amb el desenvolupament de la generació d'energia a petita escala, augmentant la seva eficiència, els sistemes GTP i STP ocupen una proporció creixent en el totalsistema energètic del món. En conseqüència, la prometedora professió d'operador d'una planta de turbines de gas és cada cop més demandada. Seguint els socis occidentals, diversos fabricants russos han dominat la producció d'unitats de turbines de gas rendibles. La CHPP de Severo-Zapadnaya a Sant Petersburg es va convertir en la primera central elèctrica de cicle combinat d'una nova generació a Rússia.