Газотурбинные установки

Газотурбинная установка - это агрегат, состоящий из газотурбинного двигателя (ГТД), редуктора, генератора и вспомогательных систем. Поток газа, образованный в результате сгорания топлива, воздействуя на лопатки турбины, создает крутящий момент и вращает ротор, который в свою очередь соединен с генератором. Генератор вырабатывает электроэнергию. В основу устройства газотурбинного агрегата положен принцип модульности: ГТУ состоят из отдельных блоков, включая блок автоматики. Модульная конструкция позволяет в кратчайшие сроки производить сервисное обслуживание и ремонт, наращивать мощность, а также экономить средства за счет того, что все работы могут производиться быстро на месте эксплуатации

Применение газотурбинных энергоустановок Газотурбинные энергоустановки применяются в качестве постоянных, резервных или аварийных источников тепло- и электроснабжения в городах, а также отдаленных, труднодоступных районах.

. Основные потребители продуктов работы ГТУ следующие:

Нефтедобывающая промышленность

Газодобывающая промышленность

Металлургическая промышленность

Лесная и деревообрабатывающая промышленность

Муниципальные образования

Сфера ЖКХ

Сельское хозяйство

Водоочистные сооружения

Утилизация отходов. Электрическая мощность газотурбинных энергоустановок колеблется от десятков киловатт до сотен мегаватт. Наибольший КПД достигается при работе в режиме когенерации (одновременная выработка тепловой и электрической энергии) или тригенерации (одновременная выработка тепловой, электрической энергии и энергии холода). Возможность получения недорогой тепловой и электрической энергии предполагает быструю окупаемость поставленной газотурбинной установки. Такая установка, совмещенная с котлом-утилизатором выхлопных газов, позволяет производить одновременно тепло и электроэнергию, благодаря чему достигаются наилучшие показатели по эффективности использования топлива. Выходящие из турбины отработанные газы в зависимости от потребностей Заказчика используются для производства горячей воды или пара. Топливо для газотурбинной установки. Газотурбинный агрегат может работать как на газообразном, так и на жидком топливе. Так, в газотурбинных установках может использоваться: дизельное топливо, керосин, природный газ, попутный нефтяной газ, биогаз (образованный из отходов сточных вод, мусорных свалок и т.п.), шахтный газ, коксовый газ, древесный газ и др. Большинство газотурбинных установок могут работать на низкокалорийных топливах с минимальной концентрацией метана (до 30%). Преимущества газотурбинных электростанций: работы на отходах производства; низкий уровень шума и вибраций. Этот показатель не превышает 80-85 децибела.К омпактные размеры и небольшой вес дают возможность разместить газотурбинную установку на небольшой площади, что позволяет существенно сэкономить средства. Возможны варианты крышного размещения газотурбинных установок небольшой мощности. Возможность работы на различных видах газапозволяет использовать газотурбинный агрегат в любом производстве на самом экономически выгодном виде топлива. Минимальный ущерб для окружающей среды; низкий расход масла; возможность эксплуа-тация как в автономном режиме, так и параллельно с сетью.

Возможность работы в течение длительного времени при очень низких нагрузках,в том числе в режиме холостого хода.

Максимально допустимая перегрузка:150% номинального тока в течение 1 минуты, 110% номинального тока в течение 2 часов.

О применении ГТД на транспорте. Широкое распространение ГТД получили на транспорте. За 100 лет развития дизельные двигатели достигли определенного предела, за которыми не просматриваются значительные перспективы роста их показателей. У современных дизелей максимальное давление сгорания достигает 18.0-25.0 МПа, что с учетом потерь на трение и охлаждение позволит в перспективе на локомотивах получить реальный эффективный к.п.д., равный 47%. Дальнейший рост параметров цикла не приводит к росту эффективности, что связано со свойствами реальных газов, ростом влияния вредного пространства камеры сгорания, ростом трудностей смесеобразования и ростом токсичности выхлопных газов. Уже сегодня затраты на обеспечение требований по экологии снижают экономичность дизеля на 2-3%. Затраты на обслуживание и ремонт дизелей составляют более 50% затрат на обслуживание и ремонт локомотивов. За 50 лет развития транспортные газотурбинные двигатели мощностью более 1000 л.с. догнали по топливной эффективности дизельные двигатели и обладают существенными резервами роста экономичности. По экологическим характеристикам лучшие ГТД превосходят лучшие дизели в 20-30 раз. Транспортные ГТД превосходят дизели по пусковым характеристикам, расходу масла и расходам на текущее обслуживание. ГТД постепенно вытесняют дизели и паровые турбины с рынков морского флота (WR-21 четвертого поколения обладает эффективным к.п.д. более 42% при мощности 30% от номинальной), крупнотоннажных автомобилей и карьерных машин. Анализ отечественных и зарубежных газотурбинных силовых установок показал перспективность применения газотурбинной тяги на локомотивах по следующим причинам: снижение затрат на перевозку груза за счет согласования автономного и электрического тягового состава по осевой мощности, секционной мощности, скоростным характеристикам и унификации экипажа; снижение эксплуатационных расходов; увеличение эксплуатационной готовности и надежности локомотивов, что сокращает сроки окупаемости подвижного состава и повышает конкурентоспособность железнодорожного транспорта; существенное улучшение экологической обстановки на линии и особенно врайоне станций. Термодинамический цикл ГТУ. Основными недостатками поршневых двигателей внутреннего сгорания являются ограниченность их мощности и невозможность адиабатного расширения рабочего тела до атмосферного давления, которые отсутствуют в газотурбиннных установках. В ГТУ рабочим телом являются продукты сгорания жидкого или газообразного топлива.

На рис.3.13 дана схема простейшей газотурбинной установки со сгоранием топлива при постоянном давлении.

Топливным насосом 5 и компрессором 4 топливо и воздух через форсунки 6 и 7 поступают в камеру сгорания 1. Из камеры продукты сгорания направляются в комбинированные сопла 2, где они расширяются, и поступают на лопатки газовой турбины 3
Рис.3.13. Схема ГТУ.

На рис.3.14 и рис3.15 представлены идеальный цикл ГТУ в P-V и T-S диаграммах. 1-2 - адиабатное сжатие воздуха в компрессоре до давления Р₂;
2-3 – подвод теплоты q₁ при постоянном давлении Р₂ (сгорание топлива);
3-4 – адиабатное расширение газо- воздушной смеси до начального давления Р₁;
4-1 – охлаждение рабочего тела при постоянном давлении Р₁ (отвод теплоты q₂);
Характеристиками цикла являются:
степень повышения давления l = Р₂/ Р₁;
степень изобарного расширения r = n₃ /n₂.
Удельная работа турбины: l _т = i₃ – i₄ (кДж/кг). (3-49) Удельная работа компрессора: l _к = i₂ – i₁ (кдж/кг). (3-50) Удельная полезная работа ГТУ равна разности работ турбины и компрессора: l _ГТУ = l _т – l _к (3-51) Термический к.п.д. цикла ГТУ имеет вид: η_t = 1 – 1/ l ^{(γ-1)/ γ}. (3-51) γ = 1,4 Теоретическая мощность газовой турбины, компрессора и установки (ГТУ): N_т = l _т·M/3600 = (i₃ – i₄)·M/3600 (кВт), (3-52) М-расход газа в кг/час. 1 час =3600 сек.
N_к = l _к·M/3600 = (i₂ – i₁)·M/3600 (квт), (3-53)
Рис.3.14. Р-V диаграмма идеального цикла ГТУ. N_ГТУ = l _ГТУ·M/3600 = [(i₃ – i₄) (i₂ – i₁) ]·M/3600 (кВт). (3-54)

Рис.3.15. T-S диаграмма идеального цикла ГТУ.

Действительный цикл ГТУ отличается от теоретического наличием потерь на трение и вихреообразование в турбине и компрессоре. Эффективными методами повышения экономичности газотурбинных установок являются: регенерация теплоты, ступенчатое сжатие, расширение рабочего тела и пр.

Танковый газотурбинный двигатель- гиперссылка

§ 3.6. Реактивные двигатели. Реакти́вный дви́гатель — двигатель, создающий необходимую для движения силу тяги посредством преобразования исходной энергии в кинетическую энергию реактивной струи рабочего тела. Рабочее тело (разогретый поток продуктов горения) с большой скоростью истекает из сопла дигателя и вследствие закона сохранения импульса появляется реактивная сила, толкающая двигатель в противоположном направлении. Для разгона рабочего тела может использоваться как тепловой нагрев, так и другие физические принципы (ионный двигатель, фотонный двигатель). Реактивный двигатель сочетает в себе собственно двигатель с движителем, то есть обеспечивает собственное движение без участия промежуточных механизмов. Существует два основных класса реактивных двигателей: воздушно-реактивные двигатели –тепловые двигатели, рабочее тело которых образуется при реакции окисления горючего вещества кислородом воздуха. р акетные двигатели — содержат все компоненты рабочего тела на борту и способны работать в безвоздушном пространстве. Ракетные двигатели в зависимости от вида топлива (твёрдого или жидкого) подразделяются на пороховые и жидкостные. Двигатели первого типа используют твёрдое топливо, имеющее в своём составе необходимый для горения кислород. Топливом для жидкостных реактивных двигателей служат: водород и соединения водорода с углеродом; твёрдые металлы с малой атомной массой (литий, бор) и их соединения с водородом. В качестве окислителей ипользуют жидкий кислород, перекись водорода, азотная кислота. Схема жидкостного реактивного двигателя показана на рис.3.16. Жидкое топливо и жидкий окислитель подаются в камеру сгорания 2 при помощи питательных насосов 1. Топливо сгорает при постоянном давлении (что является наиболее простым) при открытом сопло 3. Газообразные продукты сгорания, расширяясь в сопло и вытекая из него с большой скоростью, создают необходимую для движения летательного аппарата силу тяги.

Рис. 3.16 Схема жидкостного реак- Рис. 3.17. Цикл жидкостного