Εγκαταστάσεις ενεργειακών αεριοστροβίλων. Κύκλοι εγκαταστάσεων αεριοστροβίλων

2024 Συγγραφέας: Howard Calhoun | [email protected]. Τελευταία τροποποίηση: 2023-12-17 10:23

Οι μονάδες αεριοστροβίλου (GTP) είναι ένα ενιαίο, σχετικά συμπαγές συγκρότημα ισχύος, στο οποίο ένας στρόβιλος ισχύος και μια γεννήτρια λειτουργούν σε ζεύγη. Το σύστημα έχει γίνει ευρέως διαδεδομένο στη λεγόμενη βιομηχανία ηλεκτρικής ενέργειας μικρής κλίμακας. Ιδανικό για παροχή ρεύματος και θερμότητας μεγάλων επιχειρήσεων, απομακρυσμένων οικισμών και άλλων καταναλωτών. Κατά κανόνα, οι αεριοστρόβιλοι λειτουργούν με υγρό καύσιμο ή αέριο.

Στα όρια της προόδου

Στην αύξηση της ενεργειακής ικανότητας των σταθμών ηλεκτροπαραγωγής, ο πρωταγωνιστικός ρόλος μεταφέρεται στις μονάδες αεριοστροβίλου και στην περαιτέρω εξέλιξή τους - μονάδες συνδυασμένου κύκλου (CCGT). Έτσι, στους σταθμούς ηλεκτροπαραγωγής των ΗΠΑ από τις αρχές της δεκαετίας του 1990, περισσότερο από το 60% της δυναμικότητας που τέθηκε σε λειτουργία και εκσυγχρονίστηκε ήταν ήδη αεριοστρόβιλοι και σταθμοί συνδυασμένου κύκλου, και σε ορισμένες χώρες το μερίδιό τους σε μερικά χρόνια έφτασε το 90%.

Απλοί αεριοστρόβιλοι κατασκευάζονται επίσης σε μεγάλους αριθμούς. Το εργοστάσιο αεριοστροβίλου - κινητό, οικονομικό στη λειτουργία και εύκολο στην επισκευή - αποδείχθηκε η βέλτιστη λύση για την κάλυψη φορτίων αιχμής. Στο γύρισμα του αιώνα (1999-2000), η συνολική χωρητικότηταΟι μονάδες αεριοστροβίλου έφτασαν τα 120.000 MW. Για σύγκριση: τη δεκαετία του 1980, η συνολική ισχύς συστημάτων αυτού του τύπου ήταν 8.000-10.000 MW. Ένα σημαντικό μέρος των αεριοστροβίλων (πάνω από το 60%) προοριζόταν να λειτουργήσει ως μέρος μεγάλων μονάδων δυαδικού συνδυασμένου κύκλου με μέση ισχύ περίπου 350 MW.

Ιστορικό υπόβαθρο

Οι θεωρητικές βάσεις για τη χρήση τεχνολογιών συνδυασμένου κύκλου μελετήθηκαν με αρκετή λεπτομέρεια στη χώρα μας στις αρχές της δεκαετίας του '60. Ήδη εκείνη την εποχή, έγινε σαφές ότι η γενική πορεία για την ανάπτυξη της μηχανικής θερμικής ενέργειας συνδέεται ακριβώς με τις τεχνολογίες συνδυασμένου κύκλου. Ωστόσο, η επιτυχής εφαρμογή τους απαιτούσε αξιόπιστες και υψηλής απόδοσης μονάδες αεριοστροβίλου.

Ήταν η σημαντική πρόοδος στην κατασκευή αεριοστροβίλων που καθόρισε το σύγχρονο ποιοτικό άλμα στη μηχανική θερμικής ενέργειας. Ορισμένες ξένες εταιρείες έλυσαν με επιτυχία το πρόβλημα της δημιουργίας αποδοτικών σταθερών αεριοστροβίλων σε μια εποχή που εγχώριοι κορυφαίοι οργανισμοί σε μια οικονομία διοίκησης προωθούσαν τις λιγότερο υποσχόμενες τεχνολογίες ατμοστροβίλων (STP).

Αν στη δεκαετία του '60 η απόδοση των εγκαταστάσεων αεριοστροβίλων ήταν στο επίπεδο του 24-32%, τότε στα τέλη της δεκαετίας του '80 οι καλύτερες εγκαταστάσεις σταθερής ισχύος αεριοστροβίλων είχαν ήδη απόδοση (με αυτόνομη χρήση) 36-37 %. Αυτό κατέστησε δυνατή τη δημιουργία CCGT στη βάση τους, η απόδοση των οποίων έφτασε το 50%. Στις αρχές του νέου αιώνα, το ποσοστό αυτό ήταν ίσο με 40% και σε συνδυασμό με μονάδες συνδυασμένου κύκλου αερίου, ήταν ακόμη και 60%.

Σύγκριση τουρμπίνας ατμούκαι εγκαταστάσεις συνδυασμένου κύκλου

Σε μονάδες συνδυασμένου κύκλου που βασίζονται σε αεριοστρόβιλους, η άμεση και πραγματική προοπτική ήταν να επιτευχθεί απόδοση 65% ή περισσότερο. Ταυτόχρονα, για τις εγκαταστάσεις ατμοστροβίλων (που αναπτύχθηκαν στην ΕΣΣΔ), μόνο εάν μπορούν να επιλυθούν επιτυχώς ορισμένα πολύπλοκα επιστημονικά προβλήματα που σχετίζονται με την παραγωγή και τη χρήση υπερκρίσιμου ατμού, μπορεί κανείς να ελπίζει σε απόδοση όχι μεγαλύτερη από 46- 49%. Έτσι, όσον αφορά την απόδοση, τα συστήματα ατμοστροβίλων είναι απελπιστικά κατώτερα από τα συστήματα συνδυασμένου κύκλου.

Σημαντικά κατώτερος από τους σταθμούς ηλεκτροπαραγωγής ατμοστροβίλων, επίσης ως προς το κόστος και τον χρόνο κατασκευής. Το 2005, στην παγκόσμια αγορά ενέργειας, η τιμή του 1 kW για μια μονάδα CCGT με ισχύ 200 MW και άνω ήταν 500-600 $/kW. Για CCGT μικρότερης ισχύος, το κόστος ήταν της τάξης των 600-900 $/kW. Οι ισχυρές εγκαταστάσεις αεριοστροβίλων αντιστοιχούν σε τιμές 200-250 $/kW. Με μείωση της ισχύος μονάδας, η τιμή τους αυξάνεται, αλλά συνήθως δεν υπερβαίνει τα 500 $ / kW. Αυτές οι τιμές είναι αρκετές φορές μικρότερες από το κόστος ενός κιλοβάτ ηλεκτρικής ενέργειας σε συστήματα ατμοστροβίλων. Για παράδειγμα, η τιμή ενός εγκατεστημένου κιλοβάτ σε σταθμούς ηλεκτροπαραγωγής ατμοστρόβιλου συμπύκνωσης κυμαίνεται από 2000-3000 $/kW.

Σχέδιο εγκατάστασης αεριοστροβίλου

Η εγκατάσταση περιλαμβάνει τρεις βασικές μονάδες: έναν αεριοστρόβιλο, έναν θάλαμο καύσης και έναν αεροσυμπιεστή. Επιπλέον, όλες οι μονάδες στεγάζονται σε ένα προκατασκευασμένο ενιαίο κτίριο. Οι ρότορες του συμπιεστή και του στροβίλου συνδέονται άκαμπτα μεταξύ τους, υποστηρίζονται από ρουλεμάν.

Οι θάλαμοι καύσης (για παράδειγμα, 14 τεμάχια) τοποθετούνται γύρω από τον συμπιεστή, ο καθένας στο δικό του ξεχωριστό περίβλημα. Για είσοδο σεΟ αεροσυμπιεστής χρησιμεύει ως σωλήνας εισαγωγής, ο αέρας φεύγει από τον αεριοστρόβιλο μέσω του σωλήνα εξαγωγής. Το σώμα του αεριοστροβίλου βασίζεται σε ισχυρά στηρίγματα τοποθετημένα συμμετρικά σε ένα μόνο πλαίσιο.

Αρχή λειτουργίας

Οι περισσότερες μονάδες αεριοστροβίλων χρησιμοποιούν την αρχή της συνεχούς καύσης ή του ανοιχτού κύκλου:

• Πρώτον, το ρευστό εργασίας (αέρας) αντλείται σε ατμοσφαιρική πίεση από τον κατάλληλο συμπιεστή.
• Περαιτέρω, ο αέρας συμπιέζεται σε υψηλότερη πίεση και αποστέλλεται στον θάλαμο καύσης.
• Τροφοδοτείται με καύσιμο, το οποίο καίγεται με σταθερή πίεση, παρέχοντας σταθερή παροχή θερμότητας. Λόγω της καύσης του καυσίμου, η θερμοκρασία του ρευστού εργασίας αυξάνεται.
• Στη συνέχεια, το ρευστό εργασίας (τώρα είναι ήδη ένα αέριο, το οποίο είναι ένα μείγμα αέρα και προϊόντων καύσης) εισέρχεται στον αεριοστρόβιλο, όπου, εκτονούμενος στην ατμοσφαιρική πίεση, κάνει χρήσιμη εργασία (γυρίζει τον στρόβιλο που παράγει ηλεκτρική ενέργεια).
• Μετά τον στρόβιλο, τα αέρια εκκενώνονται στην ατμόσφαιρα, μέσω της οποίας κλείνει ο κύκλος εργασίας.
• Η διαφορά μεταξύ της λειτουργίας του στροβίλου και του συμπιεστή γίνεται αντιληπτή από μια ηλεκτρική γεννήτρια που βρίσκεται σε έναν κοινό άξονα με τον στρόβιλο και τον συμπιεστή.

Μονάδες διαλείπουσας καύσης

Σε αντίθεση με το προηγούμενο σχέδιο, η διακοπτόμενη καύση χρησιμοποιεί δύο βαλβίδες αντί για μία.

• Ο συμπιεστής ωθεί τον αέρα στον θάλαμο καύσης μέσω της πρώτης βαλβίδας ενώ η δεύτερη βαλβίδα είναι κλειστή.
• Όταν η πίεση στο θάλαμο καύσης αυξάνεται, η πρώτη βαλβίδα κλείνει. Ως αποτέλεσμα, ο όγκος του θαλάμου είναι κλειστός.
• Όταν οι βαλβίδες είναι κλειστές, το καύσιμο καίγεται στο θάλαμο, φυσικά, η καύση του γίνεται σε σταθερό όγκο. Ως αποτέλεσμα, η πίεση του ρευστού εργασίας αυξάνεται περαιτέρω.
• Στη συνέχεια, ανοίγει η δεύτερη βαλβίδα και το υγρό εργασίας εισέρχεται στον αεριοστρόβιλο. Σε αυτή την περίπτωση, η πίεση μπροστά από τον στρόβιλο θα μειωθεί σταδιακά. Όταν πλησιάζει η ατμοσφαιρική, η δεύτερη βαλβίδα πρέπει να είναι κλειστή και η πρώτη πρέπει να ανοίξει και να επαναλάβει την ακολουθία ενεργειών.

Κύκλοι αεριοστροβίλου

Στρέφοντας στην πρακτική εφαρμογή του ενός ή του άλλου θερμοδυναμικού κύκλου, οι σχεδιαστές πρέπει να αντιμετωπίσουν πολλά ανυπέρβλητα τεχνικά εμπόδια. Το πιο χαρακτηριστικό παράδειγμα: όταν η υγρασία του ατμού είναι μεγαλύτερη από 8-12%, οι απώλειες στη διαδρομή ροής του ατμοστρόβιλου αυξάνονται απότομα, τα δυναμικά φορτία αυξάνονται και εμφανίζεται διάβρωση. Αυτό οδηγεί τελικά στην καταστροφή της διαδρομής ροής του στροβίλου.

Ως αποτέλεσμα αυτών των περιορισμών στον ενεργειακό τομέα (για την απόκτηση εργασίας), μόνο δύο βασικοί θερμοδυναμικοί κύκλοι χρησιμοποιούνται ευρέως μέχρι στιγμής: ο κύκλος Rankine και ο κύκλος Brayton. Οι περισσότεροι σταθμοί ηλεκτροπαραγωγής βασίζονται σε συνδυασμό στοιχείων αυτών των κύκλων.

Ο κύκλος Rankine χρησιμοποιείται για ρευστά εργασίας που πραγματοποιούν μετάβαση φάσης κατά την υλοποίηση του κύκλου· οι σταθμοί παραγωγής ατμού λειτουργούν σύμφωνα με αυτόν τον κύκλο. Για λειτουργικά ρευστά που δεν μπορούν να συμπυκνωθούν υπό πραγματικές συνθήκες και τα οποία ονομάζουμε αέρια, χρησιμοποιείται ο κύκλος Brayton. Μέσα από αυτόν τον κύκλοΛειτουργούν εγκαταστάσεις αεριοστροβίλων και κινητήρες εσωτερικής καύσης.

Χρησιμοποιημένο καύσιμο

Η συντριπτική πλειοψηφία των αεριοστροβίλων έχει σχεδιαστεί για να λειτουργεί με φυσικό αέριο. Μερικές φορές τα υγρά καύσιμα χρησιμοποιούνται σε συστήματα χαμηλής ισχύος (λιγότερο συχνά - μεσαία, πολύ σπάνια - υψηλή ισχύς). Μια νέα τάση είναι η μετάβαση των συμπαγών συστημάτων αεριοστροβίλων στη χρήση στερεών εύφλεκτων υλικών (άνθρακας, λιγότερο συχνά τύρφη και ξύλο). Αυτές οι τάσεις οφείλονται στο γεγονός ότι το αέριο είναι μια πολύτιμη τεχνολογική πρώτη ύλη για τη χημική βιομηχανία, όπου η χρήση του είναι συχνά πιο επικερδής από ό,τι στον ενεργειακό τομέα. Η παραγωγή σταθμών αεριοστροβίλων ικανών να λειτουργούν αποτελεσματικά με στερεά καύσιμα κερδίζει ενεργά δυναμική.

Διαφορά μεταξύ ICE και GTU

Η θεμελιώδης διαφορά μεταξύ των κινητήρων εσωτερικής καύσης και των συμπλεγμάτων αεριοστροβίλων είναι η εξής. Σε έναν κινητήρα εσωτερικής καύσης, οι διαδικασίες συμπίεσης αέρα, καύσης καυσίμου και διαστολής των προϊόντων καύσης συμβαίνουν μέσα σε ένα δομικό στοιχείο, που ονομάζεται κύλινδρος του κινητήρα. Στους αεριοστρόβιλους, αυτές οι διεργασίες χωρίζονται σε ξεχωριστές δομικές μονάδες:

• συμπίεση πραγματοποιείται στον συμπιεστή;
• καύση καυσίμου, αντίστοιχα, σε ειδικό θάλαμο;
• η επέκταση των προϊόντων καύσης πραγματοποιείται σε αεριοστρόβιλο.

Σε αποτέλεσμα, δομικά, οι αεριοστρόβιλοι και οι κινητήρες εσωτερικής καύσης έχουν μικρή ομοιότητα, αν και λειτουργούν σύμφωνα με παρόμοιους θερμοδυναμικούς κύκλους.

Συμπέρασμα

Με την ανάπτυξη της παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας μικρής κλίμακας, αυξάνοντας την απόδοσή της, τα συστήματα GTP και STP καταλαμβάνουν ένα αυξανόμενο μερίδιο στο σύνολοενεργειακό σύστημα του κόσμου. Αντίστοιχα, το πολλά υποσχόμενο επάγγελμα του χειριστή εργοστασίου αεριοστροβίλου έχει ολοένα και μεγαλύτερη ζήτηση. Ακολουθώντας τους δυτικούς εταίρους, ορισμένοι Ρώσοι κατασκευαστές έχουν κατακτήσει την παραγωγή οικονομικών μονάδων αεριοστροβίλων. Το Severo-Zapadnaya CHPP στην Αγία Πετρούπολη έγινε ο πρώτος σταθμός ηλεκτροπαραγωγής συνδυασμένου κύκλου νέας γενιάς στη Ρωσία.