2024 Kirjoittaja: Howard Calhoun | [email protected]. Viimeksi muokattu: 2023-12-17 10:26
Gasturbiiniyksiköt (GTP) ovat yksi, suhteellisen kompakti tehokompleksi, jossa voimaturbiini ja generaattori toimivat pareittain. Järjestelmä on yleistynyt ns. pienvoimateollisuudessa. Soveltuu erinomaisesti suurten yritysten, syrjäisten siirtokuntien ja muiden kuluttajien sähkö- ja lämpöhuoltoon. Kaasuturbiinit toimivat yleensä nestemäisellä polttoaineella tai kaasulla.
Edistyksen partaalla
Voimalaitosten energiakapasiteetin lisäämisessä johtoasema siirtyy kaasuturbiiniyksiköille ja niiden jatkokehitykselle - kombivoimalaitoksille (CCGT). Näin ollen Yhdysv altojen voimalaitoksilla 1990-luvun alusta lähtien yli 60 % käyttöönotetusta ja modernisoidusta kapasiteetista on jo ollut kaasuturbiineja ja kombivoimaloita, ja joissain maissa niiden osuus nousi joinakin vuosina jopa 90 %:iin.
Yksinkertaisia kaasuturbiineja rakennetaan myös paljon. Kaasuturbiinilaitos - liikkuva, taloudellinen käyttää ja helppo korjata - osoittautui optimaaliseksi ratkaisuksi kattamaan huippukuormitukset. Vuosisadan vaihteessa (1999-2000) kokonaiskapasiteettikaasuturbiiniyksiköiden teho oli 120 000 MW. Vertailun vuoksi: 1980-luvulla tämän tyyppisten järjestelmien kokonaiskapasiteetti oli 8 000-10 000 MW. Merkittävä osa kaasuturbiineista (yli 60 %) oli tarkoitettu toimimaan osana suuria binäärisiä yhdistetyn syklin laitoksia, joiden keskiteho on noin 350 MW.
Historiallista taustaa
Yhdistettyjen syklien tekniikoiden käytön teoreettisia perusteita tutkittiin maassamme riittävän yksityiskohtaisesti 60-luvun alussa. Jo tuolloin kävi selväksi, että lämpövoimatekniikan yleinen kehityspolku liittyy juuri yhdistettyyn sykliin. Niiden onnistunut käyttöönotto vaati kuitenkin luotettavia ja erittäin tehokkaita kaasuturbiiniyksiköitä.
Kaasuturbiinien rakentamisen merkittävä edistyminen määritti nykyaikaisen laadullisen harppauksen lämpövoimatekniikassa. Useat ulkomaiset yritykset ratkaisivat onnistuneesti tehokkaiden kiinteiden kaasuturbiinien luomisen ongelman aikana, jolloin kotimaiset johtavat komentotalouden organisaatiot edistivät vähiten lupaavia höyryturbiinitekniikoita (STP).
Jos 60-luvulla kaasuturbiinilaitteistojen hyötysuhde oli 24-32 %, niin 80-luvun lopulla parhaiden kiinteiden kaasuturbiinilaitteistojen hyötysuhde (autonomalla käytössä) oli jo 36-37 %. Tämä mahdollisti niiden pohj alta CCGT:n luomisen, joiden tehokkuus oli 50 %. Uuden vuosisadan alkuun mennessä tämä luku oli 40 % ja yhdistettynä yhdistelmäkaasukiertoisten laitosten kanssa jopa 60 %.
Höyryturbiinin vertailuja yhdistelmälaitokset
Kaasuturbiiniin perustuvissa kombivoimalaitoksissa välitön ja todellinen mahdollisuus oli saavuttaa vähintään 65 prosentin hyötysuhde. Samanaikaisesti höyryturbiinilaitoksissa (kehitetty Neuvostoliitossa) vain, jos monet monimutkaiset tieteelliset ongelmat, jotka liittyvät ylikriittisen höyryn tuottamiseen ja käyttöön voidaan ratkaista onnistuneesti, voidaan toivoa, että hyötysuhde on enintään 46- 49 %. Siten höyryturbiinijärjestelmät ovat tehokkuudeltaan toivottoman huonompia kuin yhdistetty kiertojärjestelmä.
Höyryturbiinivoimaloita huomattavasti huonompi myös kustannuksiltaan ja rakennusaj altaan. Vuonna 2005 maailman energiamarkkinoilla 1 kW:n hinta vähintään 200 MW:n CCGT-yksiköstä oli 500-600 dollaria/kW. Pienemmän tehon CCGT:n hinta oli 600-900 dollaria/kW. Tehokkaat kaasuturbiinilaitokset vastaavat arvoja 200-250 $/kW. Yksikkötehon pienentyessä niiden hinta nousee, mutta ei yleensä ylitä 500 dollaria / kW. Nämä arvot ovat useita kertoja pienemmät kuin kilowatin sähkön hinta höyryturbiinijärjestelmissä. Esimerkiksi kondensaatiohöyryturbiinivoimaloissa asennetun kilowatin hinta vaihtelee välillä 2000-3000 $/kW.
Kaasuturbiinilaitoksen suunnitelma
Asennus sisältää kolme perusyksikköä: kaasuturbiinin, polttokammion ja ilmakompressorin. Lisäksi kaikki yksiköt sijaitsevat yksittäisessä esivalmistetussa rakennuksessa. Kompressori ja turbiinin roottorit on liitetty jäykästi toisiinsa laakereiden avulla.
Kompressorin ympärille on sijoitettu palokammiot (esim. 14 kappaletta), kukin omassa erillisessä kotelossaan. Pääsyä vartenIlmakompressori toimii tuloputkena, ilma poistuu kaasuturbiinista pakoputken kautta. Kaasuturbiinin runko perustuu tehokkaisiin tukiin, jotka on sijoitettu symmetrisesti yhdelle rungolle.
Toimintaperiaate
Useimmat kaasuturbiiniyksiköt käyttävät jatkuvan palamisen tai avoimen kierron periaatetta:
- Ensin käyttöneste (ilma) pumpataan ilmakehän paineessa sopivalla kompressorilla.
- Lisäksi ilma puristetaan korkeampaan paineeseen ja johdetaan polttokammioon.
- Se toimitetaan polttoaineella, joka palaa vakiopaineessa ja tarjoaa jatkuvan lämmönsyötön. Polttoaineen palamisen vuoksi käyttönesteen lämpötila nousee.
- Seuraavaksi työneste (nyt se on jo kaasu, joka on ilman ja palamistuotteiden seos) menee kaasuturbiiniin, jossa se ilmakehän paineeseen laajeneessaan tekee hyödyllistä työtä (kääntää tuottavaa turbiinia sähkö).
- Turbiinin jälkeen kaasut vapautuvat ilmakehään, jonka kautta työkierto sulkeutuu.
- Turbiinin ja kompressorin toiminnan välinen ero havaitaan sähkögeneraattorilla, joka sijaitsee yhteisellä akselilla turbiinin ja kompressorin kanssa.
Jaksottaiset polttolaitokset
Toisin kuin aikaisemmassa mallissa, jaksottaisessa palamisessa käytetään kahta venttiiliä yhden sijasta.
- Kompressori pakottaa ilmaa palotilaan ensimmäisen venttiilin kautta toisen venttiilin ollessa kiinni.
- Kun paine polttokammiossa nousee, ensimmäinen venttiili sulkeutuu. Tämän seurauksena kammion tilavuus sulkeutuu.
- Kun venttiilit ovat kiinni, polttoaine palaa kammiossa, luonnollisesti sen palaminen tapahtuu vakiotilavuudella. Tämän seurauksena käyttönesteen paine kasvaa edelleen.
- Seuraavaksi toinen venttiili avataan ja käyttöneste tulee kaasuturbiiniin. Tässä tapauksessa turbiinin edessä oleva paine laskee vähitellen. Kun se lähestyy ilmakehän lämpötilaa, toinen venttiili tulee sulkea ja ensimmäinen avata ja toistaa toimintosarja.
Kaasuturbiinin syklit
Kääntyessään yhden tai toisen termodynaamisen syklin käytännön toteutukseen, suunnittelijat joutuvat kohtaamaan monia ylitsepääsemättömiä teknisiä esteitä. Tyypillisin esimerkki: kun höyryn kosteus on yli 8-12%, häviöt höyryturbiinin virtausreitillä kasvavat jyrkästi, dynaamiset kuormat kasvavat ja eroosiota tapahtuu. Tämä johtaa lopulta turbiinin virtauspolun tuhoutumiseen.
Näiden rajoitusten seurauksena energia-alalla (työn saamisessa) vain kahta termodynaamista perussykliä on käytetty laaj alti toistaiseksi: Rankinen sykli ja Braytonin sykli. Useimmat voimalaitokset perustuvat näiden syklien elementtien yhdistelmään.
Rankinen sykliä käytetään työnesteille, jotka tekevät vaihemuutoksen syklin toteutuksen aikana; höyryvoimalaitokset toimivat tämän syklin mukaisesti. Käyttönesteille, joita ei voida kondensoida todellisissa olosuhteissa ja joita kutsumme kaasuiksi, käytetään Brayton-sykliä. Tämän syklin kauttakaasuturbiinilaitokset ja polttomoottorit ovat toiminnassa.
Käytetty polttoaine
Suurin osa kaasuturbiineista on suunniteltu toimimaan maakaasulla. Joskus nestemäisiä polttoaineita käytetään pienitehoisissa järjestelmissä (harvemmin - keskikokoinen, erittäin harvoin - suuritehoinen). Uusi suuntaus on kompaktien kaasuturbiinijärjestelmien siirtyminen kiinteiden palavien materiaalien (hiili, harvemmin turve ja puu) käyttöön. Nämä suuntaukset johtuvat siitä, että kaasu on arvokas teknologinen raaka-aine kemianteollisuudessa, jossa sen käyttö on usein kannattavampaa kuin energia-alalla. Kiinteällä polttoaineella tehokkaasti toimivien kaasuturbiinilaitosten tuotanto kiihtyy aktiivisesti.
Ero ICE:n ja GTU:n välillä
Perimmäinen ero polttomoottoreiden ja kaasuturbiinikompleksien välillä on seuraava. Polttomoottorissa ilman puristus, polttoaineen palaminen ja palamistuotteiden laajeneminen tapahtuvat yhdessä rakenneelementissä, jota kutsutaan moottorin sylinteriksi. Kaasuturbiineissa nämä prosessit on erotettu erillisiksi rakenneyksiköiksi:
- puristus suoritetaan kompressorissa;
- polttoaineen poltto erityisessä kammiossa;
- palamistuotteiden laajennus suoritetaan kaasuturbiinissa.
Tämän seurauksena kaasuturbiinit ja polttomoottorit ovat rakenteellisesti vähän samank altaisia, vaikka ne toimivatkin samanlaisten termodynaamisten syklien mukaisesti.
Johtopäätös
Pienen mittakaavan sähköntuotannon kehittymisen ja sen tehokkuuden lisäämisen myötä GTP- ja STP-järjestelmät ottavat kasvavan osuuden kokonaismäärästämaailman energiajärjestelmä. Näin ollen lupaavalle kaasuturbiinilaitoksen operaattorin ammatille on yhä enemmän kysyntää. Länsimaisten kumppaneiden jälkeen useat venäläiset valmistajat ovat hallinnut kustannustehokkaiden kaasuturbiiniyksiköiden tuotannon. Pietarin Severo-Zapadnaja CHPP:sta tuli ensimmäinen uuden sukupolven kombivoimalaitos Venäjällä.
