Использование газотурбинный двигатель в промышленности. Примеры российских стационарных газотурбинный двигатель

 

Содержание

Введение..........................................................................................................3

1. Использование ГТД в промышленности...................................................4

1.1 Судостроение...............................................................................................9

1.2 Железнодорожное машиностроение...........................................................9

1.3 ГТД для газовой промышленности.............................................................10

2. Примеры российских стационарных ГТУ................................................11

2.1 ГТУ для энергетики...................................................................................18

2.2 ГТУ судовой промышленности..................................................................19

Заключение....................................................................................................20

Список литературы..........................................................................................21

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение.

Газотурбинный двигатель (ГТД): машина, предназначенная для преобразования тепловой энергии в механическую.  
Примечание — Машина может состоять из одного или нескольких компрессоров, теплового устройства, в котором повышается температура рабочего тела, одной или нескольких газовых турбин, вала отбора мощности, системы управления и необходимого вспомогательного оборудования.

Теплообменники в основном контуре рабочего тела, в которых  реализуются процессы, влияющие на термодинамический цикл, являются частью газотурбинного двигателя.

Газотурбинная установка, ГТУ: газотурбинный двигатель и все  основное оборудование, необходимое  для генерирования энергии в  полезной форме.

Полезной формой энергии  может быть — электрическая, механическая и другие.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Использование ГТД в промышленности.

Газотурбинный двигатель (ГТД), тепловой двигатель, в котором газ сжимается и нагревается, а затем энергия сжатого и нагретого газа преобразуется в механическую работу на валу газовой турбины. Рабочий процесс ГТД может осуществляться с непрерывным сгоранием топлива при постоянном давлении или с прерывистым сгоранием топлива при постоянном объёме.

В 1791 английский изобретатель Дж. Барбер впервые предложил идею создания ГТД с газогенератором, поршневым компрессором, камерой сгорания и газовой турбиной. Русский инженер П. Д. Кузьминский в 1892 разработал проект, а в 1900 построил ГТД со сгоранием топлива при постоянном давлении, предназначенный для небольшого катера. В этом ГТД была применена многоступенчатая газовая турбина. Испытания не были завершены из-за смерти Кузьминского. В 1900—04 немецкий инженер Ф. Штольце пытался создать ГТД, но неудачно. В 1906 французский инженер Р. Арманго и Ш. Лемаль построили ГТД, работавший на керосине, со сгоранием топлива при постоянном давлении, но из-за низкого кпд он не получил промышленного применения. В 1906 русский инженер В. В. Караводин спроектировал, а в 1908 построил бескомпрессорный ГТД с камерами прерывистого сгорания и газовой турбиной, который при 10 4000 об/мин развивал мощность 1,2 квт (1,6 л. с.). В 1908 по проекту немецкий инженера прерывистым горением составлял 24%, однако они не нашли широкого промышленного применения. В России в 1909 инженер Н. В. Герасимов получил патент на ГТД, который был использован им для создания реактивной тяги (турбореактивный ГТД); в 1913 М. Н. Никольской спроектировал ГТД мощностью 120 квт (160 л. с.) с трёхступенчатой газовой турбиной; в 1923 В. И. Базаров предложил схему ГТД, близкую к схемам современных турбовинтовых двигателей; в 1930 В. В. Уваров при участии Н. Р. Брилинга спроектировал, а в 1936 построил ГТД с центробежным компрессором. В 30-е гг. большой вклад в создание авиационных ГТД внесли советский конструктор А. М. Люлька (ныне академик АН СССР), английский изобретатель Ф. Уиттл, немецкий инженер Л. Франц и др. В 1939 в Швейцарии был построен и испытан ГТД мощностью 4000 квт (5400 л. с.). Его создателем был словацкий учёный А. Стодола. В 1939 в Харькове, в лаборатории, руководимой В. М. Маковским, изготовлен ГТД мощностью 736 квт (1000 л. с.). В качестве топлива использован газ, получаемый при подземной газификации угля. Испытания этого ГТД в Горловке были прерваны Великой Отечественной войной. Большой вклад в развитие и совершенствование ГТД внесли советские учёные и конструкторы: А. Г. Ивченко, В. Я. Климов, Н. Д. Кузнецов, И. И. Кулагин, Т. М. Мелькумов, А. А. Микулин, Б. С. Стечкин, С. К. Туманский, Я. И. Шнеэ, Л. А. Шубенко—Шубин и др. За рубежом в 40-е гг. над созданием ГТД работали фирмы «Юнкерс», «БМВ» (Германия), «Бристол Сидли», «Роллс-Ройс» (Великобритания), «Дженерал электрик» и «Дженерал моторс» (США), «Рато» (Франция) и др. [1]

Наибольшее промышленное применение получили ГТД с непрерывным сгоранием  топлива при постоянном давлении. В таком ГТД (рис. 1) сжатый атмосферный воздух из компрессора поступает в камеру сгорания, туда же подаётся топливо, которое, сгорая, нагревает воздух; затем в газовой турбине энергия газообразных продуктов сгорания преобразуется в механическую работу, большая часть которой расходуется на сжатие воздуха в компрессоре. Остальная часть работы передаётся на приводимый агрегат.

Работа, потребляемая этим агрегатом, является полезной работой ГТД.

Рис.1 Газотурбинный двигатель: 1-центробежный компрессор; 2-Камера сгорания; 3- Топливная  форсунка; 4- Сопловой аппарат; 5- Рабочее  колесо турбины; 6- Выхлопной патрубок.

Полезная работа L_e, отнесённая к 1 кг рабочего тела, равна разности между работой L_t развиваемой турбиной при расширении в ней газа, и работой L_k, расходуемой компрессором на сжатие в нём воздуха. Графически рабочий цикл ГТД может быть представлен в PV-диаграмме, где Р — давление, V — объём (рис. 2). Чем выше кпд компрессора и турбины, тем меньше L_K и больше L_T, т. е. полезная работа увеличивается. Повышение температуры газа перед турбиной также способствует росту полезной работы L¹_c (линия 3'4' на рис. 2). Экономичность ГТД характеризуется его эффективным кпд, который представляет собой отношение полезной работы к количеству тепла, затраченного на создание этой работы.

Рис.2 Рабочий цикл газотурбинного двигателя в PV-диаграмме: 1 -; ; 4 123- ; .

В современных ГТД кпд компрессоров и турбин соответственно составляет 0,88—0,9 и 0,9—0,92. температура газа перед  турбиной в транспортных и стационарных ГТД составляет 1100—1200 К, а в авиационных  достигает 1600 К. Достижение таких температур стало возможным благодаря изготовлению деталей ГТД из жаропрочных материалов и применению охлаждения его элементов. При достигнутом совершенстве проточной  части и температуре газов 1000 К кпд двигателя, работающего  по простейшей схеме, не превышает 25%. Для  повышения кпд тепло, содержащееся в выходящем из турбины газе, используется в рабочем цикле ГТД для  подогрева сжатого воздуха, поступающего в камеру сгорания.

Теплообмен между отходящими газами и сжатым воздухом, поступающим в  камеру сгорания, происходит в регенеративных теплообменниках, а рабочий процесс  ГТД, в котором утилизируется  тепло выходящих из турбины газов, называется регенеративным. Повышению  кпд способствуют также подогрев газа в процессе его расширения в  турбине, совместно с использованием тепла выходящих газов, и охлаждение воздуха в процессе его сжатия в компрессоре (рис. 3). При этом полезная работа возрастает благодаря увеличению работы L_m развиваемой турбиной, и уменьшению работы L_K, потребляемой компрессором. Схема такого ГТД в 30-е гг. была предложена советским учёным Г. И. Зотиковым. Компрессор и турбина низкого давления находятся на одном валу, который не связан с валом привода, например, генератора, гребного винта. Их частота вращения может изменяться в зависимости от режима работы, что существенно улучшает экономичность ГТД при частичных нагрузках.

Рис.3 Схема газотурбинного двигателя  с регенерацией тепла, охлаждением  воздуха в процессе сжатия и подогревом газа в процессе расширения: 1- Пусковой двигатель; 2, 3, 4 – Компрессоры низкого, среднего и высокого давления; 5 –  камера сгорания; 6,7 – турбины высокого и низкого давления; 8 – Регенератор; 9 – Охладитель воздуха.

ГТД могут работать на газообразном топливе (природном газе, попутных и  побочных горючих газах, газогенераторных газах, газах доменных и сажевых  печей и подземной газификации); на жидком топливе (керосине, газойле, дизельном топливе, мазуте); твёрдом  топливе (угольной и торфяной пыли). Тяжёлые жидкие и твёрдые топлива  находят применение в ГТД, работающих по полузамкнутому и замкнутому циклу  (рис. 4). В ГТД замкнутого цикла рабочее тело после совершения работы в турбине не выбрасывается, а участвует в следующем цикле. Такие ГТД позволяют увеличивать единичную мощность и использовать в них ядерное топливо. ГТД нашли широкое применение в авиации (см. Авиационный двигатель) в качестве основных двигателей силовых установок самолётов, вертолётов, беспилотных летательных аппаратов и т. п. ГТД используют на тепловых электростанциях для привода электрогенераторов; на передвижных электростанциях, например в энергопоездах; для привода компрессоров (воздушных и газовых) с одновременной выработкой электрической и тепловой энергии в нефтяной, газовой, металлургической и химической промышленности; в качестве тяговых двигателей газотурбовозов, автобусов, легковых и грузовых автомобилей, гусеничных тракторов, танков; как силовые установки кораблей, катеров, подводных лодок и для привода вспомогательных машин и механизмов (лебёдок, насосов и др.); на объектах военной техники в качестве энергетических и тяговых силовых установок.

Область применения ГТД расширяется. В 1956 мощность ГТД во всём мире составила 900 Мвт, к 1958 она превысила 2000 Мвт, а к началу 1968 достигла 40 000 Мвт (без авиации и военной техники). Наибольшая единичная мощность выпускаемых в СССР ГТД составляет 100 Мвт (1969). Достигнутый эффективный кпд двигателей — 35%.

Рис.4 Схема газотурбинного двигателя, работающего по замкнутому циклу: 1- Поверхностный нагреватель; 2 – Турбина; 3 – Компрессор; 4 – Охладитель; 5 – Регенератор; 6 – Аккумулятор  воздуха; 7 – Вспомогательный компрессор.

Развитие ГТД идёт по пути совершенствования  его элементов (компрессора, турбины, камеры сгорания, теплообменников и  др.), повышения температуры и  давления газа перед турбиной, а  также применения комбинированных  силовых установок с паровыми турбинами и свободнопоршневыми генераторами газа. Эксплуатация таких  установок в стационарной энергетике и на транспорте показала, что при  утилизации тепла отходящих газов  и высоком совершенстве основных элементов их эффективный кпд  достигает 42—45%.[2]

 

 

 

 

1.1 Судостроение.

В судовой промышленности используются газотурбоходы.

Газотурбохо́д -тип судна, имеющего силовую установку на основе газотурбинного двигателя (ГТД). Применение двигателя такого типа позволяет резко повысить мощность силовой установки при меньшей её массе, но за счет больших эксплуатационных расходов.

В качестве движителя газотурбохода выступает гребной винт, приводимый от турбины через редуктор или через электрическую передачу. На судах на воздушной подушке движителем служат воздушные винты. В некоторых случаях (например, на специальных гоночных катерах) движителем может быть сама газовая турбина за счет реактивной тяги (см. турбореактивный двигатель).

В отечественной истории  среди пассажирских судов такого типа известны речной газотурбоход 1960—1970-х годов«Буревестник» и современный морской газотурбоход «Циклон», являющиеся судами на подводных крыльях (СПК).

Среди грузовых судов этого типа наиболее известны сухогруз «Парижская Коммуна» и лесовоз «Павлин Виноградов».

1.2 Железнодорожное машиностроение.

Газотурбово́з — локомотив с газотурбинным двигателем (ГТД). На газотурбовозах практически всегда используетсяэлектрическая передача: газотурбинный двигатель соединён с генератором, а вырабатываемый таким образом ток подаётся на электродвигатели, которые и приводят локомотив в движение.

Распространено заблуждение  о том, что горючим для газотурбовоза обязательно является природный газ. На самом же делеГТД может работать и на жидком топливе.

Первый газотурбовоз был построен швейцарской фирмой Brown, Boveri & Cie в 1938 году. По другим данным первый газотурбовоз был создан в США в 1948 году.

ГТД применяется в электростанциях. Газотурбинные теплоэлектростанции ГТЭ-16 И ГТЭ-18 спроектированы на базе газотурбинного привода АЛ-31СТЭ со специально спроектированной пятиступечатой силовой турбиной, предназначенной для совместной работы с электрогенератором. ГТЭ-16 и ГТЭ-18 представляют собой автономные управляемые комплексы в блочном исполнении. Могут использоваться как единичный агрегат или в составе нескольких агрегатов с генераторами, имеющими идентичные характеристики регулирования напряжения. 
ГТЭ-16, ГТЭ-18 разработаны для эксплуатации на открытом воздухе или в помещении с регулируемыми климатическими условиями. Обеспечивают нормальную работоспособность при температуре -45°С ...+45°С и атмосферном давлении 670...800 мм рт.ст. Выдерживают сейсмическое воздействие интенсивностью 7 баллов по шкале MSK-64.[3]

1.3 Газотурбинный двигатель для газовой промышленности

Автор: Романов В.И., Кучеренко  О.С., ГП НПКГ «Зоря»-«Машпроект»

В настоящее время компрессорный  парк ОАО «Газпром» включает 263 компрессорные  станции (КС), имеющие в своем составе 707 компрессорных цехов, на которых  установлено 4099 ед. газоперекачивающих агрегатов (ГПА) общей мощностью 44 млн. кВт, в т.ч. с газотурбинным приводом 3181 ед., т.е. 85,7% от общего числа ГПА [1]. Суммарная мощность установленных  газотурбинных ГПА – 37,7 млн. кВт.

Значительная доля газотурбинного парка физически и морально устарела (23,4% ГТУ имеют наработку более 100 тыс. ч. и 25,2% - 70-100 тыс. ч.), что значительно  снижает функциональные возможности  парка в ближайшей перспективе  и потребует срочной модернизации КС.

С учетом того, что к настоящему времени в ОАО «Газпром» завершены  предпроектные работы по освоению Ямала и начинается строительство новых трех ниток газопроводов протяженностью 1074 км каждая с общей мощностью линейных КС 3,2 млн. кВт, общая потребность в новых современных газотурбинных ГПА до 2030 года составляет более 5000 ед. [2].

Анализ результатов проведенных  исследований и публикаций. Анализ многолетнего опыта эксплуатации ГПА с газотурбинными приводами нагнетателей природного газа [3] позволил сформулировать основные требования к перспективной газотурбинной установке (ГТУ):

1. КПД в условиях компрессорной  станции:  

• простой цикл     – 35-42%
• с регенерацией  – 36-40%;
• сложный            – 41-45%;
• газопаровой       – 40-45%.

2. Срок службы 120 – 150 тыс.  часов.

3. Ресурс работы до  капитального ремонта 40-50 тыс.  часов.

4. Малый ремонт 20-25 тысю часов.

5. Сжигание топливного  газа с эмиссией N_ox не более 50 мг/м³.

6. Модульность конструкции.

7. Возможность ремонта  в условиях КС.

8. Простота и удобство  технического использования и  технического обслуживания.

9. Невысокая стоимость  ГТУ.

Цель работы. Целью работы является определение технического облика и параметров перспективного ГТД для ГПА гарантированно обеспечивающего повышение эффективности газотранспортной системы Украины в ближайшей перспективе.

Выбор схемы ГТД. Множество практически реализуемых в настоящее время схем ГТД, возможных для использования в качестве приводов нагнетателей природного газа КС, можно представить следующим списком: