Газотурбинные установки: принцип работы и применение

Газотурбинная электростанция (ГТЭС) - это установка, предназначенная для генерации электрической и тепловой энергии. Основу ГТЭС составляют одна или несколько газотурбинных установок (ГТУ), которые представляют собой силовые агрегаты, механически связанные с электрогенератором и объединенные системой управления в единый энергетический комплекс. Газотурбинная установка (ГТУ) - это энергетическая установка, в которой тепловая энергия сжатого воздуха преобразуется в механическую энергию.

ГТЭС 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.

Принцип работы газотурбинной установки

В газотурбинной электростанции в качестве рабочего элемента используется природный воздух.

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.

Воздух сжимается с помощью компрессора и подается в камеру сгорания, где к этому сжатому воздуху добавляется тепло, что повышает температуру воздуха. Затем горячий и сжатый воздух из камеры сгорания проходит через газовую турбину, где он расширяется и совершает механическую работу.

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.

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.

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.

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.

Существуют различные типы циклов газотурбинных установок:

• 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.

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 давлений. Метан используют там, где его много, - на тепловых станциях в европейской части России или для энергообеспечения нефтегазовых месторождений в Арктике.

Принцип работы и устройство газотурбинной установки

Преимущества и недостатки газотурбинных установок

Преимущества ГТУ:

• малые габариты, с удельно небольшим весом, дают возможность устанавливать устройство на площадках небольшого размера.
• практическое отсутствие масляного расхода, так как моторное масло в основном цикле не применяется.
• при работе на газе выбросы вредных веществ, имеют низкие значения.
• Если электростанция на базе ГТУ полностью автоматизирована, можно не прибегать к услугам обслуживающего персонала. Мониторинг и управление подобными установками выполняется удаленно с помощью телекоммуникационных каналов.
• Газовая турбина на порядок компактнее паровой, а ее лопатки вращаются намного быстрее.
• Газовая может достичь максимума за секунды из-за малого диаметра лопастей.
• Основные преимущества современных газотурбинных установок - высокая мощность на единицу оборудования, относительно низкая металлоемкость, простота обслуживания, неприхотливость в потреблении топлива и экологичность.
• Газотурбинная установка представляет собой универсальное модульное устройство, которое объединяет в себе: электрогенератор, редуктор, газовую турбину и блок управления.
• 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.
• 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.
• 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.

Недостатки ГТУ:

• Для газотурбинной электростанции чистая мощность установки очень мала.
• Серьёзным недостатком электростанций на газовых турбинах является значительное снижение электрической мощности при высокой температуре воздуха. Увеличение уличной температуры с +15 до +35 приводит к потере мощности ГТУ примерно на 25%. В местности с жарким климатом требуется предварительное охлаждение воздуха, поступающего в компрессор турбины. Этот фактор обязательно следует учитывать при проектировании электростанции.
• К сожалению, точный ресурс безаварийной работы самых ответственных узлов (таких как части камер сгорания, лопатки турбин, части термобарьерных элементов и покрытий) на сегодняшний день не поддается расчету.
• Не всегда удаётся осуществить ремонт установки на месте. В некоторых случаях требуется частичный демонтаж оборудования, с отправкой на завод и последующим возвратом. Контейнерные ГТУ от некоторых производителей по мере наработки определённого моторесурса отправляются для ремонта на завод.
• 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.

Эффективность газотурбинных установок

Электрический КПД ГТУ находится в пределах 10-39%. У современных газопоршневых установок (ГПУ) он имеет пределы 43-46%. В некоторых отраслях, например, в нефтяной, для использования попутного газа от турбины бывает вполне достаточно электрического КПД величиной всего в 10-12%. Коэффициент использования топлива в таком варианте повышается.

При комбинированном использовании энергии двух видов КИТ (коэффициент использования топлива) газотурбинной теплоэлектростанции достигает 95%. 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%.

КПД тепловой машины тем выше, чем выше температура нагревателя. Много ли это? 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%.

Области применения газотурбинных установок

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.

В некоторых отраслях экономики применяются мобильные газотурбинные установки. Их использование позволяет оперативно наращивать энергомощность, например, при сезонных пиках потребления и легко транспортировать устройства с одного объекта на другой.

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

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).

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.

Газотурбинные станции незаменимы в Арктике и других отдаленных регионах, куда дорого завозить топливо. Например, Новопортовское нефтегазоконденсатное месторождение в Ямало-Ненецком автономном округе расположено в 360 километрах от ближайшего крупного города. Месторождению постоянно нужно электричество, поэтому здесь запущено девять газотурбинных установок общей мощностью 144 мегаватта.

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.

Выбор между ГТУ и ГПЭС

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.

Основные различия между ГТУ и ПГУ:

ГТУ - газотурбинная установка - это газовая турбина и электрический генератор, объединенные в одном корпусе. Ее выгодно устанавливать на ТЭЦ. Газ (топливо) поступает в котел, где сгорает и передает тепло воде, которая выходит из котла в виде пара и крутит паровую турбину. А паровая турбина крутит генератор. А в газотурбиной установке газ сгорает и крутит газовую турбину, которая вырабатывают электроэнергию, а выходящие газы превращают воду в пар в котле-утилизаторе, т.е. В итоге ПГУ - это более широкое понятие. Эта установка - самостоятельный энергоблок, где топливо используется один раз, а электроэнергия вырабатывается дважды: в газотурбинной установке и в паровой турбине. Этот цикл очень эффективный, и имеет КПД порядка 57 %! В Беларуси для повышения эффективности работы электростанций применяют ГТУ как «надстройку» к существующей схеме ТЭЦ, а ПГУ возводят на ГРЭСах, как самостоятельные энергоблоки.