Elektrane na plinske turbine

Plinske turbinske jedinice (GTU) su toplinski motori u kojima se toplinska energija plinovitog radnog fluida pretvara u mehanička energija. Glavne komponente su: kompresor, komora za izgaranje i plinska turbina. Da bi se osigurao rad i kontrola u postrojenju nalazi se kompleks međusobno povezanih pomoćnih sustava. GTU zajedno s električnim generatorom naziva se plinska turbina. Izlazna snaga jednog uređaja kreće se od dvadeset kilovata do nekoliko desetaka megavata. To su klasične plinske turbine. Proizvodnja električne energije u elektrani provodi se pomoću jednog ili više GTU-ova.

Uređaj i opis

Plinske turbine se sastoje od dva glavna dijela, koji se nalaze u istom kućištu, plinskog generatora i energetske turbine. U plinskom generatoru, koji uključuje komoru za izgaranje i turbopunjač, ​​stvara se struja plina visoke temperature koja djeluje na lopatice turbine. Uz pomoć izmjenjivača topline, ispušni plinovi se odlažu, a toplina se istodobno proizvodi kroz vruću vodu ili parni kotao. Rad postrojenja plinskih turbina podrazumijeva korištenje dvije vrste goriva - plinovita i tekuća.

U normalnom načinu rada, plinska turbina radi na plin. U hitnom ili pripravnom stanju, kada se prekine dovod plina, vrši se automatski prijelaz na tekuće (dizelsko) gorivo. U optimalnom modu, instalacije plinske turbine proizvode kombiniranu električnu i toplinsku energiju. Što se tiče količine proizvedene toplinske energije, GTU-ovi znatno premašuju plinske klipne uređaje. Turbinske jedinice koriste se u elektranama i za rad u osnovnom modu i za kompenzaciju vršnih opterećenja.

Povijest stvaranja

Ideja o korištenju energije vrućeg toka plina poznata je još od antičkih vremena. Prvi patent za uređaj, u kojem su iste osnovne komponente predstavljene kao u modernoj GTU, izdan je Englezu Johnu Barberu 1791. Postrojenje plinske turbine uključivalo je kompresore (zrak i plin), komoru za izgaranje i aktivni turbinski kotač, ali nikada nije primio praktičnu primjenu.

U 19. i početkom 20. stoljeća, mnogi znanstvenici i izumitelji diljem svijeta razvili su opremu prikladnu za praktičnu uporabu, ali svi pokušaji nisu bili uspješni zbog niskog razvoja znanosti i tehnologije tog vremena. Neto snaga prototipa nije prelazila 14% s niskom operativnom pouzdanošću i strukturalnom složenošću.

Po prvi put su se elektrane na plinsku turbinu koristile 1939. godine u Švicarskoj. Puštena je u rad elektrana s turbogeneratorom, izrađena u najjednostavnijoj shemi kapaciteta 5000 kW. Pedesetih godina prošlog stoljeća ova je shema rafinirana i komplicirana, što je omogućilo povećanje učinkovitosti i snage do 25 MW. Proizvodnja plinskih turbina u industrijskim zemljama oblikovana je u jednu razinu i smjer razvoja u smislu kapaciteta i parametara turbinskih jedinica. Ukupni kapacitet plinskih turbina proizvedenih u Sovjetskom Savezu i Rusiji procjenjuje se na milijune kW.

Princip rada GTU-a

Atmosferski zrak ulazi u kompresor, stlačuje se i pod visokim tlakom kroz predgrijač zraka, a ventil za distribuciju zraka se šalje u komoru za izgaranje. U isto vrijeme, plin se ubrizgava u komoru za izgaranje kroz mlaznice, koje se spaljuju u struji zraka. Izgaranje smjese plin-zrak tvori struju vrelih plinova, koji pri velikoj brzini djeluje na lopatice plinske turbine, uzrokujući da se oni okreću. Toplinska energija struje vrućeg plina pretvara se u mehaničku energiju rotacije osovine turbine, koja pokreće kompresor i električni generator. Struja iz terminala generatora preko transformatora šalje se na električnu mrežu potrošača.

Vrući plinovi kroz regenerator ulaze u kotao na toplu vodu i zatim kroz alat u dimnjak. Cirkulacija vode organizirana je između toplovodnog kotla i centralne toplinske točke (CHP) pomoću mrežnih crpki. Tekućina zagrijana u kotlu ide do točke centralnog grijanja na koju su priključeni potrošači. Termodinamički ciklus instalacije plinske turbine sastoji se od adijabatske kompresije zraka u kompresoru, izobarne opskrbe topline u komori za izgaranje, adijabatskog širenja radnog fluida u plinskoj turbini, izobarnog odvođenja topline.

Prirodni plin - metan koristi se kao gorivo za plinske turbine. U slučaju nužde, u slučaju gašenja opskrbe plinom, plinska turbina se prenosi na djelomično opterećenje, a dizelsko gorivo ili ukapljeni plinovi (propan-butan) koriste se kao pomoćno gorivo. Moguće opcije za instalaciju plinske turbine: opskrba električnom energijom ili kombinirana opskrba električnom energijom i toplinskom energijom.

kogeneracija

Proizvodnja električne energije uz istovremenu proizvodnju povezane toplinske energije naziva se kogeneracija. Ova tehnologija može značajno poboljšati ekonomičnost korištenja goriva. Ovisno o potrebama, plinska turbina se može dodatno opremiti bojlerima ili parnim kotlovima. To omogućuje dobivanje tople vode ili pare različitog tlaka.

Uz optimalno korištenje dvije vrste energije, maksimum ekonomski učinak kogeneracije, a omjer iskoristivosti goriva (KIT) doseže 90%. U tom slučaju, toplina ispušnih plinova i toplinska energija iz rashladnog sustava jedinica, koje rotiraju električne generatore (zapravo, otpadna energija), koristi se za svoju namjenu. Ako je potrebno, toplina koja se može reciklirati može se koristiti za proizvodnju hladnih apsorpcijskih strojeva (trigeneracija). Kogeneracijski sustav se sastoji od četiri ključna dijela: primarni motor (plinska turbina), električni generator, sustav povrata topline, sustav kontrole i nadzora.

upravljanje

Postoje dva glavna načina rada u kojima rade plinske turbine:

• Miruje. U ovom načinu rada turbina radi s fiksnim nominalnim ili djelomičnim opterećenjem. Donedavno je stacionarni način bio glavni za GTU. Turbina je bila isključena nekoliko puta godišnje za planirane popravke ili u slučaju kvara.
• Promjenjivi način rada omogućuje promjenu snage GTU-a. Potreba za promjenom načina rada turbine može biti uzrokovana jednim od dvaju razloga: ako se energija koju je potrošio generator promijeni zbog promjene potrošačkog opterećenja spojenog na njega, te ako se promijeni atmosferski tlak i temperatura zraka koji uvlači kompresor. Nestacionarni načini rada, i najteži, uključuju zaustavljanje i pokretanje jedinice plinske turbine. U potonjem, vozač plinske turbine mora izvesti brojne operacije prije prvog potiska rotora. Prije punog početka instalacije provodi se preliminarna promocija rotora.

Promjena načina rada instalacije provodi se podešavanjem dovoda goriva u komoru za izgaranje. Glavni zadatak upravljanja plinskom turbinom je osigurati potrebnu snagu. Izuzetak je elektrana na plinske turbine, za koju je glavni zadatak kontrola stalna učestalost rasta povezana s turbinom električnog generatora.

Primjena energije

U stacionarnoj elektroenergetici, plinske turbine se koriste za različite namjene. Kao glavni pogonski motori električnih generatora u termoelektranama, plinske turbine se uglavnom koriste u područjima s dovoljnom količinom prirodnog plina. Zbog mogućnosti brzog pokretanja, GTU se široko koristi za pokrivanje vršnih opterećenja u elektroenergetskim sustavima tijekom razdoblja maksimalne potrošnje energije. Redundantne jedinice plinskih turbina osiguravaju unutarnje potrebe termoelektrana tijekom gašenja glavne opreme.

efikasnost

Općenito, električna učinkovitost plinskih turbina niža je od učinkovitosti drugih energetskih jedinica. No, s punim ostvarenjem toplinskog potencijala jedinice plinske turbine, značaj ovog indikatora postaje manje važan. Za snažne instalacije plinskih turbina postoji inženjerski pristup koji uključuje kombiniranu uporabu dvije vrste turbina zbog visoke temperature ispušnih plinova.

Generirana toplinska energija koristi se za proizvodnju pare za parnu turbinu koja se koristi paralelno s plinskom turbinom. To povećava električnu učinkovitost do 59% i značajno povećava učinkovitost goriva. Nedostatak ovog pristupa je konstruktivna složenost i uvažavanje projekta. Omjer električne i toplinske energije koje proizvodi plinska turbina iznosi oko 1: 2, odnosno 20 megavata topline se proizvodi za 10 MW električne energije.

Snage i slabosti

Prednosti plinskih turbina uključuju:

• Jednostavnost uređaja. Zbog nedostatka kotlovske jedinice, složenog sustava cjevovoda i raznih pomoćnih mehanizama, potrošnja metala po jedinici snage plinskih turbina je mnogo manja.
• Minimalna potrošnja vode koja je potrebna u GTU-u samo za hlađenje ulja isporučenog u ležajeve.
• Brzo puštanje u rad. Za jedinice s plinskim turbinama vrijeme pokretanja od hladnog stanja prije prihvaćanja tereta ne prelazi 20 minuta. Za termoelektrane na pare potrebno je nekoliko sati rada.

nedostaci:

• Plinske turbine koriste plin s vrlo visokom početnom temperaturom - više od 550 stupnjeva. To uzrokuje poteškoće u praktičnoj primjeni plinskih turbina, budući da su za grijane dijelove potrebni posebni materijali otporni na toplinu i posebni sustavi hlađenja.
• Oko polovice snage koju je razvila turbina troši se na pogon kompresora.
• GTU je ograničen na gorivo, prirodni plin ili se koriste visokokvalitetna tekuća goriva.
• Snaga jedne plinske turbine je ograničena na 150 MW.

ekologija

Pozitivan čimbenik u korištenju GTU-a je minimalni sadržaj štetnih tvari u emisijama. Prema ovom kriteriju, plinske turbine su ispred svojih najbližih konkurentskih elektrana. Zahvaljujući zaštiti okoliša, plinske turbine mogu se lako postaviti u neposrednoj blizini mjesta gdje ljudi žive. Nizak udio štetnih emisija tijekom rada plinskih turbina štedi novac tijekom izgradnje dimnjaka i nabave katalizatora.

Ekonomika GTU-a

Na prvi pogled, cijene plinskih turbina su prilično visoke, ali s objektivnom procjenom mogućnosti ove energetske opreme svi aspekti su na mjestu. Visoka kapitalna ulaganja na početku energetskog projekta u potpunosti se kompenziraju neznatnim troškovima za naknadni rad. Osim toga, znatno se smanjuju plaćanja za zaštitu okoliša, smanjuju se troškovi za kupnju električne energije i topline te se smanjuje utjecaj na okoliš i stanovništvo. Kao rezultat gore navedenih razloga godišnje se kupuje i ugrađuje na stotine novih plinskih turbina.