Газотурбинные установки для производства электроэнергии и тепла

Процесс получения, преобразования и передачи энергии весьма сложен и трудоемок.

От его организации на каждом отдельном этапе напрямую зависят затраты конечного потребителя. Транспортировка до места использования больше всего влияет на удорожание энергии. Поэтому для предприятий стоимость тепла и электроэнергии от собственных источников оказывается значительно более низкой, чем при покупке у традиционных поставщиков. Это — первое преимущество автономных энергетических установок. Вторым является тот факт, что в случае нового строительства их приобретение, монтаж и наладка могут обойтись дешевле сооружения питающих линий, подстанций и платы за подключение к централизованным сетям. В российских условиях на стремление предприятий обзавестись собственными источниками энергии влияет также ненадежность централизованных энергетических сооружений и непредсказуемая тарифная политика энергоснабжающих организаций.

Наибольший экономический эффект достигается при совместной выработке на месте потребления электричества и тепла. Данный процесс получил название когенерации В этом случае есть возможность использовать бросовую энергию — тепло выхлопных газов и систем охлаждения агрегатов, приводящих в движение электрические генераторы, или излишнее давление в трубопроводах. Утилизируемую тепловую энергию можно использовать также для производства холода в абсорбционных машинах (тригенерация).

Газотурбинные двигатели (ГТД) традиционно используются в энергетике. Если коротко говорить об устройстве и принципе действия ГТД, следует разделить двигатель на две основные части — газогенератор и силовую турбину, — размещенные в одном корпусе. Первая составляющая включает турбокомпрессор и камеру сгорания; здесь создается высокотемпературный поток газов, который воздействует на лопатки силовой турбины.
В зависимости от конструкции газотурбинный двигатель может быть одновальным или с так называемым разрезным валом. Во втором случае обычно применяются два механически не связанных между собой и с силовой турбиной турбокомпрессора, которые приводятся в движение отдельными турбинами (рис. 1). В энергетике большим предпочтением пользуются одновальные ГТД.
Значительная часть газотурбинных теплоэлектростанций малой и средней мощности создана на базе авиационных и судовых двигателей, но существуют также ГТД, изначально разработанные как энергетические.

В настоящее время для промышленной и коммунальной энергетики выпускаются газотурбинные установки (ГТУ) электрической мощностью от 0,8 до 30 МВт. Нижний уровень обусловлен неэффективностью менее мощных теплоэлектростанций данного типа, верхний не является конечным, поскольку автономная станция может включать несколько энергоблоков.

К достоинствам данного оборудования следует отнести его способность работать на различном топливе, в том числе — на мазуте, относительно небольшой удельный вес, высокий потенциал утилизируемого тепла. Благодаря последнему свойству, ГТУ предпочтительнее там, где на выходе требуется пар. В качестве преимущества необходимо отметить также продолжительность периода, на протяжении которого допускается эксплуатировать данные машины без остановки (в среднем — до года).

Поршневые когенераторы

Двигатели внутреннего сгорания уже давно используются для привода автономных электростанций. В наиболее известном случае это — дизельные моторы, которые традиционно применяются районах, где отсутствует централизованное энергоснабжение, и резервные источники электрической энергии. Они бывают оснащены теплообменным оборудованием и тогда представляют собой мини-ТЭЦ. При этом находит применение бросовое тепло выхлопных газов (их температура обычно составляет 450-500°С), а в моделях с глубокой утилизацией — также тепло систем охлаждения и смазки двигателя. Тепловая энергия от таких энергоагрегатов идет на отопление и горячее водоснабжение.

Кроме дизелей в качестве базы для мини-ТЭЦ используют газовые (рис. 4) и газодизельные двигатели внутреннего сгорания. В так называемом газовом режиме газодизели обычно действуют на смеси газа и небольшого количества (от 1 до 10%) дизельного топлива.
С точки зрения капитальных затрат наиболее дешевыми являются дизельные мини-ТЭЦ. Однако из-за дороговизны солярки, большего расхода масла и высоких эксплуатационных затрат себестоимость вырабатываемой ими электроэнергии оказывается в несколько раз выше, чем у газовых установок (обладающих к тому же большим ресурсом до капремонта). Таким образом, дизельные когенераторы лучше использовать в негазифицированных районах. Энергия, получаемая от газодизельных мини-ТЭЦ, также дороже той, что вырабатывают установки на чистом газе.
Энергоблоки на базе двигателей внутреннего сгорания поставляются в блочно-модульном исполнении для стационарной установки или в транспортабельных контейнерах. Кроме того, часто применяются специальные кожухи, поглощающие шум.
На российском рынке представлены газовые когенераторные установки на базе двигателей внутреннего сгорания электрической мощностью от 8 кВт до 5 МВт (см. обзор на с. 52). Их электрический КПД составляет порядка 40%, а общий коэффициент использования топлива достигает 90%.

• Высокую стоимость капиталовложений.
• Высокую стоимость аммортизационных отчислений.
• Высокую стоимость и необходимость регулярной замены аккумуляторных батарей, которые необходимо менять в процессе работы установки.
• Низкий электрический КПД и высокий расход газа.

• Высокий электрический КПД (до 54%)
• Высокая экологичность (выхлопные газы представляют собой водяной пар и углекислый газ)
• Низкие эксплуатационные издержки
• Абсолютная безопасность
• Компактность
• Низкий уровень шума
• Отсутствие вибраций

В большинстве развитых стран (Германия, Австрия, Великобритания и т. д.) автономные когенераторные установки уже нашли широкое применение. На Западе понимают, что это выгодно не только предприятиям, использующим данную технику, но и обществу в целом: снижаются потери энергии, выбросы в атмосферу вредных веществ, себестоимость выпускаемой продукции.
В нашей стране на пути к энергетической независимости существует ряд административных препятствий, порой непреодолимых. Во-первых, речь идет о так называемых лимитах на газ. Поскольку в настоящее время продавать газ за рубеж выгоднее, чем реализовывать его в России, газовые монополисты неохотно идут на дополнительные поставки этого топлива отечественным предприятиям. Хотя, в целом по стране увеличение числа малых ТЭЦ позволило бы снизить потребление газа менее рентабельными крупными электростанциями.
Во-вторых, нередки случаи, когда построить автономную теплоэлектростанцию невозможно из-за сопротивления организаций централизованного энергоснабжения, которым невыгодно терять клиентов, ведь именно они выдают необходимые разрешения (например, на параллельную работу мини-ТЭЦ с сетью).

В то же время, энергетика является основой экономического развития общества и независимо от формы собственности должна быть подконтрольна государству. Так что окончательные решения, касающиеся автономного энергоснабжения, должны принимать все-таки государственные структуры, с учетом всех аспектов.

Развитие малой энергетики сдерживается относительно низкой покупательной способностью российского рынка. Данное оборудование окупается за 1-4 года, но требует ощутимых для отдельного предприятия капитальных затрат. Заинтересовать предпринимателей могли бы таможенные и налоговые льготы на покупку и ввоз энергосберегающего оборудования, компенсация расходов из налоговой части бюджетов предприятий и т. д. Принятие таких решений — также прерогатива государства.

Сегодня реальные льготы действуют при приобретении оборудования в лизинг, но это — тема отдельного материала.

Газотурбинные установки (ГТУ) представляют собой энергетическую установку, в конструкцию которой входит электрогенератор, сама газовая турбина, система управления, газовоздушный тракт, а также вспомогательное оборудование. Выходящие с неё отработанные газы можно использовать для производства пара либо же горячей воды. ГТУ способны функционировать на жидком или на газообразном виде топлива (рабочий – газ, резервный – дизельное топливо). Относятся они к тепловым машинам, в которых полезная работа получается благодаря передаче тепла от сгораемого топлива непосредственно к рабочему телу, не изменяющему своё агрегатное состояние. В качестве этого «тела» выступает газ.

Газотурбинные установки обладают рядом преимуществ перед паротурбинными. Самое основное – это отсутствие конденсаторов и парового котла, систем и различных механизмов котельной агрегата. Также, они обладают меньшей массой и размерами при одной и той же мощности установки. В современных агрегатах сгорание топлива осуществляется при постоянном давлении и объёме.

Газотурбинные установки для производства электроэнергии и тепла

Данное оборудование активно применяется уже не один год. Спрос на него довольно большой. Особенно это заметно во время эксплуатации в холодное время года в нашей стране. Такие газотурбинные энергетические установки приносят двойную пользу: генерирует нужное тепло и электричество. Комбинация производства этих двух составляющих в нынешнее время является ведущим направлением в рационализации и энергосбережении. Обусловлено это тем, что именно объединение тепла и электричества, когда они нужны круглый год, даёт возможность экономить расход топлива.

Увеличение интереса к малой энергетике сегодня растёт. В ряде случаев она и вовсе является самым альтернативным способом энергоснабжения централизованного тепла. Автономные источники становятся экономичнее и эффективнее, нежели централизованные. И поэтому газотурбинные и парогазовые установки тепловых электростанций выходят на первый план. Небольшие ТЭЦ, в которых применяются передовые технологии, становятся идеальным решением проблем, даже в условиях дефицита финансирования. Данное направление с каждым днём становится всё более перспективным.

На протяжении много лет в энергетической отрасли применяются ГТУ. Они представляют собой универсальный двигатель, но совсем иного типа, в котором воздух из атмосферы сжимается до 15-20 атмосфер. Сжигание тут топлива сопровождается с формированием высокотемпературных продуктов (порядка 1500 градусов). Их расширение до уровня атмосферного давления происходит непосредственно в самой трубе. Из-за высокой температуры эта турбина способна развивать большую мощность, нежели для вращения обычного компрессора. Её излишек применяется для привода электрогенератора. Именно поэтому газотурбинные и парогазовые установки довольно быстро развиваются, с увеличением своих характеристик, КПД и мощности. Такие установки получают всё большее распространение, и по мере самого строительства включаются в энергосистему.

Беря во внимание все достоинства ПГУ, самой основной задачей для отечественной энергетики является перевод большинства паровых электростанций, которые функционируют на газе, на парогазовые.

Судовые газотурбинные установки

ГТУ активно используются и на судах. Их эксплуатация приносит довольно неплохие результаты. Таким образом, увеличивается полезное водоизмещение, скорость самого судна и дальность его плавания. Данное устройство успешно конкурирует во флоте с аналогичным дизельным и паротурбинным оборудованием. СГУ более компактная, ремонтопригодна, лучше адаптирована для автоматизации и обладает небольшим удельным весом. Также, корабельные газотурбинные установки могут использоваться совместно с другими типами энергетических установок. Служат они для обеспечения хода самого судна и обеспечения необходимым видом энергии (электронной, тепловой и т.д.). Самыми характерными чертами данных установок является простое обслуживание, небольшой вес и безотказная работа.

Данные СГУ классифицируются согласно используемого вида топлива на: органические и ядерные. Все такие установки между собой отличаются габаритами, весом, приспособленностью к автоматизации, ремонтопригодностью и дистанционным управлением.

Использование газотурбинных установок на судах впервые было применено в 1961 году в России. Тогда в состав силовой установки входили четыре свободно-поршневые генераторы. С их помощью вырабатывался газ для турбины, мощность которой составляла 3800 л.с. Сегодня же победу одержали дизельные суда, но большинство мирового тоннажа осуществляют теплоходы. Кроме этого, активно развивается строение и спуск на воду судов-гигантов, супертанкеров, круизных лайнеров и т.д. Для того чтобы такие судна смогли набирать нужную скорость одного дизельного двигателя сгорания крайне мало. И тогда остро стаёт вопрос о применении СГУ.

Сегодня газотурбинные двигатели устанавливаются в основном на кораблях, относящихся к военно-морскому флоту. Применение их на коммерческих суднах было не оправдано. Обусловлено это небольшим коэффициентом полезного действия и отсутствием реверса. Но ГТУ можно использовать и в качестве дополнительных двигателей на тех судах, которые имеют винтовые крылья либо же воздушную подушку.

Выставка «Электро»

Большой уровень спроса, новая высокопроизводительная аппаратура, передовые технологии – всё это и многое другое невозможно остановить в данной сфере. Благодаря этому газотурбинные установки в России, применяемые для производства электроэнергии и тепла, сегодня являются актуальными. Из-за своей специфики найти необходимую информацию о современных разработках в достаточном объёме либо же сделать своё собственное открытие в этой отрасли популярным бывает просто невозможно. В этом случае будет полезно посетить профильное мероприятие – выставку «Электро», проходящую в ЦВК «Экспоцентр». Тут ежегодно собираются тысячи специалистов, представителей ведущих компаний и производители газотурбинных установок со всего мира, готовых к активной работе, и решать самые актуальные вопросы в электротехнике.

Что даст вам данное мероприятие?

• Поиск новых заказчиков, поставщиков и партнёров.
• Проведение расширенных эффективных маркетинговых исследований.
• Презентация собственных разработок и достижений.
• Ознакомление с самыми передовыми достижениями и инновационными технологиями.
• Изучение новых устройств.

Если грамотно воспользоваться всеми этими возможностями, то можно всего за несколько дней сделать наработки, на которые в обычных условиях у вас бы ушёл не один месяц. Это сможет сделать вашу компанию и продукцию конкурентоспособной. Все специалисты не рекомендуют пропускать данные мероприятия. Тем более что возможностей в случае с газотурбинными и парогазовыми установками не так-то уж и много.

Эффективное использование топлива и энергосбережение при производстве электроэнергии и тепла за счет использования газотурбинных технологий

А. А. Иноземцев, доктор техн. наук, генеральный конструктор ОАО "Авиадвигатель"

А. А. Васильев, генеральный директор ЗАО "Искра-Энергетика"

И. Н. Шубин, зам. губернатора Пермской области

А. Н. Сементин, начальник УЖКХ администрации Пермской области

Д. Д. Сулимов, главный конструктор ОАО "Авиадвигатель"

А. Е. Костюченко, канд. тех. наук, зам. Главного конструктора по маркетингу ОАО "Авиадвигатель"

Природный газ добывается из невозобновляемых источников, запасы его конечные, из чего следует необходимость его эффективного использования как наиболее ценного и экологически чистого вида топлива. В ближайшие три года дефицит ресурсов природного газа в России, даже при закупке его в среднеазиатских государствах, составит: в 2000 г. — 11 млрд. нм 3 , в 2001 г. — 36,6 млрд. нм 3 и в 2002 г. — 67 млрд. нм 3 [1].

К системам тепло- и электроснабжения, дающим максимальную экономию энергоресурсов и приносящим прибыль, относятся муниципальные и промышленные системы совместного производства тепла и электроэнергии с применением газовых турбин (ГТУ-ТЭЦ и ПГУ-ТЭЦ).

Эффективный коэффициент использования топлива таких систем достигает 90 % и не имеет себе равных среди других технологий [2].

Не случайно еще в 1978 г. в США принят закон, согласно которому запрещено использование природного газа на вновь вводимых и реконструируемых ТЭЦ и крупных котельных без применения газотурбинных технологий. Аналогичные меры приняты и в странах Европейского экономического сообщества (ЕЭС) [3]. В скором будущем такие же законы должны быть приняты в России.

Для демонстрации преимуществ газотурбинных теплоэлектростанций по сравнению с существующими паротурбинными установками производства электроэнергии на рис. 1 представлена энергетическая схема ГТУ-ТЭЦ электрической мощностью 16,0 МВт и тепловой мощностью 22,0 Гкал/ч разработки ОАО "Авиадвигатель" в стационарных условиях. Из рис. 1 видно, что данная ГТУ-ТЭЦ при всех указанных потерях энергии на входе и выходе, в редукторе, генераторе, затратах на собственные нужды (1 %) и затратах электроэнергии на привод дожимного компрессора (5 %) при совместном производстве электроэнергии и тепла будет производить на отпуск 15,04 МВт электроэнергии и 21,98 Гкал/ч тепла, затрачивая при этом 3 457 кг/ч природного газа или 5 785,6 кг у. т./ч и иметь КПД использования топлива 86,1 %.

Энергетическая схема ГТУ-ТЭЦ электрической мощностью 16 МВт и тепловой мощностью 22 Гкал/ч

Без отпуска тепла удельный расход условного топлива на отпуск электроэнергии составит 384,7 г у. т./кВт·ч, а без отпуска электроэнергии (условно) удельный расход условного топлива на отпуск тепла будет 263,2 кг у. т./Гкал.

Данные величины нанесены на оси координат графика рис. 2 и соединены прямой линией, в соответствии с которой можно определять в базовом режиме удельный расход условного топлива на выработку электроэнергии при задании удельного расхода условного топлива на выработку тепла или наоборот. Этим графиком удобно пользоваться при определении экономии условного топлива при переоснащении существующих ТЭЦ, ГРЭС и котельных в ГТУ-ТЭЦ, а также при коммерческом перераспределении затрат на производство электроэнергии и тепла.

Для наглядности на тот же график рис. 2 нанесены данные по средним в России удельным расходам условного топлива на ТЭЦ, взятые из работы [4]. Из рис. 2 видны значительные преимущества газотурбинных технологий в области энергосбережения и экономии топлива по сравнению с существующими технологиями на любой ТЭЦ АО-энерго и РАО "ЕЭС России".

Соотношения удельных расходов условного топлива на выработку электроэнергии тепла для ГТУ-ТЭЦ,представленной на рис. 1

Анализ составляющих в себестоимости тепла от котельных, работающих на природном газе в Пермской области, показал, что стоимость электроэнергии в себестоимости тепла достигает 10 %, а затраты на топливо находятся в пределах 55 %. При такой структуре российской теплоэнергетики, даже при низких тарифах на природный газ, тепло становится дорогим и его оплата, как правило, дотируется из регионального бюджета.

Многие региональные органы власти прекрасно осознают порочность этого состояния, особенно при жутком дефиците финансовых средств.

Администрация Пермской области приняла решение о разработке проекта региональной программы "Пермские газотурбинные технологии для систем тепло- и электроснабжения". Такое решение принято, исходя из проблем указанных выше, с учетом следующих обстоятельств:

• проблема технического перевооружения теплоэлектроэнергетики затрагивает основы надежности и живучести всех регионов страны и "ЕЭС России" в целом.
• отечественная энергетика построена на российском оборудовании, и очень важно сохранить такое положение в будущем для обеспечения энергетической безопасности РФ.
• производственные возможности промышленных предприятий Пермской области по поставкам энергосберегающего оборудования для высокоэффективных газотурбинных систем тепло- и электроснабжения обеспечивают примерно 85 % всего оборудования ГТУ-ТЭЦ. Остальное оборудование (котлы-утилизаторы, дожимные компрессоры, САУ высшего уровня и ряд другого оборудования) изготавливается российскими предприятиями других регионов.

Внедрение газотурбинных технологий в электроэнергетике Прикамья началось в декабре 1997 г. после ввода в эксплуатацию на территории ОАО "Пермские Моторы" первой промышленной газотурбинной электростанции "Янус" мощностью 4 МВт. Блочно-модульная теплоэлектростанция ГТЭС-4 разработки ОАО "Искра" введена в эксплуатацию "под ключ" на ОАО "Пермский газоперерабатывающий завод" специализированным Пермским предприятием ЗАО "Искра-Энергетика" — совместным предприятием ОАО НПО "Искра" и компании "Turbo Power & Marine Systems, INC" (США).

Пермскими предприятиями за 7 лет разработано и введено в эксплуатацию 85 ГТУ мощностью от 2,5 до 16 МВт, которые на 01.02.2001 г. наработали около 591 тысячи часов. Лидерные образцы имеют наработку более 25-35 тысяч часов.

Тесное и плодотворное сотрудничество промышленных предприятий Прикамья по созданию и вводу "под ключ" газотурбинных теплоэлектростанций стало основанием создания в Пермской области демонстрационной зоны энергоэффективных проектов "Западный Урал".

На рис. 3 представлена схема варианта реконструкции в рамках региональной программы Пермской области котельной № 25 (г. Кунгур) в ГТУ-ТЭЦ с тепловыми и электрическими нагрузками, построенными по данным опросного листа.

На рис. 3, кроме графиков электрических и тепловых нагрузок, представлен график изменения коэффициента полезного использования топлива для одного из трех рассмотренных вариантов эксплуатации ГТУ-ТЭЦ*).

Энергетические и тепловые нагрузки ГТУ-ТЭЦ на базе Правобережной котельной г. Березники

Анализ приведенных графиков показывает, что для лучшего варианта — № 2 — в осенне-зимний отопительный период коэффициент полезного использования топлива находится в пределах 81-86 %, а в неотопительный период находится на уровне 60 %.

Это очень высокие показатели эффективности использования топлива, т. к. в мировой практике бинарные парогазовые установки с коэффициентом использования топлива, равном 60 %, пока находятся только в стадии опытного производства.

Ниже в таблице представлены результаты расчета экономии топлива и окупаемости вышеуказанной ГТУ-ТЭЦ.

Пуск первой в Российской Федерации муниципальной ГТУ-ТЭЦ, построенной по инициативе АО "Башкирэнерго" полностью на российском оборудовании с применением ГТУ-4П, осуществлен 27 декабря 2000 г. в поселке Большеустьикинское Республики Башкортостан.

Реконструкция муниципальных и промышленных котельных в ГТУ-ТЭЦ решает 4 основные задачи энергосбережения:

1. котельные, дающие населению до 62 % тепловой энергии, превращаются из потребителей электроэнергии в поставщиков дешевой электроэнергии как в пиковом, так и в базовом режимах;
2. существенно снижаются удельные расходы топлива как на производство электроэнергии, так и на производство тепла;
3. снижается себестоимость тепловой энергии, что очень важно, т. к. дотации можно превратить в инвестиции;
4. уменьшаются потери в сетях, т. к. в многотысячных отдаленных микрорайонах РФ появляются местные источники электроэнергии.

Кроме энергосбережения, при использовании газотурбинных технологий улучшается экология, т. к. существенно снижаются выбросы в атмосферу загрязняющих веществ NO, CO и CO2 за счет того, что сэкономленное топливо не сжигается в топках существующих котлов, и за счет разности в выбросах за существующими котлами и за газотурбинными установками, из которых пермские ГТУ мощностью 2,5 и 4,0 МВт имеют экологические сертификаты.