То и дело в новостях говорят, что, к примеру, на такой то ГРЭС полным ходом идет строительство ПГУ -400 МВт, а на другой ТЭЦ-2 включена в работу установка ГТУ-столько то МВт. О таких событиях пишут, их освещают, поскольку включение таких мощных и эффективных агрегатов — это не только «галочка» в выполнении государственной программы, но и реальное повышение эффективности работы электростанций, областной энергосистемы и даже объединенной энергосистемы.
Но довести до сведения хочется не о выполнении госпрограмм или прогнозных показателей, а именно о ПГУ и ГТУ. В этих двух терминах может запутаться не только обыватель, но и начинающий энергетик.
Начнем с того, что проще.
ГТУ — газотурбинная установка — это газовая турбина и электрический генератор, объединенные в одном корпусе. Ее выгодно устанавливать на ТЭЦ. Это эффективно, и многие реконструкции ТЭЦ направлены на установку именно таких турбин.
Вот упрощенный цикл работы тепловой станции:
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. Из генератора мы получаем электроэнергию, а пар для промышленных нужд (отопление, подогрев) забираем из турбины при необходимости.
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. газ работает с двойной пользой: сначала сгорает и крутит турбину, затем нагревает воду в котле.
А если саму газотурбинную установку показать еще более развернуто, то будет выглядеть так:
На этом видео наглядно показано какие процессы происходят в газотурбинной установке.
Но еще больше пользы будет в том случае, если и полученный пар заставить работать — пустить его в паровую турбину, чтобы работал еще один генератор! Вот тогда наша ГТУ станет ПАРО-ГАЗОВОЙ УСАНОВКОЙ (ПГУ).
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 %! Это очень хороший результат, который позволяет значительно снизить расход топлива на получение киловатт-часа электроэнергии!
В Беларуси для повышения эффективности работы электростанций применяют ГТУ как «надстройку» к существующей схеме ТЭЦ, а ПГУ возводят на ГРЭСах, как самостоятельные энергоблоки. Работая на электростанциях, эти газовые турбины не только повышают «прогнозные технико-экономические показатели», но и улучшают управление генерацией, так как имеют высокую маневренность: быстроту пуска и набора мощности.
Вот какие полезные эти газовые турбины!
ГАЗОТУРБИННЫЕ УСТАНОВКИ
ВВЕДЕНИЕ
На первых этапах развития ГТУ для сжигания топлива применяли два типа камер сгорания. В камеру сгорания первого типа топливо и окислитель (воздух) подавались непрерывно, их горение также поддерживалось непрерывно, а давление не изменялось. В камеру сгорания, второго типа топливо и окислитель (воздух) подавались порциями. Смесь поджигалась и сгорала в замкнутом объеме, а затем продукты сгорания поступали в турбину. В такой камере сгорания температура и давление не постоянны: они резко увеличиваются в момент сгорания топлива.
Со временем выявились несомненные преимущества камер сгорания первого типа. Поэтому в современных ГТУ топливо в большинстве случаев сжигают при постоянном давлении в камере сгорания.
Первые ГТУ имели низкий КПД, так как газовые турбины и компрессоры были несовершенны. По мере совершенствования этих агрегатов увеличивался КПД газотурбинных установок, и они становились конкурентоспособными по отношению к другим видам тепловых двигателей.
В настоящее время газотурбинные установки являются основным видом двигателей, используемых в авиации, что обусловлено простотой их конструкции, способностью быстро набирать нагрузку, большой мощностью при малой массе, возможностью полной автоматизации управления. Самолет с газотурбинным двигателем впервые совершил полет в 1941 г.
В энергетике ГТУ работают в основном в то время, когда резко увеличивается потребление электроэнергии, т. е. во время пиков нагрузки. Хотя КПД ГТУ ниже кпд паротурбинных установок (при мощности 20-100 МВт КПД ГТУ достигает 20-30%), использование их в пиковом режиме оказывается выгодным, так как пуск занимает гораздо меньше времени.
В некоторых пиковых ГТУ в качестве источников газа для турбины, вращающей электрический генератор, применяют авиационные турбореактивные двигатели, отслужившие свой срок в авиации. Наряду с двигателями внутреннего сгорания ГТУ применяют в качестве основных двигателей на передвижных электростанциях.
В технологических процессах нефтеперегонных и химических производств горючие отходы используются в качестве топлива для газовых турбин.
Газотурбинные установки находят также широкое применение на железнодорожном, морском, речном и автомобильном транспорте. Так, на быстроходных судах на подводных крыльях и воздушной подушке ГТУ являются двигателями. На большегрузных автомобилях они могут использоваться в качестве как основного, так и вспомогательного двигателя, предназначенного для подачи воздуха в основной двигатель внутреннего сгорания и работающего на его выхлопных газах.
Кроме того, ГТУ служат приводом нагнетателей природного газа на магистральных газопроводах, резервных электрогенераторов пожарных насосов.
! Основное направление, по которому развивается газотурбиностроение, это повышение экономичности ГТУ за счет увеличения температуры и давления газа перед газовой турбиной. С этой целью разрабатываются сложные системы охлаждения наиболее напряженных деталей турбин или применяются новые, высокопрочные материалы - жаропрочные на основе никеля, керамика и др.
Газотурбинные установки обычно надежны и просты в эксплуатации при условии строгого соблюдения установленных правил и режимов работы, отступление от которых может вызвать разрушение турбин, поломку компрессоров, взрывы в камерах сгорания и др.
ОСНОВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ГАЗОТУРБИННЫХ УСТАНОВОК
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ГАЗОТУРБИННЫХ УСТАНОВКАХ
Газотурбинный двигатель (ГТД) - один из видов теплового двигателя, в котором газ сжимается и нагревается, а затем энергия сжатого и нагретого газа преобразуется в механическую работу на валу газовой турбины. Газотурбинная установка состоит из трех основных элементов: газовой турбины, камер сгорания и воздушного компрессора.
Превращение теплоты в работу осуществляется в нескольких агрегатах ГТД (рис.1)
Рис. 1. Схема газотурбинного двигателя:
ТН – топливный насос; КС – камера сгорания; К – компрессор; Т – турбина; ЭГ – электрогенератор.
В камеру сгорания топливным насосом подаются топливо и сжатый воздух после компрессора. Топливо перемешивается с воздухом, который служит окислителем, поджигается и сгорает. Чистые продукты сгорания также смешиваются с воздухом, чтобы температура газа, получившегося после смешения, не превышала заданного значения. Из камер сгорания газ поступает в газовую турбину, которая предназначена для преобразования его потенциальной энергии в механическую работу. Совершая работу, газ остывает и давление его уменьшается до атмосферного. Из газовой турбины газ выбрасывается в окружающую среду.
Из атмосферы в компрессор поступает чистый воздух. В компрессоре его давление увеличивается и температура растет. На привод компрессора приходится отбирать значительную часть мощности турбины.
Газотурбинные установки, работающие по такой схеме, называют установками открытого цикла . Большинство современных ГТУ работает по этой схеме.
Рис. 2. Цикл газотурбинного двигателя.
Заменив сгорание топлива изобарным подводом теплоты (линия 2-3 на рис. 2), а охлаждение выброшенных в атмосферу продуктов сгорания – изобарным отводом теплоты (линия 1-4), получается цикл ГТД:
1-2 – сжатие рабочего тела от атмосферного давления до давления в двигателе;
2-3 – горение в камере;
3-4 – процесс адиабатного расширения рабочего тела;
4-1 – отработанные газы выбрасываются в атмосферу
Кроме того, применяются замкнутые ГТУ (рис. 3). В замкнутых ГТУ также имеются компрессор 3 и турбина 2. Вместо камеры сгорания используется источник теплоты 1, в котором теплота передается рабочему телу без перемешивания с топливом. В качестве рабочего тела может применяться воздух, углекислый газ, пары ртути или другие газы.
Рабочее тело, давление которого повышено в компрессоре, в источнике теплоты 1нагревается и поступает в турбину 2, в которой отдает свою энергию. После турбины газ поступает в промежуточный теплообменник 5 (регенератор), в котором он подогревает воздух, а затем охлаждается в охладителе 4, поступает в компрессор 3, и цикл повторяется, В качестве источника теплоты могут использоваться специальные котлы для нагрева рабочего-тела энергией сжигаемого топлива или атомные реакторы.
Рис. 3. Схема газотурбинного двигателя, работающего по замкнутому циклу: 1 - поверхностный нагреватель; 2 - турбина; 3 - компрессор; 4 - охладитель; 5 - регенератор; 6 - аккумулятор воздуха; 7 - вспомогательный компрессор.
Газовая турбина представляет собой двигатель, в котором сочетаются преимущества паровой турбины и двигателя внутреннего сгорания. В отличие от паровой турбины рабочим телом здесь является не пар из котлов, а газы, образующиеся при сгорании топлива в специальных камерах. В отличие от ДВС энергия рабочего тела превращается в механическую энергию вращения вала не в результате возвратно-поступательного движения поршня в цилиндре, а путем вращения колеса турбины под действием скоростной струи газов, вытекающих из сопла.
Газовая турбина, как и паровая, - это нереверсивный механизм, поэтому для реверса в газотурбинных установках необходимо предусматривать турбину заднего хода или другое какое- либо устройство, например винт регулируемого шага (ВРШ).
Газотурбинная установка (ГТУ) состоит из следующих основных частей: газовой турбины , в которой тепловая энергия горячих газов преобразуется в механическую; воздушного компрессора , засасывающего и сжимающего воздух, необходимый для сгорания топлива; камеры горения (генератора газов), в которой распыленное жидкое топливо смешивается с воздухом и сгорает, образуя рабочее тело - горячий газ ; трубопроводов для подвода воздуха к генератору газа, подачи газов из генератора в газовую турбину и отвода отработавших газов в атмосферу; утилизационных устройств , обеспечивающих использование тепла отходящих газов.
Рис. 124. Общий вид (а) и схема ГТУ с камерой горения (б) (мощность 4040 кВт).
1 - компрессор низкого давления; 2 - воздухоподогреватель; 3 - ТВД; 4 - компрессор высокого давления; 5 - пусковая турбина; 6 - камера горения; 7 - форсунка; 8 - ТНД;
9 - воздухоохладитель; 10 - редуктор
Кроме того, в состав ГТУ входят топливная и масляная системы , подающие топливо в камеру горения и масло - в подшипники турбины и зубчатую передачу, а также небольшая по мощности пусковая паровая турбина, использующая пар от вспомогательного котла.
Устройство газовой турбины аналогично паровой турбине. Но газовая турбина испытывает более высокие температурные нагрузки: ее рабочие лопатки работают при температуре горячих газов (650-850°), в то время как температура рабочего пара 400- 500°. Это значительно уменьшает моторесурс газовой турбины. В зависимости от принятого способа сжатия воздуха и образования горячих газов различают ГТУ с камерой горения и ГТУ со свободнопоршневыми генераторами газа (СПГГ).
В ГТУ с камерой горения (рис. 124) наружный воздух засасывается центробежным компрессором низкого давления и через воздухоохладитель подается в компрессор высокого нагрузки: давления, а оттуда через подогреватель воздуха в камеру горения.
Одновременно в камеру горения через форсунку впрыскивается и топливо. Происходит сгорание и образование горячих газов, которые последовательно поступают в газовые турбины высокого и низкого давления и через выхлопной трубопровод отходят в атмосферу. На пути отходящих газов устанавливают подогреватель воздуха и утилизационный котел, пар которого можно использовать для турбогенератора или для вспомогательной турбины, работающей на гребной вал. Центробежные компрессоры низкого и высокого давления приводятся во вращение соответственно турбинами низкого и высокого давления. На гребной винт через редуктор работает только турбина низкого давления.
Рис. 125. Общий вид (а) и схема СПГГ (б).
1 - впускные клапаны компрессора; 2 - выпускные клапаны компрессора;
3 - компрессорный поршень; 4 - цилиндр компрессора;
5 - впускные окна; 6 - выпускные окна; 7 - форсунка; 8 - рабочий цилиндр; 9 - буферный цилиндр; 10 -буферный поршень; 11 - ресивер продувочного воздуха; 12 - рабочий поршень; 13 - механизм синхронизации работы поршней
ГТУ со свободнопоршневыми генераторами газа (СПГГ) (рис. 125) отличается от ГТУ с камерой горения тем, что горячие газы образуются в специальном генераторе газа, работающем по принципу ДВС со свободно расходящимися поршнями. СПГГ представляет собой симметричный агрегат, состоящий из двухтактного одноцилиндрового двигателя с противоположно движущимися поршнями, одноступенчатого компрессора простого действия и двух буферных цилиндров. В цилиндре расположены два рабочих поршня, соединенные с компрессорами и буферными поршнями.
Рис. 126. Компоновка газотурбинной энергетической установки с СПГГ.
1 - СПГГ; 3 - газовая турбина; 3 - редуктор; 4 - дизель-генератор
Рабочий (расходящийся) ход поршневых групп осуществляется под действием расширяющегося в рабочем цилиндре газа. При этом воздух в компрессорных цилиндрах сначала сжимается, а затем через выпускные клапаны поступает в ресивер продувочного воздуха. Одновременно со сжатием воздуха в компрессорных цилиндрах сжимается воздух в буферных цилиндрах, после чего его энергия расходуется на совершение обратного хода рабочих поршней и сжатие воздуха в рабочем цилиндре.
В конце рабочего хода поршней открываются сначала выпускные окна, а затем впускные. Через выпускные окна выхлопные газы поступают к газовой турбине, а через впускные сжатый продувочный воздух из ресивера заполняет рабочий цилиндр.
Избыточный продувочный воздух смешивается с горячими выхлопными газами и также поступает к газовой турбине.
При обратном ходе рабочих поршней под действием воздуха, сжатого в буферных цилиндрах, закрываются впускные окна, затем выпускные и одновременно через клапаны всасывается воздух в цилиндры компрессора. В момент сближения поршней в рабочий цилиндр через форсунку впрыскивается топливо, и процесс повторяется.
ГТУ и СПГГ отличается компактностью, относительно малой массой 16-24 кг/кВт и небольшим расходом топлива 260 г/(кВт- ч). Преимуществом является возможность компоновать энергетическую установку из нескольких СПГГ, что позволяет более рационально использовать объем МКО (рис. 126). Кроме названных типов ГТУ на малых скоростных судах, особенно на судах на подводных крыльях, широко распространены облегченные ГТУ авиационного типа (1,5-4,0 кг/кВт). Но они имеют небольшой моторесурс и повышенный расход топлива (340-380 г/кВт∙ч).
Недостатком ГТУ всех типов, кроме повышенного расхода топлива и малого ресурса, является большая шумность в МКО, для уменьшения которой приходится прибегать к специальным мерам.
Газотурбинная установка (ГТУ) состоит из двух основных частей - это силовая турбина и генератор, которые размещаются в одном корпусе. Поток газа высокой температуры воздействует на лопатки силовой турбины (создает крутящий момент). Утилизация тепла посредством теплообменника или котла-утилизатора обеспечивает увеличение общего КПД установки.
ГТУ может работать как на жидком, так и на газообразном топливе. В обычном рабочем режиме - на газе, а в резервном (аварийном) - автоматически переключается на дизельное топливо. Оптимальным режимом работы газотурбинной установки является комбинированная выработка тепловой и электрической энергии. ГТУ может работать как в базовом режиме, так и для покрытия пиковых нагрузок.
Простая газотурбинная установка непрерывного горения и устройство её основных элементов
Принципиальная схема простой газотурбинной установки показана на рисунке 1.
Рисунок 1. Принципиальна схема ГТУ: 1 - компрессор; 2 - камера сгорания; 3 - газовая турбина; 4 – электрогенератор
Компрессор 1 засасывает воздух из атмосферы, сжимает его до определенного давления и подает в камеру сгорания 2. Сюда же непрерывно поступает жидкое или газообразное топливо. Сгорание топлива при такой схеме происходит непрерывно, при постоянном давлении, поэтому такие ГТУ называются газотурбинными установками непрерывного сгорания или ГТУ со сгоранием при постоянном давлении.
Горячие газы, образовавшиеся в камере сгорания в результате сжигания топлива, поступают в турбину 3. В турбине газ расширяется, и его внутренняя энергия преобразуется в механическую работу. Отработавшие газы выходят из турбины в окружающую среду (в атмосферу).
Часть мощности, развиваемой газовой турбиной, затрачивается на вращение компрессора, а оставшаяся часть (полезная мощность) отдается потребителю. Мощность, потребляемая компрессором, относительно велика и в простых схемах при умеренной температуре рабочей среды может в 2-3 раза превышать полезную мощность ГТУ. Это означает, что полная мощность собственно газовой турбины долгий быть значительно больше полезной мощности ГТУ.
Так как газовая турбина может работать только при наличии сжатого воздуха, получаемого только от компрессора, приводимого во вращение турбиной, очевидно, что пуск ГТУ должен осуществляться от постороннего источника энергии (пускового мотора), с помощью которого компрессор вращается до тех пор, пока из камеры сгорания не начнет поступать газ определённых параметров и в количестве, достаточном для начала работы газовой турбины.
Из приведенного описания ясно, что газотурбинная установка состоит из трех основных элементов: газовой турбины, компрессора и камеры сгорания. Рассмотрим принцип действия и устройство этих элементов.
Турбина. На рисунке 2 показана схема простой одноступенчатой турбины. Основными частями её являются; корпус (цилиндр.) турбины 1, в котором укреплены направляющие лопатки 2, рабочие лопатка 3, установленные по всей окружности на ободе диска 4, закрепленного на валу 5. Вал турбины вращается в подшипниках 6. В местах выход вала из корпуса установлены концевые уплотнения 7, ограничивающие утечку горячих газов из корпуса турбин. Все вращающиеся части, турбины (рабочие лопатки, диск, вал) составляют её ротор. Корпус с неподвижными направляющими лопатками и уплотнениями образует статор турбины. Диск с лопатками образует рабочее колесо.
Рисунок 2. Схема одноступенчатой турбины
Совокупность ряда направлявших и рабочих лопаток называется турбинной ступенью. На рисунке 3 вверху изображена схема такой турбинной ступени и внизу дано сечение направляющих и рабочих лопаток цилиндрической поверхности а-а, развернутой затем на плоскость чертежа.
Рисунок 3. Схема турбинной ступени
Направляющие лопатки 1 образуют в сечении суживающиеся каналы, называемые соплами. Каналы, образованные рабочими лопатками 2, также обычно имеют суживающуюся форму.
Горячий газ при повышенном давлении поступает в сопла турбины, где происходит его расширение и соответствующее увеличение скорости. При этом давление и температура газа падают. Таким образом, в соплах турбины совершается преобразование потенциальной энергии газа в кинетическую энергии. После выхода из сопел газ попадает в межлопаточные каналы рабочих лопаток, где изменяет свое направление. При обтекании газом рабочих лопаток давление на их вогнутой поверхности оказывается большим, чем на выпуклой, и под влиянием этой разности давлений происходит вращение рабочего колеса (направление вращение на рисунке 3 показано стрелкой u). Таким образом, часть кинетической энергии газа преобразуется на рабочих лопатках в механическую оказаться недопустимей по соображениям прочности рабочих лопаток или диска турбины. В таких случаях турбины выполняются многоступенчатыми. Схема многоступенчатой турбины показана на рисунке 4.
Рисунок 4. Схема многоступенчатой турбины: 1-подшипники; 2-концевые уплотнения; 3-входной патрубок; 4-корпус; 5-направляющие лопатки; 6-рабочие лопатки; 7-ротор; 8-выходной патрубок турбины
Турбина состоит из ряда последовательно расположенных отдельных ступеней, в которых происходит постепенное расширение газа. Падение давления, приходящееся на каждую ступень, а, следовательно, и скорость с1 в каждой ступени такой турбины, меньше, чем в одноступенчатой. Число ступеней может быть выбрано таким, чтобы при заданной окружной скорости и было получено желаемое отношение
.Компрессор. Схема многоступенчатого осевого компрессора изображена на рисунке 5.
Рисунок 5. Схема многоступенчатого осевого компрессора: 1-входной патрубок; 2-концевые уплотнения; 3-подшипники; 4-входной направляющий аппарат; 5-рабочие лопатки; 6-направляющие лопатки; 7-корпус 8-спрямляющий аппарат; 9-диффузор; 10-выходной патрубок; 11-ротор.
Его основными составными частями являются: ротор 2 с закрепленными на нем рабочими лопатками 5, корпус 7 (цилиндр.), к которому крепятся направляющие лопатки 6 и концевые уплотнения 2, и подшипники 3. Совокупность одного ряда вращающихся рабочих лопаток и одного ряда расположенных за ними неподвижных направляющих лопаток называется ступенью компрессора. Засасываемый компрессором воздух последовательно проходит через следующие элементы компрессора, показанные на рисунке 5: входной патрубок 1, входной направляющий аппарат 4, группу ступеней 5, 6, спрямляющий аппарат 8, диффузор 9 и выходной патрубок 10.
Рассмотрим назначение этих элементов. Входной патрубок предназначен для равномерного подвода воздуха из атмосферы к входному направляющему аппарату, который должен придать необходимое направление потоку перед входом в первую степень. В ступенях воздух сжимается за счет передачи механической энергии потоку воздуха от вращающихся лопаток. Из последней ступени воздух поступает в спрямляющий аппарат, предназначенный для придания потоку осевого направления перед входом в диффузор. В диффузоре продолжается сжатие газа за счет понижения его кинетической энергии. Выходной патрубок предназначен для подачи воздуха от диффузора к перепускному трубопроводу. Лопатки компрессора 1 (рисунок 6) образуют ряд расширяющихся каналов (диффузоров). При вращении ротора воздух входит в межлопаточные каналы с большой относительной скоростью (скорость движения воздуха, наблюдаемая с движущихся лопаток). При движении воздуха по этим каналам его давление повышается в результате уменьшения относительной скорости. В расширяющихся каналах, образованных не-подвижными направляющими лопатками 2, происходит дальнейшее повышение давления воздуха, сопровождающееся соответствующим уменьшением его кинетической энергии. Таким образом, преобразование энергии в ступени компрессора происходит по сравнению с турбиной ступенью в обратном направлении.
Рисунок 6. Схема ступени осевого компрессора
Камера сгорания
Назначение камеры сгорания заключается в повышения температуры рабочего тела за счет сгорания топлива в среде сжатого воздуха. Схема камеры сгорания показана на рисунке 7.
Рисунок 7. Камера сгорания
Сгорание топлива, впрыскиваемого через форсунку 1, происходит в зоне горения камеры, ограниченной жаровой трубой 2. В эту зону поступает только такое количество воздуха, которое необходимо для полного и интенсивного сгорания топлива (этот воздух называемся первичным).
Поступающий в зону горения воздух проходит через завихритель 3, который способствует хорошему перемешиванию топлива с воздухом. В зоне горения температура газов достигает 1300... 2000°С. По условиям прочности лопаток газовых турбин такая температура недопустима. Поэтому получающиеся в зоне горения камеры горячие газы разбавляются холодным воздухом, который называется вторичным. Вторичный воздух протекает по кольцевому пространству между жаровой трубкой 2 и корпусом 4. Часть этого воздуха поступает к продуктам сгорания через окна 5, а остальная часть смешивается с горячими глазами после жаровой трубы. Таким образом, компрессор должен подавать в камеру сгорания в несколько раз больше воздуха, чем необходимо для сжигания топлива, а поступающие в турбину продукты сгорания получаются сильно разбавленными воздухом и охлажденными.
Однако экспертами отмечаются неэффективность использования газа на устаревших агрегатах, а также низкий уровень КПД традиционных паросиловых турбин, который не превышает 38%. В централизованных сетях тепло производится большей частью на оборудовании прошлых поколений, избыток же тепла «греет» воздух.
Использование локальных систем производства электрической и тепловой энергии с использованием газотурбинных энергетических установок (ГТУ) , работающих на природном газе или пропане является одним из возможных решений данной задачи.
В связи с этим, наметилась тенденция на строительство децентрализованных комбинированных источников электро и теплоснабжения (так называемый режим когенерации ), устанавливаемых как в существующих отопительных котельных, так и на вновь строящихся источниках тепла. Наиболее актуальным является переход на новые небольшие объекты с применением современных газовых турбин, обеспечивающих когенерацию.
В развитых странах увеличивается доля установок малой энергетики с когенерационным циклом, позволяющим оптимизировать выработку тепла и электроэнергии социальной и промышленной инфраструктуры, а также обеспечить эффективное энергосбережение. Например, в США и Великобритании доля когенерации в малой энергетике достигает 80%, в Нидерландах – 70%, в Германии – 50%. За рубежом этот процесс активно поддерживается государством и через законодательное регулирование, и посредством бюджетного финансирования.
Основой экономической эффективности газотурбинных когенеративных энергетических установок является их высокая электрическая и тепловая экономичность, достигаемая за счет базового режима их работы на тепловом потреблении (отопление, горячее водоснабжение, отпуск тепла для производственных нужд).
Газотурбинные установки получили в настоящее время признание в энергетике, как полностью освоенное, надежное оборудование.
Эксплуатационные показатели ГТУ на электростанциях находятся на том же уровне, что и традиционное энергетическое оборудование. Для них характерна готовность к работе в течение 90% календарного времени, 2 – 3 летний ремонтный цикл, безотказность пусков 95 – 97%.
Малый удельный вес, компактность, простота транспортировки и легкость монтажа являются одними из основных достоинств газотурбинных установок, наиболее привлекательным с точки зрения их использования.
К преимуществам ГТУ также относятся короткие сроки строительства, повышение надежности тепло и электро-снабжения потребителей, минимальные объемы вредных выбросов в окружающую среду, снижение инерционности теплового регулирования и потерь в тепловых сетях, относительно сетей подключенных к крупным РТС и ТЭЦ.
Описание газотурбинной технологии .
Основой ГТУ является газогенератор, служащий источником сжатых горячих продуктов сгорания для привода силовой турбины.
Газогенератор состоит из компрессора, камеры сгорания и турбины привода компрессора. В компрессоре сжимается атмосферный воздух, который поступает в камеру сгорания, где в него через форсунки подается топливо (обычно газ), затем происходит сгорание топлива в потоке воздуха. Продукты сгорания подаются на турбину компрессора и силовую турбину (при одновальном варианте компрессор и силовуая турбина объеденены).Мощность, развиваемая силовой турбиной, существенно превышает мощность, потребляемую компрессором на сжатие воздуха, а также преодоление трения в подшипниках и мощность, затрачиваемую на привод вспомогательных агрегатов. Разность между этими величинами представляет собой полезную мощность ГТУ.
На валу турбины расположен турбогенератор (электрический генератор).
Отработанные в газотурбинном приводе газы через выхлопное устройство и шумоглушитель уходят в дымовую трубу. Возможна утилизация тепла выхлопных газов, когда отработанные газы поступают в котел-утилизатор, в котором происходит выработка тепловой энергии в виде пара и/или горячей воды. Пар или горячая вода от котла-утилизатора могут передаваться непосредственно к тепловому потребителю.
Электрический КПД современных газотурбинных установок составляет 33–39%. Однако с учетом высокой температуры выхлопных газов в мощных газотурбинных установках имеется возможность комбинированного использования газовых и паровых турбин. Такой инженерный подход позволяет существенно повысить эффективность использования топлива и увеличивает электрический КПД установок до 57–59%.
Достоинствами газотурбинных установок являются малый удельный вес, компактность, простота транспортировки и легкость монтажа. Допускается монтаж ГТУ на техническом этаже здания или крышное расположение маломощных газотурбинных установок. Это полезное свойство ГТУ является важным фактором в городской застройке.
При эксплуотации газотурбинных установок содержание вредных выбросов NOх и CO в выхлопных газах у них минимально. Такие отличные экологические качества позволяют без проблем размещать газотурбинные установки в непосредственной близости от проживания людей.
Вдобавок ГТУ небольшой мощности обычно поставляются в виде одного или нескольких блоков полной заводской готовности, требующих небольшого объема монтажных работ, а их сравнительно небольшие размеры позволяют их устанавлиать в условиях стесненного генерального плана. Отсюда и относительная дешевизна строительных и монтажных работ.
Газотурбинные установки имеют незначительные вибрации и шумы в пределах 65–75 дБ (что соответствует по шкале уровня шума звуку пылесоса на расстоянии 1 метр). Как правило, специальная звуковая изоляция для подобного высокотехнологичного генерационного оборудования не нужна.
Современные газотурбинные установки отличаются высокой надежностью. Есть данные о непрерывной работе некоторых агрегатов в течение нескольких лет. Многие поставщики газовых турбин производят капитальный ремонт оборудования на месте, производя замену отдельных узлов без транспортировки на завод - изготовитель, что существенно снижает затраты на обслуживание агрегата.
Большинство газотурбинных установок обладают возможностью к перегрузке, т.е. увеличению мощности выше номинальной. Достигается это путем повышения температуры рабочего тела.
Однако, производители накладывают жесткие ограничения на продолжительность таких режимов, допуская работу с превышением начальной температуры не более нескольких сотен часов. Нарушение этих ограничений заметно снижает ресурс установки.
Ложка дегтя.
Тем не менее, при внедрении энергетических газотурбинных установок есть и сложности. Это, прежде всего, необходимость предварительного сжатия газового топлива, что заметно удорожает производство энергии особенно для малых ГТУ и в ряде случаев является существенным препятствием на пути их внедрения в энергетику. Для современных ГТУ с высокими степенями сжатия воздуха, необходимое давление топливного газа может превышать 25-30 кг/см 2 .
Другим существенным недостатком ГТУ является резкое падение КПД при снижении нагрузки.
Срок службы ГТУ значительно меньше, чем у других энергетических установок и находится обычно в интервале 45-125 тыс. часов.
Исторически сложилось так, что пионерами в освоении газотурбинной технологии являлись создатели двигателей для кораблей и самолетов. Поэтому, в настоящее время, они накопили наибольший опыт в этой области и являются наиболее квалифицированными специалистами.
В России, ведущие позиции в изготовлении газотурбинных энергетических установок занимают фирмы, разрабатывающие и изготовляющие авиационные газотурбинные дви-гатели и газотурбинные установки, созданные специально для энергетического использования:
- АО «Люлька-Сатурн»
(г. Москва),
- ОАО «Рыбинские Моторы»
(г. Рыбинск),
оба входят в НПО «Сатурн»
,
- НПП им. В.Я. Климова
(г. Санкт-Петербург),
- ФГУП ММПП «Салют»
(г. Москва),
и другие
В 2004-2006 гг в Москве с участием ОАО «Сатурн – Газовые турбины»
было осуществлено строительство и эксплуатация экспериментальных газотурбинных установок (ГТУ) на РТС «Курьяново» и РТС «Пенягино» . Основная задача использования газотурбинных установок – обеспечение независимого снабжения электроэнергией и теплом объектов жилищно-коммунального хозяйства. В обоих РТС было установлены по два газотурбинных агрегата ГТА-6РМ
единичной мощностью 6 МВт. ГТА-6РМ является одним из основных видов наземной продукции НПО «Сатурн».
Газотурбинные агрегаты ГТА-6РМ собираются на базе серийных, сравнительно дешевых, авиационных двигателей Д-30КУ/КП
, зарекомендовавших себя как самый надежный двигатель России, который эксплуатируется на массовых самолетах ИЛ-62М, ТУ-154М и ИЛ-76. Общая наработка этих двигателей превысила 36 млн. часов.
Агрегаты выпускаются в блочно-модульном и цеховом (станционном) исполнении и могут эксплуатироваться при одиночной работе, или в комплексе, с турбогенераторами разных серий, имеющих идентичные эксплуатационные характеристики, водогрейными или паровыми котлами-утилизаторами.
В 2005 году ГТА-6РМ вошел в число 100 лучших товаров России, ему был официально присвоен статус «Гордость Отечества».
Эксперимент показал, что использование ГТУ в системе РТС позволяют повысить надежность в обеспечении теплом городского хозяйства и жилого сектора столицы за счет дублирования и резервирования существующих систем жизнеобеспечения, а также повысить энергозащищенность городского хозяйства.
И надо сказать, правительство Москвы всерьез зделало ставку на массовом использовании ГТУ в энергетическом комплексе столицы.
Вот выдержки из постановления от 29 декабря 2009 г. N 1508-ПП "О Схеме теплоснабжения города Москвы на период до 2020 года."
Приоритетным направлением развития теплоснабжения города Москвы на период до 2020 года является реализация технологии комбинированной выработки тепла и электроэнергии с дополнительным привлечением теплофикационного ресурса и покрытия тепловых и электрических нагрузок потребителей города новыми газотурбинными электростанциями
.
....................................
Дальнейшее развитие системы теплоснабжения должно основываться на:
.............................................
- установке на электростанциях автономных источников генерации (газотурбинных установок
) для пуска электростанции при потере связи с энергосистемой и автономного электроснабжения пиковых водогрейных котлов в аварийных режимах.