Elektrownie turbin gazowych

Jednostki turbiny gazowej (GTU) to silniki cieplne, w których przetwarzana jest energia cieplna gazowego płynu roboczego energia mechaniczna. Główne składniki to: sprężarka, komora spalania i turbina gazowa. Aby zapewnić działanie i kontrolę w instalacji, istnieje zespół wzajemnie połączonych systemów pomocniczych. GTU w połączeniu z generatorem elektrycznym nazywa się turbiną gazową. Moc wyjściowa jednego urządzenia waha się od dwudziestu kilowatów do kilkudziesięciu megawatów. Są to klasyczne instalacje turbin gazowych. Wytwarzanie mocy w elektrowni odbywa się za pomocą jednego lub kilku GTU.

Urządzenie i opis

Instalacje turbin gazowych składają się z dwóch głównych części, znajdujących się w tej samej obudowie, generatora gazu i turbiny energetycznej. W generatorze gazu, który obejmuje komorę spalania i turbosprężarkę, generowany jest strumień gazu o wysokiej temperaturze, który działa na łopaty turbiny napędowej. Za pomocą wymiennika ciepła odprowadzane są gazy spalinowe, a ciepło wytwarzane jest jednocześnie za pomocą kotła gorącej wody lub pary. Praca instalacji turbin gazowych polega na wykorzystaniu dwóch rodzajów paliwa - gazowego i ciekłego.

W trybie normalnym turbina gazowa działa na gazie. W trybie awaryjnym lub w trybie gotowości po odcięciu dopływu gazu następuje automatyczne przejście na paliwo płynne (diesel). W trybie optymalnym instalacje turbin gazowych wytwarzają połączoną energię elektryczną i cieplną. Pod względem ilości wytworzonej energii cieplnej, GTU znacznie przewyższają tłoki gazowe. Jednostki turbinowe są wykorzystywane w elektrowniach zarówno do pracy w trybie podstawowym, jak i do kompensacji obciążeń szczytowych.

Historia stworzenia

Idea wykorzystania energii strumienia gorącego gazu jest znana od czasów starożytnych. Pierwszy patent na urządzenie, w którym zaprezentowano te same podstawowe elementy, jak w nowoczesnym GTU, został wydany Anglikowi Johnowi Barberowi w 1791 roku. Turbina gazowa zawierała kompresory (powietrze i gaz), komorę spalania i aktywne koło turbinowe, ale nigdy nie otrzymała praktycznego zastosowania.

W XIX i na początku XX wieku wielu naukowców i wynalazców na całym świecie opracowało zestaw odpowiedni do praktycznego zastosowania, ale wszystkie próby zakończyły się niepowodzeniem z powodu niskiego rozwoju nauki i techniki tamtych czasów. Moc netto dostarczona przez prototypy nie przekroczyła 14% przy niskiej niezawodności operacyjnej i złożoności strukturalnej.

Po raz pierwszy elektrownie z turbinami gazowymi zostały użyte w 1939 r. W Szwajcarii. Uruchomiono elektrownię z turbogeneratorem, wykonaną w najprostszym schemacie o mocy 5000 kW. W latach pięćdziesiątych ten schemat został dopracowany i skomplikowany, co umożliwiło zwiększenie wydajności i mocy do 25 MW. Produkcja turbin gazowych w krajach uprzemysłowionych ukształtowała się na jednym poziomie i kierunku rozwoju pod względem wydajności i parametrów turbin. Całkowita wydajność turbin gazowych produkowanych w Związku Radzieckim i Rosji szacowana jest na miliony kW.

Zasada działania GTU

Powietrze atmosferyczne wchodzi do sprężarki, jest sprężane i pod wysokim ciśnieniem przez podgrzewacz powietrza, a zawór dystrybucji powietrza jest wysyłany do komory spalania. W tym samym czasie gaz jest wtryskiwany do komory spalania przez dysze, które są spalane w strumieniu powietrza. Spalanie mieszaniny gaz-powietrze tworzy strumień gorących gazów, które z dużą prędkością działają na łopatki turbiny gazowej, powodując ich obracanie się. Energia cieplna strumienia gorącego gazu jest przetwarzana na energię mechaniczną obrotu wału turbiny, który napędza sprężarkę i generator elektryczny. Energia elektryczna z terminali generatora poprzez transformator jest przesyłana do sieci elektrycznej odbiorcy.

Gorące gazy przez regenerator wpływają do kocioł ciepłej wody a następnie poprzez wykorzystanie w komin. Obieg wody jest zorganizowany pomiędzy kotłem ciepłej wody i centralnym punktem grzewczym (CHP) za pomocą pomp sieciowych. Ciecz nagrzewana w kotle przechodzi do punktu centralnego ogrzewania, do którego podłączeni są odbiorcy. Cykl termodynamiczny instalacji turbiny gazowej składa się z adiabatycznego sprężania powietrza w sprężarce, izobarycznego dostarczania ciepła w komorze spalania, adiabatycznego rozprężania płynu roboczego w turbinie gazowej, izobarycznego odprowadzania ciepła.

Gaz ziemny - metan wykorzystywany jest jako paliwo do turbin gazowych. W trybie awaryjnym, w przypadku wyłączenia zasilania gazem, zespół turbiny gazowej zostaje przeniesiony na częściowe obciążenie, a paliwo do silników wysokoprężnych lub skroplone (propan-butan) są wykorzystywane jako zapasowe paliwo. Możliwe opcje instalacji turbiny gazowej: dostawa energii elektrycznej lub łączne dostawy energii elektrycznej i cieplnej.

Kogeneracja

Produkcja energii elektrycznej przy jednoczesnym wytwarzaniu skojarzonej energii cieplnej nazywana jest kogeneracją. Technologia ta może znacznie poprawić ekonomiczną efektywność zużycia paliwa. W zależności od potrzeb jednostka turbiny gazowej może być dodatkowo wyposażona w kotły wodne lub kotły parowe. Umożliwia to uzyskanie gorącej wody lub pary o różnym ciśnieniu.

Przy optymalnym wykorzystaniu dwóch rodzajów energii, maksimum efekt ekonomiczny kogeneracja, a wskaźnik wykorzystania paliwa (KIT) sięga 90%. W tym przypadku ciepło gazów spalinowych i energia cieplna z układu chłodzenia jednostek, które obracają generatorami elektrycznymi (w rzeczywistości energia odpadowa), są wykorzystywane zgodnie z przeznaczeniem. W razie potrzeby ciepło do ponownego przetworzenia można wykorzystać do produkcji urządzeń chłodzących w trybie absorpcji (trigeneracja). Układ kogeneracyjny składa się z czterech kluczowych części: silnika głównego (turbiny gazowej), generatora elektrycznego, systemu odzyskiwania ciepła, układu sterowania i monitorowania.

Zarządzanie

Istnieją dwa główne tryby działania, w których obsługiwane są turbiny gazowe:

• Stacjonarne. W tym trybie turbina pracuje ze stałym nominalnym lub częściowym obciążeniem. Do niedawna tryb stacjonarny był głównym dla GTU. Turbina była zamykana kilka razy w roku w przypadku planowych napraw lub w przypadku awarii.
• Tryb zmienny zapewnia możliwość zmiany mocy GTU. Konieczność zmiany trybu działania turbiny może być spowodowana jedną z dwóch przyczyn: jeśli moc zużywana przez generator elektryczny uległa zmianie w wyniku zmiany obciążenia odbiorczego z nim związanego, oraz jeśli zmieni się ciśnienie atmosferyczne i temperatura powietrza zasysanego przez sprężarkę. Tryby niestacjonarne, a najtrudniejsze, to zatrzymywanie i uruchamianie jednostki turbiny gazowej. W tym ostatnim przypadku, sterownik turbiny gazowej musi wykonać wiele operacji przed pierwszym ciągiem wirnika. Przed pełnym uruchomieniem instalacji przeprowadzana jest wstępna promocja wirnika.

Zmiana trybu pracy instalacji odbywa się poprzez regulację dopływu paliwa do komory spalania. Głównym zadaniem zarządzania turbiną gazową jest zapewnienie niezbędnej mocy. Wyjątek stanowi elektrownia z turbiną gazową, dla której głównym zadaniem sterowania jest stała częstotliwość wzrostu związana z turbiną generatora elektrycznego.

Zastosowania energetyczne

W elektrowniach stacjonarnych turbiny gazowe są wykorzystywane do różnych celów. Jako główne silniki napędowe generatorów elektrycznych w elektrowniach cieplnych, instalacje turbin gazowych są stosowane głównie na obszarach o wystarczającej ilości gazu ziemnego. Ze względu na możliwość szybkiego rozruchu, GTU są szeroko stosowane do pokrycia szczytowych obciążeń w systemach elektroenergetycznych w okresach maksymalnego zużycia energii. Redundantne zespoły turbin gazowych zapewniają wewnętrzne potrzeby elektrowni cieplnych podczas zamykania głównego wyposażenia.

Wydajność

Ogólnie rzecz biorąc, sprawność elektryczna turbin gazowych jest niższa niż w przypadku innych jednostek napędowych. Jednak przy pełnej realizacji potencjału cieplnego zespołu turbiny gazowej znaczenie tego wskaźnika staje się mniej istotne. W przypadku mocnych instalacji turbin gazowych istnieje podejście inżynieryjne polegające na połączeniu dwóch rodzajów turbin ze względu na wysoką temperaturę spalin.

Wytworzona energia cieplna wykorzystywana jest do wytwarzania pary do turbiny parowej, która jest wykorzystywana równolegle z turbiną gazową. Zwiększa to sprawność elektryczną do 59% i znacznie zwiększa oszczędność paliwa. Wadą tego podejścia jest konstruktywna złożoność i docenienie projektu. Stosunek energii elektrycznej i cieplnej wytwarzanej przez turbinę gazową wynosi około 1: 2, czyli 20 megawatów ciepła produkowane jest dla 10 MW energii elektrycznej.

Mocne i słabe strony

Zalety turbin gazowych to:

• Prostota urządzenia. Ze względu na brak jednostki kotłowej, złożony system rurociągów i różne mechanizmy pomocnicze, zużycie metalu na jednostkę mocy turbin gazowych jest znacznie mniejsze.
• Minimalne zużycie wody wymagane w GTU tylko do chłodzenia oleju dostarczanego do łożysk.
• Szybkie uruchomienie. W przypadku zespołów turbin gazowych czas rozruchu od stanu zimnego przed przyjęciem ładunku nie przekracza 20 minut. W przypadku elektrociepłowni uruchomienie TPP trwa kilka godzin.

Wady:

• Turbiny gazowe wykorzystują gaz o bardzo wysokiej temperaturze początkowej - ponad 550 stopni. Powoduje to trudności w praktycznym zastosowaniu turbin gazowych, ponieważ w przypadku najbardziej ogrzewanych części wymagane są specjalne żaroodporne materiały i specjalne układy chłodzenia.
• Około połowy mocy wytwarzanej przez turbinę wydawane jest na napęd sprężarki.
• GTU są ograniczone w paliwie, używa się gazu ziemnego lub wysokiej jakości ciekłego paliwa.
• Moc jednej turbiny gazowej jest ograniczona do 150 MW.

Ekologia

Pozytywnym czynnikiem w korzystaniu z GTU jest minimalna zawartość szkodliwych substancji w emisjach. Według tego kryterium turbiny gazowe wyprzedzają swojego najbliższego konkurenta - elektrownie tłokowe. Ze względu na przyjazność dla środowiska jednostki turbiny gazowej można z łatwością umieścić w pobliżu miejsc, w których ludzie żyją. Niska zawartość szkodliwych emisji podczas pracy turbin gazowych oszczędza pieniądze podczas budowy kominów i nabywania katalizatorów.

Ekonomia GTU

Na pierwszy rzut oka ceny turbin gazowych są dość wysokie, ale z obiektywną oceną możliwości tego sprzętu energetycznego, wszystkie aspekty wchodzą w życie. Wysokie nakłady kapitałowe na początku projektu energetycznego są w pełni rekompensowane niewielkimi kosztami ponownej działalności. Ponadto, płatności środowiskowe są znacznie zmniejszone, koszty zakupu energii elektrycznej i ciepła są zmniejszone, a wpływ na środowisko i populacja jest zmniejszony. W związku z powyższym setki nowych turbin gazowych są kupowane i instalowane corocznie.