Технические характеристики. История и развитие газотурбинных установок

История и развитие газотурбинных установок. П.Д. Кузьминский. Трудности начального периода (Штольце, Хольцварт , Шюле, Караводин).Цикл Брайтона. Идея газотурбинного наддува ДВС (Бюхи). Создание ракетных и турборакетных двигателей. Ф.А.Цандер. Работы в Германии, США, СССР. В.М. Маковский и ГТУ-750

1)История и развитие газотурбинных установок.П.Д. Кузьминский

Идея использования энергии горячих дымовых газов для совершения механической работы известна человечеству очень давно. По имеющимся данным она была высказана и реализована еще Героном Александрийским, которым был построен прибор, где для целей вращения использо-валась энергия восходящего горячего газового потока.
Позднее, в ХV веке, Леонардо да Винчи была высказана идея «дымового вертела» для обжарки туш животных. Принцип действия «дымового вертела» совершенно подобен принципу .действия ветряной мельницы. «Дымовой вертел» размещался в дымоходе, и вращение его создавалось дымовыми газами, проходившими через колесо с насаженными на него лопастями .
Подобное устройство было осуществлено в средние века. Первый патент на проект газотурбинной установки был выдан в 1791 году в Англии Джону Барберу. В патенте Барбера, хотя и в примитивной форме, были представлены все основные элементы современных газотурбинных установок: имелись воздушный и газовый компрессоры, камера горения и активное турбинное колесо. Для работы предполагалось использовать продукты перегонки угля, дерева или нефти. Для понижения температуры рабочих газов предполагалось впрыскивание воды в камеру горения.

В России также предпринимались попытки создать газотурбинную установку, в частности, инженер-механиком русского военно-морского флота П.Д.Кузьминским. Он разработал, а затем и осуществил небольшую газопаровую турбинную установку, состоявшую из камеры сгорания, в которую кроме воздуха и топлива, подавался водяной пар, получавшийся в змеевике, окружавшем камеру. Газопаровая смесь затем поступала в многоступенчатую турбину радиального типа. Горение топлива (керосина) происходило при постоянном давлении порядка 10 кгс/см2. При испытаниях, несмотря на принятые меры, камера горения быстро прогорала и выходила из строя. Создать длительно действующую установку не удалось.

2)Трудности начального периода (Штольце, Хольцварт , Шюле, Караводин):

Трудность состояла в том что они либо обладали низким КПД, либо были конструктивно очень сложны и мало надежны в эксплуатации, что, естественно, являлось препятствием для их практического использования.

· В период 1900 — 1904 гг. в Германии инженером Штольце была построена и испытана газотур-бинная установка, в которой понижение температуры рабочих газов перед поступлением их в тур-бину осуществлялось за счет большого избытка воздуха, подававшегося компрессором в камеру горения. Испытания установки не дали положительных результатов. Вся мощность, развивавшая-ся газовой турбиной, расходовалась только на привод компрессора. Полезная мощность установки была равна нулю.

· Начиная с 1908 г. по проектам Хольцварта было построено несколько газотурбин-ных установок. Наибольший КПД, который был получен в опытах с турбинами Хольцварта за пе-риод до 1927 г. составил 14 %.

· В 1930 В. Шюле (Германия предложил газо-паротурбинную установку с расчётным кпд 28%.

· Идея создания пульсирующих воздушно-реактивных двигателей (ПуВРД) была запатентована в 1906 г. русским инженером В.В. Караводиным.
До 1925 г. ряд опытных ГТУ был создан Г. Хольцвартом. Несмотря на высокие для того времени параметры, ГТУ Хольцварта, равно как и установка В.В. Караводина, вследствие ряда недостатков не нашла применения в промышленности.

3)Цикл Брайтона

Цикл Брайтона/Джоуля — термодинамический цикл, описывающий рабочие процессы газотурбинного, турбореактивного и прямоточного воздушно-реактивного двигателей внутреннего сгорания, а также газотурбинных двигателей внешнего сгорания с замкнутым контуром газообразного (однофазного) рабочего тела.

Цикл назван в честь американского инженера Джорджа Брайтона, который изобрёл поршневой двигатель внутреннего сгорания, работавший по этому циклу.

Иногда этот цикл называют также циклом Джоуля — в честь английского физика Джеймса Джоуля, установившего механический эквивалент тепла.

Идеальный цикл Брайтона состоит из процессов

§ 1—2 Изоэнтропическое сжатие.

§ 2—3 Изобарический подвод теплоты.

§ 3—4 Изоэнтропическое расширение.

§ 4—1 Изобарический отвод теплоты.

4)Идея газотурбинного наддува ДВС (Бюхи):

в 1905 году швейцарский инженер Альфред Бюхи запатентовал принцип сжатия воздуха за счет энергии выхлопных газов. Вместо того, чтобы выбрасывать их безо всякого использования в выхлопную трубу, было предложено направить их на привод специального устройства, служащего для наддува воздуха в цилиндры. Это устройство получило название турбокомпрессор (в дальнейшем – ТК), а оснащенный им двигатель стали именовать мотором с газотурбинным наддувом. Поскольку ТК работает на дармовой энергии, которую двигатель производит попутно с основной, полезной энергией, то ТК, в отличие от механического нагнетателя, не отнимает от мотора ни йоты мощности. КПД ДВС с газотурбинным наддувом всегда выше, чем у «атмосферника». Энергия, получаемая при сгорании топлива, используется более эффективно, поэтому удельная топливная экономичность такого мотора лучше.

5)Создание ракетных и турборакетных двигателей. Ф.А.Цандер. Работы в Германии, США, СССР:

Турбореактивный двигатель — двигатель в котором сжатие рабочего тела на входе в камеру сгорания и высокое значение расхода воздуха через двигатель достигается за счёт совместного действия встречного потока воздуха и компрессора, размещённого в тракте ТРД сразу после входного устройства, перед камерой сгорания. Компрессор приводится в движение турбиной, смонтированной на одном валу с ним, и работающей на том же рабочем теле, нагретом в камере сгорания, из которого образуется реактивная струя. Во входном устройстве осуществляется рост статического давления воздуха за счёт торможения воздушного потока. В компрессоре осуществляется рост полного давления воздуха за счёт совершаемой компрессором механической работы.

Реактивный двигатель -- был изобретен Гансом фон Охайном (Dr. Hans von Ohain), выдающимся немецким инженером-конструкторм и Фрэнком Уиттлом (Sir Frank Whittle). Первый патент на работающий газотурбинный двигатель, был получен в 1930 году Фрэнк Уиттлом. Однако первую рабочую модель собрал именно Охайн.

Ракетный двигатель — реактивный двигатель, источник энергии и рабочее тело которого находится в самом средстве передвижения. Ракетный двигатель — единственный практически освоенный для вывода полезной нагрузки на орбиту искусственного спутника Земли и применения в условиях безвоздушного космического пространства тип двигателя. Другие типы двигателей, пригодные для применения в космосе (например, солнечный парус, космический лифт) пока еще не вышли из стадии теоретической и/или экспериментальной отработки.

Ф.А. Цандер в 1929—1932 — построил и испытал реактивный двигатель на сжатом воздухе с бензином (ОР-1).

Запатентованный ещё в 1913 г, прямоточный воздушно-реактивный двигатель (ПВРД) привлекал конструкторов простотой своего устройства, но главное — своей потенциальной способностью работать на сверхзвуковых скоростях и в самых высоких, наиболее разреженных слоях атмосферы, то есть в условиях, в которых ВРД других типов неработоспособны или малоэффективны. В 1930-е годы с этим типом двигателей проводились эксперименты в США (Уильям Эвери), вСССР (Ф. А. Цандер, Б. С. Стечкин, Ю. А. Победоносцев).

6) В.М. Маковский и ГТУ-750:

В СССР над газовыми турбинами работал В. М. Маковский, предложивший использовать для газотурбинных установок газ, получаемый в результате подземной газификации угля. Простейшая газотурбинная установка состоит из компрессора, камеры сгорания, в к-рой температура повышается за счёт сжигания топлива, и газовой турбины, в к-рой совершается работа расширения газа. Недостатком такой установки является низкий кпд вследствие высокой температуры отходящих газов; для снижения этой температуры применяются особые тештообменпые аппараты, называемые регенераторами. В последних поступающий из компрессора в камеру сгорания воздух предварительно нагревается отходящими из турбины газами. Кпд газотурбинной установки повышается также вследствие применения промежуточного нагрева газа,расширяющегося в турбине,и охлаждения воздуха, сжимаемого в компрессоре.

30) Области применения современных ГТУ. Парогазовые установки и перспективы их использования в 21-м веке. Схема и технико-экономические показатели Калининградской ТЭЦ-2:

1)Области применения современных ГТУ:

Газотурбинные установки могут использовать широкий ассортимент видов топлива. Это и дизельное топливо, и природный газ, и различные виды попутных газов в горнодобывающей промышленности (шахтный, нефтяной и т.д.), и газ, полученный из различных промышлекнных или бытовых отходов. Одновременно необходимо отметить низкий уровень вреда для окружающей среды от газотурбинных установок и их относительно небольшие размеры (в сравнении с установками аналогичной мощности, основанных на других принципах работы).

Поэтому область применения газотурбинных установок довольно обширна. Они используются и как резервные источники электроэнергии для предприятий и организаций, и как постоянные, особенно в удаленных районах, на морских судах, в жилых районах, в загородных поселках, на предприятиях горнодобывающего комплекса, в сельском хозяйстве и т.д. Везде, где используются газотурбинные установки, цена электроэнергии, вырабатываемой ими, сопоставима с ценой в стационарных электросетях, или даже ниже, благодаря возможности выбора наиболее дешевого и экономически выгодного вида топлива.

газотурбинные установки в зависимости от мощности и типа двигателя подразделяют на установки, использующие авиационные газотурбинные двигатели, морские двигатели и сконструированные специально для энергетики. Если первые и вторые обычно имеют мощность от нескольких МВт до 15-20 МВт, то третьи - более 100 МВт.

2)Парогазовые установки и перспективы их использования в 21-м веке:

Несмотря на то, что преимущества парогазового цикла были впервые доказаны еще в 1950-х годах советским академикомС. А. Христиановичем этот тип энергогенерирующих установок не получил в России широкого применения. В СССР были построены несколько экспериментальных ПГУ. Примером могут служить энергоблоки мощностью 170 МВт на Невинномысской ГРЭС и мощностью 250 МВт на Молдавской ГРЭС. В последние годы в России введены в эксплуатацию ряд мощных парогазовых энергоблоков. Среди них:

§ 2 энергоблока мощностью 450 МВт каждый на Северо-западной ТЭЦ в Санкт-Петербурге

§ 2 энергоблока мощностью 450 МВт каждый на Калининградской ТЭЦ-2^[1]

§ 2 ПГУ мощностью 220 МВт каждая на Тюменской ТЭЦ-1^[2]

§ 2 ПГУ мощностью 450 МВт на ТЭЦ-27^[3][4] и 1 ПГУ на ТЭЦ-21^[5] в Москве

§ 1 ПГУ мощностью 325 МВт на Ивановской ГРЭС^[6]

§ 3 энергоблока на Сочинской ТЭС. Два энергоблока мощностью 39 МВт каждый (1-я очередь строительства). Один энергоблок 80 МВт (2-я очередь строительства)^[7].

§ 2 энергоблока мощностью 121 МВт каждый на ТЭС Международная (г. Москва, Ситиэнерго)^[8]

§ 1 ПГУ мощностью 400 МВт на Шатурской ГРЭС^[9]

По состоянию на середину 2011 г. в России в различных стадиях проектирования или строительства находятся несколько ПГУ.

По сравнению с Россией, в странах Западной Европы и США парогазовые установки стали широко применяться раньше. На западных электростанциях, использующих в качестве топлива природный газ, установки такого типа используются гораздо чаще.

3) Схема и технико-экономические показатели Калининградской ТЭЦ-2:

Калининградская ТЭЦ-2 - теплоэлектроцентраль с парогазовым бинарным циклом.
Станция находится в Калининградской области, самом западном регионе России, который полностью отделен от остальной территории страны сухопутными границами иностранных государств и международными морскими водами.

Пуск первого энергоблока станции установленной мощностью 450 МВт состоялся 28 октября 2005 года. Пуск второго энергоблока также установленной мощностью 450 МВт был осуществлен 24 декабря 2010 года. 28 октября 2010 года введена в эксплуатацию тепломагистраль от КТЭЦ-2 в южную часть Калининграда.

Технические характеристики

Это новейшая электростанция в России построена на базе парогазовой технологии со сбросом отработанных газов газовых турбин в котлы-утилизаторы. В настоящее время состоит из двух энергоблоков ПГУ-450, каждый из которых состоит из двух газовых турбин ГТЭ-160 и паровой турбины Т-150-7,7, двух котлов-утилизаторов П-96, двух турбогенераторов Т3ФГ-160-2МУ3, одного турбогенератора Т3ФП-160-2МУ3 и трёх блочных трансформаторов ТДЦ-200000/110.^[1]. Основной вид топлива — природный газ, аварийное топливо — дизельное. Выдача мощности осуществляется по шести линиям напряжением 110 кВ, главная схема — две рабочих, секционированных системы шин с обходной. Коэффициент полезного действия станции в конденсационном режиме 51 % (на обычных станциях с паросиловыми установками КПД не превышает 40%^[4]). Удельный расход топлива составляет 155 г/кВтч^[1].

Поиск по сайту: