Газотурбинные установки малой мощности: применение и перспективы
Сфера энергетики все чаще предлагает альтернативные варианты теплосиловых установок небольшой мощности для совместного производства электричества и тепла (когенерации). Предложение актуально для потребителей электрической и тепловой энергии, стремящихся стать независимыми и уйти от длительных контактов с энергоснабжающими компаниям. Газотурбинные установки (ГТУ) широко применяются в малой энергетике как в России, так и во многих зарубежных странах. ГТУ обладают значительной гибкостью в выборе режима работы. В настоящее время в России планируется к сооружению и вводится множество проектов ГТУ.Газотурбинная электростанция (ГТЭС) относится к высокотехнологичным энергетическим комплексам по производству тепловой и электрической энергии. ГТЭС позиционируется как основной или дополнительный источник питания, который работает самостоятельно или параллельно с энергосистемой. В составе можно отметить газотурбинные силовые установки и генератор электрический.
Газотурбинная установка
Принцип работы и характеристики ГТУ
Основу газотурбинной установки (ГТУ) составляет газотурбинный двигатель. Данный двигатель механически связан с электрогенератором, вырабатывающим электрическую энергию.
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.
Газотурбинная электростанция производит не только электрическую, но и тепловую энергию, которая является побочным продуктом производства электроэнергии. Для выработки тепла газотурбинная установка дополняется специальным теплообменником. Совместное производство тепла и электроэнергии называется когенерацией. В некоторых случаях газотурбинные установки производят не только электричество и тепло, но и холод. Как тепло, так и холод являются побочными продуктами производства электроэнергии.
Теплосиловая установка малой мощности использует в работе компрессор, камеру сгорания, турбину, электрогенератор и т. д.
Газотурбинные установки работают на природном газе, который является самым чистым углеводородным топливом с точки зрения экологии. Следует отметить, что возможность подключения к газопроводу есть практически во всех промышленно развитых регионах РФ.
Типы газотурбинных установок
Применение ГТЭС ограничивается требованиями экономического и технического порядка. Полностью окупается эксплуатация пользователями с продолжительными циклами работы или простоя.
- Стационарные. Самый мощный в энергетическом отношении класс.
- Мобильные. Агрегаты с возможностью передвижения, предназначенные для производства электроэнергии и тепла для удаленных объектов, располагающихся в районах поиска полезных ископаемых. При необходимости установка может транспортироваться в любое место.
- Блочно-модульные. Мини-установки. Прочность и долговечность, ведь микротурбинные агрегаты контейнерного типа разрабатываются на основе инверторов и бесколлекторных генераторов. Они могут работать без капитального ремонта в течение 60 тысяч часов эксплуатации.
Блочно-модульная ГТЭС
Преимущества и недостатки ГТУ
К основным преимуществам ГТУ можно отнести следующие:
- Незначительные эксплуатационные затраты.
- Высокие экологические показатели, которые возможны вследствие низкого уровня вибрации и малой токсичности отходов.
Электростанции различаются большей частью ценой за 1 кВт мощности. Для газотурбинных устройств она составляет 1000-1400 долларов, тогда как для газопоршневых обходится за 400-600 долларов.
Газопоршневые электростанции (ГПЭС)
Газопоршневая электростанция относится к разряду устройств силового оборудования, которые используются как основной или резервный источник питания электроэнергии. В качестве топлива применяется сжиженный или магистральный горючий газ. Система работ некоторых моделей газопоршневых генераторов налажена под отопление и охлаждение систем вентилирования в помещениях.
Работа ГПЭС поддерживается вращением вала генератора за счет двигателя внутреннего сгорания на газовом топливе. Газопоршневые генераторы в промышленности особенно популярны благодаря экономичности рабочего процесса и обслуживания подобных систем. Известно, что ГПЭС потребляет 2% энергии, что в сравнении с дизельными двигателями для энергоустановок крайне мало.
Станции подобного типа можно использовать в регионах с сильными заморозками. Работа ГПЭС не нуждается в подвозе или отдельных емкостях для хранения топлива. Можно использовать газ, передаваемый по персонально проложенным для станции магистралям.
Обслуживание ГПЭС
Станция газопоршневого генератора вводится в эксплуатацию исключительно специалистами компании-изготовителя. В дальнейшем технические осмотры, ремонты и замены вспомогательных элементов осуществляются как сотрудниками предприятия, так и официальными представителями компании-изготовителя. Независимо от обстоятельств техническое обслуживание может быть доверено только специалистам.
Техническое обслуживание планируется согласно установленной производителем периодичности.
- Техническое обслуживание в разовом варианте с периодичностью в 50-200 моточасов.
- По прошествии очередных 1000 моточасов производится полная замена расходных материалов в купе с диагностикой системы.
Доверить техническое обслуживание можно только прошедшему необходимое обучение персоналу. Знания и профессиональные навыки сотрудников гарантируют бесперебойную эксплуатацию газопоршневого генератора. Плановое техническое обслуживание обычно доверяется опытным слесарям и электрикам. Процесс не требует особых знаний в плане ремонта двигателя внутреннего сгорания или энергетической установки.
Оставлять газопоршневой генератор в момент эксплуатации без надзора запрещается. За газопоршневой установкой во время работы должны непрерывно наблюдать один или несколько сотрудников смены.
Контроль работы ГПЭС
Оценка важности контроля во время эксплуатации подчеркивается обязательствами контролирования работы газопоршневого генератора и системы подачи напряжения.
Необходимо контролировать:
- Стабильность напряжения при изменениях нагрузки.
- Перегрев двигателя внутреннего сгорания. Регулируется доливанием охлаждающей жидкости.
- Показатели уровня масла или его перегрева, а также изменение давления.
- Нагрев изоляции кабелей. Причиной может стать увеличение нагрузки на генератор или нагрузка фазного провода на землю.
- Возникновение корпусного электрического потенциала. Наблюдается при пробое токоведущих кабелей, а также при их соприкосновении с корпусом генератора. Причиной может служить пробой внутренней обмотки или обгорание изоляции подающих напряжение кабелей.
Появившиеся в ходе работы неисправности нуждаются в быстром обнаружении с последующим ремонтом. Техническое обслуживание и плановый ремонт установки не предполагают присутствия сторонних специалистов.
Если сравнивать эксплуатацию газопоршневого генератора с дизельными аналогами, то она окажется более экономичной и практичной. Снижается расход топлива при увеличенном КПД, также наблюдается меньше токсичных выбросов в атмосферу. Согласно допустимым нормам и стандартам техническое обслуживание дает возможность бесперебойно поставлять напряжение потребителям.
Экономическая эффективность ГТУ
Рассмотрим экономическую эффективность использования ГТУ на примере установки с электрической мощностью 10 МВт и тепловой мощностью 15 МВт, работающей в режиме когенерации.
Срок строительства электростанции (инвестиционная фаза) с учетом подготовительных работ - два года. Стоимость инвестиционных вложений в основные средства (подготовительные работы, оборудование и СМР) рассчитана на основе экспертных оценок в сумме $1200 на 1 кВт установленной мощности.
Рассчитаем объемы реализации в натуральном выражении. Данные представим в табл. 1.
| Показатель | Единица измерения | Значение |
|---|---|---|
| Выработка электроэнергии | МВт*ч в год | 70 080 |
| Выработка тепловой энергии | Гкал в год | 94 608 |
Рассчитаем выручку от реализации продукции (табл. 2). Выручка от реализации продукции за анализируемый период сформировалась на уровне 2890,69 млн руб. (без НДС). В структуре выручки 73 % приходится на реализацию электрической энергии, 27 % - на тепловую.
| Показатель | Единица измерения | Значение |
|---|---|---|
| Выручка от реализации электроэнергии | млн руб. | 2110,20 |
| Выручка от реализации тепловой энергии | млн руб. | 780,49 |
| Итого выручка | млн руб. | 2890,69 |
Рассчитаем валовую себестоимость продукции (табл. 3). При расчете себестоимости учтены коэффициенты роста стоимости энергоносителей и прочие расходы по анализируемым периодам (4 % ежегодно). Стоимость выработки 1 кВт принята на основе экспертных оценок и уже реализованных проектов (1,6 руб. без НДС).
Для определения численности персонала можно использовать Нормативы численности промышленно-производственного персонала электростанций с газотурбинными стационарными установками мощностью 12-150 МВт (разработаны ООО «ЦОТэнерго», утверждены 03.12.2004).
| Показатель | Единица измерения | Значение |
|---|---|---|
| Себестоимость выработки электроэнергии | млн руб. | 1121,28 |
| Прочие расходы | млн руб. | - |
| Итого себестоимость | млн руб. | 1121,28 |
Вес себестоимости продукции в выручке составляет 32,27 %.
Перспективы развития ГТУ
В последние годы при техническом перевооружении энергопредприятий России появилась тенденция к широкому применению газотурбинных установок малой мощности. Особую актуальность применение ГТУ малой мощности приобретает для реконструкции объектов жилищно - коммунального хозяйства. Однако весьма перспективным направлением можно считать применение данных ГТУ и для реконструкции ТЭЦ малой и средней мощности.
В итоге можно отметить, что газотурбинные установки максимально применимы в условиях строго обозначенной территории и способны предоставлять тепло за счет использования недорогого и легкодоступного топлива.
Существует несколько причин того, что потребители начинают массово отказываться от централизованного энергоснабжения, прежде всего, это постоянное повышение коммунальных тарифов. Использование микротурбин в быту является наиболее выгодным экономически и удобным. Данный вид установок имеет электрическую мощность от 30 до 1000 кВт, размеры таких агрегатов весьма малы по сравнению с поршневыми аналогами, к примеру, их можно уместить в большой шкаф.
Вырабатывать электроэнергию собственными силами, независимо от центральных магистралей сейчас желают владельцы и частных домов и предприятий. Если взять во внимание современные нормы проектирования жилых помещений, то одна установка мощностью в 100 кВт может полностью обеспечить электроэнергией 80 квартир, при условии что они будут оборудованы газовыми плитами, или до 40 коттеджей, в зависимости от их площади.
Можно сделать вывод о экономичности и надёжности действующих газотурбинных установок. Данные факторы безусловно существенно повлияют на выбор того или иного варианта технического перевооружения каждого конкретного объекта энергопредприятия.