Газотурбинные установки: Применение и перспективы
Газовые турбины представляют собой технологическое чудо инженерной мысли, трансформирующее термодинамическую энергию в механическую работу с впечатляющей эффективностью. В основе их функционирования лежит принцип преобразования энергии сжатого и нагретого газа в кинетическую энергию вращения. При этом ключевым преимуществом этих установок выступает их высокий КПД, компактность конструкции, быстрый запуск и маневренность при изменении нагрузки.
Газотурбинная установка (ГТУ) - энергетическая установка, преобразующая энергию входящего воздуха в механическую работу вала. 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.
Рассмотрим основные компоненты газотурбинной установки:
- Ротор - подвижный вал, на котором установлены диски с лопатками. Один диск называется ступенью ротора.
- Лопатка - это металлическая деталь, представляющая собой пластину с хвостовиком, прикрепляющуюся к диску.
- Статор - неподвижный элемент турбины, представляющий собой лопатки другой формы, закрепленные в корпусе вокруг ротора. Он служит для направления газа на пластины ротора под нужным углом.
С помощью турбокомпрессора входящий воздух сжимается и подается в камеру сгорания. Главной особенностью газового устройства по сравнению с паровыми и парогазовыми турбинами является неизменность агрегатного состояния входящего вещества на протяжении всего рабочего процесса.
Существуют различные типы циклов 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.
Схема газотурбинной установки
Применение газотурбинных установок
Наибольшую популярность получило применение газовых турбин на электростанциях за их высокую мощность при сниженных габаритах. 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.
Применение газовых турбин связано и с некоторыми недостатками.
Энергетические газотурбинные установки еще называют «газотурбинными мини электростанциями». Газотурбинная электростанция (сокращённо ГТЭС) - установка, генерирующая электричество и тепловую энергию. 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.
В мировой практике газотурбинные электростанции получили широкое распространение в 50-60-х гг. прошлого века, в настоящее время используются реже.
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.
ГТЭС находят широкое применение в различных сферах промышленности. Применение таких установок целесообразно на объектах, где важно обеспечить бесперебойную подачу электроэнергии или теплоэнергии. Широкое применение ГТЭС находят в сфере ЖКХ, на местах добычи газа и нефти, в сельском хозяйстве и других отраслях экономики.
Существуют различные типы ГТЭС:
- Стационарные - монтируются на капитальном фундаменте.
- Передвижные (мобильные) - представляют собой передвижную технику. Как правило используются для обеспечения теплом и электричеством удаленных объектов, например, шахтёрских и нефтедобывающих поселков.
- Установки формата мини. Компактные модели, которые удобно транспортировать и можно размещать в непосредственной близости от объекта, не только производственного, но и жилого типа.
Микротурбины - используются для обеспечения автономного энергоснабжения. Микротурбины производят электричество для торговых комплексов, строительных площадок, оборудования утилизирующей промышленности, аграрного сектора. Рост тарифов на электроэнергию, значительные затраты на подключение к электросетям вынуждают бизнес искать альтернативные пути для снижения себестоимости продукции и обеспечения энергонезависимости компаний.
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. Газотурбинные установки широко применяются в малой энергетике как в России, так и во многих зарубежных странах. ГТУ обладают значительной гибкостью в выборе режима работы. 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.
Газотурбинная электростанция
Преимущества газотурбинных установок
Рассмотрим основные преимущества газотурбинных установок:
- 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. 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.
Экономические аспекты
Как основу расчетов принимаем газотурбинную установку с электрической мощностью 10 МВт и тепловой мощностью 15 МВт, работающую 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 | 70 080 |
| Выработка тепловой энергии | Гкал | 105 120 |
Рассчитаем выручку от реализации продукции (табл. 2).
| Показатель | Единица измерения | Значение |
|---|---|---|
| Выручка от реализации электроэнергии | млн руб. | 2117,41 |
| Выручка от реализации тепловой энергии | млн руб. | 773,28 |
| Итого выручка | млн руб. | 2890,69 |
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.
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).
| Показатель | Единица измерения | Значение |
|---|---|---|
| Себестоимость производства электроэнергии | млн руб. | 1121,28 |
| Себестоимость производства тепловой энергии | млн руб. | 112,13 |
| Итого себестоимость | млн руб. | 1233,41 |
Вес себестоимости продукции в выручке составляет 32,27 %.
Тенденции и перспективы
В настоящее время в России планируется к сооружению и вводится множество проектов ГТУ. Газотурбинная электростанция мощностью 24 МВт планируется к постройке в Нижневартовском районе Ханты-Мансийского автономного округа.
В США ряд газотурбинных установок строится на основе новой технологии, по которой сырьем для электростанции будет газ, синтезированный из угля (не природный). Эта технология несколько дороже с точки зрения инвестиций и эксплуатационных расходов, но позволяет использовать местное сырье.
Что касается европейского рынка энергетики, то на нем все большее внимание уделяют зеленым технологиям производства. Все больше стран отказывается от развития энергетики, основанной на ископаемых источниках энергии. Производители оборудования сообщают о 80%-ном спаде продаж новых газотурбинных установок большой мощности за последние несколько лет.
Причиной строительства частных ГТУ является не только стремление обеспечить свою энергобезопасность, но и постоянный рост тарифов на электроэнергию. Парк энергетического оборудования в России стремительно устаревает, что, с одной стороны, обуславливает относительно высокую себестоимость производства, с другой - необходимость строительства новых электростанций. После ввода их в эксплуатацию нужно возвращать инвестиционные расходы, которые в дальнейшем включаются в тариф.
По некоторым экспертным оценкам, рост тарифов на электроэнергию, особенно для промышленных предприятий, будет опережать темпы инфляции примерно в два раза. Общая тенденция на выравнивание цен на энергоносители в разных странах становится все более актуальной. В европейских странах стоимость электроэнергии в несколько раз выше, чем в России, а вот с ценами в США мы практически сравнялись. Эта динамика подтверждается тем фактом, что с 2000 г.
На рынке России представлены десятки отечественных и зарубежных производителей оборудования для газотурбинных электростанций. Среди отечественных можно выделить ОАО «Сатурн» (г. Москва), АО «ОДК-Пермские моторы», ОАО КПП «Авиамотор» (г. Казань), НПО «Сатурн» (г. Рыбинск) и др. К одному из лидеров этого рынка среди зарубежных компаний можно отнести Siemens. Что касается качества оборудования и его стоимости, то традиционно мнения экспертов в данном вопросе расходятся. Как правило, полностью импортные установки ГТУ дороже отечественных, отличаются большей степенью автоматизации и надежностью. С другой стороны, обслуживание импортной техники зачастую обходится дороже, чем отечественной.
В заключение следует отметить, что газотурбинные установки являются важным элементом современной энергетической инфраструктуры. Они обладают рядом преимуществ, таких как высокая эффективность, компактность и возможность работы на различных видах топлива. Несмотря на некоторые недостатки, газотурбинные технологии продолжают развиваться и совершенствоваться, что делает их перспективным направлением для обеспечения энергетической безопасности и устойчивого развития.