การติดตั้งกังหันก๊าซพลังงาน วัฏจักรของโรงไฟฟ้ากังหันก๊าซ

2024 ผู้เขียน: Howard Calhoun | [email protected]. แก้ไขล่าสุด: 2023-12-17 10:42

เครื่องกังหันก๊าซ (GTP) เป็นคอมเพล็กซ์พลังงานเดี่ยวที่ค่อนข้างกะทัดรัด ซึ่งกังหันกำลังและเครื่องกำเนิดไฟฟ้าทำงานเป็นคู่ ระบบนี้แพร่หลายในอุตสาหกรรมพลังงานขนาดเล็กที่เรียกว่า เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการจ่ายพลังงานและความร้อนขององค์กรขนาดใหญ่ การตั้งถิ่นฐานที่ห่างไกล และผู้บริโภคอื่นๆ ตามกฎแล้ว กังหันก๊าซทำงานโดยใช้เชื้อเพลิงเหลวหรือก๊าซ

อยู่บนขอบของความคืบหน้า

ในการเพิ่มกำลังการผลิตพลังงานของโรงไฟฟ้า บทบาทนำจะถูกโอนไปยังหน่วยกังหันก๊าซและวิวัฒนาการต่อไป - โรงไฟฟ้าพลังความร้อนร่วม (CCGT) ดังนั้น ที่โรงไฟฟ้าในสหรัฐฯ ตั้งแต่ต้นทศวรรษ 1990 กว่า 60% ของกำลังการผลิตที่ได้รับมอบหมายและปรับปรุงให้ทันสมัยได้กลายเป็นกังหันก๊าซและโรงไฟฟ้าพลังความร้อนร่วมแล้ว และในบางประเทศในบางปีส่วนแบ่งของพวกเขาถึง 90%

กังหันก๊าซธรรมดาก็มีจำนวนมากเช่นกัน โรงไฟฟ้ากังหันก๊าซ - เคลื่อนย้ายได้ ประหยัดในการใช้งาน และซ่อมแซมง่าย - ได้รับการพิสูจน์แล้วว่าเป็นโซลูชันที่เหมาะสมที่สุดเพื่อรองรับน้ำหนักบรรทุกสูงสุด ในช่วงเปลี่ยนศตวรรษ (พ.ศ. 2542-2543) กำลังการผลิตทั้งหมดหน่วยกังหันก๊าซถึง 120,000 MW สำหรับการเปรียบเทียบ: ในปี 1980 ความจุรวมของระบบประเภทนี้อยู่ที่ 8,000-10,000 MW ส่วนสำคัญของกังหันก๊าซ (มากกว่า 60%) ตั้งใจให้ทำงานโดยเป็นส่วนหนึ่งของโรงไฟฟ้าพลังความร้อนร่วมแบบไบนารีขนาดใหญ่ที่มีกำลังเฉลี่ยประมาณ 350 เมกะวัตต์

ภูมิหลังทางประวัติศาสตร์

พื้นฐานทางทฤษฎีสำหรับการใช้เทคโนโลยีวงจรรวมได้รับการศึกษารายละเอียดที่เพียงพอในประเทศของเราในช่วงต้นทศวรรษ 60 ในเวลานั้น เป็นที่ชัดเจนว่าเส้นทางทั่วไปสำหรับการพัฒนาวิศวกรรมพลังงานความร้อนนั้นเชื่อมโยงกับเทคโนโลยีวงจรรวมอย่างแม่นยำ อย่างไรก็ตาม การใช้งานที่ประสบความสำเร็จจำเป็นต้องมีหน่วยกังหันก๊าซที่เชื่อถือได้และมีประสิทธิภาพสูง

มันเป็นความก้าวหน้าครั้งสำคัญในการก่อสร้างกังหันก๊าซที่กำหนดการก้าวกระโดดเชิงคุณภาพที่ทันสมัยในด้านวิศวกรรมพลังงานความร้อน บริษัทต่างชาติจำนวนหนึ่งประสบความสำเร็จในการแก้ปัญหาในการสร้างกังหันก๊าซแบบอยู่กับที่ในขณะที่องค์กรชั้นนำในประเทศในระบบเศรษฐกิจบังคับบัญชากำลังส่งเสริมเทคโนโลยีกังหันไอน้ำที่มีแนวโน้มน้อยที่สุด (STP)

หากในยุค 60 ประสิทธิภาพของการติดตั้งกังหันก๊าซอยู่ที่ระดับ 24-32% จากนั้นในช่วงปลายยุค 80 การติดตั้งกังหันก๊าซแบบอยู่กับที่ที่ดีที่สุดมีประสิทธิภาพ (พร้อมการใช้งานอัตโนมัติ) ที่ 36-37 แล้ว %. สิ่งนี้ทำให้สามารถสร้าง CCGT บนพื้นฐานของมันได้ ซึ่งมีประสิทธิภาพถึง 50% ในตอนต้นของศตวรรษใหม่ ตัวเลขนี้เท่ากับ 40% และเมื่อรวมกับโรงงานที่ใช้วงจรก๊าซแบบใช้วัฏจักรร่วมกัน ตัวเลขนี้ก็จะถึง 60%

เปรียบเทียบกังหันไอน้ำและพืชวงจรรวม

ในโรงงานวงจรรวมที่ใช้กังหันก๊าซ โอกาสที่แท้จริงและทันทีคือการได้รับประสิทธิภาพ 65% ขึ้นไป ในเวลาเดียวกันสำหรับโรงงานกังหันไอน้ำ (พัฒนาในสหภาพโซเวียต) เฉพาะในกรณีที่ปัญหาทางวิทยาศาสตร์ที่ซับซ้อนจำนวนหนึ่งที่เกี่ยวข้องกับการสร้างและการใช้ไอน้ำวิกฤตยิ่งยวดสามารถแก้ไขได้สำเร็จเราหวังว่าจะมีประสิทธิภาพไม่เกิน 46- 49%. ดังนั้นในแง่ของประสิทธิภาพ ระบบกังหันไอน้ำจึงด้อยกว่าระบบวงจรรวมอย่างสิ้นหวัง

ต่ำกว่าโรงไฟฟ้ากังหันไอน้ำอย่างมีนัยสำคัญในแง่ของต้นทุนและเวลาในการก่อสร้าง ในปี 2548 ในตลาดพลังงานโลก ราคา 1 กิโลวัตต์สำหรับหน่วย CCGT ที่มีกำลังการผลิต 200 เมกะวัตต์ขึ้นไปอยู่ที่ 500-600 เหรียญสหรัฐฯ/กิโลวัตต์ สำหรับ CCGTs ที่มีความจุน้อยกว่า ค่าใช้จ่ายอยู่ในช่วง 600-900 ดอลลาร์/กิโลวัตต์ โรงไฟฟ้ากังหันก๊าซทรงพลังสอดคล้องกับค่า 200-250 $/kW ด้วยการลดลงของพลังงานต่อหน่วยราคาของพวกเขาจะเพิ่มขึ้น แต่มักจะไม่เกิน $ 500 / kW ค่าเหล่านี้น้อยกว่าค่าไฟฟ้าหนึ่งกิโลวัตต์ในระบบกังหันไอน้ำหลายเท่า ตัวอย่างเช่น ราคาของกิโลวัตต์ที่ติดตั้งในโรงไฟฟ้ากังหันไอน้ำควบแน่นมีตั้งแต่ 2,000-3,000 ดอลลาร์/กิโลวัตต์

โครงการโรงไฟฟ้ากังหันก๊าซ

การติดตั้งประกอบด้วยสามหน่วยพื้นฐาน: กังหันก๊าซ ห้องเผาไหม้ และเครื่องอัดอากาศ นอกจากนี้ ทุกยูนิตยังตั้งอยู่ในอาคารเดี่ยวสำเร็จรูป คอมเพรสเซอร์และโรเตอร์เทอร์ไบน์เชื่อมต่อกันอย่างแน่นหนา โดยมีแบริ่งรองรับ

ห้องเผาไหม้ (เช่น 14 ชิ้น) ถูกวางไว้รอบ ๆ คอมเพรสเซอร์ โดยแต่ละห้องจะอยู่ในเรือนที่แยกจากกัน สำหรับการเข้าเรียนเครื่องอัดอากาศทำหน้าที่เป็นท่อทางเข้า อากาศออกจากกังหันก๊าซผ่านท่อไอเสีย ตัวเครื่องกังหันก๊าซมีฐานรองรับอันทรงพลังที่วางสมมาตรบนเฟรมเดียว

หลักการทำงาน

เครื่องกังหันก๊าซส่วนใหญ่ใช้หลักการเผาไหม้แบบต่อเนื่องหรือวงจรเปิด:

• อย่างแรก ของเหลวทำงาน (อากาศ) จะถูกปั๊มที่ความดันบรรยากาศโดยคอมเพรสเซอร์ที่เหมาะสม
• นอกจากนี้ อากาศจะถูกอัดให้มีความดันสูงขึ้นและส่งไปยังห้องเผาไหม้
• มาพร้อมกับเชื้อเพลิง ซึ่งเผาไหม้ที่แรงดันคงที่ ให้ความร้อนคงที่ เนื่องจากการเผาไหม้ของเชื้อเพลิง อุณหภูมิของสารทำงานจึงเพิ่มขึ้น
• ถัดไป สารทำงาน (ตอนนี้เป็นก๊าซซึ่งเป็นส่วนผสมของอากาศและผลิตภัณฑ์การเผาไหม้) เข้าสู่กังหันก๊าซ ซึ่งเมื่อขยายไปสู่ความดันบรรยากาศ จะทำงานที่มีประโยชน์ (เปลี่ยนกังหันที่สร้าง ไฟฟ้า).
• หลังจากกังหันก๊าซถูกปล่อยสู่ชั้นบรรยากาศซึ่งวงจรการทำงานจะปิดลง
• ความแตกต่างระหว่างการทำงานของกังหันกับคอมเพรสเซอร์นั้นรับรู้ได้จากเครื่องกำเนิดไฟฟ้าที่ตั้งอยู่บนเพลาร่วมกับกังหันและคอมเพรสเซอร์ทั่วไป

พืชเผาไหม้เป็นระยะ

ไม่เหมือนกับการออกแบบก่อนหน้านี้ การเผาไหม้เป็นระยะใช้สองวาล์วแทนหนึ่งวาล์ว

• คอมเพรสเซอร์บังคับให้อากาศเข้าไปในห้องเผาไหม้ผ่านวาล์วตัวแรกในขณะที่วาล์วที่สองปิดอยู่
• เมื่อความดันในห้องเผาไหม้สูงขึ้น วาล์วตัวแรกจะปิดเป็นผลให้ปริมาตรของห้องถูกปิด
• เมื่อปิดวาล์ว เชื้อเพลิงจะถูกเผาไหม้ในห้องเพาะเลี้ยงโดยธรรมชาติ การเผาไหม้ของมันจะเกิดขึ้นที่ปริมาตรคงที่ ส่งผลให้แรงดันของไหลทำงานเพิ่มขึ้น
• ถัดไป วาล์วที่สองถูกเปิด และของไหลทำงานจะเข้าสู่กังหันก๊าซ ในกรณีนี้ความดันด้านหน้ากังหันจะค่อยๆลดลง เมื่อเข้าใกล้บรรยากาศ ควรปิดวาล์วที่สอง และวาล์วแรกควรเปิดและทำซ้ำตามลำดับการกระทำ

วงจรกังหันก๊าซ

เมื่อหันไปใช้งานจริงของวงจรอุณหพลศาสตร์อย่างใดอย่างหนึ่ง นักออกแบบต้องเผชิญกับอุปสรรคทางเทคนิคมากมายที่ผ่านไม่ได้ ตัวอย่างที่มีลักษณะเฉพาะมากที่สุด: เมื่อความชื้นของไอน้ำมากกว่า 8-12% การสูญเสียในเส้นทางการไหลของกังหันไอน้ำจะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว โหลดแบบไดนามิกเพิ่มขึ้น และเกิดการสึกกร่อน ในที่สุดสิ่งนี้นำไปสู่การทำลายเส้นทางการไหลของกังหัน

จากข้อจำกัดเหล่านี้ในภาคพลังงาน (สำหรับการได้งาน) มีเพียงสองวัฏจักรอุณหพลศาสตร์พื้นฐานเท่านั้นที่ใช้กันอย่างแพร่หลาย: วัฏจักรแรงคินและวัฏจักรเบรตัน โรงไฟฟ้าส่วนใหญ่ตั้งอยู่บนพื้นฐานของวัฏจักรเหล่านี้

วงจรแรงคินใช้สำหรับของไหลทำงานที่เปลี่ยนเฟสระหว่างการนำวงจรไปใช้ โรงไฟฟ้าพลังไอน้ำทำงานตามรอบนี้ สำหรับของไหลทำงานที่ไม่สามารถควบแน่นภายใต้สภาวะจริงและเราเรียกว่าแก๊ส วงจรของ Brayton จะถูกใช้ ผ่านวงจรนี้โรงงานกังหันก๊าซและเครื่องยนต์สันดาปภายในกำลังทำงาน

เชื้อเพลิงที่ใช้

กังหันก๊าซส่วนใหญ่ได้รับการออกแบบให้ทำงานโดยใช้ก๊าซธรรมชาติ บางครั้งเชื้อเพลิงเหลวถูกใช้ในระบบที่ใช้พลังงานต่ำ (น้อยกว่า - ปานกลาง, น้อยมาก - กำลังสูง) แนวโน้มใหม่คือการเปลี่ยนระบบกังหันก๊าซขนาดกะทัดรัดไปเป็นการใช้วัสดุแข็งที่ติดไฟได้ (ถ่านหิน พีทและไม้น้อยกว่า) แนวโน้มเหล่านี้เกิดจากการที่ก๊าซเป็นวัตถุดิบทางเทคโนโลยีที่มีคุณค่าสำหรับอุตสาหกรรมเคมี ซึ่งการใช้ก๊าซดังกล่าวมักจะให้ผลกำไรมากกว่าในภาคพลังงาน การผลิตโรงไฟฟ้ากังหันก๊าซที่สามารถใช้เชื้อเพลิงแข็งได้อย่างมีประสิทธิภาพกำลังได้รับแรงผลักดันอย่างแข็งขัน

ความแตกต่างระหว่าง ICE และ GTU

ความแตกต่างพื้นฐานระหว่างเครื่องยนต์สันดาปภายในและคอมเพล็กซ์กังหันก๊าซมีดังนี้ ในเครื่องยนต์สันดาปภายใน กระบวนการอัดอากาศ การเผาไหม้เชื้อเพลิง และการขยายตัวของผลิตภัณฑ์การเผาไหม้เกิดขึ้นภายในองค์ประกอบโครงสร้างเดียว เรียกว่ากระบอกสูบเครื่องยนต์ ในกังหันก๊าซ กระบวนการเหล่านี้จะถูกแยกออกเป็นหน่วยโครงสร้างที่แยกจากกัน:

• บีบอัดในคอมเพรสเซอร์
• การเผาไหม้เชื้อเพลิงตามลำดับในห้องพิเศษ
• การขยายตัวของผลิตภัณฑ์การเผาไหม้ดำเนินการในกังหันก๊าซ

ด้วยเหตุนี้ โครงสร้าง กังหันก๊าซและเครื่องยนต์สันดาปภายในมีความคล้ายคลึงกันเล็กน้อย แม้ว่าจะทำงานตามวัฏจักรอุณหพลศาสตร์ที่คล้ายคลึงกัน

สรุป

ด้วยการพัฒนาการผลิตไฟฟ้าขนาดเล็กเพิ่มประสิทธิภาพระบบ GTP และ STP มีส่วนแบ่งเพิ่มขึ้นโดยรวมระบบพลังงานของโลก ดังนั้นอาชีพที่มีแนวโน้มของผู้ประกอบการโรงงานกังหันก๊าซจึงมีความต้องการมากขึ้น ตามพันธมิตรตะวันตก ผู้ผลิตรัสเซียจำนวนหนึ่งได้เชี่ยวชาญด้านการผลิตหน่วยกังหันก๊าซที่คุ้มค่า Severo-Zapadnaya CHPP ในเซนต์ปีเตอร์สเบิร์กกลายเป็นโรงไฟฟ้าพลังความร้อนร่วมแห่งแรกของคนรุ่นใหม่ในรัสเซีย