Газотурбинные электростанции: виды, принцип работы, мощность

Газотурбинные электростанции (ГТЭС) - перспективное направление энергетики, позволяющее эффективно вырабатывать электроэнергию и тепло. Давайте подробно разберем, как устроена эта технология.

Определение и основные компоненты ГТЭС

Газотурбинная электростанция (ГТЭС) – это комплекс оборудования для производства электроэнергии, использующий в качестве двигателя газотурбинную установку (ГТУ).

Основу газотурбинной установки составляет газовая турбина – ротор с лопатками, вращающийся при пропускании через него струи горячих газов под давлением. Это вращение ротора используется для приведения в действие электрического генератора, производящего электроэнергию.

Принципиальная схема ГТУ выглядит следующим образом:

1. В камеру сгорания под высоким давлением подается топливный газ и сжатый воздух
2. Происходит воспламенение топливной смеси
3. Образовавшиеся горячие газы высоким потоком поступают на лопатки турбины, вращая ее
4. Вращение турбины передается на вал электрического генератора
5. Генератор вырабатывает электроэнергию

Дополнительно в состав ГТУ входят:

• Компрессор для нагнетания воздуха в камеру сгорания
• Системы охлаждения и смазки узлов
• Система зажигания и контроля горения
• Системы управления рабочими параметрами

На базе одной или нескольких ГТУ формируется газотурбинная электростанция, к которой подключается электрическая сеть для передачи выработанной энергии потребителям.

КПД и особенности ГТЭС

Электрический КПД современной газотурбинной установки составляет 33-39%. Это не очень высокий показатель по сравнению с паросиловыми установками. Однако у ГТУ есть ряд преимуществ:

• Компактные размеры при высокой мощности
• Быстрый запуск и выход на рабочий режим
• Возможность использования газообразного и жидкого топлива

Отличительная особенность ГТЭС - возможность утилизировать большое количество тепловой энергии. Газы на выходе из турбины имеют температуру 500-600°С. Это тепло можно использовать для нужд отопления, либо привода дополнительной паровой турбины. Такая схема когенерации повышает общий КПД до 90% и окупаемость станции.

Области применения ГТЭС

Газотурбинные электростанции находят широкое применение в таких областях как:

• Нефтегазовая отрасль
• ЖКХ и энергоснабжение поселков
• Промышленность
• Сельское хозяйство

Их использование особенно эффективно в удаленных районах при необходимости постоянного электроснабжения объектов. Например, для бесперебойной работы нефтяных месторождений в сложных климатических условиях.

Еще одно перспективное направление – размещение мини-ГТЭС в городских районах для выработки тепла и электроэнергии по технологии тригенерации.

Мощности ГТЭС

Газотурбинные электростанции мощность варьируется от нескольких киловатт до 300 МВт. В зависимости от требуемой мощности различают:

• Мини ГТЭС – до 1 МВт
• Средние ГТЭС – 1-25 МВт
• Мощные ГТЭС – 25-300 МВт

Для небольших потребителей подойдут мини ГТЭС в контейнерном исполнении. Например, газотурбинная электростанция 1 МВт способна полностью обеспечить электричеством и теплом средний промышленный цех или несколько многоквартирных жилых домов.

Для крупных промышленных предприятий или городов будут применяться ГТЭС большей мощности, вплоть до 300 МВт. Такие станции монтируются на отдельных площадках с собственной инфраструктурой.

ГТУ: основные производители

Среди крупнейших мировых производителей газотурбинных установок для ГТЭС можно выделить такие компании как General Electric, Siemens, Solar Turbines, Mitsubishi Hitachi Power Systems.

В России ведущими игроками в этой сфере являются Казанское моторостроительное производственное объединение (КМПО) и Уфимское моторостроительное производственное объединение (УМПО).

Характеристики современных промышленных ГТУ следующие:

• Мощность: 5-350 МВт
• КПД электрический: 33-39%
• Температура газов на входе: 1200-1400°С
• Частота вращения турбины: 3000-15000 об/мин

Стоимость газотурбинного оборудования находится в пределах 600-800 долларов за 1 кВт мощности.

Эксплуатация и техническое обслуживание

Принцип работы газотурбинной электростанции основан на слаженном взаимодействии всех узлов и механизмов ГТУ. Для обеспечения надежности требуется регулярное обслуживание.

При запуске и остановке ГТУ происходит наибольший износ деталей. Поэтому количество пусков ограничивается до 300-500 в год.

В процессе работы проводится постоянный мониторинг температуры газов, вибрации корпуса, утечек масел. Это позволяет оперативно обнаруживать и устранять возникающие неисправности.

Плановые осмотры и регламентные работы рекомендуется проводить через каждые 2500 часов работы или раз в полгода. При этом заменяется часть деталей, проверяется работоспособность узлов.

Перспективы развития ГТЭС

Основные тенденции в развитии газотурбинных технологий это повышение электрического КПД, создание гибридных парогазовых и газопоршневых установок на базе ГТУ.

Ожидается, что к 2030 году средний КПД ГТУ возрастет до 42-45% за счет применения новых жаропрочных материалов, позволяющих поднять температуру газов на входе в турбину.

Перспективно совмещение в одном энергоблоке газовой и паровой турбин. Такая парогазовая ТЭС имеет высокий электрический КПД около 57%.

Также ведутся разработки по гибридным газотурбинным и газопоршневым установкам. Это позволит объединить достоинства двух технологий.

Примеры конкретных объектов с ГТЭС

Одна из крупнейших газотурбинных станций России находится на Ленском газохимическом комплексе в Якутии. Она состоит из трех газотурбинных агрегатов мощностью 40 МВт каждый. Электростанция полностью обеспечивает электричеством газодобычу и переработку природного газа в районах Крайнего Севера.

Примером использования ГТЭС в ЖКХ является мусоросжигательный завод «Энергия» в городе Калуга. Три газотурбинные установки Siemens мощностью 1 МВт каждая работают на отходящих газах от сжигания мусора. При этом обеспечивается выработка 2,24 млн кВт*ч электроэнергии и 42 Гкал тепла в год.

Стоимость оборудования и монтажа

Затраты на газотурбинную электростанцию складываются из стоимости самого оборудования, затрат на строительно-монтажные работы, инженерные коммуникации и инфраструктуру.

В зависимости от мощности, ориентировочная стоимость может составлять:

• Мини ГТЭС до 1 МВт – 10-15 млн рублей
• Средняя ГТЭС 5 МВт – 50-70 млн рублей
• Мощная ГТЭС 25 МВт – 250-350 млн рублей

Для крупных электростанций свыше 25 МВт требуется строительство отдельных зданий и сооружений, что увеличивает капитальные вложения до 1 млрд рублей и выше.

Экономическая эффективность ГТЭС

Газотурбинные электростанции окупаются за счет выработки дешевой энергии и возможности утилизации тепла.

Срок окупаемости мини ГТЭС составляет 5-7 лет. Для станций большей мощности этот показатель может быть 3-4 года благодаря более низкой удельной стоимости оборудования.

Использование когенерационных схем на базе ГТУ позволяет получить дополнительную прибыль от реализации тепловой энергии, что делает такие проекты еще более эффективными.