wykład V: Elektrownie z turbinami gazowymi

Elektrownie z turbinami gazowymi (J. Paska)
1 . Stosowane obiegi i ich sprawność
Rys. 1. Otwarty obieg cieplny z turbiną gazową: a) schemat
ideowy; b) wykres entropowy; c) realizacja;
1 – sprężarka; 2 – turbina gazowa; 3 – doprowadzenie
powietrza; 4 – komora spalania; 5 – prądnica; 6 –
doprowadzenie paliwa; qd – ciepło doprowadzone do obiegu
w przemianie izobarycznej 2-3; qo – ciepło doprowadzone
w przemianie 4-1
Sprawność teoretyczna obiegu Braytona-Joule’a wyraża się zależnością:
p 
T
η tB = 1 − 4 = 1 −  1 
T3
 p2 
χ −1
χ
1
=1−
ξ
(1)
χ −1
χ
gdzie: χ - wykładnik adiabaty; ξ - stopień sprężania, ξ = p2/p1.
Rys. 2. Zależność sprawności rzeczywistej
obiegu otwartego z turbiną gazową od
temperatury gazów przed
i za turbiną
Istotną poprawę sprawności obiegu z turbiną gazową można uzyskać podgrzewając sprężone powietrze
kierowane do komory spalania za pomocą gazów wylotowych z turbiny, czyli stosując r e g e n e r a c j ę
c i e p ł a . Regeneracja ciepła jest możliwa jedynie wówczas, gdy T4 > T2 (rys. 1).
1
Elektrownie z turbinami gazowymi (J. Paska)
Znaczne zbliżenie obiegu Braytona-Joule’a do teoretycznego obiegu Carnota można uzyskać przez
zastosowanie w i e l o s t o p n i o w e g o s p r ę ż a n i a z o c h ł a d z a n i e m m i ę d z y s t o p n i o w y m i
wielostopniowego rozprężania z podgrzewaniem (dopalaniem ) m iędzystopniowym
oraz regeneracją ciepła.
Teoretyczny obieg z wielostopniowym rozprężaniem i sprężaniem oraz z pełną regeneracją ciepła nosi
nazwę o b i e g u A c k e r e t a - K e l l e r a . W miarę zwiększania liczby stopni sprężania oraz liczby stopni
rozprężania, sprawność teoretycznego obiegu Ackereta-Kellera dąży do sprawności obiegu Carnota. W
rozwiązaniach praktycznych liczba stopni sprężania z międzystopniowym ochładzaniem wynosi 2÷4, a liczba
stopni rozprężania na przekracza trzech. Sprawność netto takich układów przy osiąganych aktualnie
temperaturach gazu przed turbiną T3 ≈ 1200 K dochodzi do 39%.
2. Obiegi gazowo-parowe i ich zastosowanie w elektrowniach
Dalsze, istotne zwiększenie sprawności jest możliwe jedynie w u k ł a d a c h k o m b i n o w a n y c h
d w u c z y n n i k o w y c h , w których klasyczny obieg parowy jest nadbudowany innym obiegiem
wysokotemperaturowym (gazowym, parowym na parę rtęci, generatorem magnetohydrodynamicznym i in.).
Spośród wielu propozycji i możliwości praktyczne zastosowanie we współczesnej energetyce znalazły
jedynie k o m b i n o w a n e u k ł a d y g a z o w o - p a r o w e , w których w górnym zakresie temperatur
wykorzystuje się obieg z turbiną gazową, w dolnym zaś – klasyczny obieg z turbiną parową, tzn. w których
obieg gazowy jest włączony przed obieg parowy, a przepływy obu czynników są rozdzielone.
Rys. 3. Schematy układów cieplnych elektrowni gazowo-parowych: a) układ z wysokociśnieniową wytwornicą pary – z kotłem
doładowanym (równoległy); b) układ z konwencjonalnym kotłem parowym – ze zrzutem spalin do kotła (szeregowy); c) układ
z kotłem odzysknicowym (szeregowy); d) układ wykorzystujący mieszaninę spalin i pary;
WWP – ciśnieniowa wytwornica pary; KS – komora spalania; KP – kocioł parowy; KO – kocioł odzysknicowy; T – turbina
gazowa; TP – turbina parowa; S – sprężarka; G – generator; K – skraplacz; P – pompa wody zasilającej; E – wymiennik ciepła
spaliny – woda zasilająca; C – doprowadzenie paliwa
2
Elektrownie z turbinami gazowymi (J. Paska)
Rys. 4. Teoretyczne obiegi podstawowych układów gazowoparowych w układzie współrzędnych T-s;
1 – obieg gazowy; 2 – obieg parowy; 3 – obieg Carnota
3. Konstrukcje energetycznych turbin gazowych
Rys. 5. Turbina gazowa wytwórni
ABB typu GT13E
Tablica 1. Ważniejsze parametry wybranych turbin gazowych
Typ
Producent
Moc,
MW
Rok
Sprawność
wprowadzenia (elektr.), %
Strumień
masy
spalin,
kg/s
194
562
Prędkość
obrotowa,
1/min
Temperatura,
°C
na
na
wlocie wylocie
1100
508
1235
630
GT8C2
ABB
57
1998
33,8
6210
GT26
ABB
262
1994
38,2
3000
PG5371
GE
26,3
1987
28,5
122
5094
960
487
(PA)
PG9351
GE
255,6
1996
36,9
624
3000
1290
610
(FA)
PG7001
GE
260
2001
39,5
558
3600
1430
?
(H)
PG9001
GE
292
2000
39,5
685
3000
1430
?
(H)
V64.3A
KWU
67,1
1996
34,8
191
5400
?
583
V94.3A
KWU
265,9
1995
38,6
656
3000
1315
584
RB211RR
25,4
1974
35,0
92
4950
755
496
6556
501G
WE/MHI
253
1994
38,9
563
3600
1415
594
M701G
MHI
334
1997/99
39,5
737
3000
1415
587
ABB – Alstom Power, GE – General Electric, KWU – Siemens Westinghouse, WE - Siemens Westinghouse,
1)
MHI - Mitssubishi Heavy Industry, RR – Rolls Royce, – turbina dostarczana tylko w bloku TG + KO + TP
3
Cena,
$/kW
(w $
2001)
281
198
292
199
?
1)
?
1)
278
190
311
189
182
Elektrownie z turbinami gazowymi (J. Paska)
Rys. 6. Schemat turbiny gazowej w układzie otwartym ze
spalaniem zewnętrznym; S – sprężarka, T – turbina,
G – prądnica, KS – komora spalania, WT – nagrzewnica
4. Zgazowanie węgla do celów energetycznych
Rys. 7.
Podstawowe
systemy
zgazowania
węgla do celów
energetycznych
Rys. 8. Ogólny schemat cieplny układu gazowoparowego na gaz ze zgazowania węgla;
1 – zespół generatora gazu, 2 – tlenownia,
3 – zespół schładzania gazu surowego –
wytwornica pary przegrzanej, 4 – zespół
czyszczenia gazu, 5 – komora spalania turbiny
gazowej, 6 – turbina gazowa, 7 – odzysknicowa
wytwornica pary, 8 – turbina parowa,
9 – sprężarka, 10 - dmuchawa
4