Енергетичні газотурбінні установки. Цикли газотурбінних установок

Газотурбінні установки (ГТУ) являють собою єдиний, відносно компактний енергетичний комплекс, в якому спаренно працюють силова турбіна і генератор. Система отримала широке поширення в так званій малій енергетиці. Відмінно підходить для електро- і теплопостачання великих підприємств, віддалених населених пунктів та інших споживачів. Як правило, ГТУ працюють на рідкому паливі або газі.

На вістрі прогресу

У нарощуванні енергетичних потужностей електростанцій чільна роль переходить до газотурбінним установкам і їх подальшої еволюції - парогазовим установкам (ПГУ). Так, на електростанціях США з початку 1990-х більше 60% вводяться і модернізованих потужностей вже становлять ГТУ і ПГУ, а в деяких країнах в окремі роки їх частка досягала 90%.

У великій кількості будуються також прості ГТУ. Газотурбінна установка - мобільна, економічна в експлуатації і легка в ремонті - виявилася оптимальним рішенням для покриття пікових навантажень. На рубежі століть (1999-2000 роки) сумарна потужність газотурбінних установок досягла 120000 МВт. Для порівняння: у 80-ті роки сумарна потужність систем цього типу становила 8000-10 000 МВт. Значна частина ГТУ (більше 60%) призначалися для роботи в складі великих бінарних парогазових установок із середньою потужністю близько 350 МВт.

Історична довідка

Теоретичні основи застосування парогазових технологій були досить докладно вивчені у нас в країні ще на початку 60-х років. Вже в ту пору стало ясно: генеральний шлях розвитку теплоенергетики пов`язаний саме з парогазовими технологіями. Однак для їх успішної реалізації були необхідні надійні та високоефективні газотурбінні установки.

Саме суттєвий прогрес газотурбобудування визначив сучасний якісний стрибок теплоенергетики. Ряд зарубіжних фірм успішно вирішили завдання створення ефективних стаціонарних ГТУ в ту пору, коли вітчизняні головні провідні організації в умовах командної економіки займалися просуванням найменш перспективних паротурбінних технологій (ПТУ).

Якщо в 60-х роках коефіцієнт корисної дії газотурбінних установок знаходився на рівні 24-32%, то в кінці 80-х кращі стаціонарні енергетичні газотурбінні установки вже мали ККД (при автономному використанні) 36-37%. Це дозволяло на їх основі створювати ПГУ, ККД яких сягав 50%. До початку нового століття даний показник дорівнював 40%, а в комплексі з парогазовими - і зовсім 60%.

Порівняння паротурбінних і парогазових установок

У парогазових установках, що базуються на ГТУ, найближчій і реальною перспективою стало отримання ККД 65% і більше. У той же час для паротурбінних установок (розвиваються в СРСР), тільки у разі успішного вирішення низки складних наукових проблем, пов`язаних з генерацією та використанням пари надкритичних параметрів, можна сподіватися на ККД не більше 46-49%. Таким чином, по економічності паротурбінні системи безнадійно програють парогазовим.

Істотно поступаються паротурбінні електростанції також за вартістю і строками будівництва. У 2005 році на світовому енергетичному ринку ціна 1 кВт на ПГУ потужністю 200 МВт і більше становила 500-600 $ / кВт. Для ПГУ менших потужностей вартість була в межах 600-900 $ / кВт. Потужні газотурбінні установки відповідають значенням 200-250 $ / кВт. Зі зменшенням одиничної потужності їх ціна зростає, але не перевищує звичайно 500 $ / кВт. Ці значення в рази менше вартості кіловата електроенергії паротурбінних систем. Наприклад, ціна встановленого кіловата у конденсаційних паротурбінних електростанцій коливається в межах 2000-3000 $ / кВт.

Схема газотурбінної установки

Установка включає три базових вузла: газову турбіну, камеру згоряння і повітряний компресор. Причому всі агрегати розміщуються в збірному єдиному корпусі. Ротори компресора і турбіни з`єднуються один з одним жорстко, спираючись на підшипники.

Навколо компресора розміщуються камери згоряння (наприклад, 14 шт.), Кожна в своєму окремому корпусі. Для вступу в компресор повітря служить вхідний патрубок, з газової турбіни повітря йде через вихлопної патрубок. Базується корпус ГТУ на потужних опорах, розміщених симетрично на єдиній рамі.

Принцип роботи

У більшості установок ГТУ використовується принцип безперервного горіння, або відкритого циклу:

• Спочатку робоче тіло (повітря) закачується при атмосферному тиску відповідним компресором.
• Далі повітря стискається до більшого тиску і прямує в камеру згоряння.
• У неї подається паливо, яке згорає при постійному тиску, забезпечуючи постійний підведення тепла. Завдяки згорянню палива температура робочого тіла збільшується.
• Далі робоче тіло (тепер це вже газ, що представляє собою суміш повітря й продуктів згоряння) надходить у газову турбіну, де, розширюючись до атмосферного тиску, виконує корисну роботу (крутить турбіну, що виробляє електроенергію).
• Після турбіни гази скидаються в атмосферу, через яку робочий цикл і замикається.
• Різниця роботи турбіни і компресора сприймається електрогенератором, розташованим на загальному валу з турбіною і компресором.

Установки переривчастої горіння

На відміну від попередньої конструктивної схеми, в установках переривчастого горіння застосовуються два клапана замість одного.

• Компресор нагнітає повітря в камеру згоряння через перший клапан при закритому другому клапані.
• Коли тиск у камері згоряння піднімається, перший клапан закривають. У результаті обсяг камери виявляється замкнутим.
• При закритих клапанах в камері спалюють паливо, природно, його згорання відбувається при постійному обсязі. У результаті тиск робочого тіла додатково збільшується.
• Далі відкривають другий клапан, і робоче тіло надходить в газову турбіну. При цьому тиск перед турбіною буде поступово знижуватися. Коли воно наблизиться до атмосферному, другий клапан слід закрити, а перший відкрити і повторити послідовність дій.

Цикли газотурбінних установок

Переходячи до практичної реалізації того чи іншого термодинамічного циклу, конструкторам доводиться стикатися з безліччю непереборних технічних перешкод. Найбільш характерний приклад: при вологості пара більше 8-12% втрати в проточній частині парової турбіни різко зростають, зростають динамічні навантаження, виникає ерозія. Це в кінцевому рахунку призводить до руйнування проточної частини турбіни.

У результаті зазначених обмежень в енергетиці (для отримання роботи) широке застосування поки знаходять тільки два базових термодинамічних циклу: цикл Ренкіна і цикл Брайтона. Більшість енергетичних установок будується на поєднанні елементів зазначених циклів.

Цикл Ренкіна застосовують для робочих тіл, які в процесі реалізації циклу здійснюють фазовий перехід, за таким циклом працюють парові установки. Для робочих тіл, які не можуть бути сконденсовані в реальних умовах і які ми називаємо газами, застосовують цикл Брайтона. За цьому циклу працюють газотурбінні установки й двигуни ДВС.

Використовуване паливо

Переважна більшість ГТУ розраховані на роботу на природному газі. Іноді рідке паливо використовується в системах малої потужності (рідше - середньої, дуже рідко - великої потужності). Новим трендом стає перехід компактних газотурбінних систем на застосування твердих горючих матеріалів (вугілля, рідше торф і деревина). Зазначені тенденції пов`язані з тим, що газ є цінним технологічною сировиною для хімічної промисловості, де його використання часто рентабельніше, ніж в енергетиці. Виробництво газотурбінних установок, здатних ефективно працювати на твердому паливі, активно набирає обертів.

Відмінність ДВС від ГТУ

Принципова відмінність двигунів внутрішнього згоряння і газотурбінних комплексів зводиться до наступного. У ДВС процеси стиснення повітря, згоряння палива і розширення продуктів згоряння відбуваються в межах одного конструктивного елемента, іменованого циліндром двигуна. У ГТУ зазначені процеси рознесені по окремих конструктивних вузлів:

• стиск здійснюється в компресорі;
• згоряння палива, відповідно, в спеціальній камері;
• розширення продуктів згоряння здійснюється в газовій турбіні.

У результаті конструктивно газотурбінні установки і ДВС мало схожі, хоча працюють за схожими термодинамічним циклам.

Висновок

З розвитком малої енергетики, підвищенням її ККД системи ГТУ і ПТУ займають все більшу частку в загальній енергосистемі світу. Відповідно, все більш затребувана перспективна професія машиніст газотурбінних установок. Слідом за західними партнерами ряд російських виробників освоїли випуск економічно ефективних установок газотурбінного типу. Першою парогазової електростанцією нового покоління в РФ стала Північно-Західна ТЕЦ в Санкт-Петербурзі.