Công trình lắp đặt tuabin khí năng lượng. Chu trình của nhà máy tuabin khí

2024 Tác giả: Howard Calhoun | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2023-12-17 10:44

Tổ máy tuabin khí (GTP) là một tổ hợp điện đơn lẻ, tương đối nhỏ gọn, trong đó tuabin điện và máy phát điện hoạt động theo cặp. Hệ thống này đã trở nên phổ biến trong cái gọi là ngành công nghiệp điện quy mô nhỏ. Tuyệt vời cho việc cung cấp điện và nhiệt cho các doanh nghiệp lớn, các khu định cư từ xa và các hộ tiêu dùng khác. Theo quy định, tuabin khí hoạt động bằng nhiên liệu lỏng hoặc khí.

Đang trên đà phát triển

Trong việc tăng công suất năng lượng của các nhà máy điện, vai trò chủ đạo được chuyển sang các tổ máy tua-bin khí và sự phát triển tiếp theo của chúng - các nhà máy chu trình hỗn hợp (CCGT). Do đó, tại các nhà máy điện của Hoa Kỳ kể từ đầu những năm 1990, hơn 60% công suất được đưa vào vận hành và hiện đại hóa đã là tuabin khí và nhà máy chu trình hỗn hợp, và ở một số quốc gia trong một số năm, tỷ lệ của họ lên tới 90%.

Tua bin khí đơn giản cũng được chế tạo với số lượng lớn. Nhà máy tuabin khí - di động, vận hành kinh tế và dễ sửa chữa - đã được chứng minh là giải pháp tối ưu để đáp ứng tải cao điểm. Vào thời điểm chuyển giao thế kỷ (1999-2000), tổng công suấttổ máy tuabin khí đạt 120.000 MW. Để so sánh: vào những năm 1980, tổng công suất của các hệ thống kiểu này là 8.000-10.000 MW. Một phần đáng kể các tuabin khí (hơn 60%) được dự định hoạt động như một phần của các nhà máy chu trình hỗn hợp nhị phân lớn với công suất trung bình khoảng 350 MW.

Bối cảnh lịch sử

Cơ sở lý thuyết cho việc sử dụng công nghệ chu trình hỗn hợp đã được nghiên cứu đầy đủ chi tiết ở nước ta vào đầu những năm 60. Vào thời điểm đó, rõ ràng là con đường chung cho sự phát triển của kỹ thuật nhiệt điện được kết nối chính xác với các công nghệ chu trình hỗn hợp. Tuy nhiên, việc triển khai thành công chúng đòi hỏi các tổ máy tuabin khí đáng tin cậy và hiệu quả cao.

Chính tiến bộ đáng kể trong việc chế tạo tuabin khí đã xác định bước nhảy vọt về chất hiện đại trong kỹ thuật nhiệt điện. Một số công ty nước ngoài đã giải quyết thành công vấn đề tạo ra tuabin khí tĩnh hiệu quả vào thời điểm các tổ chức hàng đầu trong nước trong nền kinh tế chỉ huy đang quảng bá các công nghệ tuabin hơi ít hứa hẹn nhất (STP).

Nếu trong những năm 60, hiệu suất của việc lắp đặt tuabin khí ở mức 24-32%, thì vào cuối những năm 80, các công trình lắp đặt tuabin khí công suất tĩnh tốt nhất đã có hiệu suất (sử dụng tự động) là 36-37 %. Điều này giúp chúng ta có thể tạo CCGT trên cơ sở của chúng, hiệu suất đạt 50%. Vào đầu thế kỷ mới, con số này là 40%, và kết hợp với các nhà máy khí chu trình hỗn hợp, con số này thậm chí là 60%.

So sánh tuabin hơi nướcvà thực vật chu trình kết hợp

Trong các nhà máy chu trình hỗn hợp dựa trên tuabin khí, triển vọng trước mắt và thực tế là đạt được hiệu suất từ 65% trở lên. Đồng thời, đối với các nhà máy tuabin hơi nước (được phát triển ở Liên Xô), chỉ khi một số vấn đề khoa học phức tạp liên quan đến sản xuất và sử dụng hơi nước siêu tới hạn có thể được giải quyết thành công, người ta có thể hy vọng hiệu suất không quá 46- 49%. Do đó, về mặt hiệu suất, hệ thống tuabin hơi nước kém hơn một cách đáng kinh ngạc so với các hệ thống chu trình hỗn hợp.

Không thua kém nhiều so với nhà máy điện tuabin hơi cả về giá thành và thời gian xây dựng. Năm 2005, trên thị trường năng lượng thế giới, giá 1 kW cho một tổ máy CCGT có công suất 200 MW trở lên là 500-600 USD / kW. Đối với các CCGT có công suất nhỏ hơn, chi phí nằm trong khoảng 600-900 USD / kW. Các nhà máy tuabin khí mạnh mẽ tương ứng với giá trị 200-250 $ / kW. Khi công suất đơn vị giảm, giá của chúng tăng lên, nhưng thường không vượt quá $ 500 / kW. Những giá trị này nhỏ hơn vài lần so với chi phí cho một kilowatt điện trong hệ thống tuabin hơi nước. Ví dụ, giá của một kilowatt lắp đặt tại các nhà máy điện tuabin hơi nước ngưng tụ dao động từ 2000-3000 $ / kW.

Sơ đồ nhà máy tuabin khí

Việc lắp đặt bao gồm ba đơn vị cơ bản: tuabin khí, buồng đốt và máy nén khí. Hơn nữa, tất cả các đơn vị được đặt trong một tòa nhà đơn lẻ đúc sẵn. Các rôto máy nén và tuabin được kết nối chặt chẽ với nhau, được hỗ trợ bởi các ổ trục.

Buồng đốt (ví dụ: 14 cái) được đặt xung quanh máy nén, mỗi buồng nằm riêng biệt. Để nhập học vàoMáy nén khí đóng vai trò như một đường ống vào, không khí ra khỏi tua bin khí qua ống xả. Thân tuabin khí dựa trên các giá đỡ mạnh mẽ được đặt đối xứng trên một khung duy nhất.

Nguyên tắc làm việc

Hầu hết các tổ máy tuabin khí sử dụng nguyên tắc đốt cháy liên tục, hay chu trình hở:

• Đầu tiên, chất lỏng làm việc (không khí) được máy nén thích hợp bơm ở áp suất khí quyển.
• Hơn nữa, không khí được nén đến áp suất cao hơn và được đưa đến buồng đốt.
• Nó được cung cấp nhiên liệu, đốt cháy ở áp suất không đổi, cung cấp nhiệt lượng liên tục. Do quá trình đốt cháy nhiên liệu, nhiệt độ của chất lỏng làm việc tăng lên.
• Tiếp theo, chất lỏng hoạt động (bây giờ nó đã là khí, là hỗn hợp của không khí và các sản phẩm cháy) đi vào tuabin khí, tại đó, mở rộng đến áp suất khí quyển, nó thực hiện công việc hữu ích (quay tuabin tạo ra điện).
• Sau tuabin, khí được thải vào khí quyển, qua đó chu trình làm việc sẽ khép lại.
• Sự khác biệt giữa hoạt động của tuabin và máy nén được cảm nhận bởi máy phát điện nằm trên trục chung với tuabin và máy nén.

Cây đốt gián đoạn

Không giống như thiết kế trước đây, đốt gián đoạn sử dụng hai van thay vì một.

• Máy nén ép không khí vào buồng đốt qua van thứ nhất trong khi van thứ hai đóng.
• Khi áp suất trong buồng đốt tăng, van đầu tiên sẽ đóng. Do đó, thể tích của buồng bị đóng lại.
• Khi các van đóng, nhiên liệu được đốt cháy trong buồng một cách tự nhiên, quá trình đốt cháy của nó xảy ra ở một thể tích không đổi. Kết quả là, áp suất của chất lỏng làm việc tăng thêm.
• Tiếp theo, van thứ hai được mở và chất lỏng hoạt động đi vào tuabin khí. Trong trường hợp này, áp suất phía trước tuabin sẽ giảm dần. Khi nó đến gần khí quyển, van thứ hai sẽ được đóng lại và van thứ nhất sẽ được mở và lặp lại chuỗi hành động.

Chu trình tuabin khí

Chuyển sang việc triển khai thực tế một hay một chu trình nhiệt động lực học khác, các nhà thiết kế phải đối mặt với nhiều trở ngại kỹ thuật không thể vượt qua. Ví dụ điển hình nhất: khi độ ẩm hơi nước lớn hơn 8-12%, tổn thất trên đường dẫn dòng của tuabin hơi tăng mạnh, tải động tăng và xói mòn xảy ra. Điều này cuối cùng dẫn đến việc phá hủy đường dẫn dòng của tuabin.

Do những hạn chế này trong lĩnh vực năng lượng (để kiếm việc làm), cho đến nay chỉ có hai chu trình nhiệt động lực học cơ bản được sử dụng rộng rãi: chu trình Rankine và chu trình Brayton. Hầu hết các nhà máy điện đều dựa trên sự kết hợp của các yếu tố của các chu trình này.

Chu trình Rankine được sử dụng cho chất lỏng làm việc chuyển pha trong quá trình thực hiện chu trình; các nhà máy điện hơi hoạt động theo chu trình này. Đối với chất lỏng làm việc không thể ngưng tụ trong điều kiện thực và chúng ta gọi là chất khí, chu trình Brayton được sử dụng. Thông qua chu kỳ nàycác nhà máy tuabin khí và động cơ đốt trong đang hoạt động.

Nhiên liệu sử dụng

Đại đa số các tuabin khí được thiết kế để chạy bằng khí tự nhiên. Đôi khi nhiên liệu lỏng được sử dụng trong các hệ thống công suất thấp (ít thường xuyên hơn - trung bình, rất hiếm - công suất cao). Một xu hướng mới là chuyển đổi các hệ thống tuabin khí nhỏ gọn sang sử dụng các vật liệu rắn dễ cháy (than, than bùn và gỗ ít thường xuyên hơn). Những xu hướng này là do khí đốt là nguyên liệu công nghệ có giá trị cho ngành công nghiệp hóa chất, nơi việc sử dụng nó thường mang lại nhiều lợi nhuận hơn so với lĩnh vực năng lượng. Việc sản xuất các nhà máy tuabin khí có khả năng hoạt động hiệu quả bằng nhiên liệu rắn đang tích cực tạo đà.

Sự khác biệt giữa ICE và GTU

Sự khác biệt cơ bản giữa động cơ đốt trong và tổ hợp tuabin khí như sau. Trong động cơ đốt trong, các quá trình nén không khí, đốt cháy nhiên liệu và giãn nở các sản phẩm cháy xảy ra trong một phần tử kết cấu, gọi là xi-lanh động cơ. Trong tuabin khí, các quá trình này được tách thành các đơn vị cấu trúc riêng biệt:

• nén được thực hiện trong máy nén;
• đốt nhiên liệu tương ứng trong một buồng đặc biệt;
• sự nở ra của các sản phẩm cháy được thực hiện trong một tuabin khí.

Do đó, về mặt cấu tạo, tuabin khí và động cơ đốt trong có rất ít điểm giống nhau, mặc dù chúng hoạt động theo các chu trình nhiệt động lực học tương tự nhau.

Kết

Với sự phát triển của sản xuất điện quy mô nhỏ, nâng cao hiệu suất của nó, các hệ thống GTP và STP chiếm tỷ trọng ngày càng tăng trong tổng sốhệ thống năng lượng của thế giới. Theo đó, nghề đầy triển vọng của một nhà điều hành nhà máy tuabin khí ngày càng có nhu cầu. Tiếp bước các đối tác phương Tây, một số nhà sản xuất Nga đã làm chủ được việc sản xuất các tổ máy tuabin khí hiệu quả về chi phí. Nhà máy CHPP Severo-Zapadnaya ở St. Petersburg đã trở thành nhà máy điện chu trình hỗn hợp thế hệ mới đầu tiên ở Nga.