Газотурбинные энергетические установки: принцип работы и применение

В современной энергетике все чаще предлагаются 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 компаниями. Газотурбинные установки (ГТУ) являются одними из ключевых компонентов в энергетике, авиации и промышленных технологиях.

В статье рассматриваются основные принципы работы газотурбинных установок (ГТУ), их конструкционные особенности и широкие области применения. ГТУ привлекают внимание благодаря высокой эффективности, мобильности и экологическим преимуществам в сравнении с традиционными углеводородными источниками энергии. Газотурбинные установки используются в энергетике, авиации, судостроении и промышленности благодаря своей высокой эффективности и экологичности.

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.

Что такое газотурбинная электростанция?

Газотурбинная электростанция (ГТЭС) относится к высокотехнологичным энергетическим комплексам по производству тепловой и электрической энергии. Газотурбинная электростанция (сокращённо ГТЭС) - установка, генерирующая электричество и тепловую энергию. В составе можно отметить газотурбинные силовые установки и генератор электрический. Основу ГТЭС составляют одна или несколько газотурбинных установок - 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. ГТЭС позиционируется как основной или дополнительный источник питания, который работает самостоятельно или параллельно с энергосистемой.

В мировой практике газотурбинные электростанции получили широкое распространение в 50-60-х гг. прошлого века, в настоящее время используются реже. 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.

Теплосиловая установка малой мощности использует в работе компрессор, камеру сгорания, турбину, электрогенератор и т. д. Газотурбинная установка представляет собой универсальное модульное устройство, которое объединяет в себе: электрогенератор, редуктор, газовую турбину и блок управления. Данное оборудование имеет два главных блока: турбину силового типа и генератор. Они размещаются в одном блоке.

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.

В газотурбинной электростанции в качестве рабочего элемента используется природный воздух. 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, т.е. тепловая энергия сжатого воздуха преобразуется в механическую энергию. Поскольку газотурбинная электростанция не требует котлов, устройства питательной воды и т. Температура камеры сгорания очень высокая (около 1700 °С). Для газотурбинной электростанции чистая мощность установки очень мала.

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.

Основные компоненты газотурбинной установки

Газотурбинная установка представляет собой тепловую машину, которая преобразует тепловую энергию сгораемого топлива в механическую работу для привода генераторов, компрессоров или других машин. Выделяют следующие основные компоненты ГТУ:

1. Компрессор. Это устройство для сжатия воздуха, поступающего в камеру сгорания. Существуют два типа компрессоров: осевые и центробежные.
2. Камера сгорания. Это центральный элемент установки, где происходит смешивание воздуха с топливом и его сгорание.
3. Турбина. Турбина преобразует энергию расширяющихся газов в механическую энергию.
4. Генератор или привод.

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.

Этапы работы ГТУ:

1. Сжатие воздуха. Воздух поступает в компрессор, где сжимается до высокого давления.
2. Смешивание с топливом и сгорание. Сжатый воздух поступает в камеру сгорания, где происходит его смешивание с топливом.
3. Расширение газа в турбине. Расширяющиеся газы вращают лопатки турбины, преобразуя тепловую энергию в механическую работу.
4. Вывод отработанных газов.

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.

Энергетические газотурбинные установки еще называют «газотурбинными мини электростанциями».

Принцип работы газотурбинной установки

Вырабатываемое уходящими газами тепло на первом этапе улавливается котлами-утилизаторами, которые вырабатывают пар для дополнительного производства электричества, горячей воды и т. 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).

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%.

Газотурбинная электростанция

Типы газотурбинных установок

Газотурбинные электростанции классифицируются по различным признакам, включая мощность, область применения и конструктивные особенности. Различают следующие типы ГТУ:

• Стационарные. Самый мощный в энергетическом отношении класс. Стационарные - монтируются на капитальном фундаменте.
• Мобильные. Агрегаты с возможностью передвижения, предназначенные для производства электроэнергии и тепла для удаленных объектов, располагающихся в районах поиска полезных ископаемых. Передвижные (мобильные) - представляют собой передвижную технику. При необходимости установка может транспортироваться в любое место. Как правило используются для обеспечения теплом и электричеством удаленных объектов, например, шахтёрских и нефтедобывающих поселков.
• Блочно-модульные. Мини-установки.

Преимущества газотурбинных установок

Газотурбинные установки обладают рядом значительных преимуществ, которые делают их привлекательными для различных отраслей промышленности и энергетики:

• Прочность и долговечность: микротурбинные агрегаты контейнерного типа разрабатываются на основе инверторов и бесколлекторных генераторов. Они могут работать без капитального ремонта в течение 60 тысяч часов эксплуатации. Наработка до кап. ремонта у стационарных ГТУ 60-80 тыс. часов, у передвижных 30-60 тыс. часов.
• Незначительные эксплуатационные затраты.
• Высокие экологические показатели: возможны вследствие низкого уровня вибрации и малой токсичности отходов. 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. Незначительный вред, причиняемый окружающей среде. Это малый расход масла.
• Незначительный уровень шума, а также вибрации.
• Небольшие габариты и вес.
• Способность работать на отходах самого производства.
• 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.

Области применения ГТУ

Газотурбинные установки нашли широкое применение в различных отраслях:

• Энергетика: генерация электроэнергии на тепловых электростанциях (ТЭС) и когенерационных установках.
• Авиация: приводы авиационных двигателей.
• Нефтегазовая промышленность: приводы компрессоров и насосов.
• Морской транспорт: приводы судов.

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.

Газотурбинные станции незаменимы в Арктике и других отдаленных регионах, куда дорого завозить топливо. 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.

Области применения ГТУ

Преимущества использования ГТУ

• Возможность получения недорогой тепловой и электрической энергии предполагает быструю окупаемость поставленной ГТУ.
• С газотурбинными машинами существенно упростилась задача получения большой мощности.
• 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.
• 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.
• Электрическая мощность газотурбинного оборудования находится в пределах от десятков кВт до нескольких МВт.

Сравнение с газопоршневыми установками

Газотурбинные установки часто сравнивают с газопоршневыми электростанциями (ГПЭС). 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.

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.

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.

Ограничения в применении

Применение ГТЭС ограничивается требованиями экономического и технического порядка. Полностью окупается эксплуатация пользователями с продолжительными циклами работы или простоя.

Недостатки

• Высокие затраты на обслуживание.
• Зависимость от качества топлива.

Заключение

Газотурбинные установки являются важным элементом современной промышленности и энергетики. Они обеспечивают высокую эффективность и экологичность в различных областях применения, от авиации до энергосистем. В будущем можно ожидать дальнейшего развития технологий, направленных на повышение эффективности и сокращение выбросов, что позволит ГТУ оставаться ключевым элементом мировой экономики.