2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Viimati modifitseeritud: 2023-12-17 10:25
Gaasiturbiinseadmed (GTP) on üks suhteliselt kompaktne energiakompleks, milles jõuturbiin ja generaator töötavad paaris. Süsteem on lai alt levinud nn väikesemahulises elektritööstuses. Suurepärane suurettevõtete, kaugemate asulate ja muude tarbijate elektri- ja soojusvarustuseks. Reeglina töötavad gaasiturbiinid vedelkütusel või gaasil.
Edumuse piiril
Elektrijaamade energiavõimsuse suurendamisel kandub juhtroll üle gaasiturbiiniplokkidele ja nende edasisele arengule - kombineeritud tsükliga jaamadele (CCGT). Nii on USA elektrijaamades alates 1990. aastate algusest juba üle 60% kasutusele võetud ja moderniseeritud võimsustest olnud gaasiturbiinid ja kombineeritud tsükliga elektrijaamad ning mõnes riigis ulatus nende osakaal mõnel aastal 90%ni.
Lihtsaid gaasiturbiine ehitatakse samuti palju. Gaasiturbiinijaam – mobiilne, ökonoomne töötada ja kergesti remontida – osutus optimaalseks lahenduseks tippkoormuse katmiseks. Sajandivahetusel (1999-2000) koguvõimsusgaasiturbiini agregaadid jõudsid 120 000 MW-ni. Võrdluseks: 1980. aastatel oli seda tüüpi süsteemide koguvõimsus 8000-10000 MW. Märkimisväärne osa gaasiturbiinidest (üle 60%) oli mõeldud kasutamiseks suurte kahekomponentsete kombineeritud tsükliga jaamade osana keskmise võimsusega umbes 350 MW.
Ajalooline taust
Kombineeritud tsükli tehnoloogiate kasutamise teoreetilisi aluseid uuriti meie riigis piisav alt põhjalikult 60ndate alguses. Juba sel ajal sai selgeks, et soojusenergeetika üldine arengutee on seotud just kombineeritud tsükli tehnoloogiatega. Nende edukaks rakendamiseks oli aga vaja usaldusväärseid ja ülitõhusaid gaasiturbiiniseadmeid.
See oli märkimisväärne edasiminek gaasiturbiinide ehitamisel, mis määras kaasaegse kvalitatiivse hüppe soojusenergeetikas. Paljud välismaised ettevõtted lahendasid eduk alt tõhusate statsionaarsete gaasiturbiinide loomise probleemi ajal, mil kodumaised juhtivad käsumajanduse organisatsioonid propageerisid kõige vähem perspektiivikaid auruturbiinitehnoloogiaid (STP).
Kui 60ndatel oli gaasiturbiiniseadmete kasutegur 24-32%, siis 80ndate lõpus oli parimate statsionaarsete gaasiturbiiniseadmete kasutegur (autonoomse kasutusega) juba 36-37 %. See võimaldas nende baasil luua CCGT-sid, mille efektiivsus ulatus 50% -ni. Uue sajandi alguseks oli see näitaja 40% ja kombineeritud tsükliga gaasitsükliga elektrijaamadega isegi 60%.
Auruturbiini võrdlusja kombineeritud tsükliga tehased
Gaasiturbiinidel põhinevates kombineeritud tsükliga tehastes oli vahetu ja reaalne väljavaade saavutada kasutegur 65% või rohkem. Samal ajal võib (NSV Liidus välja töötatud) auruturbiinitehaste puhul loota, et ainult siis, kui suudetakse eduk alt lahendada terve rida ülekriitilise auru tekitamise ja kasutamisega seotud keerulisi teaduslikke probleeme, võib kasutegur olla kuni 46. 49%. Seega jäävad auruturbiinisüsteemid efektiivsuse poolest kombineeritud tsükliga süsteemidele lootusetult alla.
Auruturbiinelektrijaamadele oluliselt alla jäänud ka maksumuse ja ehitusaja poolest. 2005. aastal oli maailma energiaturul 200 MW või suurema võimsusega CCGT-seadme 1 kW hind 500-600 $/kW. Väiksema võimsusega CCGT-de puhul jäi maksumus vahemikku 600-900 $/kW. Võimsad gaasiturbiinijaamad vastavad väärtustele 200-250 $/kW. Ühiku võimsuse vähenemisega nende hind tõuseb, kuid tavaliselt ei ületa see $ 500 / kW. Need väärtused on mitu korda väiksemad kui kilovati elektrienergia maksumus auruturbiinisüsteemides. Näiteks kondensatsiooniauruturbiinelektrijaamades on paigaldatud kilovati hind 2000-3000 $/kW.
Gaasiturbiinitehase skeem
Paigaldus sisaldab kolme põhiseadet: gaasiturbiini, põlemiskambrit ja õhukompressorit. Lisaks asuvad kõik üksused ühes kokkupandavas hoones. Kompressori ja turbiini rootorid on omavahel jäig alt ühendatud, toestuvad laagritele.
Kompressori ümber on paigaldatud põlemiskambrid (näiteks 14 tükki), igaüks eraldi korpuses. SissepääsuksÕhukompressor toimib sisselasketoruna, õhk väljub gaasiturbiinist läbi väljalasketoru. Gaasiturbiini korpus põhineb võimsatel tugedel, mis on paigutatud sümmeetriliselt ühele raamile.
Tööpõhimõte
Enamik gaasiturbiinseadmeid kasutavad pideva põlemise ehk avatud tsükli põhimõtet:
- Esm alt pumbatakse vastava kompressoriga töövedelik (õhk) atmosfäärirõhul.
- Lisaks surutakse õhk kokku kõrgemale rõhule ja suunatakse põlemiskambrisse.
- Seda tarnitakse kütusega, mis põleb püsiva rõhu all, tagades pideva soojusvarustuse. Kütuse põlemise tõttu tõuseb töövedeliku temperatuur.
- Järgmisena siseneb töövedelik (nüüd on see juba gaas, mis on õhu ja põlemisproduktide segu) gaasiturbiini, kus atmosfäärirõhuni paisudes teeb kasulikku tööd (pöörab turbiini, mis tekitab elekter).
- Pärast turbiini väljutatakse gaasid atmosfääri, mille kaudu töötsükkel sulgub.
- Erinevust turbiini ja kompressori töö vahel tajub elektrigeneraator, mis asub turbiini ja kompressoriga ühisel võllil.
Vahelduvad põletusseadmed
Erinev alt eelmisest konstruktsioonist kasutatakse katkendpõlemisel ühe ventiili asemel kahte.
- Kompressor surub õhu põlemiskambrisse läbi esimese klapi, samal ajal kui teine klapp on suletud.
- Kui rõhk põlemiskambris tõuseb, suletakse esimene klapp. Selle tulemusena suletakse kambri maht.
- Kui klapid on suletud, põleb kütus kambris, loomulikult toimub selle põlemine konstantsel mahul. Selle tulemusena suureneb töövedeliku rõhk veelgi.
- Järgmisena avatakse teine ventiil ja töövedelik siseneb gaasiturbiini. Sel juhul rõhk turbiini ees järk-järgult väheneb. Kui see läheneb atmosfääritemperatuurile, tuleb teine klapp sulgeda ja esimene avada ning korrata toimingute jada.
Gaasiturbiini tsüklid
Pöördudes ühe või teise termodünaamilise tsükli praktilise rakendamise poole, peavad disainerid silmitsi seisma paljude ületamatute tehniliste takistustega. Kõige iseloomulikum näide: kui auru niiskus on üle 8-12%, suurenevad järsult kaod auruturbiini vooluteel, suurenevad dünaamilised koormused ja tekib erosioon. See viib lõpuks turbiini voolutee hävimiseni.
Nende piirangute tõttu energiasektoris (töökoha saamiseks) on seni laialdaselt kasutusel ainult kaks termodünaamilist põhitsüklit: Rankine'i tsükkel ja Braytoni tsükkel. Enamik elektrijaamu põhinevad nende tsüklite elementide kombinatsioonil.
Rankini tsüklit kasutatakse töövedelike jaoks, mis teevad tsükli rakendamise ajal faasisiirde; auruelektrijaamad töötavad vastav alt sellele tsüklile. Töövedelike puhul, mida ei saa reaalsetes tingimustes kondenseeruda ja mida me nimetame gaasideks, kasutatakse Braytoni tsüklit. Läbi selle tsükligaasiturbiinijaamad ja sisepõlemismootorid töötavad.
Kütus kasutatud
Valdav enamus gaasiturbiine on kavandatud töötama maagaasil. Mõnikord kasutatakse vedelkütuseid väikese võimsusega süsteemides (harvemini - keskmine, väga harva - suure võimsusega). Uus trend on kompaktsete gaasiturbiinisüsteemide üleminek tahkete põlevate materjalide (kivisüsi, harvem turvas ja puit) kasutamisele. Need suundumused on tingitud sellest, et gaas on väärtuslik tehnoloogiline tooraine keemiatööstusele, kus selle kasutamine on sageli tulusam kui energeetikas. Tahkel kütusel tõhus alt töötavate gaasiturbiinijaamade tootmine kogub aktiivselt hoogu.
Erinevus ICE ja GTU vahel
Põhiline erinevus sisepõlemismootorite ja gaasiturbiinikomplekside vahel on järgmine. Sisepõlemismootoris toimuvad õhu kokkusurumise, kütuse põlemise ja põlemisproduktide paisumise protsessid ühes konstruktsioonielemendis, mida nimetatakse mootori silindriks. Gaasiturbiinides on need protsessid eraldatud eraldi struktuuriüksusteks:
- kompressoris toimub kokkusurumine;
- kütuse põletamine vastav alt spetsiaalses kambris;
- põlemisproduktide paisutamine toimub gaasiturbiinis.
Selle tulemusena on gaasiturbiinidel ja sisepõlemismootoritel vähe sarnasusi, kuigi need töötavad sarnaste termodünaamiliste tsüklite kohaselt.
Järeldus
Väikesemahulise elektritootmise arenedes, suurendades selle efektiivsust, on GTP- ja STP-süsteemidel järjest suurem osa koguhulgastmaailma energiasüsteem. Seetõttu on gaasiturbiinijaama operaatori paljulubava elukutse järele üha suurem nõudlus. Lääne partnerite järel on mitmed Venemaa tootjad omandanud kulutõhusate gaasiturbiiniagregaatide tootmise. Severo-Zapadnaja koostootmisjaamast Peterburis sai esimene uue põlvkonna kombineeritud tsükliga elektrijaam Venemaal.
