Energiegasturbineninstallationen. Kreisläufe von Gasturbinenanlagen

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2023-12-17 10:23

Gasturbineneinheiten (GTP) sind ein einzelner, relativ kompakter Energiekomplex, in dem eine Leistungsturbine und ein Generator paarweise arbeiten. Das System hat sich in der sogenannten kleinen Energiewirtschaft durchgesetzt. Ideal für die Strom- und Wärmeversorgung von großen Unternehmen, abgelegenen Siedlungen und anderen Verbrauchern. Gasturbinen werden in der Regel mit flüssigem Brennstoff oder Gas betrieben.

Am Rande des Fortschritts

Bei der Erhöhung der Energiekapazität von Kraftwerken wird die führende Rolle auf Gasturbineneinheiten und ihre Weiterentwicklung - Kombikraftwerke (CCGT) - übertragen. So sind bei US-Kraftwerken seit Anfang der 1990er Jahre bereits mehr als 60 % der in Betrieb genommenen und modernisierten Kapazitäten Gasturbinen und GuD-Anlagen, in einigen Ländern erreichte ihr Anteil in einigen Jahren 90 %.

Einfache Gasturbinen werden auch in großen Stückzahlen gebaut. Die Gasturbinenanlage – mobil, wirtschaftlich im Betrieb und reparaturfreundlich – erwies sich als optimale Lösung zur Abdeckung von Spitzenlasten. Um die Jahrhundertwende (1999-2000) stieg die GesamtkapazitätGasturbineneinheiten erreichten 120.000 MW. Zum Vergleich: In den 1980er Jahren lag die Gesamtleistung solcher Anlagen bei 8.000-10.000 MW. Ein erheblicher Teil der Gasturbinen (mehr als 60 %) sollte als Teil großer Kombikraftwerke mit einer durchschnittlichen Leistung von etwa 350 MW betrieben werden.

Historischer Hintergrund

Theoretische Grundlagen für den Einsatz von GuD-Technologien wurden in unserem Land Anfang der 60er Jahre ausreichend untersucht. Schon damals zeichnete sich ab, dass der generelle Entwicklungspfad der thermischen Energietechnik genau mit den GuD-Technologien verbunden ist. Ihre erfolgreiche Umsetzung erforderte jedoch zuverlässige und hocheffiziente Gasturbineneinheiten.

Es waren die bedeutenden Fortschritte im Gasturbinenbau, die den modernen Qualitätssprung in der thermischen Energietechnik bestimmten. Eine Reihe ausländischer Firmen löste erfolgreich das Problem der Schaffung effizienter stationärer Gasturbinen zu einer Zeit, als inländische führende Organisationen in einer Kommandowirtschaft die am wenigsten vielversprechenden Dampfturbinentechnologien (STP) förderten.

Lag in den 60er Jahren der Wirkungsgrad von Gasturbinenanlagen auf dem Niveau von 24-32%, so hatten Ende der 80er Jahre die besten stationären Leistungsgasturbinenanlagen bereits einen Wirkungsgrad (bei autonomer Nutzung) von 36-37 %. Dies ermöglichte die Erstellung von GuD-Anlagen auf ihrer Basis, deren Wirkungsgrad 50% erreichte. Zu Beginn des neuen Jahrhunderts waren es 40 %, in Kombination mit GuD-Anlagen sogar 60 %.

Dampfturbine im Vergleichund GuD-Anlagen

Bei Kombikraftwerken auf Basis von Gasturbinen bestand die unmittelbare und reale Aussicht darin, einen Wirkungsgrad von 65 % oder mehr zu erreichen. Gleichzeitig kann man bei Dampfturbinenanlagen (entwickelt in der UdSSR) nur dann auf einen Wirkungsgrad von nicht mehr als 46 hoffen, wenn eine Reihe komplexer wissenschaftlicher Probleme im Zusammenhang mit der Erzeugung und Verwendung von überkritischem Dampf erfolgreich gelöst werden können 49 %. Damit sind Dampfturbinenanlagen GuD-Anlagen in Sachen Wirkungsgrad hoffnungslos unterlegen.

Dampfturbinenkraftwerken auch in Kosten und Bauzeit deutlich unterlegen. Im Jahr 2005 betrug der Preis von 1 kW auf dem Weltenergiemarkt für eine GuD-Anlage mit einer Kapazität von 200 MW oder mehr 500-600 $/kW. Bei GuD-Anlagen mit kleineren Kapazitäten lagen die Kosten im Bereich von 600 bis 900 $/kW. Leistungsstarke Gasturbinenanlagen entsprechen Werten von 200-250 $/kW. Mit einer Abnahme der Einheitsleistung steigt ihr Preis, übersteigt jedoch normalerweise 500 USD / kW nicht. Diese Werte liegen um ein Vielfaches unter den Kosten für ein Kilowatt Strom in Dampfturbinenanlagen. Zum Beispiel liegt der Preis für ein installiertes Kilowatt in Kondensationsdampfturbinenkraftwerken zwischen 2000 und 3000 $/kW.

Schema einer Gasturbinenanlage

Die Anlage besteht aus drei Grundeinheiten: einer Gasturbine, einer Brennkammer und einem Luftkompressor. Zudem sind alle Einheiten in einem vorgefertigten Einzelgebäude untergebracht. Die Verdichter- und Turbinenrotoren sind starr miteinander verbunden und werden von Lagern getragen.

Brennkammern (z. B. 14 Stück) sind um den Kompressor herum angeordnet, jede in einem separaten Gehäuse. Für die Aufnahme inDer Luftkompressor dient als Einlassrohr, Luft verlässt die Gasturbine durch das Abgasrohr. Der Gasturbinenkörper basiert auf mächtigen Stützen, die symmetrisch auf einem einzigen Rahmen angeordnet sind.

Funktionsprinzip

Die meisten Gasturbineneinheiten verwenden das Prinzip der kontinuierlichen Verbrennung oder des offenen Kreislaufs:

• Zunächst wird das Arbeitsmedium (Luft) mit dem entsprechenden Kompressor bei atmosphärischem Druck gepumpt.
• Außerdem wird die Luft auf einen höheren Druck komprimiert und in die Brennkammer geleitet.
• Es wird mit Brennstoff versorgt, der bei konstantem Druck verbrennt und so für eine konstante Wärmezufuhr sorgt. Durch die Verbrennung von Kraftstoff steigt die Temperatur des Arbeitsmediums.
• Als nächstes tritt das Arbeitsfluid (jetzt ist es bereits ein Gas, das eine Mischung aus Luft und Verbrennungsprodukten ist) in die Gasturbine ein, wo es sich auf atmosphärischen Druck ausdehnt und nützliche Arbeit leistet (dreht die Turbine, die erzeugt Strom).
• Nach der Turbine werden die Gase in die Atmosphäre abgelassen, wodurch sich der Arbeitskreislauf schließt.
• Der Unterschied zwischen dem Betrieb der Turbine und des Kompressors wird durch einen elektrischen Generator wahrgenommen, der sich auf einer gemeinsamen Welle mit der Turbine und dem Kompressor befindet.

Intermittierende Feuerungsanlagen

Im Gegensatz zum vorherigen Design verwendet die intermittierende Verbrennung zwei Ventile anstelle von einem.

• Der Kompressor drückt Luft durch das erste Ventil in die Verbrennungskammer, während das zweite Ventil geschlossen ist.
• Wenn der Druck im Brennraum steigt, wird das erste Ventil geschlossen. Dadurch wird das Kammervolumen geschlossen.
• Wenn die Ventile geschlossen sind, wird Kraftstoff in der Kammer verbrannt, natürlich erfolgt seine Verbrennung mit einem konstanten Volumen. Dadurch steigt der Druck des Arbeitsmediums weiter an.
• Als nächstes wird das zweite Ventil geöffnet und das Arbeitsmedium tritt in die Gasturbine ein. In diesem Fall nimmt der Druck vor der Turbine allmählich ab. Wenn es sich der atmosphärischen Atmosphäre nähert, sollte das zweite Ventil geschlossen und das erste geöffnet und die Abfolge der Aktionen wiederholt werden.

Gasturbinenzyklen

Bei der praktischen Umsetzung des einen oder anderen thermodynamischen Kreisprozesses müssen sich Designer vielen unüberwindbaren technischen Hindernissen stellen. Das charakteristischste Beispiel: Bei einer Dampffeuchte von mehr als 8-12 % nehmen die Verluste im Strömungsweg der Dampfturbine stark zu, die dynamischen Belastungen nehmen zu und es kommt zu Erosion. Dies führt letztendlich zur Zerstörung des Strömungsweges der Turbine.

Als Ergebnis dieser Restriktionen im Energiesektor (um einen Job zu bekommen) sind bisher nur zwei grundlegende thermodynamische Kreisläufe weit verbreitet: der Rankine-Kreis und der Brayton-Kreis. Die meisten Kraftwerke basieren auf einer Kombination von Elementen dieser Kreisläufe.

Der Rankine-Kreisprozess wird für Arbeitsmittel verwendet, die während der Durchführung des Kreisprozesses einen Phasenübergang machen; Dampfkraftwerke arbeiten nach diesem Kreisprozess. Für Arbeitsmedien, die unter realen Bedingungen nicht kondensieren können und die wir Gase nennen, wird der Brayton-Kreisprozess verwendet. Durch diesen KreislaufGasturbinenanlagen und Verbrennungsmotoren sind in Betrieb.

Verbrauchter Kraftstoff

Die überwiegende Mehrheit der Gasturbinen ist für den Betrieb mit Erdgas ausgelegt. Manchmal werden flüssige Brennstoffe in Systemen mit geringer Leistung verwendet (seltener - mittlere, sehr selten - hohe Leistung). Ein neuer Trend ist der Übergang von kompakten Gasturbinensystemen zur Verwendung fester brennbarer Materialien (Kohle, seltener Torf und Holz). Diese Trends sind darauf zurückzuführen, dass Gas ein wertvoller technologischer Rohstoff für die chemische Industrie ist, wo sein Einsatz oft rentabler ist als im Energiesektor. Die Produktion von Gasturbinenanlagen, die effizient mit festen Brennstoffen betrieben werden können, gewinnt aktiv an Dynamik.

Unterschied zwischen ICE und GTU

Der grundlegende Unterschied zwischen Verbrennungsmotoren und Gasturbinenkomplexen ist wie folgt. In einem Verbrennungsmotor finden die Prozesse der Luftkompression, der Kraftstoffverbrennung und der Expansion von Verbrennungsprodukten innerhalb eines Strukturelements statt, das Motorzylinder genannt wird. In Gasturbinen werden diese Prozesse in getrennte strukturelle Einheiten getrennt:

• Verdichtung erfolgt im Kompressor;
• Verbrennung von Brennstoff in einer speziellen Kammer;
• Expansion von Verbrennungsprodukten wird in einer Gasturbine durchgeführt.

Infolgedessen haben Gasturbinen und Verbrennungsmotoren strukturell wenig Ähnlichkeit, obwohl sie nach ähnlichen thermodynamischen Zyklen arbeiten.

Schlussfolgerung

Mit der Entwicklung der Stromerzeugung im kleinen Maßstab und der Steigerung ihrer Effizienz nehmen GTP- und STP-Systeme einen zunehmenden Anteil an der Gesamtzahl einEnergiesystem der Welt. Dementsprechend ist der zukunftsträchtige Beruf des Gasturbinenanlagenbetreibers zunehmend gefragt. Nach westlichen Partnern beherrscht eine Reihe russischer Hersteller die Produktion kostengünstiger Gasturbineneinheiten. Severo-Zapadnaya CHPP in St. Petersburg wurde das erste GuD-Kraftwerk einer neuen Generation in Russland.