ОАО «МПНУ Энерготехмонтаж»

Газовые турбины

Принцип работы газовых турбин состоит в следующем: газ, нагнетаемый  в камеру сгорания компрессором, смешивается с воздухом, формируя топливную смесь, и поджигается. Образующиеся продукты горения с высокой температурой (9000С-12000С), проходя через несколько рядов лопаток, установленных на валу турбины, приводят к вращению турбины. Механическая энергия вала передается через (понижающий) редуктор (в случае свободной турбины редуктор отсутствует) электрическому генератору. Тепловая энергия выходящих из турбины газов поступает в теплоутилизатор.

Наиболее традиционным видом топлива для газовых турбин является природный газ, хотя это не исключает возможности использования других видов  топлива.

Температура исходящих из турбины газов составляет 3500С – 5500С. Количественное соотношение тепловой энергии к электрической у газовых турбин составляет от 1,5:1 до 2,5:1, что позволяет строить когенерационные системы, различающиеся по типу теплоносителя:

• Непосредственное (прямое) использование отходящих горячих газов;
• Производство пара низкого или среднего давления (8-18 кг/см2) во внешнем котле;
• Производство горячей воды (лучше, когда требуемая температура превышает 140 0С);
• Производство пара высокого давления (турбины комбинированного цикла).

КПД газовой турбины составляет 25% - 45%, в зависимости от параметров работы конкретной модели турбины и характеристик топлива. Газовые турбины обладают хорошими экологическими параметрами (эмиссия NOx на уровне 25 ppm).

Работа турбины сопровождается средним уровнем шума, а для микротурбин очень низким шумом, поэтому для больших установок применяются индустриального типа здания (в том числе контейнерного типа), которые также обеспечивают влагозащищенность оборудования.

Поршневые двигатели

Поршневые двигатели, используемые в энергосистемах, обладают, с одной стороны, соизмеримой с турбинами эффективностью в части генерации электроэнергии. С другой стороны, создание когенерационных систем на базе поршневых двигателей осложнено рассеиванием тепловой энергии, часть которой отводится системой охлаждения двигателя (двигатель и масло, используемое в системе смазки, должны постоянно охлаждаться), а также пульсирующим характером потока отходящих газов (с температурой на уровне 400 0С). Количественное соотношение тепловой энергии и электрической у поршневых двигателей составляет от 1:1 до 1,3:1 ( ниже чем у турбин).

Подготовка места установки поршневых двигателей должна обязательно включать решение вопросов, связанных с вибрацией. Наиболее эффективным методом является использование платформы с пневматической системой амортизации.

Поршневой двигатель конструктивно имеет больше движущихся частей по сравнению с турбиной. Следовательно, интервалы сервисного обслуживания, связанного с остановкой и ремонтом двигателя короче, чем у турбин.  Существенное ограничение состоит в работе на неполной мощности – поршневой двигатель, как правило, не рекомендуется запускать с нагрузкой менее 50% на продолжительный период времени.

Для борьбы с высокой эмиссией вредных веществ в поршневых двигателях используются как внешние каталитические фильтры, так и конструктивные модификации самих двигателей, направленные на увеличение времени горения и степени сжатия топливной смеси. Это, в свою очередь, приводит к росту стоимости самого оборудования и расходов на его сопровождение. Высокая эмиссия поршневых двигателей связана в первую очередь с тем, что развитие этих технологии происходило в период отсутствия экологических ограничений и основное внимание уделялось максимизации выходной мощности и производительности.

Микротурбины

Микротурбина используется в качестве двигателя модульных мини-ТЭС, работающих в диапазоне мощностей от 30 до 6000 кВт.

Все движущиеся части микротурбинного двигателя – воздушный компрессор, генератор и сама турбина – расположены на одном валу, скорость вращения которого достигает – 96000 оборотов в минуту. Вал закреплен на воздушных подшипниках, что позволяет отказаться от жидкостной смазки и использовать для этого воздух. Воздух также обеспечивает охлаждение двигателя и управляющей электроники. Это позволяет значительно снизить стоимость обслуживания оборудования по сравнению с другими технологиями. Для микротурбин стандартным считается проведение регламентных работ не чаще чем 1 раз в год.

Хотя основным видом топлива для микротурбин является природный газ,  они также могут не менее  эффективно работать и на другом топливе (попутный нефтяной, биологический газы, шахтный метан, сжиженный пропан, бутан, дизель или керосин).

Микротурбины демонстрируют наилучшие показатели по экологическим параметрам по сравнению с остальными приведенными в настоящем обзоре технологиями: содержание NОх в отходящих газах не превышает 9 ppm, CO – до 15 ppm (на номинальной мощности), что в 10 раз лучше, чем у поршневых двигателей и в 5 – чем у индустриальных турбин.

Микротурбины не вибрируют, акустическая эмиссия не превышает 65 ДБ и легко гасится с помощью дополнительных кожухов. Корпус микротурбины имеет защиту от влаги и позволяет устанавливать оборудование на открытой площадке, снижая тем самым расходы на организацию специальных помещений.

По совокупности все эти преимущества позволяют применять микротурбины в качестве постоянно работающего энергоисточника генератора даже в густонаселенных городских центрах внутри и вне помещений, отводя сети роль резерва.

Применение микротурбин в когенерации определяется температурой отходящих газов (3050С) и количественным соотношением тепловой энергии к электрической (от 2:1 до 2.5:1), составом и экологической безопасностью выхлопа:

• Прямое использование газа для сушки, обогрева помещений, производства CO2 (теплицы);
• Комплектация интегрированным или подключение внешнего теплообменника, в котором теплоносителем выступает вода или гликоль (горячее водоснабжение, отопление);
• Интеграция с климатическими системами для охлаждения и осушки помещений (например, в абсорбционном чиллере).

Малая единичная мощность, масштабируемость и возможность эффективно работать в диапазоне нагрузок от 0 до 100% позволяют оптимизировать схемы производства энергии, что приводит к существенной экономии топлива и увеличивает срок службы оборудования.

Системы комбинированного цикла

Комбинированная система строится на основе индустриальной газовой турбины, поток горячих отходящих газов которой, направляется на производство пара, который, в свою очередь, поступает в паровую турбину. Как правило, такие системы используются генерирующими компаниями в случае, когда необходимо максимизировать производство электрической энергии. Когенерация в этом случае играет подчиненную роль и обеспечивается за счет отвода части тепла из паровой турбины. В принципе, комбинированные системы можно построить и на базе других типов двигателей (кроме газовых турбин).

В нижеследующей таблице приведены основные данные по двигателям, используемым в когенерационных системах: