كيف تختلف التوربينات الغازية عن التوربينات البخارية؟ توربينات البخار والغاز: الغرض ، مبدأ التشغيل ، التصميم ، الخصائص التقنية ، ميزات التشغيل. كم تكلفة محطة توليد الطاقة التوربينية الغازية؟ ما هو سعره الكامل؟ ما يحتويه

بين الحين والآخر في الأخبار يقولون ذلك ، على سبيل المثال ، في محطة كهرباء مقاطعة كذا وكذا قدم وساقجاري إنشاء محرك CCGT -400 ميغاواط ، وفي CHPP-2 آخر ، تم وضع GTP قيد التشغيل - الكثير من ميغاواط. تتم كتابة مثل هذه الأحداث ، ويتم تغطيتها ، نظرًا لأن تضمين مثل هذه الوحدات القوية والفعالة ليس مجرد "علامة" في التنفيذ برنامج الدولة، ولكن أيضًا زيادة حقيقية في كفاءة محطات الطاقة ونظام الطاقة الإقليمي وحتى نظام الطاقة الموحد.

لكني أود أن ألفت انتباهكم ليس إلى تنفيذ برامج الدولة أو مؤشرات التنبؤ ، ولكن حول CCGT و GTU. في هذين المصطلحين ، لا يمكن الخلط بين الشخص العادي فحسب ، بل وأيضًا مهندس الطاقة المبتدئ.

لنبدأ بالأسهل.

GTU - محطة التوربينات الغازية - عبارة عن توربين غازي ومولد كهربائي مدمجين في مبنى واحد. من المفيد تثبيته في محطة طاقة حرارية. هذا فعال ، والعديد من عمليات إعادة بناء CHP تهدف إلى تركيب مثل هذه التوربينات فقط.

فيما يلي دورة تشغيل مبسطة لمحطة حرارية:

يدخل الغاز (الوقود) إلى الغلاية ، حيث يحترق وينقل الحرارة إلى الماء ، مما يترك المرجل على شكل بخار ويدور التوربينات البخارية. التوربينات البخارية تدير المولد. نحصل على الكهرباء من المولد ، ونأخذ البخار من التوربين للأغراض الصناعية (التدفئة والتدفئة) إذا لزم الأمر.

وفي محطة التوربينات الغازية ، يحترق الغاز ويحول التوربين الغازي الذي يولد الكهرباء ، وتقوم الغازات الخارجة بتحويل الماء إلى بخار في غلاية تسخين النفايات ، أي يعمل الغاز بفائدة مضاعفة: أولاً يحرق ويدير التوربين ثم يسخن الماء في الغلاية.

وإذا تم عرض محطة التوربينات الغازية نفسها بمزيد من التفاصيل ، فستبدو كما يلي:

يوضح هذا الفيديو بوضوح العمليات التي تتم في محطة توربينات الغاز.

ولكن سيكون أكثر فائدة إذا تم تشغيل البخار الناتج - ضعه في توربين بخاري حتى يعمل مولد آخر! ثم ستصبح وحدة GTU الخاصة بنا وحدة غاز بخار (CCGT).

نتيجة لذلك ، PSU هو مفهوم أوسع. هذه الوحدة هي وحدة طاقة مستقلة حيث يتم استخدام الوقود مرة واحدة ويتم توليد الكهرباء مرتين: في محطة التوربينات الغازية وفي التوربينات البخارية. هذه الدورة فعالة للغاية ، وتبلغ كفاءتها حوالي 57٪! هذه نتيجة جيدة جدًا ، تتيح لك تقليل استهلاك الوقود بشكل كبير للحصول على كيلوواط / ساعة من الكهرباء!

في بيلاروسيا ، لتحسين كفاءة محطات الطاقة ، تُستخدم توربينات الغاز "كهيكل علوي" لخطة الطاقة الحرارية المشتركة الحالية ، ويتم بناء التوربينات الغازية ذات الدورة المركبة في محطات توليد الطاقة في المقاطعات الحكومية كوحدات طاقة مستقلة. تعمل هذه التوربينات الغازية في محطات توليد الطاقة ، ولا تزيد من "المؤشرات الفنية والاقتصادية المتوقعة" فحسب ، بل تحسن أيضًا إدارة التوليد ، حيث تتمتع بقدرة عالية على المناورة: سرعة بدء التشغيل واكتساب الطاقة.

هذا هو مدى فائدة هذه التوربينات الغازية!

جريتسينا ف.

فيما يتعلق بالنمو المتعدد لتعريفات الكهرباء في روسيا ، تفكر العديد من الشركات في بناء محطات طاقة منخفضة السعة الخاصة بها. في عدد من المناطق ، يجري تطوير برامج لبناء محطات طاقة حرارية صغيرة أو صغيرة ، على وجه الخصوص ، كبديل لمنازل الغلايات المتقادمة. في مصنع صغير جديد للطاقة الحرارية الشمسية بمعدل استخدام للوقود يصل إلى 90٪ مع الاستخدام الكامل للجسم في الإنتاج والتدفئة ، يمكن أن تكون تكلفة الكهرباء المستلمة أقل بكثير من تكلفة الكهرباء المستلمة من شبكة الطاقة.

عند النظر في مشاريع بناء محطات الطاقة الحرارية الصغيرة ، يسترشد مهندسو الطاقة والمتخصصون في المؤسسات بالمؤشرات التي تم تحقيقها في صناعة الطاقة الكبيرة. أدى التحسين المستمر لتوربينات الغاز (GTUs) لاستخدامها في توليد الطاقة على نطاق واسع إلى زيادة كفاءتها إلى 36٪ أو أكثر ، كما أدى استخدام دورة الغاز والبخار المركبة (CCGT) إلى زيادة الكفاءة الكهربائية لـ TPPs إلى 54٪ -57٪.
ومع ذلك ، في صناعة الطاقة على نطاق صغير ، من غير المناسب النظر في إمكانية استخدام مخططات معقدة من الدورات المركبة من CCGT لإنتاج الكهرباء. بالإضافة إلى ذلك ، فإن توربينات الغاز ، بالمقارنة مع المحركات الغازية ، كمحركات للمولدات الكهربائية ، تفقد بشكل كبير من حيث الكفاءة والأداء ، خاصة عند الطاقة المنخفضة (أقل من 10 ميغاواط). نظرًا لعدم استخدام التوربينات الغازية أو المحركات المكبسية الغازية في بلدنا على نطاق واسع في توليد الطاقة الثابتة على نطاق صغير ، فإن اختيار حل تقني معين يمثل مشكلة كبيرة.
هذه المشكلة ذات صلة أيضًا بالطاقة على نطاق واسع ، أي لأنظمة الطاقة. في الحديث ظروف اقتصادية، في ظل عدم وجود أموال لبناء محطات طاقة كبيرة في مشاريع متقادمة ، والتي يمكن أن تُعزى بالفعل إلى المشروع المحلي البالغ 325 ميجاوات ، والذي تم تصميمه قبل 5 سنوات. يجب أن تولي أنظمة الطاقة و RAO UES في روسيا اهتمامًا خاصًا لتطوير توليد الطاقة على نطاق صغير ، حيث يمكن اختبار التقنيات الجديدة في منشآتها ، مما سيمكن من البدء في إحياء محطات بناء التوربينات المحلية وبناء الآلات و بعد ذلك انتقل إلى القدرات الكبيرة.
في العقد الماضي ، تم بناء محطات طاقة حرارية كبيرة لمحركات الديزل أو الغاز بسعة 100-200 ميجاوات في الخارج. تصل الكفاءة الكهربائية لمحطات توليد الطاقة بمحركات الديزل أو الغاز (DTPP) إلى 47٪ ، وهو ما يتجاوز أداء التوربينات الغازية (36٪ -37٪) ، ولكنه أدنى من أداء التوربينات الغازية ذات الدورة المركبة (51٪ -57٪). تشتمل محطات توليد الطاقة التي تعمل بتقنية CCGT على مجموعة كبيرة من المعدات: توربينات غازية ، ومراجل بخار حرارية ، وتوربينات بخارية ، ومكثف ، ونظام معالجة المياه (بالإضافة إلى ضاغط معزز إذا تم حرق الغاز الطبيعي ذي الضغط المنخفض أو المتوسط. يمكن لمولدات الديزل تعمل بالوقود الثقيل ، وهو أرخص مرتين من وقود التوربينات الغازية ويمكن أن تعمل على غاز منخفض الضغط دون استخدام الضواغط الداعمة. وفقًا لـ S.E.M.T. PIELSTICK ، التكلفة الإجمالية على مدى 15 عامًا لتشغيل وحدة طاقة ديزل مع قدرة 20 ميجاوات أقل مرتين من محطة توليد الطاقة الحرارية للتوربينات الغازية بنفس السعة عند الاستخدام الوقود السائلكلا محطات الطاقة.
واعدة الشركة المصنعة الروسيةوحدات طاقة ديزل تصل إلى 22 ميغاواط هي بريانسك مصنع بناء الآلات، والذي يوفر للعملاء وحدات طاقة ذات كفاءة متزايدة تصل إلى 50٪ للتشغيل ، سواء على الوقود الثقيل بلزوجة تصل إلى 700 cSt عند 50 درجة مئوية ومحتوى كبريت يصل إلى 5٪ ، وللتشغيل على الوقود الغازي.
قد يكون خيار إنشاء محطة طاقة حرارية كبيرة تعمل بالديزل أفضل من محطة طاقة توربينية غازية.
في مجال توليد الطاقة على نطاق صغير ، مع قدرة وحدة أقل من 10 ميجاوات ، تكون مزايا مولدات الديزل الحديثة أكثر وضوحًا.
دعونا ننظر في ثلاثة أنواع مختلفة من محطات الطاقة الحرارية مع محطات التوربينات الغازية ومحركات الغاز المكبس.

يمكن أن يصل عامل استخدام الوقود للخيارين الأولين لمحطات الطاقة (بكفاءة كهربائية مختلفة) بسبب الإمداد الحراري إلى 80٪ -94٪ ، في حالة التوربينات الغازية ومحركات المحركات.
تعتمد ربحية جميع أنواع محطات الطاقة على الموثوقية والكفاءة ، أولاً وقبل كل شيء ، "المرحلة الأولى" - محرك المولد الكهربائي.
يقوم المتحمسون لاستخدام توربينات الغاز الصغيرة بحملات من أجل استخدامها على نطاق واسع ، مشيرين إلى كثافة الطاقة الأعلى. على سبيل المثال ، في [1] ورد أن Elliot Energy Systems (في 1998-1999) تبني شبكة توزيع من 240 موزعًا في أمريكا الشمالية تقدم دعمًا هندسيًا وخدميًا لبيع توربينات الغاز "الدقيقة". أمرت شبكة الكهرباء بتوربين بقدرة 45 كيلو وات ليكون جاهزًا للتسليم في أغسطس 1998. كما نصت على أن الكفاءة الكهربائية للتوربين تصل إلى 17٪ ، وأشارت إلى أن توربينات الغاز أكثر موثوقية من مولدات الديزل.
هذا البيان هو عكس ذلك تماما!
إذا نظرتم إلى الجدول. 1. ثم سنرى أنه في مثل هذا النطاق الواسع من مئات kW إلى عشرات MW ، تكون كفاءة محرك المحرك أعلى بنسبة 13٪ -17٪. المورد المشار إليه لمحرك شركة "Vyartsilya" يعني موردًا مضمونًا حتى الإصلاح الكامل. يعد مورد توربينات الغاز الجديدة موردًا محسوبًا تؤكده الاختبارات ، ولكن ليس من خلال إحصائيات العمل في التشغيل الحقيقي. وفقًا لمصادر عديدة ، فإن مورد التوربينات الغازية هو 30-60 ألف ساعة مع انخفاض مع انخفاض في الطاقة. مورد محركات الديزل ذات الإنتاج الأجنبي هو 40-100 ألف ساعة أو أكثر.

الجدول 1
المعلمات التقنية الرئيسية لمحركات المولدات الكهربائية
محطة توليد الكهرباء بالغاز- G ، محطة توليد الغاز D- المكبس في فيارتسيليا.
D - ديزل من كتالوج غازبروم
* أدنى قيمة للضغط المطلوب من غاز الوقود = 48 ATA !!
خصائص الأداء
الكفاءة الكهربائية (والطاقة)وفقًا لبيانات Värtsilä ، عندما يتم تقليل الحمل من 100٪ إلى 50٪ ، فإن كفاءة المولد الكهربائي الذي يحركه محرك الغاز يتغير قليلاً.
لا تتغير كفاءة محرك الغاز عمليا حتى 25 درجة مئوية.
تنخفض قوة التوربينات الغازية بالتساوي من -30 درجة مئوية إلى + 30 درجة مئوية.
عند درجات حرارة أعلى من 40 درجة مئوية ، يكون الانخفاض في طاقة التوربينات الغازية (من الاسمية) 20٪.
وقت البدءمحرك غاز من 0 إلى 100٪ حمولة أقل من دقيقة والطوارئ في 20 ثانية. يستغرق تشغيل التوربينات الغازية حوالي 9 دقائق.
ضغط إمداد الغازبالنسبة لتوربينات الغاز يجب أن تكون 16-20 بار.
يمكن أن يكون ضغط الغاز في الشبكة لمحرك الغاز 4 بار (abs) وحتى 1.15 بار لمحرك 175 SG.
النفقات الرأسماليةفي محطة طاقة حرارية بسعة حوالي 1 ميجاوات ، وفقًا لمتخصصي فارتسيلا ، تبلغ قيمتها 1400 دولار / كيلوواط لمحطة توربينات الغاز و 900 دولار / كيلوواط لمحطة توليد الكهرباء بمكبس الغاز.

تطبيق الدورة المركبةفي CHPPs الصغيرة ، عن طريق تركيب توربينات بخارية إضافية غير عملي ، لأنه يضاعف عدد المعدات الحرارية والميكانيكية ، ومساحة قاعة التوربينات وعدد أفراد الصيانة مع زيادة الطاقة 1.5 مرة فقط.
مع انخفاض قدرة CCGT من 325 ميجاوات إلى 22 ميجاوات ، وفقًا لبيانات محطة NPP "Mashproekt" (أوكرانيا ، نيكولاييف) ، تنخفض الكفاءة الأمامية لمحطة الطاقة من 51.5٪ إلى 43.6٪.
كفاءة وحدة طاقة ديزل (باستخدام وقود الغاز) بسعة 20-10 ميغاواط هي 43.3٪. وتجدر الإشارة إلى أنه في الصيف ، في وحدة CHPP مع وحدة الديزل ، يمكن توفير الماء الساخن من نظام تبريد المحرك.
أظهرت حسابات القدرة التنافسية لمحطات الطاقة على أساس المحركات الغازية أن تكلفة الكهرباء في محطات توليد الطاقة الصغيرة (1-1.5 ميجاوات) تبلغ حوالي 4.5 سنت / كيلوواط ساعة ، وفي المحطات الكبيرة التي تعمل بالغاز 32-40 ميجاوات 3 ، 8 الولايات المتحدة سنتات / كيلوواط ساعة
وفقًا لطريقة حساب مماثلة ، تكلف الكهرباء من محطة طاقة نووية تكثيف حوالي 5.5 سنت أمريكي / كيلوواط ساعة. ، والفحم IES حوالي 5.9 سنت. الولايات المتحدة / كيلوواط ساعة بالمقارنة مع محطة توليد الكهرباء التي تعمل بالفحم ، فإن المصنع الذي يعمل بالغاز يولد الكهرباء بنسبة 30٪ أرخص.
تقدر تكلفة الكهرباء التي تنتجها التوربينات الدقيقة ، وفقًا لمصادر أخرى ، ما بين 0.06 دولار و 0.10 دولار للكيلوواط ساعة.
السعر المتوقع لمولد توربيني غازي كامل بقدرة 75 كيلو وات (الولايات المتحدة) هو 40 ألف دولار ، وهو ما يتوافق مع تكلفة الوحدة لمحطات الطاقة الأكبر (أكثر من 1000 كيلوواط). الميزة الكبرى لوحدات الطاقة المزودة بتوربينات غازية هي أبعادها الأصغر ، 3 مرات أو أكثر بوزن أقل.
لاحظ أن تكلفة الوحدة لمجموعات توليد الطاقة الإنتاج الروسيعلى أساس محركات السيارات بقوة 50-150 كيلوواط ، يمكن أن تكون أقل بعدة مرات من القوالب التوربينية المذكورة (الولايات المتحدة الأمريكية) ، نظرًا للإنتاج المتسلسل للمحركات وانخفاض تكلفة المواد.
هذا هو رأي الخبراء الدنماركيين الذين يقيمون تجربتهم في تنفيذ محطات الطاقة الصغيرة.
"الاستثمار في محطة CHP للغاز الطبيعي جاهزة الإنجاز بسعة 0.5-40 ميجاوات هي 6.5-4.5 مليون كرونة دنماركية لكل ميجاوات (1 كرونة كانت تعادل تقريبًا روبل واحد في صيف 1998) محطات الطاقة الحرارية المجمعة تحت 50 ميجاوات سيحقق كفاءة كهربائية بنسبة 40-44٪.
تكاليف تشغيل زيوت التشحيم ، اعمال صيانةوصيانة الموظفين في CHPPs تصل إلى 0.02 كرون لكل 1 كيلوواط ساعة منتجة في توربينات الغاز. في محطات CHP ذات المحركات الغازية ، تبلغ تكاليف التشغيل حوالي 0.06 دات. كرون لكل 1 كيلوواط ساعة. بأسعار الكهرباء الحالية في الدنمارك أداء عاليمحركات الغاز أكثر من تعويض تكاليف التشغيل المرتفعة.
يعتقد المتخصصون الدنماركيون أن معظم محطات توليد الطاقة الحرارية التي تقل عن 10 ميغاواط ستزود بمحركات تعمل بالغاز في السنوات المقبلة ".

الموجودات
التقديرات أعلاه ، على ما يبدو ، تظهر بشكل لا لبس فيه مزايا محرك المحرك بطاقة منخفضة من محطات توليد الطاقة.
ومع ذلك ، في الوقت الحالي ، لا تتجاوز قوة محرك المحرك الروسي الصنع المقترح على الغاز الطبيعي طاقة 800 كيلوواط - 1500 كيلوواط (مصنع رومو ، مصنع آلات N-Novgorod و Kolomna) ، ويمكن أن تقدم العديد من المصانع محركات توربو من سلطة عليا.
مصنعان في روسيا: مصنع im. كليموف (سانت بطرسبرغ) وبيرم موتورز جاهزان لتزويد وحدات طاقة كاملة من المصغرة CHP بغلايات تسخين النفايات.
في حالة تنظيم مركز خدمة إقليمي ، يمكن حل مشكلات صيانة وإصلاح التوربينات الصغيرة من التوربينات عن طريق استبدال التوربين بآخر احتياطي خلال 2-4 ساعات وإصلاحه الإضافي في ظروف المصنع بالمركز الفني.

يمكن حاليًا زيادة كفاءة التوربينات الغازية بنسبة 20-30٪عن طريق تطبيق حقن البخار في التوربينات الغازية (دورة STIG أو دورة الغاز البخاري في توربين واحد). تم اختبار هذا الحل التقني في اختبارات ميدانية واسعة النطاق في السنوات السابقة. محطة توليد الكهرباء"Vodoley" في نيكولاييف (أوكرانيا) NPP "Mashproekt" و PA "Zarya" ، مما سمح بزيادة قدرة وحدة التوربينات من 16 إلى 25 ميجاوات وزادت الكفاءة من 32.8٪ إلى 41.8٪.
لا شيء يمنعنا من نقل هذه التجربة إلى سعات أصغر وبالتالي تنفيذ CCGT في التسليم التسلسلي. في هذه الحالة ، تتم مقارنة الكفاءة الكهربائية مع كفاءة محركات الديزل ، وتزداد الطاقة النوعية إلى حد كبير النفقات الرأسماليةيمكن أن تكون أقل بنسبة تصل إلى 50٪ من محطات الطاقة الحرارية التي تعمل بالغاز ، وهو أمر جذاب للغاية.

تم إجراء هذه المراجعة لإثبات أنه عند النظر في خيارات بناء محطات الطاقة في روسيا ، وحتى أكثر من ذلك ، فإن التوجيهات الخاصة بإنشاء برنامج لبناء محطات الطاقة ، من الضروري مراعاة عدم خيارات فرديةمن يستطيع أن يقدم منظمات التصميم، ولكن مجموعة واسعة من القضايا ، مع مراعاة قدرات ومصالح مصنعي المعدات المحليين والإقليميين.

المؤلفات

1. قيمة الطاقة ، المجلد 2 ، العدد 4 ، يوليو / أغسطس 1998 ، الولايات المتحدة الأمريكية ، فينتورا ، كاليفورنيا.
سوق التوربينات الصغيرة
ستان برايس ، مجلس نورث ويست لكفاءة الطاقة ، سياتل ، واشنطن وبورتلاند ، أوريغون
2. الاتجاهات الجديدة لإنتاج الطاقة في فنلندا
ASKO VUORINEN ، مساعد. تقنية. Science، Vartsila NSD Corporation JSC، "ENERGETIK" -11.1997. الصفحة 22
3. تدفئة المنطقة. البحث والتطوير التكنولوجي في الدنمارك. وزارة الطاقة. إدارة الطاقة ، 1993
4. محطات توليد الطاقة بالديزل. S.E.M.T. PIELSTICK. نشرة إصدار معرض POWERTEK 2000 ، 14-17 مارس 2000
5. محطات توليد الطاقة والوحدات الكهربائية الموصى باستخدامها في مرافق OAO GAZPROM. فهرس. موسكو 1999
6. ديزل محطة كهربائية. احتمال إنشاء مصنع بريانسك لبناء الآلات في OAO. 1999 كتيب المعرض POWERTEK 2000 /
7. محطة توليد الطاقة الحرارية NK-900E Block-modular. مجمع OJSC Samara العلمي والتقني الذي يحمل اسم V.I. اختصار الثاني. كوزنتسوفا. كتيب المعرض POWERTEK 2000

التوربين هو أي جهاز دوار يستخدم طاقة مائع عامل متحرك (سائل) لإنتاج الشغل. سوائل التوربينات النموذجية هي: الرياح والمياه والبخار والهيليوم. استخدمت طواحين الهواء ومحطات الطاقة الكهرومائية التوربينات لعقود لتشغيل المولدات الكهربائية وإنتاج الطاقة للصناعة والإسكان. لطالما عُرفت التوربينات البسيطة لفترة أطول ، ظهر أولها في اليونان القديمة.

لكن في تاريخ توليد الطاقة ، ظهرت توربينات الغاز نفسها منذ وقت ليس ببعيد. بدأ أول توربينات غازية عملية في توليد الكهرباء في نيوشاتيل ، سويسرا في عام 1939. تم تطويره من قبل شركة Brown Boveri. تم تشغيل أول توربين غازي لتشغيل طائرة أيضًا في عام 1939 في ألمانيا ، باستخدام توربين غازي صممه هانز ب. فون أوهاين. في إنجلترا في ثلاثينيات القرن الماضي ، أدى اختراع وتصميم التوربينات الغازية من قبل فرانك ويتل إلى أول رحلة تعمل بالطاقة التوربينية في عام 1941.

الشكل 1. مخطط توربينات الطائرات (أ) والتوربينات الغازية للاستخدام الأرضي (ب)

مصطلح "التوربينات الغازية" مضلل بسهولة لأنه يعني بالنسبة للكثيرين محرك توربيني يستخدم الغاز كوقود. في الواقع ، تحتوي التوربينات الغازية (الموضحة بشكل تخطيطي في الشكل 1) على ضاغط يقوم بإمداد الغاز وضغطه (عادة ما يكون الهواء) ؛ غرفة الاحتراق ، حيث يعمل احتراق الوقود على تسخين الغاز المضغوط والتوربينات نفسها ، والتي تستخرج الطاقة من تدفق الغازات الساخنة والمضغوطة. هذه الطاقة كافية لتشغيل الضاغط وتبقى للتطبيقات المفيدة. التوربينات الغازية هي محرك احتراق داخلي (ICE) يستخدم الاحتراق المستمر للوقود لإنتاج عمل مفيد. في هذا ، يختلف التوربين عن المكربن ​​أو محركات الاحتراق الداخلي للديزل ، حيث تكون عملية الاحتراق متقطعة.

منذ أن بدأ استخدام توربينات الغاز في عام 1939 في نفس الوقت في صناعة الطاقة والطيران ، تم استخدام أسماء مختلفة للطيران وتوربينات الغاز الأرضية. تسمى التوربينات الغازية للطيران بالمحركات النفاثة أو النفاثة ، وتسمى التوربينات الغازية الأخرى محركات التوربينات الغازية. في اللغة الإنجليزيةهناك المزيد من الأسماء لهذه المحركات المتشابهة عمومًا.

استخدام توربينات الغاز

في المحرك التوربيني النفاث ، تعمل الطاقة المنبعثة من التوربين على تشغيل ضاغط يسحب الهواء إلى المحرك. يُطرد الغاز الساخن الذي يخرج من التوربين إلى الغلاف الجوي من خلال فوهة العادم ، مما يؤدي إلى قوة الدفع. على التين. يوضح الشكل 1 أ رسمًا تخطيطيًا لمحرك نفاث.

الشكل 2. تمثيل تخطيطي لمحرك نفاث للطائرة.

يظهر محرك نفاث نموذجي في الشكل. 2. تخلق هذه المحركات قوة دفع من 45 كجم إلى 45000 كجم مع وزن ساكن من 13 كجم إلى 9000 كجم. أصغر المحركات تدفع صواريخ كروزأكبرها طائرات عملاقة. التوربينات الغازية في الشكل. 2 هو محرك توربيني بضاغط ذو قطر كبير. يتم إنشاء الدفع عن طريق الهواء الذي يمتصه الضاغط والهواء الذي يمر عبر التوربين نفسه. المحرك كبير وقادر على توليد قوة دفع عالية بسرعات إقلاع منخفضة ، مما يجعله الأنسب للطائرات التجارية. لا يحتوي المحرك التوربيني على مروحة ويخلق قوة دفع مع الهواء الذي يمر بالكامل عبر مسار الغاز. تتميز محركات Turbojet بأبعاد أمامية صغيرة وتنتج أقصى قوة دفع بسرعات عاليةمما يجعلها الأنسب للاستخدام على الطائرات المقاتلة.

في التوربينات الغازية غير الجوية ، يتم استخدام جزء من الطاقة من التوربينات لتشغيل الضاغط. يتم إزالة الطاقة المتبقية - "الطاقة المفيدة" من عمود التوربين في جهاز استخدام الطاقة مثل المولد الكهربائي أو مروحة السفينة.

يظهر التوربينات الغازية الأرضية النموذجية في الشكل. 3. يمكن أن تولد مثل هذه التركيبات طاقة من 0.05 ميغاواط إلى 240 ميغاواط. الإعداد الموضح في الشكل. 3 ـ توربين غازي مشتق من الطائرة ولكنه أخف وزناً. تم تصميم الوحدات الأثقل خصيصًا للاستخدام الأرضي وتسمى التوربينات الصناعية. على الرغم من أن التوربينات المشتقة من الطائرات تُستخدم بشكل متزايد كمولدات طاقة أولية ، إلا أنها لا تزال تستخدم بشكل شائع كضواغط للضخ غاز طبيعيوسفن الطاقة وتستخدم كمولدات طاقة إضافية لفترات ذروة الأحمال. يمكن تشغيل مولدات التوربينات الغازية بسرعة ، لتزويدها بالطاقة عندما تكون في أمس الحاجة إليها.

الشكل 3. أبسط توربين غازي أرضي أحادي المرحلة. على سبيل المثال ، في مجال الطاقة. 1 - ضاغط ، 2 - غرفة احتراق ، 3 - توربين.

معظم فوائد مهمةالتوربينات الغازية هي:

1. إنه قادر على توليد الكثير من الطاقة بحجم ووزن صغير نسبيًا.
2. تعمل التوربينات الغازية في وضع الدوران المستمر ، على عكس المحركات الترددية التي تعمل بأحمال متغيرة باستمرار. لذلك ، فإن التوربينات تدوم لفترة طويلة وتتطلب القليل من الصيانة نسبيًا.
3. على الرغم من بدء تشغيل التوربينات الغازية باستخدام معدات مساعدة مثل المحركات الكهربائية أو توربينات غازية أخرى ، إلا أن البدء يستغرق دقائق. للمقارنة ، يتم قياس وقت بدء تشغيل التوربينات البخارية بالساعات.
4. يمكن أن تستخدم التوربينات الغازية أنواعًا مختلفة من الوقود. عادةً ما تستخدم التوربينات الأرضية الكبيرة الغاز الطبيعي ، بينما تميل توربينات الطيران إلى استخدام نواتج التقطير الخفيفة (الكيروسين). يمكن أيضًا استخدام وقود الديزل أو زيت الوقود المعالج بشكل خاص. من الممكن أيضًا استخدام الغازات القابلة للاحتراق من عملية الانحلال الحراري والتغويز وتكرير النفط ، وكذلك الغاز الحيوي.
5. عادةً ما تستخدم توربينات الغاز الهواء الجوي كسائل عامل. عند توليد الكهرباء ، لا تحتاج التوربينات الغازية إلى سائل تبريد (مثل الماء).

في الماضي ، كان أحد العوائق الرئيسية لتوربينات الغاز هو كفاءتها المنخفضة مقارنة بمحركات الاحتراق الداخلي الأخرى أو التوربينات البخارية في محطات توليد الطاقة. ومع ذلك ، على مدار الخمسين عامًا الماضية ، أدت التحسينات في تصميمها إلى زيادة الكفاءة الحرارية من 18٪ في عام 1939 على توربين غازي من نوع Neuchatel إلى الكفاءة الحالية بنسبة 40٪ في عملية الدورة البسيطة وحوالي 55٪ في الدورة المركبة (المزيد حول ذلك أدناه) . في المستقبل ، ستزداد كفاءة توربينات الغاز بشكل أكبر ، مع توقع ارتفاع الكفاءة إلى 45-47٪ في الدورة البسيطة وحتى 60٪ في الدورة المركبة. هذه الكفاءات المتوقعة أعلى بكثير من المحركات الشائعة الأخرى مثل التوربينات البخارية.

دورات توربينات الغاز

يوضح مخطط التسلسل ما يحدث عندما يدخل الهواء ويمر عبر مسار الغاز ويخرج من التوربينات الغازية. نموذجيًا ، يوضح الرسم البياني الدائري العلاقة بين حجم الهواء وضغط النظام. على التين. يوضح الشكل 4 أ دورة برايتون ، والتي توضح التغير في خصائص حجم ثابت من الهواء يمر عبر توربين غازي أثناء تشغيله. تظهر المجالات الرئيسية لهذا المخطط الدائري أيضًا في التمثيل التخطيطي لتوربين الغاز في الشكل. 4 ب.

الشكل 4 أ. مخطط دورة برايتون في إحداثيات P-V لسائل العمل ، يوضح تدفقات العمل (W) والحرارة (Q).

الشكل 4 ب. رسم توضيحي لتوربين غازي يوضح نقاطًا من مخطط دورة برايتون.

يتم ضغط الهواء من النقطة 1 إلى النقطة 2. يزداد ضغط الغاز بينما ينخفض ​​حجم الغاز. ثم يتم تسخين الهواء عند ضغط ثابت من النقطة 2 إلى النقطة 3. تنتج هذه الحرارة عن طريق إدخال الوقود إلى غرفة الاحتراق وحرقه باستمرار.

يبدأ الهواء المضغوط الساخن من النقطة 3 في التمدد بين النقطتين 3 و 4. ينخفض ​​الضغط ودرجة الحرارة في هذا الفاصل الزمني ويزداد حجم الغاز. في المحرك في الشكل. في الشكل 4 ب ، يتم تمثيل ذلك بتدفق الغاز من النقطة 3 عبر التوربين إلى النقطة 4. ينتج عن ذلك طاقة يمكن استخدامها بعد ذلك. في التين. في الشكل 1 أ ، يتم توجيه التدفق من النقطة 3 "إلى النقطة 4 عبر فوهة المخرج وينتج قوة دفع. يظهر" عمل مفيد "في الشكل 4 أ من خلال المنحنى 3'-4. هذه هي الطاقة القادرة على قيادة عمود الإدارة في التوربينات الأرضية أو إحداث قوة دفع لمحرك طائرة. تنتهي دورة برايتون في الشكل 4 بعملية ينخفض ​​فيها حجم ودرجة حرارة الهواء مع إطلاق الحرارة في الغلاف الجوي.

الشكل 5. نظام الحلقة المغلقة.

تعمل معظم توربينات الغاز في وضع الدورة المفتوحة. في الدائرة المفتوحة ، يؤخذ الهواء من الغلاف الجوي (النقطة 1 في الشكلين 4 أ و 4 ب) ويُطرد مرة أخرى إلى الغلاف الجوي عند النقطة 4 ، لذلك يتم تبريد الغاز الساخن في الغلاف الجوي بعد استنفاده من المحرك. في التوربينات الغازية التي تعمل في دورة مغلقة ، يتم استخدام مائع العمل (سائل أو غاز) باستمرار لتبريد غازات العادم (عند النقطة 4) في المبادل الحراري (كما هو موضح بشكل تخطيطي في الشكل 5) ويتم إرساله إلى مدخل الضاغط . نظرًا لاستخدام حجم مغلق بكمية محدودة من الغاز ، فإن توربين الدورة المغلقة ليس محرك احتراق داخلي. في نظام الدورة المغلقة ، لا يمكن أن يستمر الاحتراق ويتم استبدال غرفة الاحتراق التقليدية بمبادل حراري ثانوي يقوم بتسخين الهواء المضغوط قبل أن يدخل التوربين. قدمت الحرارة مصدر خارجي، على سبيل المثال ، مفاعل نووي أو فرن طبقة مميعة من الفحم أو مصدر حرارة آخر. تم اقتراح استخدام توربينات الغاز ذات الدورة المغلقة في الرحلات الجوية إلى المريخ وغيرها من الرحلات الفضائية طويلة المدى.

يسمى التوربينات الغازية التي تم تصميمها وتشغيلها وفقًا لدورة Bryson (الشكل 4) توربين غازي ذو دورة بسيطة. تعمل معظم توربينات الغاز على الطائرات في دورة بسيطة للحفاظ على وزن المحرك وأبعاده الأمامية صغيرة بقدر الإمكان. ومع ذلك ، بالنسبة للاستخدام البري أو البحري ، يصبح من الممكن إضافة معدات إضافية إلى التوربينات ذات الدورة البسيطة من أجل زيادة كفاءة و / أو قوة المحرك. يتم استخدام ثلاثة أنواع من التعديلات: التجديد والتبريد المتوسط ​​والتدفئة المزدوجة.

تجديدينص على تركيب مبادل حراري (جهاز استرداد) على طريق غازات العادم (النقطة 4 في الشكل 4 ب). هواء مضغوط من النقطة 2 في الشكل. يتم تسخين 4 ب على المبادل الحراري بواسطة غازات العادم قبل دخول غرفة الاحتراق (الشكل 6 أ).

إذا تم تنفيذ التجديد بشكل جيد ، أي أن كفاءة المبادل الحراري عالية ، وانخفاض الضغط فيه صغير ، فستكون الكفاءة أكبر من دورة التوربينات البسيطة. ومع ذلك ، يجب أيضًا مراعاة تكلفة المُجدد. تم استخدام المُجددات في المحركات التوربينية الغازية في خزانات Abrams M1 - الرئيسية دبابة قتاليةتشغيل "عاصفة الصحراء" وفي المحركات التوربينية الغازية التجريبية للسيارات. تزيد التوربينات الغازية مع التجديد من الكفاءة بنسبة 5-6٪ وتكون كفاءتها أعلى عند التشغيل تحت الحمل الجزئي.

تبريديتضمن أيضًا استخدام المبادلات الحرارية. المبرد البيني (المبرد البيني) يبرد الغاز أثناء ضغطه. على سبيل المثال ، إذا كان الضاغط يتكون من وحدتين ، ضغط مرتفع ومنخفض ، فيجب تركيب مبرد داخلي بينهما لتبريد تدفق الغاز وتقليل مقدار العمل المطلوب للضغط في ضاغط الضغط العالي (الشكل 6 ب). يمكن أن يكون عامل التبريد عبارة عن هواء جوي (ما يسمى مبردات الهواء) أو ماء (مثل مياه البحر في توربين السفينة). من السهل إظهار زيادة قوة التوربينات الغازية ذات المبرد البيني المصمم جيدًا.

تدفئة مزدوجةيستخدم في التوربينات وهو وسيلة لزيادة الطاقة الناتجة عن التوربين دون تغيير تشغيل الضاغط أو زيادة درجة حرارة تشغيل التوربين. إذا كان التوربين الغازي يحتوي على وحدتين ، ضغط مرتفع ومنخفض ، فسيتم استخدام سخان فائق (عادة احتراق آخر) لإعادة تسخين تدفق الغاز بين توربينات الضغط المرتفع والمنخفض (الشكل 6 ج). يمكنه زيادة الطاقة الناتجة بنسبة 1-3٪. يتم تحقيق التسخين المزدوج في توربينات الطائرات عن طريق إضافة حريق احتراق في فوهة التوربينات. هذا يزيد من قوة الجر ، لكنه يزيد بشكل كبير من استهلاك الوقود.

غالبًا ما يتم اختصار محطة توليد الطاقة التوربينية الغازية ذات الدورة المركبة على أنها CCGT. تعني الدورة المركبة محطة طاقة يتم فيها استخدام التوربينات الغازية والتوربينات البخارية معًا لتحقيق كفاءة أكبر مما لو تم استخدامها بشكل منفصل. يعمل التوربينات الغازية على تشغيل مولد كهربائي. تُستخدم غازات عادم التوربينات في إنتاج بخار في مبادل حراري ، وهذا البخار يدفع توربينات بخارية تنتج أيضًا الكهرباء. إذا تم استخدام البخار للتدفئة ، فإن المحطة تسمى محطة توليد الطاقة المشتركة. بمعنى آخر ، في روسيا ، يتم استخدام الاختصار CHP (Heat and Power Plant) بشكل شائع. لكن في محطات CHP ، كقاعدة عامة ، لا تعمل التوربينات الغازية ، ولكن التوربينات البخارية العادية. والبخار المستخدم يستخدم للتدفئة ، لذا فإن CHP و CHP ليسا مترادفين. على التين. 7 مخطط مبسطمحطة توليد الطاقة المشتركة ، يظهر محركان حراريان مثبتان في سلسلة. المحرك العلوي عبارة عن توربين غازي. ينقل الطاقة إلى المحرك السفلي - التوربينات البخارية. ثم تقوم التوربينات البخارية بنقل الحرارة إلى المكثف.

الشكل 7. رسم تخطيطي لمحطة توليد الطاقة ذات الدورة المركبة.

يمكن تمثيل كفاءة الدورة المدمجة \ (\ nu_ (cc) \) بتعبير بسيط إلى حد ما: \ (\ nu_ (cc) = \ nu_B + \ nu_R - \ nu_B \ مرات \ nu_R \) بعبارة أخرى ، هو مجموع كفاءة كل مرحلة مطروحًا منها عملها. توضح هذه المعادلة سبب كفاءة التوليد المشترك للطاقة. افترض أن \ (\ nu_B = 40٪ \) حد أعلى معقول لكفاءة التوربينات الغازية لدورة برايتون. التقدير المعقول لكفاءة التوربينات البخارية التي تعمل في دورة رانكين في المرحلة الثانية من التوليد المشترك هو \ (\ nu_R = 30٪ \). باستبدال هذه القيم في المعادلة ، نحصل على: \ (\ nu_ (cc) = 0.40 + 0.30 - 0.40 \ times 0.3 = 0.70 - 0.12 = 0.58 \). أي أن كفاءة مثل هذا النظام ستكون 58٪.

هذا هو الحد الأعلى لكفاءة محطة توليد الطاقة المشتركة. ستكون الكفاءة العملية أقل بسبب الفقد الحتمي للطاقة بين المراحل. عمليا في أنظمة التوليد المشترك للطاقة التي تم تشغيلها في السنوات الأخيرة ، تم تحقيق كفاءة 52-58 ٪.

مكونات التوربينات الغازية

من الأفضل تقسيم تشغيل التوربينات الغازية إلى ثلاثة أنظمة فرعية: ضاغط ، وغرفة احتراق ، وتوربين ، كما هو موضح في الشكل. 1. بعد ذلك ، سنراجع بإيجاز كل من هذه الأنظمة الفرعية.

الضواغط والتوربينات

يتم توصيل الضاغط بالتوربين بواسطة عمود مشترك بحيث يمكن للتوربين تشغيل الضاغط. يحتوي التوربينات الغازية أحادية المحور على عمود واحد يربط بين التوربين والضاغط. يحتوي التوربين الغازي ثنائي المحور (الشكل 6 ب و 6 ج) على عمودين مخروطين. الأطول متصل بضاغط ضغط منخفض وتوربين منخفض الضغط. يدور داخل عمود مجوف أقصر يصل ضاغط الضغط العالي بالتوربين عالي الضغط. يدور العمود الذي يربط بين التوربين وضاغط الضغط العالي بشكل أسرع من عمود التوربين وضاغط الضغط المنخفض. يحتوي التوربين الغازي ثلاثي الأعمدة على عمود ثالث يربط بين التوربين وضاغط الضغط المتوسط.

يمكن أن تكون التوربينات الغازية طاردة مركزية أو محورية ، أو مجموعة. يعد ضاغط الطرد المركزي ، الذي يخرج فيه الهواء المضغوط حول المحيط الخارجي للآلة ، موثوقًا به ، وعادة ما يكون أقل تكلفة ، ولكنه يقتصر على نسبة ضغط تتراوح من 6 إلى 7 إلى 1. وقد تم استخدامها على نطاق واسع في الماضي وما زالت تستخدم حتى اليوم في توربينات الغاز الصغيرة.

في الضواغط المحورية الأكثر كفاءة وإنتاجية ، يخرج الهواء المضغوط على طول محور الآلية. هذا هو النوع الأكثر شيوعًا من ضواغط الغاز (انظر الشكلين 2 و 3). تتكون ضواغط الطرد المركزي من عدد كبير من الأقسام المتطابقة. يحتوي كل قسم على عجلة دوارة مع ريش توربينية وعجلة ذات ريش ثابتة (ساكن). يتم ترتيب الأقسام بحيث يمر الهواء المضغوط بشكل تسلسلي عبر كل قسم ، مع إعطاء بعض طاقته لكل قسم.

تتميز التوربينات بتصميم أبسط من الضاغط ، حيث يصعب ضغط تدفق الغاز أكثر من التسبب في تمدده مرة أخرى. التوربينات المحورية مثل تلك الموضحة في الشكل. يحتوي 2 و 3 على أقسام أقل من ضاغط الطرد المركزي. هناك توربينات غازية صغيرة تستخدم توربينات طرد مركزي (مع حقن غاز شعاعي) ، لكن التوربينات المحورية هي الأكثر شيوعًا.

تصميم وتصنيع التوربين صعب لأنه مطلوب لزيادة عمر المكونات في تيار الغاز الساخن. تعتبر مسألة موثوقية التصميم أكثر أهمية في المرحلة الأولى من التوربينات ، حيث تكون درجات الحرارة في أعلى مستوياتها. يتم استخدام مواد خاصة ونظام تبريد متطور لصنع شفرات التوربينات التي تذوب عند درجة حرارة 980-1040 درجة مئوية في تيار غاز تصل درجة حرارته إلى 1650 درجة مئوية.

غرفة الاحتراق

يجب أن يلبي تصميم غرفة الاحتراق الناجح العديد من المتطلبات ، وكان تصميمها المناسب يمثل تحديًا منذ أيام توربينات Whittle و von Ohin. تعتمد الأهمية النسبية لكل من متطلبات غرفة الاحتراق على تطبيق التوربين ، وبالطبع تتعارض بعض المتطلبات مع بعضها البعض. عند تصميم غرفة الاحتراق ، لا مفر من التنازلات. ترتبط معظم متطلبات التصميم بالسعر والكفاءة والملاءمة البيئية للمحرك. فيما يلي قائمة بالمتطلبات الأساسية لغرفة الاحتراق:

1. كفاءة عالية في احتراق الوقود في جميع ظروف التشغيل.
2. حرق منخفض للوقود وانبعاثات أول أكسيد الكربون (أول أكسيد الكربون) ، وانبعاثات منخفضة من أكسيد النيتروجين تحت الحمل الثقيل وعدم وجود انبعاثات دخان مرئية (تقليل التلوث البيئي).
3. ينخفض ​​ضغط صغير عندما يمر الغاز عبر غرفة الاحتراق. 3-4٪ فقدان الضغط هو هبوط ضغط نموذجي.
4. يجب أن يكون الاحتراق مستقرًا في جميع أوضاع التشغيل.
5. يجب أن يكون الاحتراق مستقرًا في درجات حرارة منخفضة للغاية وضغط منخفض على ارتفاعات عالية (لمحركات الطائرات).
6. يجب أن يكون الحرق متساويًا ، بدون نبضات أو اضطرابات.
7. يجب أن تكون درجة الحرارة مستقرة.
8. عمر خدمة طويل (آلاف الساعات) ، خاصة للتوربينات الصناعية.
9. سهولة الاستخدام أنواع مختلفةالوقود. تستخدم التوربينات الأرضية عادة الغاز الطبيعي أو وقود الديزل. لتوربينات الكيروسين للطيران.
10. يجب أن يتطابق طول وقطر غرفة الاحتراق مع حجم مجموعة المحرك.
11. يجب الحفاظ على التكلفة الإجمالية لامتلاك غرفة الاحتراق عند الحد الأدنى (وهذا يشمل التكلفة الأولية وتكاليف التشغيل والصيانة).
12. يجب أن تكون غرفة الاحتراق لمحركات الطائرات ذات وزن أدنى.

تتكون غرفة الاحتراق من ثلاثة أجزاء رئيسية على الأقل: الغلاف وأنبوب اللهب ونظام حقن الوقود. يجب أن يتحمل الغلاف ضغط التشغيل ويمكن أن يكون جزءًا من تصميم التوربينات الغازية. تغلق القشرة أنبوب لهب رقيق الجدران نسبيًا يتم فيه الاحتراق ونظام حقن الوقود.

بالمقارنة مع الأنواع الأخرى من المحركات ، مثل الديزل ومحركات السيارات الترددية ، تنتج توربينات الغاز أقل كمية من ملوثات الهواء لكل وحدة طاقة. من بين انبعاثات التوربينات الغازية ، يعتبر الوقود غير المحترق وأول أكسيد الكربون (أول أكسيد الكربون) وأكاسيد النيتروجين (NOx) والدخان مصدر قلق كبير. على الرغم من أن مساهمة توربينات الطائرات في إجمالي انبعاثات الملوثات أقل من 1٪ ، فقد تضاعفت الانبعاثات مباشرة في طبقة التروبوسفير بين 40 و 60 درجة شمالًا ، مما تسبب في زيادة بنسبة 20٪ في تركيزات الأوزون. في الستراتوسفير حيث تحلق الطائرات الأسرع من الصوت ، تسبب انبعاثات أكاسيد النيتروجين استنفاد طبقة الأوزون. كلا التأثيرين ضار. بيئةلذا فإن الحد من أكاسيد النيتروجين (NOx) في انبعاثات محركات الطائرات هو ما يجب أن يحدث في القرن الحادي والعشرين.

هذا مقال قصير إلى حد ما يحاول تغطية جميع جوانب تطبيقات التوربينات ، من الطيران إلى الطاقة ، دون الاعتماد على الصيغ. للتعرف على الموضوع بشكل أفضل ، يمكنني أن أوصي بكتاب "التوربينات الغازية في النقل بالسكك الحديدية" http://tapemark.narod.ru/turbo/index.html. إذا حذفنا الفصول المتعلقة بخصائص استخدام التوربينات سكة حديدية- الكتاب لا يزال واضحًا جدًا ، لكنه أكثر تفصيلاً.

تجمع التوربينات الغازية ، كمحرك حراري ، بين السمات المميزة للتوربين البخاري ومحرك الاحتراق الداخلي ، حيث يتم تحويل طاقة الوقود أثناء احتراقه مباشرة إلى عمل ميكانيكي. السائل العامل لتوربينات الغاز التي تعمل في دورة مفتوحة هو نتاج احتراق الوقود ، والسائل العامل لتوربينات الغاز التي تعمل في دورة مغلقة هو هواء نظيف أو غاز يدور باستمرار في النظام. على السفن ، يتم استخدام وحدات التوربينات الغازية (GTUs) التي تعمل في دورة مفتوحة ، مع احتراق الوقود بضغط ثابت (p = const) ووحدات GTU تعمل في دورة مغلقة.

حاليًا ، تتكون توربينات الغاز البحري من نوعين: 1) ضاغط توربيني و 2) مع مولدات غاز ذات مكبس حر (SPGG).

يوضح الشكل رسمًا تخطيطيًا لأبسط محطة توربينات غازية ضاغطة توربينية تعمل بضغط احتراق ثابت للوقود. 101- يمتص الضاغط 9 هواء الغلاف الجوي النظيف ويضغطه على ضغط مرتفع وينقله عبر مجرى الهواء.3 في غرفة الاحتراق 2 ، حيث في نفس الوقت من خلال الفوهة1 يتم توفير الوقود. يشكّل الوقود الممزوج بالهواء مزيجًا عمليًا يحترق عند حدوثهص = ثابت. يتم تبريد نواتج الاحتراق الناتجة عن طريق الهواء وإرسالها إلى مسار تدفق التوربين. في الشفرات الثابتة 4 ، تتوسع نواتج الاحتراق وتدخل إلى ريش الدوار 5 بسرعة عالية ، حيث يتم تحويل الطاقة الحركية لتدفق الغاز إلى العمل الميكانيكي لدوران العمود. من خلال الأنبوب 6 ، تخرج غازات العادم من التوربينات. يعمل التوربينات الغازية على تشغيل الضاغط 9 وعبر علبة التروس7 المروحة 8. لبدء تشغيل الوحدة ، يتم استخدام محرك بدء التشغيل 10 ، والذي يقوم بتدوير الضاغط إلى أدنى سرعة.

يوضح نفس الشكل الدورة النظرية لـ GTP المدروسة في الإحداثيات ص -؟ وس - T: AB - عملية ضغط الهواء في الضاغط ؛ احتراق VS للوقود عند ضغط ثابت في غرفة الاحتراق ؛ SD - تمدد الغاز في التوربين ، نعم - إزالة الحرارة من غازات العادم.

لزيادة كفاءة تشغيل التوربينات الغازية ، يتم استخدام التسخين المتجدد للهواء الداخل إلى غرفة الاحتراق ، أو الاحتراق المرحلي للوقود في عدة غرف احتراق متتابعة تخدم التوربينات الفردية. نظرًا لتعقيد التصميم ، نادرًا ما يتم استخدام الاحتراق المرحلي. من أجل زيادة الكفاءة الفعالة للتركيب ، إلى جانب التجديد ، يتم استخدام ضغط الهواء على مرحلتين ، بينما يتم تضمين مبرد داخلي بين الضواغط ، مما يقلل من الطاقة المطلوبة لضاغط الضغط العالي.

على التين. 102 رسم تخطيطي لأبسط محطة توربينات غازية مع احتراق الوقودص = const واستعادة الحرارة. ضغط الهواء في الضاغط1 ، يمر من خلال المجدد 2 إلى غرفة الاحتراق3 ، حيث يتم تسخينها بواسطة حرارة غازات العادم تاركة التوربين 4 بدرجة حرارة عالية نسبيًا. تظهر الدورة الفعلية لهذا التثبيت في مخطط S-T (الشكل 103): عملية ضغط الهواء في الضاغط1 - 2 ؛ تسخين الهواء في المجدد ، مصحوبًا بانخفاض ضغط منص 2 قبلص 4 2 - 3 ؛ الإمداد الحراري في عملية احتراق الوقود 3-4 ؛ عملية تمدد الغاز الفعلية في التوربينات4-5 ؛ تبريد الغاز في المجدد ، مصحوبًا بفقدان الضغط ص 5 -ر 1 5-6 ؛ عادم الغاز - إزالة الحرارة6-1 . يتم تمثيل كمية الحرارة التي يتلقاها الهواء في المجدد بمساحة 2 "-2-3-3" ، وكمية الحرارة المنبعثة من غازات العادم في المجدد ، بمساحة تبلغ 6 "-6-5-5". هذه المناطق متساوية.

في التوربينات الغازية ذات الدورة المغلقة ، لا يدخل سائل العمل المستهلك إلى الغلاف الجوي ، وبعد التبريد المسبق يتم إرساله مرة أخرى إلى الضاغط. وبالتالي ، فإن سائل العمل يدور في الدورة ، غير ملوث بمنتجات الاحتراق. يؤدي ذلك إلى تحسين ظروف العمل لأجزاء التدفق في التوربينات ، مما يؤدي إلى زيادة موثوقية التركيب وزيادة موارد المحرك. لا تختلط منتجات الاحتراق بسائل العمل وبالتالي فإن أي نوع من أنواع الوقود مناسب للاحتراق.

على التين. يوضح الشكل 104 مخططًا تخطيطيًا لتوربينات غازية للسفن ذات دورة مغلقة. يدخل الهواء بعد التبريد المسبق في مبرد الهواء 4 إلى الضاغط5 ، والتي يتم تشغيلها بواسطة توربين عالي الضغط7 . يتم إرسال الهواء من الضاغط إلى المجدد.3 ، ثم في سخان الهواء 6 ، والذي يؤدي نفس دور غرفة الاحتراق في التركيبات من النوع المفتوح. من سخان الهواء ، يدخل هواء العمل عند درجة حرارة 700 درجة مئوية في التوربينات عالية الضغط7 ، والذي يقوم بتدوير الضاغط ثم إلى التوربينات ذات الضغط المنخفض2 ، والتي من خلال المخفض1 يقوم بتشغيل مروحة الخطوة القابلة للتعديل. تم تصميم محرك التشغيل 8 لبدء التثبيت. تشمل عيوب توربينات الغاز ذات الدورة المغلقة ضخامة المبادلات الحرارية.

تحظى التوربينات الغازية ذات الدورة المغلقة بمفاعل نووي بأهمية خاصة. في هذه التركيبات ، يتم استخدام الهيليوم والنيتروجين وثاني أكسيد الكربون كسائل عامل لتوربينات الغاز (المبرد). لا يتم تنشيط هذه الغازات في مفاعل نووي. يتم إرسال الغاز المسخن في المفاعل إلى درجة حرارة عالية مباشرة للعمل في التوربينات الغازية.

المزايا الرئيسية للتوربينات الغازية مقارنة بالتوربينات البخارية هي: الوزن المنخفض والأبعاد ، حيث لا توجد غلاية ووحدة تكثيف بآليات وأجهزة مساعدة ؛ بدء التشغيل السريع وتطوير الطاقة الكاملة في غضون 10-15 دقيقة ؛ استهلاك منخفض جدًا لمياه التبريد ؛ سهولة الصيانة.

المزايا الرئيسية لتوربينات الغاز مقارنة بمحركات الاحتراق الداخلي هي: عدم وجود آلية كرنك وما يرتبط بها من قوى القصور الذاتي ؛ انخفاض الوزن والأبعاد عند الطاقة العالية (وحدات GTU أخف وزنًا بمقدار 2-2.5 مرة وطولًا أقصر بمقدار 1.5-2 مرة من محركات الديزل) ؛ القدرة على العمل على وقود منخفض الدرجة ؛ انخفاض تكاليف التشغيل. عيوب توربينات الغاز هي كما يلي: عمر خدمة قصير عند درجات حرارة عالية للغاز (على سبيل المثال ، عند درجة حرارة غاز تبلغ 1173 درجة كلفن ، تكون مدة الخدمة 500-1000 ساعة) ؛ أقل من محركات الديزل والكفاءة ؛ ضوضاء كبيرة أثناء التشغيل.

حاليًا ، تُستخدم توربينات الغاز كمحركات رئيسية لسفن النقل البحري. في بعض الحالات ، تُستخدم توربينات الغاز منخفضة الطاقة لتشغيل المضخات ومولدات الطاقة في حالات الطوارئ وضواغط التعزيز الإضافية وما إلى ذلك. تعتبر توربينات الغاز ذات أهمية خاصة باعتبارها المحركات الرئيسية للقوارب المائية والحوامات.

التوربينات الحرارية ذات العمل المستمر ، والتي فيها طاقة حراريةيتم تحويل الغاز المضغوط والمسخن (عادةً منتجات احتراق الوقود) إلى عمل دوراني ميكانيكي على العمود ؛ هو عنصر هيكلي لمحرك توربيني غازي.

يحدث تسخين الغاز المضغوط ، كقاعدة عامة ، في غرفة الاحتراق. من الممكن أيضًا إجراء التدفئة في مفاعل نووي ، إلخ. ظهرت توربينات الغاز لأول مرة في نهاية القرن التاسع عشر. كمحرك توربيني غازي ومن حيث التصميم ، اقتربوا من التوربينات البخارية. من الناحية الهيكلية ، التوربينات الغازية عبارة عن سلسلة من حواف الشفرة الثابتة المرتبة بشكل منظم لجهاز الفوهة والحافات الدوارة للمكره ، والتي تشكل نتيجة لذلك جزءًا من التدفق. مرحلة التوربين عبارة عن جهاز فوهة مدمج مع المكره. تتكون المرحلة من الجزء الثابت ، والذي يتضمن الأجزاء الثابتة (الغلاف ، وشفرات الفوهة ، وحلقات الكفن) ، والدوار ، وهو مجموعة من الأجزاء الدوارة (مثل ريش الدوار ، والأقراص ، والعمود).

يتم تصنيف التوربينات الغازية وفقًا للكثيرين ميزات التصميم: حسب اتجاه تدفق الغاز وعدد المراحل وطريقة استخدام فرق الحرارة وطريقة إمداد الدافع بالغاز. في اتجاه تدفق الغاز ، يمكن تمييز التوربينات الغازية محوريًا (الأكثر شيوعًا) وشعاعيًا ، وكذلك قطريًا وعرضيًا. في التوربينات الغازية المحورية ، يتم نقل التدفق في المقطع العرضي بشكل أساسي على طول محور التوربين بالكامل ؛ في التوربينات الشعاعية ، على العكس من ذلك ، فهي عمودية على المحور. تنقسم التوربينات الشعاعية إلى جاذبية وطرد مركزي. في التوربينات القطرية ، يتدفق الغاز بزاوية ما إلى محور دوران التوربين. دفاعة التوربينات العرضية لا تحتوي على ريش ، وتستخدم مثل هذه التوربينات بمعدلات تدفق غاز منخفضة للغاية ، عادة في أدوات القياس. توربينات الغاز مفردة ومزدوجة ومتعددة المراحل.

يتم تحديد عدد المراحل بعدة عوامل: الغرض من التوربين ، مخطط تصميمه ، الطاقة الكلية والمتطورة بمرحلة واحدة ، وكذلك انخفاض الضغط المشغّل. وفقًا لطريقة استخدام فرق الحرارة المتاح ، يتم تمييز التوربينات ذات مراحل السرعة ، حيث يتحول التدفق فقط في المكره ، دون تغيير الضغط (التوربينات النشطة) ، والتوربينات بمراحل الضغط ، حيث ينخفض ​​الضغط في كل من جهاز الفوهة وعلى ريش الدوار (التوربينات النفاثة). في التوربينات الغازية الجزئية ، يتم توفير الغاز للمروحة على طول جزء من محيط جهاز الفوهة أو على طول محيطها الكامل.

في التوربينات متعددة المراحل ، تتكون عملية تحويل الطاقة من عدد من العمليات المتتالية في مراحل فردية. يتم توفير الغاز المضغوط والمسخن للقنوات البينية لجهاز الفوهة بسرعة أولية ، حيث يتم ، أثناء عملية التمدد ، تحويل جزء من انخفاض الحرارة المتاح إلى الطاقة الحركية لنفث التدفق الخارج. مزيد من التمدد للغاز وتحويل انخفاض الحرارة إلى عمل مفيدتحدث في القنوات البينية للمكره. ينتج عن تدفق الغاز ، الذي يعمل على ريش الدوار ، عزم دوران على العمود الرئيسي للتوربين. في هذه الحالة ، تنخفض السرعة المطلقة للغاز. كلما انخفضت هذه السرعة ، يتم تحويل الجزء الأكبر من طاقة الغاز إلى عمل ميكانيكي على عمود التوربين.

تميز الكفاءة كفاءة التوربينات الغازية ، وهي نسبة العمل الذي تم إزالته من العمود إلى طاقة الغاز المتاحة أمام التوربين. الكفاءة الفعالة للتوربينات الحديثة متعددة المراحل عالية جدًا وتصل إلى 92-94٪.

مبدأ تشغيل التوربينات الغازية هو كما يلي: يتم حقن الغاز في غرفة الاحتراق بواسطة ضاغط ، ممزوجًا بالهواء ، ويشكل خليطًا من الوقود ويتم إشعاله. تمر نواتج الاحتراق الناتجة بدرجة حرارة عالية (900-1200 درجة مئوية) عبر عدة صفوف من الشفرات المركبة على عمود التوربين وتتسبب في دوران التوربين. تنتقل الطاقة الميكانيكية الناتجة للعمود من خلال علبة تروس إلى مولد يولد الكهرباء.

طاقة حراريةالغازات الخارجة من التوربين تدخل المبادل الحراري. أيضًا ، بدلاً من توليد الكهرباء ، يمكن استخدام الطاقة الميكانيكية للتوربين لتشغيل مختلف المضخات والضواغط وما إلى ذلك. الوقود الأكثر استخدامًا لتوربينات الغاز هو الغاز الطبيعي ، على الرغم من أن هذا لا يمكن أن يستبعد إمكانية استخدام أنواع أخرى من الوقود الغازي . ولكن في الوقت نفسه ، فإن توربينات الغاز متقلبة للغاية وتضع متطلبات عالية على جودة تحضيرها (بعض الإضافات الميكانيكية والرطوبة ضرورية).

درجة حرارة الغازات الخارجة من التوربين 450-550 درجة مئوية. تتراوح النسبة الكمية للطاقة الحرارية إلى الطاقة الكهربائية في التوربينات الغازية من 1.5: 1 إلى 2.5: 1 ، مما يجعل من الممكن بناء أنظمة التوليد المشترك التي تختلف في نوع المبرد:

1) الاستخدام المباشر (المباشر) لغازات العادم الساخنة ؛
2) إنتاج بخار ضغط منخفض أو متوسط ​​(8-18 كجم / سم 2) في غلاية خارجية ؛
3) إنتاج الماء الساخن (أفضل عندما تتجاوز درجة الحرارة المطلوبة 140 درجة مئوية) ؛
4) إنتاج بخار ضغط عالي.

تم تقديم مساهمة كبيرة في تطوير التوربينات الغازية من قبل العلماء السوفييت B. S. Stechkin و G. S. الشركات الأجنبية (Swiss Brown-Boveri ، التي عمل فيها العالم السلوفاكي الشهير A. Stodola ، و Sulzer ، American General Electric ، إلخ).

في المستقبل ، يعتمد تطوير توربينات الغاز على إمكانية زيادة درجة حرارة الغاز أمام التوربينات. ويرجع ذلك إلى إنشاء مواد جديدة مقاومة للحرارة وأنظمة تبريد موثوقة للشفرات الدوارة مع تحسن كبير في مسار التدفق ، إلخ.

بفضل التحول الواسع النطاق في التسعينيات. الغاز الطبيعي باعتباره الوقود الرئيسي لتوليد الطاقة ، احتلت توربينات الغاز جزءًا كبيرًا من السوق. على الرغم من حقيقة أن أقصى كفاءة للمعدات يتم تحقيقها بسعات تتراوح من 5 ميجاوات وأعلى (حتى 300 ميجاوات) ، فإن بعض الشركات المصنعة تنتج نماذج في نطاق 1-5 ميجاوات.

تستخدم توربينات الغاز في محطات الطيران والطاقة.

• السابق: محلل الغاز
• الآتي: محرك الغاز