Газотурбинная установка: принцип работы и применение

Газотурбинная установка (ГТУ) - это машина, которая преобразует тепловую энергию в механическую. Она состоит из одного или нескольких компрессоров, теплового устройства для нагрева рабочего тела, одной или нескольких турбин, системы регулирования и необходимого дополнительного оборудования.

В отличие от других видов электроустановок, в турбинном двигателе все процессы осуществляются в потоке постоянно поступающего газа. Газотурбинная установка тренироваться не умеет, но «горячий нрав» и работа на повышенных оборотах открыли ей путь в большую энергетику, а в будущем могут превратить ее в мировую чемпионку среди преобразователей энергии.

Газотурбинная установка состоит из двух основных частей - это силовая турбина и генератор, которые размещаются в одном корпусе. Поток газа высокой температуры воздействует на лопатки силовой турбины, которая создает крутящий момент. Это приводит к образованию электрической энергии.

Газотурбинная установка может работать на жидком и на газообразном топливе. В обычном рабочем режиме работает на газе, а в резервном (аварийном) автоматически переключается на дизельное топливо. Приемлемым режимом работы газотурбинной установки является совместная выработка тепловой и электрической энергии.

Принцип работы газотурбинной установки

Принцип работы газотурбинной установки

Принцип работы установки прост: природный газ смешивается с воздухом и попадает в камеру сгорания под большим давлением - от 20 атмосфер. Смесь поджигается аналогом «свечей» в двигателе машины, но, в отличие от автомобиля, только один раз. Дальше новые порции газа, поступающие в камеру, зажигаются от высоких температур.

После выхода из камеры сгорания нагретые газы истекают в область более низкого давления. Там они расширяются и из-за этого ускоряются, вращая лопатки турбины, надетые на диски. Эти диски прикреплены к крутящемуся валу и служат ротором (вращающейся частью) турбины. Роль статора, то есть неподвижной части, играют другие, сопловые, лопатки, закрепленные вокруг ротора. Неподвижные лопатки статора направляют газ на пластины ротора под нужным углом, снижая турбулентность потоков газа и повышая таким образом КПД.

При вращении ротора в обмотке статора начинает меняться магнитный поток. Это приводит к тому, что в обмотке генерируется электродвижущая сила. Чем быстрее изменяется магнитный поток (вращается ротор), тем больше эта сила. Обмотка статора - это замкнутый проводник со свободными носителями электрического заряда внутри, поэтому при появлении внешней электродвижущей силы по нему начинает течь электрический ток - тот самый, который затем направляется потребителям.

Стоит отметить, что в турбинах жгут не только газ: они могут работать на угольной пыли, керосине и дизельном топливе. Угольная пыль используется на тепловых электростанциях (ТЭС) в местах, где недоступен газ, но есть уголь. Керосин лучше подходит для авиации, где важно, чтобы топливо имело стабильные качества при широком диапазоне температур и давлении. Метан используют там, где его много, - на тепловых станциях в европейской части России или для энергообеспечения нефтегазовых месторождений в Арктике.

Анимация работы газовой турбины

Схемы газотурбинных установок

Существуют две основные схемы газотурбинных установок:

• Замкнутый цикл: газ через компрессор подается в калорифер (теплообменник), куда поступает тепло от внешних источников. Затем он подается в газовую турбину, где осуществляется его расширение. После этого газы попадают в холодильную камеру. Тепло оттуда выводится во внешнюю среду. Потом газ направляется в компрессор. Затем цикл возобновляется заново.
• Разомкнутый цикл: компрессором осуществляется подача воздуха из окружающей среды, который при высоком давлении попадает в специально предназначенную камеру сгорания. Топливо подается в газовую горелку (форсунки), располагаемой внутри жаропрочной трубы. Туда нагнетается и воздух, после чего осуществляется процесс сгорания топлива.

Главное отличие газотурбинных установок закрытого типа от открытого основывается на том, что в первом случае нет камеры сгорания, а применяется нагреватель. Тут происходит нагрев воздуха, при этом, он не участвует в самом процессе образования тепла. Такое оборудование выполняют исключительно с горением, при неизменной величине давления. В ядерных агрегатах используют не воздух, а гелий, углекислый газ либо же азот.

Эффективность газотурбинных установок

КПД тепловой машины тем выше, чем выше температура нагревателя. Обычный двигатель внутреннего сгорания (ДВС) может иметь пиковую температуру внутри цилиндра в полторы тысячи градусов. Но горение в типовом четырехтактном двигателе занимает один такт - не более четверти времени работы, то есть средняя температура нагревателя меньше пиковой. В газовой турбине горение идет непрерывно, за счет чего ее КПД «догоняет» двигатель внутреннего сгорания и достигает 35-40%.

Температуры газов, выходящих из газовой турбины, достаточно, чтобы вращать турбину другого типа - паровую. КПД установки с двумя турбинами может быть выше 60%.

На электростанциях извлечь из топлива максимум энергии газовым турбинам помогают паросиловые установки. Разогретые до полутысячи градусов газы после турбины греют воду в котле. Вода закипает, и пар крутит другую, паровую, турбину. По своему устройству она напоминает газовую, но вращается медленнее (25-50 оборотов в секунду). Длина лопаток на паротурбинах может быть больше метра, а у типичной газовой турбины - десятки сантиметров.

Паросиловая установка на ТЭС сама по себе редко имеет КПД выше 30%. Но если сложить этот коэффициент с более высоким у газовой турбины, КПД может превысить 60%.

Если брать во внимание большое значение температуры выпускных газов газотурбинного оборудования, то можно осуществить комбинацию применения газовой и паровой турбины. Данное инженерное решение способствует предприятиям значительно наращивать производительность от применения топлива и увеличить электрический КПД до отметки в 57 - 59 процентов. Такой метод очень хороший, но он приводит к финансовым затратам и усложнению конструкции оборудования.

Отношение производимой электрической энергии по отношению к тепловой в газотурбинной установке составляет 1 к 2. Таким образом, к примеру, если газотурбинная установка имеет мощность в 10 Мегаватт, то она способна выработать 20 МВт тепловой энергии. В зависимости от того, что именно необходимо заказчику, газотурбинное оборудование может дополнительно оснащаться водонагревательными и паровыми котлами. Это позволяет получать пар с различным давлением, который будет применяться для решения различных производственных задач.

Преимущества и недостатки газотурбинных установок

Газовая турбина на порядок компактнее паровой, а ее лопатки вращаются намного быстрее. Газовая может достичь максимума за секунды из-за малого диаметра лопастей.

Малые габариты делают газовую турбину незаменимой там, где нужно быстро компенсировать изменение нагрузки. Почти все «пиковые» электростанции используют именно газовую турбину: сложно предсказать, сколько чайников включат жители большого города в вечерний час пик энергопотребления. Успеть за изменением нагрузки на сеть паровая турбина огромных размеров не сможет, а газовая - вполне.

Распространению газовых турбин в последние десятилетия способствовало и появление подшипников, которые могут много лет работать на высоких скоростях без замены основных частей.

Газотурбинные станции незаменимы в Арктике и других отдаленных регионах, куда дорого завозить топливо. Потребность в компактных и мощных установках также увеличилась из-за роста жилых и промышленных объектов, расположенных далеко от крупных электростанций, куда дорого возить топливо для дизельных генераторов.

Основные преимущества современных газотурбинных установок - высокая мощность на единицу оборудования, относительно низкая металлоемкость, простота обслуживания, неприхотливость в потреблении топлива и экологичность. Завозить дизельное топливо из отдаленных крупных городов не нужно, и при работе турбины на попутном газе дают намного меньше примесных твердых микрочастиц, чем турбины на любом другом топливе, доступном в Арктике.

Энергетические газотурбинные установки еще называют «газотурбинными мини электростанциями». К их преимуществам относят:

• Незначительный вред, причиняемый окружающей среде.
• Малый расход масла.
• Способность работать на отходах самого производства.
• Небольшие габариты и вес.
• Незначительный уровень шума, а также вибрации.
• Способность газотурбинного оборудования работать на различном топливе позволяет применять его практически в любом производстве.
• Продолжительная работа с минимальной нагрузкой.
• На протяжении одной минуты данное оборудование способно выдерживать превышение номинальной величины тока на 150 процентов.

Электрическая мощность газотурбинного оборудования находится в пределах от десятков кВт до нескольких МВт. Благодаря получению недорогой такой энергии, появляется возможность быстрой окупаемости такого рода оборудования.

Применение газовых турбин связано и с некоторыми недостатками. Газотурбинная установка дороже, чем газопоршневая. Газопоршневые установки чаще требуют выполнения технического обслуживания. В них нужно менять масла и фильтры.

Применение газотурбинных установок

В мировой практике газотурбинные электростанции получили широкое распространение в 50-60-х гг. прошлого века, в настоящее время используются реже.

Области применения газотурбинных установок практически не ограничены: нефтегазодобывающая промышленность, промышленные предприятия, муниципальные образования.

ГТУ предназначены для эксплуатации в любых климатических условиях как основной или резервный источник электроэнергии и тепла для объектов производственного или бытового назначения.

Микротурбины производят электричество для торговых комплексов, строительных площадок, оборудования утилизирующей промышленности, аграрного сектора.

При использовании газотурбинных установок в виде оборудования силового типа для мощных ТЭС, а также мини-ТЭЦ, вы получите оправданное экономическое решение. Обусловлено это тем, что сегодня практически все электростанции работают на газе. Лишняя, причем даже бесплатная, тепловая энергия позволяет без каких либо затрат на электроэнергию настроить вентиляцию (кондиционирование) производственных помещений. И это можно делать в любое время года. Охлажденный таким способом теплоноситель, можно использовать для разных промышленных нужд.

Газотурбинную установку (ГТУ) выгодно устанавливать на ТЭЦ.

В Беларуси для повышения эффективности работы электростанций применяют ГТУ как «надстройку» к существующей схеме ТЭЦ, а ПГУ возводят на ГРЭСах, как самостоятельные энергоблоки.

Типы газотурбинных электростанций

Газотурбинные электростанции делятся на два типа:

• Стационарные - монтируются на капитальном фундаменте.
• Передвижные (мобильные) - представляют собой передвижную технику. Как правило используются для обеспечения теплом и электричеством удаленных объектов, например, шахтёрских и нефтедобывающих поселков.

Выбор между газотурбинной и газопоршневой электростанцией

Газотурбинное оборудование стоит выбирать, когда ограничена площадь, которую можно выделить для его размещения. ГТЭС подойдёт небольшим предприятиями и коммерческим объектам, где не требуются большие мощности потребления электроэнергии и каждый квадратный метр на счету. Если есть возможность выделить площадь под установку оборудования, то целесообразнее выбирать газопоршневую электростанцию(ГПЭС), поскольку у неё ниже стоимость, да и ресурс ГПУ считается немного большим, чем у ГТУ.

В целом газопоршневые установки привлекательны тем, что окупаются быстрее, не зависимо от того, какая мощность электростанции.

Характеристики газотурбинных установок

В таблице ниже приведены основные характеристики газотурбинных установок:

Характеристика	Значение
Электрический КПД современных ГТУ	33-39%
Электрический КПД комбинированных установок (газ + пар)	57-59%
Наработка до капитального ремонта	30-80 тыс. часов
Содержание вредных выбросов	9-25 ppm

Газотурбинная электростанция