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

.