Виды газотурбинных установок. Принцип работы ГТУ

Газотурбинная установка представляет собой универсальное модульное устройство, которое объединяет в себе: электрогенератор, редуктор, газовую турбину и блок управления. Также, присутствует и дополнительное оборудование, такое как: компрессор, устройство запуска, аппарат теплового обмена.

Газотурбинная установка способна функционировать не только лишь в режиме вырабатывания электроэнергии, но и производить совместное производство электрической энергии с тепловой.

Опираясь на то, что пожелает клиент, производство газотурбинных установок способно исполняться с универсальной системой, когда выхлопные газы применяют для получения пара либо же горячей воды.

Схема газотурбинной установки

Данное оборудование имеет два главных блока: турбину силового типа и генератор. Они размещаются в одном блоке.

Схема газотурбинной установки очень проста: газ, образующийся после перегорания топлива, начинает способствовать вращению лопастей самой турбины.

Таким образом, образуется крутящий момент. Это приводит к образованию электрической энергии. Выходящие газы осуществляют превращение воды в пар в котле – утилизаторе. Газ в данном случае работает с двойной пользой.

Циклы газотурбинных установок

Данное оборудование может быть выполнено с разными циклами работы.

Замкнутый цикл газотурбинной установки подразумевает под собой следующее: газ через компрессор подается в калорифер (теплообменник), куда поступает тепло от внешних источников. Затем он подается в газовую турбину, где осуществляется его расширение. Давление газа при этом получается меньше.

После этого газы попадают в холодильную камеру. Тепло оттуда выводится во внешнюю среду. Потом газ направляется в компрессор. Затем цикл возобновляется заново. Сегодня в энергетике аналогичное оборудование почти не применяется.

Производство газотурбинных установок такого типа осуществляется в больших размерах. Также, имеются потери и низкое значение КПД, напрямую зависящее от температурных показателей самого газа до турбины.

Разомкнутый цикл газотурбинной установки используют намного чаще. В этом оборудовании компрессором осуществляет подача воздуха из окружающей среды, который при высоком давлении попадает в специально предназначенную камеру сгорания. Тут происходит сжигание топлива.

Температура органического топлива достигает отметки в 2000 градусов. Это может привести к повреждению металла самой камеры. Чтобы предотвратить это, в нее подается много воздуха, чем это нужно (примерно в 5 раз). Это существенно снижает температуру самого газа и защищает металл.

Схема газотурбинной установки с разомкнутым циклом

Схема газотурбинной установки с разомкнутым циклом выглядит следующим образом: топливо подается в газовую горелку (форсунки), располагаемой внутри жаропрочной трубы. Туда нагнетается и воздух, после чего осуществляется процесс сгорания топлива.

Таких труб несколько и располагаются они концентрически. Поступает воздух в имеющиеся между ними зазоры, создавая защитный барьер и препятствуя выгоранию.

Благодаря трубам и потоку воздуха камера находится в надежной защите от перегревания. При этом на выходе температура газов ниже, чем у самого топлива.

Металл может выдерживать 1000 – 1300°С. Именно такие показатели температуры газов камеры и присутствуют в современных газотурбинных аппаратах.

Отличия газотурбинных установок закрытого и открытого типа

Главное отличие газотурбинных установок закрытого типа от открытого основывается на том, что в первом случае нет камеры сгорания, а применяется нагреватель. Тут происходит нагрев воздуха, при этом, он не участвует в самом процессе образования тепла.

Такое оборудование выполняют исключительно с горением, при неизменной величине давления. Применяется тут органическое либо ядерное топливо.

В ядерных агрегатах используют не воздух, а гелий, углекислый газ либо же азот. К преимуществам такого оборудования можно отнести возможность применять тепло атомного распада, которое выделяется в атомных реакторах.

Благодаря большой концентрации «рабочего тела» стало возможно добиться высоких показаний коэффициента теплоотдачи внутри самого регенератора. Это способствует и повышению уровня регенерации при небольших размерах. Однако такое оборудование широкого применения пока не получило.

Энергетические газотурбинные установки

Энергетические газотурбинные установки еще называют «газотурбинными мини электростанциями». Применяют их в качестве постоянных, аварийных либо резервных источников снабжения городов и труднодоступных районов.

Энергетические газотурбинные установки используют во многих отраслях промышленности:

• нефтеперерабатывающей;
• газодобывающей;
• металлообрабатывающей;
• лесной и деревообрабатывающей;
• металлургической;
• сельского хозяйства;
• утилизации отходов и т.д.

Виды топлива, использующие в газотурбинных установках?

Данное оборудование способно функционировать на разных видах топлива.

В газотурбинных установках используются следующие виды горючего:

• природный газ;
• керосин;
• биогаз;
• дизельное топливо;
• нефтяной газ попутного типа;
• коксовый, древесный, шахтный газ и другие виды.

Многие такие турбины способны работать и на низкокалорийном виде топлива, в котором содержится небольшое количество метана (порядка 3- процентов).

Другие особенности газотурбинных установок

Отличительные особенности газотурбинных установок:

• Незначительный вред, причиняемый окружающей среде. Это малый расход масла. Способность работать на отходах самого производства. Выброс в атмосферу вредных веществ составляет 25 ppm.
• Небольшие габариты и вес. Это позволяет располагать данное оборудование на небольших площадках, что экономит деньги.
• Незначительный уровень шума, а также вибрации. Данный показатель находится в пределах 80 – 85 дБА.
• Способность газотурбинного оборудования работать на различном топливе позволяет применять его практически в любом производстве. При этом предприятие сможет само выбирать экономически выгодный вид топлива, опираясь на специфику своей деятельности.
• Продолжительная работа с минимальной нагрузкой. Это касается и режима холостого хода.
• На протяжении одной минуты данное оборудование способно выдерживать превышение номинальной величины тока на 150 процентов. А в течение 2 часов – 110 %.
• При трехфазном симметричном «КЗ» система генератора способна выдержать на протяжении 10 секунд порядка 300 процентов номинального непрерывного тока.
• Отсутствие водяного охлаждения.
• Высокая надежность работы.
• Продолжительный ресурс работы (около 200 000 часов).
• Использование оборудования в любых климатических условиях.
• Умеренная цена строительства и небольшие затраты во время самой работы, ремонта и технического обслуживания.

Электрическая мощность газотурбинного оборудования находится в пределах от десятков кВт до нескольких МВт. Максимально большой КПД достигается, если газотурбинная установка функционирует в режиме одновременного производства тепловой и электрической энергии (когенерации).

Благодаря получению недорогой такой энергии, появляется возможность быстрой окупаемости такого рода оборудования. Энергоустановка и котел – утилизатор выходящих газов способствуют более эффективному использованию топлива.

С газотурбинными машинами существенно упростилась задача получения большой мощности. А при выполнении всех тепловых особенностей турбин газового типа, значение большого электрического коэффициента полезного действия отходит на второй план. Если брать во внимание большое значение температуры выпускных газов газотурбинного оборудования, то можно осуществить комбинацию применения газовой и паровой турбины.

Данное инженерное решение способствует предприятиям значительно наращивать производительность от применения топлива и увеличить электрический КПД до отметки в 57 – 59 процентов. Такой метод очень хороший, но он приводит к финансовым затратам и усложнению конструкции оборудования. Поэтому его часто используют только крупные производства.

Отношение производимой электрической энергии по отношению к тепловой в газотурбинной установке составляет 1 к 2. Таким образом, к примеру, если газотурбинная установка имеет мощность в 10 Мегаватт, то она способна выработать 20 МВт тепловой энергии. Чтобы осуществить перевод Мегаватт в гигакалории, необходимо использовать специальный коэффициент, который равен 1,163.

В зависимости от того, что именно необходимо заказчику, газотурбинное оборудование может дополнительно оснащаться водонагревательными и паровыми котлами. Это позволяет получать пар с различным давлением, который будет применяться для решения различных производственных задач. Также, это позволяет получить горячую воду, которая будет иметь стандартную температуру.

Во время совмещенной эксплуатации двух типов энергии, можно получить увеличение коэффициента использования топлива (КИТ) газотурбинной тепловой электростанции до 90 процентов.

При использовании газотурбинных установок в виде оборудования силового типа для мощных ТЭС, а также мини-ТЭЦ, вы получите оправданное экономическое решение. Обусловлено это тем, что сегодня практически все электростанции работают на газе. Они имеют очень низкую для потребителя удельную стоимость, что касается строительства и небольших затрат во время последующего использования.

Лишняя, причем даже бесплатная, тепловая энергия позволяет без каких либо затрат на электроэнергию настроить вентиляцию (кондиционирование) производственных помещений. И это можно делать в любое время года. Охлажденный таким способом теплоноситель, можно использовать для разных промышленных нужд. Такой вид технологии носит название «тригенерация».

Газотурбинные установки на выставке

Центральный комплекс ЦВК «Экспоцентр» – это очень комфортабельная площадка, которая располагается в Москве, вблизи станций метрополитена «Выставочная» и «Деловой центр».

Благодаря высокому профессионализму сотрудников данного комплекса и их компаний, обеспечивается идеальная логистика создания выставок и быстрое оформление таможенных документов, погрузочных, разгрузочных и монтажных работ. Также, осуществляется поддержка постоянной работы установок во время ее презентации.

Выставочная павильонная площадка ЦВК «Экспоцентр» имеет все необходимое оборудование для проведения таких масштабных мероприятий. Благодаря открытой площадке вы сможете без проблем презентовать свое инновационное или энергоемкое оборудование, которое работает в реальном времени.

Ежегодная международная выставка «Электро» представляет собой крупномасштабное мероприятие в России и СНГ. На нем будет продемонстрировано электрическое оборудование для энергетики, электротехники, промышленной световой техники, а также автоматизации предприятий.

На выставке «Электро», вы сможете увидеть современные тенденции отрасли, от генерации электрической энергии до завершающего ее использования. Благодаря инновационным технологиям и высококачественному оборудованию ваше предприятие может получить «глоток свежего воздуха» и заново возродиться.

Такая модернизация производства не сможет быть не замечена потребителями ваших услуг и товаров. Такое оборудование способно существенно снизить себестоимость и затраты на электрическую энергию.

Ежегодно данное мероприятие посещают производители из более двадцати стран мира. Посетить его можете и вы. Для этого вам стоит заполнить соответствующую заявку у нас на сайте либо позвонить нам. У нас на выставке вы сможете презентовать свои новые образцы продукции, полезные модели и изобретения, новые оригинальные товары и многое другое, что относится к энергетике и электрическому оборудованию.

Условия участия в выставке в ЦВК «Экспоцентр» очень прозрачные. Любой правообладатель, если обнаружит различные нарушения его прав на объекты интеллектуальной собственности, может гарантированно рассчитывать на правовую помощь. Это позволяет повысить ответственность и осмотрительность каждого участника выставки во время презентации своего продукта.

Газотурбинные установки (ГТУ) относятся к тепловым машинам, в которых получение полезной работы осуществляется за счет передачи тепла сгораемого топлива к рабочему телу (газу), не изменяющему своего агрегатного состояния.
ГТУ находят все более широкое применение на судах. Эксплуатация этих установок дала хорошие результаты. Применение ГТУ значительно увеличивает полезное водоизмещение, дальность плавания и скорость судна. Однако КПД газотурбинных установок по сравнению с дизельными энергетическими установками более низкий, что сдерживает их распространение на судах.
Газотурбинная установка состоит из следующих основных элементов: компрессора, нагнетающего сжатый воздух в камеру сгорания; камеры сгорания, служащей для сжигания топлива; газовой турбины.
ГТУ работают по открытому и закрытому циклам. В установках первого типа рабочим агентом являются продукты сгорания топлива (газы), которые после совершения работы выпускаются в атмосферу. В установках второго типа продукты сгорания топлива служат только для нагрева рабочего агента за счет теплообмена в специальных аппаратах. Рабочим агентом может быть воздух или какой-либо газ, непрерывно циркулирующий в системе.
Газотурбинные установки имеют ряд преимуществ перед паротурбинными, основные из которых: отсутствие паровых котлов, конденсаторов, механизмов и систем котельной установки, меньшие габариты и масса при одинаковой мощности, лучшие пусковые качества и т. д.
В современных ГТУ сгорание топлива (подвод теплоты) происходит при постоянном давлении и при постоянном объеме. ГТУ со сгоранием топлива при постоянном объеме в настоящее время на судах не применяются.

На рисунке выше дана принципиальная схема газотурбинной установки, в которой сгорание топлива происходит при постоянном давлении. Рабочее тело (воздух) засасывается из атмосферы в компрессор 1 , сжимается до определенного давления и подается в камеру сгорания 2 . Одновременно с воздухом туда поступает топливо, которое сгорает при постоянном давлении. Продукты сгорания расширяются в газовой турбине 3 , приводящей в действие электрический генератор 4 . Часть энергии, получаемой в турбине, расходуется на привод компрессора 1 .
Для повышения экономичности ГТУ применяют метод регенерации, т. е. используют тепло отработавших газов для подогрева воздуха, поступающего в камеру сгорания.

На рисунке выше дана принципиальная схема газотурбинной установки с регенерацией. Воздух, нагнетаемый компрессором 1 в камеру сгорания 2 , предварительно проходит через регенератор 4 , в котором подогревается до определенной температуры за счет теплоты выходящих из турбины 3 газов. Регенератор представляет собой трубчатый теплообменный аппарат, в котором воздух проходит внутри труб, а отходящие газы омывают их снаружи. Благодаря регенерации эффективный КПД газотурбинной установки может достичь 26—28 %.
В связи с тем что расход энергии на сжатие воздуха в многоступенчатом компрессоре меньше, чем в одноступенчатом, в ГТУ широко используется разделение компрессора на два агрегата с установкой между ними промежуточного холодильника для охлаждения сжатого воздуха. Один агрегат называется компрессором высокого давления (КВД), второй — низкого давления (КНД).

Принципиальная схема ГТУ с регенерацией и двухступенчатым сжатием воздуха показана на рисунке выше. Воздух из атмосферы засасывается и сжимается в КНД 1 , после чего направляется в холодильник 2 , где охлаждается забортной водой, циркулирующей по трубам. Далее охлажденный воздух поступает в КВД 6 , сжимается в нем до более высокого давления и направляется в регенератор 5 , а из него в камеру сгорания 3 . Туда же подается топливо, которое сгорает, а газообразные продукты сгорания поступают в турбину 4 , расширяются в ней и, пройдя регенератор 5 , уходят в атмосферу. Отходящие газы, проходя через регенератор, отдают воздуху часть своей теплоты и подогревают его до определенной температуры.
Одновременное использование регенерации и двухступенчатого сжатия воздуха повышает эффективный КПД газотурбинной установки до 28—30 % и более. Рассмотренная схема ГТУ наиболее широко применяется на судах, так как другие схемы, и в частности с трехступенчатым сжатием воздуха, незначительно повышают экономичность установки, зато очень усложняют ее конструкцию.

Газотурбинные установки (ГТУ) - тепловые машины, в которых тепловая энергия газообразного рабочего тела преобразуется в механическую энергию. Основными компонентами являются: компрессор, камера сгорания и газовая турбина. Для обеспечения работы и управления в установке присутствует комплекс объединенных между собой вспомогательных систем. ГТУ в совокупности с электрическим генератором называют газотурбинным агрегатом. Вырабатываемая мощность одного устройства составляет от двадцати киловатт до десятков мегаватт. Это классические газотурбинные установки. Производство электроэнергии на электростанции осуществляется при помощи одной или нескольких ГТУ.

Устройство и описание

Газотурбинные установки состоят из двух основных частей, расположенных в одном корпусе, - газогенератора и силовой турбины. В газогенераторе, включающем в себя камеру сгорания и турбокомпрессор, создается поток газа высокой температуры, воздействующего на лопатки силовой турбины. При помощи теплообменника производится утилизация выхлопных газов и одновременное производство тепла через водогрейный или паровой котел. Работа газотурбинных установок предусматривает использование двух видов топлива - газообразного и жидкого.

В обычном режиме ГТУ работает на газе. В аварийном или резервном при прекращении подачи газа осуществляется автоматический переход на жидкое (дизельное) топливо. В оптимальном режиме газотурбинные установки комбинированно производят электрическую и тепловую энергию. По количеству вырабатываемой тепловой энергии ГТУ значительно превосходят газопоршневые устройства. Турбоагрегаты используются на электростанциях как для работы в базовом режиме, так и для компенсирования пиковых нагрузок.

История создания

Идея использовать энергию горячего газового потока была известна еще с древних времен. Первый патент на устройство, в котором были представлены те же основные составляющие, что и в современных ГТУ, был выдан англичанину Джону Барберу в 1791 году. Газотурбинная установка включала в себя компрессоры (воздушный и газовый), камеру сгорания и активное турбинное колесо, но так и не получила практического применения.

В 19-м и начале 20-го века многие ученые и изобретатели всего мира разрабатывали установку, пригодную для практического применения, но все попытки были безуспешными ввиду низкого развития науки и техники тех времен. Полезная мощность, выдаваемая опытными образцами, не превышала 14% при низкой эксплуатационной надежности и конструктивной сложности.

Впервые газотурбинные установки электростанций были использованы в 1939 году в Швейцарии. В эксплуатацию была введена электростанция с турбогенератором, выполненным по простейшей схеме мощностью 5000 кВт. В 50-х годах эта схема была доработана и усложнена, что позволило увеличить КПД и мощность до 25 МВт. Производство газотурбинных установок в промышленно развитых странах сформировалось в единый уровень и направление развития по мощностям и параметрам турбоагрегатов. Суммарная мощность выпущенных в Советском Союзе и России газотурбинных установок исчисляется миллионами кВт.

Принцип работы ГТУ

Атмосферный воздух поступает в компрессор, сжимается и под высоким давлением через воздухоподогреватель и воздухораспределительный клапан направляется в камеру сгорания. Одновременно через форсунки в камеру сгорания подается газ, который сжигается в воздушном потоке. Сгорание газовоздушной смеси образует поток раскаленных газов, который с высокой скоростью воздействует на лопасти газовой турбины, заставляя их вращаться. Тепловая энергия потока горячего газа преобразуется в механическую энергию вращения вала турбины, который приводит в действие компрессор и электрогенератор. Электроэнергия с клемм генератора через трансформатор направляется в потребительскую электросеть.

Горячие газы через регенератор поступают в водогрейный котел и далее через утилизатор в дымовую трубу. Между водогрейным котлом и центральным тепловым пунктом (ЦТП) при помощи сетевых насосов организована циркуляция воды. Нагретая в котле жидкость поступает в ЦТП, к которому осуществляется подключение потребителей. Термодинамический цикл газотурбинной установки состоит из адиабатного сжатия воздуха в компрессоре, изобарного подвода теплоты в камере сгорания, адиабатного расширения рабочего тела в газовой турбине, изобарного отвода теплоты.

В качестве топлива для ГТУ используется природный газ - метан. В аварийном режиме, в случае прекращения подачи газа, ГТУ переводится на частичную нагрузку, а в качестве резервного топлива используются дизельное топливо или сжиженные газы (пропан-бутан). Возможные варианты работы газотурбинной установки: отпуск электроэнергии или совмещенный отпуск электричества и тепловой энергии.

Когенерация

Производство электричества с одновременной выработкой сопутствующей тепловой энергии называется когенерацией. Эта технология позволяет значительно повысить экономическую эффективность использования топлива. В зависимости от нужд газотурбинная установка дополнительно может оснащаться водогрейными или паровыми котлами. Это дает возможность получать горячую воду или пар различного давления.

При оптимальном использовании двух видов энергии достигается максимальный экономический эффект когенерации, а коэффициент использования топлива (КИТ) достигает 90%. В этом случае тепло выхлопных газов и тепловая энергия из системы охлаждения агрегатов, вращающих электрогенераторы (по сути, бросовая энергия), используется по назначению. При необходимости утилизируемое тепло может использоваться для производства холода в абсорбционных машинах (тригенерация). Система когенерации состоит из четырех ключевых частей: первичный двигатель (газовая турбина), электрогенератор, система теплоутилизации, система управления и контроля.

Управление

Выделяют два основных режима работы, при которых эксплуатируются газотурбинные установки:

• Стационарный. В этом режиме турбина работает при фиксированной номинальной или неполной нагрузке. До недавнего времени стационарный режим был основным для ГТУ. Остановка турбины проводилась несколько раз в год для плановых ремонтов или в случае неполадок.
• Переменный режим предусматривает возможность изменения мощности ГТУ. Необходимость изменять режим работы турбины может быть вызвана одной из двух причин: если изменилась потребляемая электрогенератором мощность ввиду изменения подключенной к нему нагрузки потребителей, и если изменилось атмосферное давление и температура забираемого компрессором воздуха. К нестационарным режимам, причем наиболее сложным, относится остановка и пуск газотурбинной установки. При последнем машинист газотурбинных установок должен выполнить многочисленные операции перед первым толчком ротора. Перед полноценным пуском установки осуществляется предварительная раскрутка ротора.

Изменение режима работы установки осуществляется регулировкой подачи горючего в камеру сгорания. Главной задачей управления ГТУ является обеспечение нужной мощности. Исключением является газотурбинная энергетическая установка, для которой основная задача управления - постоянство частоты ращения, связанного с турбиной электрического генератора.

Применение в энергетике

В стационарной энергетике применяются ГТУ разного назначения. В качестве основных приводных двигателей электрогенераторов на тепловых электростанциях газотурбинные установки используются в основном в районах с достаточным количеством природного газа. Благодаря возможности быстрого пуска ГТУ широко применяются для покрытия пиковых нагрузок в энергосистемах в периоды максимального потребления энергии. Резервные газотурбинные агрегаты обеспечивают внутренние нужды ТЭС во время остановки основного оборудования.

КПД

В целом электрический КПД газовых турбин ниже, чем у других силовых агрегатов. Но при полной реализации теплового потенциала газотурбинного агрегата значимость этого показателя становится менее актуальной. Для мощных газотурбинных установок существует инженерный подход, предполагающий комбинированное использование двух видов турбин за счет высокой температуры выхлопных газов.

Вырабатываемая тепловая энергия идет на производство пара для паровой турбины, которая используется параллельно с газовой. Это повышает электрический КПД до 59% и существенно увеличивает эффективность использования топлива. Недостатком такого подхода является конструктивное усложнение и удорожание проекта. Соотношение производимой ГТУ электрической и тепловой энергии примерно 1:2, то есть на 10 МВт электроэнергии выдается 20 МВт энергии тепловой.

Достоинства и недостатки

К преимуществам газовых турбин относятся:

• Простота устройства. Ввиду отсутствия котельного блока, сложной системы трубопроводов и множества вспомогательных механизмов металлозатраты на единицу мощности у газотурбинных установок значительно меньше.
• Минимальный расход воды, которая в ГТУ требуется только для охлаждения подаваемого к подшипникам масла.
• Быстрый ввод в работу. Для газовых турбоагрегатов время пуска из холодного состояния до принятия нагрузки не превышает 20 минут. Для паросиловой установки ТЭС пуск занимает несколько часов.

Недостатки:

• В работе газовых турбоагрегатов используется газ с весьма высокой начальной температурой - более 550 градусов. Это вызывает трудности при практическом исполнении газовых турбин, так как требуются специальные жаростойкие материалы и особые системы охлаждения для наиболее нагреваемых частей.
• Около половины развиваемой турбиной мощности расходуется на привод компрессора.
• ГТУ ограничены по топливу, используется природный газ или качественное жидкое топливо.
• Мощность одной газотурбинной установки ограничена 150 МВт.

Экология

Позитивным фактором использования ГТУ является минимальное содержание вредных веществ в выбросах. По этому критерию газовые турбины опережают ближайшего конкурента - поршневые электростанции. Благодаря своей экологичности газотурбинные агрегаты без проблем можно размещать в непосредственной близости от мест проживания людей. Низкое содержание вредных выбросов при эксплуатации ГТУ позволяет экономить средства при строительстве дымовых труб и приобретении катализаторов.

Экономика ГТУ

На первый взгляд, цены на газотурбинные установки довольно высоки, но при объективной оценке возможностей этого энергетического оборудования все аспекты встают на свои места. Высокие капиталовложения на старте энергетического проекта полностью компенсируются незначительными расходами при последующей эксплуатации. Кроме того, значительно снижаются экологические платежи, уменьшаются затраты на покупку электрической и тепловой энергии, снижается влияние на окружающую среду и население. Вследствие перечисленных причин ежегодно приобретаются и устанавливаются сотни новых газотурбинных установок.

  В настоящее время в России действует несколько тысяч ТЭЦ и ГРЭС, а также более 66 тысяч котельных, которые дают практически 80% вырабатываемого тепла. В этом плане, Россия является безусловным мировым лидером по объемам централизованного теплоснабжения. Заметим, что по части централизации Россия является мировым лидером не только в области энергетики.
  Однако экспертами отмечаются неэффективность использования газа на устаревших агрегатах, а также низкий уровень КПД традиционных паросиловых турбин, который не превышает 38%. В централизованных сетях тепло производится большей частью на оборудовании прошлых поколений, избыток же тепла «греет» воздух.
  Использование локальных систем производства электрической и тепловой энергии с использованием газотурбинных энергетических установок (ГТУ) , работающих на природном газе или пропане является одним из возможных решений данной задачи.
  В связи с этим, наметилась тенденция на строительство децентрализованных комбинированных источников электро и теплоснабжения (так называемый режим когенерации ), устанавливаемых как в существующих отопительных котельных, так и на вновь строящихся источниках тепла. Наиболее актуальным является переход на новые небольшие объекты с применением современных газовых турбин, обеспечивающих когенерацию.

В развитых странах увеличивается доля установок малой энергетики с когенерационным циклом, позволяющим оптимизировать выработку тепла и электроэнергии социальной и промышленной инфраструктуры, а также обеспечить эффективное энергосбережение. Например, в США и Великобритании доля когенерации в малой энергетике достигает 80%, в Нидерландах – 70%, в Германии – 50%. За рубежом этот процесс активно поддерживается государством и через законодательное регулирование, и посредством бюджетного финансирования.
  Основой экономической эффективности газотурбинных когенеративных энергетических установок является их высокая электрическая и тепловая экономичность, достигаемая за счет базового режима их работы на тепловом потреблении (отопление, горячее водоснабжение, отпуск тепла для производственных нужд).
  Газотурбинные установки получили в настоящее время признание в энергетике, как полностью освоенное, надежное оборудование.
  Эксплуатационные показатели ГТУ на электростанциях находятся на том же уровне, что и традиционное энергетическое оборудование. Для них характерна готовность к работе в течение 90% календарного времени, 2 – 3 летний ремонтный цикл, безотказность пусков 95 – 97%.
  Малый удельный вес, компактность, простота транспортировки и легкость монтажа являются одними из основных достоинств газотурбинных установок, наиболее привлекательным с точки зрения их использования.
  К преимуществам ГТУ также относятся короткие сроки строительства, повышение надежности тепло и электро-снабжения потребителей, минимальные объемы вредных выбросов в окружающую среду, снижение инерционности теплового регулирования и потерь в тепловых сетях, относительно сетей подключенных к крупным РТС и ТЭЦ.

  Описание газотурбинной технологии .
  Основой ГТУ является газогенератор, служащий источником сжатых горячих продуктов сгорания для привода силовой турбины.
  Газогенератор состоит из компрессора, камеры сгорания и турбины привода компрессора. В компрессоре сжимается атмосферный воздух, который поступает в камеру сгорания, где в него через форсунки подается топливо (обычно газ), затем происходит сгорание топлива в потоке воздуха. Продукты сгорания подаются на турбину компрессора и силовую турбину (при одновальном варианте компрессор и силовуая турбина объеденены).Мощность, развиваемая силовой турбиной, существенно превышает мощность, потребляемую компрессором на сжатие воздуха, а также преодоление трения в подшипниках и мощность, затрачиваемую на привод вспомогательных агрегатов. Разность между этими величинами представляет собой полезную мощность ГТУ.
  На валу турбины расположен турбогенератор (электрический генератор).
  Отработанные в газотурбинном приводе газы через выхлопное устройство и шумоглушитель уходят в дымовую трубу. Возможна утилизация тепла выхлопных газов, когда отработанные газы поступают в котел-утилизатор, в котором происходит выработка тепловой энергии в виде пара и/или горячей воды. Пар или горячая вода от котла-утилизатора могут передаваться непосредственно к тепловому потребителю.
  Электрический КПД современных газотурбинных установок составляет 33–39%. Однако с учетом высокой температуры выхлопных газов в мощных газотурбинных установках имеется возможность комбинированного использования газовых и паровых турбин. Такой инженерный подход позволяет существенно повысить эффективность использования топлива и увеличивает электрический КПД установок до 57–59%.

Достоинствами газотурбинных установок являются малый удельный вес, компактность, простота транспортировки и легкость монтажа. Допускается монтаж ГТУ на техническом этаже здания или крышное расположение маломощных газотурбинных установок. Это полезное свойство ГТУ является важным фактором в городской застройке.
  При эксплуотации газотурбинных установок содержание вредных выбросов NOх и CO в выхлопных газах у них минимально. Такие отличные экологические качества позволяют без проблем размещать газотурбинные установки в непосредственной близости от проживания людей.

Вдобавок ГТУ небольшой мощности обычно поставляются в виде одного или нескольких блоков полной заводской готовности, требующих небольшого объема монтажных работ, а их сравнительно небольшие размеры позволяют их устанавлиать в условиях стесненного генерального плана. Отсюда и относительная дешевизна строительных и монтажных работ.
  Газотурбинные установки имеют незначительные вибрации и шумы в пределах 65–75 дБ (что соответствует по шкале уровня шума звуку пылесоса на расстоянии 1 метр). Как правило, специальная звуковая изоляция для подобного высокотехнологичного генерационного оборудования не нужна.
  Современные газотурбинные установки отличаются высокой надежностью. Есть данные о непрерывной работе некоторых агрегатов в течение нескольких лет. Многие поставщики газовых турбин производят капитальный ремонт оборудования на месте, производя замену отдельных узлов без транспортировки на завод - изготовитель, что существенно снижает затраты на обслуживание агрегата.
  Большинство газотурбинных установок обладают возможностью к перегрузке, т.е. увеличению мощности выше номинальной. Достигается это путем повышения температуры рабочего тела.
  Однако, производители накладывают жесткие ограничения на продолжительность таких режимов, допуская работу с превышением начальной температуры не более нескольких сотен часов. Нарушение этих ограничений заметно снижает ресурс установки.

  Ложка дегтя.
  Тем не менее, при внедрении энергетических газотурбинных установок есть и сложности. Это, прежде всего, необходимость предварительного сжатия газового топлива, что заметно удорожает производство энергии особенно для малых ГТУ и в ряде случаев является существенным препятствием на пути их внедрения в энергетику. Для современных ГТУ с высокими степенями сжатия воздуха, необходимое давление топливного газа может превышать 25-30 кг/см 2 .
  Другим существенным недостатком ГТУ является резкое падение КПД при снижении нагрузки.
  Срок службы ГТУ значительно меньше, чем у других энергетических установок и находится обычно в интервале 45-125 тыс. часов.

Исторически сложилось так, что пионерами в освоении газотурбинной технологии являлись создатели двигателей для кораблей и самолетов. Поэтому, в настоящее время, они накопили наибольший опыт в этой области и являются наиболее квалифицированными специалистами.
  В России, ведущие позиции в изготовлении газотурбинных энергетических установок занимают фирмы, разрабатывающие и изготовляющие авиационные газотурбинные дви-гатели и газотурбинные установки, созданные специально для энергетического использования:
   - АО «Люлька-Сатурн» (г. Москва),
   - ОАО «Рыбинские Моторы» (г. Рыбинск),
  оба входят в НПО «Сатурн» ,
   - НПП им. В.Я. Климова (г. Санкт-Петербург),
   - ФГУП ММПП «Салют» (г. Москва),
  и другие

В 2004-2006 гг в Москве с участием ОАО «Сатурн – Газовые турбины» было осуществлено строительство и эксплуатация экспериментальных газотурбинных установок (ГТУ) на РТС «Курьяново» и РТС «Пенягино» . Основная задача использования газотурбинных установок – обеспечение независимого снабжения электроэнергией и теплом объектов жилищно-коммунального хозяйства. В обоих РТС было установлены по два газотурбинных агрегата ГТА-6РМ единичной мощностью 6 МВт. ГТА-6РМ является одним из основных видов наземной продукции НПО «Сатурн».
  Газотурбинные агрегаты ГТА-6РМ собираются на базе серийных, сравнительно дешевых, авиационных двигателей Д-30КУ/КП , зарекомендовавших себя как самый надежный двигатель России, который эксплуатируется на массовых самолетах ИЛ-62М, ТУ-154М и ИЛ-76. Общая наработка этих двигателей превысила 36 млн. часов.
  Агрегаты выпускаются в блочно-модульном и цеховом (станционном) исполнении и могут эксплуатироваться при одиночной работе, или в комплексе, с турбогенераторами разных серий, имеющих идентичные эксплуатационные характеристики, водогрейными или паровыми котлами-утилизаторами.
  В 2005 году ГТА-6РМ вошел в число 100 лучших товаров России, ему был официально присвоен статус «Гордость Отечества».

Эксперимент показал, что использование ГТУ в системе РТС позволяют повысить надежность в обеспечении теплом городского хозяйства и жилого сектора столицы за счет дублирования и резервирования существующих систем жизнеобеспечения, а также повысить энергозащищенность городского хозяйства.

И надо сказать, правительство Москвы всерьез зделало ставку на массовом использовании ГТУ в энергетическом комплексе столицы.
  Вот выдержки из постановления от 29 декабря 2009 г. N 1508-ПП "О Схеме теплоснабжения города Москвы на период до 2020 года."
  Приоритетным направлением развития теплоснабжения города Москвы на период до 2020 года является реализация технологии комбинированной выработки тепла и электроэнергии с дополнительным привлечением теплофикационного ресурса и покрытия тепловых и электрических нагрузок потребителей города новыми газотурбинными электростанциями .
....................................
  Дальнейшее развитие системы теплоснабжения должно основываться на:
 .............................................
  - установке на электростанциях автономных источников генерации (газотурбинных установок ) для пуска электростанции при потере связи с энергосистемой и автономного электроснабжения пиковых водогрейных котлов в аварийных режимах.

Газотурбинная установка (ГТУ) состоит из двух основных частей - это силовая турбина и генератор, которые размещаются в одном корпусе. Поток газа высокой температуры воздействует на лопатки силовой турбины (создает крутящий момент). Утилизация тепла посредством теплообменника или котла-утилизатора обеспечивает увеличение общего КПД установки.

ГТУ может работать как на жидком, так и на газообразном топливе. В обычном рабочем режиме - на газе, а в резервном (аварийном) - автоматически переключается на дизельное топливо. Оптимальным режимом работы газотурбинной установки является комбинированная выработка тепловой и электрической энергии. ГТУ может работать как в базовом режиме, так и для покрытия пиковых нагрузок.

Простая газотурбинная установка непрерывного горения и устройство её основных элементов

Принципиальная схема простой газотурбинной установки показана на рисунке 1.

Рисунок 1. Принципиальна схема ГТУ: 1 - компрессор; 2 - камера сгорания; 3 - газовая турбина; 4 – электрогенератор

Компрессор 1 засасывает воздух из атмосферы, сжимает его до определенного давления и подает в камеру сгорания 2. Сюда же непрерывно поступает жидкое или газообразное топливо. Сгорание топлива при такой схеме происходит непрерывно, при постоянном давлении, поэтому такие ГТУ называются газотурбинными установками непрерывного сгорания или ГТУ со сгоранием при постоянном давлении.

Горячие газы, образовавшиеся в камере сгорания в результате сжигания топлива, поступают в турбину 3. В турбине газ расширяется, и его внутренняя энергия преобразуется в механическую работу. Отработавшие газы выходят из турбины в окружающую среду (в атмосферу).

Часть мощности, развиваемой газовой турбиной, затрачивается на вращение компрессора, а оставшаяся часть (полезная мощность) отдается потребителю. Мощность, потребляемая компрессором, относительно велика и в простых схемах при умеренной температуре рабочей среды может в 2-3 раза превышать полезную мощность ГТУ. Это означает, что полная мощность собственно газовой турбины долгий быть значительно больше полезной мощности ГТУ.

Так как газовая турбина может работать только при наличии сжатого воздуха, получаемого только от компрессора, приводимого во вращение турбиной, очевидно, что пуск ГТУ должен осуществляться от постороннего источника энергии (пускового мотора), с помощью которого компрессор вращается до тех пор, пока из камеры сгорания не начнет поступать газ определённых параметров и в количестве, достаточном для начала работы газовой турбины.

Из приведенного описания ясно, что газотурбинная установка состоит из трех основных элементов: газовой турбины, компрессора и камеры сгорания. Рассмотрим принцип действия и устройство этих элементов.

Турбина. На рисунке 2 показана схема простой одноступенчатой турбины. Основными частями её являются; корпус (цилиндр.) турбины 1, в котором укреплены направляющие лопатки 2, рабочие лопатка 3, установленные по всей окружности на ободе диска 4, закрепленного на валу 5. Вал турбины вращается в подшипниках 6. В местах выход вала из корпуса установлены концевые уплотнения 7, ограничивающие утечку горячих газов из корпуса турбин. Все вращающиеся части, турбины (рабочие лопатки, диск, вал) составляют её ротор. Корпус с неподвижными направляющими лопатками и уплотнениями образует статор турбины. Диск с лопатками образует рабочее колесо.

Рисунок 2. Схема одноступенчатой турбины

Совокупность ряда направлявших и рабочих лопаток называется турбинной ступенью. На рисунке 3 вверху изображена схема такой турбинной ступени и внизу дано сечение направляющих и рабочих лопаток цилиндрической поверхности а-а, развернутой затем на плоскость чертежа.

Рисунок 3. Схема турбинной ступени

Направляющие лопатки 1 образуют в сечении суживающиеся каналы, называемые соплами. Каналы, образованные рабочими лопатками 2, также обычно имеют суживающуюся форму.

Горячий газ при повышенном давлении поступает в сопла турбины, где происходит его расширение и соответствующее увеличение скорости. При этом давление и температура газа падают. Таким образом, в соплах турбины совершается преобразование потенциальной энергии газа в кинетическую энергии. После выхода из сопел газ попадает в межлопаточные каналы рабочих лопаток, где изменяет свое направление. При обтекании газом рабочих лопаток давление на их вогнутой поверхности оказывается большим, чем на выпуклой, и под влиянием этой разности давлений происходит вращение рабочего колеса (направление вращение на рисунке 3 показано стрелкой u). Таким образом, часть кинетической энергии газа преобразуется на рабочих лопатках в механическую оказаться недопустимей по соображениям прочности рабочих лопаток или диска турбины. В таких случаях турбины выполняются многоступенчатыми. Схема многоступенчатой турбины показана на рисунке 4.

Рисунок 4. Схема многоступенчатой турбины: 1-подшипники; 2-концевые уплотнения; 3-входной патрубок; 4-корпус; 5-направляющие лопатки; 6-рабочие лопатки; 7-ротор; 8-выходной патрубок турбины

Турбина состоит из ряда последовательно расположенных отдельных ступеней, в которых происходит постепенное расширение газа. Падение давления, приходящееся на каждую ступень, а, следовательно, и скорость с1 в каждой ступени такой турбины, меньше, чем в одноступенчатой. Число ступеней может быть выбрано таким, чтобы при заданной окружной скорости и было получено желаемое отношение

.

Компрессор. Схема многоступенчатого осевого компрессора изображена на рисунке 5.

Рисунок 5. Схема многоступенчатого осевого компрессора: 1-входной патрубок; 2-концевые уплотнения; 3-подшипники; 4-входной направляющий аппарат; 5-рабочие лопатки; 6-направляющие лопатки; 7-корпус 8-спрямляющий аппарат; 9-диффузор; 10-выходной патрубок; 11-ротор.

Его основными составными частями являются: ротор 2 с закрепленными на нем рабочими лопатками 5, корпус 7 (цилиндр.), к которому крепятся направляющие лопатки 6 и концевые уплотнения 2, и подшипники 3. Совокупность одного ряда вращающихся рабочих лопаток и одного ряда расположенных за ними неподвижных направляющих лопаток называется ступенью компрессора. Засасываемый компрессором воздух последовательно проходит через следующие элементы компрессора, показанные на рисунке 5: входной патрубок 1, входной направляющий аппарат 4, группу ступеней 5, 6, спрямляющий аппарат 8, диффузор 9 и выходной патрубок 10.

Рассмотрим назначение этих элементов. Входной патрубок предназначен для равномерного подвода воздуха из атмосферы к входному направляющему аппарату, который должен придать необходимое направление потоку перед входом в первую степень. В ступенях воздух сжимается за счет передачи механической энергии потоку воздуха от вращающихся лопаток. Из последней ступени воздух поступает в спрямляющий аппарат, предназначенный для придания потоку осевого направления перед входом в диффузор. В диффузоре продолжается сжатие газа за счет понижения его кинетической энергии. Выходной патрубок предназначен для подачи воздуха от диффузора к перепускному трубопроводу. Лопатки компрессора 1 (рисунок 6) образуют ряд расширяющихся каналов (диффузоров). При вращении ротора воздух входит в межлопаточные каналы с большой относительной скоростью (скорость движения воздуха, наблюдаемая с движущихся лопаток). При движении воздуха по этим каналам его давление повышается в результате уменьшения относительной скорости. В расширяющихся каналах, образованных не-подвижными направляющими лопатками 2, происходит дальнейшее повышение давления воздуха, сопровождающееся соответствующим уменьшением его кинетической энергии. Таким образом, преобразование энергии в ступени компрессора происходит по сравнению с турбиной ступенью в обратном направлении.

Рисунок 6. Схема ступени осевого компрессора

Камера сгорания

Назначение камеры сгорания заключается в повышения температуры рабочего тела за счет сгорания топлива в среде сжатого воздуха. Схема камеры сгорания показана на рисунке 7.

Рисунок 7. Камера сгорания

Сгорание топлива, впрыскиваемого через форсунку 1, происходит в зоне горения камеры, ограниченной жаровой трубой 2. В эту зону поступает только такое количество воздуха, которое необходимо для полного и интенсивного сгорания топлива (этот воздух называемся первичным).

Поступающий в зону горения воздух проходит через завихритель 3, который способствует хорошему перемешиванию топлива с воздухом. В зоне горения температура газов достигает 1300... 2000°С. По условиям прочности лопаток газовых турбин такая температура недопустима. Поэтому получающиеся в зоне горения камеры горячие газы разбавляются холодным воздухом, который называется вторичным. Вторичный воздух протекает по кольцевому пространству между жаровой трубкой 2 и корпусом 4. Часть этого воздуха поступает к продуктам сгорания через окна 5, а остальная часть смешивается с горячими глазами после жаровой трубы. Таким образом, компрессор должен подавать в камеру сгорания в несколько раз больше воздуха, чем необходимо для сжигания топлива, а поступающие в турбину продукты сгорания получаются сильно разбавленными воздухом и охлажденными.