Паро и Газотурбинные Установки: Принцип Работы и Применение
Газотурбинная установка (ГТУ) представляет собой универсальное модульное устройство, которое объединяет в себе электрогенератор, редуктор, газовую турбину и блок управления. Газотурбинная установка способна функционировать не только в режиме выработки электроэнергии, но и производить совместное производство электрической энергии с тепловой.
Принцип работы газотурбинной установки
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.
Существуют два основных типа циклов газотурбинных установок: замкнутый и разомкнутый.
Замкнутый цикл
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
Разомкнутый цикл газотурбинной установки используют намного чаще. В этом оборудовании компрессором осуществляется 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 больше 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), располагаемую 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.
Отличия закрытых и открытых ГТУ
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 газотурбинных установок
Энергетические газотурбинные установки еще называют «газотурбинными мини электростанциями». Они обладают рядом преимуществ:
- 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.
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.
Комбинированное использование газовых и паровых турбин
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.
ГТУ и ПГУ: В чем разница?
В этих двух терминах может запутаться не только обыватель, но и начинающий энергетик. 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.
Преимущества ГТУ
Газотурбинные установки обладают рядом преимуществ, среди которых:
- практическое отсутствие масляного расхода, так как моторное масло в основном цикле не применяется.
- При работе на газе выбросы вредных веществ имеют низкие значения.
- малые габариты, с удельно небольшим весом, дают возможность устанавливать устройство на площадках небольшого размера.
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.
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.
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%.
На данный момент использование ГТУ для классических ТЭЦ (ТЭС), с финансовой точки зрения оправдано и распространено.
Недостатки газотурбинных установок
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.
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.
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.
Газовая турбина на порядок компактнее паровой, а ее лопатки вращаются намного быстрее. КПД газовой турбины при этом сравним с КПД дизельного двигателя и достигает 35-40%.
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.
Эффективность газовой турбины
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%.
Из-за непрерывного горения топлива, а также более высокого давления в газотурбинной установке, ее лопатки и камеру сгорания нужно изготавливать из более жаропрочных материалов по сравнению с ДВС. Однако такие материалы и служат дольше.
Ротор газовой турбины вращается со скоростью до 200 оборотов в секунду. Для сравнения, обычный напольный вентилятор за это же время делает не более двадцати оборотов. Высокая скорость позволяет турбине генерировать много энергии при скромных размерах: из топлива извлекается две пятых его энергии.
Преимущества газотурбинной установки
На выходе из турбины раскаленные газы имеют температуру 550 градусов Цельсия - этого недостаточно, чтобы быстро крутить ротор, но вполне хватает, чтобы «накормить» другие преобразователи энергии. 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%.
Паровая турбина, которая господствовала на ТЭС до газовой, вращается в несколько раз медленнее, она больше и раскручивается до рабочих режимов дольше. 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. 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.
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.
| Характеристика | ГТУ (Газотурбинная установка) | ГПУ (Газопоршневая установка) |
|---|---|---|
| Электрический КПД | 10-39% | 43-46% |
| Топливо | Природный газ, угольная пыль, керосин, дизельное топливо | Природный газ |
| Применение | ТЭС, нефтегазовые месторождения, пиковые электростанции | Современные электростанции |
| Размеры | Компактнее паровой турбины | - |