Газотурбинные установки электростанций тепловых: принцип работы и применение
Газотурбинная электростанция (ГТЭС) - установка, генерирующая электричество и тепловую энергию. Основу ГТЭС составляют одна или несколько газотурбинных установок (ГТУ) - 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.
Принцип работы ГТЭС
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.
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.
Газотурбинная установка представляет собой универсальное модульное устройство, которое объединяет в себе: электрогенератор, редуктор, газовую турбину и блок управления.
Газотурбинная установка способна функционировать не только лишь в режиме вырабатывания электроэнергии, но и производить совместное производство электрической энергии с тепловой. Данное оборудование имеет два главных блока: турбину силового типа и генератор. Они размещаются в одном блоке.
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.
Циклы 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.
Преимущества и недостатки ГТУ
Энергетические газотурбинные установки еще называют «газотурбинными мини электростанциями».К преимуществам газотурбинных установок относятся:
- 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.
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.
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. Базовыми точками расчётов являются среднегодовые температуры в месте размещения и пиковые электрические нагрузки потребителей.
Соответственно в цене 1 установленного мегаватта ГТУ этот момент покупателю следует учитывать, безусловно, как и географию размещения. В Надыме и Геленджике разница будет явной, причём, конечно, в пользу Надыма, с его холодным климатом и среднегодовой температурой -6,6 градуса. То есть покупатель за одну и ту же сумму имеет в этих городах газотурбинные электростанции различной мощности.
Можно отметить, что большинство фирм, производящих ГТУ, предъявляют серьёзные требования к эксплуатирующей организации по чёткому выполнению графика технического обслуживания. 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.
Сравнение 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.
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.
| Характеристика | Газотурбинная установка (ГТУ) | Газопоршневая установка (ГПУ) |
|---|---|---|
| Стоимость | Выше | Ниже |
| Необходимость обслуживания | Меньше | Больше (замена масла, фильтров) |
| Ресурс | Меньше | Больше |
| Площадь размещения | Требуется меньше | Требуется больше |
| Экономическая эффективность | Окупаемость дольше | Окупаемость быстрее |
Области применения ГТУ
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.
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.
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%.
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. 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.
Основные преимущества современных газотурбинных установок - высокая мощность на единицу оборудования, относительно низкая металлоемкость, простота обслуживания, неприхотливость в потреблении топлива и экологичность.