Что такое газотурбинная электростанция и как она работает

Газовая турбина, также называемая турбиной внутреннего сгорания, представляет собой двигатель внутреннего сгорания непрерывного действия. Основными элементами, общими для всех газотурбинных двигателей, являются:

1. Вращающийся газовый компрессор выше по потоку.
2. Камера сгорания.
3. Нижняя турбина на том же валу, что и компрессор.

Четвертый компонент часто используется для повышения эффективности (на турбовинтовых и турбовентиляторных двигателях), преобразования мощности в механическую или электрическую форму (на турбовальных двигателях и электрогенераторах) или для достижения большей тяговооруженности (на форсажных двигателях).

В основе работы газовой турбины лежит цикл Брайтона с воздухом в качестве рабочего тела: атмосферный воздух проходит через компрессор, который доводит его до более высокого давления. Затем энергия добавляется путем распыления топлива в воздух и его воспламенения, так что при сгорании образуется высокотемпературный поток.

Этот высокотемпературный сжатый газ поступает в турбину, производя при этом работу вала, используемую для привода компрессора.

Неиспользованная энергия выходит в выхлопных газах, которые могут быть перенаправлены для внешней работы, такой как непосредственное создание тяги в турбореактивном двигателе или вращение второй, независимой турбины (известной как силовая турбина), которая может быть подключена к вентилятору, гребному винту или электрическому генератору.

Назначение газовой турбины определяет конструкцию таким образом, чтобы было достигнуто наиболее желательное разделение энергии между тягой и работой вала. Четвертая ступень цикла Брайтона (охлаждение рабочего тела) опущена, так как газовые турбины представляют собой открытые системы, не использующие повторно один и тот же воздух.

Газовые турбины используются для питания самолетов, поездов, кораблей, электрических генераторов, насосов, газовых компрессоров и резервуаров.

Как газовые турбины производят электричество?

Газовая турбина — это двигатель внутреннего сгорания в основе электростанции, который может преобразовывать природный газ или другое жидкое топливо в механическую энергию. Затем эта энергия приводит в действие генератор, производящий электроэнергию, которая передается по линиям электропередач в дома и на предприятия.

Для выработки электроэнергии газовая турбина нагревает смесь воздуха и топлива до очень высоких температур, заставляя лопасти турбины вращаться. Вращающаяся турбина приводит в действие генератор, который преобразует энергию в электричество.

Газовая турбина может использоваться в сочетании с паровой турбиной в электростанции с комбинированным циклом для чрезвычайно эффективного производства энергии.

Топливно-воздушная смесь воспламеняется. Газовая турбина сжимает воздух и смешивает его с топливом, которое затем сжигается при чрезвычайно высоких температурах, образуя горячий газ.

Горячий газ раскручивает лопасти турбины. Горячая топливно-воздушная смесь проходит через лопасти турбины, заставляя их быстро вращаться.

Вращающиеся лопасти вращают приводной вал. Быстро вращающиеся лопасти турбины вращают приводной вал турбины.

Вращение турбины приводит в действие генератор. Вращающаяся турбина соединена со стержнем в генераторе, который вращает большой магнит, окруженный катушками из медной проволоки.

Магнит генератора заставляет электроны двигаться и создает электричество. Быстро вращающийся магнит генератора создает мощное магнитное поле, которое выстраивает электроны вокруг медных катушек и заставляет их двигаться. Движение этих электронов по проводу и есть электричество.

Как работают газотурбинные электростанции?

Турбины внутреннего сгорания, устанавливаемые на многих современных электростанциях, работающих на природном газе, представляют собой сложные машины, но в основном они состоят из трех основных частей:

• Компрессор, который всасывает воздух в двигатель, сжимает его и подает в камеру сгорания с высокой скоростью.
• Система сгорания, обычно состоящая из кольца топливных форсунок, которые впрыскивают постоянный поток топлива в камеры сгорания, где оно смешивается с воздухом. В результате сгорания образуется высокотемпературный поток газа под высоким давлением, который входит и расширяется через секцию турбины.
• Турбина представляет собой сложный набор чередующихся стационарных и вращающихся лопастей аэродинамического сечения.

Когда горячий дымовой газ расширяется через турбину, он вращает вращающиеся лопасти. Вращающиеся лопасти выполняют двойную функцию: они приводят в действие компрессор, чтобы накачать больше сжатого воздуха в секцию сгорания, и вращают генератор для производства электроэнергии.

Наземные газовые турбины бывают двух типов:

• Двигатели с тяжелой рамой характеризуются более низким коэффициентом давления (обычно ниже 20) и, как правило, большим размером. Степень сжатия – это отношение давления нагнетания компрессора к давлению воздуха на входе.
• Производные авиационные двигатели, как следует из названия, являются производными от реактивных двигателей и работают при очень высокой степени сжатия (обычно более 30). Авиационные двигатели, как правило, очень компактны и полезны там, где требуется меньшая выходная мощность. Поскольку турбины с большой рамой имеют более высокую выходную мощность, они могут производить большее количество выбросов и должны быть спроектированы для достижения низкого уровня выбросов загрязняющих веществ.

Одним из ключей к эффективности использования топлива турбиной является температура, при которой она работает. Более высокие температуры обычно означают более высокую эффективность, что, в свою очередь, может привести к более экономичной работе.

Преимущества газотурбинной электростанции

• Его проще спроектировать и построить по сравнению с паровой электростанцией, так как не требуются котлы.
• Гораздо меньше по сравнению с паровой электростанцией той же мощности.
• Более низкие эксплуатационные расходы.
• Используется меньше воды, так как нет необходимости в конденсаторе.
• Плата за обслуживание низкая.
• Можно быстро запустить.
• Отсутствие потерь в режиме ожидания.

Недостатки газотурбинной электростанции

• Проблема запуска. Компрессор должен работать, поэтому необходим внешний источник питания.
• Полезная мощность низкая, поскольку для привода компрессора используется большая мощность.
• Общий КПД установки низкий из-за того, что выхлопные газы все еще содержат тепло.
• Температура камеры сгорания слишком высока, что приводит к сокращению срока службы.