У статті розповідається про те, як обчислюється ККД найпростішої ГТУ, наведено таблиці різних ГТУ та ПГУ для порівняння їх ККД та інших характеристик.

У галузі промислового використання газотурбінних та парогазових технологій Росія значно відстала від передових країн світу.

Світові лідери у виробництві газових та парогазових енергоустановок великої потужності: GE, Siemens Wistinghouse, ABB - досягли значень одиничної потужності газотурбінних установок 280-320 МВт і ККД понад 40 %, з утилізаційною паросиловою надбудовою в парогазовом циклі (4 480 МВт при ККД до 60%. Якщо є питання щодо надійності ПДУ – то читайте статтю.

Ці вражаючі цифри служать як орієнтири щодо шляхів розвитку енергомашинобудування Росії.

Як визначається ККД ГТУ

Наведемо пару простих формул, щоб показати, що таке ККД газотурбінної установки:

Внутрішня потужність турбіни:

• Nт = Gух * Lт, де Lт - робота турбіни, Gух - витрата газів;

Внутрішня потужність ГТУ:

• Ni гту = Nт - Nк, де Nк - внутрішня потужність повітряного компресора;

Ефективна потужність ГТУ:

• Неф = Ni гту * ККД хутро, ККД хутро - ККД пов'язаний з механічними втратамиу підшипниках, можна приймати 0,99

Електрична потужність:

• Нел = Ne * ККД ег, де ККД ег - ККД пов'язаний з втратами в електричному генераторі, можна прийняти 0,985

Наявна теплота палива:

• Q расп = Gтоп * Qрн, де Gтоп - витрата палива, Qрн - нижча робоча теплота згоряння палива

Абсолютний електричний ККД газотурбінної установки:

• КПДе = Neл / Q расп

ККД ПДУ вище, ніж ККД ГТУтак як у парогазовій установці використовується тепло газів, що йдуть ГТУ. За газовою турбіною встановлюється котел-утилізатор у якому тепло від газів, що йдуть, ГТУ передається робочому тілу (живильній воді) , згенерований пар відправляється в парову турбіну для генерації електроенергії та тепла.

Читайте також: Як вибрати газотурбінну установку для станції з ПГУ

ККД ПГУ зазвичай представляють співвідношенням:

• ККД пгу = ККД гту * B + (1-ККД гту * B) * ККД псу

B – ступінь бінарності циклу

ККД псу - ККД паросилової установки

• B = Qкс/(Qкс+Qку)

Qкс – теплота палива, що спалюється в камері згоряння газової турбіни

Qку – теплота додаткового палива, що спалюється в котлі-утилізаторі

При цьому зазначають, що якщо Qку = 0, то B = 1, тобто установка є повністю бінарною.

Вплив ступеня бінарності на ККД ПДУ

B	ККД ГТУ	ККД псу	ККД пгу
1	0,32	0,3	0,524
1	0,36	0,32	0,565
1	0,36	0,36	0,590
1	0,38	0,38	0,612
0,3	0,32	0,41	0,47
0,4	0,32	0,41	0,486
0,3	0,36	0,41	0,474
0,4	0,36	0,41	0,495
0,3	0,36	0,45	0,51
0,4	0,36	0,45	0,529

Давайте наведемо послідовно таблиці з характеристиками ефективності ГТУ і за ними показники ПГУ з цими газовими машинами, і порівняємо ККД окремої ГТУ і ККД ПГУ.

Характеристики сучасних потужних ГТУ

Газові турбіни фірми ABB

Характеристика	Модель ГТУ
	GT26ГТУ з промперегрівом	GT24ГТУ з промперегрівом
Потужність ISO МВт	265	183
ККД %	38,5	38,3
	30	30
	562	391
	1260	1260
	610	610
	50	50

Парогазові установки з газовими турбінами ABB

Газові турбіни фірми GE

Характеристика	Модель ГТУ
	MS7001FA	MS9001FA	MS7001G	MS9001G
Потужність ISO МВт	159	226,5	240	282
ККД %	35,9	35,7	39,5	39,5
Ступінь підвищення тиску компресора	14,7	14,7	23,2	23,2
Витрата робочого тіла на вихлопі ГТУ кг/с	418	602	558	685
Початкова температура перед робочими лопатками 1 ст. З	1288	1288	1427	1427
Температура робочого тіла на вихлопі	589	589	572	583
Частота обертання генератора 1/с	60	50	60	50

Читайте також: Навіщо будувати парогазові ТЕЦ? У чому переваги парогазових установок?

Парогазові установки з газовими турбінами GE

Характеристика	Модель ГТУ
	MS7001FA	MS9001FA	MS7001G	MS9001G
Склад газотурбінної частини ПДУ	1хMS7001FA	1хMS9001FA	1хMS9001G	1хMS9001H
Модель ПДУ	S107FA	S109FA	S109G	S109H
Потужність ПГУ МВт	259.7	376.2	420.0	480.0
ККД ПДУ %	55.9	56.3	58.0	60.0

Газові турбіни фірми Siemens

Характеристика	Модель ГТУ
	V64.3A	V84.3A	V94.3A
Потужність ISO МВт	70	170	240
ККД %	36,8	38	38
Ступінь підвищення тиску компресора	16,6	16,6	16,6
Витрата робочого тіла на вихлопі ГТУ кг/с	194	454	640
Початкова температура перед робочими лопатками 1 ст. З	1325	1325	1325
Температура робочого тіла на вихлопі	565	562	562
Частота обертання генератора 1/с	50/60	60	50

Парогазові установки з газовими турбінами Siemens

Газові турбіни Westinghouse-Mitsubishi-Fiat

Характеристика	Модель ГТУ
	501F	501G	701F	701G1	701G2
Потужність ISO МВт	167	235,2	251,1	271	308
ККД %	36,1	39	37	38,7	39
Ступінь підвищення тиску компресора	14	19,2	16,2	19	21
Витрата робочого тіла на вихлопі ГТУ кг/с	449,4	553,4	658,9	645	741
Початкова температура перед робочими лопатками 1 ст. З	1260	1427	1260	1427	1427
Температура робочого тіла на вихлопі	596	590	569	588	574
Частота обертання генератора 1/с	60	60	50	50	50

§ 45. Турбінні установки

Суднові турбіни служать для перетворення теплової енергії пари або газу в механічну роботу. Метод перетворення енергії в турбіні не залежить від робочого тіла, що використовується у турбіні. Тому робочі процеси, які у парових турбінах, немає істотного відмінності від робочих процесів, які у газових турбінах, а основні засади проектування парових і газових турбін однакові.

Свіжа пара або газ, надходячи в сопло, що є напрямним апаратом, розширюється, потенційна енергія перетворюється на кінетичну, і пара або газ набувають значної швидкості. Після виходу з сопла пар чи газ потрапляє в канали робочих лопаток, насаджених на обід турбінного диска, що сидить на валу турбіни. Робоче тіло тисне на вигнуті поверхні робочих лопаток, змушуючи диск із валом обертатися. Сукупність таких напрямних апаратів (сопел) і робочих лопаток на турбінному диску називається ступенем турбіни. Турбіни, що мають лише один щабель, називаються одноступінчастимина відміну від багатоступінчастихтурбін.

Турбіни за принципом роботи робочого тіла (пара чи газу) поділяють на дві основні групи. Турбіни, в яких розширення, пара або газу відбувається тільки в нерухомих напрямних апаратах, а на робочих лопатках використовується лише їхня кінетична енергія, називаються активними. Турбіни, в яких розширення пари або газу відбувається також і під час руху робочого тіла в каналах робочих лопаток, називаютьсяреактивними. Турбіни обертаються тільки в один бік і є нереверсивними, тобто вони не можуть змінювати напрямок обертання. Тому на одному валу з головними турбінами переднього ходу зазвичай передбачають турбіни заднього ходу. Потужність суднових турбін заднього ходу вбирається у 40-50% потужності турбін переднього ходу. Оскільки ці турбіни не повинні забезпечувати високу економічність у роботі, кількість щаблів у них невелика.

Суднові паротурбінні установки, що працюють при початковому тиску пари 40-50 атм і температурі пари 450-480°, мають економічний к. п. д. 24-27%.

Економічним(Ефективним) к. п. д. називається відношення тепла, перетвореного на корисну роботу, до тепла, що розвивається при повному згорянні витраченого палива. Ефективний к. п. д. характеризує економічність двигуна. При підвищенні тиску до 70-80 атм і температури пари до 500-550 ° С економічний к. п. д. зростає до 29-31%. Подальше підвищення початкового тиску пари та вдосконалення установок дозволить збільшити к. п. д. судновий паротурбінної установки приблизно до 35%.

Робота над судновими газотурбінними установками (ГТУ) по суті носить ще експериментальний характер, оскільки все ще не створено їхньої серійної конструкції.

Газова турбінавідрізняється від парової тим, що робочим тілом її є не пари з котлів, а гази, що утворюються при згорянні палива в спеціальних камерах.

Пристрій та робота газової турбіни аналогічні пристрою та роботі парової турбіни. Вони також бувають активні або реактивні, однокорпусні, багатокорпусні і т. п. Відрізняються газові турбіни від парових вищими температурними навантаженнями: температура гарячих газів буває в межах 700-800 ° С. Різниця в температурному режимі зменшує ресурси часу роботи газових турбін.

Залежно від способу стиснення повітря та утворення гарячих газів розрізняють газотурбінні установки з камерою горіння та ГТУ. вільно-поршневими генераторами газу(ЗПГГ). Негативною якістю ГТУ є велика втрата тепла при відведенні газів, що відпрацювали.

Методом підвищення економічності ГТУ є використання тепла газів для підігріву повітря, що надходить в камеру згоряння, так звана регенерація.

Застосування регенерації з одночасним двоступеневим стиском повітря підвищує ефективний к. п. д. установки до 28-30%. Такі ГТУ знаходять застосування як суднових силових установок.

У судновій газотурбінній установці з камерою горіння (мал.69) атмосферне повітря засмоктується, стискається компресором низького тиску 1, що розташовується на одному валу з газовою турбіною 5, і направляється в холодильник 2, що охолоджується забортною водою. Охолоджене повітря надходить у компресор високого тиску 3, де знову стискається до більш високого тиску, після чого подається в регенератор 4, звідки підігрітий відпрацьованими газами йде в камеру горіння 6, де згоряє паливо, що подається туди. Продукти згоряння розширюються в газовій турбіні 5 і через регенератор, віддавши в ньому частину тепла повітрі, виходять в атмосферу або використовуються в котлі утилізаційному.

Мал. 69. Схема газотурбінної установки з регенерацією та двоступінчастим стисненням повітря.

Енергія, що розвивається у газовій турбіні, не повністю використовується за основним призначенням, а частково витрачається на привід компресорів. Для запуску газової турбіни її потрібно розкрутити пусковими електромоторами.

Газотурбінна установка з вільно-поршневим генератором газу (СПГГ) являє собою активну або реактивну турбіну та дизельний циліндр, в якому відбувається спалювання палива. Комбінована газотурбінная установка із СПГГ показана на рис. 70.

Циліндр СПГГ 1 має два робочі поршні 2 на одних штоках з поршнями компресорів 3. При згорянні суміші повітря з паливом, що подається через форсунку 11, гази в циліндрі розширюються, розсовуючи поршні. У порожнинах компресорних 6 циліндрів 5 створюється розрядження і через клапани 7 атмосферне повітря засмоктується. Одночасно в порожнині 4 циліндрів компресорних повітря стискається і робочі поршні повертаються у вихідне положення.

При розбіжності поршнів у циліндрі відкриваються спочатку вихлопні вікна 9, а потім продуваються вікна 10. Відпрацьовані гази через вихлопні вікна надходять у ресивер 8 і звідти - газову турбіну 12.

При зворотному ході компресорних поршнівих вихлопні та продувні вікна закриваються, повітря з порожнини 6 нагнітається в продувний ресивер, а повітря в робочому циліндрі стискається. Наприкінці стиснення температура повітря піднімається і впорсане в цей момент паливо спалахує форсункою. Починається новий цикл роботи вільно-поршневого генератора газу.

Ефективний к. п. д. такої комбінованої газотурбінної установки із СПГГ наближається до 40%, що робить вигідною їхню установку на суднах. Газотурбінні установки з СПГГ перспективні і широко використовуватимуться на судах як головні двигуни.

Мал. 70. Схема газотурбінної установки із вільно-поршневим генератором газу (СПГГ).

Суднові ядерні установки служать для отримання теплової енергії в результаті розподілу ядер елементів, що розщеплюються, яке відбувається в апаратах, званих ядерними реакторами. Судна з такими установками мають практично необмежену дальність плавання.

Енергія, що виділяється реакцією поділу ядер при використанні 1 кг урану, приблизно дорівнює енергії, що отримується при спалюванні 1400 т мазуту. Добова витрата ядерного палива на транспортних суднах обчислюється лише десятками грамів. Термін зміни тепловиділяючих елементів у суднових реакторах дорівнює двом-трьом рокам. Незважаючи на велику вагу ядерної установки, викликану великою вагою біологічного захисту, корисна вантажопідйомність суден з ядерними установками, значно більша за вантажопідйомність судів рівних розмірів, що мають загальноприйняті силові установки. Збільшення вантажопідйомності цих судах пояснюється відсутністю ними звичайного палива.

Для підвищення швидкості руху суден застосування установок, що працюють на ядерній енергії, є економічно вигідним, що дозволяє підвищити потужність силових установок без різкого збільшення їх ваги. Вирішальною перевагою суднових ядерних установок є відсутність потреби у повітрі під час їх роботи. Ця особливість дозволяє вирішити проблему тривалого руху суден під водою. Як відомо, судна, плаваючи під водою, в однорідному середовищі, зустрічають менший опір, ніж надводні судна, і, отже, за рівних потужностей двигунів можуть розвивати великі швидкості. Підводні транспорти великої водотоннажності можуть бути значно вигіднішими в експлуатації, ніж надводні судна тієї ж водотоннажності.

Як ядерне паливо для сучасних суднових реакторів застосовується штучно збагачений уран із вмістом ізотопу U 235 у кількості 3-5%.

Та частина реактора, в якій відбувається ланцюгова реакція, називається активною зоною. У цю зону вводять особливу речовину - уповільнювач нейтронів, що уповільнює рух нейтронів до швидкості теплового руху. Як сповільнювач застосовується проста вода (Н 2 0), важка вода (D 2 0), берилій або графіт.

За типом активної зони реактори ділять на гомогенні та гетерогенні. У гомогенних реакторах ядерне паливо і сповільнювач є однорідною сумішшю. У гетерогенних реакторах ядерне паливо розташовується у сповільнювачі у вигляді стрижнів або пластин, званих тепловиділяючі елементи. У суднових ядерних силових установках застосовується єдиний тип – гетерогенні реактори.

При скоєнні ядерної реакції близько 80% енергії перетворюється на тепло, а 20% виділяється у вигляді випромінювань (а, в і у), а-і в-випромінювання особливої ​​небезпеки не становлять. Але ось у-випромінювання і нейтронні випромінювання, що мають велику проникаючу здатність, викликають вторинне випромінювання в багатьох матеріалах. При цьому випромінюванні в організмі людини виникають тяжкі захворювання. Для запобігання такому випромінюванню ядерні силові установки повинні мати надійний захист, що називається біологічним. Біологічний захист зазвичай виконують з металу, води та бетону, він має значні габарити та вагу.

Найбільш потужною і технічно досконалою судновою ядерною силовою установкою на цивільних судах є силова установка на криголамі «Ленін» - найпотужнішому криголамі у світі.

Потужність чотирьох його турбін дорівнює 44000 л. с.

Головна енергетична установка криголама «Ленін» виконана за наступною схемою (рис. 71). На криголамні встановлені три реактори 1 зі стабілізаторами тиску 2 в першому контурі. Уповільнювачем та теплоносієм служить звичайна вода під тиском близько 200 атм. Вода реактора подається в парогенератори 3 при температурі близько 325° З циркуляційними електронасосами 4. У парогенераторах виходить пара другого контуру під тиском 29 атм і з температурою 310° З, який приводить в дію чотири парових турбогенератора 5. Відпрацьована пара проходить через конденсатори 6 конденсату і використовується знову, роблячи роботу по замкнутому циклу.

Реактори, парогенератори та насоси активної зони оточені біологічним захистом із шару води та сталевих плит товщиною 300-420 мм.

Суднові турбореактивні двигуни використовуються на суднах на підводних крилах або на суднах спеціального призначення. Часто зустрічається схема турбореактивного двигуна наведена на рис. 72.

Мал. 71. Схема енергетичної установкикриголама «Ленін»

При русі двигуна вліво (за стрілкою А) повітря надходить у його корпус і стискається турбокомпресором 1. Стиснене повітря подається в камеру горіння 2, в якій згоряє паливо, що поступає одночасно. З камери 2 продукти згоряння направляються в газову турбіну 3. У турбіні гази частково розширюються, роблячи цим роботу для приводу турбокомпресора. Подальше розширення газу відбувається в соплі 4, звідки він швидко виривається в атмосферу. Реакція струменя, що витікає, забезпечує рух судна.

Парогазова турбінна установка, що працює за циклом Вальтера, була застосована на німецьких підводних човнах у другій світовій війні з метою збільшення їхньої швидкості в підводному положенні. Човен з такою установкою міг протягом 5-6 год розвивати великі швидкості підводного ходу, що сягають 22-25 вузлів.

Окислювачем у цьому циклі служив перекис водню високої (80%) концентрацій, яка в присутності каталізатора розкладається у спеціальній камері на водяну пару та кисень, виділяючи значну кількість тепла. У камері горіння в кисні спалювалося рідке паливо з одночасним упорскуванням туди ж прісної води. Енергія парогазової суміші, що виходить, з високим тиском і високою температурою використовувалася в парогазовій турбіні. Парогазова суміш, що відпрацювала, охолоджувалася в конденсаторі, де водяна пара перетворювалася на воду і надходила знову в систему, поживної води, а вуглекислота відкачувалася за борт.

Основними недоліками цих установок була мала дальність плавання човнів максимальними ходами, підвищена пожежна небезпека через наявність на човні великої кількості перекису водню, залежність їх нормальної роботи від глибини занурення та висока вартість як самої установки, так і її експлуатації.

В Англії в післявоєнні роки був побудований підводний човен «Ексілорер» із силовою установкою такого типу. На проведених випробуваннях було визначено, що вартість її однієї ходової години еквівалентна вартості 12,5 кг золота.

Вперед
Зміст
назад

Теплова турбіна постійної дії, в якій теплова енергіястиснутого та нагрітого газу (зазвичай продуктів згоряння палива) перетворюється на механічну обертальну роботу на валу; є конструктивним елементом газотурбінного двигуна.

Нагрівання стиснутого газу зазвичай відбувається в камері згоряння. Також можна здійснювати нагрівання в ядерному реакторі та ін. Вперше газові турбіни з'явилися в наприкінці XIXв. як газотурбінний двигун і по конструктивному виконанню наближалися до парової турбіни. Газова турбіна конструктивно є цілим рядом упорядковано розташованих нерухомих лопаткових вінців апарата сопла і вінців робочого колеса, що обертаються, які в результаті утворюють проточну частину. Ступінь турбіни є сопловим апаратом, поєднаним з робочим колесом. Ступінь складається зі статора, в який входять стаціонарні деталі (корпус, соплові лопатки, бандажні кільця), і ротора, що представляє собою сукупність частин, що обертаються (таких, як робочі лопатки, диски, вал).

Класифікація газової турбіни здійснюється за багатьма конструктивним особливостям: у напрямку газового потоку, кількості щаблів, способу використання перепаду тепла та способу підведення газу до робочого колеса. У напрямку газового потоку можна розрізнити газові турбіни осьові (найпоширеніші) та радіальні, а також діагональні та тангенціальні. В осьових газових турбінах потік у меридіональному перерізі транспортується в основному вздовж усієї осі турбіни; у радіальних турбінах, навпаки, перпендикулярно до осі. Радіальні турбіни поділяються на відцентрові та відцентрові. У діагональній турбіні газ тече під деяким кутом до осі обертання турбіни. У робочого колеса тангенціальної турбіни відсутні лопатки, такі турбіни застосовуються при дуже малій витраті газу, зазвичай, у вимірювальних приладах. Газові турбіни бувають одно-, дво-і багатоступінчасті.

Кількість ступенів визначається багатьма факторами: призначенням турбіни, її конструктивною схемою, загальною потужністю і розвивається одним ступенем, а також перепадом тиску, що спрацьовується. За способом використання розпаду тепла розрізняють турбіни зі ступенями швидкості, у яких в робочому колесі відбувається тільки поворот потоку, без зміни тиску (активні турбіни), і турбіни зі ступенями тиску, в них тиск зменшується як в соплових апаратах, так і на робочих лопатках (Реактивні турбіни). У парціальних газових турбінах підведення газу до робочого колеса відбувається в частині кола соплового апарату або його повного кола.

У багатоступінчастій турбіні процес перетворення енергії складається з цілого ряду послідовних процесів в окремих щаблях. У міжлопаткові канали соплового апарату подається стислий і підігрітий газ з початковою швидкістю, де в процесі розширення відбувається перетворення частини теплоперепаду, що розташовується в кінетичну енергію струменя витікання. Подальше розширення газу та перетворення теплоперепаду на корисну роботу відбуваються в міжлопаткових каналах робочого колеса. Газовий потік, впливаючи на робочі лопатки, створює момент, що крутить, на головному валу турбіни. У цьому відбувається зменшення абсолютної швидкості газу. Чим нижче ця швидкість, тим більша частина енергії газу перетворилася на механічну роботу на валу турбіни.

ККД характеризує ефективність газових турбін, що є відношенням роботи, що знімається з валу, до наявної енергії газу перед турбіною. Ефективний ККД сучасних багатоступінчастих турбін досить високий і сягає 92-94%.

p align="justify"> Принцип роботи газової турбіни полягає в наступному: газ нагнітається в камеру згоряння компресором, перемішується з повітрям, формує паливну суміш і підпалюється. Продукти горіння, що утворилися, з високою температурою (900-1200 °С) проходять через кілька рядів лопаток, встановлених на валу турбіни, і призводять до обертання турбіни. Отримана механічна енергіявала передається через редуктор генератору, що виробляє електрику.

Теплова енергіягазів, що виходять з турбіни, потрапляє в теплоутилізатор. Також замість виробництва електрики механічна енергія турбіни може бути використана для роботи різних насосів, компресорів і т. п. Найбільш часто використовується видом палива для газових турбін є природний газ, хоча це не може виключити можливості використання інших видів газоподібного палива. Але при цьому газові турбіни дуже примхливі і висувають підвищені вимоги до якості його підготовки (потрібні певні механічні включення, вологість).

Температура газів, що виходять з турбіни, становить 450-550 °С. Кількісне співвідношення теплової енергії до електричної газових турбін становить від 1,5: 1 до 2,5: 1, що дозволяє будувати когенераційні системи, що різняться за типом теплоносія:

1) безпосереднє (пряме) використання гарячих газів, що відходять;
2) виробництво пари низького або середнього тиску (8-18 кг/см2) у зовнішньому казані;
3) виробництво гарячої води (краще, коли потрібна температура перевищує 140 ° С);
4) виробництво пари високого тиску.

Великий внесок у розвиток газових турбін зробили радянські вчені Б. С. Стєчкін, Г. С. Жирицький, Н. Р. Брилінг, В. В. Уваров, К. В. Холщовиків, І. І. Кирилов та ін. Значних успіхів у створенні газових турбін для стаціонарних та пересувних газотурбінних установок досягли зарубіжні фірми (швейцарські «Броун-Бовери», в якій працював відомий словацький учений А. Стодола, та «Зульцер», американська «Дженерал електрик» та ін.).

Надалі розвиток газових турбін залежить від можливості підвищення температури газу перед турбіною. Це з створенням нових жароміцних матеріалів і надійних систем охолодження робочих лопаток при значному вдосконаленні проточної частини та інших.

Завдяки повсюдному переходу у 1990-ті роки. на використання природного газу як основне паливо для електроенергетики газові турбіни зайняли суттєвий сегмент ринку. Незважаючи на те що максимальна ефективністьобладнання досягається на потужностях від 5 МВт та вище (до 300 МВт), деякі виробники випускають моделі в діапазоні 1-5 МВт.

Застосовуються газові турбіни в авіації та на електростанціях.

• Попереднє: ГАЗОАНАЛІЗАТОР
• Наступне: ГАЗОВИЙ ДВИГУН

Категорія: Промисловість на Г 

Турбіна це будь-який обертовий пристрій, який використовує енергію робочого тіла, що рухається (флюїда), щоб виконувати роботу. Типові флюїди турбін це: вітер, вода, пара та гелій. Вітряні млинита гідроелектростанції використали турбіни десятиліття щоб обертати електрогенератори та виробляти енергію для промисловості та житла. Прості турбіни відомі набагато довше, перші з них з'явилися у Стародавній Греції.

В історії енергогенерації, втім, що газові турбіни з'явилися недавно. Перша практично корисна газова турбіна почала генерувати електрику в Neuchatel, Швейцарія в 1939 році. Вона була розроблена Brown Boveri Company. Перша газова турбіна, що приводить у дію, літак також запрацювала в 1939 році в Німеччині, з використанням газової турбіни, розробленої Гансом П. фон Огайн. В Англії у 1930-ті винахід та конструювання газової турбіни Франком Віттлом призвело до першого польоту з газотурбінним двигуном у 1941 році.

Малюнок 1. Схема авіаційної турбіни (а) та газової турбіни для наземного використання (б)

Термін "газова турбіна" легко вводить в оману, оскільки для багатьох це означає турбінний двигун, який використовує газ як паливо. Насправді газова турбіна (схема показана на рис. 1) має компресор, який подає і стискає газ (як правило - повітря); камеру згоряння, де спалювання палива нагріває стислий газ і власне турбіну, яка витягує енергію з потоку гарячих, стиснутих газів. Цієї енергії достатньо, щоб живити компресор і залишається для корисних застосувань. Газова турбіна - це двигун внутрішнього згоряння (ДВЗ), що використовує безперервне згоряння палива для виробництва корисної роботи. Цим турбіна відрізняється від карбюраторних чи дизельних двигунів внутрішнього згоряння, де процес спалювання уривчастий.

Оскільки з 1939 року використання газових турбін почалося одночасно і в енергетиці та в авіації – для авіаційних та наземних газових турбін використовуються різні назви. Авіаційні газові турбіни називаються турбореактивними або реактивними двигунами, а інші газові турбіни називають газотурбінними двигунами. У англійськоює навіть більше назв для цих однотипних загалом двигунів.

Використання газових турбін

В авіаційному турбореактивному двигуні енергія турбіни приводить у дію компресор, який засмоктує повітря у двигун. Гарячий газ, що залишає турбіну, викидається в атмосферу через вихлопне сопло, що створює силу тяги. На рис. 1а зображена схема турбореактивного двигуна.

Малюнок 2. Схематичне зображення авіаційного турбореактивного двигуна.

Типовий турбореактивний двигун показано на рис. 2. Такі двигуни створюють тягу від 45 до 45000 кгс при власній вазі від 13 кг до 9000 кг. Найменші двигуни рухають крилаті ракети, найбільші - величезні літаки. Газова турбіна на мал. 2 – це турбовентиляторний двигун з компресором великого діаметра. Тяга створюється і повітрям, яке всмоктується компресором і повітрям, яке проходить через турбіну. Двигун має великі розміри і здатний створювати велику тягу на невеликій швидкості при зльоті, що робить його найбільш підходящим для комерційних літаків. Турбореактивний двигун не має вентилятора та створює тягу повітрям, яке повністю проходить через газовий тракт. Турбореактивні двигуни мають малі фронтальні розміри і виробляють найбільшу тягу на високих швидкостяхщо робить їх найбільш підходящими для використання на винищувачах.

У газових турбінах неавіаційного застосування частина енергії турбіни використовується приведення в дію компресора. Енергія, що залишилася, - "корисна енергія" знімається з валу турбіни на пристрої використання енергії, такому як електричний генератор або гвинт корабля.

Типова газова турбіна наземного використання показано на рис. 3. Такі установки можуть генерувати енергію від 0,05 до 240 МВт. Установка показана на рис. 3 це газова турбіна, похідна від авіаційної, але легша. Більш важкі установки створені спеціально для наземного використання та називаються промисловими турбінами. Хоча турбіни, похідні від авіаційних, все частіше використовуються як основні енергогенератори, вони, як і раніше, найчастіше використовуються як компресори для перекачування природного газу, приводять у дію кораблі і використовуються як додаткові генератори електроенергії на періоди пікових навантажень. Генератори на газових турбінах можуть швидко вмикатися в роботу, поставляючи енергію в моменти найбільшої потреби в ній.

Малюнок 3. Найбільш проста, одностадійна газова турбіна для наземного застосування. Наприклад, в енергетиці. 1 – компресор, 2 – камера згоряння, 3 – турбіна.

Найбільш важливі переваги газової турбіни такі:

1. Вона здатна виробляти багато енергії при відносно невеликих розмірах та вазі.
2. Газова турбіна працює в режимі постійного обертання, на відміну від поршневих двигунів, що працюють з навантаженнями, що постійно змінюються. Тому турбіни служать довго і вимагають мало обслуговування.
3. Хоча газова турбіна запускається за допомогою допоміжного обладнання, такого як електричні двигуни або інша газова турбіна, запуск займає хвилини. Для порівняння, час запуску парової турбіни вимірюється годинами.
4. У газовій турбіні можна використовувати різноманітне паливо. У великих наземних турбінах зазвичай використовується природний газ, у той час, як у авіаційних переважно легкі дистиляти (гас). Дизельне паливо або спеціально оброблений мазут також можна використовувати. Можливе також використання горючих газів від процесу піролізу, газифікації та переробки нафти, а також біогаз.
5. Зазвичай газові турбіни використовують атмосферне повітря як робоче тіло. При генерації електрики газовій турбіні не потрібен охолоджувач (такі як вода).

У минулому одним з головних недоліків газових турбін була низька ефективність порівняно з іншими ДВЗ або паровими турбінамиелектростанцій. Проте за останні 50 років удосконалення їх конструкції збільшило тепловий ККД з 18% у 1939 році на газовій турбіні Neuchatel до нинішнього ККД 40% при роботі у простому циклі та близько 55% у комбінованому циклі (про це нижче). У майбутньому ККД газових турбін підвищиться ще більше, очікується, що ефективність у простому циклі підвищиться до 45-47% та у комбінованому циклі до 60%. Ці очікувані величини ККД значно вищі, ніж в інших поширених двигунів, таких як парових турбін.

Цикли газової турбіни

Циклограма показує, що відбувається, коли повітря входить, проходить газовим трактом і виходить із газової турбіни. Зазвичай циклограма показує відношення між об'ємом повітря та тиском у системі. На рис. 4а показаний цикл Брайтона, який показує зміну властивостей фіксованого обсягу повітря, що проходить через газову турбіну під час її роботи. Ключові області цієї циклограми показані на схематичному зображенні газової турбіни на рис. 4б.

Малюнок 4а. Діаграма циклу Брайтона в координатах P-Vдля робочого тіла, що показує потоки роботи (W) та тепла (Q).

Малюнок 4б. Схематичне зображення газової турбіни, яке показує крапки з діаграми циклу Брайтона.

Повітря стискається від точки 1 до точки 2. Тиск газу при цьому зростає, а обсяг газу зменшується. Потім повітря нагрівається при постійному тиску від точки 2 до точки 3. Це тепло виробляється паливом, що вводиться в камеру згоряння та його безперервним горінням.

Гаряче стиснене повітря від точки 3 починає розширюватися між точками 3 і 4. Тиск і температура в цьому інтервалі падають, а обсяг газу збільшується. У двигуні на рис. 4б це представлено потоком газу від точки 3 через турбіну до точки 4. При цьому виробляється енергія, яка потім може бути використана. У рис. 1а потік направляється з точки 3" в точку 4 через вихідне сопло і виробляє тягу. «Корисна робота» на рис. 4а показана кривою 3'-4. Це енергія, здатна приводити в дію вал приводу наземної турбіни або створювати тягу авіаційного двигуна. Цикл Брайтон завершується на рис.4 процесом, в якому об'єм і температура повітря зменшуються, тому що тепло викидається в атмосферу.

Малюнок 5. Система із закритим циклом.

Більшість газових турбін працюють у режимі відкритого циклу. У відкритому циклі повітря забирається з атмосфери (точка 1 на рис. 4а і 4б) і викидається назад в атмосферу в точці 4, таким чином гарячий газ охолоджується в атмосфері, після викиду з двигуна. У газовій турбіні робоче тіло (рідина або газ), що працює по закритому циклу, постійно використовується для охолодження відхідних газів (у точці 4) в теплообміннику (показаному схематично на рис. 5) і направляється на вхід у компресор. Оскільки використовується закритий обсяг з обмеженою кількістюгазу, турбіна закритого циклу – це двигун внутрішнього згоряння. У системі із закритим циклом горіння не може підтримуватись і звичайна камера згоряння замінюється вторинним теплообмінником, який нагріває стиснене повітря перед тим, як він увійде до турбіни. Тепло забезпечується зовнішнім джерелом, наприклад, ядерним реактором, вугільною топкою із псевдозрідженим шаром або іншим джерелом тепла. Пропонувалося використовувати газові турбіни закритого циклу у польотах на Марс та інших тривалих космічних польотах.

Газова турбіна, яка сконструйована та працює відповідно до циклу Брайсона (рис. 4) називається газовою турбіною простого циклу. Більшість газових турбін на літаках працюють за простим циклом, оскільки необхідно підтримувати вагу та фронтальний розмір двигуна якомога меншими. Тим не менш, для наземного чи морського використання стає можливим додати додаткове обладнаннядо турбіни простого циклу, щоб збільшити ефективність та/або потужність двигуна. Використовуються три типи модифікацій: регенерація, проміжне охолодження та подвійне нагрівання.

Регенераціяпередбачає встановлення теплообмінника (рекуператора) на шляху газів, що відходять (точка 4 на рис. 4б). Стиснене повітря з точки 2 на рис. 4б попередньо нагрівається на теплообміннику вихлопними газами перед входом до камери спалювання (рис. 6а).

Якщо регенерація добре реалізована, тобто ефективність теплоомінника велика, а падіння тиску в ньому мало, ефективність буде більшою, ніж при простому циклі роботи турбіни. Проте слід брати до уваги також вартість регенератора. Регенератори використовувалися в газотурбінних двигунах у танках Абрамс М1. бойовому танкуоперації "Буря в пустелі" та в експериментальних газотурбінних двигунах автомобілів. Газові турбіни з регенерацією підвищують ефективність на 5-6% та їх ефективність ще вища під час роботи під неповним навантаженням.

Проміжне охолодженнятакож передбачає використання теплообмінників. Проміжний охолоджувач (інтеркулер) охолоджує газ під час його стиснення. Наприклад, якщо компресор складається з двох модулів, високого та низького тиску, інтеркулер повинен бути встановлений між ними, щоб охолоджувати потік газу та зменшити кількість роботи, необхідної для стиснення компресора високого тиску (рис. 6б). Охолоджуючим агентом може бути атмосферне повітря (звані апарати повітряного охолодження) або вода (наприклад, морська вода в судновій турбіні). Нескладно показати, що потужність газової турбіни з добре сконструйованим інтеркулер збільшується.

Подвійне нагріваннявикористовується в турбінах і це спосіб збільшити вихідну потужність турбіни без зміни роботи компресора або підвищення робочої температури турбіни. Якщо газова турбіна має два модулі високого та низького тиску, то використовується перегрівач (зазвичай ще одна камера спалювання), щоб повторно нагріти потік газу між турбінами високого та низького тиску (рис. 6в). Це може збільшити вихідну потужність на 1-3%. Подвійне нагрівання в авіаційних турбінах реалізується додаванням камери допалювання біля сопла турбіни. Це підвищує тягу, але значно підвищує споживання палива.

Газотурбінная електростанція з комбінованим циклом часто позначається абревіатурою ПГЦ. Комбінований цикл означає електростанцію в якій газова турбіна і парова турбіна використовуються разом для досягнення більшої ефективності, ніж при їх використанні окремо. Газова турбіна приводить у дію електрогенератор. Вихлопні гази турбіни використовуються для отримання пари в теплообміннику, ця пара приводить у дію парову турбіну, яка також виробляє електрику. Якщо пара використовується для опалення, установка називається когенераційною електростанцією. В Росії зазвичай використовується абревіатура ТЕЦ (теплоенергоцентраль). Але на ТЕЦ зазвичай працюють не газові турбіни, а звичайні парові турбіни. А використана пара використовується для нагрівання, так що ТЕЦ та когенераційна електростанція – не синоніми. На рис. 7 спрощена схема когенераційної електростанції, там показано два послідовно встановлені теплові двигуни. Верхній двигун – це газова турбіна. Вона передає енергію нижньому двигуну – паровій турбіні. Парова турбіна потім передає тепло в конденсатор.

7. Схема електростанції комбінованого циклу.

Ефективність комбінованого циклу \(\nu_(cc) \) може бути представлена ​​досить простим виразом: \(\nu_(cc) = \nu_B + \nu_R - \nu_B \times \nu_R \) Іншими словами - це сума ККД кожного з ступенів мінус їхній твір. Це рівняння показує, чому когенерація така ефективна. Припустимо, \(\nu_B = 40% \) це розумна верхня оцінка ефективності для газової турбіни, що працює за циклом Брайтона. Розумна оцінка ефективності парової турбіни, що працює за циклом Ранкіна на другому ступені когенерації - \(\nu_R = 30%). Підставивши ці значення на рівняння отримаємо: \(\nu_(cc) = 0,40 + 0,30 - 0,40 \times 0,3 = 0,70 - 0,12 = 0,58 \). Тобто ККД такої системи становитиме 58%.

Це найвища оцінка ефективності когенераційної електростанції. Практична ефективність буде нижчою через неминучі втрати енергії між ступенями. Практично в системах когенерації енергії, введених в експлуатацію Останніми роками, досягнуто ефективності 52-58%.

Компоненти газової турбіни

Роботу газової турбіни найкраще розібрати, розділивши її на три підсистеми: компресор, камеру згоряння та турбіну, як це зроблено на рис. 1. Далі ми стисло розглянемо кожну з цих підсистем.

Компресори та турбіни

Компресор з'єднаний з турбіною загальним валом, тому турбіна може обертати компресор. Газова турбіна з одним валом має єдиний вал, що з'єднує турбіну та компресор. Двохвальна газова турбіна (рис. 6б і 6в) мають два конічні вали. Довший з'єднаний з компресором низького тиску і турбіною низького тиску. Він обертається всередині коротшого порожнього валу, який з'єднує компресор високого тиску з турбіною високого тиску. Вал, що з'єднує турбіну і компресор високого тиску, обертається швидше, ніж вал турбіни і компресора низького тиску. Трьохвальна газова турбіна має третій вал, що з'єднує турбіну і компресор середнього тиску.

Газові турбіни можуть бути відцентровими або осьовими або комбінованого типу. Відцентровий компресор, в якому стиснене повітря виходить навколо зовнішнього периметра машини, надійний, зазвичай коштує менше, але обмежений ступенем стиснення 6-7 до 1. Вони широко застосовувалися раніше і використовуються досі в невеликих газових турбінах.

У ефективніших і продуктивних осьових компресорах стиснене повітря виходить вздовж осі механізму. Це найпоширеніший тип газових компресорів (див. мал. 2 та 3). Відцентрові компресори складаються з великої кількості однакових секцій. Кожна секція містить колесо, що обертається з лопатками турбіни і колесо з нерухомими лопатками (статорами). Секції розташовані таким чином, що стиснене повітря послідовно проходить кожну секцію, віддаючи частину своєї енергії на кожній з них.

Турбіни мають простішу конструкцію, порівняно з компресором, оскільки стиснути потік газу важче, ніж викликати його зворотне розширення. Осьові турбіни, подібні до зображених на рис. 2 та 3 мають менше секцій, ніж відцентровий компресор. Існують невеликі газові турбіни, які використовують відцентрові турбіни (з радіальним введенням газу), але найпоширеніші осьові турбіни.

Конструювання та виробництво турбіни складно, тому що потрібно збільшити термін життя компонентів у гарячому газовому потоці. Проблема з надійністю конструкції найбільш критична у першому ступені турбіни, де температури найбільші. Використовуються спеціальні матеріали та опрацьована система охолодження, щоб лопатки турбіни, які плавляться при температурі 980-1040 градусів Цельсія в газовому потоці, температура якого досягає 1650 градусів Цельсія.

Камера згоряння

Вдала конструкція камери згоряння повинна задовольняти багатьом вимогам і її правильне конструювання було непростою справою з часів турбін Віттла та фон Огайна. Відносна важливість кожної з вимог до камери згоряння залежить від сфери застосування турбіни і, зрозуміло, деякі вимоги суперечать одна одній. При конструюванні камери згоряння неминучі компроміси. Більшість вимог до конструкції мають відношення до ціни, ефективності та екологічної безпеки двигуна. Ось перелік базових вимог до камери згоряння:

1. Висока ефективність згоряння палива за будь-яких умов роботи.
2. Низький рівень викидів недогару палива та монооксиду вуглецю (чадного газу), низькі викиди оксидів азоту при великому навантаженні та відсутність видимих ​​викидів диму (мінімізація забруднення навколишнього середовища).
3. Мінімальне падіння тиску при проходженні газу через камеру згоряння. 3-4% втрати тиску – це нормальна величина падіння тиску.
4. Горіння має бути стійким за всіх режимів роботи.
5. Горіння має бути стійким за дуже низьких температур і низького тиску на великій висоті (для авіаційних двигунів).
6. Горіння має бути рівним, без пульсацій чи зривів.
7. Температура має бути стабільною.
8. Великий термін служби (тисячі годин), особливо для промислових турбін.
9. Можливість використання різних видівпалива. Для наземних турбін типове використання природного газу чи дизельного палива. Для авіаційних турбін гасу.
10. Довжина та діаметр камери згоряння повинні відповідати розміру рухового складання.
11. Загальна вартість володіння камерою згоряння має бути мінімальною (це включає вихідну вартість, вартість експлуатації та ремонту).
12. Камера згоряння для авіаційних двигунів повинна мати мінімальну вагу.

Камера згоряння складається з мінімум трьох основних частин: оболонки, жарової труби та системи упорскування палива. Оболонка повинна витримувати робочий тиск і бути частиною конструкції газової турбіни. Оболонка закриває відносно тонкостінну жарову трубу в якій і відбувається згоряння та систему упорскування палива.

Порівняно з іншими типами двигунів, такими як дизельні та поршневі автомобільні двигуни, газові турбіни виробляють найменшу кількість викидів забруднюючих речовин в атмосферу на одиницю потужності. Серед викидів газових турбін найбільші побоювання викликають недогоріле паливо, монооксид вуглецю ( чадний газ), оксиди азоту (NOx) та дим. Хоча внесок авіаційних турбін у загальні викиди забруднюючих речовин становить менше 1%, викиди, що виробляються безпосередньо в тропосферу, подвоїлися між 40 і 60 градусами північної широти, викликавши збільшення концентрації озону на 20%. У стратосфері, де літають надзвукові літаки, викиди NOx спричиняють руйнування озону. Обидва ефекти шкодять навколишньому середовищі, Отже зменшення вмісту оксидів азоту (NOx) у викидах авіаційних двигунів – те, що має статися у 21 столітті.

Це досить коротка стаття, яка намагається охопити всі аспекти застосування турбін, від авіації до енергетики та ще й не покладається на формули. Щоб краще ознайомитися з темою, можу порекомендувати книгу «Газова турбіна на залізничному транспорті» http://tapemark.narod.ru/turbo/index.html . Якщо опустити розділи, пов'язані зі специфікою використання турбін на залізниці– книга, як і раніше, дуже зрозуміла, але набагато докладніша.

Розробка нових типів ГТУ, зростання темпів попиту на газ порівняно з іншими видами палива, масштабні плани промислових споживачів щодо створення власних потужностей зумовлюють зростаючий інтерес до газотурбінного будівництва.

Ринок малої генерації має великі перспективи розвитку. Експерти прогнозують збільшення попиту на розподілену енергетику з 8% (зараз) до 20% (до 2020 року). Подібна тенденція пояснюється порівняно низьким тарифом на електроенергію (у 2-3 рази нижчою, ніж тариф на е/енергію від централізованої мережі). Крім цього, за словами Максима Загорнова, члена генеральної ради Ділова Росія», президента Асоціації малої енергетики Уралу, директора групи компаній «МКС», мала генерація надійніша за мережеву: у разі аварії на зовнішній мережі постачання електроенергією не припиняється. Додаткова перевага децентралізованої енергетики – швидкість введення в експлуатацію: 8-10 місяців на відміну від 2-3 років створення та приєднання мережних ліній.

Співголова комітету «Ділової Росії» з енергетики Денис Черепанов стверджує, що за власною генерацією майбутнє. За словами першого заступника голови комітету Державної Думи з енергетики Сергія Єсякова, у разі розподіленої енергетики в ланцюжку «енергія – споживач» вирішальною ланкою є саме споживач, а не енергетика. При власній генерації електроенергії споживач заявляє необхідні потужності, комплектації і навіть вид палива, заощаджуючи при цьому на ціні кіловата отриманої енергії. До того ж, експерти вважають, що можна отримати додаткову економію, якщо реалізувати роботу енергоустановки в режимі когенерації: утилізована теплова енергія піде на опалення. Тоді термін окупності енергоустановки, що генерує, значно знизиться.

Найбільш активно розвивається розподіленої енергетики є будівництво газотурбінних електростанцій малої потужності. Газотурбінні електростанції призначені для експлуатації в будь-яких кліматичних умовах як основне або резервне джерело електроенергії та тепла для об'єктів виробничого та побутового призначення. Використання таких електростанцій у віддалених районах дозволяє отримати значну економію коштів за рахунок виключення витрат на будівництво та експлуатацію протяжних ліній електропередач, а в центральних районах – підвищити надійність електричного та теплового постачання як окремих підприємств та організацій, так і територій загалом. Розглянемо деякі газові турбіни та газотурбінні установки, які пропонують для будівництва газотурбінних електростанцій на ринку Росії відомі виробники.

General Electric

Рішення GE на основі аеропохідних турбін відрізняються високою надійністю і підходять для застосування в цілій низці галузей: від нафтогазової промисловості до ЖКГ. Зокрема, у малій генерації активно використовуються газотурбінні установки GE сімейства LM2500 потужністю від 21 до 33 МВт та ККД до 39%. LM2500 застосовують як механічний привод і привод електрогенератора, вони працюють на електростанціях в простому, комбінованому циклі, режимі когенерації, морських платформах і трубопроводах.

За останні 40 років турбіни GE цієї серії є найбільш продаваними у своєму класі. Загалом у світі встановлено понад 2000 турбін цієї моделі із загальним напрацюванням понад 75 мільйонів годин.

Основні характеристики турбін LM2500: легковажна та компактна конструкція для швидкого монтажу та простоти обслуговування; вихід на повну потужністьз моменту запуску за 10 хвилин; високі показники ККД (у простому циклі), надійності та доступності у своєму класі; можливість використання двопаливних камер згоряння для дистиляту та природного газу; можливість використання як паливо гасу, пропану, коксового газу, етанолу та ЗПГ; низький рівень викидів NOx із використанням камер згоряння DLE або SAC; коефіцієнт надійності – понад 99%; коефіцієнт готовності – понад 98%; викиди NOx – 15 ppm (модифікація DLE).

Для забезпечення клієнтів надійною підтримкою протягом усього часу життєвого циклугенеруючого обладнання GE відкрила спеціалізований Центр енергетичних технологій у Калузі. Він пропонує замовникам сучасні рішення для обслуговування, інспекції та ремонту газових турбін. На підприємстві впроваджено систему менеджменту якості відповідно до стандартом ISO 9001.

Kawasaki Heavy Industries

Японська компанія Kawasaki Heavy Industries, Ltd. (KHI) – багатопрофільна машинобудівна компанія. Важливе місце у її виробничій програмізаймають газові турбіни.

У 1943 році Kawasaki створила перший в Японії газотурбінний двигун і в даний час є одним із визнаних світових лідерів у виробництві ГТУ малої та середньої потужності, накопичивши референції з більш ніж 11 000 установок.

Маючи в пріоритеті екологічність та ефективність, компанія досягла великих успіхів у розвитку газотурбінних технологій та активно веде перспективні розробки, в тому числі, в області нових джерел енергії в якості альтернативи викопного палива.

Маючи в активі гарні напрацювання у кріогенних технологіях, технологіях виробництва, зберігання та транспортування зріджених газів, Kawasaki веде активні дослідження та ДКР у галузі застосування водню як палива.

Зокрема, вже зараз компанія має досвідчені зразки турбін, які використовують водень як добавку до метанового палива. У перспективі очікуються турбіни, для яких набагато калорійніший і абсолютно екологічно безпечний водень замінить вуглеводні.

ГТУ Kawasaki серій GPBспроектовані для роботи в базовому навантаженні, включаючи як паралельні, так і ізольовані схеми взаємодії з мережею, при цьому основу ряду потужності складають машини від 1,7 до 30 МВт.

У модельному ряді є турбіни, що використовують для придушення шкідливих викидів інжекцію пари, і технологію DLE, що застосовують дороблену інженерами компанію.

Електричний ККД, залежно від циклу генерації та потужності, відповідно, від 26,9% у GPB17 та GPB17D (турбіни M1A-17 та M1A-17D) до 40,1% у GPB300D (турбіна L30A). Електрична потужність – від 1700 до 30 120 кВт; теплова потужність - від 13400 до 8970 кДж/кВтч; температура вихлопних газів – від 521 до 470°С; витрата вихлопних газів – від 29,1 до 319,4 тис. м3/год; NOx (при 15% О2) - 9/15 ppm для газових турбін M1А-17D, М7А-03D, 25 ppm - для турбіни M7A-02D та 15 ppm для турбін L20A та L30A.

За ефективністю ГТУ Kawasaki, кожна у своєму класі є або світовим лідером, або одним з лідерів. Загальна теплова ефективність енергоблоків у когенераційних конфігураціях сягає 86-87%. Ряд ГТУ компанія випускає у двопаливному (природний газ та рідке паливо) виконанні з автоматичним перемиканням. У російських споживачівв теперішній моментНайбільш популярні три моделі ГТУ - GPB17D, GPB80D і GPB180D.

Газові турбіни Kawasaki відрізняють: висока надійність та великий ресурс; компактний дизайн, що особливо привабливо при заміні обладнання існуючих потужностей, що генерують; зручність обслуговування за рахунок розрізної конструкції корпусу, знімних пальників, оптимально розташованих інспекційних отворів та ін., що спрощує огляд та техобслуговування, у тому числі силами персоналу користувача;

Екологічність та економічність. Камери згоряння турбін Kawasaki спроектовані із застосуванням передових методів, що дозволило оптимізувати процес горіння і досягти кращих показників ефективності турбіни, а також зменшити вміст NOx та інших шкідливих речовин у вихлопі. Екологічні показники покращено також за рахунок застосування доопрацьованої технології сухого придушення викидів (DLE);

Можливість використання широкого спектру палив. Можуть застосовуватися природний газ, гас, дизельне паливо, легкі мазути типу А, а також попутний нафтовий газ;

Надійне післяпродажне обслуговування. Високий рівень обслуговування, включаючи безкоштовну систему онлайн-моніторингу (TechnoNet) з наданням звітів та прогнозів, технічну підтримку силами висококваліфікованого персоналу, а також заміну на трейд-ін газотурбінного двигуна в ході капітального ремонту(Простий ГТУ скорочується до 2-3 тижнів) і т.д.

У вересні 2011 р. Kawasaki представила новітню систему камери згоряння, що дозволила опустити рівень викидів NOx до менш ніж 10 ppm для газотурбінного двигуна M7A-03, що навіть нижче, ніж вимагають нинішні нормативи. Один із підходів компанії до проектування полягає в тому, щоб створювати нову техніку, Що відповідає не тільки сучасним, а й майбутнім, більш жорстким вимогам до екологічних показників.

У високоефективній ГТУ GPB50D класу 5 МВт із турбіною Kawasaki M5A-01D застосовані новітні апробовані технології. Висока ефективність установки робить її оптимальною для електро- та когенерації. Також компактний дизайн GPB50D є особливо вигідним при модернізації існуючих підприємств. Номінальний електричний ККД 31,9% – найкращий у світі серед установок класу 5 МВт.

Турбіна M1A-17D за рахунок застосування камери згоряння оригінальної конструкціїіз сухим придушенням викидів (DLE) має відмінні для свого класу показники екологічності (NOx< 15 ppm) и эффективности.

Наднизький показник маси турбіни (1470 кг), мінімальний у класі, обумовлений широким застосуванням композитних матеріалів та кераміки, з яких виготовлені, наприклад, лопатки робочого колеса. Кераміка стійкіша до роботи при підвищених температурах, менш схильна до забруднення, ніж метали. ГТУ має електричний ККД, близький до 27%.

У Росії на сьогодні Kawasaki Heavy Industries, Ltd. у співпраці з російськими компаніями реалізувала низку успішних проектів:

Міні-ТЕС «Центральна» у Владивостоці

На замовлення АТ «Далекосхідної енергетичної керуючої компанії(АТ «ДВЕУК») для ТЕС «Центральна» поставлено 5 ГТУ GPB70D (M7A-02D). Станція забезпечує електроенергією та теплом споживачів центральної частини забудови острова Російський та кампус Далекосхідного федерального університету. ТЕС «Центральна» – перший енергооб'єкт у Росії з турбінами Kawasaki.

Міні-ТЕС «Океанаріум» у Владивостоці

Цей проект також здійснено ВАТ «ДВЕУК» для енергопостачання розташованого на острові науково-освітнього комплексу «Приморський океанаріум». Поставлено дві ГТУ GPB70D.

ГТУ виробництва Kawasaki у ПАТ «Газпром»

Російський партнер Kawasaki, ТОВ «МПП Енерготехніка» на основі газової турбіни M1A-17D випускає контейнерну електростанцію «Корвет 1,7К» для встановлення на відкритих майданчиках з діапазоном температур навколишнього повітря від -60 до + 40 °С.

У рамках договору про співпрацю розроблено і на виробничих потужностях«МВП «Енерготехніка» зібрано п'ять ЕГТЕС КОРВЕТ-1,7К. Зони відповідальності компаній у даному проектірозподілялися наступним чином: Kawasaki постачає газотурбінний двигун M1A-17D та системи управління турбіною, Siemens AG – високовольтний генератор. ТОВ «МВП «Енерготехніка» виробляє блок-контейнер, вихлопний та повітрозабірний пристрій, систему управління енергоблоком (у тому числі систему збудження ШУВГм), електротехнічне обладнання – основне та допоміжне, комплектує всі системи, здійснює складання та постачання комплектної електростанції, а також – реалізацію АСУ ТП.

ЕГТЕС Корвет-1,7К пройшла міжвідомчі випробування та рекомендована для застосування на об'єктах ПАТ «Газпром». Газотурбінний енергоблок розроблений ТОВ «МВП «Енерготехніка» з технічного завдання ПАТ «Газпром» у рамках Програми науково-технічного співробітництва ПАТ «Газпром» та Агентства природних ресурсівта енергетики Японії.

Турбіна для ПГУ 10 МВт у НДУ МЕІ

Kawasaki Heavy Industries Ltd., виготовила та поставила комплектну газотурбінну установку GPB80D номінальною потужністю 7,8 MВт для Національного Дослідницького університету"МЕІ", розташованого в Москві. ТЕЦ МЕІ є навчально-практичною і, виробляючи електрику та тепло у промислових масштабах, забезпечує ними сам Московський енергетичний інститут та постачає їх у комунальні мережі м. Москви.

Розширення географії проектів

Компанія Kawasaki, звертаючи увагу на переваги розвитку місцевої енергетики у напрямку розподіленої генерації, запропонувала розпочати реалізацію проектів із застосуванням газотурбінних установок мінімальної потужності.

Mitsubishi Hitachi Power Systems

Модельний ряд турбін Н-25 представлений у діапазоні потужності 28-41 МВт. Повний комплекс робіт з виробництва турбіни, включаючи НДДКР та центр віддаленого моніторингу, здійснюється на заводі у м. Хітачі, Японія, компанією MHPS (Mitsubishi Hitachi Power Systems Ltd.). Її освіта припадає на лютий 2014 р. завдяки злиттю генеруючих секторів визнаних лідерів машинобудування Mitsubishi Heavy Industries Ltd. та Hitachi Ltd.

Моделі H-25 знайшли широке застосування по всьому світу для роботи як у простому циклі завдяки високому ККД (34-37%), так і в комбінованому циклі в конфігурації 1×1 та 2×1 з ККД 51-53%. Маючи високі температурні показники вихлопних газів, ГТУ також успішно зарекомендувала себе для роботи в режимі когенерації із сумарним ККД станції понад 80%.

Багаторічні компетенції у виробництві газових турбін широкого діапазону потужностей та продуманий дизайн одновальної індустріальної турбіни відрізняють Н-25 високою надійністю з коефіцієнтом готовності обладнання понад 99%. Сумарний час напрацювання моделі перевищив 6,3 млн год за друге півріччя 2016 р. Сучасна ГТУ виконана з горизонтальним осьовим роз'ємом, що забезпечує зручність її обслуговування, а також можливість заміни частин гарячого тракту за місцем експлуатації.

Протиточна трубчасто-кільцева камера згоряння забезпечує стабільне горіння на різних видах палива, таких як природний газ, дизельне паливо, скраплений нафтовий газ, топкові гази, коксовий газ та ін. Камера може бути виконана у варіанті з дифузійним режимом горіння, а також сухий низькоемісій попереднього змішування газоповітряної суміші (DLN) Газотурбінний двигун H-25 являє собою 17-ступінчастий осьовий компресор, з'єднаний з активною триступеневою турбіною.

Прикладом надійної експлуатації ГТУ Н-25 на об'єктах малої генерації в Росії є робота у складі когенераційного блоку для потреб заводу АТ «Амоній» в м. Менделєєвську, Республіка Татарстан. Когенераційний блок забезпечує виробничий майданчик електроенергією 24 МВт та пором 50 т/год (390°С/43 кг/см3). У листопаді 2017 р. на майданчику було успішно проведено першу інспекцію системи згоряння турбіни, що підтвердила надійну роботу вузлів та агрегатів машини в умовах високих температур.

У нафтогазовому секторі ГТУ Н-25 було застосовано для роботи майданчика об'єднаного берегового технологічного комплексу (ОБТК) Сахалін II компанії «Сахалін Енерджі Інвестмент Компані, Лтд.» ОБТК розташований за 600 км на північ від Южно-Сахалінська в районі виходу на берег морського газопроводу і є одним з найбільш важливих об'єктів компанії, що відповідає за підготовку газу та конденсату для подальшої передачі трубопроводом на термінал відвантаження нафти та завод з виробництва ЗПГ. До складу технологічного комплексу входять чотири газові турбіни Н-25, що перебувають у промисловій експлуатації з 2008 р. Когенераційний блок на базі ГТУ Н-25 максимально інтегрований у комплексну енергосистему ОБТК, зокрема тепло вихлопних газів турбіни використовується для підігріву сирої нафти для потреб нафтопереробки .

Промислові генераторні газотурбінні установки «Сіменс» (далі ГТУ) допоможуть впоратися з труднощами ринку розподіленої генерації, що динамічно розвивається. ГТУ поодинокою номінальною потужністю від 4 до 66 МВт повністю відповідають високим вимогаму галузі промислового комбінованого вироблення енергії, у плані ефективності станції (до 90%), надійності експлуатації, гнучкості обслуговування та екологічної безпеки, забезпечуючи низькі витрати при повному терміні експлуатації та високу віддачу від інвестицій. Досвід компанії «Сіменс» у галузі будівництва промислових ГТУ та будівництва ТЕС на їх базі, налічує понад 100 років.

ГТУ "Сіменс" потужністю від 4 до 66 МВт використовуються невеликими енергокомпаніями, незалежними виробниками електроенергії (наприклад, промисловими підприємствами), а також у нафтогазовій галузі. Застосування технологій розподіленої генерації електроенергії з комбінованим виробленням теплової енергії дозволяє відмовитися від інвестування в багатокілометрові лінії електропередач, мінімізувавши відстань між джерелом енергії та об'єктом, що її споживає, досягти серйозної економії коштів, покривши опалення. промислових підприємствта об'єктів інфраструктури за рахунок утилізації тепла. Стандартна Міні-ТЕС на базі ДТУ «Сіменс» може бути побудована в будь-якому місці, де є доступ до джерела палива, або оперативного його підведення.

SGT-300 – промислова ГТУ з номінальною електричною потужністю 7,9 МВт (див. табл. 1), поєднує просту надійну конструкцію та новітні технології.

Таблиця 1. Характеристики SGT-300 для механічного приводу та виробництва енергії

Виробництво енергії		Мехпривід
	7,9 МВт	8 МВт	9 МВт
Потужність в ІСО
	Природний газ/рідке паливо/двох паливне та інші палива на запит; Автоматична зміна палива з головного на резервне, на будь-якому навантаженні
Уд. витрата тепла	11,773 кДж/кВтч	10,265 кДж/кВтч	10,104 кДж/кВтч
Швидкість силової турбіни		5,750 - 12,075 об/хв	5,750 - 12,075 об/хв
Ступінь стиснення
Витрата вихлопних газів
Температура вихлопних газів	542 °C (1,008 °F)	491 °C (916 °F)	512 °C (954 °F)
NO X викиди Газ паливо із системою DLE

1) Електрична 2) На валу

Мал. 1. Конструкція газогенератора SGT-300

Для промислової генерації енергії використовується одновальний варіант ГТУ SGT-300 (рис. 1). Вона ідеально підходить для комбінованого виробництва теплової та електричної енергії (ТЕС). ГТУ SGT-300 є промисловою ГТУ, спочатку спроектованою для генерації та має наступні експлуатаційні переваги для експлуатуючих організацій:

Електричний ККД - 31%, що в середньому вище на 2-3% ККД ГТУ меншої потужності завдяки більш високого значенняККД досягається економічний ефектна економії паливного газу;

Газогенератор укомплектований низькоемісійною сухою камерою згоряння за технологією DLE, що дозволяє досягти рівня викидів NOx і CO, більш ніж у 2,5 рази нижче за встановлені нормативними документами;

ГТУ має хороші динамічні характеристики завдяки одновальній конструкції та забезпечує стійку роботу генератора при коливаннях навантаження зовнішньої приєднаної мережі;

Промислова конструкція ГТУ забезпечує тривалий міжремонтний ресурс експлуатації та є оптимальною з точки зору організації сервісних робіт, що проводяться на місці експлуатації;

Істотне зниження плями забудови, так само, як і інвестиційних витрат, що включають придбання загальностанційного механічного та електричного обладнання, його монтаж та пусконалагодження, при застосуванні рішення на базі SGT-300 (рис. 2).

Мал. 2. Масогабаритні характеристики блоку SGT-300

Загальне напрацювання встановленого парку SGT-300 становить понад 6 млн год, з напрацюванням лідерного ГТУ 151 тис. год. Коефіцієнт готовності/доступності – 97,3%, коефіцієнт надійності – 98,2%.

Компанія OPRA (Нідерланди) – провідний постачальник енергетичних систем на основі газових турбін. OPRA розробляє, виробляє та продає сучасні газотурбінні двигуни потужністю близько 2 МВт. Ключовим напрямом діяльності компанії є виробництво електроенергії для нафтогазової промисловості.

Надійний двигун OPRA OP16 забезпечує більш високу продуктивність за меншої собівартості та більшого терміну служби, ніж будь-яка інша турбіна цього класу. Двигун працює на декількох видах рідкого та газоподібного палива. Існує модифікація камери згоряння зі зниженим вмістом забруднюючих речовин у вихлопі. Енергоустановка OPRA OP16 1,5-2,0 МВт буде надійним помічником у суворих умовах експлуатації.

Газові турбіни OPRA є досконалим обладнанням для генерації електроенергії в автономних електричних та когенераційних системах малої енергетики. Розробка конструкції турбіни велася понад десять років. Результатом стало створення простого, надійного та ефективного газотурбінного двигуна, включаючи модель з низькими викидами шкідливих речовин.

Відмінною особливістю технології перетворення хімічної енергії в електричну в OP16 є запатентована система управління підготовкою та подачею паливної суміші COFAR, яка забезпечує режими горіння з мінімальним утворенням оксидів азоту та вуглецю, а також мінімум залишків палива, що не згоріли. Оригінальною є також запатентована геометрія радіальної турбіни і в цілому консольна конструкція картриджа, що змінюється, що включає вал, підшипники, відцентровий компресор і турбіну.

Фахівцями компаній «ОПРА» та «МЕС Інжиніринг» розроблено концепцію створення унікального єдиного технічного комплексусміттєпереробки. З 55-60 млн т всіх ТПВ, що утворюються в Росії за рік, п'ята частина – 11,7 млн ​​т – припадає на столичний регіон (3,8 млн т – Московська область, 7,9 млн т – Москва). При цьому за МКАД із Москви вивозиться 6,6 млн т побутових відходів. Таким чином, у Підмосков'ї осідає понад 10 млн т сміття. З 2013 р. в Московській області з 39 сміттєвих полігонів закрито 22. Замінити їх мають 13 сміттєсортувальних комплексів, які будуть введені в 2018-2019 рр., а також чотири сміттєспалювальні заводи. Така сама ситуація відбувається і в більшості інших регіонів. Проте, не завжди будівництво великих сміттєпереробних заводів є вигідним, тому проблема сміттєпереробки є дуже актуальною.

Розроблена концепція єдиного технічного комплексу поєднує повністю радіальні установки ОПРА, що володіють високою надійністю та ефективністю, із системою газифікації/піролізу компанії «МЕС», яка дозволяє забезпечити ефективне перетворення різних видіввідходів (включаючи ТПВ, нафтошлами, забруднену землю, біологічні та медичні відходи, відходи деревообробки, шпали тощо) у відмінне паливо для вироблення тепла та електроенергії. В результаті тривалої співпраці спроектовано та перебуває на стадії реалізації стандартизований комплекс переробки відходів продуктивністю 48 т/добу. (Рис. 3).

Мал. 3. Загальне планування стандартного комплексу переробки відходів потужністю 48 т/добу.

До складу комплексу включається встановлення газифікації МЕС із майданчиком зберігання відходів, дві ГТУ ОПРА сумарною електричною потужністю 3,7 МВт та тепловою потужністю 9 МВт, а також різні допоміжні та захисні системи.

Реалізація такого комплексу дозволяє на площі 2 га отримати можливість для автономного енерго- та теплопостачання різних виробничих та комунальних об'єктів, вирішивши при цьому питання утилізації різних видів побутових відходів.

Відмінності розробленого комплексу від існуючих технологій випливають із унікального поєднання запропонованих технологій. Малі (2 т/год) обсяги відходів, що споживаються, поряд з малою необхідною площею ділянки дозволяють розміщувати даний комплексбезпосередньо поблизу невеликих поселень, промислових підприємств тощо, значно заощадивши кошти на постійне перевезення відходів до місць їх утилізації. Повна автономність комплексу дозволяє розгорнути його практично у будь-якій точці. Використання розробленого типового проекту, модульних конструкцій та максимальний ступінь заводської готовності обладнання дає можливість максимально скоротити термін будівництва до 1-1,5 років. Застосування нових технологій забезпечує найвищу екологічність комплексу. Установка газифікації «МЕС» виробляє одночасно газову та рідку фракції палива, а за рахунок двопаливності ГТУ ОПРА вони застосовуються одночасно, що підвищує гнучкість палива та надійність енергопостачання. Низька вимогливість ГТУ ОПРА до якості палива підвищує надійність усієї системи. Установка МЕМ дозволяє використовувати відходи з вологістю до 85%, отже, не потрібно сушіння відходів, що підвищує ККД всього комплексу. Висока температура вихлопних газів ГТУ ОПРА дозволяє забезпечувати надійне теплопостачання гарячою водою або парою (до 11 тонн пари на годину при 12 бар). Проект є типовим та масштабованим, що дозволяє забезпечити утилізацію будь-якої кількості відходів.

Проведені розрахунки показують, що вартість виробітку електроенергії становитиме від 0,01 до 0,03 євро за 1 кВтг, що показує високу економічну ефективністьпроекту. Таким чином, компанія «ОПРА» вкотре підтвердила свою спрямованість на розширення лінійки палива та підвищення паливної гнучкості, а також орієнтацію на максимальне застосування «зелених» технологій у своєму розвитку.