منشآت التوربينات الغازية للطاقة. دورات محطات التوربينات الغازية

2024 مؤلف: Howard Calhoun | [email protected]. آخر تعديل: 2023-12-17 10:18

وحدات التوربينات الغازية (GTP) عبارة عن مجمع طاقة فردي مدمج نسبيًا ، حيث يعمل التوربينات الكهربائية والمولدات في أزواج. أصبح النظام واسع الانتشار فيما يسمى بصناعة الطاقة صغيرة الحجم. عظيم لتزويد الطاقة والحرارة للمؤسسات الكبيرة والمستوطنات البعيدة والمستهلكين الآخرين. كقاعدة عامة ، تعمل توربينات الغاز على الوقود السائل أو الغاز.

على حافة التقدم

في زيادة قدرة الطاقة لمحطات الطاقة ، يتم نقل الدور الرائد إلى وحدات التوربينات الغازية وتطورها الإضافي - محطات الدورة المركبة (CCGT). وهكذا ، في محطات توليد الطاقة الأمريكية منذ أوائل التسعينيات ، كان أكثر من 60٪ من القدرات التي تم التكليف بها والمحدثة بالفعل عبارة عن توربينات غازية ومحطات الدورة المركبة ، وفي بعض البلدان وصلت حصتها في بعض السنوات إلى 90٪.

يتم أيضًا بناء توربينات الغاز البسيطة بأعداد كبيرة. أثبتت محطة التوربينات الغازية - المتنقلة واقتصادية التشغيل وسهلة الإصلاح - أنها الحل الأمثل لتغطية أحمال الذروة. في مطلع القرن (1999-2000) القدرة الإجماليةوصلت وحدات التوربينات الغازية إلى 120 ألف ميغاواط. للمقارنة: في الثمانينيات ، كانت السعة الإجمالية لأنظمة من هذا النوع تتراوح بين 8000 و 10000 ميجاوات. تم تصميم جزء كبير من توربينات الغاز (أكثر من 60٪) للعمل كجزء من محطات ثنائية الدورة المركبة الكبيرة بمتوسط طاقة حوالي 350 ميغاواط.

الخلفية التاريخية

تمت دراسة الأسس النظرية لاستخدام تقنيات الدورة المركبة بتفاصيل كافية في بلدنا في أوائل الستينيات. بالفعل في ذلك الوقت ، أصبح من الواضح أن المسار العام لتطوير هندسة الطاقة الحرارية مرتبط بدقة بتقنيات الدورة المركبة. ومع ذلك ، فإن تنفيذها الناجح يتطلب وحدات توربينات غازية موثوقة وعالية الكفاءة.

كان التقدم الكبير في بناء التوربينات الغازية هو الذي حدد القفزة النوعية الحديثة في هندسة الطاقة الحرارية. نجح عدد من الشركات الأجنبية في حل مشكلة إنشاء توربينات غازية ثابتة فعالة في وقت كانت فيه المنظمات الرائدة المحلية في الاقتصاد الموجه تروج لتقنيات التوربينات البخارية الأقل واعدة (STP).

إذا كانت كفاءة تركيبات التوربينات الغازية في الستينيات عند مستوى 24-32٪ ، ففي أواخر الثمانينيات كانت أفضل تركيبات التوربينات الغازية ذات الطاقة الثابتة بالفعل (مع الاستخدام المستقل) 36-37 ٪. وقد جعل ذلك من الممكن إنشاء مجمعات التوربينات الغازية على أساسها ، والتي وصلت كفاءتها إلى 50٪. بحلول بداية القرن الجديد ، كان هذا الرقم يساوي 40٪ ، وبالاقتران مع محطات دورة الغاز ذات الدورة المركبة ، كان حتى 60٪.

مقارنة التوربينات البخاريةومحطات الدورة المركبة

في محطات الدورة المركبة القائمة على توربينات الغاز ، كان الاحتمال الفوري والحقيقي هو الحصول على كفاءة بنسبة 65٪ أو أكثر. في الوقت نفسه ، بالنسبة لمحطات التوربينات البخارية (المطورة في اتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية) ، فقط إذا أمكن حل عدد من المشكلات العلمية المعقدة المتعلقة بتوليد واستخدام البخار فوق الحرج بنجاح ، يمكن للمرء أن يأمل في كفاءة لا تزيد عن 46- 49٪. وبالتالي ، من حيث الكفاءة ، فإن أنظمة التوربينات البخارية أدنى بشكل ميؤوس منه من أنظمة الدورة المركبة.

أدنى بكثير من محطات توليد الطاقة التوربينية البخارية أيضًا من حيث التكلفة ووقت البناء. في عام 2005 ، في سوق الطاقة العالمي ، كان سعر 1 كيلوواط لوحدة CCGT بسعة 200 ميجاوات أو أكثر هو 500-600 دولار / كيلوواط. بالنسبة لتوربينات الغاز ذات الدورة المركبة ذات السعات الأصغر ، كانت التكلفة في حدود 600-900 دولار / كيلوواط. محطات التوربينات الغازية القوية تتوافق مع قيم 200-250 دولار / كيلوواط. مع انخفاض في قوة الوحدة ، يرتفع سعرها ، ولكن عادة لا يتجاوز 500 دولار / كيلوواط. هذه القيم أقل بعدة مرات من تكلفة كيلوواط من الكهرباء في أنظمة التوربينات البخارية. على سبيل المثال ، سعر كيلوواط مركب عند تكثيف محطات توليد الطاقة بالبخار يتراوح بين 2000-3000 دولار / كيلوواط.

مخطط لمحطة توربينات الغاز

يشمل التركيب ثلاث وحدات أساسية: توربين غازي وغرفة احتراق وضاغط هواء. علاوة على ذلك ، توجد جميع الوحدات في مبنى فردي مسبق الصنع. الضاغط والدوارات التوربينية متصلة ببعضها البعض بشكل صارم ، مدعومة بالمحامل.

غرف الاحتراق (على سبيل المثال ، 14 قطعة) موضوعة حول الضاغط ، كل منها في غلافها المنفصل. للقبول فييعمل ضاغط الهواء كأنبوب مدخل ، حيث يترك الهواء التوربينات الغازية عبر أنبوب العادم. يعتمد جسم توربينات الغاز على دعامات قوية موضوعة بشكل متماثل على إطار واحد.

مبدأ العمل

تستخدم معظم وحدات التوربينات الغازية مبدأ الاحتراق المستمر أو الدورة المفتوحة:

• أولاً ، يتم ضخ سائل العمل (الهواء) عند الضغط الجوي بواسطة الضاغط المناسب.
• علاوة على ذلك ، يتم ضغط الهواء إلى ضغط أعلى وإرساله إلى غرفة الاحتراق.
• مزود بالوقود الذي يحترق بضغط ثابت ويوفر إمداد ثابت بالحرارة. بسبب احتراق الوقود ، تزداد درجة حرارة سائل العمل.
• بعد ذلك ، يدخل السائل العامل (وهو الآن غاز بالفعل ، وهو خليط من الهواء ومنتجات الاحتراق) إلى التوربينات الغازية ، حيث يتمدد إلى الضغط الجوي ، ويقوم بعمل مفيد (يدير التوربين الذي يولد الكهرباء).
• بعد التوربين ، يتم تصريف الغازات في الغلاف الجوي ، والتي من خلالها يتم إغلاق دورة العمل.
• يُدرك الفرق بين تشغيل التوربين والضاغط بواسطة مولد كهربائي موجود على عمود مشترك مع التوربين والضاغط.

محطات الاحتراق المتقطع

على عكس التصميم السابق ، يستخدم الاحتراق المتقطع صمامين بدلاً من صمام واحد.

• يدفع الضاغط الهواء إلى غرفة الاحتراق من خلال الصمام الأول بينما يكون الصمام الثاني مغلقًا.
• عندما يرتفع الضغط في غرفة الاحتراق ، يتم إغلاق الصمام الأول.نتيجة لذلك ، تم إغلاق حجم الغرفة.
• عند إغلاق الصمامات ، يتم حرق الوقود في الغرفة ، وبطبيعة الحال ، يحدث احتراقه بحجم ثابت. نتيجة لذلك ، يزداد ضغط مائع العمل.
• بعد ذلك ، يتم فتح الصمام الثاني ، ويدخل سائل العمل إلى التوربينات الغازية. في هذه الحالة ، سينخفض الضغط أمام التوربين تدريجياً. عندما يقترب من الغلاف الجوي ، يجب إغلاق الصمام الثاني ، ويجب فتح الصمام الأول وتكرار تسلسل الإجراءات.

دورات توربينات الغاز

بالانتقال إلى التنفيذ العملي لدورة ديناميكية حرارية أو أخرى ، يتعين على المصممين مواجهة العديد من العقبات التقنية التي لا يمكن التغلب عليها. المثال الأكثر تميزًا: عندما تزيد رطوبة البخار عن 8-12٪ ، تزداد الخسائر في مسار تدفق التوربينات البخارية بشكل حاد ، وتزداد الأحمال الديناميكية ويحدث التآكل. هذا يؤدي في النهاية إلى تدمير مسار تدفق التوربين.

نتيجة لهذه القيود في قطاع الطاقة (للحصول على وظيفة) ، تم استخدام دورتين أساسيتين فقط من الديناميكا الحرارية على نطاق واسع حتى الآن: دورة رانكين ودورة برايتون. تعتمد معظم محطات توليد الطاقة على مجموعة من عناصر هذه الدورات.

تُستخدم دورة رانكين لسوائل العمل التي تقوم بمرحلة انتقالية أثناء تنفيذ الدورة ؛ تعمل محطات الطاقة البخارية وفقًا لهذه الدورة. بالنسبة لسوائل العمل التي لا يمكن تكثيفها في ظل ظروف حقيقية والتي نسميها غازات ، يتم استخدام دورة برايتون. من خلال هذه الدورةمحطات التوربينات الغازية ومحركات الاحتراق الداخلي تعمل.

الوقود المستخدم

الغالبية العظمى من توربينات الغاز مصممة للعمل بالغاز الطبيعي. في بعض الأحيان ، يتم استخدام الوقود السائل في الأنظمة منخفضة الطاقة (أقل في كثير من الأحيان - متوسط ، نادرًا جدًا - طاقة عالية). هناك اتجاه جديد يتمثل في انتقال أنظمة التوربينات الغازية المدمجة إلى استخدام المواد الصلبة القابلة للاحتراق (الفحم ، وغالبًا ما يكون الخث والخشب). ترجع هذه الاتجاهات إلى حقيقة أن الغاز مادة خام تكنولوجية قيمة للصناعات الكيماوية ، حيث يكون استخدامه غالبًا أكثر ربحية منه في قطاع الطاقة. يكتسب إنتاج محطات التوربينات الغازية القادرة على العمل بكفاءة على الوقود الصلب زخماً نشطاً.

الفرق بين ICE و GTU

الفرق الأساسي بين محركات الاحتراق الداخلي ومجمعات التوربينات الغازية هو كما يلي. في محرك الاحتراق الداخلي ، تحدث عمليات ضغط الهواء واحتراق الوقود وتوسيع نواتج الاحتراق داخل عنصر هيكلي واحد يسمى أسطوانة المحرك. في توربينات الغاز ، يتم فصل هذه العمليات إلى وحدات هيكلية منفصلة:

• يتم الضغط في الضاغط
• احتراق الوقود ، على التوالي ، في غرفة خاصة ؛
• تمدد نواتج الاحتراق في توربين غازي.

نتيجة لذلك ، من الناحية الهيكلية ، فإن التوربينات الغازية ومحركات الاحتراق الداخلي لديها القليل من التشابه ، على الرغم من أنها تعمل وفقًا لدورات ديناميكية حرارية مماثلة.

الخلاصة

مع تطور توليد الطاقة على نطاق صغير ، وزيادة كفاءتها ، تحتل أنظمة GTP و STP حصة متزايدة في الإجمالينظام الطاقة في العالم. وفقًا لذلك ، يزداد الطلب على المهنة الواعدة لمشغل محطة التوربينات الغازية. تبعًا للشركاء الغربيين ، أتقن عدد من الشركات المصنعة الروسية إنتاج وحدات التوربينات الغازية الفعالة من حيث التكلفة. أصبحت Severo-Zapadnaya CHPP في سانت بطرسبرغ أول محطة طاقة ذات دورة مركبة لجيل جديد في روسيا.