Газотурбинные двигатели для электростанций. реферат. физика. 2012-08-13

История создания

Идея использовать энергию горячего газового потока была известна еще с древних времен. Первый патент на устройство, в котором были представлены те же основные составляющие, что и в современных ГТУ, был выдан англичанину Джону Барберу в 1791 году. Газотурбинная установка включала в себя компрессоры (воздушный и газовый), камеру сгорания и активное турбинное колесо, но так и не получила практического применения.

В 19-м и начале 20-го века многие ученые и изобретатели всего мира разрабатывали установку, пригодную для практического применения, но все попытки были безуспешными ввиду низкого развития науки и техники тех времен. Полезная мощность, выдаваемая опытными образцами, не превышала 14% при низкой эксплуатационной надежности и конструктивной сложности.

Впервые газотурбинные установки электростанций были использованы в 1939 году в Швейцарии. В эксплуатацию была введена электростанция с турбогенератором, выполненным по простейшей схеме мощностью 5000 кВт. В 50-х годах эта схема была доработана и усложнена, что позволило увеличить КПД и мощность до 25 МВт. Производство газотурбинных установок в промышленно развитых странах сформировалось в единый уровень и направление развития по мощностям и параметрам турбоагрегатов. Суммарная мощность выпущенных в Советском Союзе и России газотурбинных установок исчисляется миллионами кВт.

Устройство газотурбинного двигателя

Если сравнивать газотурбинный двигатель с мотором, который применяют на автомобиле, устройство первого проще. Агрегат включает камеру, где происходит сгорание; присутствуют свечи, поджигающие заряд; форсунка, участвующая в смесеобразовании. На одном валу помещены турбинные колёса и нагнетатель. Присутствуют: редуктор понижения, устройство обмена теплом, трубки, коллектор впуска, сопло и концентратор.

Вращаясь на компрессорном валу, лопатки втягивают воздушную массу, используя коллектор впуска. Достигнув скорости вращения 0,5 км/с, нагнетатель затягивает воздух в концентратор. В конечной точке скоростной режим падает, однако сдавливание массы повышается. Далее воздушная масса перетекает в устройство температурного обмена для набора температуры и перехода в область горения. В пространство параллельно с воздушной массой постоянно поступает горючее, за это отвечают распылители. Перемешиваясь, масса и горючее образуют рабочую консистенцию, которая после приготовления воспламеняется свечой. Горение поднимает напор объёма, газы, вырываясь сквозь концентратор, сталкиваются с турбинными лопатками, двигая колесо. Импульс, создаваемый окружностью, передаётся посредством редуктора на движущий элемент, а газовый остаток перетекает в устройство обмена теплом, подогревая там сдавленные воздушные массы и выбрасываясь в среду окружения.

Газотурбинный мотор «ДР59Л»:

Минус установки, цена материала, способного выдержать температуру. Кроме того, чтобы исключить поломку, поступающий в агрегат воздух требует повышенной степени очистки. Несмотря на это, доработка и усовершенствование агрегата проводятся постоянно. Расширяется сфера применения, сегодня построена автомобильная, авиационная установка, и даже газотурбинный двигатель для кораблей.

Установки закрытого цикла

Рис. 2

В замкнутых ГТУ также как и в открытых имеются компрессор 1 и турбина 2. Вместо камеры сгорания используется источник теплоты 4, в котором теплота передается рабочему телу без перемешивания с топливом. В качестве рабочего тела может применяться воздух, углекислый газ, пары ртути или другие газы.

Рабочее тело, давление которого повышено в компрессоре, в источнике теплоты 4 нагревается и поступает в турбину 2, в которой отдает свою энергию. После турбины газ поступает в промежуточный теплообменник 5 (регенератор), в котором он подогревает воздух, а затем охлаждается в охладителе 6, поступает в компрессор 1 и цикл повторяется. В качестве источника теплоты могут использоваться специальные котлы для нагрева рабочего тела энергией сжигаемого топлива или атомные реакторы.

Расчеты

Основными параметрами, которые учитываются при любых расчетах, являются:

температура (глубина от 15-20 м и больше прогревается от 8 до 100 градусов в зависимости от создающихся условий);
значение извлекаемой мощности (средний показатель – 0,05 кВт на 1 м);
влияние климата, влажности и контакта с грунтовыми водами на теплоотдачу.

Что весьма интересно, полностью сухие породы отдают не более 25 Вт с 1 м, а если есть грунтовые воды, этот показатель вырастает до 100-110 Вт. Нельзя забывать, что стандартным временем работы теплового насоса является 1800 часов за год. Если превысить этот показатель, система не станет более эффективной, зато износ ее стремительно вырастет. Что гораздо хуже, чрезмерная эксплуатация теплового ресурса недр приводит к их остыванию и даже к промерзанию пород на рабочей глубине. Вслед за этим может проседать грунт, иногда повреждаются рабочие трубы и надземные сооружения.

Варианты применения солнечной энергии

Способы использования энергии солнца не относятся к инновационным методам, солнечное тепло применяется давно и успешно. Но это касается Австралии, Южной Америки, некоторых европейских стран, где солнце светит в течение всего года. Некоторые северные части ощущают нехватку естественного излучения, поэтому оно применяется в качестве резервного варианта. Посредниками между солнечными лучами и энергетическим механизмом считаются солнечные батареи или коллекторы, отличающиеся по типу назначения и конструкции.

Батареи накапливают солнечную энергию и применяют ее для обогрева бытовых электрических приборов. Это панели с фотоэлементами с одной стороны и соединяющим механизмом с другой. Можно экспериментировать и собрать батарею своими руками, но лучше приобрести готовые детали – на рынке можно найти широкий выбор солнечных панелей для отопления частного дома. Солнечные коллекторы – часть системы отопления дома. Большие теплоизолированные ящики с источником тепла, как и батареи, устанавливаются на приподнятых щитах, которые смотрят в сторону солнца, или на склонах крыши.

Для роста эффективности световые панели погружают на динамические механизмы, которые напоминают систему контроля – они поворачиваются за движением солнца. Процесс трансформации энергии осуществляется в трубках, находящихся внутри ящиков. Важным отличительным признаком гелиосистем от солнечных батарей является то, что первые нагревают источник тепла, а вторые скапливают электроэнергию. Также можно отапливать помещение при помощи фотоэлементов, но схемы устройства нерациональны и предназначены для тех районов, где солнце светит не меньше 200 дней в году.

Принцип работы

Для начала стоит определиться с терминами «ТЭЦ» и «ТЭС». Говоря понятным языком – они родные сестры. «Чистая» теплоэлектростанция – ТЭС рассчитана исключительно на производство электроэнергии. Ее другое название «конденсационная электростанция» – КЭС.

Теплоэлектроцентраль – ТЭЦ — разновидность ТЭС. Она, помимо генерации электроэнергии, осуществляет подачу горячей воды в центральную систему отопления и для бытовых нужд.

Схема работы ТЭЦ достаточно проста. В топку одновременно поступают топливо и разогретый воздух — окислитель. Наиболее распространенное топливо на российских ТЭЦ – измельченный уголь. Тепло от сгорания угольной пыли превращает воду, поступающую в котел в пар, который затем под давлением подается на паровую турбину. Мощный поток пара заставляет ее вращаться, приводя в движение ротор генератора, который преобразует механическую энергию в электрическую.

Далее пар, уже значительно утративший свои первоначальные показатели – температуру и давление – попадает в конденсатор, где после холодного «водяного душа» он опять становится водой. Затем конденсатный насос перекачивает ее в регенеративные нагреватели и далее — в деаэратор. Там вода освобождается от газов – кислорода и СО₂, которые могут вызвать коррозию. После этого вода вновь подогревается от пара и подается обратно в котел.

Перспективы и преимущества геотермальных станций

Сегодня геотермальная энергия – выгодный источник. Все больше компаний и домохозяйств по всему миру инвестируют в развитие подобных проектов. Недра планеты скрывают большое количество возобновляемой энергии. За один календарный год они вырабатывает более 100 мегаватт энергии, что намного больше потребления всех стран вместе взятых.

Принцип работы геотермальных сооружений основывается на бурении скважин на поверхности земной коры, необходимых для получения горячего пара или воды из недр Земли. Эта энергия, как и в прочих энергетических объектах, необходима для работы генераторов, и питания электричеством населенных пунктов или предприятий.

Всего существует пять источников энергии, используемых в ГеоТЭС:

Сухой пар
Пар в сочетании с водой
Геотермальные воды
Разогретые твердые породы
Магма (слой Земли, расположенный глубоко под земной корой)

Как правило, подобные сооружения строятся в местности, где геотермальная активность интенсивна, что является недостатком геотермальной энергии. Турбины ГеоТЭС располагаются в местах расположения вулканов или гейзеров. Это значит, что в таких местах велика вероятность землетрясений, что также учитывается при проектировании станции.

Проектирование будущей электростанции также зависит от типа используемого источника энергии. В некоторых случаях будет достаточно сооружения скважины, а в каких-то местах понадобится дополнительное оборудование, например для очистки водяных испарений от песка и прочих вредных примесей.

Типовая схема агрегата

Стандартная газотурбинная установка представляет собой тепловую машину, где используется теплоноситель, находящийся в газообразном состоянии, нагретый до высокой температуры. В результате определенных процессов, которые будут рассмотрены ниже, его энергия превращается в механическую.

Конструкция такой электростанции состоит из следующих частей: компрессора, камеры сгорания и самой газовой турбины. Взаимодействие этих компонентов и управление ими в процессе работы обеспечивается специальными вспомогательными системами, входящими в конструкцию установки. Газотурбинная установка и электрический генератор образуют в совокупности газотурбинный агрегат. Мощностью от нескольких десятков киловатт до показателей, измеряемых в мегаваттах. Электростанция, в зависимости от целевого назначения и количества потребителей, имеет одну или несколько газотурбинных установок.

Сама газотурбинная установка разделяется на две части, размещенные в общем корпусе: газогенератор и силовая турбина. Газогенератор состоит из камеры сгорания и турбокомпрессора. Именно здесь создается газовый поток с высокой температурой, оказывающий воздействие на лопатки турбины. Выхлопные газы утилизируются в теплообменнике, и одновременно производят нагрев паровых или водогрейных котлов. Газотурбинные установки могут работать на жидком или газообразном топливе. В стандартном рабочем режиме используется газ, а в критических ситуациях установка автоматически переходит на жидкое топливо.

В нормальных условиях ГТЭС осуществляет комбинированное производство электричества и тепловой энергии. Как правило, они работают в базовом режиме, но при необходимости успешно перекрывают пиковые нагрузки. Вырабатываемое тепло, в количественном отношении существенно выше, чем производимое обычными поршневыми устройствами.

Преимущества и недостатки ГТЭС

К несомненным плюсам можно отнести следующие:

Максимально простое устройство. В отличие от паровой установки, котел не нужен. В связи с этим отсутствуют градирни, паропроводы и другие приспособления. Существенно снижена масса и материалоемкость таких установок.
Вода расходуется в минимальном количестве, охлаждая смазку в подшипниках.
Быстрый монтаж и ввод в эксплуатацию. Мощный турбогенератор запускается в работу в течение 15-20 минут, а паровая турбина – в течение нескольких часов.
Возможность дополнительно производить тепловую энергию, что способствует более быстрой окупаемости установки.
Токсичные выбросы отсутствуют, вибрация незначительная. Можно без ограничений использовать в населенных пунктах.
Доступное газовое топливо.
Использование в труднодоступных районах, где отсутствует центральное электроснабжение.

Тем не менее, нельзя сбрасывать со счетов и определенные минусы, характерные для данного типа установок:

Для достижения полезной мощности изначально требуется высокая температура газа – свыше 550 градусов. В связи с этим, для изготовления турбины используются жаростойкие материалы. Требуется система охлаждения мест, подверженных сильному нагреву.
Фактическая полезная мощность довольно низкая, поскольку ее значительная часть расходуется на привод компрессорной установки.
Твердым видам топлива необходима предварительная обработка.
Большие турбины отличаются высоким уровнем шума.

Метод сравнения характеристических уравнений

Существуютуниверсальные
триггеры, на базе которых можно
проектировать другие триггера. К таким
триггерам относятся JK—
и DV-триггеры

Для пояснения
данного метода рассмотрим процесс
проектирования RS-триггера
на базе JK-триггера.

Сравнивая
характеристические уравнения этих
триггеров, можно сделать вывод о том,
что на базе JK-триггера
можно построить RS-триггер,
если обеспечить условие JK=0.
Реализовать это условие для асинхронных
триггеров не представляется возможным,
т.к. не представляется возможным описать
функции выходов J
иKсхемы управления базового JK-триггера,
определяемые ее аргументами R
и S.
Однако, если в качестве базового триггера
взять синхронный JK-триггер,
то с помощью функций: K=R,J=Sи,
гдеK
, J
и С*–
информационные входы и синхронизации
базового JK-триггера,
а R,S
и С
— информационные входы и синхронизации
проектируемого RS–триггера,
мы достигаем поставленной цели.
Функциональная схема спроектированного
по данному методу RS–триггера
на базе JK-триггера
представлена на рис. 4.21.

Рис. 4.21. Функциональная
схема RS–триггера
на базе JK-триггера

Схемы синхронных
RS-
и JK-триггеров
составляют основу для получения других
триггерных схем. На рис. 4.22÷4.24 представлены
различные схемные решения триггеров,
построенных на их основе.

Т-триггер

Рис. 4.22. Т-триггер:
(а) – несинхронизируемый, (б) — его
временная диаграмма, (в) – синхронизируемый
и (г), (д) – соответственно, условное
графическое обозначение и его временная
диаграмма

Простейшая схема
несинхронизируемого Т-триггера
представлена на рис. 4.22,а. При Т=1 для
двухступенчатого триггера сигнал на
его выходе изменится только по завершению
действия Т=1, что способствует возникновению
генерации в схеме с обратной связью.
Можно считать, что в данной схеме
единичный входной сигнал представляется
спадом сигнала Т=1, так как при любой
продолжительности сигнала Т=1 изменение
состояния Т-триггера происходит только
1 раз – при снятии сигнала Т=1 (рис.
4.22,б).

Для
представления потенциалом последовательности
единиц на входе Т-триггера используется
синхронизируемая схема (рис. 4.22,в, г).
Здесь единичный входной сигнал
представляется высоким уровнем сигнала
Т при С=1. Поэтому высоким уровнем сигнала
Т можно представить последовательность
1 (рис. 4.22,д). Запись в триггер происходит
при С=1, причем смена состояния происходит
после окончания действия сигнала
синхронизации С=1. При Т=1 состояние
триггера изменяется на противоположное,
а при Т=0 не меняется.

D-триггер

Наиболее широко
используемый, реализует функцию временной
задержки. Предназначен для хранения
состояний (1 или 0) на один период тактовых
импульсов (задержка на один такт). Имеет
режимы установки 1 или 0. В связи с этим
несинхронизируемый D-триггер (рис.
4.23,а) не применяется, т.к. на его выходе
будет просто повторяться входной сигнал.
Синхронизируемый однотактный D-триггер
(рис. 4.23,б) задерживает распределение
входного сигнала на время паузы между
синхросигналами (задержка на полупериод).D
(Delay – задержка) – вход установки в
единичное или нулевое состояние на
время, равное одному такту.

Рис. 4.23. D-триггер:
(а) – несинхронизируемый; (б) –
синхронизируемый однотактный; (в) –
двухтактный и его условное графическое
обозначение (г); (д) – временная диаграмма
работы двухтактного D-триггера

Область применения

Газотурбинные электростанции могут использоваться в различных сферах, начиная от обеспечения электричеством зданий гражданского и сельскохозяйственного целевого назначения, а заканчивая промышленными объектами и нефтегазовыми месторождениями. Причем кроме возможности организовать энергоснабжение отдельных объектов оборудование этого типа может обеспечить электричеством целые поселки и жилые комплексы.

Электростанция мощностью на 120 КВт

Еще одним фактором, определяющим целесообразность применения таких комплексов, как газотурбинные энергостанции, является выделение ими тепла по мере функционирования, что делает использование данного рода оборудования экономически выгодным. В остальном же назначение таких станций выполняет сходную функцию с более простыми по конструкции аналогами – обеспечивает электроэнергией объекты разной величины.

Преимущества и недостатки использования

Любой агрегат отличается удовлетворительными и неудовлетворительными аспектами использования. Здесь большую роль играет соотношение данных характеристик, так как по итогу определяется целесообразность его применения.

Плюсы выражаются в:

безопасности установок со стороны экологии;
способности выполнять защитную функцию за счет волнового гашения возле портов;
низкой себестоимостью;
длительном эксплуатационном сроке.

Отрицательная сторона работы выражена в:

малой мощности получаемой энергии;
нестабильном характере функционирования из-за атмосферных явлений;
риске опасности для хода судов и при ловле рыбы.

Но все минусы со временем становятся не актуальными, ведь работа ученых и конструкторов продолжается и сегодня. Благодаря разработке новых, мощнейших волновых электростанций, меняются их принципы работы, а также появляется возможность получать больше электроэнергии.

Устройство и принцип работы двигателя

Строение турбовального двигателя в общих чертах напоминает строение ТРД. Основными составляющими являются комрессор, турбина, камера сгорания и вал. В отличие от других газотурбинных двигателей ТВаД совсем не имеет реактивной тяги – вся свободная энергия расходуется на вращение вала, поэтому и сопла, как такового, у него нет, а есть только каналы (своеобразные выхлопные трубы), по которым отводятся отработанные газы. Еще одна особенность ТВаД – наличие не одной, а двух турбин, не связанных между собой механически. Одна турбина приводит в движение компрессор, а вторая – рабочий вал. Между собой они связаны газодинамически. Некоторые модели турбовинтовых двигателей также имеют схожую конструкцию, но не обязательно. В случае с ТВаД турбин всегда две.

Две основные схемы устройства ТВаД с описание расположенных механизмов. Картинки кликабельны.

Принцип работы турбовального двигателя тоже не сильно отличается от ТРД или ТВД. Компрессор, приводимый в движение турбиной, нагнетает воздух в камеру сгорания, где он перемешивается с впрыснутым через форсунки топливом. Топливный заряд воспламеняется и сгорает, в результате чего образуются газы с большим запасом энергии. Расширяясь, они вращают турбины, приводя в движение компрессор и вал, а отработанные газы выводятся наружу.

Компрессор турбовального двигателя имеет несколько ступеней и может быть центробежным, осевым или комбинированным. Комбинированные компрессоры сочетают в себе и центробежные, и осевые ступени.

Обязательным конструктивным элементом ТВаД, как, впрочем, и турбовинтового двигателя, является редуктор, установленный между турбиной и валом. Сама турбина вращается с угловой скоростью, достигающей 20 000 об/мин. Понятно, что винт, закрепленный на валу и создающий тягу, не сможет работать при такой скорости и выполнять свои функции, ведь тогда ему придется вращаться со сверхзвуковой скоростью. Редуктор, установленный перед валом, понижает обороты и увеличивает крутящий момент, так что скорость вращения лопастей винта вертолета значительно меньше скорости вращения турбины.

Если турбовинтовые двигатели, которые используются на самолетах, должны иметь компактные размеры, а вал турбины и вал винта у них устанавливаются параллельно в одном корпусе, то к габаритам турбовальных двигателей таких жестких требований нет. Рабочий вал у них может находиться впереди турбины или за ней, в одном корпусе с ней или отдельно. Это объясняется тем, что мотор спрятан в конструкции кабины, где его можно расположить в любом удобном положении. Различают цельные моторы и модульные, состоящие из отдельных модулей, связанных между собой механически. Часто в одном модуле расположены компрессор и турбины, а в другом – рабочий вал, связанный с валом турбины редуктором.

Легкий американский вертолет AH-6j Little Bird

Геотермальные установки в России

На территории Российской Федерации располагается немало районов с активной вулканической деятельностью. В основном, это Дальний Восток, Камчатка, Сахалин и Курильские острова. Именно в этих местах в разное время были построены геотермальные электростанции. Рассмотрим наиболее известные станции.

Паужетская ГеоТЭС

Первая в России электростанция такого типа была построена в 1966 году. Основной целью установки стало обеспечение электричеством населенных пунктов и рыбоперерабатывающих предприятий. Местом расположения был определен западный берег Камчатского полуострова, рядом с селом Паужетка и вулканом Камбальным.

При запуске станция выдавала установленную мощность в 5 мегаватт, а к 2011 году этот показатель был увеличен до 12 МВт. В последнее время ведутся работы по реализации проекта с бинарным энергоблоком, созданным российскими инженерами. Это позволит увеличить мощность станции до 17 МВт и улучшить экологическую обстановку за счет сокращения выбросов отработанных материалов.

Верхне-Мутновская ГТЭС (опытно-промышленная)

Располагается в юго-восточной части Камчатки непосредственно на вулкане Мутновский. Высота над уровнем моря составляет 780 м. Окончание строительства и ввод в эксплуатацию – 1999 год. Оборудована тремя энергоблоками по 4 мегаватта, общая мощность станции – 12 МВт.

Рядом расположена еще одна, более современная установка, введенная в строй в 2003 году. Показатель установленной мощности – 50 МВт, планируется довести до 80 МВт. Обслуживание объекта выполняется полностью в автоматическом режиме. За счет обеих станций на Камчатке значительно снизилась зависимость от привозного топлива. Две геотермальные электростанции производят примерно 30% всей электроэнергии полуострова.

Станция Менделеевская

Находится на Курильском острове – Кунашире, неподалеку от вулкана Менделеева. Производительность составляет 3,6 Мвт, после модернизации она возрастет до 7,4 МВт.

Что такое АЭС?

Атомная электростанция (АЭС) – это объект, на котором для производства энергии используется реакция распада ядерного топлива.

Попытки использования управляемой (то есть контролируемой, прогнозируемой) ядерной реакции для выработки электроэнергии были предприняты советскими и американскими учеными одновременно – в 40-х годах прошлого века. В 50-х годах «мирный атом» стал реальностью, и во многих странах мира стали строить АЭС.

Центральным узлом любой АЭС является ядерная установка, в которой происходит реакция. При распаде радиоактивных веществ происходит выделение огромного количества тепла. Выделяемая тепловая энергия используется для нагрева теплоносителя (как правило, воды), который, в свою очередь, нагревает воду второго контура до перехода ее в пар. Горячий пар вращает турбины, благодаря чему происходит образование электроэнергии.

В мире не утихают споры о целесообразности использования атомной энергии для выработки электричества. Сторонники АЭС говорят об их высокой продуктивности, безопасности реакторов последнего поколения, а также о том, что такие электростанции не загрязняют окружающую среду. Противники утверждают, что АЭС потенциально чрезвычайно опасны, а их эксплуатация и, особенно, утилизация отработанного топлива сопряжены с огромными расходами.

Разнообразие СЭС

Все существующие типы солнечных электростанций разделяются на:

тарельчатые;
фотопанели;
башенные;
аэростатные;
комбинированные;
параболоцилиндрические концентраторные;
солнечно вакуумные электростанции;
башенного типа;

Последние два варианта — солнечные тепловые электростанции. Сконцентрированная солнечная энергия перерабатывается в пар, который вращает турбину, вырабатывающую ток.

Такое богатое разнообразие видов СЭС — наглядное подтверждение тому, что такой вид энергетики очень востребован.

Поэтому, несмотря на плюсы и минусы солнечных электростанций, крупные электрические компании вкладывают серьезные денежные средства в строительство такого рода установок.

Устройство и описание

Газотурбинные установки состоят из двух основных частей, расположенных в одном корпусе, – газогенератора и силовой турбины.

В газогенераторе, включающем в себя камеру сгорания и турбокомпрессор, создается поток газа высокой температуры, воздействующего на лопатки силовой турбины.

При помощи теплообменника производится утилизация выхлопных газов и одновременное производство тепла через водогрейный или паровой котел.

Работа газотурбинных установок предусматривает использование двух видов топлива – газообразного и жидкого.

В обычном режиме ГТУ работает на газе.

В аварийном или резервном при прекращении подачи газа осуществляется автоматический переход на жидкое (дизельное) топливо.

В оптимальном режиме газотурбинные установки комбинированно производят электрическую и тепловую энергию. Турбоагрегаты используются на электростанциях как для работы в базовом режиме, так и для компенсирования пиковых нагрузок.