Газотурбинная электростанция: устройство и принцип работы¶

Газотурбинная электростанция — это энергетическая установка, предназначенная для выработки электрической энергии путем преобразования химической энергии топлива в механическую работу вращения вала, а затем в электричество, с использованием газовой турбины в качестве первичного двигателя. Относится к классу тепловых электростанций (ТЭС) и может работать как в автономном режиме, так и в составе энергосистем.

¶Устройство

Основными элементами газотурбинной электростанции являются:

• Газовая турбина — тепловой двигатель, в котором энергия сжатого и нагретого газа преобразуется в механическую работу вращения ротора.
• Компрессор — лопаточная машина для сжатия атмосферного воздуха перед подачей в камеру сгорания. Обычно соединен с турбиной на одном валу.
• Камера сгорания — устройство, в котором происходит смешивание топлива (природного газа, дизельного топлива, керосина) со сжатым воздухом и его сжигание при постоянном давлении.
• Электрогенератор — синхронная или асинхронная машина, преобразующая механическую энергию вращения вала турбины в электрический ток.
• Система запуска — стартер (электрический или гидравлический), раскручивающий ротор до частоты, достаточной для устойчивого воспламенения топлива.
• Система топливоподачи — насосы, фильтры, регуляторы давления, обеспечивающие подачу и дозирование топлива.
• Система смазки и охлаждения — масляные насосы, радиаторы, фильтры для отвода тепла от подшипников и охлаждения горячих деталей турбины.
• Выхлопная система — газоход и дымовая труба для отвода отработавших газов.
• Автоматизированная система управления (АСУ ТП) — контроллеры и датчики, обеспечивающие пуск, синхронизацию, регулирование мощности и защиту агрегата.

¶Принцип работы

Работа газотурбинной электростанции основана на термодинамическом цикле Брайтона (в российской традиции — цикл Гемфри). Процесс состоит из следующих этапов:

1. Сжатие воздуха. Атмосферный воздух поступает в компрессор, где сжимается до давления 10–30 атмосфер. При этом температура воздуха повышается до 300–500 °C.
2. Сжигание топлива. Сжатый воздух подается в камеру сгорания, куда впрыскивается топливо. Смесь воспламеняется, и в результате горения образуются продукты сгорания с температурой 1000–1500 °C.
3. Расширение газа. Горячий газ под высоким давлением поступает на лопатки турбины. Расширяясь, газ совершает работу вращения ротора. Часть мощности (примерно 50–60 %) затрачивается на привод компрессора, остальная — передается на вал генератора.
4. Выработка электроэнергии. Вал турбины вращает ротор электрогенератора, в обмотках которого возникает электрический ток. Напряжение обычно повышается трансформатором и выдается в сеть.
5. Отвод отработавших газов. Газы с температурой 400–600 °C выбрасываются в атмосферу через выхлопную трубу.

¶Классификация

Газотурбинные электростанции классифицируются по нескольким признакам:

• По конструктивному исполнению: стационарные (промышленные) и транспортабельные (модульные, блочно-контейнерные).
• По типу турбины: одновальные (компрессор и турбина на одном валу) и двухвальные (свободная силовая турбина).
• По назначению: базовые (постоянная работа), пиковые (покрытие максимумов нагрузки) и резервные (аварийное электроснабжение).
• По типу цикла: простые (открытый цикл) и комбинированные (парогазовые установки, ПГУ).

¶Преимущества и недостатки

К преимуществам газотурбинных электростанций относятся:

• Быстрый запуск — выход на полную мощность занимает от 5 до 30 минут, что важно для покрытия пиковых нагрузок.
• Компактность — значительно меньшие габариты и масса по сравнению с паротурбинными установками той же мощности.
• Низкий расход воды — не требуется оборотная система водоснабжения для охлаждения конденсатора (при простом цикле).
• Автоматизация — высокая степень автоматизации позволяет работать без постоянного присутствия персонала.
• Экологичность — при работе на природном газе выбросы оксидов серы и твердых частиц минимальны.

Недостатки:

• Низкий КПД — в простом цикле КПД составляет 30–40 %, что ниже, чем у паротурбинных ТЭС (40–45 %).
• Высокая стоимость топлива — преимущественно используются дорогие виды топлива: газ, дизель, керосин.
• Чувствительность к качеству топлива — примеси вызывают эрозию и коррозию лопаток.
• Высокий уровень шума — требует установки шумоглушителей и звукоизоляционных кожухов.

¶Применение

Газотурбинные электростанции широко используются в следующих областях:

• Энергетика — пиковые и резервные мощности на электростанциях, собственные нужды промышленных предприятий.
• Нефтегазовая отрасль — энергоснабжение буровых платформ, компрессорных станций магистральных газопроводов, установок подготовки нефти.
• Транспорт — судовые и железнодорожные энергоустановки.
• Жилищно-коммунальное хозяйство — мини-ТЭЦ для отопления и электроснабжения микрорайонов (при использовании утилизации тепла выхлопных газов).
• Аварийное электроснабжение — больницы, банки, объекты связи и другие потребители первой категории надежности.

¶Парогазовые установки

Для повышения эффективности газотурбинные электростанции часто объединяют с паротурбинным циклом. В таких парогазовых установках (ПГУ) тепло отработавших газов используется для выработки пара в котле-утилизаторе, который приводит в действие паровую турбину. Суммарный КПД ПГУ достигает 55–60 %, что делает их одними из самых эффективных тепловых электростанций. В России такие установки активно внедряются на крупных ТЭС, например, на Северо-Западной ТЭЦ в Санкт-Петербурге.

¶Производители

Крупнейшими мировыми производителями газотурбинных установок являются General Electric (США), Siemens (Германия), Mitsubishi Hitachi Power Systems (Япония), Ansaldo Energia (Италия). В России газовые турбины производят АО «ОДК — Пермские моторы» (турбины ГТД-110М), АО «Силовые машины», ОДК «Сатурн» (газотурбинные установки для энергетики).