Газотурбинные установки малой мощности отечественного



Федеральное государственное бюджетное образовательное

Учреждение высшего образования

«Астраханский государственный технический университет»

Система менеджмента качества в области образования, воспитания, науки и инноваций сертифицирована DQS

По международному стандарту ISO 9001:2015

Институт Морских технологий, энергетики и транспорта

                                            Направление 13.03.01 Теплоэнергетика и теплотехника

                        Профиль «Энергообеспечение предприятий»

                                      Кафедра «Теплоэнергетика и холодильные машины»

 

 

Лабораторная работа

По дисциплине: «Автономные системы и источники энергоснабжения»

По теме: «Изучение конструкций, основных характеристик и методов расчёта паротурбинных и газотурбинных установок малой энергетики»

 

Выполнил:                                                               магистрант группы ДТЕТМ-21

                                                                             Милосердов Н. Д.

 

Проверил:                                                                доцент

                                                                            Атдаев Д. И.

 

 

Астрахань 2021 г.

Содержание

Цель работы 3
1 Паровые турбины малой мощности от 100 до 20 000 кВт 3
2 Газотурбинные установки малой мощности отечественного и зарубежного производства 6  
3 Принципиальная схема утилизационной газотурбинной установки и основы её термодинамического расчёта 14  
4 Пример теплового расчёта цикла ГТУ 18
  Список литературы 19

 

 

Цель работы заключаетсяв освоении материала практических занятий по изучению конструкций, принципа действия, основных характеристик и методов расчёта паротурбинных и газотурбинных установок малой энергетики.

 

Паровые турбины малой мощности от 100 до 20000 кВт

ГК ТУРБОПАР производит паровые турбины малой мощности от 100 кВт до 1000 кВт, предназначенных для утилизации избыточной энергии пара от паровых котлов. Внедрение паровых турбин малой мощности является эффективным мероприятием по энергосбережению.

Паровые турбины малой мощности

Рис. 1.1 – Вертикальные приводные турбины 100-200 кВт

Номинальная мощность турбины: 100 - 200кВт

Номинальное давление свежего пара: до 3,9МПа

Расход пара на турбину: 2,5-7т/ч

 

Рис. 1.2 – Противодавленческие турбины 400-800кВт

Номинальная мощность турбины:400 - 800кВт

Номинальное давление свежего пара: до 3,9МПа

Расход пара на турбину: 8-25т/ч

 

Рис. 1.3 – Конденсационные турбины 100-1000кВт

Номинальная мощность турбины:100 - 1000кВт

Номинальное давление свежего пара: до 3,9МПа

Расход пара на турбину: 3-6,5т/ч

Таблица 1.1 – Основные технические характеристики паровой микро турбины TURBOPAR (паровые микротурбины) от 100кВт до 1 000кВт:

Мощность, кВт 100 – 1000
Частота вращения ротора:  
-турбины, об/мин 3000
- генератора, об/мин 3000
Давление пара перед стопорным клапаном турбины, МПа 0,7 – 3,43
Температура пара перед стопорным клапаном турбины, °С 170 – 435
Давление пара в отборе, МПа(поставляется с отбором или без отбора на выбор Заказчика) 0,2 – 0,8
Давление пара за турбиной, МПа 0,006 – 0,8
Расход пара, т/ч 2,5 – 35
Тип генератора Асинхронный/Синхронный
Напряжение генератора, В 400/6300 (-5 %+10 %)
Тип охлаждения генератора Воздушное, по разомкнутому контуру
Срок службы, не менее лет 25
Гарантийный срок эксплуатации, мес 18

 

При использовании данной технологии (паровой турбины низкого давления), получение пара требуемых параметров на технологию происходит не путём дросселирования пара после котла (или снижением рабочего давления котла), как делают в большинстве котельных, а при помощи срабатывания пара в турбине с получением дополнительной энергии (тепло и электричество).

Таким образом, если предприятие приняло решение приобретать паровые котлы на давлении 10бар, 12бар, 16бар, 18бар и выше, целесообразно одновременно устанавливать паровую микро турбину и вырабатывать бесплатно до 1МВт электрической энергии. В большинстве Европейских стран такой политики придерживаются уже много лет. В том, числе и паровая турбина 200 кВт.

Паровую микро турбину все равно когда устанавливать: или когда только выбирают паровые котлы или в уже работающую котельную. Габариты турбины очень малы, поэтому её можно ставить на любой свободной площадке размером 3х3м непосредственно возле котла.

Окупаемость внедрения мероприятия "паровая турбина низкого давления" зависит от тарифа на электроэнергию в вашем регионе и составляет 2-3 года. Паровая турбина цена от производителя.

Примеры паровых турбин низкого давления TURBOPAR установленных на промышленных предприятиях

 

Рис. 1.3 – Паровая турбина 310 кВт установленная на сельхозперерабатывающем предприятии, в г. Дворец, вид топлива солома, костра

 

Рис. 1.4 – Паровая турбина 150кВт установленная на перерабатывающем предприятии, в г. Дубровно, вид топлива солома, костра

 

По данным технико-экономических расчётов энергосберегающая турбина 250 кВт (паровые турбины низкого давления или паровые микротурбины) экономит 30000 - 50000$ в год на внедряемых предприятиях.

Пример подбора паровой турбины малой мощности.

Если на предприятии установлен котёл производства БИКЗ или другой, Viessman, Wartsila, Ferroli, ICI Caldaie, Bderus и т.п., который работает с параметрами свежего пара на выходе 13 атм. и расходом 10 т/час, а для технологии требуется давление пара 2 - 4 атм., то устанавливается редукционная установка (РУ), которая снижает давление с 13 атм. до 2 - 4 атм. При этом бесполезно теряется потенциальная энергия пара. Если вместо РУ установить паровую микро турбину, то будет получен источник электроэнергии мощностью около 250 кВт, что покроет собственные нужды котельной. Стоимость такой электроэнергии в 2-3 раза меньше, чем покупаемая у энергосистемы. Потребление газа на таких мини-ТЭЦ возрастает в сравнении с исходным режимом работы котельной ориентировочно на 4-7 %. Паровая турбина 160 кВт.

Если в здании котельной не достаточно места для размещения можно использовать вертикальную паровую турбину. Вертикальная паровая турбина изготавливается только на мощности от 100кВт до 200кВт. Паровая турбина 180 кВт.

Малые паровые турбины TURBOPAR производства ООО «Ютрон производство» предназначены для привода насосов, вентиляторов и других механизмов вместо электропривода, а также электрогенераторов для собственного производства электроэнергии (мини-ТЭЦ). Малые паровые турбины «Ютрон – Паровые турбины» можно использовать вместо РОУ.

Отработавший в турбине пар используется для технологических нужд и теплоснабжения.

Паровая турбина низкого давления имеет следующие показатели надёжности:

‒ срок службы между капитальными ремонтами – не менее 5 лет;

‒ средняя наработка на отказ - не менее 7000 ч;

‒ коэффициент готовности - не менее 0,98;

‒ полный установленный срок службы - не менее 25 лет, за исключением быстроизнашивающихся деталей.

Система управления. Шкаф управления и защит

Система управления паровой турбины осуществляет измерение технологических параметров установки и параметров пара для обеспечения автоматического управления технологическим процессом и безопасных условий работы.

 

Газотурбинные установки малой мощности отечественного

И зарубежного производства

На Российском рынке энергетического оборудования достаточно широко представлены газотурбинные установки малой мощности, выпускаемые на базе авиационных двигателей такими предприятиями, как «Пермский моторостроительный завод», НПО «Сатурн», «Завод им. В.Я. Климова» и др. Топливом в таких установках является керосин, дизельное топливо, природный газ и попутный газ нефтяных месторождений.

Необходимое оборудование размещается в транспортабельных контейнерах, оборудованных всеми необходимыми системами для их нормальной эксплуатации.

На рис. 2.1 представлена типовая модульная газотурбинная установка (газотурбинная ТЭЦ), предназначенная для производства электрической и тепловой энергии.

Модульное исполнение газотурбинных ТЭЦ повышает надёжность источника электро - и теплоснабжения и сокращает сроки монтажа от нескольких дней до нескольких недель, в зависимости от комплектации и местных условий.

В табл. 2.1 приводится перечень отечественных и зарубежных предприятий и основные технические характеристики, выпускаемых ими газотурбинных установок для выработки электрической и тепловой энергии.

Особое место в ряду выпускаемых ГТУ зарубежными фирмами занимает микротурбинные установки (МТУ) компании Calnetix Power Solutions. В настоящее время компания выпускает установку мощностью 100 кВт модели ТА-100.

Микротурбинная установка изготовлена по блочно-модульному принципу, позволяющему заменять в случае необходимости отдельный узел, а не изделие в целом, и поставляется в полной заводской готовности. Общий вид микротурбинной установки представлен на рис. 2.2.

Рис. 2.1 – Типовая модульная газотурбинная ТЭЦ

 

Рис. 2.2 – Общий вид микротурбинной установки ТА-100 RCHP:

1 – дожимной газовый компрессор, 2 – котёл утилизатор, 3 – рекуператор,

4 – воздухозаборник турбогенератора, 5 – воздухозаборник системы охлаждения подкапотного пространства, 6 – шкаф силовой электроники, 7 – масляная система, 8 – турбогенератор,  9 – выход силовых кабелей, 10 – топливная система,

11 – подвод газа, 12 – слив теплоносителя из поддона, 13 – выход горячей воды,

14 - вход холодной воды

 

В состав установки входят: турбогенератор, камера сгорания, рекуператор, система утилизации тепла с котлом-утилизатором (КУ), маслосистема, топливная система, дожимной газовый компрессор, силовая электроника, цифровая система автоматического управления, воздушная система охлаждения подкапотного пространства и силовой электроники, аккумуляторные батареи.

Принцип работы установки следующий. Очищенный атмосферный воздух попадает в воздухозаборник 4, откуда он поступает на вход в компрессор. В компрессоре воздух сжимается и за счёт этого нагревается до температуры 250 °С. После компрессора воздух поступает в специальный газовоздушный теплообменник (рекуператор) 3, где он дополнительно подогревается до температуры 500 °С. Дополнительный подогрев позволяет примерно в 2 раза повысить электрическую эффективность установки. Далее нагретый сжатый воздух перед камерой сгорания смешивается с газообразным топливом высокого давления, и гомогенная газовоздушная смесь поступает в камеру сгорания для горения. Для повышения давления газа используется штатный дожимной компрессор.

Покидая камеру сгорания, нагретые до температуры 926 °С выхлопные газы поступают в турбину 8, где, расширяясь, совершают работу, вращая её, а также расположенные на этом же валу колесо компрессора и высокоскоростной синхронный генератор.

После расширения в турбине выхлопные газы с температурой 648 °С по газоходу попадают в рекуператор 3, где отдают своё тепло сжатому воздуху после компрессора. Температура выхлопных газов после рекуператора снижается до 310 °С.

На выходе из рекуператора стоит байпасная заслонка, которая направляет выхлопные газы либо по байпасному газоходу, либо напрямую в котёл-утилизатор 2. В котле-утилизаторе (газоводяном теплообменнике) выхлопные газы отдают своё тепло сетевой воде, которая нагревается там до требуемой температуры.

В отличие от других производителей, частота вращения ротора практически не зависит от нагрузки и поддерживается на уровне 68000 об/мин. Это позволяет без дополнительных аккумуляторных батарей в один приём принимать до 100 % нагрузки.

Турбогенератор является основной и наиболее наукоёмкой и трудоёмкой частью установки. Общий вид турбогенератора в разрезе показан на рис. 2.3.

       

Таблица 2.1 – Технические характеристики газотурбинных двигателей

Модель Мощность номинальная, МВт Расход газа на 100%-й нагрузке, кг/ч КПД, % Степень повышения давления Расход рабочего тела через двигатель, кг/с Частота вращения вых. вала генер., тыс. об/мин Темра газов на вых. из двиг., °С Давление топливного газа, МПа

Аэросила, НПП, ОАО

1А16-100 0,333 94,6            

Зоря-Машпроект, НПКГ, ГП

UGT2500(ДО49) 2,85   28,5   16,5 14/3   2,5

Ивченко-Прогресс,

ГП ГТП АИ-2500 2,5 769,5 24,2 7,5 20,5 12,35/1   1,08
Д-336-1-4 4,2   26,5   27,5 8,2/3   2,35
Д-336-2-4 4,2   26,5   27,5 8,2/3   2,35

Калужский двигатель (КАДВИ), ОАО

9И56 0,11     3,3 1,45 38/8   0,55
9И56М 0,155     4,2 1,48 40/8   0,78
ОКА-1 0,155     4,7 1,70 41,2/6   0,85
ОКА-2 0,2     5,0 1,76 43,4/6   1,0
ОКА-3 0,265     5,7 1,93 46/6   1,1

Климов, ОАО

ТВ3-117 1,1   25,4   7,88 -/1,5   1,2

Мотор Сич, ОАО

ТВ3-137 1,07     5,5 7,63 15/1   1,0-1,3
АИ-20 ДМН 2,5     7,48 20,8 12,35/1   1,08

 

Продолжение таблицы 2.1

Пермский моторный завод (ПМЗ), ОАО (УК ПМК)

ГТУ-2.5П 2,7   21,9 5,9 25,6 5,5/3   1,0-1,2
ГТУ-4П 4,3   24,7 7,3 29,8 5,5/3   1,2-1,6

Пролетарский завод, ОАО

ГТГ-1500-2Г 1,5     6,1 11,2 12,5/1,5   1,2

Самарский научно-технический комплекс им. Н.Д. Кузнецова (СНКТ), ОАО

НК-127       13,6   13/3   3,0

Сатурн, НПО, ОАО

ДО49Р 2,85   28,5         2,1-2,5

Capstone Turbine Corporation

C30 0,01       0,31     0,03-0,35
C65 0,065 16,4     0,49     0,52-0,56
C200 0,19       6,7     0,02-0,52
C200 0,2       6,7     0,52-0,56

Daihatsu Diesel Mfg. Co. Ltd.

DT-4 0,44       2,97 -/1,5   1,2-1,6
DT-6 0,66       4,72 -/1,5   1,2-1,6
DT-4W 0,88   41.5   5,94 -/1,5   1,2-1,6
DT-10 1,1       8,23 -/1,5   1,2-1,6
DT-10A 1,3   41,5   8,23 -/1,5   1,2-1,6
DT-14 1,5   40,7   10,2 -/1,5   1,2-1,6
DT-20 2,2   41,9   14,8 -/1,5   1,2-1,6
DT-10W 2,25   40,7   16,47 -/1,5   1,2-1,6
DT-10AW 2,6   41,5   16,47 -/1,5   1,2-1,6
DT-14W     40,7   20,43 -/1,5   1,2-1,6
DT-20W 4,4   41,9   29,79 -/1,5   1,2-1,6

Distributed Energy Systems Corp.

 

MT-100 0,1     4,5 0,79     0,6-0,95

Mitsui Engineering & Shipbuilding Co. Ltd.

SB5 1,1   25,5     25,6/3   1,8-2,3
SB15 2,7   25,6     13/3   1,8-2,3
MSC4Q 3,5   27,9 9,7 18,6 -/1,5   1,8-2,3
MSC5Q 4,3   29,3 10,3 19,1 -/1,5   1,8-2,3

OPRA Tecnologies ASA

OP 16-2GL     27.8 6.7 8.8 26/1,5   1,6-2,0

PBS Velka Bites, a. s.

TE 100G 0,1 71,3   3,9   56/52,4   1,2-1,5

Pratt & Whitney Canada

ST5 0,457 139,6 23,5 7,3 2,4 30/3    
ST6L-721 0,508 156,2 23,4 7,3   33/3    
ST6L-795 0,678 197,7 24,7 7,3 3,3 33/3    
ST6L-813 0,848     7,3   30/3    
ST6L-90 1,18     7,3 5,3 30/3    
ST18A (DLE) 1,96   30,2 13,7 8,4 20/3    
ST18A (WLE) 2,02   28,3 13,7 9,2 20/3    
ST30 3,3     16,6 14,4 14,875/3    
ST40       16,6 15,1 14,875/3    

Rolls –Royce Power Engeneering Plc (Power Generation)

501-KC5 4,1       15,5 13,6/3   1,6-2,0
501-KB5 4,8     9,4 15,4 14,6/3   1,8-2,2

Рис. 2.3 – Турбогенератор в разрезе:

1 – корпус, 2 – корпус статорной части,  3 – маслопровод (подвод масла),

4 – воздухопровод для поддува лабиринта, 5 – диффузор, 6 – сопловый аппарат,

7 – жаровая труба, 8 – свеча зажигания, 9 – топливный коллектор, 10 – колесо турбины, 11 – колесо компрессора, 12 – лабиринтное уплотнение;

13 – гидродинамический подшипник, 14 – статорные обмотки,

15,17 – горловина слива масла, 16 – постоянные магниты, 18 – ротор,

19 – керамический подшипник качения

        

Это высокооборотный одновальный агрегат с частотой вращения ротора 68000 об/мин. Конструктивно он выполнен в едином корпусе, в котором устанавливается ротор. К корпусу со стороны турбины пристыковывается камера сгорания, представляющая собой отдельный самостоятельный узел.

Ротор, изображённый на рис.2.4., является наиболее ответственной частью турбогенератора.

На одном валу, который изготовлен из высокопрочной стали, последовательно размещены:

‒ втулка (ротор) высокоскоростного синхронного генератора с двумя запрессованными постоянными магнитами;

‒ колесо одноступенчатого центробежного компрессора;

‒ колесо одноступенчатой центростремительной турбины.

Ротор турбогенератора устанавливается на двух опорах: первая опора перед передним торцом втулки генератора, а вторая - между втулкой генератора и колесом компрессора.

Первой опорой является упорный подшипник качения с керамическими шариками, второй – гидродинамический подшипник. Оба подшипника охлаждаются и смазываются высококачественным синтетическим маслом.

Отличительной особенностью конструкции ротора является консольная схема размещения колёс компрессора и турбины. Такое конструкторское решение позволило вынести все подшипники из горячей зоны, что значительно уменьшило безвозвратные потери масла, уменьшило производительность насоса маслосистемы, позволило увеличить сроки замены масла и масляного фильтра.

Использование высокоскоростного синхронного генератора и полупроводникового преобразователя напряжения позволило избавиться от «ахиллесовой пяты» большинства газовых турбин малой мощности – редуктора.

Камера сгорания:

Камера сгорания, изображённая на рис. 2.5., обеспечивает преобразование химической энергии газообразного топлива в тепловую энергию рабочего тела.

Конструкция камеры противоточная, кольцевая, с многоточечной подачей газообразного топлива через отдельные инжекторы. Камера выполнена из расчёта длительной работы как при частичных, так и полных нагрузках установки.

Камера сгорания состоит из следующих основных элементов: корпуса; топливного коллектора, топливных инжекторов, жаровой трубы, свечи зажигания, проставки.

Газообразное топливо подаётся через 12 инжекторов на вход в камеру под давлением 0,5-0,6 МПа.

Рис. 2.4 – Конструкция камеры сгорания:

1 – жаровая труба, 2 – инжекторы, 3 – топливный коллектор, 4 – корпус камеры сгорания, 5 – элементы для крепления жаровой трубы к корпусу, 6 – свеча зажигания, 7 – проставка

Рекуператор

Газовоздушный рекуператор предназначен для повышения электрического КПД установки за счёт дополнительного подогрева воздуха после компрессора. Нагрев воздуха происходит за счёт теплоты выхлопных газов турбины.

Рекуператор представляет собой газовоздушный пластинчатый теплообменный аппарат, внешний вид которого представлен на рис. рис. 2.5. Экономия топлива в установке происходит за счёт увеличения температуры воздуха, который поступает в камеру сгорания из воздушного компрессора.

Система утилизации тепла с котлом-утилизатором.

Система утилизации тепла предназначена для подогрева сетевой воды до заданного значения за счёт использования теплоты выхлопных газов.

Регулирование параметров воды на выходе из котла-утилизатора осуществляется за счёт перепуска выхлопных газов через байпасную магистраль.

 

Рис. 2.5 – Общий вид рекуператора

В состав системы входят: котёл-утилизатор с байпасной заслонкой, байпасная магистраль, расходомер для измерения потока теплоносителя, приборы для измерения температуры теплоносителя на входе и на выходе из котла-утилизатора, приборы для измерения температуры выхлопных газов на входе и на выходе из котла-утилизатора, реле максимального давления на выходе из котла-утилизатора.

Система воздушного охлаждения:

Система воздушного охлаждения предназначена для надёжного отвода тепла от тепловыделяющих элементов (турбогенератора, рекуператора, силовой электроники, котла-утилизатора, маслорадиатора дожимного компрессора, маслорадиатора маслосистемы), находящихся внутри микротурбинной установки.

Внутри установки находятся вентиляторы, которые обеспечивают принудительное движение воздуха. Места забора и выброса воздуха показаны на рис. 2.6.

Воздух, направляемый для охлаждения узлов и агрегатов, находящихся в подкапотном пространстве, разделяется на две части. Первая часть идёт на охлаждение маслорадиатора, турбогенератора, рекуператора и котла-утилизатора. Движение воздуха обеспечивает вентилятор маслорадиатора. Вторая часть идёт на охлаждение силовой электроники и радиатора дожимного компрессора. Движение воздуха обеспечивает вентилятор, расположенный в нижней части микротурбинной установки.

Выход воздуха из установки происходит в задней части установки через два прямоугольных отверстия.

Рис. 2.6 ‒ Места забора и отвода воздуха из подкапотного пространства:

1 – воздух для охлаждения подкапотного пространства, 2 – воздух в газотурбинный генератор, 3 – выход выхлопных газов, 4 – воздух для охлаждения силовой электроники, 5 – выход охлаждающего воздуха (верхнее отверстие), 6 – выход охлаждающего воздуха (нижнее отверстие)

 

 

Таблица 2.2 – Технические характеристики установки TA-100 RCHP

Показатели Размерность Величина
 Электрическая мощность кВт  
 Тепловая мощность (ГВС/отопление) (49/60) (70/95) кВт 172 / 160
 КПД электрический %  
КПД полный % > 75 (%)
 Величина тока при нагрузке 100 % А  

 

Продолжение таблицы 2.2

 Максимальное значение тока (перегрузка) в течение 5 секунд А  
 Расход газа в режиме номинальной мощности нм3/ч 39/34
 Длина (в помещении /нар. исп) мм 3111,5 / 3316,5
 Ширина (в помещении /нар. исп) мм 917 / 917
 Высота (в помещении /нар. исп) мм 2123 / 2250
 Масса (в помещении /нар. исп) кг 1814 / 2040
 Тип электрического генератора с двумя магнитами высокооборотный
 Частота вращения ротора об/мин  
 Расход воздухагазотурбинного агрегата кг/с  
Максимальное аэродинамическое сопротивление выхлопного тракта Па  
 Расход воздуха на охлаждение силовой электроники нм3/с 0,38
 Расход воздуха на охлаждение масляной системы, котла-утилизатора и дожимного компрессора нм3/с 0,755
Максимальное аэродинамическое сопротивление присоединяемого газохода выхлопных газов Па  
Максимальное аэродинамическое сопротивление присоединяемого воздуховода для отвода охлаждающего воздуха от масляно-воздушного радиатора и котла-утилизатора Па  
Максимальное аэродинамическое сопротивление присоединяемого воздуховода для отвода охлаждающего воздуха от силовой электроники и дожимного компрессора Па  
Избыточное давление газа на входе в дожимной компрессор кПа от 0,5 до 35
Объём масляного бака л  
Температура выхлопных газов на входе в котёл-утилизатор °С  
Температура выхлопных газов на выходе из котла-утилизатора °С  
Температура воды на входе в котёл-утилизатор °С  
Температура воды на выходе из котла-утилизатора °С  
Минимальный рекомендуемый расход воды л/мин  

Технические характеристики микротурбинной установки TA-100 RCHP (по данным завода изготовителя) приведены в табл. 2.2.


Дата добавления: 2021-06-02; просмотров: 240; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:






Мы поможем в написании ваших работ!