Газотурбинные электростанции (ГТЭС): ключевые концепции и принципы работы

В энергетике всё большее распространение получают теплосиловые установки небольшой мощности (до 25 МВт), предназначенные для совместного производства электричества и тепла – когенерации. Одним из таких решений являются газотурбинные электростанции с параллельной утилизацией тепловой энергии.

Главным трендом в снабжении потребителей энергоресурсами становится малая распределённая энергетика. Согласно прогнозам ведущих мировых аналитиков из Navigant Research, к 2026 году ввод новых мощностей распределённой генерации превысит 300 ГВт, тогда как централизованная генерация добавит менее 100 ГВт. Эта тенденция актуальна и для Казахстана. Для страны, значительная часть территории которой труднодоступна и удалена, при этом только 30-40% охвачена Единой энергетической системой и централизованным теплоснабжением, развитие малой энергетики является необходимостью.

Газотурбинная электростанция (ГТЭС) — это современный энергетический комплекс, предназначенный для производства электрической и тепловой энергии. В его состав входят газотурбинные силовые установки и электрический генератор, которые механически соединены и управляются единой системой.

ГТЭС может служить основным или дополнительным источником питания, работая автономно или совместно с энергосистемой. Она может быть установлена как на открытом пространстве, так и внутри здания.

При электрическом КПД в диапазоне 33-39%, газотурбинные установки производят от десятков кВт до сотен МВт электрической энергии. При этом они вырабатывают вдвое больше тепловой энергии. Тепло отработавших газов и охлаждающей воды улавливается котлами-утилизаторами, которые генерируют пар для дополнительного производства электричества, горячей воды или пара с необходимыми технологическими параметрами.

Маломощная теплосиловая установка включает в себя компрессор, камеру сгорания, газо-воздушный тракт, турбину и электрогенератор. Почти все компоненты, за исключением камеры сгорания, расположены на одном валу, что обеспечивает значительную экономию кинетической энергии в системе.

Принцип работы установки базируется на последовательности физико-технических процессов:

• Компрессор нагнетает воздух под высоким давлением в камеру сгорания.
• В камеру сгорания подается газообразное топливо.
• Топливно-воздушная смесь воспламеняется.
• Образуются высокотемпературные газы с высоким энергетическим потенциалом.
• Газовый поток воздействует на лопатки турбины.
• Рабочее колесо турбины вращается, приводя в движение генератор.
• Генератор производит электрическую энергию.
• Электроэнергия выходит на отдачу, трансформируется и передается потребителям.
• Отработанные газы выбрасываются через выхлопную трубу в атмосферу или утилизируются с помощью теплообменников и котлов-утилизаторов для тепловых нужд.

Применение газотурбинных электростанций определяется экономическими и техническими факторами. Их эксплуатация оправдана:

1. На удаленных объектах.
2. У индивидуальных потребителей.
3. При наличии доступного и недорогого топлива (например, газовые и газонефтяные месторождения).
4. В случаях отсутствия централизованного отопления или потребности в тепловой энергии.
5. В местах с ограниченной доступной площадью.

ГТЭС также оправданы для пользователей с длительными периодами работы или простоя, когда использование других средств малой энергетики или подключение к централизованным источникам энергоснабжения нецелесообразны.

Такие абоненты включают:

• Общественные сооружения.
• Комплексы спортивного и физкультурно-оздоровительного назначения.
• Объекты жилищно-коммунального хозяйства.
• Предприятия агропромышленного комплекса.
• Объекты кооперации.
• Топливные месторождения.

Разновидности газотурбинных электростанций, выпускаемых промышленностью, включают:

Стационарные. Это самые мощные и энергоэффективные установки, устанавливаемые на прочных фундаментах.
Мобильные. Эти установки могут передвигаться и обычно используются для обеспечения электроэнергией и теплом удаленных объектов, таких как месторождения полезных ископаемых. Они могут быть перенесены в другие места при необходимости и работают как на газе, так и на жидком топливе. К этому типу относятся блочно-модульные газотурбинные электростанции, которые изготавливаются в виде передвижных блоков полной готовности и оснащаются всем необходимым оборудованием.
Мини-установки. Их преимущества заключаются в компактности и возможности размещения непосредственно рядом с потребителями энергии.

Теплосиловые газотурбинные установки получили широкое распространение благодаря нескольким преимуществам:

1. Простота конструкции по сравнению с паровыми установками.
2. Минимальный расход воды, необходимый только для охлаждения масла в подшипниках.
3. Быстрый запуск в работу, который занимает 15-20 минут до подключения нагрузки.
4. Надежность и долговечность. Микротурбинные агрегаты контейнерного типа на основе инверторов и бесколлекторных генераторов могут работать до 60 тысяч часов до капитального ремонта, а крупные ГТЭС - до 130-150 тысяч часов без капитального ремонта.
5. Высокая эффективность, достигающая 93% при использовании тепла уходящих газов.
6. Маленькие размеры, что упрощает их монтаж и сокращает срок окупаемости по сравнению с аналогами.
7. Низкие эксплуатационные расходы, возможность работы в автономном режиме, минимальные затраты на персонал, простота диагностики и управления.
8. Хорошие экологические показатели благодаря низкому уровню вибрации и выбросов.

Недостатки газотурбинных установок включают:

1. Высокую стоимость за кВт производимой мощности из-за ограниченного количества производителей и дорогих комплектующих.
2. Низкую полезную мощность из-за большого расхода на компрессор, что приводит к низкой электрической эффективности станции (17-39%).
3. Трудности при использовании мазута и твердых горючих материалов в качестве топлива.

Сравнительный анализ характеристик газотурбинных и газопоршневых электростанций показывает:

• Обе системы обладают схожей экономической эффективностью в производстве тепла и электроэнергии, что позволяет достичь КПД когенерации на уровне 85%.
• Обе установки имеют одинаковые затраты на обслуживание.
• Высокий уровень экологической безопасности и нормальная скорость запуска характерны как для газотурбинных, так и для газопоршневых электростанций.

Основное различие между ними заключается в цене за 1 кВт мощности: для газотурбинных она составляет от 1000 до 1400 долларов, в то время как для газопоршневых - от 400 до 600 долларов. Кроме того, газопоршневые установки обладают более высоким КПД по электричеству, достигающим 40-47%.

Вывод: Газотурбинные установки (ГТУ) наиболее предпочтительны в условиях ограниченной площади и при необходимости использования тепла, особенно если доступно дешевое и легкодоступное топливо. В других условиях более разумным выбором является использование газопоршневых установок (ГПУ), которые обладают более длительным сроком службы.