מתקני טורבינת גז באנרגיה. מחזורים של מפעלי טורבינות גז

2024 מְחַבֵּר: Howard Calhoun | [email protected]. שונה לאחרונה: 2023-12-17 10:27

יחידות טורבינת גז (GTP) הן קומפלקס כוח יחיד וקומפקטי יחסית, שבו טורבינת כוח וגנרטור פועלים בזוגות. המערכת הפכה לנפוצה במה שנקרא תעשיית החשמל בקנה מידה קטן. נהדר עבור אספקת חשמל וחום של ארגונים גדולים, התנחלויות מרוחקות וצרכנים אחרים. ככלל, טורבינות גז פועלות על דלק נוזלי או גז.

בקצה ההתקדמות

בהגדלת קיבולת האנרגיה של תחנות כוח, התפקיד המוביל מועבר ליחידות טורבינות גז ולהמשך התפתחותן - מפעלי מחזור משולב (CCGT). לפיכך, בתחנות כוח בארה ב מאז תחילת שנות ה-90, יותר מ-60% מהיכולות המוזמנות והמודרניות כבר היו טורבינות גז ומפעלי מחזור משולב, ובמדינות מסוימות בחלקן הגיע חלקן ל-90%.

טורבינות גז פשוטות בנויות גם הן במספרים גדולים. מפעל טורבינות הגז - נייד, חסכוני לתפעול וקל לתיקון - הוכיח את עצמו כפתרון האופטימלי לכיסוי עומסי שיא. בתחילת המאה (1999-2000), הקיבולת הכוללתיחידות טורבינת גז הגיעו ל-120,000 מגוואט. לשם השוואה: בשנות ה-80, ההספק הכולל של מערכות מסוג זה היה 8,000-10,000 מגוואט. חלק ניכר מטורבינות הגז (יותר מ-60%) נועדו לפעול כחלק ממפעלי מחזור משולב בינארי גדולים בהספק ממוצע של כ-350 MW.

רקע היסטורי

יסודות תיאורטיים לשימוש בטכנולוגיות מחזור משולב נחקרו בפירוט מספק בארצנו בתחילת שנות ה-60. כבר אז התברר שהדרך הכללית לפיתוח הנדסת כוח תרמית קשורה בדיוק לטכנולוגיות מחזור משולבות. עם זאת, היישום המוצלח שלהם דרש יחידות טורבינות גז אמינות ויעילות במיוחד.

ההתקדמות המשמעותית בבניית טורבינות גז היא שקבעה את הקפיצה האיכותית המודרנית בהנדסת כוח תרמית. מספר חברות זרות פתרו בהצלחה את הבעיה של יצירת טורבינות גז נייחות יעילות בתקופה שבה ארגונים מובילים מקומיים בכלכלה פיקודית קידמו את הטכנולוגיות הפחות מבטיחות של טורבינת הקיטור (STP).

אם בשנות ה-60 היעילות של מתקני טורבינת גז הייתה ברמה של 24-32%, הרי שבסוף שנות ה-80 למתקנים הטובים ביותר של טורבינת הגז הכוח נייח כבר הייתה נצילות (בשימוש אוטונומי) של 36-37 %. זה איפשר ליצור CCGTs על בסיסם, שיעילותם הגיעה ל-50%. בתחילת המאה החדשה, נתון זה היה שווה ל-40%, ובשילוב עם מפעלי מחזור גז משולב, הוא היה אפילו 60%.

השוואה של טורבינת קיטורומפעלי מחזור משולב

במפעלי מחזור משולב המבוססים על טורבינות גז, הסיכוי המיידי והאמיתי היה להשיג יעילות של 65% או יותר. יחד עם זאת, עבור מפעלי טורבינת קיטור (שפותחו בברית המועצות), רק אם ניתן לפתור בהצלחה מספר בעיות מדעיות מורכבות הקשורות לייצור ושימוש בקיטור סופר קריטי, אפשר לקוות ליעילות של לא יותר מ-46- 49%. לפיכך, מבחינת יעילות, מערכות טורבינת קיטור נחותות באופן חסר תקנה ממערכות מחזור משולב.

נחות משמעותית מתחנות כוח של טורבינות קיטור גם מבחינת עלות וזמן בנייה. בשנת 2005, בשוק האנרגיה העולמי, המחיר של 1 קילוואט ליחידת CCGT בהספק של 200 מגוואט ומעלה היה 500-600 דולר לקוואט. עבור CCGTs עם קיבולת קטנה יותר, העלות הייתה בטווח של 600-900 $/kW. מפעלי טורבינת גז רבי עוצמה תואמים לערכים של 200-250 $/kW. עם ירידה בכוח היחידה, המחיר שלהם עולה, אך בדרך כלל אינו עולה על 500 $ / קילוואט. ערכים אלה נמוכים פי כמה מהעלות של קילוואט חשמל במערכות טורבינת קיטור. לדוגמה, המחיר של קילוואט מותקן בתחנות כוח של טורבינת קיטור מתעבות נע בין 2000-3000 $/kW.

תוכנית של מפעל טורבינות גז

המתקן כולל שלוש יחידות בסיסיות: טורבינת גז, תא בעירה ומדחס אוויר. יתרה מכך, כל היחידות שוכנות בבניין יחיד טרומי. המדחס והרוטורים של הטורבינה מחוברים זה לזה בצורה נוקשה, נתמכים על ידי מיסבים.

תאי בעירה (לדוגמה, 14 חלקים) ממוקמים סביב המדחס, כל אחד בבית נפרד משלו. לקבלת כניסה למדחס האוויר משמש כצינור כניסה, אוויר יוצא מטורבינת הגז דרך צינור הפליטה. גוף טורבינת הגז מבוסס על תומכים רבי עוצמה הממוקמים באופן סימטרי על מסגרת אחת.

עקרון העבודה

רוב יחידות טורבינת הגז משתמשות בעיקרון של בעירה רציפה, או מחזור פתוח:

• ראשית, נוזל העבודה (האוויר) נשאב בלחץ אטמוספרי על ידי המדחס המתאים.
• יותר מכך, האוויר נדחס ללחץ גבוה יותר ונשלח לתא הבעירה.
• הוא מסופק עם דלק, שנשרף בלחץ קבוע, ומספק אספקה קבועה של חום. עקב שריפת הדלק, הטמפרטורה של נוזל העבודה עולה.
• לאחר מכן, נוזל העבודה (עכשיו זה כבר גז, שהוא תערובת של אוויר ומוצרי בעירה) נכנס לטורבינת הגז, שם, בהתרחבות ללחץ אטמוספרי, הוא עושה עבודה מועילה (הופך את הטורבינה שיוצרת חשמל).
• לאחר הטורבינה, הגזים נפלטים לאטמוספירה, שדרכה נסגר מחזור העבודה.
• ההבדל בין פעולת הטורבינה והמדחס נתפס על ידי גנרטור חשמלי הממוקם על פיר משותף עם הטורבינה והמדחס.

מפעלי בעירה לסירוגין

בניגוד לעיצוב הקודם, בעירה לסירוגין משתמשים בשני שסתומים במקום אחד.

• המדחס כופה אוויר לתוך תא הבעירה דרך השסתום הראשון בזמן שהשסתום השני סגור.
• כשהלחץ בתא הבעירה עולה, השסתום הראשון נסגר.כתוצאה מכך, נפח החדר נסגר.
• כאשר השסתומים סגורים, דלק נשרף בתא, באופן טבעי, הבעירה שלו מתרחשת בנפח קבוע. כתוצאה מכך, הלחץ של נוזל העבודה עולה עוד יותר.
• לאחר מכן, השסתום השני נפתח, ונוזל העבודה נכנס לטורבינת הגז. במקרה זה, הלחץ מול הטורבינה יקטן בהדרגה. כאשר הוא מתקרב לאטמוספירה, יש לסגור את השסתום השני, ולפתוח את הראשון ולחזור על רצף הפעולות.

מחזורי טורבינת גז

בפנייה ליישום מעשי של מחזור תרמודינמי כזה או אחר, מעצבים צריכים להתמודד עם מכשולים טכניים רבים שאי אפשר להתגבר עליהם. הדוגמה האופיינית ביותר: כאשר לחות הקיטור היא יותר מ-8-12%, ההפסדים במסלול הזרימה של טורבינת הקיטור גדלים בחדות, עומסים דינמיים גדלים ומתרחשת שחיקה. זה מוביל בסופו של דבר להרס של נתיב הזרימה של הטורבינה.

כתוצאה מההגבלות הללו במגזר האנרגיה (עבור קבלת עבודה), רק שני מחזורים תרמודינמיים בסיסיים נמצאים בשימוש נרחב עד כה: מחזור Rankine ומחזור Brayton. רוב תחנות הכוח מבוססות על שילוב של אלמנטים של מחזורים אלה.

מחזור Rankine משמש לנוזלי עבודה שעושים מעבר פאזה במהלך יישום המחזור; תחנות כוח קיטור פועלות לפי מחזור זה. עבור נוזלי עבודה שאינם ניתנים לעיבוי בתנאים אמיתיים ואשר אנו מכנים גזים, נעשה שימוש במחזור ה-Brayton. דרך המחזור הזהמפעלי טורבינות גז ומנועי בעירה פנימית פועלים.

שימוש בדלק

הרוב המכריע של טורבינות הגז מיועדות לפעול על גז טבעי. לפעמים משתמשים בדלקים נוזליים במערכות בעלות הספק נמוך (לעתים קרובות יותר - בינוני, לעתים רחוקות מאוד - הספק גבוה). מגמה חדשה היא המעבר של מערכות טורבינות גז קומפקטיות לשימוש בחומרים דליקים מוצקים (פחם, לעתים רחוקות יותר כבול ועץ). מגמות אלו נובעות מהעובדה שגז הוא חומר גלם טכנולוגי בעל ערך עבור התעשייה הכימית, שבה השימוש בו לרוב משתלם יותר מאשר במגזר האנרגיה. הייצור של מפעלי טורבינות גז המסוגלים לפעול ביעילות על דלק מוצק צובר תאוצה באופן פעיל.

הבדל בין ICE ל-GTU

ההבדל המהותי בין מנועי בעירה פנימית למתחמי טורבינות גז הוא כדלקמן. במנוע בעירה פנימית, התהליכים של דחיסת אוויר, שריפת דלק והתפשטות תוצרי בעירה מתרחשים בתוך אלמנט מבני אחד, הנקרא צילינדר המנוע. בטורבינות גז, תהליכים אלה מופרדים ליחידות מבניות נפרדות:

• הדחיסה מתבצעת במדחס;
• שריפת דלק, בהתאמה, בתא מיוחד;
• הרחבת מוצרי בעירה מתבצעת בטורבינת גז.

כתוצאה מכך, מבחינה מבנית, לטורבינות גז ולמנועי בעירה פנימית יש מעט דמיון, למרות שהם פועלים לפי מחזורים תרמודינמיים דומים.

מסקנה

עם הפיתוח של ייצור חשמל בקנה מידה קטן, הגדלת היעילות שלו, מערכות GTP ו-STP תופסות נתח הולך וגדל בסך הכלמערכת האנרגיה של העולם. בהתאם, המקצוע המבטיח של מפעיל מפעל טורבינות גז מבוקש יותר ויותר. בעקבות שותפים מערביים, מספר יצרנים רוסים שלטו בייצור של יחידות טורבינת גז חסכוניות. Severo-Zapadnaya CHPP בסנט פטרסבורג הפכה לתחנת הכוח המשולבת הראשונה של דור חדש ברוסיה.