Instalasi turbin gas energi. Siklus pembangkit turbin gas

2024 Pengarang: Howard Calhoun | [email protected]. Terakhir diubah: 2023-12-17 10:31

Unit turbin gas (GTP) adalah kompleks daya tunggal yang relatif kompak, di mana turbin daya dan generator bekerja berpasangan. Sistem ini telah menyebar luas dalam apa yang disebut industri listrik skala kecil. Bagus untuk pasokan listrik dan panas perusahaan besar, pemukiman terpencil dan konsumen lainnya. Turbin gas biasanya menggunakan bahan bakar cair atau gas.

Di ambang kemajuan

Dalam meningkatkan kapasitas energi pembangkit listrik, peran utama dialihkan ke unit turbin gas dan evolusi selanjutnya - pembangkit siklus gabungan (CCGT). Jadi, di pembangkit listrik AS sejak awal 1990-an, lebih dari 60% kapasitas yang ditugaskan dan dimodernisasi telah menjadi turbin gas dan pembangkit listrik siklus gabungan, dan di beberapa negara dalam beberapa tahun bagiannya mencapai 90%.

Turbin gas sederhana juga dibangun dalam jumlah besar. Pembangkit turbin gas - bergerak, ekonomis untuk dioperasikan dan mudah diperbaiki - terbukti menjadi solusi optimal untuk menutupi beban puncak. Pada pergantian abad (1999-2000), total kapasitasunit turbin gas mencapai 120.000 MW. Sebagai perbandingan: pada 1980-an, total kapasitas sistem jenis ini adalah 8.000-10.000 MW. Sebagian besar turbin gas (lebih dari 60%) dimaksudkan untuk beroperasi sebagai bagian dari pembangkit siklus gabungan biner besar dengan daya rata-rata sekitar 350 MW.

Latar belakang sejarah

Fondasi teoretis untuk penggunaan teknologi siklus gabungan dipelajari dengan cukup rinci di negara kita pada awal tahun 60-an. Sudah pada saat itu, menjadi jelas bahwa jalur umum untuk pengembangan teknik tenaga termal terhubung secara tepat dengan teknologi siklus gabungan. Namun, implementasinya yang sukses membutuhkan unit turbin gas yang andal dan sangat efisien.

Kemajuan signifikan dalam konstruksi turbin gaslah yang menentukan lompatan kualitatif modern dalam rekayasa tenaga termal. Sejumlah perusahaan asing berhasil memecahkan masalah menciptakan turbin gas stasioner yang efisien pada saat organisasi terkemuka domestik dalam ekonomi komando mempromosikan teknologi turbin uap (STP) yang paling tidak menjanjikan.

Jika pada tahun 60-an efisiensi instalasi turbin gas berada pada level 24-32%, maka pada akhir tahun 80-an instalasi turbin gas daya stasioner terbaik sudah memiliki efisiensi (dengan penggunaan otonom) 36-37 %. Ini memungkinkan untuk membuat CCGT berdasarkan mereka, yang efisiensinya mencapai 50%. Pada awal abad baru, angka ini sama dengan 40%, dan dalam kombinasi dengan pembangkit siklus gas gabungan, bahkan menjadi 60%.

Perbandingan turbin uapdan tumbuhan siklus gabungan

Pada pembangkit siklus gabungan berbasis turbin gas, prospek langsung dan nyata adalah memperoleh efisiensi 65% atau lebih. Pada saat yang sama, untuk pembangkit turbin uap (dikembangkan di Uni Soviet), hanya jika sejumlah masalah ilmiah yang kompleks terkait dengan pembangkitan dan penggunaan uap superkritis dapat diselesaikan dengan sukses, orang dapat mengharapkan efisiensi tidak lebih dari 46- 49%. Jadi, dalam hal efisiensi, sistem turbin uap sangat rendah dibandingkan dengan sistem siklus gabungan.

Secara signifikan kalah dengan pembangkit listrik turbin uap juga dalam hal biaya dan waktu konstruksi. Pada tahun 2005, di pasar energi dunia, harga 1 kW untuk unit CCGT dengan kapasitas 200 MW atau lebih adalah $500-600/kW. Untuk CCGT dengan kapasitas yang lebih kecil, biayanya berkisar antara $600-900/kW. Pembangkit turbin gas yang kuat sesuai dengan nilai $200-250/kW. Dengan penurunan daya satuan, harganya naik, tetapi biasanya tidak melebihi $ 500 / kW. Nilai-nilai ini beberapa kali lebih rendah daripada biaya satu kilowatt listrik dalam sistem turbin uap. Misalnya, harga kilowatt terpasang di pembangkit listrik turbin uap kondensasi berkisar antara 2000-3000 $/kW.

Skema pembangkit turbin gas

Instalasi mencakup tiga unit dasar: turbin gas, ruang bakar, dan kompresor udara. Selain itu, semua unit ditempatkan di satu bangunan prefabrikasi. Kompresor dan rotor turbin terhubung secara kaku satu sama lain, didukung oleh bantalan.

Ruang pembakaran (misalnya, 14 buah) ditempatkan di sekitar kompresor, masing-masing dalam wadahnya sendiri yang terpisah. Untuk masuk keKompresor udara berfungsi sebagai pipa saluran masuk, udara keluar dari turbin gas melalui pipa buang. Badan turbin gas didasarkan pada penyangga kuat yang ditempatkan secara simetris pada satu kerangka.

Prinsip kerja

Kebanyakan unit turbin gas menggunakan prinsip pembakaran terus menerus, atau siklus terbuka:

• Pertama, fluida kerja (udara) dipompa pada tekanan atmosfer oleh kompresor yang sesuai.
• Selanjutnya, udara dikompresi ke tekanan yang lebih tinggi dan dikirim ke ruang bakar.
• Ini dilengkapi dengan bahan bakar, yang terbakar pada tekanan konstan, memberikan pasokan panas yang konstan. Karena pembakaran bahan bakar, suhu fluida kerja meningkat.
• Selanjutnya, fluida kerja (sekarang sudah menjadi gas, yang merupakan campuran udara dan produk pembakaran) memasuki turbin gas, di mana, memperluas ke tekanan atmosfer, itu melakukan pekerjaan yang berguna (memutar turbin yang menghasilkan listrik).
• Setelah turbin, gas dibuang ke atmosfer, di mana siklus kerja ditutup.
• Perbedaan antara pengoperasian turbin dan kompresor dirasakan oleh generator listrik yang terletak pada poros yang sama dengan turbin dan kompresor.

Pabrik pembakaran intermiten

Tidak seperti desain sebelumnya, pembakaran berselang menggunakan dua katup, bukan satu.

• Kompresor memaksa udara masuk ke ruang bakar melalui katup pertama sementara katup kedua tertutup.
• Saat tekanan di ruang bakar naik, katup pertama ditutup. Akibatnya, volume ruang tertutup.
• Ketika katup ditutup, bahan bakar dibakar di dalam ruang, secara alami, pembakarannya terjadi pada volume konstan. Akibatnya, tekanan fluida kerja semakin meningkat.
• Selanjutnya, katup kedua dibuka, dan fluida kerja masuk ke turbin gas. Dalam hal ini, tekanan di depan turbin akan berkurang secara bertahap. Ketika mendekati atmosfer, katup kedua harus ditutup, dan yang pertama harus dibuka dan ulangi urutan tindakan.

Siklus turbin gas

Beralih ke implementasi praktis dari satu atau lain siklus termodinamika, perancang harus menghadapi banyak kendala teknis yang tidak dapat diatasi. Contoh paling khas: ketika kelembaban uap lebih dari 8-12%, kerugian di jalur aliran turbin uap meningkat tajam, beban dinamis meningkat, dan terjadi erosi. Hal ini pada akhirnya menyebabkan rusaknya jalur aliran turbin.

Sebagai akibat dari pembatasan di sektor energi (untuk mendapatkan pekerjaan), sejauh ini hanya dua siklus termodinamika dasar yang banyak digunakan: siklus Rankine dan siklus Brayton. Sebagian besar pembangkit listrik didasarkan pada kombinasi elemen siklus ini.

Siklus Rankine digunakan untuk fluida kerja yang melakukan transisi fase selama pelaksanaan siklus; pembangkit listrik tenaga uap beroperasi sesuai dengan siklus ini. Untuk fluida kerja yang tidak dapat dikondensasikan dalam kondisi nyata dan yang kita sebut gas, digunakan siklus Brayton. Melalui siklus inipembangkit turbin gas dan mesin pembakaran dalam sedang beroperasi.

Bahan bakar yang digunakan

Sebagian besar turbin gas dirancang untuk menggunakan gas alam. Terkadang bahan bakar cair digunakan dalam sistem daya rendah (lebih jarang - sedang, sangat jarang - daya tinggi). Tren baru adalah transisi sistem turbin gas kompak ke penggunaan bahan padat yang mudah terbakar (batubara, lebih jarang gambut dan kayu). Tren ini disebabkan oleh fakta bahwa gas adalah bahan baku teknologi yang berharga untuk industri kimia, di mana penggunaannya seringkali lebih menguntungkan daripada di sektor energi. Produksi pembangkit turbin gas yang mampu beroperasi secara efisien dengan bahan bakar padat secara aktif mendapatkan momentum.

Perbedaan antara ICE dan GTU

Perbedaan mendasar antara mesin pembakaran dalam dan kompleks turbin gas adalah sebagai berikut. Dalam mesin pembakaran internal, proses kompresi udara, pembakaran bahan bakar dan ekspansi produk pembakaran terjadi dalam satu elemen struktural, yang disebut silinder mesin. Dalam turbin gas, proses ini dipisahkan menjadi unit struktural terpisah:

• kompresi dilakukan di kompresor;
• pembakaran bahan bakar, masing-masing, di ruang khusus;
• ekspansi produk pembakaran dilakukan di turbin gas.

Akibatnya, secara struktural, turbin gas dan mesin pembakaran internal memiliki sedikit kesamaan, meskipun mereka beroperasi menurut siklus termodinamika yang serupa.

Kesimpulan

Dengan pengembangan pembangkit listrik skala kecil, meningkatkan efisiensinya, sistem GTP dan STP menempati bagian yang meningkat dalam totalsistem energi dunia. Dengan demikian, profesi yang menjanjikan sebagai operator pembangkit turbin gas semakin diminati. Mengikuti mitra Barat, sejumlah pabrikan Rusia telah menguasai produksi unit turbin gas yang hemat biaya. CHPP Severo-Zapadnaya di St. Petersburg menjadi pembangkit listrik siklus gabungan pertama dari generasi baru di Rusia.