Газотурбинные установки (ГТУ) – генерирующие устройства (электростанции), на базе газовых турбин, оснащенных основными и дополнительными элементами.
К главным компонентам конструкции из них относятся:
- многоступенчатый компрессор с валом;
- камера сгорания;
- рабочее колесо турбины;
- редуктор, с валом к электрическому генератору;
- выхлопная система;
- система утилизации тепловой энергии;
- электронный блок управления газовой турбины и распредустройство
К дополнительным относятся – устройство запуска, системы: вентиляции, пожарной безопасности, мониторинга, по необходимости система синхронизации с внешней сетью, насосы теплового контура, пиковый котёл, градирни для утилизации избытков тепла и прочее.
Мощность классических ГТУ может достигать нескольких десятков и даже сотен МВт, мощность микротурбин, сконструированных по аналогичному принципу – от 20 кВт.
Схема работы газотурбинной установки заключается в следующем:
- Топливо, вместе со сжатым компрессором атмосферным воздухом, (под большим давлением) поступают в камеру сгорания.
- Происходит смешение потоков на высокой скорости, что приводит к воспламенению газовоздушной смеси.
- Энергия выделяется, при сгорании образовавшейся смеси.
- Энергия струй раскаленного газа, вращая турбинные лопатки колеса, преобразовывается в механическую работу.
Получаемая полезная энергия расходуется по двум векторам: меньшая её часть направляется на компрессор (в нём сжимается воздух перед подачей в КС), большая часть уходит на электрогенератор ГТУ.
Отработавшие газы обладают высокой температурой поэтому появляется возможность получения тепловой энергии.
Для начала работы газовой турбины требуется внешнее устройство запуска.
ГТУ простого цикла показана схемой, где номером 1 указан компрессор, 2 – камера сгорания (КС), 3 – рабочее колесо турбины, 4 – электрический генератор.
ГТУ используются в таких отраслях, как:
- нефтеперерабатывающая;
- ЖКХ;
- газодобывающая;
- металлургическая;
- утилизации отходов и пр.
Электростанции, созданные на базе ГТУ, могут функционировать в городах и труднодоступных районах в роли постоянных, а так же резервных и аварийных источников питания.
Виды топлива
В ГТУ в основном используются разные вида газа:
- природный;
- биогаз;
- свалочный газ - газ мусорных полигонов;
- нефтяной (попутный, ПНГ);
- шахтный;
- древесный;
- коксовый.
Также используется керосин, иногда дизельное топливо, как правило, в качестве резервного варианта.
Достоинства газотурбинных установок
Преимущества ГТУ следующие:
- практическое отсутствие масляного расхода, так как моторное масло в основном цикле не применяется. При работе на газе выбросы вредных веществ, имеют низкие значения. Вред атмосферной среде наносится минимальный;
- малые габариты, с удельно небольшим весом, дают возможность устанавливать устройство на площадках небольшого размера. Это экономит финансы предприятий при размещении установок в районах плотной городской застройки или, например, на нефтяных платформах;
- основной шумовой уровень у ГТУ лежит в диапазоне 80-90 ДБ высокочастотного звукового спектра, имеются незначительные вибрации;
- возможна длительная работа газотурбинных установок при минимальных нагрузках;
- в течение короткого времени некоторые ГТУ способны выдержать двойное превышение от номинальной величины электрической мощности;
- не требуется водяное охлаждение;
- надежность;
- возможность эксплуатации ГТУ в разных климатических зонах.
Блочно-модульная система ГТУ стандартных размеров позволяет за малый временной период и с минимальными финансовыми затратами увеличить (масштабировать) электрическую мощность.
В некоторых отраслях экономики применяются мобильные газотурбинные установки. Их использование позволяет оперативно наращивать энергомощность, например, при сезонных пиках потребления и легко транспортировать устройства с одного объекта на другой. Есть и минус – проблематично или фактически невозможно использовать тепловую энергию от мобильной версии установки.
Если электростанция на базе ГТУ полностью автоматизирована, можно не прибегать к услугам обслуживающего персонала. Мониторинг и управление подобными установками выполняется удаленно с помощью телекоммуникационных каналов. Для контроля внештатных ситуаций используются системы автоматического контроля и защиты, включая систему пожаротушения.
КПД ГТУ
Электрический КПД ГТУ находится в пределах 10-39%. По сравнению с газопоршневыми агрегатами, этот показатель заметно ниже.
У современных газопоршневых установок (ГПУ) он имеет пределы 43-46%. То есть потребление газа ГПУ меньше ГТУ в среднем на треть.
Недостаток электрической мощности для газотурбинной электростанции может быть компенсирован путём добавления ГТУ модулей.
Если существует возможность реализовать весь теплопотенциал ГТУ, востребованность высокого электрического КПД для пользователей уменьшается.
В некоторых отраслях, например, в нефтяной, для использования попутного газа от турбины бывает вполне достаточно электрического КПД величиной всего в 10-12%. При этом на первый план выходят стоимость, топливная неприхотливость, надёжность и продолжительность моторесурса до серьёзных ревизий силового агрегата.
Сегодня на российском рынке появились газовые микротурбинные электростанции, способные без подготовки топлива работать на нефтяном газе, с высоким содержанием сероводорода - до 4%.
Для улучшения показателей энергоэффективности можно объединять газовую турбину электростанции с паровой турбиной в единый энергоблок.
Коэффициент использования топлива в таком варианте повышается. В результате совокупный электрический КПД энергоблока ГТУ с паровой турбиной достигает 58-59%.
При комбинированном использовании энергии двух видов КИТ (коэффициент использования топлива) газотурбинной теплоэлектростанции достигает 95%. Подобный вариант использования технически усложняется и его стоимость возрастает.
Если необходимо получить пар разного давления или горячее водоснабжение, газотурбинные агрегаты комплектуются паровыми, водогрейными котлами.
На данный момент использование ГТУ для классических ТЭЦ (ТЭС), с финансовой точки зрения оправдано и распространено. Потому что в целом, строительство электростанций, функционирующих на газе, обходится потребителю относительно недорого, а затраты при эксплуатации достаточно низкие.
Недостатки газотурбинных установок и цена одного мегаватта
Общеизвестно, что часть полезной мощности ГТУ расходуется на работу компрессора.
Серьёзным недостатком электростанций на газовых турбинах является значительное снижение электрической мощности при высокой температуре воздуха. Увеличение уличной температуры с +15 до +35 приводит к потере мощности ГТУ примерно на 25%. В местности с жарким климатом требуется предварительное охлаждение воздуха, поступающего в компрессор турбины. Этот фактор обязательно следует учитывать при проектировании электростанции. Базовыми точками расчётов являются среднегодовые температуры в месте размещения и пиковые электрические нагрузки потребителей. Соответственно в цене 1 установленного мегаватта ГТУ этот момент покупателю следует учитывать, безусловно, как и географию размещения. В Надыме и Геленджике разница будет явной, причём, конечно, в пользу Надыма, с его холодным климатом и среднегодовой температурой -6,6 градуса. То есть покупатель за одну и ту же сумму имеет в этих городах газотурбинные электростанции различной мощности. Цена одного мегаватта установленной электрической мощности ГТУ составляет примерно 450-650 евро.
Можно отметить, что большинство фирм, производящих ГТУ, предъявляют серьёзные требования к эксплуатирующей организации по чёткому выполнению графика технического обслуживания. При обычной эксплуатации ГТУ один раз в год, практически для любой модели классической газотурбинной установки должна проводится дорогостоящая инспекция.
В меньшей степени это распространяется на микротурбины, имеющие иную конструкцию рабочего колеса.
К сожалению, точный ресурс безаварийной работы самых ответственных узлов (таких как части камер сгорания, лопатки турбин, части термобарьерных элементов и покрытий) на сегодняшний день не поддается расчету. Не всегда удаётся осуществить ремонт установки на месте. В некоторых случаях требуется частичный демонтаж оборудования, с отправкой на завод и последующим возвратом. Контейнерные ГТУ от некоторых производителей по мере наработки определённого моторесурса отправляются для ремонта на завод. Одновременно потребитель получает сменный контейнер с восстановленной в заводских условиях ГТУ.
На сегодняшний день у большинства собственников ГТУ возможность самостоятельного выбора обслуживающей компании ограничена предоставляемыми заводскими гарантиями.
Основные причины возникновения поломок, неисправностей и дефектов в ГТУ
Основные причины появления неисправностей и поломок в газотурбинных установках следующие:
- высокотемпературная коррозия,
- разрушения установки из-за аномальной вибрации,
- термические деформации,
- механический износ отдельных частей,
- несанкционированное попадание в установку посторонних предметов, пыли и влаги,
- загрязнение и эрозия горелочных форсунок из-за несоблюдения требований по топливоподготовке (не распространяется на микротурбинные электростанции отечественного пр-ва).
