GTU dans le cadre d'une centrale électrique de navire. Turbines à gaz et centrales à turbine à gaz

Turbine à gaz est un dispositif modulaire universel qui combine : un générateur électrique, une boîte de vitesses, une turbine à gaz et une unité de contrôle. Il y a aussi équipement optionel, tels que : compresseur, dispositif de démarrage, échangeur de chaleur.

La centrale à turbine à gaz est capable de fonctionner non seulement en mode de production d'électricité, mais également de produire une production conjointe énergie électrique avec thermique.

En fonction des souhaits du client, la production de turbines à gaz peut être réalisée avec un système universel, lorsque les gaz d'échappement sont utilisés pour produire de la vapeur ou de l'eau chaude.

Schéma d'une centrale à turbine à gaz

Cet équipement comporte deux blocs principaux : une turbine de type puissance et un alternateur. Ils sont placés dans un bloc.

Le schéma d'une centrale à turbine à gaz est très simple: le gaz formé après la combustion du combustible commence à contribuer à la rotation des aubes de la turbine elle-même.

Ainsi, un couple est généré. Cela conduit à la génération d'énergie électrique. Les gaz sortants transforment l'eau en vapeur dans la chaudière de récupération. Le gaz dans ce cas fonctionne avec un double avantage.

Cycles des centrales à turbine à gaz

Cet équipement peut être réalisé avec différents cycles de travail.

Turbine à gaz à cycle fermé implique ce qui suit : le gaz est fourni par le compresseur au réchauffeur (échangeur de chaleur), où la chaleur est fournie par des sources externes. Il est ensuite introduit dans une turbine à gaz où il est détendu. Il en résulte une pression de gaz moindre.

Après cela, les gaz entrent dans la chambre de réfrigération. La chaleur est évacuée de là vers environnement externe. Le gaz est ensuite envoyé au compresseur. Le cycle redémarre alors. Aujourd'hui, des équipements similaires ne sont presque jamais utilisés dans le secteur de l'énergie.

La production de turbines à gaz de ce type s'effectue en grandes tailles. Il y a aussi des pertes faible valeur L'efficacité, qui dépend directement des indicateurs de température du gaz lui-même avant la turbine.

Turbine à gaz en boucle ouverte sont utilisés beaucoup plus fréquemment. Dans cet équipement, le compresseur fournit de l'air de l'environnement qui, à haute pression, pénètre dans une chambre de combustion spécialement conçue. C'est là que le carburant est brûlé.

La température du carburant organique atteint 2000 degrés. Cela pourrait endommager le métal de l'appareil photo lui-même. Pour éviter cela, on lui fournit beaucoup d'air qu'il n'en a besoin (environ 5 fois). Cela réduit considérablement la température du gaz lui-même et protège le métal.

Schéma d'une centrale à turbine à gaz à cycle ouvert

Le schéma d'une turbine à gaz à cycle ouvert est le suivant: le combustible est fourni à un brûleur à gaz (injecteurs) situé à l'intérieur d'un tube résistant à la chaleur. De l'air y est également injecté, après quoi le processus de combustion du carburant est effectué.

Il existe plusieurs tuyaux de ce type et ils sont disposés concentriquement. L'air pénètre dans les espaces entre eux, créant une barrière protectrice et empêchant l'épuisement professionnel.

Grâce aux tuyaux et au flux d'air, la chambre est protégée de manière fiable contre la surchauffe. Dans le même temps, la température des gaz à la sortie est inférieure à celle du carburant lui-même.

Le métal peut supporter 1000 - 1300°C. Ce sont ces indicateurs de température des gaz de chambre qui sont présents dans les appareils à turbine à gaz modernes.

Différences entre les centrales à turbine à gaz de type fermé et ouvert

La principale différence entre les turbines à gaz de type fermé et ouvert réside dans le fait que dans le premier cas, il n'y a pas de chambre de combustion, mais un réchauffeur est utilisé. Ici, l'air est chauffé, alors qu'il ne participe pas au processus de génération de chaleur lui-même.

Un tel équipement est réalisé exclusivement avec combustion, à une valeur de pression constante. Le combustible organique ou nucléaire est utilisé ici.

Dans les unités nucléaires, ce n'est pas l'air qui est utilisé, mais l'hélium, le dioxyde de carbone ou l'azote. Les avantages d'un tel équipement incluent la capacité d'utiliser la chaleur de la désintégration atomique, qui est libérée dans les réacteurs nucléaires.

En raison de la forte concentration du «fluide de travail», il est devenu possible d'obtenir des lectures élevées du coefficient de transfert de chaleur à l'intérieur du régénérateur lui-même. Cela contribue également à une augmentation du niveau de régénération pendant petites tailles. Cependant, un tel équipement n'a pas encore été largement utilisé.

Installations de turbines à gaz de puissance

Les centrales électriques à turbine à gaz sont également appelées "mini centrales électriques à turbine à gaz". Ils sont utilisés comme sources d'approvisionnement permanentes, d'urgence ou de secours pour les villes et les zones difficiles d'accès.

Les centrales électriques à turbine à gaz sont utilisées dans de nombreuses industries :

• raffinage de pétrole;
• production de gaz;
• travail des métaux;
• foresterie et travail du bois;
• métallurgique;
• Agriculture;
• élimination des déchets, etc.

Quels types de carburants sont utilisés dans les turbines à gaz ?

Cet équipement est capable de fonctionner sur différents types le carburant.

Les turbines à gaz utilisent les types de combustible suivants :

• gaz naturel;
• kérosène;
• biogaz;
• Gas-oil;
• gaz de pétrole de type associé ;
• coke, bois, gaz de mine et autres types.

Beaucoup de ces turbines sont également capables de fonctionner avec des carburants hypocaloriques contenant de petites quantités de méthane (de l'ordre de 3 %).

Autres caractéristiques des centrales à turbine à gaz

Caractéristiques distinctives des centrales à turbine à gaz :

• Dommages mineurs à l'environnement. C'est une faible consommation d'huile. La capacité de travailler sur les déchets de la production elle-même. L'émission de substances nocives dans l'atmosphère est de 25 ppm.
• Dimensions et poids réduits. Cela vous permet de localiser cet équipement dans de petites zones, ce qui permet d'économiser de l'argent.
• Niveau de bruit insignifiant, ainsi que des vibrations. Cet indicateur se situe dans la plage de 80 à 85 dBA.
• La capacité des équipements de turbine à gaz à fonctionner sur divers carburants lui permet d'être utilisé dans presque toutes les industries. Dans le même temps, l'entreprise pourra choisir un type de combustible économiquement rentable, en fonction des spécificités de ses activités.
• Fonctionnement continu avec une charge minimale. Ceci s'applique également au mode inactif.
• Pendant une minute, cet équipement est capable de supporter un excès de courant nominal de 150 %. Et dans les 2 heures - 110%.
• Avec un "court-circuit" symétrique triphasé, le système de générateur est capable de supporter pendant 10 secondes environ 300% du courant continu nominal.
• Pas de refroidissement par eau.
• Haute fiabilité opérationnelle.
• Longue durée de vie (environ 200 000 heures).
• Utilisation de l'équipement dans toutes les conditions climatiques.
• Coût de construction modéré et faibles coûts lors des travaux eux-mêmes, des réparations et de l'entretien.

La puissance électrique des équipements à turbine à gaz va de quelques dizaines de kW à plusieurs MW. L'efficacité maximale est atteinte si la centrale à turbine à gaz fonctionne en mode de production simultanée de chaleur et d'électricité (cogénération).

En raison de la réception d'une énergie aussi peu coûteuse, il devient possible de rembourser rapidement ce type d'équipement. La centrale électrique et la chaudière de récupération des gaz d'échappement contribuent à une utilisation plus efficace du combustible.

Avec les machines à turbine à gaz, la tâche d'obtention d'une puissance élevée a été grandement simplifiée. Et lorsque toutes les caractéristiques thermiques des turbines à gaz sont remplies, la valeur d'un grand rendement électrique s'estompe au second plan. Si nous prenons en compte grande importance température des gaz d'échappement des équipements à turbine à gaz, il est possible de réaliser une combinaison de l'utilisation de turbines à gaz et à vapeur.

Cette solution d'ingénierie aide les entreprises à augmenter considérablement la productivité grâce à l'utilisation de carburant et à augmenter l'efficacité électrique de 57 à 59 %. Cette méthode est très bonne, mais elle entraîne des coûts financiers et une complexité de conception des équipements. Par conséquent, il n'est souvent utilisé que par les grandes industries.

Le rapport entre l'énergie électrique produite et l'énergie thermique dans une centrale à turbine à gaz est de 1 à 2. Ainsi, par exemple, si une centrale à turbine à gaz a une capacité de 10 mégawatts, elle est capable de générer 20 MW d'énergie thermique. Pour convertir des mégawatts en gigacalories, vous devez utiliser un coefficient spécial, qui est égal à 1,163.

En fonction des besoins précis du client, les équipements à turbine à gaz peuvent être équipés en plus d'un système de chauffage de l'eau et chaudières à vapeur. Cela vous permet d'obtenir de la vapeur de pression différente, qui servira à résoudre divers problèmes de production. De plus, il vous permet d'obtenir eau chaude, qui aura une température standard.

Lors du fonctionnement combiné de deux types d'énergie, il est possible d'obtenir une augmentation du facteur d'utilisation du combustible (FU) d'une centrale thermique à turbine à gaz jusqu'à 90 %.

Lorsque vous utilisez des centrales à turbine à gaz sous la forme d'équipements de type puissance pour de puissantes centrales thermiques, ainsi que des mini-cogénérations, vous obtiendrez une solution économique justifiée. Cela est dû au fait qu'aujourd'hui presque toutes les centrales électriques fonctionnent au gaz. Ils ont un coût unitaire très faible pour le consommateur en termes de construction et de faibles coûts lors de l'utilisation ultérieure.

Superflu, et même gratuit, l'énérgie thermique permet de mettre en place une ventilation (climatisation) sans frais d'électricité locaux industriels. Et cela peut être fait à tout moment de l'année. Le liquide de refroidissement ainsi refroidi peut être utilisé pour divers besoins industriels. Ce type de technologie est appelé « trigénération ».

Turbines à gaz à l'exposition

Le complexe central de l'Expocentre Central Exhibition Complex est un site très confortable, situé à Moscou, à proximité des stations de métro Vystavochnaya et Delovoy Tsentr.

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Au salon Electro, vous pourrez voir les tendances actuelles de l'industrie, de la production d'énergie électrique à son utilisation finale. Grâce à des technologies innovantes et à des équipements de haute qualité, votre entreprise peut obtenir une "gorgée air frais et renaître.

Une telle modernisation de la production ne peut être ignorée par les consommateurs de vos services et biens. Un tel équipement peut réduire considérablement le coût et les coûts de l'énergie électrique.

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Les conditions de participation à l'exposition à l'Expocentre Fairgrounds sont très transparentes. Tout titulaire de droits, s'il constate diverses violations de ses droits de propriété intellectuelle, peut compter sur une assistance juridique. Cela permet d'accroître la responsabilité et la discrétion de chaque exposant lors de la présentation de son produit.

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Les turbines à gaz (GTP) sont des moteurs thermiques dans lesquels l'énergie thermique d'un fluide de travail gazeux est convertie en énergie mécanique. Les principaux composants sont : le compresseur, la chambre de combustion et la turbine à gaz. Pour assurer le fonctionnement et le contrôle, l'installation dispose d'un complexe de systèmes auxiliaires interconnectés. Une turbine à gaz associée à un générateur électrique est appelée unité de turbine à gaz. La puissance générée par un appareil varie de vingt kilowatts à des dizaines de mégawatts. Ce sont des turbines à gaz classiques. La production d'électricité à la centrale est réalisée à l'aide d'une ou plusieurs turbines à gaz.

Appareil et description

Les installations de turbines à gaz se composent de deux parties principales situées dans un même bâtiment - un générateur de gaz et une turbine de puissance. Dans le générateur de gaz, qui comprend une chambre de combustion et un turbocompresseur, un flux de gaz est créé haute température agissant sur les aubes de la turbine de puissance. À l'aide d'un échangeur de chaleur, les gaz d'échappement sont utilisés et la chaleur est simultanément produite par une chaudière à eau chaude ou à vapeur. Le fonctionnement des centrales à turbine à gaz implique l'utilisation de deux types de combustible - gazeux et liquide.

En mode normal, la turbine à gaz fonctionne au gaz. En cas d'urgence ou de réserve, lorsque l'alimentation en gaz est interrompue, une transition automatique vers le carburant liquide (diesel) est effectuée. Dans le mode optimal, les centrales à turbine à gaz produisent de l'électricité et de l'énergie thermique combinées. En termes de quantité d'énergie thermique générée, les turbines à gaz sont nettement supérieures aux dispositifs à piston à gaz. Les turbines sont utilisées dans les centrales électriques pour le fonctionnement de base et la compensation de charge de pointe.

Histoire de la création

L'idée d'utiliser l'énergie d'un courant de gaz chaud est connue depuis l'Antiquité. Le premier brevet pour un appareil présentant les mêmes composants de base que les turbines à gaz modernes a été délivré à l'Anglais John Barber en 1791. L'usine de turbines à gaz comprenait des compresseurs (air et gaz), une chambre de combustion et une roue de turbine active, mais n'a jamais reçu application pratique.

Au XIXe et au début du XXe siècle, de nombreux scientifiques et inventeurs du monde entier ont développé une installation adaptée à une utilisation pratique, mais toutes les tentatives ont échoué en raison du faible développement de la science et de la technologie de l'époque. La puissance utile produite par les prototypes ne dépassait pas 14% avec une faible fiabilité opérationnelle et une complexité de conception.

Pour la première fois, des centrales à turbine à gaz ont été utilisées en 1939 en Suisse. Une centrale électrique a été mise en service avec un turbogénérateur réalisé selon le schéma le plus simple puissance de 5000kW. Dans les années 1950, ce schéma a été affiné et compliqué, ce qui a permis d'augmenter le rendement et la puissance jusqu'à 25 MW. Production de turbines à gaz dans l'industrie pays développés formé en un seul niveau et direction de développement en termes de capacités et de paramètres des unités de turbine. La capacité totale des turbines à gaz produites en Union soviétique et en Russie est estimée en millions de kW.

Le principe de fonctionnement de la turbine à gaz

L'air atmosphérique entre dans le compresseur, est comprimé et sous haute pression à travers le réchauffeur d'air et la vanne de distribution d'air est dirigé vers la chambre de combustion. Dans le même temps, le gaz est fourni à la chambre de combustion par les buses, qui est brûlé dans le flux d'air. La combustion du mélange gaz-air forme un flux de gaz chauds, qui agit sur les aubes de la turbine à gaz à grande vitesse, les faisant tourner. L'énergie thermique du flux de gaz chauds est convertie en énergie mécanique de rotation de l'arbre de la turbine, qui entraîne le compresseur et le générateur électrique. L'électricité des bornes du générateur à travers le transformateur est envoyée au réseau électrique des consommateurs.

Les gaz chauds à travers le régénérateur entrent dans la chaudière à eau chaude puis à travers l'échangeur de chaleur dans la cheminée. La circulation d'eau est organisée entre la chaudière à eau chaude et le point de chauffage central (CHP) à l'aide de pompes de réseau. Le liquide chauffé dans la chaudière entre dans la centrale de chauffage, à laquelle les consommateurs sont connectés. Le cycle thermodynamique d'une turbine à gaz consiste en une compression d'air adiabatique dans le compresseur, un apport de chaleur isobare dans la chambre de combustion, une expansion adiabatique du fluide de travail dans la turbine à gaz et une évacuation de chaleur isobare.

Le gaz naturel, le méthane, est utilisé comme combustible pour les turbines à gaz. En mode d'urgence, en cas de panne d'alimentation en gaz, le GTU est commuté en charge partielle et le carburant diesel ou le carburant diesel est utilisé comme carburant de secours. gaz liquéfiés(propane-butane). Options possibles exploitation d'une centrale à turbine à gaz : fourniture d'électricité ou fourniture combinée d'électricité et d'énergie thermique.

cogénération

La production d'électricité avec la génération simultanée d'énergie thermique associée est appelée cogénération. Cette technologie peut augmenter considérablement l'efficacité économique de l'utilisation du carburant. Selon les besoins, la centrale à turbine à gaz peut être équipée en plus de chaudières à eau chaude ou à vapeur. Cela permet d'obtenir de l'eau chaude ou de la vapeur à différentes pressions.

Avec l'utilisation optimale de deux types d'énergie, l'effet économique maximal de la cogénération est atteint et le facteur d'utilisation du combustible (FFU) atteint 90 %. Dans ce cas, la chaleur des gaz d'échappement et l'énergie thermique du système de refroidissement des unités qui font tourner les générateurs électriques (en fait, l'énergie perdue) sont utilisées aux fins prévues. Si nécessaire, la chaleur récupérée peut être utilisée pour la production de froid dans des machines à absorption (trigénération). Le système de cogénération se compose de quatre éléments clés : le moteur principal (turbine à gaz), le générateur électrique, le système de récupération de chaleur, le système de contrôle et de surveillance.

Contrôler

Il existe deux modes de fonctionnement principaux dans lesquels les unités de turbine à gaz fonctionnent :

• Stationnaire. Dans ce mode, la turbine fonctionne à une charge nominale ou partielle fixe. Jusqu'à récemment, le régime stationnaire était le principal pour les turbines à gaz. L'arrêt de la turbine était effectué plusieurs fois par an pour des réparations programmées ou en cas de dysfonctionnements.
• Le mode variable offre la possibilité de modifier la puissance de la turbine à gaz. La nécessité de changer le mode de fonctionnement de la turbine peut être causée par l'une des deux raisons suivantes : si la puissance consommée par le générateur a changé en raison d'un changement de la charge du consommateur qui lui est connecté, et si la pression atmosphérique et la température de l'air absorbés par le compresseur ont changé. Les modes non stationnaires, et les plus difficiles, comprennent l'arrêt et le démarrage d'une centrale à turbine à gaz. Avec ce dernier, l'exploitant d'installations à turbine à gaz doit effectuer de nombreuses opérations avant le premier choc du rotor. Avant un démarrage complet de l'installation, une mise en rotation préliminaire du rotor est effectuée.

Le changement de mode de fonctionnement de l'installation s'effectue en ajustant l'alimentation en combustible de la chambre de combustion. La tâche principale le contrôle de la turbine à gaz est de fournir la puissance requise. Une exception est une centrale électrique à turbine à gaz, pour laquelle la tâche principale de contrôle est la constance de la fréquence de rotation associée à la turbine d'un générateur électrique.

Demande d'énergie

Dans l'industrie de l'énergie stationnaire, des turbines à gaz à diverses fins sont utilisées. En tant que principaux moteurs d'entraînement des générateurs électriques des centrales thermiques, les centrales à turbine à gaz sont principalement utilisées dans des zones disposant d'une quantité suffisante de gaz naturel. En raison de la possibilité d'un démarrage rapide, les turbines à gaz sont largement utilisées pour couvrir les charges de pointe dans les systèmes électriques pendant les périodes de consommation d'énergie maximale. Les turbines à gaz de secours assurent les besoins internes de la TPP lors de l'arrêt de l'équipement principal.

Efficacité

En général, le rendement électrique des turbines à gaz est inférieur à celui des autres groupes électrogènes. Mais avec la pleine réalisation du potentiel thermique de l'unité de turbine à gaz, l'importance de cet indicateur devient moins pertinente. Pour les centrales à turbines à gaz puissantes, il existe une approche technique qui implique l'utilisation combinée de deux types de turbines en raison de la température élevée des gaz d'échappement.

L'énergie thermique générée est utilisée pour produire de la vapeur pour la turbine à vapeur, qui est utilisée en parallèle avec la turbine à gaz. Cela améliore l'efficacité électrique jusqu'à 59% et améliore considérablement l'efficacité énergétique. L'inconvénient de cette approche est la complication constructive et l'augmentation du coût du projet. Le ratio d'énergie électrique et thermique produite par le GTU est d'environ 1:2, c'est-à-dire que 20 MW d'énergie thermique sont produits pour 10 MW d'électricité.

Avantages et inconvénients

Les avantages des turbines à gaz comprennent :

• La simplicité de l'appareil. En raison de l'absence d'un bloc chaudière, d'un système de tuyauterie complexe et de nombreux mécanismes auxiliaires, les coûts de métal par unité de puissance pour les centrales à turbine à gaz sont bien inférieurs.
• Le débit minimal d'eau qui, dans une turbine à gaz, n'est nécessaire que pour refroidir l'huile fournie aux paliers.
• Mise en service rapide. Pour les unités à turbine à gaz, le temps de démarrage d'un état froid à l'acceptation d'une charge ne dépasse pas 20 minutes. Pour une centrale à vapeur d'une centrale thermique, le démarrage prend plusieurs heures.

Désavantages:

• Dans le fonctionnement des turbines à gaz, on utilise du gaz à très haute température initiale - plus de 550 degrés. Cela entraîne des difficultés dans la mise en œuvre pratique des turbines à gaz, car des matériaux spéciaux résistant à la chaleur et des systèmes de refroidissement spéciaux sont nécessaires pour les parties les plus chauffées.
• Environ la moitié de la puissance développée par la turbine est utilisée pour entraîner le compresseur.
• Les turbines à gaz sont limitées en termes de carburant, du gaz naturel ou du carburant liquide de haute qualité est utilisé.
• La capacité d'une centrale à turbine à gaz est limitée à 150 MW.

Écologie

Un facteur positif dans l'utilisation des turbines à gaz est la teneur minimale en substances nocives dans les émissions. Selon ce critère, les turbines à gaz sont en avance sur leur concurrent le plus proche - les centrales électriques à pistons. En raison de leur respect de l'environnement, les turbines à gaz peuvent facilement être placées à proximité des lieux de résidence des personnes. La faible teneur en émissions nocives lors du fonctionnement des turbines à gaz permet d'économiser de l'argent dans la construction de cheminées et l'achat de catalyseurs.

Économie GTU

À première vue, les prix des turbines à gaz sont assez élevés, mais avec une évaluation objective des capacités de cet équipement électrique, tous les aspects se mettent en place. Les investissements en capital élevés au démarrage d'un projet énergétique sont entièrement compensés par de faibles coûts lors de l'exploitation ultérieure. De plus, les paiements environnementaux sont considérablement réduits, les coûts d'achat d'énergie électrique et thermique sont réduits et l'impact sur l'environnement et la population est réduit. Pour ces raisons, des centaines de nouvelles turbines à gaz sont achetées et installées chaque année.

CENTRALE DE TURBINES À GAZ

INTRODUCTION

Aux premières étapes du développement des turbines à gaz, deux types de chambres de combustion étaient utilisés pour la combustion du carburant. Dans la chambre de combustion du premier type, le carburant et le comburant (air) étaient alimentés en continu, leur combustion était également maintenue en continu et la pression ne changeait pas. Dans la chambre de combustion, le deuxième type de combustible et le comburant (air) étaient fournis par portions. Le mélange a été enflammé et brûlé dans un volume fermé, puis les produits de combustion sont entrés dans la turbine. Dans une telle chambre de combustion, la température et la pression ne sont pas constantes : elles augmentent fortement au moment de la combustion du carburant.

Au fil du temps, les avantages incontestables du premier type de chambres de combustion ont été révélés. Par conséquent, dans les turbines à gaz modernes, le carburant est dans la plupart des cas brûlé à une pression constante dans la chambre de combustion.

Les premières turbines à gaz avaient un faible rendement, car les turbines à gaz et les compresseurs étaient imparfaits. Avec l'amélioration de ces unités, l'efficacité des centrales à turbine à gaz a augmenté et elles sont devenues compétitives par rapport aux autres types de moteurs thermiques.

À l'heure actuelle, les turbines à gaz sont le principal type de moteurs utilisés dans l'aviation, en raison de la simplicité de leur conception, de leur capacité à gagner rapidement en charge, d'une puissance élevée avec un faible poids et de la possibilité d'une automatisation complète du contrôle. Un avion propulsé par un moteur à turbine à gaz a effectué son premier vol en 1941.

Dans le secteur de l'énergie, les turbines à gaz fonctionnent principalement à un moment où la consommation d'électricité augmente fortement, c'est-à-dire lors des pics de charge. Bien que l'efficacité des turbines à gaz soit inférieure à celle des centrales à turbine à vapeur (à une puissance de 20 à 100 MW, l'efficacité des turbines à gaz atteint 20 à 30 %), leur utilisation en mode de pointe s'avère bénéfique, car start- le montage prend beaucoup moins de temps.

Dans certaines turbines à gaz de pointe, les turboréacteurs d'avion qui ont fait leur temps dans l'aviation sont utilisés comme sources de gaz pour la turbine qui fait tourner le générateur électrique. Outre les moteurs à combustion interne, les turbines à gaz sont utilisées comme moteurs principaux dans les centrales électriques mobiles.

À procédés technologiques raffinerie de pétrole et industries chimiques, les déchets combustibles sont utilisés comme carburant pour les turbines à gaz.

Les centrales à turbine à gaz sont également largement utilisées dans le transport ferroviaire, maritime, fluvial et routier. Ainsi, sur les hydrofoils et les aéroglisseurs à grande vitesse, les GTU sont des moteurs. Sur les véhicules lourds, ils peuvent être utilisés à la fois comme moteur principal et auxiliaire, conçus pour alimenter en air le moteur à combustion interne principal et fonctionner sur ses gaz d'échappement.

De plus, les turbines à gaz servent d'entraînement pour les soufflantes de gaz naturel sur les principaux gazoducs, de générateurs électriques de secours pour les pompes à incendie.

! La principale direction dans laquelle l'industrie des turbines à gaz se développe est d'augmenter l'efficacité des turbines à gaz en augmentant la température et la pression du gaz devant la turbine à gaz. Pour cela, des systèmes de refroidissement complexes sont développés pour les parties les plus sollicitées des turbines ou de nouveaux matériaux à haute résistance sont utilisés - base nickel résistant à la chaleur, céramiques, etc.

Les centrales à turbine à gaz sont généralement fiables et faciles à exploiter, à condition de respecter scrupuleusement les règles établies et modes de fonctionnement, dont tout écart peut entraîner la destruction des turbines, la panne des compresseurs, des explosions dans les chambres de combustion, etc.

ÉLÉMENTS PRINCIPAUX DE LA TURBINE À GAZ

INFORMATIONS GÉNÉRALES SUR LA TURBINE À GAZ

Moteur à turbine à gaz(GTE) - l'un des types de moteur thermique dans lequel le gaz est comprimé et chauffé, puis l'énergie du gaz comprimé et chauffé est convertie en travail mécanique sur l'arbre de la turbine à gaz. Une centrale à turbine à gaz se compose de trois éléments principaux : une turbine à gaz, des chambres de combustion et un compresseur d'air.

La transformation de la chaleur en travail s'effectue dans plusieurs unités GTE (Fig. 1)

Riz. 1. Schéma d'un moteur à turbine à gaz :

TN - pompe à carburant ; CS - chambre de combustion; K - compresseur; T - turbine ; EG - générateur électrique.

Le carburant et l'air comprimé sont fournis à la chambre de combustion par une pompe à carburant après le compresseur. Le carburant est mélangé à de l'air, qui sert d'agent oxydant, enflammé et brûlé. Les produits de combustion purs sont également mélangés à l'air afin que la température des gaz obtenus après mélange ne dépasse pas la valeur de consigne. Depuis les chambres de combustion, le gaz entre dans la turbine à gaz, qui est conçue pour convertir son énergie potentielle en travail mécanique. Lors du travail, le gaz se refroidit et sa pression diminue jusqu'à la pression atmosphérique. De la turbine à gaz, le gaz est libéré dans l'environnement.

De l'air pur pénètre dans le compresseur à partir de l'atmosphère. Dans le compresseur, sa pression augmente et la température augmente. L'entraînement du compresseur doit prendre une part importante de la puissance de la turbine.

Les centrales à turbine à gaz fonctionnant selon ce schéma sont appelées installations en circuit ouvert. La plupart des turbines à gaz modernes fonctionnent selon ce schéma.

Riz. 2. Cycle du moteur à turbine à gaz.

En remplaçant la combustion du carburant par un apport de chaleur isobare (ligne 2-3 sur la Fig. 2) et le refroidissement des produits de combustion émis dans l'atmosphère par une évacuation de la chaleur isobare (ligne 1-4), on obtient le cycle GTE :

1-2 - compression du fluide de travail de pression atmosphériqueà la pression dans le moteur ;

2-3 - combustion dans la chambre ;

3-4 - le processus d'expansion adiabatique du fluide de travail;

4-1 - les gaz d'échappement sont rejetés dans l'atmosphère

De plus, appliquez turbines à gaz fermées(Fig. 3). Les turbines à gaz fermées ont également le compresseur 3 et la turbine 2 . La source de chaleur 1 est utilisée à la place de la chambre de combustion , dans lequel la chaleur est transférée au fluide de travail sans se mélanger au carburant. L'air, le dioxyde de carbone, la vapeur de mercure ou d'autres gaz peuvent être utilisés comme fluide de travail.

Le fluide de travail, dont la pression est augmentée dans le compresseur, s'échauffe dans la source de chaleur 1 et pénètre dans la turbine 2 , dans lequel il donne son énergie. Après la turbine, le gaz entre dans l'échangeur de chaleur intermédiaire 5 (régénérateur), dans lequel il chauffe l'air, puis se refroidit dans le refroidisseur 4 , entre dans le compresseur 3 et le cycle se répète.En tant que source de chaleur, des chaudières spéciales peuvent être utilisées pour chauffer le corps de travail avec l'énergie du combustible brûlé ou des réacteurs nucléaires.

Riz. 3. Schéma d'un moteur à turbine à gaz fonctionnant en cycle fermé: 1 - réchauffeur de surface; 2 - turbine ; 3 - compresseur ; 4 - refroidisseur; 5 - régénérateur ; 6 - accumulateur d'air; 7 - compresseur auxiliaire.

turbine à gaz est un moteur qui combine les avantages d'une turbine à vapeur et d'un moteur à combustion interne. Contrairement à une turbine à vapeur, le fluide de travail ici n'est pas la vapeur des chaudières, mais les gaz générés lors de la combustion du carburant dans des chambres spéciales. Contrairement à un moteur à combustion interne, l'énergie du fluide de travail est convertie en énergie mécanique de rotation de l'arbre non pas en raison du mouvement alternatif du piston dans le cylindre, mais en faisant tourner la roue de turbine sous l'action d'un jet à grande vitesse de gaz s'écoulant de la buse.

Une turbine à gaz, comme une turbine à vapeur, est un mécanisme irréversible, par conséquent, pour l'inversion dans les installations de turbine à gaz, il est nécessaire de prévoir une turbine inversée ou un autre dispositif, par exemple une vis à pas réglable (CPP).

Turbine à gaz(GTU) se compose des parties principales suivantes : turbine à gaz, dans lequel l'énergie thermique des gaz chauds est convertie en énergie mécanique ; compresseur d'air, aspirant et comprimant l'air nécessaire à la combustion du carburant ; chambres de combustion(générateur de gaz), dans lequel le combustible liquide atomisé est mélangé à de l'air et brûlé, formant un fluide de travail - gaz chaud; pipelines pour fournir de l'air au générateur de gaz, fournir des gaz du générateur à la turbine à gaz et des gaz d'échappement à l'atmosphère ; dispositifs de recyclage, assurant l'utilisation de la chaleur des gaz d'échappement.

Riz. 124. Forme générale(a) et schéma d'une turbine à gaz avec une chambre de combustion (b) (puissance 4040 kW).

1 - compresseur basse pression ; 2 - réchauffeur d'air; 3 - TVD ; 4 - compresseur haute pression ; 5 - turbine de démarrage ; 6 - chambre de combustion ; 7 - buse; 8 - DT ;

9 - refroidisseur d'air; 10 - boîte de vitesses

De plus, les CGU comprennent systèmes de carburant et d'huile, fournissant du carburant à la chambre de combustion et de l'huile aux roulements et au train d'engrenages de la turbine, ainsi qu'une petite turbine à vapeur de démarrage utilisant la vapeur d'une chaudière auxiliaire.

Le dispositif de la turbine à gaz est similaire turbine à vapeur. Mais la turbine à gaz subit des charges thermiques plus élevées : ses pales de rotor fonctionnent à la température des gaz chauds (650-850°), tandis que la température de la vapeur de travail est de 400-500°. Cela réduit considérablement la durée de vie de la turbine à gaz. En fonction de la méthode acceptée la compression de l'air et la formation de gaz chauds distinguent les turbines à gaz avec chambre de combustion des turbines à gaz avec générateurs de gaz à piston libre (SPGG).

Dans une turbine à gaz avec une chambre de combustion (Fig. 124) air extérieur est aspiré par le compresseur centrifuge basse pression et acheminé via le refroidisseur d'air vers le compresseur haute pression, puis via le réchauffeur d'air vers la chambre de combustion.

En même temps, le carburant est injecté dans la chambre de combustion à travers la buse. La combustion et la formation de gaz chauds se produisent, qui pénètrent séquentiellement dans les turbines à gaz haute pression et basse pression et sortent dans l'atmosphère par la conduite d'échappement. Un réchauffeur d'air et une chaudière de récupération sont installés le long du trajet des gaz d'échappement, dont la vapeur peut être utilisée pour un turbogénérateur ou pour une turbine auxiliaire alimentée par un arbre porte-hélice. Les compresseurs centrifuges basse et haute pression sont entraînés respectivement par des turbines basse et haute pression. Seule la turbine basse pression agit sur l'hélice par l'intermédiaire de la boîte de vitesses.

Riz. 125. Vue générale (a) et schéma du SPGG (b).

1 - soupapes d'admission du compresseur; 2 - soupapes d'échappement du compresseur ;

3 - piston compresseur; 4 - cylindre compresseur;

5 - fenêtres d'entrée; 6 - fenêtres de sortie; 7 - buse; 8 - cylindre de travail; 9 - cylindre tampon; 10 - piston tampon; 11 - réservoir d'air de purge; 12 - piston de travail; 13 - mécanisme de synchronisation des pistons

Une turbine à gaz avec générateurs de gaz à pistons libres (SPGG) (Fig. 125) diffère d'une turbine à gaz avec chambre de combustion en ce que des gaz chauds sont formés dans un générateur de gaz spécial fonctionnant sur le principe d'un moteur à combustion interne à pistons librement divergents. Le SPSG est une unité symétrique composée d'un moteur monocylindre à deux temps avec des pistons à mouvement opposé, d'un compresseur à simple effet à un étage et de deux cylindres tampons. Le cylindre contient deux pistons de travail reliés à des compresseurs et des pistons tampons.

Riz. 126. Aménagement d'une centrale électrique à turbine à gaz avec SGSG.

1 - SPGG ; 3 - turbine à gaz; 3 - réducteur; 4 - générateur diesel

La course de travail (divergente) des groupes de pistons s'effectue sous l'action du gaz se dilatant dans le cylindre de travail. Dans ce cas, l'air dans les cylindres du compresseur est d'abord comprimé, puis à travers les soupapes d'échappement entre dans le récepteur d'air de purge. Simultanément à la compression de l'air dans les cylindres compresseurs, l'air dans les cylindres tampons est comprimé, après quoi son énergie est dépensée pour l'inversion des pistons de travail et la compression de l'air dans le cylindre de travail.

À la fin de la course du piston, les orifices d'échappement s'ouvrent en premier, puis les orifices d'admission. Par les orifices de sortie, les gaz d'échappement pénètrent dans la turbine à gaz et, par les orifices d'entrée, l'air de purge comprimé du récepteur remplit le cylindre de travail.

L'excès d'air de récupération se mélange aux gaz d'échappement chauds et s'écoule également vers la turbine à gaz.

Lors de la course inverse des pistons moteurs, sous l'action de l'air comprimé dans les cylindres tampons, les fenêtres d'entrée se ferment, puis les fenêtres de sortie, et en même temps de l'air est aspiré par les soupapes dans les cylindres compresseurs. Au moment où les pistons se rapprochent, du carburant est injecté dans le cylindre de travail par la buse et le processus se répète.

GTP et SPSG sont compacts, d'un poids relativement faible de 16 à 24 kg/kW et d'une faible consommation de carburant de 260 g/(kW-h). L'avantage est la possibilité d'assembler une centrale électrique à partir de plusieurs SGSG, ce qui permet d'utiliser plus rationnellement le volume MCO (Fig. 126). Outre les types de turbines à gaz ci-dessus sur les petits navires à grande vitesse, en particulier sur les hydroptères, les turbines à gaz légères de type avion (1,5-4,0 kg / kW) sont largement utilisées. Mais ils ont une petite ressource motrice et une consommation de carburant accrue (340-380 g / kWh).

L'inconvénient des turbines à gaz de tous types, à l'exception de l'augmentation de la consommation de carburant et de la courte durée de vie, est le bruit élevé du MKO, pour réduire lequel il est nécessaire de recourir à des mesures spéciales.