Газотурбинные установки

1.

ТЕПЛОЭНЕРГЕТИКА
·
ЛЕКЦИЯ
Газотурбинные
установки
Как воздух, топливо и 1500 °C превращаются во
вращение вала и электричество
η = 1 − 1 / π(k−1)/k

2.

01
/
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Что такое ГТУ
Газотурбинная установка — тепловой
двигатель, в котором сжатый воздух
нагревается при сгорании топлива, а горячий
газ, расширяясь в турбине, вращает вал.
Рабочее тело — газ на всём цикле. Пара, котла и
конденсатора в простой ГТУ нет.
Газотурбинные установки
ТОПЛИВО
ВЫХОД
Природный газ
Мощность на валу
Также дизельное
топливо, попутный газ,
водород в смеси
Привод генератора,
компрессора или винта
ЧАСТОТА
МОЩНОСТЬ
3000 об/мин
кВт — 500+ МВт
Типично для
энергетических ГТУ в
сети 50 Гц
От микротурбин до
тяжёлых машин класса
H/J
2

3.

02
/
ИСТОРИЯ
От патента до энергоблока
1791
1903
1939
1939
Сегодня
Джон Барбер
патентует идею
газовой турбины в
Англии
Эгидиус Эллинг
строит турбину,
отдающую полезную
мощность
Brown Boveri
Невшатель: первая ГТУ
на электростанции, 4
МВт
Heinkel He 178
первый полёт на
турбореактивном
двигателе
Классы H/J
газ перед турбиной
1600 °C, ПГУ с КПД
выше 60 %
Газотурбинные установки
3

4.

03
/
УСТРОЙСТВО
Три главных узла на одном валу
топливо
воздух
15 °C · 1 бар
~450 °C
20 бар
выхлоп
~550 °C · 1 бар
~1400 °C
G
КОМПРЕССОР
КАМЕРА СГОРАНИЯ
ТУРБИНА
ГЕНЕРАТОР
Около половины работы турбины уходит на привод компрессора, остальное — на генератор.
Газотурбинные установки
4

5.

04
/
ТЕРМОДИНАМИКА
Цикл Брайтона
◆ 1→2
адиабатное сжатие в компрессоре
T
3
◆ 2→3 подвод теплоты при p = const в камере
сгорания
◆ 3→4
адиабатное расширение в турбине
◆ 4→1 отвод теплоты при p = const (выхлоп в
атмосферу)
2
4
1
p₁ = const
s
Газотурбинные установки
5

6.

05
/
КПД
КПД растёт со степенью сжатия
Идеальный КПД цикла Брайтона, %
ηt = 1 − 1 / π(k−1)/k
70
60
◆ π = p₂/p₁ — степень повышения
давления
50
◆ k ≈ 1,4 — показатель адиабаты воздуха
40
◆ Реальный КПД ниже идеального из-за
потерь в компрессоре и турбине
30
20
10
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
24
26
28
30
32
34
36
38
40
степень сжатия π
Газотурбинные установки
6

7.

06
/
ПАРАМЕТРЫ
Современная ГТУ в цифрах
ГАЗ ПЕРЕД ТУРБИНОЙ
СТЕПЕНЬ СЖАТИЯ
КПД ПРОСТОГО ЦИКЛА
КПД ПГУ
1600 °C
до 24
~44 %
~64 %
Машины классов H и J
Тяжёлые
энергетические ГТУ; у
авиапроизводных выше
40
Лучшие серийные
машины
Рекордные
парогазовые блоки
Значения ориентировочные и зависят от модели. Условия ISO: 15 °C, 101,3 кПа.
Газотурбинные установки
7

8.

07
/
МАТЕРИАЛЫ
Газ горячее, чем выдерживает металл лопатки
Температура газа на входе в турбину
выше точки плавления никелевого
сплава. Лопатку спасает сочетание
трёх технологий.
Монокристаллические сплавы
Лопатки из никелевых жаропрочных сплавов отливают одним
кристаллом, без границ зёрен
Термобарьерное покрытие
Керамика на основе диоксида циркония, стабилизированного
иттрием
Воздушное охлаждение
Каналы внутри лопатки и плёнка холодного воздуха через
отверстия на поверхности
Газотурбинные установки
8

9.

08
/
КЛАССИФИКАЦИЯ
Виды газотурбинных установок
ТЯЖЁЛЫЕ
ЛЁГКИЕ
ПРИВОДНЫЕ
МАЛЫЕ
Энергетические
Авиапроизводные
Газоперекачивающие
Микротурбины
50–500+ МВт. Базовая и
пиковая генерация,
основа ПГУ
Созданы на базе
авиадвигателей.
Компактные, быстро
запускаются
Вращают компрессоры
на станциях
магистральных
газопроводов
Десятки–сотни кВт.
Автономное питание
объектов
Отечественные примеры: ГТД-110М (ОДК), ГТЭ-170 («Силовые машины»), приводные ГТУ семейства ПС-90ГП.
Газотурбинные установки
9

10.

09
/
КОМБИНИРОВАННЫЙ
ЦИКЛ
ПГУ: тепло выхлопа работает второй раз
ГТУ
Котёл-утилизатор
Паровая турбина
≈ 2/3 мощности
газ 550 °C → пар
≈ 1/3 мощности
в дымовую трубу · ~90 °C
Простая ГТУ выбрасывает газ с температурой около 550 °C. В ПГУ это тепло превращает воду в пар, и общий
КПД поднимается примерно с 40 до 60+ %.
Газотурбинные установки
10

11.

10
/
ПРИМЕНЕНИЕ
Где работают ГТУ
ЭНЕРГЕТИКА
НЕФТЕГАЗ
ТРАНСПОРТ
Электростанции
Газопроводы
Авиация и флот
ТЭЦ и ПГУ-блоки, пиковые
станции для покрытия суточных
максимумов
Газоперекачивающие агрегаты,
электростанции на промыслах
Авиадвигатели, корабельные и
судовые энергетические
установки
Газотурбинные установки
11

12.

11
/
ОЦЕНКА
Достоинства и недостатки
Плюсы
Минусы
◆ Высокая удельная мощность, компактность
◆ Умеренный КПД простого цикла
◆ Быстрый пуск: от минут до получаса
◆ Мощность падает в жару: плотность воздуха
ниже
◆ Не нужна охлаждающая вода в простом
цикле
◆ Низкие выбросы при работе на газе
Газотурбинные установки
◆ Дорогие жаропрочные материалы и ремонт
◆ Нужно чистое топливо, строгие нормы по
NOx
12

13.

ИТОГИ
Сжать. Сжечь.
Расширить.
◆ ГТУ работает по циклу Брайтона
◆ КПД определяют степень сжатия и температура газа
◆ Будущее — ПГУ и водородное топливо
Спасибо за внимание!