ELEKTROENERGETYKA

 

 

Budowa

,

 działanie oraz zastosowania 

turbin gazowych

 

w energetyce 

 

 

 

Wykład 4  

 

 

Plan prezentacji

1. Obiegi stosowane w elektrowniach z turbinami gazowymi i 

ich sprawność

2. Metody poprawy sprawności obiegów z turbinami 

gazowymi

3. Obiegi gazowo-parowe i ich zastosowanie w elektrowniach

4. Przykłady obiegów cieplnych z turbinami gazowymi

 

 

Rys. 1. Otwarty obieg cieplny z turbiną gazową, schemat ideowy, b) wykres entropowy, c) schemat realizacji

 

q

d

 - ciepło 

doprowadzone 
       do obiegu, 
q

o

- ciepło odprowadzone

 

1 - sprężarka, 
2 - turbina gazowa, 
3 - doprowadzenie  
powietrza, 
4 - komora spalania, 
5 - prądnica, 
6 - doprowadzenie 
paliwa, 

Przedmiot: 

Elektroenergetyka

, Temat: Budowa, działanie oraz zastosowania turbin gazowych

 

3

 

 

    Sprawność teoretyczna obiegu Braytona-Joule’a wyrazić można za pomocą formuły:  

  













1

1

2

1

3

4

1

1

1

1





























p

p

T

T

tB

przy czym:      - wykładnik adiabaty,
                        - stopień sprężania, 





1

2

p

p





    Sprawność teoretyczna przedstawionego idealnego obiegu w układzie ze spalaniem paliwa przy 
stałym ciśnieniu jest zatem tym większa, im wyższy jest stopień sprężania w sprężarce co 
jednocześnie odpowiada większej różnicy temperatur przed i za sprężarką oraz przed i za 
turbiną gazową. 

(1)

Przedmiot: 

Elektroenergetyka

, Temat: Budowa, działanie oraz zastosowania turbin gazowych

 

4

 

 

Rys. 2. Zależność sprawności rzeczywistej obiegu otwartego z turbiną gazową 

od temperatury gazów przed i za turbiną 

    W rzeczywistym obiegu z turbiną gazową wpływ stopnia sprężania ζ na sprawność nie jest tak prosty jak 
w obiegu teoretycznym. Wynika to z faktu, że przemiany sprężania i rozprężania są politropami, z czym 
jest związany przyrost pracy sprężania i zmniejszenie pracy rozprężania.  
    Ponadto występują spadki ciśnienia czynnika między sprężarką i turbiną oraz przyrost masy czynnika w 
komorze spalania (obieg otwarty).
    Powoduje to, że dla określonych wartości temperatury T

3 

przed turbiną sprawność rzeczywistego obiegu 

Braytona-Joule’a osiąga maksimum dla ściśle określonej, optymalnej wartości stopnia sprężania ζ. 

Przedmiot: 

Elektroenergetyka

, Temat: Budowa, działanie oraz zastosowania turbin gazowych

 

5

 

 

2. Metody poprawy sprawności obiegów z turbinami gazowymi

    

  regeneracja ciepła,
  wielostopniowe sprężanie i rozprężanie z podgrzewaniem międzystopniowym.     

    Istotną poprawę sprawności obiegu z turbiną gazową można uzyskać podgrzewając sprężone powietrze 
kierowane do komory sprężania za pomocą gazów wylotowych z turbiny czyli stosując regenerację ciepła. 
    Sprawność teoretyczna obiegu z regeneracja ciepła przyjmuje postać: 

3

2

4

1

1

1

T

T

T

T

tB











(2)

    Z porównania (1) i (2) wzorów wynika że dla t

4

 > t

2

 (spełnionego w układzie z regeneracją) sprawność 

obiegu z regeneracją jest zawsze większa od sprawności obiegu otwartego bez regeneracji.
       I
    Istotne zbliżenie obiegu Braytona-Joule’a do teoretycznego obiegu Carnota można uzyskać przez zastoso-
wanie wielostopniowego sprężania z ochładzaniem międzystopniowym i wielostopniowym rozprężania z 
podgrzewaniem międzystopniowym oraz z regeneracją ciepła.

  

    

Duża część mocy turbiny gazowej (ok. 70 %) jest zużywana do napędu sprężarki. 

Jednak rozwój turbin gazowych w ostatnich latach jest dynamiczny i obecnie osiągają one moc 240-265 MW, 
przy sprawności do 38 %. 

Przedmiot: 

Elektroenergetyka

, Temat: Budowa, działanie oraz zastosowania turbin gazowych

 

6

 

 

Rys. 3. Podstawowy i rozwinięty obieg i schematy realizacji układów z turbinami gazowymi, 
a)

układ z regeneracja ciepła, b) układ z dwustopniowym sprężaniem i dwustopniowym rozprężaniem, 

S - sprężarka, Ch - chłodnica międzystopniowa, R - regeneracyjny wymiennik ciepła, KS - komora spalania, 
T - turbina gazowa, G - prądnica

 

Przedmiot: 

Elektroenergetyka

, Temat: Budowa, działanie oraz zastosowania turbin gazowych

 

7

 

 

    W obiegu z dwustopniowym sprężaniem i dwustopniowym 
rozprężaniem zachodzą następujące przemiany termodynamiczne:

  sprężanie powietrza w sprężarce niskoprężnej,

  izobaryczne chłodzenie powietrza w chłodnicy międzystopniowej,

  sprężanie powietrza w sprężarce wysokoprężnej,

  izobaryczne podgrzewanie powietrza w wymienniku regeneracyjnym,

  izobaryczne podgrzewanie powietrza i spalanie paliwa oraz odprowadzenie 

spalin do turbiny gazowej,

  rozprężanie spalin w turbinie wysokoprężnej,

  izobaryczne podgrzewanie spalin i spalanie dodatkowego paliwa,

  rozprężanie spalin w turbinie niskoprężnej,

  izobaryczne ochładzanie spalin w wymienniku regeneracyjnym. 

Przedmiot: 

Elektroenergetyka

, Temat: Budowa, działanie oraz zastosowania turbin gazowych

 

8

 

 

3. Obiegi gazowo-parowe i ich zastosowanie w elektrowniach

    Zastosowanie nadkrytycznych parametrów pary (25-30 MPa, 580-600 

0

C) oraz 

udoskonalanie obiegu cieplnego i poszczególnych urządzeń, pozwoliły na osiągnięcie 
sprawności netto dochodzącej do 46 % .
    Są to już wartości bliskie granicznym, ze względu na nieopłacalność dalszego 
zwiększania parametrów początkowych, co wynika zarówno ze względów 
materiałowych, dyspozycyjności i niezawodności pracy.
    Istotne zwiększenie sprawności jest możliwe w układach kombinowanych 
dwuczynnikowych, 
w których klasyczny obieg parowy jest nadbudowany innym obiegiem 
wysokotemperaturowym.    

Rys. 4. Schematy układów cieplnych gazowo-parowych, 
a) układ z wysokociśnieniowa wytwornica pary (równoległy), 
b) układ z konwencjonalnym kotłem parowym (szeregowy), 

1 - sprężarka, 
2 - ciśnieniowa wytwornica 
      pary, 
3 - komora spalania, 
4 - turbina gazowa, 
5- kocioł parowy, 
6 - turbina parowa, 
7 - podgrzewacz wody, 

8 - pompa wody zasilającej

 

Przedmiot: 

Elektroenergetyka

, Temat: Budowa, działanie oraz zastosowania turbin gazowych

 

9

 

 

Rys. 5. Teoretyczne obiegi podstawowych układów gazowo-parowych,

1 – obieg gazowy, 2 – obieg parowy, 3 – obieg Carnota 

    Zaletą układów gazowych jest znacznie wyższa temperatura początkowa czynnika roboczego (do 1250 

0

C),

 wadą natomiast wysoka średnia temperatura odprowadzania ciepła. Do głównych zalet układów parowych 
należą odprowadzanie ciepła do dolnego źródła przy stałej temperaturze, wyższej tylko o kilka stopni od tem-
peratury otoczenia i stosunkowo mała praca sprężania. Wadą tych układów jest proces odprowadzania ciepła, 
wymagający dużych powierzchni wymiany ciepła i zmuszający do ograniczania temperatury t

1 

do 580-600 

0

C.

Przedmiot: 

Elektroenergetyka

, Temat: Budowa, działanie oraz zastosowania turbin gazowych

 

10

 

 

4. Przykłady obiegów cieplnych z turbinami gazowymi

Rys. 6. Elektrociepłownia gazowo-parowa, a) schemat cieplny, b) strumieniowy bilans cieplny,

1 - zespół gazowy, 2 - kocioł odzysknicowy, 3 - turbozespół parowy, 4 - odgazowywacz, 5 - pompa zasilająca niskiego 
ciśnienia, 6 - podgrzewacz wody niskiego ciśnienia, 7 - walczak niskiego ciśnienia, 8 - pompa obiegowa niskiego ciśnienia, 
9 - parownik niskiego ciśnienia, 10 - przegrzewacz pary niskiego ciśnienia, 11 - pompa zasilająca wysokiego ciśnienia, 
12 - podgrzewacz wody wysokiego ciśnienia, 13 - walczak wysokiego ciśnienia, 14 - pompa wysokiego ciśnienia, 
15 - parownik wysokiego ciśnienia, 16 - przegrzewacz pary wysokiego ciśnienia, 17 - odbiorniki ciepła, 

P

TG

 - moc turbiny 

           gazowej, 
Q

n

 - strumień energii 

        cieplnej, 
P

TP

 - moc turbiny 

          parowej, 
Q

TP

 - straty ciepła w 

           obiegu parowym, 
Q

TG

 - straty ciepła w 

           obiegu gazowym

Przedmiot: 

Elektroenergetyka

, Temat: Budowa, działanie oraz zastosowania turbin gazowych

 

11

 

 

Rys. 7. Sprawność obiegu cieplnego w zależności 
od temperatury t3 przed turbiną gazową i tempe-
ratury t

4

 za turbiną: 

a) w układzie otwartym, 
b) w układzie skojarzonym gazowo-parowym 

Przedmiot: 

Elektroenergetyka

, Temat: Budowa, działanie oraz zastosowania turbin gazowych

 

12

 

 

Przedmiot: 

Elektroenergetyka

, Temat: Budowa, działanie oraz zastosowania turbin gazowych

 

13

Rys. 8. Schemat cieplny bloku 
gazowo-parowego z kotłem 
odzysknico-wym 
trójciśnieniowym i z międzysto-
pniowym przegrzewaniem pary:
1- turbozespół gazowy; 
2, 3, 4 - części nisko-, średnio- i 
wysokociśnieniowe kotła; 
5 - pompy wody zasilającej; 
6 - turbina parowa; 
7 - sprzęgło rozłączalne

 

 

Rys. 9. Uproszczony przekrój osiowy zespołu gazowo-parowego w EC Gorzów SA

 

Przedmiot: 

Elektroenergetyka

, Temat: Budowa, działanie oraz zastosowania turbin gazowych

 

14

 

 

     W polskiej energetyce, wykorzystującej 
niskokaloryczne, zasiarczone i zapopielone węgle 
kamienne, szczególne korzyści może w 
przyszłości przynieść zastosowanie układów 
gazowo-parowych zintegrowanych ze 
zgazowaniem węgla. 

    W świecie pracuje już kilkanaście takich 
instalacji, a jedną z większych jest pierwsza w 
Europie pokazowa instalacja o mocy 
280 MW w Buggenum (Holandia). 
    
    Sukces tej i innych, podobnych instalacji 
będzie miał istotny wpływ na rozwój tzw. czystych 
technologii wytwarzania energii elektrycznej z 
węgla.

Przedmiot: 

Elektroenergetyka

, Temat: Budowa, działanie oraz zastosowania turbin gazowych

 

15

 

 

Przykład - obliczenie sprawności wybranego układu cieplnego bloku gazowo-parowego

 

Przedmiot: 

Elektroenergetyka

, Temat: Budowa, działanie oraz zastosowania turbin gazowych

 

16

Rys. 10. Schemat obiegu 
gazowo-parowego z 
kotłem odzyskowym
SP – sprężarka 
powietrza, 
KS – komora spalania, 
TG – turbina gazowa, 
KO – kocioł odzyskowy, 
TP – turbina parowa, 
S – skraplacz, P – pompa 
wodna, G – generator,
Q

p

 – strumień ciepła 

zawartego w paliwie,  
p – strumień masowy 
gazu, wody, powietrza 

Do obliczeń przyjęto układ gazowo-parowy z kotłem odzyskowym o 
następujących danych:
  - temperatura górna obiegu gazowego t

3

 = 900ºC;

  - temperatura spalin wylotowych z turbiny gazowej t

4

 = 450ºC;

  - strumień cieplny paliwa przeliczony na moc cieplną Q

p

 = 160MW;

  - moc mechaniczna turbiny gazowej N

TG

 = 45MW;

  - różnica pomiędzy temperaturą spalin na wlocie do kotła t

4

 a temperaturą pary 

świeżej t

0

: - Δt = 50ºC;

  - ciśnienie końcowe pary p

k

 = 0,005MPa;

  - sprawność wewnętrzna turbiny parowej η

TP

 = 0,85;

  - wydajność kotła odzyskowego (strumień pary) m

p

=34,51kg/s,

  - ciśnienie pary świeżej p

0

=2MPa.   

 

 

Sprawność obiegu gazowo-parowego określona jest wzorem:

Przedmiot: 

Elektroenergetyka

, Temat: Budowa, działanie oraz zastosowania turbin gazowych

 

17

p

TP

p

TG

p

TP

TG

GP

Q

N

Q

N

Q

N

N











  Moc turbiny parowej zależy od strumienia pary (wydajności kotła) m

p

,  

spadku entalpii pary wodnej oraz sprawności wewnętrznej turbiny:

  

N

TP

 = ∙m

p

 ∙ I ∙η

TP

 

Spadek entalpii w turbinie parowej:

                  

I = i

0

 - i

k

 

gdzie: i

k 

– entalpia końcowa pary (na wylocie turbiny)

 

Na podstawie wcześniejszych zależności zapisać można:

 

N

TP

 = m

p

 ∙ (i

0

-i

k

) ∙ η

TP

 

 

 

    Entalpię pary świeżej i

0

 można odczytać z wykresu entalpia-entropia 

(i-s). Do odczytania wartości i

0 

 potrzebne są parametry p

0

 i t

0

. 

   Ciśnienie p

0

 jest znane, a temperaturę t

0

 obliczono z zależności:

 

Przedmiot: 

Elektroenergetyka

, Temat: Budowa, działanie oraz zastosowania turbin gazowych

 

18

t

0

 = t

4

 – Δt = 450ºC – 50ºC = 400ºC 

  Znając parametry p

0

 i t

0

 można odczytać z wykresu i-s entalpię pary świeżej:

 

i

0

=3222kJ/kg 

Następnie z wykresu i-s odczytano teoretyczną wartość entalpii pary 
na wylocie turbiny:

                       

i

ka

=2150kJ/kg 

    W celu znalezienia rzeczywistej wartości entalpii pary i

k

 można 

skorzystać ze wzoru na sprawność wewnętrzną turbiny:

 



TP

k

ka

i

i

i

i







0

0

 

 

Przedmiot: 

Elektroenergetyka

, Temat: Budowa, działanie oraz zastosowania turbin gazowych

 

19

Entalpię końcową pary na wylocie z turbiny można obliczyć z wzoru :

 

i

k

 = i

0

 – η

TP

∙(i

0

 – i

ka

) 

i

k

 = 3222 – 0,85 ∙ (3222 – 2150) = 3222 – 

0,85 ∙ 1072 = 

3222 – 911,2 = 2310,8kJ/kg                      

Mając wartości i

0 

oraz i

k

 można obliczyć moc mechaniczną turbiny parowej: 

N

TP

 = 34,51kg/s ∙ (3222-2310)kJ/kg  ∙ 0,85 = 26752,15kW = 26,6752MW 

Sprawność analizowanego obiegu gazowo-parowego można określić zależnością:

 



GP

TG

TP

p

N

N

Q

MW

MW

MW

MW

MW













45

266752

160

716752

160

0448

,

,

,

 

 

Przedmiot: 

Elektroenergetyka

, Temat: Budowa, działanie oraz zastosowania turbin gazowych

 

20

Rys. 11. Sprawność rzeczywistego obiegu gazowo-parowego z kotłem odzyskowym

w funkcji temperatur przed t

3

 i za turbiną gazową t

4

 

 

 

Analiza przykładowego skojarzonego układu gazowo-parowego

 

Przedmiot: 

Elektroenergetyka

, Temat: Budowa, działanie oraz zastosowania turbin gazowych

 

21

    W umiarkowanych temperaturach zewnętrznych (w okresie ogrzewania) obciążenie 
miejskiej sieci cieplnej pokrywane jest przez podgrzewacze podstawowe zasilane parą 
z upustów ciepłowniczych. Turbozespół gazowy spełnia rolę instalacji szczytowo-
rezerwowej i po każdorazowym uruchomieniu w godzinach szczytowych obciążeń 
elektrycznych istnieje możliwość pokrywania obciążeń grzewczych z podgrzewacza 
spalinowo-wodnego zasilanego spalinami wyloto-wymi z turbiny gazowej, co umożliwia 
uzyskanie dodatkowej mocy elektrycznej z turbozespołu upustowo-kondensacyjnego, 
w wyniku większego obciążenia części kondensacyjnej.

 

Rys. 1. Uproszczony schemat cieplny 
kombinowanego układu gazowo-
parowego:
1, 2 – podgrzewacze podstawowe, 
3 – podgrzewacz spalinowo-wodny 

 

 

Dane proponowanego układu są następujące:

P

0

 = 14,7 MPa 

 

t

0

 = 540

0

C

D = 180 kg/s

p

1

 = 14 MPa

t

1 

= 530

0

C

η

il

 = 0,83

p

2

’

 = 4,2 MPa

p

0

’

 = 3,7 MPa   

            

t

0

’

 = 540

0

C       

          

p

3

 = 3,3 MPa   

                 

t

3

 = 530

0

C

η

i2

 = 0,835

η

i3

 = 0,82

p

uc2

 = 0,15 

MPa
p

uc1

 = 0,075 

MPa
p

k

 = 0,005 

MPa

η

k

 = 0,92

i

wz-1

 = 1050 

kJ/kg
Q

uc1

 = 200 

MW

D

ul

 = 8 kg/s

η

oe-b

 = 0,385

Q

uc

 = 210 MW

Q

1

 = 415 MW 

Przedmiot: 

Elektroenergetyka

, Temat: Budowa, działanie oraz zastosowania turbin gazowych

 

22

 

 

Przedmiot: 

Elektroenergetyka

, Temat: Budowa, działanie oraz zastosowania turbin gazowych

 

23

Moc cieplną odbieraną z kotła parowego można obliczyć ze wzoru:

 









 

i

i

i

i

Q

o

u

wz

o

D

D

D

'
2

'

1

1

2

















gdzie:
         i2’ – entalpia pary przed międzystopniowym przegrzewaczem.

po podstawieniu danych otrzymuje się:

 

MW

Q

502

2



Obliczeniowa moc cieplna doprowadzona do kotła w paliwie:

 



k

Q

Q

2

1



Po podstawieniu odpowiednich wielkości otrzymuje: 

MW

Q

546

92

,

0

502

1





   Moc elektryczna odbierana z generatora w układzie kondensacyjnym oblicza się ze wzoru: 



b

oe

ek

Q

P







1

 

 

Przedmiot: 

Elektroenergetyka

, Temat: Budowa, działanie oraz zastosowania turbin gazowych

 

24

Moc elektryczna odbierana z generatora w układzie kondensacyjnym 
wynosi: 

MW

P

ek

220

385

,

0

546







    Do obliczeń przyjęto obciążenie upustów ciepłowniczych Q

uc

 = 210 

MW, przyjmując przy tym równomierny podział obciążeń na 
podgrzewacze podstawowe: 

MW

Q

Q

uc

uc

110

2

1





Przy znamionowym obciążeniu upustów ciepłowniczych moc elektryczna 
obniżona zostanie o ΔP, a różnica ta może być obliczona z przybliżonego 
wzoru: 









i

i

D

i

i

D

P

k

uc

uc

k

uc

uc











2

2

1

1





i

i

D

Q

uc

sk

uc

uc

uc

1

1

1

1











i

i

D

Q

uc

sk

uc

uc

uc

1

2

2

2







gdzie:
Duc1 i Duc2 – strumienie pary odbieranej z upustów ciepłowniczych 

przy znamionowym  

                        obciążeniu,
iuc1  oraz  iuc2 – entalpie pary odbieranej z upustów ciepłowniczych,
isk-uc1 oraz  isk-uc2 – entalpie skroplin odbieranych z podgrzewaczy 

podstawowych.

 

kW

P 28200





 

 

   Do analizy opłacalności rozważanego układu gazowo-parowego 
wytypowano dwa warianty ekonomiczne:

•

  Proponowany układ kombinowany,

•

  Zastępcze układy rozdzielone: szczytowa elektrownia gazowa bez 

regeneracyjnego  
    podgrzewania powietrza, elektrociepłownia z turbozespołem upustowo-
kondensacyjnym i    
    wodnym kotłem szczytowym.

 

Przedmiot: 

Elektroenergetyka

, Temat: Budowa, działanie oraz zastosowania turbin gazowych

 

25

    Przy mniejszych różnicach temperatur, między spalinami i wodą 
przepływającą przez podgrzewacz, powierzchnia ogrzewana w 
podgrzewaczu będzie odpowiednio większa, przy takiej samej mocy 
cieplnej, niż wodnego kotła szczytowego. Uwzględnić należy przy tym fakt, 
że podgrzewacz spalinowo-wodny jest instalacja bardzo prostą, bez 
młynów węglowych oraz bez wentylatorów powietrza oraz spalin.

 

    W czasie pracy instalacji szczytowej wytwarzana jest dodatkowa energia 
elektryczna, która może stanowić dodatkowy efekt ekonomiczny netto: 

k

T

P

E

s

n

e

i

i

n

k

)

(















gdzie:
ΔP

i

 – dodatkowa moc elektryczna, przy całkowitym wyłączeniu obciążenia 

upustu   
         ciepłowniczego,  
T

i

 – roczne wykorzystanie dodatkowej energii cieplnej ΔPi,

K

e-n(s)

 – jednostkowy koszt energii elektrycznej netto, wytworzonej w 

zastępczej elektrowni 
            szczytowej

.