Газотурбина

                                                            Задание. Газовая турбина

 

 

Га́зовая турби́на (фр. turbine от лат. turbo вихрь, вращение) — это двигатель непрерывного действия, в лопаточном аппарате которого энергия сжатого и/или нагретого газа преобразуется в механическую работу на валу.^[1][2] Горение топлива может происходить как вне турбины, так и в самой турбине. Основными элементами конструкции являются ротор (рабочие лопатки, закреплённые на дисках) и статор, выполненный в виде выравнивающего аппарата (направляющие лопатки, закреплённые в корпусе).

Газовые турбины используются в  составе газотурбинных двигателей, стационарных газотурбинных установок (ГТУ) и парогазовых установок (ПГУ).

 

История

Попытки создать механизмы, похожие на турбины, делались очень давно. Известно описание примитивной паровой турбины, сделанное Героном Александрийским (1 в. до н. э.). В восемнадцатом веке англичанин Джон Барбер получил патент на устройство, которое имело большинство элементов, присутствующих в современных газовых турбинах. В 1872 году Франц Столц разработал газотурбинный двигатель. Однако только в конце XIX века, когда термодинамика, машиностроение и металлургия достигли достаточного уровня, Густаф Лаваль (Швеция) и Чарлз Парсонс   (Великобритания) независимо друг от друга создали пригодные для промышленного использования паровые турбины.

 

Принцип работы

Газ под высоким давлением поступает  через сопловой аппарат турбины в область низкого давления, при этом расширяясь и ускоряясь. Далее, поток газа попадает на рабочие лопатки турбины, отдавая им часть своей кинетической энергии и сообщая лопаткам крутящий момент. Рабочие лопатки передают крутящий момент через диски турбины на вал. Газовая турбина чаще всего используется как привод генераторов.

Механически газовые турбины могут  быть значительно проще, чем поршневые двигатели внутреннего сгорания. Более сложные турбины (которые используются в современных турбореактивных двигателях), могут иметь несколько валов, сотни турбинных и статорных лопаток, а также обширную систему сложных трубопроводов, камер сгорания и теплообменников.

Упорные подшипники и радиальные подшипники являются критическими элементом разработки. Традиционно они были гидродинамические, или охлаждаемые маслом шарикоподшипники. Их превзошли воздушные подшипники, которые успешно используются в микротурбинах и вспомогательных силовых установках.

 

Типы газовых турбин

Газовые турбины часто используются во многих ракетах на жидком топливе, а также для питания турбонасосов, что позволяет использовать их в  легковесных резервуарах низкого  давления, хранящих значительную сухую  массу.

 

 

Промышленные газовые  турбины для производства электричества

 

Отличие промышленных газовых турбин от авиационных в том, что их массогабаритные  характеристики значительно выше, они  имеют каркас, подшипники и лопастную  систему более массивной конструкции. По размерам промышленные турбины варьируются  от монтируемых на грузовики мобильных  установок до огромных комплексных  систем. Парогазовые турбины могут  иметь высокий КПД — до 60 % — при использовании выхлопа газовой турбины в рекуперативном генераторе пара для работы паровой турбины. С целью увеличения КПД они также могут работать в когенераторных конфигурациях: выхлоп используется в системах теплоснабжения - ГВС и отопления, а также с использыванием абсорбционных холодильных машинах в системах хладоснабжения. Одновременное использование выхлопа для получения тепла и холода называется режимом тригенерации. Коэффициент использования топлива в тригенераторном режиме, в сравнении с когенераторным может достигать более 90 %.

Турбины в больших промышленных газовых турбинах работают на синхронных с частотой переменного тока скоростях — 3000 или 3600 оборотов в минуту (об./мин.).

Газовые турбины простого цикла  могут выпускаться как для  большой, так и для малой мощности. Одно из их преимуществ — способность входить в рабочий режим в течение нескольких минут, что позволяет использовать их как мощность во время пиковых нагрузок. Поскольку они менее эффективны, чем электростанции комбинированного цикла, они обычно используются как пиковые электростанции и работают от нескольких часов в день до нескольких десятков часов в год, в зависимости, от потребности в электроэнергии и генерирующей емкости. В областях с недостаточной базовой нагрузкой и на электростанциях, где электрическая мощность выдается в зависимости от нагрузки, газотурбинная установка может регулярно работать в течение большей части суток. Типичная турбина простого цикла может выдавать от 100 до 300 мегаватт (МВт) мощности и иметь тепловой КПД 35-40 %.Максимальные КПД турбин простого цикла достигает 41 %.

 

Микротурбины

Отчасти, успех микротурбин обусловлен развитием электроники, делающей возможной работу оборудования без вмешательства человека. Микротурбины применяются в самых сложных проектах автономного электроснабжения.

 

Преимущества и недостатки газотурбинных  двигателей

 

 

Преимущества газотурбинных  двигателей

• Очень высокое отношение мощности к весу, по сравнению с поршневым двигателем;
• Возможность получения большего количества пара при работе (в отличие от поршневого двигателя)
• В сочетании с паровым котлом и паровой турбиной более высокий КПД по сравнению с поршневым двигателем
• Перемещение только в одном направлении, с намного меньшей вибрацией, в отличие от поршневого двигателя.
• Меньшее количество движущихся частей, чем у поршневого двигателя.
• Существенно меньше выбросов вредных веществ по сравнению с поршневыми двигателями
• Низкие эксплуатационные нагрузки.
• Низкая стоимость и потребление смазочного масла.
• Низкие требования к качеству топлива. ГТД потребляют любое горючее, которое можно распылить: газ, нефтепродукты, органические вещества и пылеобразный уголь.

 

 

Недостатки газотурбинных  двигателей

• Стоимость намного выше, чем у аналогичных по размерам поршневых двигателей, поскольку материалы применяемые в турбине должны иметь высокую жаростойкость и жаропрочность, а также высокую удельную прочность. Машинные операции также более сложные;
• Имеют меньший КПД при любом режиме работы, чем поршневые двигатели. (Официальные данные (стр.3) КПД на максимальной нагрузке 25-33%, при этом Официальные данные по поршневым двигателям - 41-42%)
• Низкий механический и электрический КПД (потребление газа более чем в 1.5 раза больше на 1 кВтЧ электроэнергии по сравнению с поршневым двигателем)
• Резкое снижение КПД на малых нагрузках (в отличие от поршневого двигателя)
• Необходимость использования газа высокого давления, что обуславливает необходимость применения дожимных компрессоров с дополнительным расходом энергии и падением общей эффективности системы.
• Задержка отклика на изменения настроек мощности.
• Медленный запуск и выход на режим
• Существенное влияние пусков-остановов на ресурс

Эти недостатки объясняют, почему дорожные транспортные средства, которые меньше, дешевле и требуют менее регулярного  обслуживания, чем танки, вертолеты  и крупные катера, не используют газотурбинные двигатели, несмотря на неоспоримые преимущества в размере  и мощности. А также то, почему в аэропортах при короткой стыковке двигатели самолета не останавливают - излишне потребленное топливо дешевле  ремонта турбин из-за пусков-остановов.

ВВЕДЕНИЕ:

 

Природный газ - богатство  России, товар, пользующийся сегодня  громадным спросом. Сегодня нет  ни одной отрасли промышленности, которая бы обходилась без газопотребления. Чтобы он служил человеку и в XXI веке, нужны колоссальные затраты - людские, финансовые, материальные - на его добычу, транспортировку, распределение, а самое главное - на восполнение неуклонно падающей добычи газа.

Первые значительные шаги по созданию новой отрасли - газовой  промышленности были сделаны в критической  для страны обстановке, в годы Великой  Отечественной войны. Совместное постановление  ЦК КПСС и Совета Министров СССР от 15 августа 1958 г. № 935 "О дальнейшем развитии газовой промышленности и  газоснабжении предприятий и  городов СССР" заложило основы для  бурного роста газовой индустрии  как важнейшей отрасли народного  хозяйства.

Главгаз перед своими коллективами ставил две грандиозные задачи: увеличение ежегодной добычи с 42 до 150 млрд. м3 к 1965 г. и строительство 26 000 км магистральных газопроводов, т.е. вдвое больше, чем было создано за все предшествующие годы.

В успешной деятельности Главгаза была заинтересована вся страна. Ведь среди городов и промышленных центров, куда в 1959 - 1965 гг. требовалось по трубопроводам доставить "голубое топливо", были названы Алма-Ата, Вильнюс, Горький, Днепропетровск, Ереван, Самарканд, Севастополь, Ташкент, Фрунзе, Чимкент и др. Впервые в официальных бумагах появился и новый адрес - индустриальный Урал.

Началась история становления  и развития "Уралтрансгаза". Она связана с легендарной стройкой 60-х годов - созданием магистрального газопровода "Бухара-Урал". Это дало новый импульс индустриальному развитию края, способствовало его экономическому росту и оздоровлению экологической обстановки в старейшем промышленном центре страны.

Сначала газ получали с  Газлинского месторождения, в начале 70-х годов магистраль "Бухара-Урал" была состыкована с газотранспортной системой Тюменской области. В начале 90-х годов Казахстан отделился и "забрал" все южные станции и газ с Газлинского месторождения. Движение потоков газа изменилось.

Сегодня природный газ  поступает в регион уже с месторождений  Западной Сибири, а "Уралтрансгаз" превратился в современное высокотехнологическое предприятие, на котором трудится более 10 тысяч человек.

Оно осуществляет не только транспортировку топлива, но и диагностику, реконструкцию газотранспортных объектов, разработку и использование энергосберегающего оборудования.

 

1. Общая характеристика  предприятия, история его развития.

 

История предприятия

 

Раскинувшаяся на большей  части территории России сеть предприятий  «Газпрома», работающих в рамках Единой системы газоснабжения, накрывает  собой и Урал. Голубое топливо  впервые появилось здесь в  начале 60-х годов ХХ века, когда  был построен и пущен в эксплуатацию первый в мире и самый крупный  тогда трансконтинентальный магистральный  газопровод «Бухара-Урал».

 

1950-60-е годы - время великих  газовых строек в СССР. Интенсивное  развитие всех отраслей советской  промышленности в то время  требовало новой техники и  технологий, современных научных  разработок и, прежде всего  - новых энергоносителей. Использование  природного газа в черной и  цветной металлургии, химической  промышленности, бытовом секторе  все больше внедрялось и усиливалось.  Но едва ли не больше других  регионов, газ был нужен Уралу.  Здесь в военные и послевоенные  годы сосредоточилась значительная  часть промышленного потенциала  страны. Эвакуированные в начале 40-х годов заводы активно работали, и развитие их сдерживало только  одно: «опорный край державы», обладавший  почти всей таблицей Менделеева, не хранил в своей «кладовой»  практически никаких энергоносителей.  Уголь возили с Донбасса и  Кузбасса, нефть не добывалась, электроэнергию  «качали» с Поволжья и из  Сибири. Атомная энергетика находилась  в зачаточном состоянии. О торфе  и ветре, как и о солнечной  энергии, никто всерьез не думал.  И тогда Центральный Комитет  КПСС принял постановление, предписывающее  осуществит

20:24:39 

осуществить скорейшее строительство  магистральных газопроводов из Бухарской  области Узбекской ССР на Урал и обеспечить ввод их в эксплуатацию в следующие сроки: первого газопровода  «Газли-Челябинск» - в 1963 году; второго  газопровода «Газли-Челябинск-Свердловск» - в 1965 году.

 

«Бухару-Урал» строили  «всем миром».

 

С заводов всей страны потоком  шли техника и материалы, из разных городов приезжали рабочие и  специалисты. Челябинский, Харцызский и другие трубопрокатные заводы в кратчайшие сроки наладили производство трубы диаметром 1020 мм. взамен прекращенных поставок германского концерна «Маннесманн». ЦК ВЛКСМ объявил газопровод Всесоюзной ударной комсомольской стройкой. В бухарской пустыне вырос город газовиков - Газли, на всем протяжении более чем двухтысячекилометровой трассы возводились огромные корпуса компрессорных станций, где монтировались мощные газоперекачивающие агрегаты, строились поселки газовиков со всей инфраструктурой.

 

Трасса магистрального газопровода  “Бухара - Урал” отличается от других, прежде всего, тяжелейшими природными и климатическими условиями. Ненаселенная территория, резко различающиеся  по климату, почве, гидрогеологическим и другим особенностям районы, бездорожье... 390 километров трассы прошли по скальным грунтам, столько же — по барханным, ячеистым и щебеночным грунтам, 120 километров — по пескам, около тысячи — по степным малообжитым районам. Газопровод “Бухара - Урал” пересек 625 естественных и искусственных преград, в том числе 14 рек и крупных каналов, 437 мелких каналов, арыков и ручьев, 68 балок и оврагов, 22 болота, 19 железных и 650 автомобильных дорог. Общая протяженность магистрального газопровода “Бухара - “Урал” в однониточном исчислении составила 4464 километра труб диаметром 1020 мм., построено 17 компрессорных станций, 22 газораспределительные станции.

 

И, несмотря на значительные трудности, с которыми пришлось столкнуться  строителям - тяжелейшие природные  и климатические условия, безлюдные  и пустынные районы, сотни естественных и искусственных преград - газ  в дома челябинцев и свердловчан пришел точно в установленный час. Для эксплуатации новой газовой магистрали 28 января 1964 г. было создано Управление магистральных газопроводов «Бухара-Урал».

 

Запасов Газлинского месторождения хватило лишь на 20 лет, но к тому времени, как они истощились, уже шла активная эксплуатация северных месторождений. Оттуда и стало поступать на Урал голубое топливо – по газопроводу «Игрим-Серов-Нижний Тагил», а затем и по магистрали «Уренгой-Челябинск».

 

Важнейшим профессиональным достижением “Уралтрансгаза” стал практический опыт, позволивший Газпрому на примере проблем эксплуатации “Бухары-Урала” выработать верную концепцию реконструкции и развития магистральных газопроводов. «Уралтрансгаз» первым в Мингазпроме освоил ремонт и строительство магистральных газопроводов силами собственных подрядных организаций.