Газовые турбины в теплоэнергетике

Наряду с развитием паротурбинных установок и усовершенствованиями двигателей внутреннего сгорания (ДВС) к началу XX века возрос интерес к проблеме газотурбостроения. ГТУ принципиально отличается от ДВС как поршневого газового двигателя тем, что механическая энергия производится в них за счёт кинетической энергии непрерывного потока газа, что существенно повышает её работоспособность [1]. Основным преимуществом ГТУ перед другими тепловыми двигателями состоит в принципиальной возможности получения более высоких термических кпд при преобразовании энергии, а также сосредоточение больших мощностей в малогабаритных агрегатах.

Традиционная современная газотурбинная установка (ГТУ) — это совокупность воздушного компрессора, камеры сгорания углеводородного топлива и газовой турбины, а также вспомогательных систем, обеспечивающих ее работу.

ГТУ может работать как на жидком, так и на газообразном топливе. В обычном рабочем режиме – на газе, а в резервном (аварийном) она автоматически переключается на дизельное топливо. Оптимальным режимом работы энергетической газотурбинной установки является комбинированная выработка тепловой и электрической энергии, поскольку её турбина работает с противодавлением.

Применение ГТУ в теплоэнергетике создает реальные возможности значительного улучшения технико-экономических и экологических показателей вырабатываемой электрической и тепловой энергии, прежде всего в малой энергетике, при их использовании для покрытия пиковых нагрузок энергетических систем и в качестве составного элемента комбинированных парогазовых энергетических установок [5].

Наиболее распространённым типом ГТУ является установка со сгоранием топлива при постоянном давлении и разомкнутым циклом [1]. Однако такая установка имеет довольно низкий кпд h_э ~ 20%. Для повышения эффективности ГТУ в схему простой установки вводится регенератор [1], позволяющий частичное использование энергии отработавших газов и повышающий кпд до h_э ~ 28%. Однако использование регенератора существенно снижает экономичность установки в целом, и применяется в редких случаях.

Эффективным путём повышения кпд установки считается увеличение температуры рабочих газов перед турбиной, т.е. в создании высокотемпературных ГТУ. Этот приём требует разработки таких методов охлаждения рабочих элементов первых ступеней турбины, которые не препятствовали бы повышению кпд ГТУ в целом.

Также используются схемы ГТУ со ступенчатым сжатием и сгоранием топлива, приводящие к двухвальной структуре установок с несколькими компрессорами и камерами сгорания. Расчёты показывают, что эффективность ГТУ при этом можно повысить до h_э ~ 36% и более, если начальная температура газов будет больше 800 ⁰С.

Развитие ГТУ и повышение их характеристик тесно связано с разработкой высокопроизводительных и эффективных турбокомпрессоров. И, тем не менее, на привод компрессора турбина затрачивает примерно 2/3 своей мощности, что и ограничивает эффективность установки в целом.

Первый патент на проект газотурбинной установки был выдан в 1791 году в Англии Джону Барберу. В патенте Барбера, хотя и в примитивной форме, были представлены все основные элементы современных газотурбинных установок: имелись воздушный и газовый компрессоры, камера сгорания и активное турбинное колесо. Для работы предполагалось использовать продукты перегонки угля, дерева или нефти. Для понижения температуры рабочих газов предполагалось впрыскивание воды в камеру сгорания.

В XIX веке продолжались многочисленные попытки ученых и изобретателей различных стран создать газотурбинную установку, пригодную для практического использования. Однако эти попытки были обречены на неудачу вследствие низкого уровня науки и техники. Металлы, которые могли бы длительное время противостоять температурам порядка 500 ⁰С и выше, еще не были получены (здесь уместно вспомнить опыт Парсонса по созданию газовой турбины для привода торпеды, раздел 1.2.2). Кроме того, свойства, газов и паров были изучены недостаточно, а состояние газодинамики не могло обеспечить создания хороших проточных частей турбины и компрессора.

В России также предпринимались попытки создать газотурбинную установку, в частности, инженер-механиком русского военно-морского флота П.Д. Кузминским (1897 г.). Он разработал, а затем и осуществил небольшую газопаровую турбинную установку, состоявшую из камеры сгорания, в которую кроме воздуха и топлива, подавался водяной пар, получавшийся в змеевике, окружавшем камеру. Газопаровая смесь затем поступала в многоступенчатую турбину радиального типа. Горение топлива (керосина) происходило при постоянном давлении порядка 10 ата. Турбина предназначалась для привода небольшого катера. При испытаниях, несмотря на принятые меры, камера сгорания турбины быстро прогорала и выходила из строя. Создать длительно действующую установку не удалось.

В период 1900 – 1904 гг. в Германии инженером Штольце была построена и испытана газотурбинная установка, в которой понижение температуры рабочих газов перед поступлением их в турбину осуществлялось за счет большого избытка воздуха, подававшегося компрессором в камеру сгорания. Испытания установки не дали положительных результатов. Практически вся мощность газовой турбины расходовалась только на привод компрессора, так что полезная мощность установки была близка к нулю. В 1905 – 1906 гг. французскими инженерами Арманго и Лемалем были построены две газотурбинные установки, работавшие на керосине. Снижение температуры газов перед турбинами примерно до 560 ⁰С достигалось впрыскиванием воды. Мощность газовой турбины первой установки равнялась 25 л.с., второй – до 400 л.с. КПД установок был чрезвычайно низок и не превышал 3..4%, хотя механический кпд собственно турбины достигал уже 70..75%.

Над созданием газотурбинных установок работал также немецкий ученый доктор Хольцварт, который провел обширные экспериментальные работы, основанные на глубоких теоретических исследованиях. Начиная с 1908 г. по проектам Хольцварта было построено несколько газотурбинных установок. Наибольший кпд, который был получен в опытах с турбинами Хольцварта за период до 1927 г, составил 14 %.

В общем же можно сказать, что те немногие, фактически работавшие газотурбинные установки, которые были построены за рассмотренный период времени, либо обладали низким кпд, либо были конструктивно очень сложны и мало надежны в эксплуатации, что, естественно, являлось препятствием для их практического использования. Большие достижения инженеров в Германии по разработке газовых турбин и компрессоров, начатые в конце 30-х годов, позволили создать и довести до серийного производства к 1944 г. турбокомпрессорные авиационные реактивные двигатели, использовавшиеся на реактивных самолётах Мессершмитта.

Реальное применение газовых турбин началось в 50-х годах XX века. Первые практически эксплуатировавшиеся газовые турбины выполнялись утилизационными. Они работали на газах, отходивших от двигателей внутреннего сгорания, и приводили в действие воздуходувку, осуществлявшую наддув того же двигателя (усиление воздушной зарядки цилиндров повышало мощность ДВС за счёт увеличения массы воздуха, подаваемого в цилиндр). Подобная система впервые была применена в авиации, что позволило уменьшить “падение” мощности поршневого мотора с увеличением высоты полета самолёта.

Первая газотурбинная электростанция с турбоагрегатом мощностью 5 МВт была введена в эксплуатацию в 1939 г. в Швейцарии. Установка была выполнена по простейшей схеме (по циклу Брайтона), и работала при температуре газа перед турбиной порядка 560 °С. Позднее, в 50-х годах, в Швейцарии, в местечке Бецнау была построена и эксплуатировалась газотурбинная электростанция с турбоагрегатами мощностью в 12 и 25 МВт при начальной температуре газа 650 ⁰С. Тепловая схема установок предусматривала утилизацию теплоты отходящих газов для нужд производства, что обеспечило более высокий кпд энергетической системы.

С 50-х годов XX века начинается быстрое развитие газотурбостроения во всех странах, имевших развитую турбостроительную промышленность. В стационарном применении газотурбинных установок наметились два основные направления:

1) использование на магистральных газопроводах,

2) для выработки электроэнергии на электростанциях.

На газопроводах газотурбинные агрегаты применяются для привода компрессоров, перекачивающих газ. На отечественных заводах (НЗЛ, УТЗ, ЛМЗ) был освоен выпуск подобных турбонагнетателей первоначально мощностью 4 МВт, затем до 25 МВт и более мощных.