وحدات توربينات الغاز (GTU) وحدة توربينات الغاز هي وحدة تتكون من محرك توربيني غازي وعلبة تروس ومولد وأنظمة مساعدة. إن تدفق الغاز الناتج عن احتراق الوقود، والذي يعمل على شفرات التوربينات، يخلق عزم الدوران ويدور الدوار، والذي بدوره متصل بالمولد. المولد ينتج الكهرباء . يعتمد تصميم وحدة توربينات الغاز على مبدأ النمطية: تتكون وحدات توربينات الغاز من كتل منفصلة، ​​بما في ذلك وحدة التشغيل الآلي. يتيح التصميم المعياري إجراء الخدمة والإصلاحات في أقصر وقت ممكن، وزيادة الطاقة، وكذلك توفير المال نظرًا لحقيقة أنه يمكن تنفيذ جميع الأعمال بسرعة في موقع التشغيل المراحل الأولى من تطوير وحدات توربينات الغاز (GTUs) لحرق الوقود، تم استخدام نوعين من غرف الاحتراق. تم تزويد الوقود والمؤكسد (الهواء) بشكل مستمر إلى غرفة الاحتراق من النوع الأول، كما تم الحفاظ على احتراقهما بشكل مستمر، ولم يتغير الضغط. تم تزويد الوقود والمؤكسد (الهواء) بأجزاء إلى غرفة الاحتراق من النوع الثاني. تم إشعال الخليط وحرقه في حجم مغلق، ثم دخلت منتجات الاحتراق إلى التوربينات. في غرفة الاحتراق هذه، لا تكون درجة الحرارة والضغط ثابتة: فهي تزيد بشكل حاد في لحظة احتراق الوقود، وبمرور الوقت، ظهرت المزايا التي لا شك فيها لغرف الاحتراق من النوع الأول. لذلك، في محطات توربينات الغاز الحديثة، يتم حرق الوقود في معظم الحالات تحت ضغط ثابت في غرفة الاحتراق.

مبدأ تشغيل وحدات توربينات الغاز الشكل 1. مخطط لوحدة توربينية غازية بمحرك توربيني غازي أحادي المحور لدورة بسيطة يتم توفير الهواء النظيف للضاغط (1) لوحدة الطاقة التوربينية الغازية. تحت ضغط مرتفع، يتم توجيه الهواء من الضاغط إلى غرفة الاحتراق (2)، حيث يتم توفير غاز الوقود الرئيسي. يشتعل الخليط. عندما يحترق خليط الهواء والغاز، يتم توليد الطاقة على شكل تيار من الغازات الساخنة. يندفع هذا التدفق بسرعة عالية إلى دافعة التوربين (3) ويقوم بتدويرها. تعمل الطاقة الحركية الدورانية عبر عمود التوربين على تشغيل الضاغط والمولد الكهربائي (4). من أطراف المولد الكهربائي، يتم إرسال الكهرباء المولدة، عادة من خلال محول، إلى الشبكة الكهربائية، إلى مستهلكي الطاقة.

توصف توربينات الغاز بدورة برايتون الديناميكية الحرارية، وهي دورة ديناميكية حرارية تصف عمليات تشغيل توربينات الغاز، ومحركات الاحتراق الداخلي التوربينية، وكذلك محركات الاحتراق الخارجية لتوربينات الغاز ذات الحلقة الغازية المغلقة. (أحادي الطور) سائل العمل. الصورة 2. مخطط P,V لدورة برايتون تتكون دورة برايتون المثالية من العمليات التالية: 12 ضغط متساوي الانتروب. 23 إمداد الحرارة متساوي الضغط. 34 التوسع متساوي الانتروبيا. 41 إزالة الحرارة متساوي الضغط.

مع الأخذ في الاعتبار الاختلافات بين العمليات الأدياباتيكية الحقيقية للتوسع والضغط من العمليات المتساوية الانتروبيا، يتم إنشاء دورة برايتون حقيقية (12p34p1 على مخطط TS) (الشكل 3) الشكل 3. مخطط TS لدورة برايتون مثالي (12341) حقيقي (12p34p1) عادة ما يتم التعبير عن الكفاءة الحرارية لدورة برايتون المثالية بالصيغة: حيث P = p2 / p1 درجة زيادة الضغط في عملية الضغط المتساوي الانتروبيا (12)؛ ك مؤشر ثابت الحرارة (للهواء يساوي 1.4)

كما هو الحال مع جميع المحركات الحرارية الدورية، كلما ارتفعت درجة حرارة الاحتراق، زادت الكفاءة. العامل المحدد هو قدرة الفولاذ أو النيكل أو السيراميك أو المواد الأخرى التي يتكون منها المحرك على تحمل الحرارة والضغط. يتم استخدام الكثير من الهندسة في إزالة الحرارة من أجزاء التوربين. تحاول معظم التوربينات أيضًا استعادة الحرارة من غازات العادم التي قد يتم إهدارها. أجهزة الاسترداد عبارة عن مبادلات حرارية تنقل الحرارة من غازات العادم إلى الهواء المضغوط قبل الاحتراق. في الدورة المركبة، يتم نقل الحرارة إلى أنظمة التوربينات البخارية. وفي الإنتاج المشترك للحرارة والطاقة (التوليد المشترك)، تُستخدم الحرارة المهدرة لإنتاج الماء الساخن. من الناحية الميكانيكية، يمكن أن تكون توربينات الغاز أبسط بكثير من محركات الاحتراق الداخلي المكبسية. قد تحتوي التوربينات البسيطة على جزء متحرك واحد: عمود/ضاغط/توربين/مجموعة دوارة بديلة، ولا تشمل نظام الوقود. الشكل 4. تحتوي هذه الآلة على ضاغط شعاعي أحادي المرحلة، وتوربين، وجهاز استشفاء، ومحامل هواء.

قد تحتوي التوربينات الأكثر تعقيدًا (تلك المستخدمة في المحركات النفاثة الحديثة) على عدة أعمدة (ملفات)، ومئات من شفرات التوربينات، وشفرات الجزء الثابت المتحركة، ونظام واسع من الأنابيب المعقدة، وغرف الاحتراق، والمبادلات الحرارية. بشكل عام، كلما كان المحرك أصغر، زادت سرعة العمود (الأعمدة) المطلوبة للحفاظ على السرعة الخطية القصوى للشفرات. تحدد السرعة القصوى لشفرات التوربين أقصى ضغط يمكن تحقيقه، مما ينتج عنه أقصى قدر من الطاقة، بغض النظر عن حجم المحرك. يدور المحرك النفاث عند حوالي دورة في الدقيقة، والتوربين الصغير عند حوالي دورة في الدقيقة.

جهاز جي تي يو. العناصر الرئيسية لمحطات التوربينات الغازية تتكون محطة التوربينات الغازية من ثلاثة عناصر رئيسية هي: توربين الغاز وغرف الاحتراق وضاغط الهواء. في التين. يوضح الشكل 1أ وحدة توربينات غازية، والضاغط 1، وغرف الاحتراق 2، وتوربينات الغاز 3 التي تقع في مبيت واحد جاهز. يتم توصيل الدوارين 6 و5 للضاغط والتوربين بشكل صارم ببعضهما البعض ويرتكزان على ثلاثة محامل. توجد أربع عشرة غرفة احتراق حول الضاغط، كل منها في مبيت خاص بها. يدخل الهواء إلى الضاغط عبر أنبوب المدخل ويخرج من توربين الغاز عبر أنبوب العادم. يرتكز مبيت وحدة التوربينات الغازية على أربع دعامات 4 و 8، والتي تقع على إطار واحد 7.

ب) - الرسم البياني الحراري يظهر الرسم البياني الحراري لتركيب توربينات الغاز في الشكل. 1-ب. يتم إمداد الوقود والهواء المضغوط إلى غرف الاحتراق عن طريق مضخة الوقود بعد الضاغط. يتم خلط الوقود بالهواء الذي يعمل كمؤكسد، ويتم إشعاله وحرقه. كما يتم خلط نواتج الاحتراق النظيفة مع الهواء بحيث لا تتجاوز درجة حرارة الغاز الناتج بعد الخلط قيمة محددة سلفا. ومن غرف الاحتراق، يدخل الغاز إلى توربينات الغاز، والتي تم تصميمها لتحويل طاقتها الكامنة إلى عمل ميكانيكي. أثناء بذل الشغل، يبرد الغاز وينخفض ​​ضغطه إلى الضغط الجوي. من توربينات الغاز، يتم إطلاق الغاز في البيئة. يدخل الهواء النظيف إلى الضاغط من الغلاف الجوي. وفي الضاغط يزداد ضغطه وترتفع درجة الحرارة. يستهلك محرك الضاغط جزءًا كبيرًا من طاقة التوربين. تسمى محطات توربينات الغاز العاملة وفق هذا المخطط بمحطات الدورة المفتوحة. تعمل معظم توربينات الغاز الحديثة وفقًا لهذا المخطط.

وبالإضافة إلى ذلك، يتم استخدام توربينات الغاز المغلقة (الشكل 2). تحتوي توربينات الغاز المغلقة أيضًا على ضاغط 1 وتوربين 2. وبدلاً من غرفة الاحتراق، يتم استخدام مصدر الحرارة 4، حيث يتم نقل الحرارة إلى سائل العمل دون اختلاطها بالوقود. يمكن أن يكون سائل العمل هو الهواء أو ثاني أكسيد الكربون أو بخار الزئبق أو الغازات الأخرى. أرز. 2. رسم تخطيطي لوحدة توربينية غازية مغلقة: 1 - الضاغط، 2 - التوربين، 3 - المولد الكهربائي، 4 - مصدر الحرارة، 5 - المولد، 6 - مبرد السائل العامل الذي يزداد ضغطه في الضاغط. يتم تسخينه في مصدر الحرارة 4 ويدخل في التوربين 2 الذي يعطي فيه طاقته. بعد التوربين يدخل الغاز إلى المبادل الحراري الوسيط 5 (المجدد) حيث يسخن الهواء ثم يبرد في المبرد 6، ويدخل إلى الضاغط 1، وتتكرر الدورة. يمكن استخدام غلايات خاصة لتسخين سائل العمل بطاقة الوقود المحترق أو المفاعلات النووية كمصدر للحرارة.

تصميم وحدة توربينات غازية ثابتة حديثة ذات درجة حرارة عالية وحدة توربينات الغاز التقليدية الحديثة (GTU) عبارة عن مزيج من ضاغط الهواء وغرفة الاحتراق وتوربينات الغاز، بالإضافة إلى الأنظمة المساعدة التي تضمن تشغيلها. يسمى الجمع بين وحدة توربينات الغاز والمولد الكهربائي بوحدة توربينات الغاز. من الضروري التأكيد على اختلاف مهم بين GTU وPTU. لا تشتمل وحدة PTU على غلاية؛ بشكل أكثر دقة، تعتبر الغلاية مصدرًا منفصلاً للحرارة؛ مع هذا الاعتبار، تكون الغلاية عبارة عن "صندوق أسود": تدخل مياه التغذية إليها بدرجة حرارة tp.v، ويخرج البخار باستخدام المعلمات p 0، t0. لا يمكن لمحطة التوربينات البخارية أن تعمل بدون وجود غلاية كجسم مادي. في وحدة توربينات الغاز، تعتبر غرفة الاحتراق عنصرًا أساسيًا فيها. وبهذا المعنى، فإن GTU مكتفية ذاتيا. محطات توربينات الغاز متنوعة للغاية، وربما أكثر تنوعًا من محطات التوربينات البخارية. أدناه سننظر في محطات توربينات الغاز ذات الدورة البسيطة الواعدة والأكثر استخدامًا في قطاع الطاقة.

يظهر الرسم التخطيطي لوحدة التوربينات الغازية في الشكل 1. يدخل الهواء من الغلاف الجوي إلى مدخل ضاغط الهواء، وهو عبارة عن آلة توربينية دوارة ذات مسار تدفق يتكون من شبكات دوارة وثابتة. وتسمى نسبة الضغط الموجود خلف الضاغط pb إلى الضغط الموجود أمامه بنسبة ضغط ضاغط الهواء. يتم تشغيل دوار الضاغط بواسطة توربينات غازية. يتم توفير تيار من الهواء المضغوط إلى غرفة احتراق واحدة أو اثنتين (كما في الشكل 1) أو أكثر. في معظم الحالات، ينقسم تدفق الهواء القادم من الضاغط إلى تيارين. يتم توجيه التدفق الأول إلى أجهزة الموقد، حيث يتم أيضًا توفير الوقود (الغاز أو الوقود السائل). عند حرق الوقود، يتم تشكيل منتجات احتراق الوقود ذات درجة الحرارة العالية. ويتم خلط الهواء البارد نسبياً من التيار الثاني للحصول على غازات (تسمى عادة الغازات العاملة) بدرجة حرارة مقبولة لأجزاء التوربينات الغازية. الغازات العاملة مع ضغط الكمبيوتر (pc

لتصوير مخططات GTU، يتم استخدام رموز مشابهة لتلك المستخدمة في وحدات PTU (الشكل 2). من خلال النظر في الشكل 1 و2، يصبح من الواضح سبب تسمية وحدة التوربينات الغازية الموصوفة بوحدة توربينات الغاز ذات الدورة الديناميكية الحرارية البسيطة. لا يمكن أن تكون التوربينات الغازية أبسط، لأنها تحتوي على الحد الأدنى من المكونات الضرورية التي تضمن العمليات المتسلسلة للضغط والتسخين وتوسيع سائل العمل: ضاغط واحد، وغرف احتراق واحدة أو أكثر تعمل في نفس الظروف، وتوربين غازي واحد. إلى جانب محطات توربينات الغاز ذات الدورة البسيطة، هناك محطات توربينات غازية ذات دورة معقدة، والتي يمكن أن تحتوي على العديد من الضواغط والتوربينات وغرف الاحتراق.

التوربينات الغازية تعتبر التوربينات الغازية العنصر الأكثر تعقيدًا في وحدة التوربينات الغازية، ويرجع ذلك في المقام الأول إلى الارتفاع الشديد في درجة حرارة الغازات العاملة المتدفقة عبر جزء التدفق الخاص بها: تعتبر درجة حرارة الغاز أمام التوربينة 1350 درجة مئوية حاليًا وتعمل «ستاندرد» والشركات الرائدة، وعلى رأسها جنرال إلكتريك، على السيطرة على درجة الحرارة الأولية البالغة 1500 درجة مئوية. تذكر أن درجة الحرارة الأولية "القياسية" للتوربينات البخارية هي 540 درجة مئوية، وفي المستقبل ستكون درجة الحرارة درجة مئوية. ترتبط الرغبة في زيادة درجة الحرارة الأولية في المقام الأول بزيادة الكفاءة التي توفرها. لضمان التشغيل طويل الأمد لتوربينات الغاز، يتم استخدام مزيج من وسيلتين. الوسيلة الأولى هي استخدام مواد مقاومة للحرارة للأجزاء الأكثر تحميلًا والتي يمكنها مقاومة الأحمال الميكانيكية العالية ودرجات الحرارة (في المقام الأول للفوهات وشفرات العمل). إذا تم استخدام الفولاذ (أي السبائك القائمة على الحديد) بمحتوى من الكروم بنسبة 1213٪ لشفرات التوربينات البخارية وبعض العناصر الأخرى، فبالنسبة لشفرات توربينات الغاز، يتم استخدام السبائك القائمة على النيكل (النيمونيكس)، والتي قادرة على خدمة الحياة تحمل درجة الحرارة درجة مئوية. لذلك، جنبا إلى جنب مع الأول، يتم استخدام وسيلة ثانية لتبريد الأجزاء الأكثر سخونة.

نظام تبريد توربينات الغاز يتم تبريد معظم توربينات الغاز الحديثة باستخدام الهواء المأخوذ من مراحل مختلفة لضاغط الهواء. وتعمل بالفعل توربينات الغاز التي يستخدم فيها بخار الماء للتبريد، وهو عامل تبريد أفضل من الهواء. يتم تفريغ هواء التبريد، بعد تسخين الجزء المبرد، إلى مسار تدفق توربين الغاز. يسمى نظام التبريد هذا مفتوحًا. وهناك أنظمة تبريد مغلقة يتم فيها إرسال سائل التبريد الذي يتم تسخينه في الجزء إلى الثلاجة ثم يعود مرة أخرى لتبريد الجزء. مثل هذا النظام ليس معقدًا للغاية فحسب، بل يتطلب أيضًا استعادة الحرارة المجمعة في الثلاجة. يعد نظام التبريد لتوربينات الغاز هو النظام الأكثر تعقيدًا في محطة توربينات الغاز، وهو ما يحدد مدة خدمته. إنه يضمن ليس فقط الحفاظ على المستوى المسموح به لشفرات العمل والفوهة، ولكن أيضًا عناصر السكن، والأقراص الداعمة لشفرات العمل، وقفل موانع التسرب حيث يدور الزيت، وما إلى ذلك. هذا النظام متفرع للغاية ومنظم بحيث يتلقى كل عنصر مبرد هواء تبريد بالمعلمات وبالكمية اللازمة للحفاظ على درجة حرارته المثلى. التبريد المفرط للأجزاء ضار بنفس القدر من التبريد غير الكافي، لأنه يؤدي إلى زيادة تكاليف هواء التبريد، الذي يتطلب ضغطه في الضاغط طاقة توربينية. بالإضافة إلى ذلك فإن زيادة معدلات تدفق الهواء للتبريد تؤدي إلى انخفاض درجة حرارة الغازات خلف التوربين، مما يؤثر بشكل كبير جداً على تشغيل المعدات المثبتة خلف وحدة التوربينات الغازية (على سبيل المثال، وحدة توربينية بخارية تعمل كجزء من وحدة بخارية) وحدة توربينية). أخيرًا، يجب أن يضمن نظام التبريد ليس فقط مستوى درجة الحرارة المطلوبة للأجزاء، ولكن أيضًا تسخينها الموحد، مما يمنع حدوث ضغوط خطيرة في درجات الحرارة، والتي يؤدي عملها الدوري إلى ظهور الشقوق.

يوضح الشكل 17 مثالاً لدائرة التبريد لتوربينة غازية نموذجية. تظهر قيم درجات حرارة الغاز في إطارات مستطيلة. قبل جهاز الفوهة للمرحلة الأولى 1 تصل درجة الحرارة إلى 1350 درجة مئوية. خلفه أي. أمام شبكة العمل للمرحلة الأولى تبلغ درجة الحرارة 1130 درجة مئوية. حتى قبل أن تكون شفرة العمل في المرحلة الأخيرة عند مستوى 600 درجة مئوية. تعمل الغازات بهذه الدرجة على غسل الفوهات وشفرات العمل، وإذا لم يتم تبريدها فإن درجة حرارتها ستكون مساوية لدرجة حرارة الغازات وسيقتصر عمرها التشغيلي على عدة ساعات.

تحتوي التوربينات الغازية عادة على 34 مرحلة، أي. يوجد 68 حافة شبكية، وفي أغلب الأحيان يتم تبريد شفرات جميع الحواف، باستثناء شفرات العمل في المرحلة الأخيرة. يتم إدخال الهواء المخصص لتبريد شفرات الفوهة من خلال نهاياتها ويتم تفريغه من خلال العديد من الثقوب (الثقوب التي يبلغ قطرها 0.50.6 مم) الموجودة في المناطق المقابلة من الملف الشخصي (الشكل 18). يتم توفير هواء التبريد إلى الشفرات الدوارة من خلال فتحات مصنوعة في نهايات السيقان.

وقود وحدة توربينات الغاز يمكن أن تعمل وحدة توربينات الغاز على الوقود الغازي والسائل. وبالتالي، يمكن استخدام ما يلي في وحدات توربينات الغاز: وقود الديزل، الكيروسين، الغاز الطبيعي، غاز البترول المصاحب، الغاز الحيوي (المتكون من مياه الصرف الصحي، ومدافن النفايات، وما إلى ذلك) غاز المناجم، غاز أفران فحم الكوك، غاز الخشب، إلخ. يمكن أن تعمل معظم وحدات توربينات الغاز بطاقة منخفضة - وقود ذو سعرات حرارية مع الحد الأدنى من تركيز الميثان (يصل إلى 30٪).

مزايا محطات توليد الطاقة بتوربينات الغاز: الحد الأدنى من الأضرار التي تلحق بالبيئة: انخفاض استهلاك النفط، والقدرة على العمل على مخلفات الإنتاج؛ انبعاثات المواد الضارة: في حدود 25 ملجم/كجم. مستويات منخفضة من الضوضاء والاهتزاز. هذا الرقم لا يتجاوز ديسيبل. الأبعاد المدمجة والوزن المنخفض تجعل من الممكن وضع وحدة توربينات الغاز في منطقة صغيرة، مما يمكن أن يوفر المال بشكل كبير. هناك خيارات ممكنة لتركيب وحدات توربينات الغاز منخفضة الطاقة على السطح. تتيح القدرة على العمل على أنواع مختلفة من الغاز استخدام وحدة توربينات الغاز في أي إنتاج باستخدام أكثر أنواع الوقود فعالية من حيث التكلفة. تشغيل محطات توليد الطاقة بتوربينات الغاز سواء في وضع مستقل أو بالتوازي مع الشبكة. القدرة على تشغيل محطة توليد الكهرباء بتوربينات الغاز لفترة طويلة بأحمال منخفضة للغاية، بما في ذلك في وضع الخمول. الحد الأقصى المسموح به للحمل الزائد: 150% من التيار المقدر لمدة دقيقة واحدة، 110% من التيار المقدر لمدة ساعتين. قدرة المولد ونظام المثير على تحمل ما لا يقل عن 300% من التيار المستمر المقدر للمولد لمدة 10 ثواني في حالة وجود دائرة قصر متناظرة ثلاثية الطور عند أطراف المولد، وبالتالي توفير الوقت الكافي لقواطع الدائرة الانتقائية ليشغل.

محطات الدورة المركبة (محطات النوع المشترك) تتفوق بشكل كبير على جميع المحطات الأخرى من حيث الكفاءة نظرًا لحقيقة أن الطاقة الحرارية فيها، عند تحويلها إلى طاقة كهربائية، تمر بدورتين: احتراق الغاز واستخدام البخار عند تبريد منتجات النفايات في الدائرة الأولية. تتيح محطات الدورة المركبة تحقيق كفاءة كهربائية تزيد عن 50%. للمقارنة، بالنسبة لمحطات الطاقة البخارية التي تعمل بشكل منفصل، تتراوح الكفاءة عادة بين 33-45%، بالنسبة لمحطات توربينات الغاز في حدود %. بالإضافة إلى ذلك، فهي تلبي المتطلبات البيئية بسبب انخفاض الانبعاثات بشكل كبير في الغلاف الجوي. تستهلك محطات الدورة المركبة كميات أقل بكثير من المياه لكل وحدة من الكهرباء المولدة مقارنة بمحطات الطاقة البخارية. وهذا يقلل من تكاليف الإنتاج: نظام تبريد المياه أكثر إحكاما وحجم المياه المستخدمة أقل.

بحثًا عن طرق لتحسين اقتصاديات توربينات الغاز، طور العلماء والمصممون نظامًا أصليًا للمحطات المدمجة. وتسمى هذه المحطات محطات الدورة المركبة، وتتكون من مزيج من التوربينات البخارية والغازية. يؤدي الاستخدام المشترك لدورات البخار والغاز إلى تقليل استهلاك الحرارة النوعية بنسبة 4-7% مقارنة بتركيب توربينات بخارية ذات طاقة ومعايير مماثلة، مع تقليل الاستثمارات الرأسمالية بنسبة 10-12%. أظهرت الخبرة الواسعة في بناء وحدات CCGT في قطاع الطاقة الأجنبي أنه يمكن بناؤها في وقت قصير في محطة نيفينوميسك للطاقة الحرارية في عام 1972، تم تشغيل محطة غاز الدورة المركبة لأول مرة في اتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية. . هنا، ولأول مرة، مخطط مشترك لمولد بخار HPG عالي الضغط يعمل بضغط في الفرن 650 كيلو نيوتن/م2 (6.5 كجم ثقلي/سم2)، ووحدة توربينة غازية بقدرة 43 ميجاوات ووحدة بخارية تم استخدام وحدة توربينية بقدرة 160 ميجاوات.

مبدأ التشغيل والتصميم تتكون محطة الغاز ذات الدورة المركبة من منشأتين منفصلتين: الطاقة البخارية وتوربينات الغاز. في وحدة توربينات الغاز، يتم تدوير التوربين بواسطة المنتجات الغازية لاحتراق الوقود. يمكن أن يكون الوقود إما غازًا طبيعيًا أو منتجات صناعة البترول (زيت الوقود ووقود الديزل). يقع المولد الأول على نفس عمود التوربين، والذي يولد تيارًا كهربائيًا بسبب دوران الدوار. من خلال المرور عبر توربينات الغاز، تمنحها منتجات الاحتراق جزءًا فقط من طاقتها ولا تزال درجة حرارتها مرتفعة عند الخروج من توربينات الغاز. ومن مخرج توربين الغاز، تدخل منتجات الاحتراق إلى محطة توليد الطاقة البخارية، ومراجل الحرارة المهدرة، حيث يتم تسخين الماء وبخار الماء الناتج. درجة حرارة منتجات الاحتراق كافية لجلب البخار إلى الحالة اللازمة للاستخدام في التوربينات البخارية (درجة حرارة غاز المداخن التي تبلغ حوالي 500 درجة مئوية تسمح للمرء بالحصول على بخار شديد السخونة عند ضغط يبلغ حوالي 100 ضغط جوي). يقوم التوربين البخاري بتشغيل مولد كهربائي ثانٍ. توجد محطات الدورة المركبة التي تقع فيها التوربينات البخارية والغازية على نفس العمود، وفي هذه الحالة يتم تركيب مولد واحد فقط. في بعض الأحيان يتم إنشاء محطات الغاز ذات الدورة المركبة على أساس محطات الطاقة البخارية القديمة الموجودة. في هذه الحالة، يتم تفريغ غازات العادم الصادرة عن توربين الغاز الجديد إلى الغلاية البخارية الموجودة، والتي يتم تعديلها وفقًا لذلك. وعادة ما تكون كفاءة هذه المحطات أقل من كفاءة محطات الدورة المركبة الجديدة المصممة والمبنية من الصفر.

المخططات الواعدة لمحطات الغاز ذات الدورة المركبة هي: مع غلايات الضغط المنخفض والضغط العالي (NPGU وVPGU)، وكذلك تسخين مياه التغذية بواسطة غازات العادم. رسم بياني 1. رسم تخطيطي لمحطة الدورة المركبة مع غلاية الضغط المنخفض: 1 - مولد توربينات الغاز، 2 - الضاغط، 3 - غرفة الاحتراق، 4،7 - توربينات الغاز والبخار، 5 - إمدادات الوقود، 6 - المرجل، 8 - التوربينات البخارية مولد، 9 - مكثف، 10، 11 - مضخات المكثفات والتغذية. يظهر الشكل 1 مخططًا لمحطة الدورة المركبة مع غلاية منخفضة الضغط. لا يختلف تركيب التوربينات البخارية تقريبًا عن التركيب التقليدي. تدخل الغازات من توربينات الغاز إلى فرن غلاية التوربينات البخارية، حيث يتم توفير الوقود لتسخينها في نفس الوقت. نظرًا لأنه في هذه الحالة يتم توفير غازات ذات درجة حرارة مرتفعة لفرن المرجل، يتم تقليل استهلاك الوقود لتسخينها، مما يزيد من كفاءة التركيب بأكمله. عادة، تبلغ قوة وحدة توربينات الغاز في محطة الدورة المركبة 12-15٪ من قوة التوربينات البخارية. استهلاك الحرارة النوعي لـ NPGU مقارنة بـ STU أقل بنسبة 3-5%.

الصورة 2. رسم تخطيطي لمحطة الدورة المركبة مع غلاية الضغط العالي: 1.4 توربينات غازية وبخارية، 2 إمدادات وقود، 3 غلاية، 5.8 مولدات توربينات بخارية ووحدة توربينات غازية، 6 مكثف، 7 اقتصادي، 9 ضاغط يظهر الشكل 2 محطة غاز ذات دورة مركبة مع غلاية عالية الضغط. يقوم الضاغط 9 بتزويد الفرن بالهواء عند ضغط 0.40.6 ميجا باسكال. درجة حرارة الغازات الداخلة إلى التوربين الغازي من الفرن هي 750 درجة مئوية. تدخل الغازات من التوربين إلى المقتصد. خلف المقتصد، تكون درجة حرارتها أقل بدرجة مئوية عنها بعد وحدة توربينات غازية منفصلة. يزداد متوسط ​​درجة حرارة الغازات الموجودة في الغلاية بسبب وجود وحدة توربينية غازية في دائرة تركيب التوربين البخاري (مقارنة بوحدة توربينة بخارية منفصلة). ونتيجة لذلك، تزداد كفاءة محطة الدورة المركبة مقارنة بالتوربينات البخارية الفردية وتوربينات الغاز؛ وفي الوقت نفسه، يتم تقليل استهلاك الوقود المحدد بنسبة 58%. بسبب زيادة الضغط في المرجل، يتم تقليل أبعاده وتقليل تكاليف بناء المصنع. أحد عيوب محطات CCGT هو الانخفاض الطفيف في موثوقية المحطة بسبب تعقيد الدائرة الحرارية. بالإضافة إلى ذلك، في وحدة CCGT المزودة بغلاية عالية الضغط، يمكن استخدام الوقود السائل أو الغازي فقط، لأنه عند التشغيل بالوقود الصلب، تتسبب الجزيئات غير القابلة للاحتراق الموجودة في منتجات الاحتراق في تآكل شفرات توربينات الغاز.

\ تين. 3. مخطط وحدة توربينات غازية مغلقة: 1 بطارية، 2 منظم، 3 مجدد، 4 مفاعل نووي، 5 توربينات، 6،8،12 ضواغط ومعزز ضغط منخفض وعالي، 7 مبرد داخلي، 9،11 مولدات، 10 مبرد في الطاقة النووية وتستخدم محطات (NPPs) وحدات توربينات الغاز المغلقة (الشكل 3). يتم ضغط مائع العمل في الضاغط منخفض الضغط 6، ويتم تبريده في المبرد البيني 7، ثم يتم ضغطه في الضاغط عالي الضغط 8، ثم يدخل إلى المجدد 3 والمفاعل النووي 4. ويدخل مائع العمل المسخن في المفاعل النووي إلى التوربينات 5، ومن هناك إلى المجدد 3، ثم إلى مبرد الماء 10. يتم تجديد التسريبات بواسطة الضاغط المعزز 12، الذي يضخ سائل العمل إلى المجمع 1. من خلال المنظم المتحكم فيه 2، يمكن لسائل العمل، إذا لزم الأمر ، يتم إمدادها إلى مسار وحدة التوربينات الغازية. إن التوربينات والضاغط في توربينات الغاز المغلقة صغير الحجم، حيث أن الضغط في مسار توربينات الغاز يمكن أن يكون أعلى بكثير من الضغط الجوي. ومع ذلك، ونتيجة لظهور وحدات إضافية (المبرد البيني)، تكون توربينات الغاز المغلقة أكبر في الكتلة والحجم من توربينات الغاز ذات الدورة المفتوحة. وتتمثل ميزة توربينات الغاز المغلقة في حدوث تغير طفيف في الكفاءة مع تغيرات في الطاقة، بالإضافة إلى عدم وجود تآكل أو رواسب غبار في قسم التدفق. تستهلك توربينات الغاز المغلقة الكثير من الماء لتبريد مائع التشغيل في المبرد 10. والغرض من ذلك هو استخدام توربينات الغاز المغلقة في محطات الطاقة النووية ذات المفاعلات النيوترونية السريعة التي يعمل فيها الهيليوم كمائع تشغيل.

مزايا وحدات CCGT: تتيح محطات الدورة المركبة تحقيق كفاءة كهربائية تزيد عن 60%. للمقارنة، بالنسبة لمحطات الطاقة البخارية التي تعمل بشكل منفصل، عادة ما تكون الكفاءة ضمن النطاق٪، بالنسبة لمحطات توربينات الغاز في النطاق٪ تكلفة منخفضة لكل وحدة من القدرة المركبة تستهلك محطات الغاز ذات الدورة المركبة مياهًا أقل بكثير لكل وحدة من الكهرباء المولدة مقارنة بالبخار محطات توليد الطاقة وقت بناء قصير (9-12 شهرًا). ليست هناك حاجة لإمداد مستمر بالوقود عن طريق السكك الحديدية أو النقل البحري. تسمح الأبعاد المدمجة بالبناء مباشرة عند المستهلك (المصنع أو داخل المدينة)، مما يقلل من تكلفة خطوط الكهرباء ونقل الكهرباء . الطاقة أكثر ملاءمة للبيئة مقارنة بمحطات التوربينات البخارية مساوئ CCGT: انخفاض طاقة الوحدة للمعدات (.1 ميجاوات لكل وحدة واحدة)، في حين أن محطات الطاقة الحرارية الحديثة لديها وحدة طاقة تصل إلى 1200 ميجاوات، ومحطات الطاقة النووية ميجاوات. الحاجة إلى تصفية الهواء المستخدم لحرق الوقود.
التوليد الثلاثي هو الإنتاج المتزامن لثلاثة أنواع من الطاقة: الكهرباء والحرارة والبرودة. هذا النهج فعال بشكل خاص في المناطق التي تشهد تغيرات متكررة وكبيرة في درجات الحرارة. لقد أثبتت المولدات الثلاثية أنها ممتازة، وهناك المزيد والمزيد من الشركات التي تهدف إلى تحقيق أقصى قدر من توفير الطاقة تفكر في تركيب معدات من هذا النوع.

مجالات تطبيق محطات التوليد الثلاثي تستخدم محطات التوليد الثلاثي على نطاق واسع. في صناعة المواد الغذائية، هناك حاجة إلى الماء البارد بدرجة حرارة 8-14 درجة مئوية المستخدمة في العمليات التكنولوجية. تستخدم مصانع الجعة الماء البارد لتبريد وتخزين المنتج النهائي؛ وتستخدم مزارع الماشية هذه المياه لتبريد منتجات الألبان. يعمل منتجو الأغذية المجمدة في درجات حرارة تتراوح من -18 درجة مئوية إلى -30 درجة مئوية على مدار العام. يتم استخدام البرد في أنظمة تكييف الهواء المختلفة للمباني الصناعية والبنوك والفنادق ومراكز التسوق والمستشفيات والملاعب وقصور الجليد وقاعات الحفلات الموسيقية والمناطق السكنية. إن التنفيذ العملي لأنظمة التوليد الثلاثي بسيط للغاية ولا يتطلب استثمارات رأسمالية كبيرة جدًا، ولكن التوفير منه يعطي نتائج مبهرة - التثبيت يدفع ثمنه بسرعة. وهذا يسمح لنا باعتبار التوليد الثلاثي أحد أبسط الطرق لتوفير المال دون تعطيل عمليات الإنتاج القائمة مع حل المشكلات البيئية في نفس الوقت. يمكن أن يكون مصدر الحرارة المستردة هو الديزل، ومكبس الغاز، ومحطات توليد الطاقة بتوربينات الغاز، والتي يمكن أن تستخدم الوقود التقليدي (الغازي أو السائل) والمتجدد (الغاز الحيوي).

كيف يعمل التوليد الثلاثي التوليد الثلاثي هو عملية يتم فيها استخدام جزء من الطاقة الحرارية الناتجة عن تشغيل محرك الاحتراق الداخلي لتبريد المياه أو تكييف الهواء أو التبريد. من الناحية التكنولوجية، نظام التوليد الثلاثي هو عبارة عن اتصال بين وحدة التوليد المشترك وآلة التبريد بالامتصاص. آلة التبريد بالامتصاص (أيضًا آلة تبريد بروميد الليثيوم بالامتصاص، مبرد الامتصاص أو ABHM) هي وحدة تبريد صناعية مصممة لاختيار وإزالة الحرارة الزائدة والحفاظ على درجة حرارة مثالية وظروف حرارية معينة أثناء تشغيل أنواع مختلفة من معدات الإنتاج والتقنيات الأجهزة والأدوات والمعدات، فضلا عن العمليات التكنولوجية المرتبطة بزيادة الأحمال الحرارية. ويستخدمون محاليل مختلفة كمادة ماصة، على سبيل المثال، بروميد الليثيوم (LiBr) في الماء.

ABHM هو بديل اقتصادي وبيئي لتكييف الهواء القياسي. يتم تسخين ABHM بالماء الساخن أو البخار ويمكن إجراؤه على مرحلة واحدة أو مرحلتين. مع نظام المرحلة الواحدة، تتم إزالة 600 كيلوواط من البرد من 1 ميغاواط من الطاقة الكهربائية، ومع نظام على مرحلتين، تتم إزالة 1200 كيلوواط من البرد. معامل التبريد (CC) للتشغيل (نسبة قدرة التبريد إلى استهلاك الطاقة) للآلات أحادية المرحلة، والآلات ذات المرحلتين القدرة على إنتاج الطاقة الحرارية خلال موسم التدفئة، والبرودة في الصيف، تجعل عملية التثليث نبات جذاب من الناحية الاقتصادية. في الواقع، يضمن هذا النوع من المخططات تحميلًا كاملاً للتركيب دون انخفاضات في استهلاك الطاقة الحرارية خارج موسم التدفئة.

يعد استخدام عملية التوليد الثلاثي أكثر فعالية في فصل الصيف، لأنه يمكن استخدام الحرارة الزائدة الناتجة عن تشغيل وحدة مكبس الغاز لإنتاج مياه مبردة، والتي بدورها يمكن استخدامها لتلبية الاحتياجات التكنولوجية أو استخدامها في نظام تكييف الهواء بالمبنى. في فصل الشتاء، عندما تختفي الحاجة إلى الماء البارد، يمكن إيقاف تشغيل وحدة الامتصاص. في هذه الحالة، يتم استخدام كل الحرارة الناتجة عن وحدة مكبس الغاز في نظام التدفئة. أساس التوليد الثلاثي هو مبدأ استخدام الطاقة الحرارية المولدة، مما يقلل بشكل كبير من تكلفة إنتاج التبريد.

التوليد الثلاثي وفوائد استخدامه. - الكفاءة (يتم استخدام الحرارة الزائدة لإنتاج البرد)؛ - الحد الأدنى من التآكل (تصميم مبرد بسيط)؛ - ضوضاء منخفضة (وحدة الامتصاص تعمل بصمت)؛ - الصداقة البيئية (يتم استخدام الماء كمبرد)؛ - كفاءة عالية (تصل الكفاءة إلى 92%)

التوليد الثلاثي والبيئة في أنظمة التوليد الثلاثي المعتمدة على ABCM، لا توجد عمليًا أي انبعاثات لغازات الدفيئة ولا يوجد تلوث كيميائي ضار، حيث يتم استخدام الماء كمبرد. ومن المهم أن نلاحظ أن استخدام التوليد الثلاثي هو أحد أفضل التقنيات المتاحة للحد من انبعاثات غازات الدفيئة وغيرها من التلوث البيئي.

وحدات توربينات الغاز (GTU)

عملية عمل GTU. تستخدم محطات توربينات الغاز الحديثة دورة احتراق عند p = const (الشكل 6.5).

تشتمل وحدة توربينات الغاز عادة على غرفة احتراق، وتوربينة غاز، وضاغط هواء، ومبادلات حرارية لأغراض مختلفة (مبردات الهواء، ومبردات الزيت لنظام التشحيم، ومبادلات الحرارة المتجددة) والأجهزة المساعدة (مضخات الزيت، وعناصر إمداد المياه، وما إلى ذلك) .).

سائل العمل لتوربينات الغاز هو منتجات احتراق الوقود، وهي الغاز الطبيعي والغازات الاصطناعية النقية جيدًا (فرن الصهر، فرن فحم الكوك، المولد) والوقود السائل الخاص بتوربينات الغاز (زيت محرك الديزل المعالج وزيت الطاقة الشمسية).

يتم تحضير خليط العمل في غرفة الاحتراق. وينقسم حجم حريق الغرفة (الشكل 20.9) إلى منطقة احتراق، حيث يحدث احتراق الوقود عند درجة حرارة حوالي 2000 درجة مئوية، ومنطقة خلط، حيث يتم خلط الهواء مع نواتج الاحتراق لتقليل درجة حرارتها إلى 750 درجة مئوية. -1090 درجة مئوية في التوربينات الثابتة وحتى 1400 درجة مئوية - في توربينات الطائرات.

مبدأ تشغيل توربينات الغاز والبخار هو نفسه، ولكن تصميم مسار تدفق توربينات الغاز أبسط بكثير. أنها تعمل على انخفاض الحرارة المتاحة صغيرة نسبيا، وبالتالي لديها عدد قليل من المراحل.

نظرًا لارتفاع درجة حرارة منتجات الاحتراق، فإن أجزاء تدفق التوربينات (الفوهات، وشفرات الدوار، والأقراص، والأعمدة) مصنوعة من سبائك الفولاذ عالية الجودة. من أجل التشغيل الموثوق، يتم تزويد معظم التوربينات بتبريد مكثف للأجزاء الأكثر تحميلًا من الهيكل والدوار.

في الظروف الحقيقية، تكون جميع العمليات في محطات توربينات الغاز غير متوازنة، وهو ما يرتبط بفقدان العمل في التوربين والضاغط، وكذلك مع المقاومة الديناميكية الهوائية في مسار محطة توربينات الغاز. في التين. في الشكل 20.10، يتم توضيح عملية الضغط الفعلية في الضاغط بواسطة الخط 1-2، وعملية التمدد في التوربين بواسطة الخط 3-4. تشير النقطتان 2 أ و 4 أ إلى حالة مائع العمل، على التوالي، في نهاية الضغط والتمدد الأديابي المتوازن، النقطة O - المعلمات البيئية. بسبب فقدان الضغط في مسار الشفط للضاغط (الخط 01)، تبدأ عملية الضغط عند النقطة 1.

وبالتالي، يتم إنفاق الكثير من العمل على ضغط الهواء في دورة حقيقية، وعند توسيع الغاز في التوربين، يتم الحصول على عمل أقل مقارنة بالدورة المثالية. كفاءة الدورة أقل. كلما زادت درجة زيادة الضغط π (أي كلما ارتفعت p2)، كلما زاد مجموع هذه الخسائر مقارنة بالعمل المفيد. عند قيمة معينة π (كلما زادت، زادت T 3 والكفاءة النسبية الداخلية للتوربين والضاغط، أي كلما قلت الخسائر فيهما)، يمكن أن يصبح عمل التوربين مساويًا للعمل المنفق على القيادة الضاغط، والعمل المفيد يمكن أن يصبح صفراً.

لذلك، يتم تحقيق أكبر كفاءة للدورة الحقيقية، على عكس الدورة المثالية، عند درجة معينة (مثلى) من زيادة الضغط، وكل قيمة لـ Tz لها π opt (الشكل 20.11). كفاءة أبسط توربينات الغاز لا تتجاوز 14-18%، ومن أجل زيادتها يتم تصنيع توربينات الغاز بعدة مراحل من الإمداد الحراري والتبريد الوسيط للهواء المضغوط، وكذلك بالتسخين المتجدد للهواء المضغوط عن طريق غازات العادم بعد التوربين، وبذلك تقرب الدورة الحقيقية من دورة كارنو.

GTU مع استعادة الحرارة من غازات المداخن. يمكن استخدام حرارة الغازات الخارجة من وحدة التوربينات الغازية لإنتاج البخار والماء الساخن في المبادلات الحرارية التقليدية. وبالتالي، تم تجهيز منشآت GT-25-700 LMZ بسخانات تعمل على تسخين المياه في نظام التدفئة إلى 150-160 درجة مئوية.

وفي الوقت نفسه، فإن المستوى المرتفع نسبياً لمعامل الهواء الزائد في وحدة التوربينات الغازية يسمح باحتراق كمية كبيرة بما فيه الكفاية من الوقود الإضافي في بيئة منتجات الاحتراق. ونتيجة لذلك، تخرج الغازات ذات درجة الحرارة المرتفعة بدرجة كافية من غرفة الاحتراق الإضافية بعد التوربينات الغازية، وهي مناسبة لإنتاج البخار بمعلمات الطاقة في مولد البخار المثبت خصيصًا لهذا الغرض. في محطة كهرباء منطقة كارمانوفسكايا الحكومية، يتم بناء غلاية لوحدة بقدرة كهربائية تبلغ 500 ميجاوات وفقًا لهذا المخطط.

تطبيق وحدات التوربينات الغازية. في السنوات الأخيرة، تم استخدام وحدات توربينات الغاز على نطاق واسع في مختلف المجالات: في النقل، في قطاع الطاقة، لتشغيل المنشآت الثابتة، إلخ.

وحدات الطاقة التوربينية الغازية. التوربينات الغازية أصغر حجما وأخف وزنا من التوربينات البخارية، لذلك عند بدء التشغيل ترتفع درجة حرارتها إلى درجات حرارة التشغيل بشكل أسرع بكثير. يتم تشغيل غرفة الاحتراق على الفور تقريبًا، على عكس الغلاية البخارية، التي تتطلب تسخينًا بطيئًا طويل المدى (عدة ساعات أو حتى عشرات الساعات) لتجنب وقوع حادث بسبب التمدد الحراري غير المتساوي، وخاصة الأسطوانة الضخمة بقطر يصل إلى 1.5 متر، وطول يصل إلى 15 مترًا، وسمك جدار يزيد عن 100 ملم.

لذلك، تُستخدم وحدات توربينات الغاز بشكل أساسي لتغطية الأحمال القصوى وكاحتياطي طوارئ للاحتياجات الخاصة لأنظمة الطاقة الكبيرة، عندما تحتاج الوحدة إلى التشغيل بسرعة كبيرة. لا تلعب الكفاءة المنخفضة لوحدة التوربينات الغازية مقارنة بوحدة PSU دورًا في هذه الحالة، حيث تعمل التركيبات لفترات زمنية قصيرة. تتميز محطات توربينات الغاز هذه ببدء تشغيل متكرر (يصل إلى 1000 ساعة في السنة) مع عدد قليل نسبيًا من ساعات الاستخدام (من 100 إلى 1500 ساعة في السنة). ويتراوح نطاق قدرات الوحدة لهذه التوربينات الغازية من 1 إلى 100 ميجاوات.

تُستخدم توربينات الغاز أيضًا لتشغيل مولد كهربائي وتوليد الكهرباء في المنشآت المتنقلة (على سبيل المثال، على السفن البحرية). عادة ما تعمل توربينات الغاز هذه في نطاق حمل يتراوح بين 30-110% من الحمل المقدر، مع عمليات تشغيل وتوقف متكررة. تتراوح قدرة وحدة هذه التوربينات الغازية من عشرات الكيلووات إلى 10 ميجاوات. التطور السريع لمحطات الطاقة النووية مع مفاعلات مبردة، على سبيل المثال، بالهيليوم، يفتح احتمال استخدام محطات توربينات الغاز ذات الدائرة الواحدة التي تعمل في دورة مغلقة (سائل العمل لا يترك المحطة).

تتكون مجموعة محددة من توربينات الطاقة الغازية من منشآت تعمل في المخططات التكنولوجية للمنشآت الكيميائية وتكرير النفط والمعادن وغيرها (تكنولوجيا الطاقة). وهي تعمل في وضع التحميل الأساسي وهي مصممة في أغلب الأحيان لتشغيل الضاغط الذي يزود العملية التكنولوجية بالهواء المضغوط أو الغاز باستخدام طاقة التمدد للغازات المتولدة نتيجة للعملية التكنولوجية نفسها.

تُستخدم توربينات الغاز الدافعة على نطاق واسع لتشغيل شواحن الغاز الطبيعي الفائقة بالطرد المركزي في محطات الضاغط بخطوط الأنابيب الرئيسية، بالإضافة إلى مضخات نقل النفط والمنتجات البترولية والمنافيخ في محطات الدورة المركبة. تتراوح الطاقة المفيدة لهذه التوربينات الغازية من 2 إلى 30 ميجاوات.

تُستخدم توربينات غاز النقل على نطاق واسع كمحركات رئيسية ومحركات احتراق لاحق للطائرات (المحرك النفاث والمروحي التوربيني) والسفن البحرية. ويرجع ذلك إلى إمكانية تحقيق أداء قياسي من حيث القوة النوعية والأبعاد الإجمالية مقارنة بأنواع المحركات الأخرى، على الرغم من استهلاك الوقود الأعلى قليلاً. تعتبر توربينات الغاز واعدة جدًا كمحركات قاطرة، حيث تعتبر أبعادها الصغيرة وقلة احتياجاتها من المياه ذات قيمة خاصة. تعمل توربينات الغاز الخاصة بالنقل في نطاق واسع من الأحمال وهي مناسبة للتعزيزات قصيرة المدى.

ولا تتجاوز قوة وحدة التوربينات الغازية حتى الآن 100 ميجاوات، وكفاءة التركيب 27-37%. ومع زيادة درجة حرارة الغاز الأولية إلى 1200 درجة مئوية، سيتم زيادة قوة وحدة التوربينات الغازية إلى 200 ميجاوات وزيادة كفاءة التركيب إلى 38-40%.

مخططات ومؤشرات تركيب توربينات الغاز لمحطات الطاقة

تلقت محطات توليد الطاقة بتوربينات الغاز في اتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية توزيعًا محدودًا كمحطات طاقة مستقلة. تتميز وحدات توربينات الغاز التسلسلية (GTUs) بكفاءة منخفضة، وتستهلك، كقاعدة عامة، وقودًا عالي الجودة (سائلًا أو غازيًا). مع انخفاض تكاليف رأس المال للبناء، فهي تتميز بقدرة عالية على المناورة، ولهذا السبب يتم استخدامها في بعض البلدان، على سبيل المثال في الولايات المتحدة الأمريكية، كمحطات طاقة ذروة. تتميز توربينات الغاز بخصائص ضوضاء متزايدة مقارنة بالتوربينات البخارية، مما يتطلب عزلًا صوتيًا إضافيًا لغرفة المحرك وأجهزة سحب الهواء. يستهلك ضاغط الهواء نسبة كبيرة (50-60%) من الطاقة الداخلية لتوربين الغاز. نظرًا لنسبة الطاقة المحددة للضاغط وتوربينات الغاز، فإن نطاق التغيرات في الحمل الكهربائي لوحدة توربينات الغاز صغير.

لا تتجاوز قوة وحدة توربينات الغاز المركبة 100-150 ميجاوات، وهو أقل بكثير من قدرة الوحدة المطلوبة لوحدات الطاقة الكبيرة.

تعمل معظم توربينات الغاز الحديثة وفق نظام احتراق الوقود المستمر ويتم إجراؤها في دورة مفتوحة (مفتوحة) أو مغلقة (مغلقة)، حسب نوع الوقود المحروق.

في وحدة توربينات غازية ذات دورة مفتوحةالوقود المستخدم هو وقود توربينات الغاز السائل منخفض الكبريت أو الغاز الطبيعي، والذي يتم إمداده إلى غرفة الاحتراق (الشكل 9.1). تتم تنقية الهواء اللازم لاحتراق الوقود في جهاز معقد لتنقية الهواء (مرشح) وضغطه في ضاغط إلى ضغط ميجاباسكال. للحصول على درجة حرارة غاز معينة أمام التوربين الغازي درجة مئوية، يتم الحفاظ على الهواء الزائد المطلوب (2.5-5.0) في غرفة الاحتراق، مع الأخذ في الاعتبار درجة حرارة الاحتراق النظرية للوقود، ونوع الوقود، وطريقة احتراقه، وما إلى ذلك. والغازات الساخنة هي سائل العمل في توربينات الغاز، حيث تتوسع، ثم عند درجة الحرارة يتم إطلاق درجة مئوية في المدخنة.

أرز. 9.1. رسم تخطيطي حراري لوحدة توربينية غازية ذات دورة مفتوحة:

ل- المكبس الهوائي؛ جي تي- توربينات الغاز. ز -مولد كهربائي؛ بو- جهاز البداية؛ F-مرشح الهواء؛ كانساس- غرفة احتراق الوقود

وحدة توربينات غازية ذات دورة مغلقة(الشكل 9.2) يسمح باستخدام الوقود السائل الصلب والعالي الكبريت (زيت الوقود)، الذي يتم حرقه في غرفة الاحتراق حيث يتم تركيب سخان سائل يعمل، عادة الهواء. إن تضمين مبرد الهواء في الدائرة يقلل من عمل الضغط في الضاغط، كما يزيد المجدد من كفاءة وحدة التوربينات الغازية. لم نشهد بعد استخدام توربينات الغاز ذات الدورة المغلقة مع سوائل العمل الأخرى (الهيليوم، وما إلى ذلك).

المزايا الرئيسية لتوربينات الغاز لنظام الطاقة هي قدرتها على الحركة. اعتمادًا على نوع التثبيت، تتراوح مدة بدء التشغيل والتحميل من 5 إلى 20 دقيقة. تتميز توربينات الغاز بتكلفة محددة أقل (50-80٪ أقل من تكلفة وحدات الطاقة الأساسية)، ودرجة عالية من الاستعداد لبدء التشغيل، وعدم الحاجة إلى مياه التبريد، وإمكانية البناء السريع لمحطات الطاقة الحرارية بتكاليف صغيرة أبعاد محطة توليد الكهرباء والتلوث البيئي غير ملحوظ. وفي الوقت نفسه، تتميز توربينات الغاز بكفاءة منخفضة في إنتاج الكهرباء (28-30%)، وإنتاجها في المصانع أكثر تعقيدًا من التوربينات البخارية، وتتطلب أنواعًا باهظة الثمن ونادرة من الوقود. حددت هذه الظروف أيضًا المنطقة الأكثر عقلانية لاستخدام توربينات الغاز في نظام الطاقة كوحدات ذروة الذروة وعادةً ما يتم تشغيلها بشكل مستقل باستخدام قدرة مركبة تبلغ 500-1000 ساعة / سنة. بالنسبة لمثل هذه التركيبات، يكون التصميم المفضل هو وحدة توربينية غازية ذات عمود واحد لدورة بسيطة بدون تجديد أو مع مولد حرارة غاز المداخن (الشكل 9.3، أ، ب). يتميز هذا المخطط بالبساطة الكبيرة وضغط التركيب، والذي يتم تصنيعه وتركيبه إلى حد كبير في المصنع. توربينات الطاقة الغازية ، والتي تم التخطيط لتشغيلها في الجزء شبه الأساسي من جدول الأحمال الكهربائية ، لها ما يبررها اقتصاديًا ليتم تنفيذها وفقًا لمخطط تصميم أكثر تعقيدًا (الشكل 9.3 ، ج).

أرز. 9.2. رسم تخطيطي لوحدة توربينات غازية ذات دورة مغلقة:

نائب الرئيس- دفاية؛ جي تي- توربينات الغاز. ر- المجدد VC-المكبس الهوائي؛ ز- مولد كهربائي؛ بو- جهاز البداية

أرز. 9.3. المخططات التصميمية لأنواع مختلفة من محطات توربينات الغاز:

أ- وحدة توربينات غازية ذات دورة بسيطة بدون تجديد؛ ب - وحدة توربينات غازية ذات دورة بسيطة مزودة بمولد حرارة لغاز المداخن؛ الخامس- وحدة توربينية غازية ذات عمودين مزودة بإمدادات حرارة الوقود على مرحلتين: ت- إمدادات الوقود. كيه في دي. كفاءة- ضواغط الهواء ذات الضغط العالي والمنخفض؛ جي تي في دي، جي تي إن دي -توربينات الغاز ذات الضغط العالي والمنخفض

في الاتحاد السوفييتي تعمل محطات توليد الطاقة بالتوربينات الغازية بتوربينات غازية من الأنواع GT-25-700 و GT-45-3 و GT-100-750-2 وغيرها بدرجة حرارة غاز أولية أمام التوربين الغازي 700 -950 درجة مئوية. قام مصنع لينينغراد للمعادن بتطوير تصميمات لسلسلة جديدة من وحدات توربينات الغاز بقدرة 125-200 ميجاوات عند درجة حرارة غاز أولية تبلغ 950 و1100 و1250 درجة مئوية على التوالي. لقد تم تصنيعها وفقًا لتصميم بسيط مع دورة تشغيل مفتوحة، بعمود واحد، بدون جهاز تجديد (الجدول 9.1). يظهر الرسم التخطيطي الحراري لوحدة التوربينات الغازية GT-100-750-2 LMZ في الشكل. 9.4،أ، ويظهر في الشكل تخطيط محطة توليد الكهرباء المزودة بهذه التوربينات. 9.4، ب. يتم تشغيل وحدات توربينات الغاز هذه في محطة كراسنودار للطاقة الحرارية، في محطة كهرباء المنطقة الحكومية التي تحمل الاسم. كلاسون موسنيرجو، في ذروة محطة الطاقة الحرارية في إينوتا، جمهورية المجر الشعبية، إلخ.

الجدول 9.1

	مؤشرات جي تي يو
مصنع توربينات الغاز	الطاقة الكهربائية، ميغاواط	تدفق الهواء من خلال الضاغط، كجم / ثانية	نسبة الضغط في الضاغط	درجة الحرارة الأولية للغازات، o C	الكفاءة الكهربائية،٪
جي تي-25-700*		194,5	4,7/9,7
جي تي-35-770			6,7		27,5
جي تي إي-45-2**	54,3(52,9)		7,7		28(27,6)
GT-100-750-2M*			4,5/6,4	750/750
جي تي إي-150
جي تي إي-200			15,6
M9 7001 "جنرال إلكتريك"			9,6		30,7

* التوربينات والضواغط ذات عمود مزدوج؛ يتمتع العمود المزود بالتوربين والضاغط عالي الضغط بسرعة دوران متزايدة.

** تعمل بالغاز الطبيعي (وقود توربينات الغاز السائل).

أرز. 9.4. وحدة توربينات الغاز GT-100-750-2 LMZ:

أ- المخطط الحراري: 1-8 - محامل جي تي يو؛ / - الهواء من الغلاف الجوي؛ ثانيا- مياه التبريد؛ ثالثا- الوقود (الغاز الطبيعي)؛ /V - غازات العادم. V - البخار إلى توربين البدء (ص=1.2 ميجاباسكال، ر=235 درجة مئوية)؛ جي إس إتش-مزيل الضجة؛ LPC - ضاغط الضغط المنخفض. في- مبردات الهواء؛ كيه في دي- ضاغط الضغط العالي. KSWD -غرفة الاحتراق ذات الضغط العالي. مسرح العمليات- توربينات الضغط العالي. كسند -غرفة الاحتراق ذات الضغط المنخفض دينار تونسي- توربينات الضغط المنخفض. نائب الرئيس- محمل داخلي في- العوامل الممرضة؛ حزب العمال- بدء تشغيل التوربينات؛ المجمع الصناعي الزراعي -صمامات مضادة للارتفاع خلف مضخة الضغط؛ ب - التخطيط (المقطع العرضي):/ - LPC؛ 2-VO؛ 3 - تراكم الضغط. 4 - ك.س.ف.ب. 5 - المسرح. 6 - كسند؛ 7-دينار؛ 8 - حزب العمال؛ 9 - مدخنة؛ 10 - صمام مضاد للارتفاع (APV)؛ مولد كهربائي L (G) ؛ 12- رافعة علوية؛ 13- مرشحات لتنقية الهواء؛ 14 - كاتم الصوت 15 - مضخات الزيت لنظام التحكم؛ 16- سخانات التدفئة المركزية؛ /7 - مخمدات على قنوات العادم. 18 - مبردات الزيت

يخضع وقود توربينات الغاز السائل المستخدم في توربينات الغاز المنزلية للترشيح والغسيل لإزالة الأملاح المعدنية القلوية في محطة توليد الكهرباء. يتم بعد ذلك إضافة مادة مضافة للمغنيسيوم إلى الوقود لمنع تآكل الفاناديوم. وفقا للبيانات التشغيلية، يساهم إعداد الوقود هذا في التشغيل طويل الأمد لتوربينات الغاز دون تلوث وتآكل مسار التدفق.

قام فرع روستوف التابع لـ ATEP بتطوير تصميم قياسي لمحطة توليد الطاقة بتوربينات الغاز ذات الذروة مع وحدة توربينات الغاز GTE-150-1100. في التين. ويبين الشكل 9.5 مخططًا حراريًا أساسيًا لوحدة توربينات الغاز، المصممة لحرق وقود توربينات الغاز السائل أو الغاز الطبيعي. تم تصنيع وحدة توربينات الغاز وفقًا لتصميم مفتوح بسيط؛ حيث توجد دوارات توربينات الغاز والضاغط في مبيت واحد قابل للنقل، مما يقلل بشكل كبير من وقت التركيب وتكاليف العمالة. يتم تركيب وحدات توربينات الغاز بشكل عرضي في غرفة الآلة بمحطة توليد الكهرباء بامتداد 36 وخلية كتلة تبلغ 24 مترًا. يتم تفريغ غازات المداخن في مدخنة بارتفاع 120 مترًا بثلاثة أعمدة عادم غاز معدنية.

أرز. 9.5. رسم تخطيطي حراري لوحدة التوربينات الغازية LMZ GTE-150-1100:

VC- ضاغط مساعد لتذرية الوقود الهوائي: حزب العمال- توربينات البخار؛ ر- علبة التروس الخاصة بوحدة التسريع ؛ الضعف الجنسي -محرك ضاغط مساعد جي تي- توربينات الغاز. ت- إمداد الوقود السائل المطابق لـ GOST 10743-75 = 42.32 ميجا جول/كجم (10110 سعرة حرارية/كجم) د.ت- مدخنة؛ مجمع الصناعات الزراعية- صمام مضاد للارتفاع

من السمات المهمة لمحطات توربينات الغاز اعتماد أدائها على معلمات الهواء الخارجي، وبشكل أساسي على درجة حرارته. تحت تأثيره، يتغير تدفق الهواء عبر الضاغط، ونسبة القوى الداخلية للضاغط والتوربينات الغازية، وفي النهاية، الطاقة الكهربائية للتوربينات الغازية وكفاءتها. في MPEI، تم إجراء حسابات متعددة المتغيرات لتشغيل GTE-150 على وقود توربينات الغاز السائل وعلى الغاز الطبيعي في تيومين اعتمادًا على درجة حرارة وضغط الهواء الخارجي (الشكل 9.6، 9.7). تؤكد النتائج المتحصل عليها زيادة الكفاءة الحرارية للتوربين الغازي مع زيادة درجة حرارة الغازات الموجودة أمام التوربين الغازي ومع انخفاض درجة حرارة الهواء الخارجي. تؤدي زيادة درجة الحرارة من = 800 درجة مئوية إلى = 1100 درجة مئوية إلى زيادة الكفاءة الكهربائية لوحدة التوربينات الغازية بنسبة 3٪ عند = -40 درجة مئوية وبنسبة 19٪ عند = 40 درجة مئوية. يؤدي خفض درجة حرارة الهواء الخارجي من +40 إلى -40 درجة مئوية إلى زيادة كبيرة في الطاقة الكهربائية لوحدة التوربينات الغازية. بالنسبة لدرجات الحرارة الأولية المختلفة، تبلغ هذه الزيادة 140-160%. للحد من نمو قوة التوربينات الغازية عند انخفاض درجة الحرارة الخارجية ومع الأخذ في الاعتبار إمكانية التحميل الزائد على المولد الكهربائي (في الحالة قيد النظر، نوع TGV-200)، من الضروري التأثير إما على درجة حرارة الغازات الأمامية التوربينات الغازية، مما يقلل من استهلاك الوقود (المنحنيات 4 في التين. 9.6 و 9.7)، أو على درجة حرارة الهواء الخارجي، خلط كمية صغيرة من غازات العادم (2-4%) مع الهواء الذي يمتصه الضاغط. يمكن أيضًا الحفاظ على معدل تدفق هواء ثابت في نطاق الحمل بنسبة 100-80% من خلال تغطية ريشة توجيه المدخل (IVA) لضاغط توربين الغاز.

أرز. 9.6. اعتماد الطاقة الكهربائية لوحدة التوربين الغازي على درجة حرارة الهواء الخارجي:

1- = 1100 درجة مئوية؛ 2- = 950 درجة مئوية؛ 3 - = 800 درجة مئوية؛ 4- = ; - تشغيل وحدات توربينات الغاز على الغاز الطبيعي؛ تشغيل وحدات التوربينات الغازية على الوقود السائل

أرز. 9.7. اعتماد الكفاءة الكهربائية لوحدة توربين الغاز على درجة حرارة الهواء الخارجي (للاطلاع على الرموز انظر الشكل 9.6)

إن التغير في الكفاءة الكهربائية نحو انخفاضها له أهمية خاصة عند درجات حرارة الهواء الخارجي التي تزيد عن 5-10 درجات مئوية (الشكل 9.7). ومع زيادة درجة حرارة الهواء الخارجي من +15 إلى +40 درجة مئوية، تنخفض هذه الكفاءة بنسبة 13-27% حسب درجة حرارة الغازات الموجودة أمام التوربين الغازي ونوع الوقود المحروق.

تؤدي زيادة درجة حرارة الهواء الخارجي إلى زيادة معامل الهواء الزائد خلف التوربين الغازي ودرجة حرارة الغازات العادمة، مما يساهم في تدهور أداء الطاقة لمحطة التوربينات الغازية.

تتكون وحدة توربينات الغاز (GTU) من جزأين رئيسيين - توربينات طاقة ومولد، موجودان في مسكن واحد. يعمل تدفق الغاز ذو درجة الحرارة المرتفعة على شفرات توربينات الطاقة (يولد عزم الدوران).

يؤدي استرداد الحرارة من خلال مبادل حراري أو غلاية حرارة النفايات إلى زيادة الكفاءة الإجمالية للتركيب. يمكن لوحدة التوربينات الغازية أن تعمل بالوقود السائل والغازي. في وضع التشغيل العادي، يعمل بالغاز، وفي الوضع الاحتياطي (الطوارئ) يتحول تلقائيًا إلى وقود الديزل.

إن وضع التشغيل الأمثل لوحدة توربينات الغاز هو التوليد المشترك للطاقة الحرارية والكهربائية. يمكن لوحدة توربينات الغاز أن تعمل في الوضع الأساسي ولتغطية الأحمال القصوى.

يظهر الشكل 1 رسمًا تخطيطيًا لمحطة توربينات غازية بسيطة.

الشكل 1. رسم تخطيطي لوحدة توربينات الغاز: 1 - الضاغط. 2 - غرفة الاحتراق. 3 - توربينات الغاز. 4- مولد كهربائي

يمتص الضاغط 1 الهواء من الغلاف الجوي، ويضغطه إلى ضغط معين ويزوده بغرفة الاحتراق 2. كما يتم توفير الوقود السائل أو الغازي هنا بشكل مستمر. يحدث احتراق الوقود في هذا المخطط بشكل مستمر، عند ضغط ثابت، لذلك تسمى محطات توربينات الغاز هذه بوحدات توربينات الغاز ذات الاحتراق المستمر أو محطات توربينات الغاز ذات الاحتراق عند ضغط ثابت.

تدخل الغازات الساخنة المتكونة في غرفة الاحتراق نتيجة احتراق الوقود إلى التوربين 3. وفي التوربين يتمدد الغاز وتتحول طاقته الداخلية إلى عمل ميكانيكي. تخرج غازات العادم من التوربين إلى البيئة (الغلاف الجوي).

يتم إنفاق جزء من الطاقة التي تنتجها توربينات الغاز على تدوير الضاغط، ويتم إعطاء الجزء المتبقي (صافي الطاقة) للمستهلك. الطاقة التي يستهلكها الضاغط كبيرة نسبيًا وفي دوائر بسيطة عند درجة حرارة معتدلة لبيئة التشغيل يمكن أن تكون أعلى بمقدار 2-3 مرات من الطاقة المفيدة لوحدة توربينات الغاز. وهذا يعني أن الطاقة الإجمالية لتوربينات الغاز نفسها ستكون لفترة طويلة أكبر بكثير من الطاقة المفيدة لوحدة توربينات الغاز.

نظرًا لأن التوربينات الغازية لا يمكن أن تعمل إلا في وجود الهواء المضغوط، الذي يتم الحصول عليه فقط من الضاغط الذي يحركه التوربين، فمن الواضح أنه يجب تشغيل التوربينات الغازية من مصدر طاقة خارجي (محرك التشغيل)، والذي يتم بمساعدته تشغيل التوربينات الغازية. يدور الضاغط حتى يغادر الغرفة، ولن يبدأ الاحتراق في إمداد الغاز بمعايير معينة وبكميات كافية لبدء تشغيل التوربينات الغازية. .

يتضح من الوصف أعلاه أن تركيب توربين الغاز يتكون من ثلاثة عناصر رئيسية: توربين غاز وضاغط وغرفة احتراق. دعونا ننظر في مبدأ التشغيل وهيكل هذه العناصر.

عنفة. يوضح الشكل 2 رسمًا تخطيطيًا لتوربينة بسيطة أحادية المرحلة.

أجزائه الرئيسية هي؛ غلاف (اسطوانة) التوربين 1، حيث يتم تركيب دوارات التوجيه 2 وشفرات العمل 3، مثبتة حول المحيط بالكامل على حافة القرص 4، مثبتة على العمود 5. يدور عمود التوربين في محامل 6.

في النقاط التي يخرج فيها العمود من المبيت، يتم تركيب موانع تسرب طرفية 7، مما يحد من تسرب الغازات الساخنة من مبيت التوربين. جميع الأجزاء الدوارة والتوربينات (الشفرات، القرص، العمود) تشكل الدوار. يشكل الغلاف ذو دوارات التوجيه الثابتة والأختام الجزء الثابت للتوربين. يشكل القرص ذو الشفرات المكره.

الشكل 2. رسم تخطيطي لتوربينة أحادية المرحلة

يسمى الجمع بين عدد من الشفرات الدليلية والدوارة بمرحلة التوربين. يوضح الشكل 3 أعلاه رسمًا تخطيطيًا لمرحلة التوربينات هذه ويوضح أدناه مقطعًا عرضيًا للموجهات وشفرات العمل للسطح الأسطواني a-a، ثم يتم تحويله إلى مستوى الرسم.

الشكل 3. مخطط مرحلة التوربينات

تشكل دوارات التوجيه 1 قنوات مستدقة في المقطع العرضي، تسمى الفوهات. عادةً ما يكون للقنوات التي تتكون من شفرات العمل 2 شكل مستدق.

يدخل الغاز الساخن عند الضغط المتزايد إلى فوهات التوربينات، حيث يتوسع وتحدث زيادة مقابلة في السرعة. وفي الوقت نفسه، ينخفض ​​ضغط الغاز ودرجة حرارته.

وبالتالي، يتم تحويل الطاقة الكامنة للغاز إلى طاقة حركية في فوهات التوربينات. بعد مغادرة الفوهات، يدخل الغاز إلى القنوات البينية للشفرات العاملة، حيث يغير اتجاهه.

عندما يتدفق الغاز حول ريش الدوار، فإن الضغط على سطحها المقعر يكون أكبر منه على السطح المحدب، وتحت تأثير فرق الضغط هذا، تدور المكره (يظهر اتجاه الدوران في الشكل 3 بالسهم u) .

وبالتالي، يتم تحويل جزء من الطاقة الحركية للغاز إلى طاقة ميكانيكية على الشفرات العاملة، وهو أمر غير مقبول لأسباب تتعلق بقوة الشفرات العاملة أو قرص التوربين. في مثل هذه الحالات، تكون التوربينات متعددة المراحل.

يظهر الرسم التخطيطي للتوربين متعدد المراحل في الشكل 4.

الشكل 4. رسم تخطيطي لتوربين متعدد المراحل: 1-المحامل؛ أختام ذات طرفين؛ أنبوب مدخل 3 4-الجسم؛ 5-دوارات توجيهية؛ 6-شفرات العمل؛ 7-الدوار. أنبوب توربيني ذو 8 مخارج

يتكون التوربين من عدد من المراحل الفردية مرتبة على التوالي، حيث يتوسع الغاز تدريجياً. انخفاض الضغط في كل مرحلة، وبالتالي، السرعة c1 في كل مرحلة من هذه التوربينات، أقل مما كانت عليه في التوربينات ذات المرحلة الواحدة. يمكن اختيار عدد المراحل بحيث يتم الحصول على النسبة المطلوبة عند سرعة محيطية معينة.

ضاغط. يظهر الرسم التخطيطي للضاغط المحوري متعدد المراحل في الشكل 5.

الشكل 5. رسم تخطيطي للضاغط المحوري متعدد المراحل: أنبوب مدخل واحد؛ أختام ذات طرفين؛ 3-محامل. ريشة توجيه ذات 4 مدخلات؛ 5-شفرات العمل؛ 6-دوارات توجيهية؛ 7- أجهزة تقويم الجسم 8-؛ 9- ناشر؛ أنبوب 10 مخرج؛ 11- الدوار.

مكوناته الرئيسية هي: دوار 2 مع شفرات عمل 5 ملحقة به، مبيت 7 (أسطوانة)، يتم توصيل دوارات التوجيه 6 والأختام الطرفية 2 بها، ومحامل 3.

يسمى الجمع بين صف واحد من الشفرات الدوارة وصف واحد من دوارات التوجيه الثابتة الموجودة خلفها بمرحلة الضاغط.

يمر الهواء الذي يتم امتصاصه بواسطة الضاغط بشكل تسلسلي عبر العناصر التالية للضاغط، كما هو موضح في الشكل 5: أنبوب الإدخال 1، ريشة دليل المدخل 4، مجموعة المراحل 5، 6، جهاز التمليس 8، الناشر 9 وأنبوب المخرج 10.

دعونا نفكر في الغرض من هذه العناصر. تم تصميم أنبوب الإدخال لتزويد الهواء بشكل موحد من الغلاف الجوي إلى ريشة توجيه المدخل، والتي يجب أن تعطي الاتجاه اللازم للتدفق قبل الدخول في المرحلة الأولى.

في المراحل، يتم ضغط الهواء عن طريق نقل الطاقة الميكانيكية إلى تدفق الهواء من الشفرات الدوارة. ومن المرحلة الأخيرة، يدخل الهواء إلى جهاز الاستقامة، المصمم لإعطاء التدفق اتجاهاً محورياً قبل دخوله إلى الناشر. يستمر ضغط الغاز في الناشر بسبب انخفاض طاقته الحركية.

تم تصميم أنبوب المخرج لتزويد الهواء من الناشر إلى خط الأنابيب الالتفافي. تشكل شفرات الضاغط 1 (الشكل 6) سلسلة من القنوات المتوسعة (الناشرات).

عندما يدور الدوار، يدخل الهواء إلى قنوات الشفرات البينية بسرعة نسبية عالية (سرعة حركة الهواء التي يتم ملاحظتها من الشفرات المتحركة). ومع تحرك الهواء عبر هذه القنوات، يزداد ضغطه نتيجة لانخفاض سرعته النسبية.

في القنوات المتوسعة التي تشكلها دوارات التوجيه الثابتة 2، تحدث زيادة أخرى في ضغط الهواء، مصحوبة بانخفاض مماثل في طاقتها الحركية.

وبالتالي فإن تحويل الطاقة في مرحلة الضاغط يحدث في الاتجاه المعاكس مقارنة بمرحلة التوربين.

الشكل 6. مخطط مرحلة الضاغط المحوري

غرفة الاحتراق. الغرض من غرفة الاحتراق هو زيادة درجة حرارة سائل العمل بسبب احتراق الوقود في بيئة الهواء المضغوط.

يظهر مخطط غرفة الاحتراق في الشكل 7.

الشكل 7. غرفة الاحتراق

يحدث احتراق الوقود المحقون من خلال الفوهة 1 في منطقة الاحتراق بالغرفة، ويحدها أنبوب اللهب 2. فقط كمية الهواء اللازمة للاحتراق الكامل والمكثف للوقود تدخل إلى هذه المنطقة (يسمى هذا الهواء الهواء الأولي) .

يمر الهواء الذي يدخل منطقة الاحتراق عبر الدوامة 3، مما يعزز الخلط الجيد للوقود مع الهواء. وفي منطقة الاحتراق تصل درجة حرارة الغاز إلى 1300...2000 درجة مئوية. وفقا لظروف قوة شفرات التوربينات الغازية، فإن درجة الحرارة هذه غير مقبولة. ولذلك يتم تخفيف الغازات الساخنة المنتجة في منطقة الاحتراق بالغرفة بالهواء البارد، وهو ما يسمى بالثانوي. يتدفق الهواء الثانوي عبر الحيز الحلقي بين أنبوب اللهب 2 والمبيت 4. ويدخل جزء من هذا الهواء إلى منتجات الاحتراق من خلال النوافذ 5، ويتم خلط الباقي بالعيون الساخنة بعد أنبوب اللهب. وبالتالي، يجب أن يزود الضاغط غرفة الاحتراق بالهواء عدة مرات أكثر مما هو ضروري لحرق الوقود، ويتم تخفيف منتجات الاحتراق التي تدخل التوربينات بقوة بالهواء وتبريدها.

محطة توربينات غازية بسيطة تعمل بالاحتراق المتقطع

الرسم التخطيطي لتركيب الاحتراق المتقطع (مع الاحتراق بحجم ثابت) هو نفسه كما هو الحال في التثبيت مع مصدر حرارة متساوي الضغط، وهو موضح في الشكل 1. تختلف محطة توربينات الغاز هذه عن تركيب الاحتراق المستمر في تصميم غرفة الاحتراق (الشكل 8).

الشكل 8. غرفة الاحتراق المتقطعة: 1-صمام الهواء؛ 2- صمام الوقود؛ 3-شمعة الإشعال 4- صمام فوهة (غاز).

تحتوي غرفة الاحتراق في توربينات الغاز ذات الاحتراق المتقطع على الصمامات 1 و2 و4، والتي يتم التحكم فيها بواسطة آلية توزيع خاصة. دعونا نتخيل أنه في وقت ما، يتم إغلاق جميع الصمامات وتمتلاء الحجرة بخليط من الهواء والوقود. بمساعدة شمعة الإشعال 3، يتم إشعال الخليط ويزداد الضغط في الغرفة، حيث يحدث الاحتراق بحجم ثابت.

عند الوصول إلى ضغط معين، يفتح الصمام رقم 4 وتتدفق منتجات الاحتراق إلى فوهات التوربينات، حيث يحدث تمدد الغاز. ينخفض ​​​​الضغط في غرفة الاحتراق. بعد انخفاض الضغط في الحجرة إلى قيمة معينة، يتم فتح صمام الهواء 1 تلقائيًا ويتم تطهير الحجرة بالهواء النقي. يمر هذا الهواء أيضًا عبر التوربين ويبرد جهاز شفرته.

في نهاية عملية التطهير، يُغلق صمام الفوهة 4 وتمتلئ غرفة الاحتراق بالهواء المضغوط من الضاغط. عند التشغيل بالوقود الغازي، يتم توفير الغاز القابل للاحتراق في نفس الوقت من خلال الصمام 2. تسمى هذه العملية شحن الكاميرا. في نهاية الشحن، تغلق جميع الصمامات ويحدث وميض. ثم تتكرر الدورة.

تظهر عملية تغيير الضغط في الغرفة بمرور الوقت خلال الدورة بأكملها في الشكل 9.

الشكل 9. التغير في الضغط مقابل الوقت في غرفة الاحتراق

هنا AB هو وميض؛ قبل الميلاد - التوسع. SD - التطهير ونعم - الشحن. وفقًا لهولزوارث، تكتمل الدورة بأكملها خلال 1.5 ثانية تقريبًا. وفي هذه التجارب كان الضغط عند بداية الوميض (النقطة أ) يساوي (3...4) × 105 باسكال، وفي نهاية الوميض (النقطة ب) ارتفع إلى 15 × 105 باسكال تقريبًا.

طرق زيادة كفاءة محطات التوربينات الغازية:

هناك عدة طرق لزيادة كفاءة توربينات الغاز:

• 1) من خلال استخدام تجديد حرارة الغازات المنضب في التوربينات؛
• 2) عن طريق ضغط الهواء تدريجيًا مع التبريد المتوسط؛
• 3) باستخدام التوسع التدريجي مع التسخين المتوسط ​​للغاز العامل؛
• 4) من خلال إنشاء منشآت معقدة ومتعددة الأعمدة، مما يجعل من الممكن زيادة كفاءة توربينات الغاز، خاصة عند التشغيل بأحمال جزئية؛
• 5) عن طريق إنشاء منشآت مشتركة تعمل في دورة البخار والغاز مع غرف الاحتراق المكبس؛

في السنوات الأخيرة (تقريبًا منذ الخمسينيات من القرن الماضي)، أصبحت توربينات الغاز تستخدم على نطاق واسع في محطات الطاقة الحرارية لتشغيل المولدات الكهربائية.

يمكن لوحدات توربينات الغاز (GTU) أن تعمل باحتراق الوقود عند ضغط ثابت (الشكل 6.1) وبحجم ثابت (الشكل 6.2). وتنقسم الدورات المثالية المقابلة لها إلى دورات يتم توفير الحرارة للعملية عند ضغط ثابت وحجم ثابت.

أرز. 6.1. مخطط وحدة توربينات الغاز مع احتراق الوقود عند ضغط ثابت: 1 - شاحن توربيني 2 - توربينات الغاز. 3 - مضخه وقود؛ 4 - غرفة الاحتراق؛ 5 - حاقن الوقود.

6 - المنطقة النشطة بغرفة الاحتراق

الشكل 6.2. مخطط وحدة توربينات الغاز مع احتراق الوقود بحجم ثابت: 5 ب، 7 - صمامات الوقود والهواء والغاز على التوالي؛ 8 - جهاز الإشعال 9 - المتلقي؛ التسميات الأخرى هي نفسها كما في الشكل. 6.1

عمليًا، وحدات توربينات الغاز ذات دورة مفتوحة (مفتوحة) مع احتراق الوقود (مع توفير الحرارة لسائل التشغيل) عند ضغط ثابت، يليه تمدد خليط نواتج الاحتراق مع الهواء في جزء التدفق من التوربين (دورة برايتون) ) أصبحت واسعة الانتشار (انظر الشكل 6.6).

في محطة توربينات الغاز مع احتراق الوقود عند ضغط ثابت، تتم عملية الاحتراق بشكل مستمر (انظر الفقرة 6.2)، وفي محطة توربينات الغاز مع احتراق الوقود بحجم ثابت، تكون عملية الاحتراق دورية (نابضة). مضغوط بواسطة ضاغط 1 يتم توفير الهواء (انظر الشكل 6.2) إلى جهاز الاستقبال 9 (وعاء ذو ​​سعة كبيرة لمعادلة الضغط)، من حيث من خلال صمام الهواء 6 يدخل غرفة الاحتراق 4. ها هي مضخة الوقود 3 من خلال صمام الوقود 5 يتم توفير الوقود. تتم عملية الاحتراق مع إغلاق صمامات الوقود والهواء والغاز 5, 6, 7. يتم إشعال خليط الهواء والوقود بواسطة الجهاز 8 (شرارة كهربائية). بعد احتراق الوقود نتيجة زيادة الضغط في الحجرة 4 يفتح صمام الغاز 7 منتجات الاحتراق، ويمر عبر أجهزة الفوهة (غير موضحة في الشكل 6.2)، ويدخل إلى شفرات العمل ويقوم بتدوير دوار توربين الغاز. 2.

إن سائل العمل في التوربينات الغازية هو بشكل أساسي منتجات الاحتراق الغازي للوقود العضوي الممزوج بالهواء. الوقود المستخدم هو الغاز الطبيعي والغازات الصناعية النقية والوقود السائل الخاص بتوربينات الغاز (محرك الديزل المعالج وزيت الديزل).

من خصوصيات تشغيل التوربينات الغازية أن جزءًا فقط (20-40٪) من الهواء الذي يوفره الضاغط يتم إدخاله إلى المنطقة النشطة بغرفة الاحتراق ويشارك في عملية احتراق الوقود عند درجة حرارة حوالي 1500 درجة مئوية. -1600 درجة مئوية. أما باقي الهواء (60-80%) مخصص لخفض درجة حرارة الغازات الموجودة أمام التوربين إلى 1000-1300 درجة مئوية (بالنسبة لتوربينة غازية ثابتة) حسب شروط الموثوقية ومتانة التشغيل. جهاز الشفرات الخاص به، والذي يرتبط بزيادة الهواء الزائد في الغازات الموجودة أمام التوربين وGTU. ويتناقص g مع زيادة درجة الحرارة الأولية لسائل العمل أمام التوربينات الغازية وفي المنشآت المختلفة بمقدار 2.5-5. كفاءة الوحدة التوربينية الغازية أقل بكثير من كفاءة الوحدة التوربينية البخارية في الدورة البخارية، ويعود ذلك إلى وجود ضاغط الهواء الذي يصل استهلاكه للطاقة إلى 40-50% من طاقة التوربينة الغازية.

التوربينات الغازية أصغر حجمًا وأخف وزنًا من التوربينات البخارية، لذلك عند بدء التشغيل، ترتفع درجة حرارتها إلى درجات حرارة التشغيل بشكل أسرع بكثير، على عكس وحدة التوربينات البخارية المجهزة بغلاية بخارية، والتي تتطلب تسخينًا بطيئًا (عشرات الساعات) من أجل لتجنب وقوع حادث نتيجة للتمددات الحرارية غير المتساوية، وخاصة الأسطوانة الضخمة.

نظرًا لقدرتها الكبيرة على المناورة (البدء والتحميل السريع)، تُستخدم وحدات توربينات الغاز في قطاع الطاقة، بشكل أساسي لتغطية الأحمال القصوى وكاحتياطي للطوارئ للاحتياجات الخاصة لأنظمة الطاقة الكبيرة. تلعب الكفاءة المنخفضة لتوربينات الغاز مقارنة بمحطة الطاقة البخارية (SPU) في هذه الحالة دورًا ثانويًا. وتتميز هذه التوربينات الغازية ببدء التشغيل المتكرر (ما يصل إلى 1000 ساعة في السنة) مع عدد قليل نسبيا من ساعات الاستخدام (100-1500 ساعة في السنة).

مجموعة متنوعة من توربينات الغاز هي منشآت يقودها مولد كهربائي من محرك احتراق داخلي (محطات توليد الطاقة بالديزل)، حيث، كما هو الحال في توربينات الغاز، يتم استخدام الغاز الطبيعي أو الوقود السائل عالي الجودة كوقود. إلا أن محطات توليد الطاقة التي تعمل بالديزل، والتي أصبحت منتشرة على نطاق واسع في دول الشرق الأوسط، تعتبر أقل جودة من وحدات الطاقة التوربينية الغازية، على الرغم من أنها تتمتع بكفاءة أعلى.

كفاءة أبسط توربينات الغاز في الطاقة (الشكل 6.3) في الخمسينيات والستينيات. القرن العشرين كان 14-18٪. حاليًا، ومن أجل زيادة كفاءة محطات توربينات الغاز، يتم تصنيعها بعدة مراحل من الإمداد الحراري والتبريد المتوسط ​​للهواء المضغوط، وكذلك مع التسخين المتجدد للهواء المضغوط في الضاغط بواسطة الغازات المنبعثة في التوربين، وبذلك تقترب الدورة الحقيقية من دورة كارنو، وتصل كفاءة محطة التوربينات الغازية إلى 27 – 37%.

كفاءة وحدات توربينات الغاز محدودة بدرجة الحرارة الأولية لسائل العمل (1100-1300 درجة مئوية وأعلى لوحدات توربينات الغاز من الجيل الخامس) وطاقة الوحدة بسبب زيادة تكاليف الطاقة للاحتياجات الخاصة، بما في ذلك محرك الضاغط. من الصعب حاليًا إزالة القيد الأول. يمكن التخلص من القيد الثاني إذا تم توفير عامل عمل عالي المحتوى الحراري للتوربين عند نفس درجة الحرارة الأولية بدلاً من عامل منخفض المحتوى الحراري (خليط من منتجات الاحتراق مع الهواء). في كثير من الأحيان، يضاف بخار الماء إلى منتجات الاحتراق. تسمى التوربينات الغازية التي تعمل بموائع عمل مكونة من خليط من بخار الماء والغازات أو تستخدم الغازات والبخار بشكل منفصل في الدائرة الحرارية محطات الغاز ذات الدورة المركبة(PGU)، ودوراتها - غاز البخار.يتم استدعاء وحدات PSU الأولى موناري,والثانية - الثنائية .

أثناء تطوير المنشآت ذات سوائل العمل المنفصلة، ​​تم اختبار العديد من المخططات الحرارية. تبين أن الأكثر فعالية هو المخطط الذي يتم فيه إعادة تدوير دورة البخار بالكامل فيما يتعلق بدورة الغاز. تسمى هذه المنشآت إعادة التدوير PGU أو PGU-U. في وحدة إعادة التدوير CCGT، يعمل الجزء البخاري من التركيب دون استهلاك إضافي للوقود. نظرًا لارتفاع درجة الحرارة الأولية للدورة (أكثر من 1000-1300 درجة مئوية)، يمكن أن يكون لـ CCGT كفاءة تزيد عن 60%، وهي أعلى بكثير من محطة التوربينات البخارية التقليدية ووحدة توربينات الغاز المنفصلة. . العامل الأكثر أهمية في زيادة كفاءة محطة CCGT هو استخدام منتجات احتراق الوقود كمائع عمل في منطقة درجة الحرارة المرتفعة (في توربينات الغاز) وبخار الماء في منطقة درجة الحرارة المنخفضة (في توربين بخاري).

تعتبر وحدات التوربينات الغازية من النوع المفتوح أدنى من وحدات التوربينات البخارية من حيث قوة الوحدة، ولها كفاءة أقل، وأقل متانة في التشغيل، وأكثر تطلبًا من حيث درجات الوقود. يهدف التطوير الإضافي لتوربينات الغاز إلى زيادة قوة وحدتها وكفاءتها وموثوقيتها ومتانتها، وهو ما يتحدد بشكل أساسي من خلال التقدم في مجال إنشاء مواد مقاومة للحرارة وتطوير طرق فعالة لتبريد مسار تدفق توربينات الغاز.