В энергетике всё большое распространение получают теплосиловые установки небольшой мощности (до 25 МВт), необходимые для совместного производства электричества и тепла – когенерации. Одна из моделей, которых – газотурбинные электростанции с параллельной утилизацией тепловой энергии.
Ведущим трендом в вопросах снабжения пользователей энергоносителями всё больше выступает малая распределённая энергетика. Оценки крупнейших мировых аналитиков – прогнозы специалистов из Navigant Research – свидетельствуют, что к 2026 году ввод новых мощностей распределённой генерации составит более 300 ГВт, а централизованной – менее 100 ГВт. Тенденция распространена и в России. Для страны с труднодоступными и удалёнными на значительные расстояния просторами, охваченными Единой энергетической системой и централизованным теплоснабжением на 30-40%, вопросы развития малой энергетики необходимо решать.
Что такое - газотурбинные электростанции.
Газотурбинная электростанция (ГТЭС) – это высокотехнологичный энергетический комплекс по производству электрической и тепловой энергии. В состав его входят газотурбинные силовые установки и электрический генератор. Механически соединённые между собой, они связаны единой системой управления.
ГТЭС выступает основным или дополнительным источником питания, работая самостоятельно или параллельно с энергосистемой. Место её установки – открытое пространство или расположенное внутри здания помещение.
При электрическом КПД порядка 33-39%, газотурбинные установки вырабатывают от десятков кВт до сотен МВт электрической энергии. При этом они вырабатывают и отпускают вдвое больше тепловой энергии. Тепло уходящих газов и охлаждающей воды первоначально улавливается котлами-утилизаторами вырабатывающими пар для дополнительного производства электричества, горячей воды или пара необходимых технологических параметров.
Принцип работы ГТЭС
Маломощная теплосиловая установка включает компрессор, камеру сгорания, газо-воздушный тракт, турбину и электрогенератор. Все они за исключением камеры сгорания расположены на одном валу, что даёт значительную экономию кинетической энергии в системе.
В основу действия установки положен ряд последовательно протекающих физико-технических процессов:
- Нагнетание компрессором воздуха под высоким давлением в камеру сгорания.
- Подача туда же газообразного топлива.
- Воспламенение топливно-воздушной смеси.
- Образование высокотемпературных газов, обладающих значительным энергетическим потенциалом.
- Воздействие газового потока на лопатки турбины.
- Вращение рабочего колеса турбины, что приводит в действие генератор.
- Выработка генератором электрической энергии.
- Отпуск, трансформация и передача электроэнергии потребителям.
При этом отработанные газы выбрасываются через выхлопную трубу в атмосферу или утилизируются с помощью теплообменников и котлов-утилизаторов для теплотехнических нужд.
Использование газотурбинных электростанций
Область применения ГТЭС обусловлена факторами экономического и технического порядка. Экономически целесообразна эксплуатация установок:
- на отдалённых объектах,
- у индивидуально-обособленных потребителей,
- в случаях наличия дешёвого и легкодоступного топлива (газовые и газонефтяные месторождения),
- при отсутствии централизованного отопления или потребности в тепловой энергии,
- в местах не располагающих свободными площадями.
Также оправдано их назначение для пользователей с продолжительными циклами работы или простоя, делающее невыгодным применение иных средств малой энергетики или систему подключения к централизованным источникам энергоснабжения.
Такие абоненты распространены в области эксплуатации:
- общественных сооружений,
- комплексов спортивного и физкультурно-оздоровительного назначения,
- объектов жилищно-коммунального хозяйства,
- предприятий агропромышленного комплекса,
- объектов кооперации,
- топливных месторождений.
Виды газотурбинных электростанций
Виды ГТЭС выпускаемых промышленностью:
- Стационарные. Наиболее мощный в энергетическом отношении класс установок, что устанавливаются на капитальном фундаменте.
- Мобильные. Передвижные агрегаты, обычно предназначенные для снабжения электроэнергией и теплом удалённых объектов, часто располагающихся в районах добычи полезных ископаемых. В случае необходимости установка может быть перевезена в другое место. Универсальность такого класса ГТЭС обеспечена работой на газообразном и жидком топливе.
К ним относятся блочно-модульные ГТЭС, что изготавливаются в виде передвижных блоков полной готовности и оснащаются системами вентиляции, освещения и отопления.
- Мини-установки. Ценность их заключается в компактности и возможности размещения на незначительном расстоянии от потребителей.
Преимущества газотурбинной электростанции
Теплосиловые газотурбинные установки получили широкое распространение благодаря ряду достоинств:
- Простоты конструкции в сравнении с паровыми установками.
- Минимуму расхода воды, потребного лишь для охлаждения масла в подшипниках.
- Быстроты запуска в работу, время которой до подключения нагрузки составляет 15-20 мин.
- Надёжности и долговечности. Так микротурбинные агрегаты контейнерного типа изготовления, разработанные на основе инверторов и бесколлекторных генераторов с постоянными магнитами, могут работать до капитального ремонта на протяжении 60 тыс. часов, что составляет почти 7 лет службы. А ГТЭС больших габаритов обходятся без капремонта в течение 130-130 тыс. работы.
- Высокому КПД, который достигает 93% при использовании тепла уходящих газов.
- Малым габаритам, что в значительной степени упрощает их монтаж и сокращает срок окупаемости в сравнении с аналогами.
- Низким эксплуатационным затратам. Обоснованным возможностью работы в автономном режиме, минимумом расходов на дежурный персонал, простотой диагностики неисправностей оборудования и лёгкостью управления.
- Хорошими экологическими показателями, вследствие низкого уровня вибрации и малой токсичности выбросов.
Недостатки газотурбинной установки
Наряду с многочисленными достоинствами ГТЭС обладают рядом недостатков:
- Высокой ценой за один кВт вырабатываемой мощности. Причина – недостаток компаний-производителей и высокая цена комплектующих.
- Низкой полезной мощностью, так как значительная часть её 55-70% расходуется на работу компрессора. Вот почему КПД станции по электричеству находится в пределах 17-39%.
- Трудностями при использовании мазута и твёрдых горючих материалов в качестве топлива.
Сравнение газотурбинных и газопоршневых электростанций
Сравнительный анализ показателей газотурбинных и газопоршневых электростанций показывает:
- сходство общей экономичности по теплу и электричеству, что позволяет получить КПД когенерации на уровне 85%;
- одинаковую стоимость обслуживания;
- высокий для обеих установок уровень экологичности и нормальную быстроту запуска.
Разница между электростанциями определяется ценой за 1 кВт мощности: для газотурбинных она достигает 1000-1400 долларов, в то время как для газопоршневых составляет лишь 400-600 долларов. Плюс к этому газопоршневые установки более высокий КПД по электричеству, доходящий до 40-47%.
Вывод: Газотурбинные установки (ГТУ) наиболее применимы в условиях строго ограниченной площади и при необходимости получения тепла (лучше всего за счёт дешёвого и легкодоступного топлива). В иных условиях более целесообразно использование обладающих немного большим ресурсом эксплуатации газопоршневых установок (ГПУ).
Наглядную демонстрацию процессов, протекающих при промышленном решении вопросов энергообеспечения посредством ГТЭС можно увидеть в видеоматериале сайта:
