تاسیسات توربین گاز انرژی. چرخه نیروگاه های توربین گازی

2024 نویسنده: Howard Calhoun | [email protected]. آخرین اصلاح شده: 2023-12-17 10:25

واحدهای توربین گاز (GTP) یک مجموعه قدرت واحد و نسبتا فشرده هستند که در آن یک توربین قدرت و یک ژنراتور به صورت جفت کار می کنند. این سیستم در صنعت برق به اصطلاح کوچک مقیاس گسترده شده است. برای تامین برق و حرارت شرکت های بزرگ، شهرک های دوردست و سایر مصرف کنندگان عالی است. به عنوان یک قاعده، توربین‌های گاز با سوخت مایع یا گاز کار می‌کنند.

در لبه پیشرفت

در افزایش ظرفیت انرژی نیروگاه ها، نقش اصلی به واحدهای توربین گازی و تکامل بیشتر آنها - نیروگاه های سیکل ترکیبی (CCGT) منتقل می شود. بنابراین، در نیروگاه‌های ایالات متحده از اوایل دهه 1990، بیش از 60 درصد ظرفیت‌های راه‌اندازی و مدرن‌سازی شده قبلاً توربین‌های گازی و نیروگاه‌های سیکل ترکیبی بوده است و در برخی کشورها در برخی سال‌ها سهم آنها به 90 درصد می‌رسید.

توربین های گازی ساده نیز به تعداد زیاد ساخته می شوند. ثابت شد که نیروگاه توربین گاز - متحرک، کارکرد اقتصادی و تعمیر آسان - راه حل بهینه برای پوشش بارهای اوج است. در آغاز قرن (1999-2000)، ظرفیت کلواحدهای توربین گاز به 120000 مگاوات رسید. برای مقایسه: در دهه 1980، کل ظرفیت سیستم های این نوع 8000-10000 مگاوات بود. بخش قابل توجهی از توربین‌های گازی (بیش از 60 درصد) به عنوان بخشی از نیروگاه‌های بزرگ سیکل ترکیبی دوتایی با توان متوسط حدود 350 مگاوات در نظر گرفته شده بودند.

پیشینه تاریخی

مبانی نظری برای استفاده از فناوری‌های سیکل ترکیبی در اوایل دهه ۶۰ در کشور ما با جزئیات کافی مورد مطالعه قرار گرفت. قبلاً در آن زمان مشخص شد که مسیر کلی توسعه مهندسی برق حرارتی دقیقاً با فناوری های سیکل ترکیبی مرتبط است. با این حال، اجرای موفقیت آمیز آنها به واحدهای توربین گازی قابل اعتماد و بسیار کارآمد نیاز داشت.

این پیشرفت قابل توجه در ساخت توربین گاز بود که جهش کیفی مدرن در مهندسی برق حرارتی را تعیین کرد. تعدادی از شرکت‌های خارجی با موفقیت مشکل ایجاد توربین‌های گاز ثابت کارآمد را حل کردند، در زمانی که سازمان‌های پیشرو داخلی در اقتصاد دستوری، کم‌امیدترین فناوری‌های توربین بخار (STP) را ترویج می‌کردند.

اگر در دهه 60 راندمان تاسیسات توربین گاز در سطح 24-32٪ بود، در اواخر دهه 80 بهترین تاسیسات توربین گازی با قدرت ثابت قبلاً بازدهی (با استفاده مستقل) 36-37 داشتند. ٪. این امکان ایجاد CCGT بر اساس آنها را فراهم کرد که راندمان آنها به 50٪ رسید. در آغاز قرن جدید، این رقم برابر با 40٪ بود و در ترکیب با نیروگاه های چرخه گاز سیکل ترکیبی، حتی 60٪ بود.

مقایسه توربین بخارو کارخانه های سیکل ترکیبی

در نیروگاه های سیکل ترکیبی مبتنی بر توربین های گاز، چشم انداز فوری و واقعی دستیابی به راندمان 65 درصد یا بیشتر بود. در عین حال، برای نیروگاه های توربین بخار (توسعه یافته در اتحاد جماهیر شوروی)، تنها در صورتی که بتوان تعدادی از مشکلات علمی پیچیده مرتبط با تولید و استفاده از بخار فوق بحرانی را با موفقیت حل کرد، می توان به بازدهی بیش از 46 امیدوار بود. 49 درصد بنابراین، از نظر کارایی، سیستم‌های توربین بخار به طرز ناامیدکننده‌ای نسبت به سیستم‌های سیکل ترکیبی پایین‌تر هستند.

به طور قابل توجهی از نیروگاه های توربین بخار از نظر هزینه و زمان ساخت پایین تر است. در سال 2005، در بازار جهانی انرژی، قیمت 1 کیلووات برای یک واحد CCGT با ظرفیت 200 مگاوات یا بیشتر، 500-600 دلار بر کیلووات بود. برای CCGT با ظرفیت های کوچکتر، هزینه در محدوده 600-900 دلار بر کیلووات بود. نیروگاه های توربین گاز قدرتمند با مقادیر 200-250 $/kW مطابقت دارند. با کاهش قدرت واحد، قیمت آنها افزایش می یابد، اما معمولاً از 500 دلار در کیلووات تجاوز نمی کند. این مقادیر چندین برابر کمتر از هزینه یک کیلووات برق در سیستم های توربین بخار است. به عنوان مثال، قیمت یک کیلووات نصب شده در نیروگاه های توربین بخار چگالشی بین 2000-3000 دلار بر کیلووات متغیر است.

طرح یک کارخانه توربین گاز

این نصب شامل سه واحد اصلی است: یک توربین گاز، یک محفظه احتراق و یک کمپرسور هوا. علاوه بر این، تمام واحدها در یک ساختمان تک پیش ساخته قرار دارند. روتورهای کمپرسور و توربین به طور صلب به یکدیگر متصل هستند و توسط یاتاقان ها پشتیبانی می شوند.

محفظه های احتراق (به عنوان مثال، 14 قطعه) در اطراف کمپرسور قرار می گیرند، هر کدام در محفظه جداگانه خود. برای پذیرش بهکمپرسور هوا به عنوان یک لوله ورودی عمل می کند، هوا از طریق لوله اگزوز توربین گاز را ترک می کند. بدنه توربین گاز بر پایه تکیه گاه های قدرتمندی است که به طور متقارن روی یک قاب قرار گرفته اند.

اصل کار

بیشتر واحدهای توربین گاز از اصل احتراق پیوسته یا چرخه باز استفاده می کنند:

• ابتدا سیال عامل (هوا) در فشار اتمسفر توسط کمپرسور مناسب پمپ می شود.
• بعلاوه، هوا تا فشار بالاتری فشرده می شود و به محفظه احتراق فرستاده می شود.
• با سوخت عرضه می شود که با فشار ثابت می سوزد و منبع گرما ثابتی را فراهم می کند. در اثر احتراق سوخت، دمای سیال کار افزایش می یابد.
• بعد، سیال کار (اکنون یک گاز است، که مخلوطی از هوا و محصولات احتراق است) وارد توربین گاز می شود، جایی که با انبساط به فشار اتمسفر، کار مفیدی انجام می دهد (توربین را می چرخاند که تولید می کند. برق).
• بعد از توربین، گازها به اتمسفر تخلیه می شوند که از طریق آن چرخه کار بسته می شود.
• تفاوت بین عملکرد توربین و کمپرسور توسط یک ژنراتور الکتریکی که روی یک محور مشترک با توربین و کمپرسور قرار دارد درک می شود.

کارخانه های احتراق متناوب

برخلاف طرح قبلی، احتراق متناوب به جای یک دریچه از دو سوپاپ استفاده می کند.

• کمپرسور هوا را از طریق دریچه اول وارد محفظه احتراق می کند در حالی که شیر دوم بسته است.
• وقتی فشار در محفظه احتراق افزایش می یابد، اولین شیر بسته می شود.در نتیجه حجم محفظه بسته می شود.
• هنگامی که سوپاپ ها بسته می شوند، سوخت در محفظه می سوزد، طبیعتا احتراق آن با حجم ثابتی اتفاق می افتد. در نتیجه، فشار سیال عامل بیشتر افزایش می یابد.
• بعد، شیر دوم باز می شود و سیال کار وارد توربین گاز می شود. در این صورت فشار جلوی توربین به تدریج کاهش می یابد. هنگامی که به اتمسفر نزدیک شد، شیر دوم باید بسته شود و شیر اول باید باز شود و دنباله اقدامات تکرار شود.

سیکلهای توربین گاز

با عطف به اجرای عملی یک یا آن سیکل ترمودینامیکی، طراحان باید با بسیاری از موانع فنی غیرقابل عبور روبرو شوند. مشخص ترین مثال: هنگامی که رطوبت بخار بیش از 8-12٪ باشد، تلفات در مسیر جریان توربین بخار به شدت افزایش می یابد، بارهای دینامیکی افزایش می یابد و فرسایش رخ می دهد. این در نهایت منجر به تخریب مسیر جریان توربین می شود.

در نتیجه این محدودیت ها در بخش انرژی (برای یافتن شغل)، تنها دو چرخه ترمودینامیکی پایه تا کنون به طور گسترده استفاده شده است: چرخه رانکین و چرخه برایتون. اکثر نیروگاه ها بر اساس ترکیبی از عناصر این چرخه ها ساخته شده اند.

سیکل Rankine برای سیالات کاری استفاده می شود که در طول اجرای سیکل یک انتقال فاز ایجاد می کنند؛ نیروگاه های بخار بر اساس این چرخه کار می کنند. برای سیالات کاری که در شرایط واقعی نمی توانند متراکم شوند و آنها را گاز می نامیم، از چرخه برایتون استفاده می شود. از طریق این چرخهنیروگاه های توربین گاز و موتورهای احتراق داخلی در حال کار هستند.

سوخت مصرف شده

اکثریت قریب به اتفاق توربین های گازی برای کار با گاز طبیعی طراحی شده اند. گاهی اوقات از سوخت مایع در سیستم های کم مصرف استفاده می شود (کمتر - متوسط، بسیار به ندرت - قدرت بالا). یک روند جدید انتقال سیستم های توربین گاز فشرده به استفاده از مواد جامد قابل احتراق (زغال سنگ، کمتر ذغال سنگ نارس و چوب) است. این روندها به این دلیل است که گاز یک ماده خام فناوری با ارزش برای صنایع شیمیایی است، جایی که استفاده از آن اغلب سودآورتر از بخش انرژی است. تولید نیروگاه های توربین گازی که قادر به کارکرد موثر بر روی سوخت جامد هستند، به طور فعال در حال افزایش است.

تفاوت بین ICE و GTU

تفاوت اساسی بین موتورهای احتراق داخلی و مجتمع های توربین گازی به شرح زیر است. در یک موتور احتراق داخلی، فرآیندهای فشرده سازی هوا، احتراق سوخت و انبساط محصولات احتراق در یک عنصر ساختاری به نام سیلندر موتور رخ می دهد. در توربین‌های گاز، این فرآیندها به واحدهای ساختاری مجزا تقسیم می‌شوند:

• فشرده سازی در کمپرسور انجام می شود؛
• احتراق سوخت به ترتیب در محفظه مخصوص؛
• گسترش محصولات احتراق در یک توربین گاز انجام می شود.

در نتیجه، از نظر ساختاری، توربین‌های گاز و موتورهای احتراق داخلی شباهت کمی دارند، اگرچه طبق چرخه‌های ترمودینامیکی مشابه عمل می‌کنند.

نتیجه گیری

با توسعه تولید برق در مقیاس کوچک و افزایش راندمان آن، سیستم های GTP و STP سهم فزاینده ای در کل به خود اختصاص می دهند.سیستم انرژی جهان بر این اساس، حرفه امیدوارکننده اپراتور توربین گاز به طور فزاینده ای مورد تقاضا است. به دنبال شرکای غربی، تعدادی از تولیدکنندگان روسی بر تولید واحدهای توربین گازی مقرون به صرفه مسلط شده اند. Severo-Zapadnaya CHPP در سن پترزبورگ اولین نیروگاه سیکل ترکیبی نسل جدید در روسیه شد.