Газотурбинные установки: принцип работы, преимущества и применение

Газотурбинная установка (ГТУ) - это энергетическая установка, широко применяемая в различных отраслях промышленности и энергетики. Она представляет собой комплекс оборудования, предназначенный для преобразования энергии сгорания топлива в механическую работу вращения вала, которая, в свою очередь, используется для выработки электроэнергии или привода других механизмов.

В фильме «Малышка на миллион» никто не ждал от невысокой и хрупкой главной героини спортивных успехов в боксе, но упорство и тренировки превратили ее из новичка в претендента на чемпионский титул. Газотурбинная установка тренироваться не умеет, но «горячий нрав» и работа на повышенных оборотах открыли ей путь в большую энергетику, а в будущем могут превратить ее в мировую чемпионку среди преобразователей энергии.

Принцип работы газотурбинной установки (ГТУ)

Принцип работы газотурбинной установки

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.

Рассмотрим основные этапы работы ГТУ:

1. Сжатие воздуха: Входящий воздух сжимается с помощью компрессора. Сжатый воздух подается в камеру сгорания.
2. Сгорание топлива: В камеру сгорания подается топливо (газ, дизельное топливо, керосин или угольная пыль), которое смешивается со сжатым воздухом и воспламеняется. Температура в камере сгорания достигает очень высоких значений (около 1700 °С).
3. Расширение газа: Горячий газ под высоким давлением поступает на лопатки турбины, заставляя их вращаться. Тепловая энергия сжатого воздуха преобразуется в механическую энергию.
4. Выработка электроэнергии: Вращение вала турбины передается на электрогенератор, который преобразует механическую энергию в электрическую.

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.

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%.

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.

Насколько эффективна газовая турбина? 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.

Принцип работы газотурбинной установки

Разновидности циклов газотурбинных установок

Существуют различные схемы газотурбинных установок, отличающиеся способом организации рабочего процесса:

• Разомкнутый цикл: Компрессором осуществляется подача воздуха из окружающей среды, который при высоком давлении попадает в специально предназначенную камеру сгорания.
• Замкнутый цикл: 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.

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.

Преимущества газотурбинных установок

Газотурбинные установки обладают рядом преимуществ, которые делают их привлекательными для использования в различных областях:

• малые габариты, с удельно небольшим весом, дают возможность устанавливать устройство на площадках небольшого размера.
• Высокая мощность на единицу оборудования
• Относительно низкая металлоемкость
• Простота обслуживания
• Неприхотливость в потреблении топлива
• Экологичность: При работе на газе выбросы вредных веществ имеют низкие значения.
• практическое отсутствие масляного расхода, так как моторное масло в основном цикле не применяется.
• Возможность работы на различном топливе: газотурбинное оборудование способно работать на различном топливе, что позволяет применять его практически в любом производстве.
• Комбинированное производство энергии: Газотурбинная установка способна функционировать не только лишь в режиме вырабатывания электроэнергии, но и производить совместное производство электрической энергии с тепловой.
• Мобильность: 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.
• Автоматизация: 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. Степень автоматизации ГТУ позволяет отказаться от постоянного присутствия обслуживающего персонала в блоке управления. Контроль работы станции может осуществляться с главного щита управления, дистанционно.
• Быстрая окупаемость: Возможность получения недорогой тепловой и электрической энергии предполагает быструю окупаемость поставленной ГТУ. В целом газопоршневые установки привлекательны тем, что окупаются быстрее, не зависимо от того, какая мощность электростанции.
• Незначительный вред, причиняемый окружающей среде.
• Небольшие габариты и вес.
• Незначительный уровень шума, а также вибрации.
• Продолжительная работа с минимальной нагрузкой.
• На протяжении одной минуты данное оборудование способно выдерживать превышение номинальной величины тока на 150 процентов.

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

Комбинированное использование энергии

Козырь 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%.

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

Недостатки газотурбинных установок

Несмотря на многочисленные преимущества, газотурбинные установки имеют и некоторые недостатки:

• Снижение мощности при высокой температуре воздуха: 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.

Можно отметить, что большинство фирм, производящих ГТУ, предъявляют серьёзные требования к эксплуатирующей организации по чёткому выполнению графика технического обслуживания.

Области применения газотурбинных установок

Области применения газотурбинных установок практически не ограничены:

• Нефтегазодобывающая промышленность
• Промышленные предприятия
• Муниципальные образования
• Электростанции (ТЭС и ТЭЦ)
• Автономное энергоснабжение (микротурбины)
• Авиация (в качестве авиационных двигателей)

Газотурбинная электростанция

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.

Газотурбинная или газопоршневая установка: что выбрать?

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.

В заключение, газотурбинные установки представляют собой эффективное и универсальное решение для производства электроэнергии и тепла. Благодаря своим преимуществам, они находят широкое применение в различных отраслях промышленности и энергетики, обеспечивая надежное и экономичное энергоснабжение.