Газотурбинные установки электростанций. Газотурбинные электростанции. Мобильная газотурбинная электростанция

Редакция бюллетеня «ЭНЕРГОСОВЕТ» начинает серию публикаций, посвященных комбинированной (т.е. совместной) выработке тепловой и электрической энергии (когенерации). Также будут рассмотрены технологии тригенерации, когда, помимо комбинированной выработки тепловой и электрической энергии, может вырабатываться холод, который используется в системах хладоснабжения.
Использование технологий когенерации и тригенерации в зависимости от конкретных условий внедрения может являться энергосберегающим мероприятием или энергоэффективным решением, решить проблемы дефицита мощности, снизить издержки промышленных предприятий, уменьшить тарифы для потребителей. Также нужно отметить, что при некоторых условиях, внедрение когенерации и тригенерации может быть совершенно не целесообразным и не энергоэффективным решением (например: строительство мини-ТЭЦ в зонах, где работают незагруженные по мощности крупные ТЭЦ).

Введение

В настоящее время все чаще для энергообеспечения деревень, поселков, малых городов, районов крупных городов, промышленных предприятий внедряются технологии когенерации на основе мини-ТЭЦ. Одной из таких технологий является строительство газотурбинных установок с утилизацией тепловой энергии (ГТУ).

ГТУ состоит из двух основных частей: силовая турбина и генератор, которые размещаются в одном корпусе. ГТУ работает на газе, но в резервном или аварийном режиме может использоваться дизельное топливо. Диапазон электрической нагрузки, которую может покрывать ГТУ: от 2 МВт до 100 МВт (хотя некоторые предприятия поставляют ГТУ с мощностью более 100 МВт).

КПД выработки электрической энергии ГТУ достаточно низок, но это компенсируется большой выработкой тепловой энергии. ГТУ способна отдавать потребителю значительное количество тепловой энергии - с коэффициентом ~ 1:2 по отношению к электрической мощности. В некоторых достаточно мощных ГТУ температура уходящих газов после турбины достаточно высока для того, чтобы получать пар и/или горячую воду в больших количествах.

При реконструкции энергообъектов или новом строительстве можно выделить несколько компоновочных решений внедрения ГТУ:

1. Строительство ГТУ-ТЭЦ на отдельной площадке, новое строительство.

2. Установка ГТУ в действующей котельной, в виде надстройки.

3. Размещение ГТУ с паровыми котлами-утилизаторами на действующей ТЭЦ взамен существующих паровых котлов с сохранением паротурбинной части ТЭЦ.

Опыт внедрения ГТУ-ТЭЦ на отдельной площадке при новом строительстве на примере Республики Башкортостан

В 2000 г. в Башкортостане была построена и введена в эксплуатацию ГТУ-ТЭЦ (рис. 2). Электрическая мощность станции - 4 МВт, тепловая - 8,8 МВт, коэффициент использования тепла топлива - не менее 75,4%. Станция построена за полтора года, а основным ее назначением является теплоснабжение районного центра, а также повышение надежности электроснабжения как райцентра, так и близлежащих населенных пунктов.

ГТУ-ТЭЦ несет отопительную нагрузку районного центра, котлоагрегаты в котельной находятся в резерве на случай останова ГТУ-ТЭЦ, работает лишь насосная станция котельной. Применение установки позволило снизить потери в электрических сетях на 8-9%, что в значительной степени компенсировало относительно невысокий электрический КПД ГТУ-ТЭЦ (23,3%).

Численность персонала, непосредственно занятого обслуживанием ГТУ-ТЭЦ, составляет 13 человек.

Надстройка водогрейных или паровых котельных ГТУ

Совместная работа ГТУ с водогрейными и паровыми котлами в котельных позволяет обеспечить надежное электроснабжение собственных нужд, что в свою очередь повышает надежность теплоснабжения потребителей, а так же снизить удельные расходы топлива на единицу получаемой тепловой и электрической энергии.

При широкомасштабной реконструкции котельных с размещением в них газотурбинных установок (ГТУ) их суммарная установленная электрическая мощность только в котельных единичной теплопроизводительностью более 50 ГКал/ч в европейской части России (включая Урал) может достичь 10 - 15 млн кВт . Стоит отметить, что данные виды работ активно проводятся на всей территории России.

Если сравнивать стоимость электроэнергии вырабатываемой на ГТУ (без учета утилизационного теплового контура), то она на 30% и более превышает стоимость электроэнергии, получаемой из централизованного источника. Газовые турбины имеют небольшой КПД (0,22-0,37%), поэтому они должны использоваться только с утилизационными контурами.

Окупаемость модернизации котельной зависит от количества отпускаемой электроэнергии, от тарифов на электроэнергию, капитальных затрат, затрат на эксплуатацию и от числа часов с работы на больших тепловых нагрузках. Наибольшая эффективность использования ГТУ обеспечивается при длительной работе с максимальной электрической нагрузкой.

Основные проблемы, которые могут возникнуть при надстройке котельных ГТУ:

1. необходимость сооружения хранилищ резервного для ГТУ дизельного топлива, т.к. в котельных резервным топливом является мазут;
2. необходимость сооружения газокомпрессорных дожимающих станций (ГТУ требует газ с давлением 2,5 МПа), строительство которых около зоны жилой застройки запрещено;
3. большой расход выхлопных газов ГТУ (он обусловлен высоким коэффициентом избытка воздуха в ГТУ) требует новой дымовой трубы;
4. высокий уровень шума;
5. увеличивается потребление газа, возникает необходимость получения новых лимитов на газ;
6. удельный выход оксидов азота на кг сожженного топлива в 3 раза больше у ГТУ, чем в котельных.

Основные плюсы при надстройке котельных ГТУ, по сравнению с независимым строительством ГТУ:

1. наличие площадки (инфраструктуры);
2. оформленность источника вредных выбросов;
3. наличие системы централизованного теплоснабжения с конфигурацией сетей от существующих котельных;
4. возможность использования части котлов котельной в качестве пиковых для ТЭЦ;
5. близость потребителей электрической энергии;
6. меньшие первоначальные затраты и срок окупаемости.

Синхронная работа с энергосистемой. Надежность работы мини-ТЭЦ

Существуют проблемы подключения микро- и мини-ТЭЦ (не только ГТУ) к соответствующим коммуникациям - системам централизованного электро-, тепло- и газоснабжения. В первую очередь подключение является «дорогим удовольствием». Возникают также проблемы с продажей электрической энергии в электросеть, в качестве варианта решения проблем возможно создание локальных энергосистем из нескольких ТЭЦ с резервированием мощности и выходом на общефедеральные сети не каждого энергоисточника, а целиком местной энергосистемы. Затраты на осуществление таких проектов относительно не высоки при достаточном уровне надежности.

Необходимость резервирования независимых источников энергоснабжения, ухудшает их экономические показатели, при параллельной работе с системой необходима дорогая и сложная система синхронизации генератора с сетью.

Что касается промышленности, то ТЭЦ может и не подключаться к сети, обеспечивая лишь технологические потребности производственного процесса. Но жилищный сектор, у которого суточный график потребления отличается существенной неравномерностью, нуждается в резервировании, т.к. при автономной работе можно не удержать частоту (резкий съем и наброс нагрузки, выход нагрузки за возможные пределы регулирования и т.д.). Системы автоматики чрезвычайно дороги.

Наиболее существенным фактором, определяющим устойчивость газотурбинных генераторов, является значительно меньший момент инерции газовой турбины по сравнению с паровой и, как следствие, для нарушения устойчивости требуется уже значительно меньшее возмущение.

Выводы

Предпочтительность применения ГТУ в каком-либо поселке, городе, районе определяется конкретными условиями: потребляемая тепловая и электрическая мощность, существующие источники и коммуникации, плотность застройки, этажность и другие факторы.

Внедрение тех или иных технологических решений должно определяться конкуренцией различных проектов. Конкурировать должны проекты на основе различных технологий и технологических решений: ГТУ, газопоршневые установки, ТЭЦ, котельные, тепловые насосы и многое другое.

Как показывает практика, в некоторых случаях не требуется финансирование новых высокотехнологичных энергогенерирующих станций, а достаточным бывает реконструкция или модернизация уже существующих станций с применением новейших технологий. Чем больше рассматривается вариантов и лучше просчитывается перспектива, тем больше вероятность, что будет принят оптимальный вариант.

В последние годы проблема нехватки пиковых мощностей (электрических и тепловых) в муниципальных образованиях встает довольно остро. Устаревшее и изношенное оборудование генерирующих станций, передающих сетей, а также рост энергопотребления в крупных городах с каждым годом только усложняет возникшую проблему. Одной из возможностей решения проблемы покрытия пиковых мощностей может быть строительство ГТУ. Время запуска у установок довольно короткое, тем самым можно довольно быстро реагировать на рост пиковых мощностей. При надстройке котельной с помощью ГТУ появляется возможность получать дополнительную электрическую энергию в пределах города, тем самым разгружая другие электростанции.

Основная проблема ГТУ - чрезвычайно низкий электрический КПД, особенно при малых мощностях. Следует учитывать и тот факт, что в большинстве ГТУ при уменьшении нагрузки до 50%, электрический КПД газовой турбины значительно снижается, также происходит повышенный износ оборудования. Поэтому при планировании внедрения ГТУ должен учитываться график ее 100% загрузки.

Использование ГТУ экономически оправдано при подборе установки под покрытие тепловой нагрузки на горячее водоснабжение. Тем самым обеспечивается 100% загрузка ГТУ, а котельные, работающие в отопительный сезон, в летнее время отключаются.

Но несмотря на много сложностей возникающих при строительстве и эксплуатации ГТУ, установки данного вида могут решить проблемные задачи по надежному тепло- и электроснабжению промышленных потребителей или жилых районов. В муниципальных образованиях при выделении финансовых средств на реконструкцию или модернизацию систем энергоснабжения стоит более детально рассматривать проекты внедрения ГТУ.

При подготовке статьи о ГТУ были использованы статьи, опубликованные в журнале «Новости теплоснабжения» и портала «Тригенерация.ру» (

Единичный агрегат ГТ ТЭЦ состоит из газотурбинного двигателя , электрогенератора и котла-утилизатора . При работе газовой турбины образующаяся механическая энергия идёт на вращение генератора и выработку электроэнергии, а неиспользованная тепловая - для подогрева теплоносителя в котле. Комплексное использование энергии топлива для электрогенерации и отопления позволяет, как и для всякой ТЭЦ в сравнении с чисто электрической станцией, увеличить суммарный КПД установки примерно с 30 до 90 %.

Оптимальная частота вращения газовой турбины превышает необходимую для непосредственной выработки тока промышленной частоты, поэтому в составе электрогененрирующей части агрегата присутствует либо понижающий механический редуктор , либо статический электронный преобразователь частоты .

В оборудование ГТ ТЭЦ также входят система газоподготовки (осушение, механическая очистка, буферное хранение), электрический распределительный узел, устройства охлаждения генераторов, система автоматического управления и др.

Преимущества и недостатки ГТ ТЭЦ

Преимущества

• В сравнении с паротурбинными тепловыми электростанциями ГТ ТЭЦ требуют меньших суммарных капитальных затрат при возведении, более просты в обслуживании. Они не имеют котлов высокого давления, не требуют специальных охлаждающих устройств для сброса избыточной тепловой энергии, мощность на единицу массы у них значительно выше. В то же время мощность единичного агрегата ГТ ТЭЦ ограничена более тяжёлыми условиями работы турбины. ГТ ТЭЦ не может использовать тяжёлое и твёрдое топливо, возможности оптимизации процесса сгорания на паровой ТЭЦ шире.

• В сравнении с крупными газопоршневыми станциями ГТ ТЭЦ отличается гораздо большим ресурсом, но при этом дороже и требует более квалифицированного обслуживания. Газовая турбина менее требовательна к горючим качествам газа, чем поршневая машина, и более экологически чиста.

Недостатки

• По соотношению вырабатываемой электрической энергии к тепловой ГТ ТЭЦ, как правило, проигрывает другим типам станций.

• К недостаткам ГТ-ТЭЦ можно отнести высокую шумность. Шум вблизи станции может достигать 110 дБ, что сравнимо с шумом от самолёта. В отсутствие шумоизоляции, шум от станции распространяется на расстояние 3 км, с шумоизоляцией около от 1,5 до 2 км.

Область применения

Строительство ГТ ТЭЦ оправдано в случае необходимости быстрого введения локальных генерирующих и отопительных мощностей при минимизации начальных затрат: увеличение мощности или реконструкция сетей масштаба микрорайона, посёлка, небольшого города, основание новых населённых пунктов, особенно в сложных для строительства условиях. Всё, что необходимо для работы станции - лишь наличие стабильного газоснабжения; крайне желателен достаточный спрос на тепловую энергию.

Совершенствование технологии газотурбинных агрегатов удешевляет их производство и эксплуатацию и значительно продляет ресурс. Применение бесконтактных подшипников (магнитных , газодинамических), совершенствование материалов, работающих в пламени, снижение тепловой напряжённости крупных турбин позволяет добиться наработки 60-150 тыс.ч. до замены основных изнашивающихся деталей и межсервисного интервала порядка года. В настоящее время (2010-е) разработаны и серийно выпускаются как мощные тихоходные (6 тыс.об/мин) энергетические турбины для капитальных стационарных ГТ ТЭЦ, так и компактные турбоагрегаты с высокой частотой вращения (около 100 тыс. об/мин) и высокочастотными генераторами в законченном «контейнерном» исполнении, также в той или иной мере пригодные в качестве основного источника энергоснабжения населённого пункта.

Технологическое совершенство современных газотурбинных агрегатов в известной мере снимает барьер, заставивший на заре электроэнергетики ввести в турбогенератор «лишнюю» паровую ступень. Всё это вместе с увеличением спроса на локальные мощности способствует распространению ГТ ТЭЦ из газоносных районов с суровым климатом и сложными условиями строительства во всё более обширные умеренные области, где при дешёвом газоснабжении ощущается возрастающий недостаток электроэнергии, а наращивание мощности централизованных сетей нецелесообразно по экономическим или организационным соображениям.

Пользователи

РТЭС «Курьяново», «Люблино», «Пенягино», «Переделкино», «Тушино», «Павшино» установлены по 2 газо-турбинные установки (ГТУ) по 6 МВт

Проект строительства ГТУ-ТЭЦ в центре города Звенигорода был отвергнут как экологически опасный.

См. также

• Блочно-контейнерная автоматизированная электростанция

Напишите отзыв о статье "Газотурбинная ТЭЦ"

Примечания

Ссылки

• // Турбины и дизели /январь�февраль 2010 58-59

Отрывок, характеризующий Газотурбинная ТЭЦ

«Никому не нужен я! – думал Ростов. – Некому ни помочь, ни пожалеть. А был же и я когда то дома, сильный, веселый, любимый». – Он вздохнул и со вздохом невольно застонал.
– Ай болит что? – спросил солдатик, встряхивая свою рубаху над огнем, и, не дожидаясь ответа, крякнув, прибавил: – Мало ли за день народу попортили – страсть!
Ростов не слушал солдата. Он смотрел на порхавшие над огнем снежинки и вспоминал русскую зиму с теплым, светлым домом, пушистою шубой, быстрыми санями, здоровым телом и со всею любовью и заботою семьи. «И зачем я пошел сюда!» думал он.
На другой день французы не возобновляли нападения, и остаток Багратионова отряда присоединился к армии Кутузова.

Князь Василий не обдумывал своих планов. Он еще менее думал сделать людям зло для того, чтобы приобрести выгоду. Он был только светский человек, успевший в свете и сделавший привычку из этого успеха. У него постоянно, смотря по обстоятельствам, по сближениям с людьми, составлялись различные планы и соображения, в которых он сам не отдавал себе хорошенько отчета, но которые составляли весь интерес его жизни. Не один и не два таких плана и соображения бывало у него в ходу, а десятки, из которых одни только начинали представляться ему, другие достигались, третьи уничтожались. Он не говорил себе, например: «Этот человек теперь в силе, я должен приобрести его доверие и дружбу и через него устроить себе выдачу единовременного пособия», или он не говорил себе: «Вот Пьер богат, я должен заманить его жениться на дочери и занять нужные мне 40 тысяч»; но человек в силе встречался ему, и в ту же минуту инстинкт подсказывал ему, что этот человек может быть полезен, и князь Василий сближался с ним и при первой возможности, без приготовления, по инстинкту, льстил, делался фамильярен, говорил о том, о чем нужно было.
Пьер был у него под рукою в Москве, и князь Василий устроил для него назначение в камер юнкеры, что тогда равнялось чину статского советника, и настоял на том, чтобы молодой человек с ним вместе ехал в Петербург и остановился в его доме. Как будто рассеянно и вместе с тем с несомненной уверенностью, что так должно быть, князь Василий делал всё, что было нужно для того, чтобы женить Пьера на своей дочери. Ежели бы князь Василий обдумывал вперед свои планы, он не мог бы иметь такой естественности в обращении и такой простоты и фамильярности в сношении со всеми людьми, выше и ниже себя поставленными. Что то влекло его постоянно к людям сильнее или богаче его, и он одарен был редким искусством ловить именно ту минуту, когда надо и можно было пользоваться людьми.
Пьер, сделавшись неожиданно богачом и графом Безухим, после недавнего одиночества и беззаботности, почувствовал себя до такой степени окруженным, занятым, что ему только в постели удавалось остаться одному с самим собою. Ему нужно было подписывать бумаги, ведаться с присутственными местами, о значении которых он не имел ясного понятия, спрашивать о чем то главного управляющего, ехать в подмосковное имение и принимать множество лиц, которые прежде не хотели и знать о его существовании, а теперь были бы обижены и огорчены, ежели бы он не захотел их видеть. Все эти разнообразные лица – деловые, родственники, знакомые – все были одинаково хорошо, ласково расположены к молодому наследнику; все они, очевидно и несомненно, были убеждены в высоких достоинствах Пьера. Беспрестанно он слышал слова: «С вашей необыкновенной добротой» или «при вашем прекрасном сердце», или «вы сами так чисты, граф…» или «ежели бы он был так умен, как вы» и т. п., так что он искренно начинал верить своей необыкновенной доброте и своему необыкновенному уму, тем более, что и всегда, в глубине души, ему казалось, что он действительно очень добр и очень умен. Даже люди, прежде бывшие злыми и очевидно враждебными, делались с ним нежными и любящими. Столь сердитая старшая из княжен, с длинной талией, с приглаженными, как у куклы, волосами, после похорон пришла в комнату Пьера. Опуская глаза и беспрестанно вспыхивая, она сказала ему, что очень жалеет о бывших между ними недоразумениях и что теперь не чувствует себя вправе ничего просить, разве только позволения, после постигшего ее удара, остаться на несколько недель в доме, который она так любила и где столько принесла жертв. Она не могла удержаться и заплакала при этих словах. Растроганный тем, что эта статуеобразная княжна могла так измениться, Пьер взял ее за руку и просил извинения, сам не зная, за что. С этого дня княжна начала вязать полосатый шарф для Пьера и совершенно изменилась к нему.
– Сделай это для нее, mon cher; всё таки она много пострадала от покойника, – сказал ему князь Василий, давая подписать какую то бумагу в пользу княжны.
Князь Василий решил, что эту кость, вексель в 30 т., надо было всё таки бросить бедной княжне с тем, чтобы ей не могло притти в голову толковать об участии князя Василия в деле мозаикового портфеля. Пьер подписал вексель, и с тех пор княжна стала еще добрее. Младшие сестры стали также ласковы к нему, в особенности самая младшая, хорошенькая, с родинкой, часто смущала Пьера своими улыбками и смущением при виде его.
Пьеру так естественно казалось, что все его любят, так казалось бы неестественно, ежели бы кто нибудь не полюбил его, что он не мог не верить в искренность людей, окружавших его. Притом ему не было времени спрашивать себя об искренности или неискренности этих людей. Ему постоянно было некогда, он постоянно чувствовал себя в состоянии кроткого и веселого опьянения. Он чувствовал себя центром какого то важного общего движения; чувствовал, что от него что то постоянно ожидается; что, не сделай он того, он огорчит многих и лишит их ожидаемого, а сделай то то и то то, всё будет хорошо, – и он делал то, что требовали от него, но это что то хорошее всё оставалось впереди.

Газотурбинные установки (ГТУ) - тепловые машины, в которых тепловая энергия газообразного рабочего тела преобразуется в механическую энергию. Основными компонентами являются: компрессор, камера сгорания и газовая турбина. Для обеспечения работы и управления в установке присутствует комплекс объединенных между собой вспомогательных систем. ГТУ в совокупности с электрическим генератором называют газотурбинным агрегатом. Вырабатываемая мощность одного устройства составляет от двадцати киловатт до десятков мегаватт. Это классические газотурбинные установки. Производство электроэнергии на электростанции осуществляется при помощи одной или нескольких ГТУ.

Устройство и описание

Газотурбинные установки состоят из двух основных частей, расположенных в одном корпусе, - газогенератора и силовой турбины. В газогенераторе, включающем в себя камеру сгорания и турбокомпрессор, создается поток газа высокой температуры, воздействующего на лопатки силовой турбины. При помощи теплообменника производится утилизация выхлопных газов и одновременное производство тепла через водогрейный или паровой котел. Работа газотурбинных установок предусматривает использование двух видов топлива - газообразного и жидкого.

В обычном режиме ГТУ работает на газе. В аварийном или резервном при прекращении подачи газа осуществляется автоматический переход на жидкое (дизельное) топливо. В оптимальном режиме газотурбинные установки комбинированно производят электрическую и тепловую энергию. По количеству вырабатываемой тепловой энергии ГТУ значительно превосходят газопоршневые устройства. Турбоагрегаты используются на электростанциях как для работы в базовом режиме, так и для компенсирования пиковых нагрузок.

История создания

Идея использовать энергию горячего газового потока была известна еще с древних времен. Первый патент на устройство, в котором были представлены те же основные составляющие, что и в современных ГТУ, был выдан англичанину Джону Барберу в 1791 году. Газотурбинная установка включала в себя компрессоры (воздушный и газовый), камеру сгорания и активное турбинное колесо, но так и не получила практического применения.

В 19-м и начале 20-го века многие ученые и изобретатели всего мира разрабатывали установку, пригодную для практического применения, но все попытки были безуспешными ввиду низкого развития науки и техники тех времен. Полезная мощность, выдаваемая опытными образцами, не превышала 14% при низкой эксплуатационной надежности и конструктивной сложности.

Впервые газотурбинные установки электростанций были использованы в 1939 году в Швейцарии. В эксплуатацию была введена электростанция с турбогенератором, выполненным по простейшей схеме мощностью 5000 кВт. В 50-х годах эта схема была доработана и усложнена, что позволило увеличить КПД и мощность до 25 МВт. Производство газотурбинных установок в промышленно развитых странах сформировалось в единый уровень и направление развития по мощностям и параметрам турбоагрегатов. Суммарная мощность выпущенных в Советском Союзе и России газотурбинных установок исчисляется миллионами кВт.

Принцип работы ГТУ

Атмосферный воздух поступает в компрессор, сжимается и под высоким давлением через воздухоподогреватель и воздухораспределительный клапан направляется в камеру сгорания. Одновременно через форсунки в камеру сгорания подается газ, который сжигается в воздушном потоке. Сгорание газовоздушной смеси образует поток раскаленных газов, который с высокой скоростью воздействует на лопасти газовой турбины, заставляя их вращаться. Тепловая энергия потока горячего газа преобразуется в механическую энергию вращения вала турбины, который приводит в действие компрессор и электрогенератор. Электроэнергия с клемм генератора через трансформатор направляется в потребительскую электросеть.

Горячие газы через регенератор поступают в водогрейный котел и далее через утилизатор в дымовую трубу. Между водогрейным котлом и центральным тепловым пунктом (ЦТП) при помощи сетевых насосов организована циркуляция воды. Нагретая в котле жидкость поступает в ЦТП, к которому осуществляется подключение потребителей. Термодинамический цикл газотурбинной установки состоит из адиабатного сжатия воздуха в компрессоре, изобарного подвода теплоты в камере сгорания, адиабатного расширения рабочего тела в газовой турбине, изобарного отвода теплоты.

В качестве топлива для ГТУ используется природный газ - метан. В аварийном режиме, в случае прекращения подачи газа, ГТУ переводится на частичную нагрузку, а в качестве резервного топлива используются дизельное топливо или сжиженные газы (пропан-бутан). Возможные варианты работы газотурбинной установки: отпуск электроэнергии или совмещенный отпуск электричества и тепловой энергии.

Когенерация

Производство электричества с одновременной выработкой сопутствующей тепловой энергии называется когенерацией. Эта технология позволяет значительно повысить экономическую эффективность использования топлива. В зависимости от нужд газотурбинная установка дополнительно может оснащаться водогрейными или паровыми котлами. Это дает возможность получать горячую воду или пар различного давления.

При оптимальном использовании двух видов энергии достигается максимальный экономический эффект когенерации, а коэффициент использования топлива (КИТ) достигает 90%. В этом случае тепло выхлопных газов и тепловая энергия из системы охлаждения агрегатов, вращающих электрогенераторы (по сути, бросовая энергия), используется по назначению. При необходимости утилизируемое тепло может использоваться для производства холода в абсорбционных машинах (тригенерация). Система когенерации состоит из четырех ключевых частей: первичный двигатель (газовая турбина), электрогенератор, система теплоутилизации, система управления и контроля.

Управление

Выделяют два основных режима работы, при которых эксплуатируются газотурбинные установки:

• Стационарный. В этом режиме турбина работает при фиксированной номинальной или неполной нагрузке. До недавнего времени стационарный режим был основным для ГТУ. Остановка турбины проводилась несколько раз в год для плановых ремонтов или в случае неполадок.
• Переменный режим предусматривает возможность изменения мощности ГТУ. Необходимость изменять режим работы турбины может быть вызвана одной из двух причин: если изменилась потребляемая электрогенератором мощность ввиду изменения подключенной к нему нагрузки потребителей, и если изменилось атмосферное давление и температура забираемого компрессором воздуха. К нестационарным режимам, причем наиболее сложным, относится остановка и пуск газотурбинной установки. При последнем машинист газотурбинных установок должен выполнить многочисленные операции перед первым толчком ротора. Перед полноценным пуском установки осуществляется предварительная раскрутка ротора.

Изменение режима работы установки осуществляется регулировкой подачи горючего в камеру сгорания. Главной задачей управления ГТУ является обеспечение нужной мощности. Исключением является газотурбинная энергетическая установка, для которой основная задача управления - постоянство частоты ращения, связанного с турбиной электрического генератора.

Применение в энергетике

В стационарной энергетике применяются ГТУ разного назначения. В качестве основных приводных двигателей электрогенераторов на тепловых электростанциях газотурбинные установки используются в основном в районах с достаточным количеством природного газа. Благодаря возможности быстрого пуска ГТУ широко применяются для покрытия пиковых нагрузок в энергосистемах в периоды максимального потребления энергии. Резервные газотурбинные агрегаты обеспечивают внутренние нужды ТЭС во время остановки основного оборудования.

КПД

В целом электрический КПД газовых турбин ниже, чем у других силовых агрегатов. Но при полной реализации теплового потенциала газотурбинного агрегата значимость этого показателя становится менее актуальной. Для мощных газотурбинных установок существует инженерный подход, предполагающий комбинированное использование двух видов турбин за счет высокой температуры выхлопных газов.

Вырабатываемая тепловая энергия идет на производство пара для паровой турбины, которая используется параллельно с газовой. Это повышает электрический КПД до 59% и существенно увеличивает эффективность использования топлива. Недостатком такого подхода является конструктивное усложнение и удорожание проекта. Соотношение производимой ГТУ электрической и тепловой энергии примерно 1:2, то есть на 10 МВт электроэнергии выдается 20 МВт энергии тепловой.

Достоинства и недостатки

К преимуществам газовых турбин относятся:

• Простота устройства. Ввиду отсутствия котельного блока, сложной системы трубопроводов и множества вспомогательных механизмов металлозатраты на единицу мощности у газотурбинных установок значительно меньше.
• Минимальный расход воды, которая в ГТУ требуется только для охлаждения подаваемого к подшипникам масла.
• Быстрый ввод в работу. Для газовых турбоагрегатов время пуска из холодного состояния до принятия нагрузки не превышает 20 минут. Для паросиловой установки ТЭС пуск занимает несколько часов.

Недостатки:

• В работе газовых турбоагрегатов используется газ с весьма высокой начальной температурой - более 550 градусов. Это вызывает трудности при практическом исполнении газовых турбин, так как требуются специальные жаростойкие материалы и особые системы охлаждения для наиболее нагреваемых частей.
• Около половины развиваемой турбиной мощности расходуется на привод компрессора.
• ГТУ ограничены по топливу, используется природный газ или качественное жидкое топливо.
• Мощность одной газотурбинной установки ограничена 150 МВт.

Экология

Позитивным фактором использования ГТУ является минимальное содержание вредных веществ в выбросах. По этому критерию газовые турбины опережают ближайшего конкурента - поршневые электростанции. Благодаря своей экологичности газотурбинные агрегаты без проблем можно размещать в непосредственной близости от мест проживания людей. Низкое содержание вредных выбросов при эксплуатации ГТУ позволяет экономить средства при строительстве дымовых труб и приобретении катализаторов.

Экономика ГТУ

На первый взгляд, цены на газотурбинные установки довольно высоки, но при объективной оценке возможностей этого энергетического оборудования все аспекты встают на свои места. Высокие капиталовложения на старте энергетического проекта полностью компенсируются незначительными расходами при последующей эксплуатации. Кроме того, значительно снижаются экологические платежи, уменьшаются затраты на покупку электрической и тепловой энергии, снижается влияние на окружающую среду и население. Вследствие перечисленных причин ежегодно приобретаются и устанавливаются сотни новых газотурбинных установок.

Основными разработчиками и производителями отечественных энергетических ГТУ являются следующие предприятия : ОАО «Ленинградский металлический завод» (ЛМ3), г. Санкт-Петербург; АО «Уральский турбомоторный завод» (ТМЗ), г. Екатеринбург; ОАО «Невский завод» (НЛЗ), г. Санкт-Петербург; АО НИКТИТ (Научно- исследовательский институт турбокомпрессоростроения), г. Санкт-Петербург, и др.

В последнее десятилетие ввиду снижения заказов на газотурбинные двигатели (ГТД) для нужд авиации большинство авиационных заводов и КБ начали предлагать ГТД для привода электрических генераторов. Основные российские предприятия-поставщики ГТД для нужд малой и средней энергетики: ЗАО «Энергоавиа» и МКБ «Союз», г. Москва; ОАО «Сатурн», г. Москва; ОАО «Рыбинские моторы», г. Рыбинск; ОАО «Пермские моторы» и ОАО «Авиадвигатель», г. Пермь; ГНПП «Мотор», г. Уфа; АО «Моторостроитель» и СКБМ, г. Самара; ОАО СНТК им. Н.Д. Кузнецова («Двигатели НК»), г. Самара; АО КПП «Авиамотор» и ОАО КМПО, г. Казань.

Крупными производителями энергетических ГТД являются НПО «Машпроект» (г. Николаев, Украина) и ПО «Зоря» (Украина), более 20 лет выпускающие ГТД и энергоустановки единичной мощности 2,5-3,0 МВт для нужд энергетики и газовой промышленности на базе судовых ГТД.

Рабочий проект новой энергетической ГТУ типа ГТЭ-180 подготовлен ОАО ЛМЗ, ОАО «Авиадвигатель» (г. Пермь) и ОАО ВТИ. Камера сгорания ГТЭ-180 имеет трубчатую схему и состоит из 12 пламенных труб. Использован принцип сжигания бедной гомогенной топливовоздушной смеси. Для ее предварительной подготовки применена вихревая горелка, имеющая вспомогательный топливный контур, с помощью которого осуществляются запуск ГТУ, работа на режимах с низкими параметрами и поддержание устойчивого горения основного контура на рабочих режимах. Через вспомогательный контур топливо поступает непосредственно в зону горения пламенной трубы. Каждая пламенная труба КС снабжена 19 вихревыми горелками. Такая многомодульная конструкция позволяет получить более однородное температурное поле на входе в ГТ и осуществить более гибкое управление системой подачи топлива.

АО «Ленинградский металлический завод» осуществляет проектирование новой серии современных энергетических ГТУ типа ГТЭ- 60 - о дневальных двухопорных установок мощностью по ISO (International Organization for Standardization ) 64 МВт при КПД производства электроэнергии 36,5%. Частота вращения газотурбинного двигателя 5441 об/мин, установка снабжена редуктором. Использование кольцевой КС с двухзонным горением должно обеспечить объемную концентрацию вредных выбросов не более 25 ppm (51,3 мг/м 3).

Еще одна ГТУ этого завода типа ГТЭ-350 выполнена по двухопорной схеме в виде одновальной установки с частотой вращения вала 3000 об/мин. Температура газов за КС принята 1500 °С, а силовые лопатки первой ступени охлаждаются паром, так как ГТУ планируется использовать в схеме ПГУ.

Невский завод совместно с АО НИКТИТ разрабатывает серию ГТУ для энергетики на базе установки типа ГТЭР-12. Подготовлены варианты мощностью 10, 12, 16 и 30 МВт, которые могут быть использованы и в схемах ПГУ.

Открытое акционерное общество «СНТК им. Н.Д. Кузнецова» (г. Самара) - крупнейший производитель авиационных двигателей. По заказу РАО «ЕЭС России» на базе газотурбинного двигателя НК-32 (в новой модификации - НК-321) создана энергетическая ГТУ типа НК- 37 мощностью по ISO 25 МВт при КПД производства электроэнергии 36,4%. Такая ГТУ установлена на Безымянской ТЭЦ (г. Самара).

Открытое акционерное общество «Авиадвигатель» (г. Пермь), созданное на базе КБ ведущего российского конструктора А.Д. Швецова, разработало серию энергетических ГТУ типов ГТУ-2,5П, ГТУ-4П, ГТУ-12П и ГТУ-16П. Фирма участвует в работе над крупной ГТУ типа ГТЭ-180.

Предприятие «Мотор» (г. Уфа) на базе авиационного двигателя типа Р13-300 создало энергетическую ГТУ типа ГТЭ-10/95 мощностью 10 МВт, КПД 29% и эмиссией N0* не более 25 ppm.

Технические данные энергетических ГТУ приведены в табл. 6.3, показатели работы ГТУ даны для условий ISO без учета аэродинамических потерь воздухозабора - газовыхода .

Технические данные энергоустановок на базе авиационных и судовых ГТД для условий ISO приведены в табл. 6.4 и 6.5 . Габаритные размеры конвертированных ГТД существенно меньше габаритных размеров специально проектируемых энергетических ГТУ. Наиболее мощный ГТД типа ГТД-110 (см. табл. 6.4), разработанный НПО «Машпроект» на основе технологий судовых ГТД, имеет длину всего 7 м при диаметре 3,1 м. Аналогичные энергетические ГТУ (см. табл. 6.3) имеют существенно большие размеры: 24,2x6,8x5,8 м (ГТ-ЮО-ЗМ) и 18,1x6,1x4,5 м (ГТЭ-115-1170). В табл. 6.4 и 6.5 для примера приведены размеры нескольких ГТД. Все остальные рассмотренные ГТД имеют длину не более 6 м, а по ширине и высоте соответствуют стандартному железнодорожному габариту.

Конструктивно ГТУ для привода электрогенераторов выполняются по одновальной схеме, когда компрессор и газовая турбина расположены на одном валу, и по двухвальной схеме с двумя компрессорами и двумя турбинами с расположением каждой группы на отдельном валу.

Валы могут располагаться соосно по схеме «вал на валу», когда один из валов (компрессор - турбина высокого давления) выполнен 198

полым, или по ходу газового потока последовательно один за другим. Силовая турбина (СТ) обычно устанавливается на отдельном независимом валу, не связанном с газотурбинным двигателем.

Таким образом, по конструкции приводные газовые турбины подразделяются (см. п. 6.2):

1) на одновальные с приводом генератора непосредственно от вала; 2) двухвальные с одним общим валом газотурбинного двигателя (компрессор - турбина) и приводом электрогенератора от отдельной СТ; 3) двухвальные с двумя валами и приводом генератора от вала компрессор - турбина низкого давления; 4) трехвальные с двумя валами ГТД и валом привода генератора от СТ.

Отечественные энергетические ГТУ, как и ГТУ, изготовляемые в Украине, имеют одновальную схему или двухвальную схему с силовой газовой турбиной. Исключение составляют установка: типа ГТЭ- 30, выполненная по трехвальной схеме с СТ, и установка типа ГТ- 100-ЗМ, выполненная по двухвальной схеме с последовательным расположением валов. Такие технические решения приводят к увеличению габаритных размеров агрегатов: длина установки типа ГТЭ-30 составляет 15,3 м, масса 90 т, а длина установки типа ГТЭ-ЮО-ЗМ 24,2 м, масса 367 т (см. табл. 6.3).

Газотурбинные двигатели для привода электрогенераторов, разработанные на основе авиационных и судовых двигателей, как правило, выполнены по двух- и трехвальной схемам с силовой турбиной. Исключение составляет одновальный двигатель типа ГТД-ПО, разработанный для нужд энергетики на основе технологии судовых двигателей.

Открытым акционерным обществом «Рыбинские моторы» (г. Рыбинск) в содружестве с НПО «Машпроект» (г. Николаев, Украина) разработана серия энергетических ГТУ. Среди них ГТУ типа ГТЭ-110 мощностью ПО МВт (по ISO ) и КПД производства электрической энергии 36%. Планируется повышение мощности этой установки до 150 МВт и ее КПД до 38%. На базе собственного ГТД фирма разработала энергетические ГТУ типов ГТД-6РМ и ГТД-ЮРМ. В содружестве с ОАО «А. Люлька-Сатурн» разрабатываются энергетические ГТУ мощностью 35 МВт (по ISO), КПД производства электроэнергии до 40% и уровнем эмиссии N0* и СО не более 25 ppm.

Технические данные энергетических ГТУ (условия по ISO 2314)

Таблица 6.3

Показатель

Тип энергоустановки

«Турбомоторный завод» (Россия)

«Невский

«Турбомоторный

«Невский

«Л М3» (Россия)

(Украина)

«ЛМЗ» (Россия)

«Авиадвигатель» (Россия)

Мощность ГТУ на муфте, МВт

КПД на муфте, %

Степень повышения давления воздуха

Расход газов на выходе, кг/с

Температура газов, °С: перед турбиной

за турбиной

Поколение

Силовая турбина **

Редуктор **

Масса ГТУ на раме, т

Габаритные размеры, м: длина

• * Двухвальная газовая турбина сложного цикла с промежуточным охлаждением воздуха при сжатии и промежуточным подводом теплоты при расширении (две кольцевые КС).
• ** Знак «+» - силовая турбина и редуктор есть, знак «-»- нет.
• *** Длина с выходным устройством.

Показатель	Тин энергоустановки и ГТД (изготовитель)
	ГТД-6 ДВ 71 ГТД 6000 судовой («Маш- проект», Украина)	ГТУ 6/РМ Д-30КУ авиационный («Рыбинские моторы», Россия)	ГТУ-100 НК-14Э авиационный («Моторостроитель», Россия)	авиационный («Мотор»,	авиационный («Пермские	ГТГ-15 ДЖ 59 ГТД 16000 судовой («Маш- проект», Украина)	ГТГ-16 ДБ 90 ГТД 15000 судовой («Маш- проект», Украина)	ГТУ-16П ПС-90 А авиационный («Пермские моторы», Россия)	ГТУ-16ПЭР ПС-90ЭУ-46 авиационный (ОАО «Авиадвигатель», Пермь, Россия)	ГТУ-18 НК-16-18СТ (сер. 2) авиационный (ОАО «Авиамотор», Самара, Россия)
Мощность ГТУ на
муфте, МВт
КПД на муфте, %
Степень повышения
давления воздуха
Расход газов на выхо-
Температура газов, °С:
перед турбиной
за турбиной
Поколение
Силовая турбина *
Редуктор *
Масса ГТУ на раме, т
Г абаритные размеры,

* Знак «+» означает, что силовая турбина и редуктор есть, «-» - нет.

Показатель	Тип энергоустановки и ГТД (изготовитель)
	ГТД 55СТ-20 Р-29-300 авиационный («Энерго- авиа», Россия)	ГТУ 89СТ-20 Д 89 авиационный («Гранит»,	ГТУ-20 АЛ-31 СТЭ авиационный («Сатурн», Россия)	авиационный («Пермские	ГТГ-25 ДГ-80 ГТД 25000 судовой («Маш- проскт», Украина)	НК-900Э НК-37 авиационный («Двигатели НК», Россия)	авиационный («Двигатели	ГТГ-110 (по технологии судовых ГТД) («Рыбинские моторы», Россия; «Маш- проскт», Украина)
Мощность ГТУ на муфте,
КПД на муфте, %
Степень повышения давле-
ния воздуха
Расход газов на выходе,
Температура газов, °С:
перед турбиной
за турбиной
Поколение
Силовая турбина *
Редуктор *
Масса ГТУ на рамс, т								50,0 (без рамы)
Габаритные размеры, м:

* Знак «+» означает, что силовая турбина и редуктор есть, «-» - нет. ** Длина с выходным устройством.

Предприятие «Сатурн» (г. Москва) более 50 лет производит авиационные двигатели под руководством А.М. Люльки. Им разработана энергетическая ГТУ типа АЛ-31СТЭ мощностью 20 МВт (по ISO).

В ряде случаев энергетические ГТУ комплектуют газодожимными компрессорами топливного газа (см. п. 7.9). В опытно-промышленной установке типа ГТУ-25-39 с ГТД типа НК-37 (ОАО «СНТК им. Н.Д. Кузнецова, г. Самара), например, использован поршневой двухступенчатый шестицилиндровый дожимной компрессор типа EFX Model ЕА 1000-2-6. Привод осуществлен с помощью асинхронного электродвигателя мощностью 900 кВт (3,6% установленной мощности ГТУ).

К теплоэлектроцентралям (ТЭЦ) относятся электростанции, которые вырабатывают и отпускают потребителям не только электрическую, но и тепловую энергию. При этом в качестве теплоносителей служат пар из промежуточных отборов турбины, частично уже использованный в первых ступенях расширения турбины для выработки электроэнергии, а также горячая вода с температурой 100-150° С, нагреваемая отбираемым из турбины паром. Пар из парового котла поступает по паропроводу в турбину где он расширяется до давления в конденсаторе и потенциальная энергия его преобразуется в механическую работу вращения ротора турбины и соединенного с ним ротора генератора. Часть пара после нескольких ступеней расширения отбирается из турбины и направляется по паропроводу потребителю пара. Место отбора пара, а значит, и его параметры устанавливаются с учетом требований потребителя. Так как теплота на ТЭЦ расходуется на производство электрической и тепловой энергии, то различаются КПД ТЭЦ по производству и отпуску электроэнергии и производству и отпуску теплоэнергии.

Газотурбинные установки (ГТУ) состоят из трех основных элементов: воздушного компрессора, камеры сгорания и газовой турбины. Воздух из атмосферы поступает в компрессор, приводимый в действие пусковым двигателем, и сжимается. Далее под давлением его подают в камеру сгорания, куда одновременно подводится топливным насосом жидкое или газообразное топливо. Для того чтобы снизить температуру газа до приемлемого уровня (750-770° С), в камеру сгорания подают в 3,5-4,5 раза больше воздуха, чем нужно для сгорания топлива. В камере сгорания он разделяется на два потока: один поток поступает внутрь жаровой трубы и обеспечивает полное сгорание топлива, а второй обтекает жаровую трубу снаружи и, подмешиваясь к продуктам сгорания, снижает их температуру. После камеры сгорания газы поступают в газовую турбину, находящуюся на одном валу с компрессором и генератором. Там они, расширяясь (примерно до атмосферного давления), совершают работу, вращая вал турбины, и затем выбрасываются через дымовую трубу. Мощность газовой турбины значительно меньше мощности паровой турбины и в настоящее время КПД около 30%.

Парогазовые установки (ПГУ) представляют собой сочетание паротурбинной (ПТУ) и газотурбинной (ГТУ) установок. Такое объединение позволяет снизить потери отработавшей теплоты газовых турбин или теплоты уходящих газов паровых котлов, что обеспечивает повышение КПД по сравнению с отдельно взятыми ПТУ и ГТУ. Кроме того, при таком объединении достигается ряд конструктивных преимуществ, приводящих к удешевлению установки. Распространение получили два типа ПГУ: с высоконапорными котлами и со сбросом отработавших газов турбины в топочную камеру обычного котла. Высоконапорный котел работает на газовом или очищенном жидком топливе. Дымовые газы, выходящие из котла с высокой температурой и избыточным давлением, направляются в газовую турбину, на одном валу с которой находятся компрессор и генератор. Компрессор нагнетает воздух в топочную камеру котла. Пар из высоконапорного котла направляется к конденсационной турбине, на одном валу с которой находится генератор. Отработавший в турбине пар переходит в конденсатор и после конденсации насосом подается снова в котел. Выхлопные газы турбины подводятся к экономайзеру для подогрева питательной воды котла. В такой схеме не требуется дымосос для удаления отходящих газов высоконапорного котла, функцию дутьевого насоса выполняет компрессор. КПД установки в целом достигает 42-43%. В другой схеме парогазовой установки осуществляется использование теплоты отработавших газов турбины в котле. Возможность сброса отработавших газов турбины в топочную камеру котла основывается на том, что в камере сгорания ГТУ топливо (газ) сжигают с большим избытком воздуха и содержание кислорода в выхлопных газах (16-18%) является достаточным для сжигания основной массы топлива.

29. АЭС: устройство, типы реакторов, параметры, режимные характеристики.

АЭС относятся к тепловым ЭС, т.к. в их устройстве есть тепловыделители, теплоноситель и генератор эл. тока – турбина.

АЭС могут быть конденсационными, теплофикационными (АТЭЦ), атомные станции теплоснабжения (АСТ).

Ядерные реакторы классифицируются по различным признакам:

1. по уровню энергии нейтронов:

На тепловых нейтронах

На быстрых нейтронах

2. по виду замедлителя нейтронов: водными, тяжеловодными, графитовыми.

3. по виду теплоносителя: водными, тяжеловодными, газовыми, жидко металлическими

4. по числу контуров: одно-, двух-, трех- контурные

В современных реакторах для деления ядер исходного топлива используются в основном тепловые нейтроны. Все они имеют прежде всего так называемую активную зону , в которую загружается ядерное топливо, содержащее уран 235 замедлитель (обычно графит или вода). Для сокращения утечки нейтронов из активной зоны последнюю окружают отражателем, выполненным обычно из того же материала, что и замедлитель.

За отражателем снаружи реактора размещается бетонная защита от радиоактивных излучений. Загрузка реактора ядерным топливом обычно значительно превышает критическую. Чтобы по мере выгорания топлива непрерывно поддерживать реактор в критическом состоянии, в активную зону вводят сильный поглотитель нейтронов в виде стержней из карбамида бора. Такие стержни называютрегулирующими или компенсирующими. В процессе деления ядра выделяется большое количество теплоты, которая отводиться теплоносителем в теплообменник парогенератора , где она превращается в рабочее тело – пар. Пар поступает в турбину и вращает ее ротор, вал которого соединен с валом генератора . Отработавший в турбине пар попадает в конденсатор , после которого сконденсированная вода вновь идет в теплообменник, и цикл повторяется.