Газотурбинные установки для выработки электроэнергии: принцип работы и применение

Газотурбинные установки (ГТУ) являются одними из ключевых компонентов в энергетике, авиации и промышленных технологиях.

В статье рассматриваются основные принципы работы газотурбинных установок (ГТУ), их конструкционные особенности и широкие области применения.

Они широко используются для генерации электроэнергии, привода судов и авиационных двигателей, а также в нефтегазовой промышленности для компрессии газа.

ГТУ привлекают внимание благодаря высокой эффективности, мобильности и экологическим преимуществам в сравнении с традиционными углеводородными источниками энергии.

Газотурбинная установка представляет собой тепловую машину, которая преобразует тепловую энергию сгораемого топлива в механическую работу для привода генераторов, компрессоров или других машин.

Принцип работы газотурбинной установки

Основные этапы работы ГТУ

Особое внимание уделяется этапам работы ГТУ, включая:

1. Сжатие воздуха. Воздух поступает в компрессор, где сжимается до высокого давления.
2. Смешивание с топливом и сгорание. Сжатый воздух поступает в камеру сгорания, где происходит его смешивание с топливом.
3. Расширение газа в турбине. Расширяющиеся газы вращают лопатки турбины, преобразуя тепловую энергию в механическую работу.
4. Вывод отработанных газов.

Основные компоненты ГТУ

Газотурбинная установка представляет собой универсальное модульное устройство, которое объединяет в себе: электрогенератор, редуктор, газовую турбину и блок управления.

Данное оборудование имеет два главных блока: турбину силового типа и генератор. Они размещаются в одном блоке.

1. Компрессор. Это устройство для сжатия воздуха, поступающего в камеру сгорания. Существуют два типа компрессоров: осевые и центробежные.
2. Камера сгорания. Это центральный элемент установки, где происходит смешивание воздуха с топливом и его сгорание.
3. Турбина. Турбина преобразует энергию расширяющихся газов в механическую энергию.
4. Генератор или привод.

Схема газотурбинной установки очень проста: газ, образующийся после перегорания топлива, начинает способствовать вращению лопастей самой турбины. Таким образом, образуется крутящий момент. Это приводит к образованию электрической энергии.

Выходящие газы осуществляют превращение воды в пар в котле - утилизаторе.

Замкнутый цикл газотурбинной установки подразумевает под собой следующее: 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.

Производство газотурбинных установок такого типа осуществляется в больших размерах.

Разомкнутый цикл газотурбинной установки используют намного чаще. В этом оборудовании компрессором осуществляет подача воздуха из окружающей среды, который при высоком давлении попадает в специально предназначенную камеру сгорания.

Температура органического топлива достигает отметки в 2000 градусов. Это может привести к повреждению металла самой камеры. Чтобы предотвратить это, в нее подается много воздуха, чем это нужно (примерно в 5 раз). Это существенно снижает температуру самого газа и защищает металл.

Схема газотурбинной установки с разомкнутым циклом выглядит следующим образом: топливо подается в газовую горелку (форсунки), располагаемой внутри жаропрочной трубы. Туда нагнетается и воздух, после чего осуществляется процесс сгорания топлива. Таких труб несколько и располагаются они концентрически. Благодаря трубам и потоку воздуха камера находится в надежной защите от перегревания. Металл может выдерживать 1000 - 1300°С.

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. Благодаря большой концентрации «рабочего тела» стало возможно добиться высоких показаний коэффициента теплоотдачи внутри самого регенератора. Это способствует и повышению уровня регенерации при небольших размерах.

Энергетические газотурбинные установки еще называют «газотурбинными мини электростанциями».

Незначительный вред, причиняемый окружающей среде.

Это 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.

С газотурбинными машинами существенно упростилась задача получения большой мощности.

А при выполнении всех тепловых особенностей турбин газового типа, значение большого электрического коэффициента полезного действия отходит на второй план.

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.

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.

Газотурбинная установка способна функционировать не только лишь в режиме вырабатывания электроэнергии, но и производить совместное производство электрической энергии с тепловой.

Газотурбинный двигатель - это устройство, которое преобразует тепловую энергию в механическую.

Генератор - это устройство, которое превращает механическую энергию в электрическую.

Он состоит из ротора и статора, которые вращаются друг относительно друга.

Система управления - это комплекс устройств, который контролирует работу газотурбинной электростанции.

Принцип работы газотурбинной электростанции заключается в следующем: топливо подается в камеру сгорания, где оно сгорает и нагревает газ.

Горячий газ поступает в турбину, где он расширяется и создает механическую энергию.

Эта энергия передается на ротор генератора, который начинает вращаться.

ГТЭС способны генерировать не только электрическую, но и тепловую энергию.

Стандартно отработанные газы уходят через выхлопную трубу в атмосферу, но, если предусмотрена их утилизация, они поступают в теплообменник или котел утилизатор и используются для обогрева помещений.

Газотурбинные двигатели способны работать на различных видах топлива, таких как природный газ, сжиженный природный газ (СПГ) или дизельное топливо.

ГТЭС позиционируется как основной или дополнительный источник питания, который работает самостоятельно или параллельно с энергосистемой.

Газотурбинные установки способны вырабатывать от десятков кВт до сотен МВт электрической энергии, при электрическом КПД в районе 33-39%.

В этих условиях они вырабатывают вдвое больше тепловой энергии.

Вырабатываемое уходящими газами тепло на первом этапе улавливается котлами-утилизаторами, которые вырабатывают пар для дополнительного производства электричества, горячей воды и т.

Теплосиловая установка малой мощности использует в работе компрессор, камеру сгорания, турбину, электрогенератор и т. д.

Применение ГТЭС ограничивается требованиями экономического и технического порядка.

Полностью окупается эксплуатация пользователями с продолжительными циклами работы или простоя.

Газотурбинные установки (ГТУ) представляют собой энергетическую установку, в конструкцию которой входит электрогенератор, сама газовая турбина, система управления, газовоздушный тракт, а также вспомогательное оборудование.

ГТУ способны функционировать на жидком или на газообразном виде топлива (рабочий - газ, резервный - дизельное топливо).

Относятся они к тепловым машинам, в которых полезная работа получается благодаря передаче тепла от сгораемого топлива непосредственно к рабочему телу, не изменяющему своё агрегатное состояние.

Газотурбинные установки обладают рядом преимуществ перед паротурбинными.

Также, ГТУ обладают меньшей массой и размерами при одной и той же мощности установки.

Данное оборудование активно применяется уже не один год.

Спрос на него довольно большой.

Особенно это заметно во время эксплуатации в холодное время года в нашей стране.

Комбинация производства этих двух составляющих в нынешнее время является ведущим направлением в рационализации и энергосбережении.

Увеличение интереса к малой энергетике сегодня растёт.

Автономные источники становятся экономичнее и эффективнее, нежели централизованные.

И поэтому газотурбинные и парогазовые установки тепловых электростанций выходят на первый план.

Небольшие ТЭЦ, в которых применяются передовые технологии, становятся идеальным решением проблем, даже в условиях дефицита финансирования.

На протяжении много лет в энергетической отрасли применяются ГТУ.

Они представляют собой универсальный двигатель, но совсем иного типа, в котором воздух из атмосферы сжимается до 15-20 атмосфер.

Сжигание тут топлива сопровождается с формированием высокотемпературных продуктов (порядка 1500 градусов).

Из-за высокой температуры эта турбина способна развивать большую мощность, нежели для вращения обычного компрессора.

Её излишек применяется для привода электрогенератора.

Именно поэтому газотурбинные и парогазовые установки довольно быстро развиваются, с увеличением своих характеристик, КПД и мощности.

ГТУ активно используются и на судах.

Их эксплуатация приносит довольно неплохие результаты.

Таким образом, увеличивается полезное водоизмещение, скорость самого судна и дальность его плавания.

Также, корабельные газотурбинные установки могут использоваться совместно с другими типами энергетических установок.

Служат они для обеспечения хода самого судна и обеспечения необходимым видом энергии (электронной, тепловой и т.д.).

Данные устаноки классифицируются согласно используемого вида топлива на: органические и ядерные.

Использование газотурбинных установок на судах впервые было применено в 1961 году в России.

Тогда в состав силовой установки входили четыре свободно-поршневые генераторы.

Сегодня же победу одержали дизельные суда, но большинство мирового тоннажа осуществляют теплоходы.

Кроме этого, активно развивается строение и спуск на воду судов-гигантов, супертанкеров, круизных лайнеров и т.д.

Для того чтобы такие судна смогли набирать нужную скорость одного дизельного двигателя сгорания крайне мало.

Сегодня газотурбинные двигатели устанавливаются в основном на кораблях, относящихся к военно-морскому флоту.

Применение их на коммерческих суднах было не оправдано.

Газотурбинные установки экологичны, экономичны, не создают шума и имеют небольшой вес и размер.

Могут работать длительное время практически на «холостом» ходу.

На выставке представлены аппараты, которые можно размещать на крышах, работающие на различных видах газа, импортных и отечественных производителей.

Газовое топливо подвергается обработке.

В лопатки турбины попадает единый поток, тем самым восстанавливает движение ротора.

Генераторы работают на модульном принципе.

В основе составляющих деталей стоят отдельные блоки на основе автоматики, электроники, а также механики.

На основе автоматики разработали быстрый план обслуживания.

В основе работы лежат два устройства, сделанные по форме отсеков.

Первый отсек работает непрерывно во время поступления воздуха и топлива.

Во второй камере действует обратная закономерность.

Продукты для сгорания подавались частями, а также обрабатывались поэтапно.

В таком случае результат получался с невысоким количеством топлива.

На сегодняшний день мощные газотурбинные агрегаты стали популярным оборудованием среди авиации.

В энергетике также используют газотурбинные установки.

В случае увеличения потока энергии возникает основная нагрузка, но равномерная работа оборудования контролирует ситуацию.

Широкое производство применяет парогазовые установки.

Для того чтобы экономить расходы топлива, устанавливают, помимо газовой технологии обработки, паровые генераторы.

На передвижных электростанциях используют именно парогазовые установки для передвижения техники.

Газотурбинные установки применяют в железнодорожном транспорте, что также отражено в выставочной экспозиции.

Морской, речной и автомобильные виды транспорта также применяют газотурбинное оборудование.

К примеру, на подводном транспорте в крыльях и воздушной подушке используются генераторы.

Задача во время эксплуатации энергетики сэкономить потоки топлива и давления.

Когда поток направляется к турбине, применяют охлаждающие системы.

Для этого проверяют материалы турбин, генераторов и других устройств.

В больших городах обязательно применяют современные системы для обработки, а также основной эксплуатации топлива и газа.

Такое оборудование, как газотурбинные установки для производства электроэнергии и тепла, оказываются в эпицентре внимания уже не первый год.

Спрос стимулирует новые разработки, и новейшие образцы высокопроизводительной аппаратуры заменяют старые - прогресс в этой сфере неостановим, и потому газотурбинные установки для производства электроэнергии и тепла становятся очень широкой темой.

Комбинация производства тепла и электричества оказывается сегодня одним из ведущих направлений в деле энергосбережения и рационализации.

На сегодняшний день наиболее приоритетным решением в области энергоэкономии на территории России выступает именно децентрализация источников.

Точно так же дело обстоит у зарубежных коллег, только в европейских странах процент внедрения таких технологий приближается к отметке в 20-25 процентов, а в России же он не превышает 0.5 процентов от общей доли.

Существуют даже неучтенные потребители и целый ряд других проблем, которые делают централизованные сети малоэффективными и создают отрасли сложности.

И буквально до последних лет все эти виды энергии производились в России раздельным образом, либо в рамках ТЭЦ на паротурбинных генераторах.

Реализовывать проекты такого типа можно даже на основе тех котельных, что уже работают по старому принципу.

Новые технологии способны увеличить производительность и обеспечить экономию, предоставляя потребителю все необходимое.

Выставки же дают все возможности для изучения этих новых перспективных технологий и их широкого внедрения.

Большой уровень спроса, новая высокопроизводительная аппаратура, передовые технологии - всё это и многое другое невозможно остановить в данной сфере.

Газотурбинная установка (ГТУ) - энергетическая установка.

Выходящие из турбины отработанные газы в зависимости от потребностей заказчика используются для производства горячей воды или пара.

Силовая турбина и генератор размещаются в одном корпусе.

Поток газа высокой температуры воздействует на лопатки силовой турбины (создает крутящий момент).

Электрическая мощность газотурбинных энергоустановок колеблется от десятков кВт до десятков МВт.

Оптимальным режимом работы ГТУ является комбинированная выработка тепловой и электрической энергии (когенерация).

Наибольший КПД достигается при работе в режиме когенерации или тригенерации (одновременная выработка тепловой, электрической энергии и энергии холода).

Электрический КПД современных ГТУ составляет 33-39%.

С учетом высокой температуры выхлопных газов в мощных ГТУ, комбинированное использование газовых и паровых турбин позволяет повысить эффективность использования топлива и увеличивает электрический КПД установок до 57-59%.

В настоящее время ГТУ начали широко применяться в малой энергетике.

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

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

Блочно-модульное исполнение ГТУ обеспечивает высокий уровень заводской готовности газотурбинных электростанций (ГТЭС).

Степень автоматизации ГТУ позволяет отказаться от постоянного присутствия обслуживающего персонала в блоке управления.

Контроль работы станции может осуществляться с главного щита управления, дистанционно.

Возможность получения недорогой тепловой и электрической энергии предполагает быструю окупаемость поставленной ГТУ.

Преимуществом при использовании ГТУ непосредственно в местах проживания людей, является то, что содержание вредных выбросов у них минимально и находится на уровне 9-25 ppm.

Газотурбинная электростанция (сокращённо ГТЭС) - установка, генерирующая электричество и тепловую энергию.

Основу ГТЭС составляют одна или несколько газотурбинных установок - силовых агрегатов, механически связанных с электрогенератором и объединенных системой управления в единый энергетический комплекс.

Газотурбинная электростанция может использоваться в качестве основного или резервного источника питания параллельно с энергосистемой.

Размещаться ГТЭС может как внутри помещения, так и на открытой площадке на заранее подготовленном фундаменте.

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

Газотурбинная электростанция работает следующим образом: топливо (газ или дизельное горючее) подается в камеру сгорания, туда же компрессором нагнетается сжатый воздух.

Газ, смешанный с воздухом, образует топливную смесь, которая под давлением нагнетается в компрессор и воспламеняется.

Из сопла вырывается под высоким давлением струя раскалённого газа, попадает на установленные в несколько рядов лопатки турбины и начинает её вращать.

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.

Газотурбинная установка дороже, чем газопоршневая.

Газопоршневые установки чаще требуют выполнения технического обслуживания.

В них нужно менять масла и фильтры.

Но такой нюанс можно компенсировать, если установить на оборудование дополнительно системы, которые будут выполнять долив и очистку масла.

В таком случае возрастает период времени между выполнением сервисных работ.

В среднем, он может составлять около 3000 часов, то есть обслуживание проводят один раз в квартал.

В целом же ресурс ГПУ считается немного большим, чем у ГТУ.

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

Газопоршневая электростанция

Преимущества и недостатки ГТУ

Газотурбинные установки используются в энергетике, авиации, судостроении и промышленности благодаря своей высокой эффективности и экологичности.

Однако, как и любое оборудование, ГТУ имеют свои недостатки:

1. Высокие затраты на обслуживание.
2. Зависимость от качества топлива.

Несмотря на это, газотурбинные установки являются важным элементом современной промышленности и энергетики.

Они обеспечивают высокую эффективность и экологичность в различных областях применения, от авиации до энергосистем.

В будущем можно ожидать дальнейшего развития технологий, направленных на повышение эффективности и сокращение выбросов, что позволит ГТУ оставаться ключевым элементом мировой экономики.

Принцип работы газотурбинной установки

Таблица сравнения газотурбинных и газопоршневых установок

В таблице ниже представлены основные отличия между газотурбинными (ГТУ) и газопоршневыми (ГПЭС) электростанциями:

Характеристика	Газотурбинная установка (ГТУ)	Газопоршневая электростанция (ГПЭС)
Стоимость	Выше	Ниже
Ресурс	Меньше	Больше
Техническое обслуживание	Реже	Чаще
КПД	Сравним с ДВС (35-40%, до 60% в комбинированном цикле)	Выше в определённых режимах
Область применения	Ограниченная площадь, небольшие предприятия	Более универсальна, подходит для больших мощностей
Топливо	Природный газ, СПГ, дизельное топливо	Сжиженный или магистральный горючий газ

Литература

1. Saravanamuttoo H. I. H., Rogers G. F. C., & Cohen H. (2008). Gas Turbine Theory.
2. Walsh P., & Fletcher P. (2004). Gas Turbine Performance.
3. Kurz R., & Brun K. (2001). Degradation in gas turbine systems.