Газотурбинни електроцентрали

Газотурбинните агрегати (ГТУ) са топлинни двигатели, в които топлинната енергия на газообразния работен флуид се преобразува в механична енергия. Основните компоненти са: компресор, горивна камера и газова турбина. За осигуряване на работата и контрола в инсталацията има комплекс от взаимосвързани спомагателни системи. GTU във връзка с електрически генератор се нарича газотурбинна единица. Изходната мощност на едно устройство варира от двадесет киловата до десетки мегавата. Това са класически газотурбинни инсталации. Производството на електроенергия в електроцентрала се извършва с помощта на един или няколко ГТУ.

Устройство и описание

Газотурбинните инсталации се състоят от две основни части, разположени в един корпус, газов генератор и силова турбина. В газовия генератор, който включва горивна камера и турбокомпресор, се генерира високотемпературен газов поток, който действа върху лопатките на силовата турбина. С помощта на топлообменник, отработените газове се изхвърлят и едновременно с това се произвежда топлина чрез котел с гореща вода или пара. Работата на газотурбинни инсталации включва използването на два вида гориво - газообразни и течни.

В нормален режим газовата турбина работи с газ. В авариен режим или в режим на готовност при спиране на подаването на газ се извършва автоматичен преход към течно (дизелово) гориво. В оптимален режим газотурбинните инсталации произвеждат комбинирана електрическа и топлинна енергия. По отношение на количеството произведена топлинна енергия, ГТУ значително надвишават устройствата с газови бутала. Турбинни агрегати се използват в електроцентралите както за работа в основен режим, така и за компенсиране на пикови натоварвания.

История на сътворението

Идеята за използване на енергията на горещ газов поток е известна още от древността. Първият патент за устройството, в който са представени същите основни компоненти, както в съвременния GTU, е издаден на англичанина Джон Барбър през 1791 година. Газотурбинната инсталация включва компресори (въздух и газ), горивна камера и активно турбинно колело, но никога не е получавала практическо приложение.

През 19-ти и началото на 20-ти век много учени и изобретатели по целия свят разработиха подходяща за практиката инсталация, но всички опити бяха неуспешни поради ниското развитие на науката и технологиите от онези времена. Нетната мощност на прототипите не надвишава 14% с ниска експлоатационна надеждност и структурна сложност.

За първи път в Швейцария през 1939 г. са използвани газотурбинни електроцентрали. Въведена е в експлоатация електроцентрала с турбогенератор, произведена по най-простата схема с мощност 5000 kW. През 50-те години тази схема беше усъвършенствана и сложна, което позволи да се увеличи ефективността и мощността до 25 MW. Производството на газотурбинни инсталации в индустриализираните страни е оформено в едно ниво и посока на развитие по отношение на мощности и параметри на турбинни агрегати. Общият капацитет на газовите турбини, произведени в Съветския съюз и Русия, се оценява на милиони kW.

Принципът на действие на GTU

Атмосферният въздух влиза в компресора, компресира се и под високо налягане през подгревателя на въздуха и вентилът за разпределение на въздуха се изпраща в горивната камера. В същото време в горивната камера се инжектира газ през дюзите, които се изгарят във въздушния поток. Изгарянето на газово-въздушната смес образува поток от горещи газове, които при висока скорост действат върху лопатките на газовата турбина, което ги кара да се въртят. Топлинната енергия на горещия газов поток се превръща в механична енергия на въртене на турбинния вал, която задвижва компресора и електрическия генератор. Електричеството от терминалите на генератора през трансформатора се изпраща към електрическата мрежа на потребителя.

В него преминават горещи газове през регенератора водогреен котел и след това през утилизатора комин. Циркулацията на водата се организира между водогрейния котел и централната топлинна точка (КТЕ) с помощта на мрежови помпи. Нагрятата в котела течност отива до централната отоплителна точка, към която са свързани потребителите. Термодинамичният цикъл на газова турбинна инсталация се състои от адиабатно компресиране на въздуха в компресора, изобарно подаване на топлина в горивната камера, адиабатно разширение на работния флуид в газовата турбина, изобарно топлоотвеждане.

Природният газ - метанът се използва като гориво за газови турбини. В авариен режим, в случай на спиране на подаването на газ, газотурбинната единица се прехвърля на частичен товар, а дизелово гориво или втечнени газове (пропан-бутан) се използват като резервно гориво. Възможни варианти за инсталация на газови турбини: електроснабдяване или комбинирано захранване с електрическа и топлинна енергия.

когенерация

Производството на електроенергия с едновременното генериране на свързана топлинна енергия се нарича когенерация. Тази технология може значително да подобри икономическата ефективност на използването на горивото. В зависимост от нуждите, газотурбинната инсталация може допълнително да бъде оборудвана с водогрейни котли или парни котли. Това дава възможност да се получи гореща вода или пара с различно налягане.

С оптималното използване на два вида енергия, максимумът икономически ефект когенерация, а коефициентът на използване на горивото (KIT) достига 90%. В този случай, топлината на отработените газове и топлинната енергия от охладителната система на блоковете, които въртят електрическите генератори (всъщност, отпадъчната енергия), се използват по предназначение. Ако е необходимо, рециклируемата топлина може да се използва за производството на студени в абсорбционни машини (тригенерация). Когенерационната система се състои от четири ключови части: първичен двигател (газова турбина), електрически генератор, система за оползотворяване на топлина, система за контрол и наблюдение.

управление

Съществуват два основни режима на работа, при които работят газотурбинни инсталации:

• Стационарни. В този режим турбината работи с фиксиран номинален или частичен товар. Доскоро стационарният режим беше основният за GTU. Турбината е изключена няколко пъти в годината за редовни ремонти или в случай на неизправност.
• Променливият режим осигурява възможност за промяна на мощността на GTU. Необходимостта от промяна на режима на работа на турбината може да се дължи на една от двете причини: ако мощността, консумирана от електрическия генератор, се е променила поради промяна в свързаното с него натоварване на потребителя, и ако атмосферното налягане и температурата на всмукания от компресора въздух са се променили. Нестационарните режими, и най-трудните, включват спиране и стартиране на газотурбинното устройство. В последния, водачът на газовата турбина трябва да изпълнява множество операции преди първата тяга на ротора. Преди пълното стартиране на инсталацията се извършва предварителна промоция на ротора.

Промяната на режима на работа на инсталацията се извършва чрез регулиране на подаването на гориво към горивната камера. Основната задача на управлението на газова турбина е да осигури необходимата мощност. Изключение прави газотурбинната електроцентрала, за която основната контролна задача е постоянството на честотата на растеж, свързана с турбината на електрически генератор.

Енергийни приложения

В стационарната енергетика газовите турбини се използват за различни цели. Като главни задвижващи двигатели на електрически генератори в топлоелектрически централи, газотурбинни инсталации се използват предимно в райони с достатъчно количество природен газ. Благодарение на възможността за бързо стартиране, GTU се използва широко за покриване на пиковите натоварвания в енергийните системи по време на максимална консумация на енергия. Резервните газотурбинни агрегати осигуряват вътрешни нужди на топлоелектрическите централи при изключването на основното оборудване.

производителност

Като цяло, електрическата ефективност на газовите турбини е по-ниска от тази на други енергийни единици. Но с пълното реализиране на топлинния потенциал на газотурбинната единица значимостта на този индикатор става по-малко актуална. За мощни газотурбинни инсталации съществува инженерен подход, включващ комбинирано използване на два типа турбини поради високата температура на отработените газове.

Генерираната топлинна енергия се използва за производство на пара за парна турбина, която се използва паралелно с газова турбина. Това увеличава електрическата ефективност до 59% и значително увеличава разхода на гориво. Недостатъкът на този подход е конструктивната сложност и оценката на проекта. Съотношението на електрическа и топлинна енергия, произведена от газотурбинна централа, е приблизително 1: 2, т.е. 20 мегавата топлинна енергия се доставя на 10 MW електроенергия.

Силни и слаби страни

Предимствата на газовите турбини включват:

• Простотата на устройството. Поради липсата на котелна инсталация, сложна система от тръбопроводи и разнообразни спомагателни механизми, разходът на метал на единица мощност на газовите турбини е много по-малък.
• Минималната консумация на вода, която се изисква в GTU само за охлаждане на маслото, което се подава към лагерите.
• Бързо пускане в експлоатация. За газотурбинни агрегати времето за стартиране от студено състояние преди приемането на товара не надвишава 20 минути. За парни електроцентрали пускането в експлоатация на ТЕЦ отнема няколко часа.

недостатъци:

• Газотурбинните агрегати използват газ с много висока начална температура - повече от 550 градуса. Това създава трудности при практическото прилагане на газови турбини, тъй като за най-отопляемите части са необходими специални топлоустойчиви материали и специални охладителни системи.
• Около половината от мощността, разработена от турбината, се изразходва за задвижването на компресора.
• ГТУ са ограничени в горивото, природния газ или висококачественото течно гориво.
• Мощността на една газова турбина е ограничена до 150 MW.

екология

Положителен фактор при използването на ГТУ е минималното съдържание на вредни вещества в емисиите. По този критерий газовите турбини са пред своите най-близки конкурентни - бутални електроцентрали. Благодарение на своята екологичност, газотурбинните агрегати могат лесно да бъдат поставени в непосредствена близост до местата, където хората живеят. Ниското съдържание на вредни емисии по време на експлоатацията на газовите турбини спестява пари при изграждането на комини и придобиването на катализатори.

Икономика на ГТУ

На пръв поглед, цените на газовите турбини са доста високи, но с обективна оценка на възможностите на това енергийно оборудване всички аспекти попадат в сила. Високите капиталови инвестиции в началото на енергийния проект са напълно компенсирани от незначителни разходи за последващата операция. Освен това, екологичните плащания са значително намалени, разходите за закупуване на електричество и топлинна енергия са намалени, а въздействието върху околната среда и населението е намалено. В резултат на горните причини стотици нови газотурбинни инсталации се закупуват и монтират ежегодно.