Elektrárny s plynovou turbínou

Jednotky plynové turbíny (GTU) jsou tepelné motory, ve kterých se mění tepelná energie plynné pracovní tekutiny mechanická energie. Hlavní komponenty jsou: kompresor, spalovací komora a plynová turbína. Pro zajištění provozu a řízení v instalaci je k dispozici komplex propojených pomocných systémů. GTU ve spojení s elektrickým generátorem se nazývá jednotka plynové turbíny. Výkon jednoho zařízení se pohybuje od dvaceti kilowattů po desítky megawattů. Jedná se o klasické instalace plynových turbín. Výroba elektřiny v elektrárně se provádí pomocí jedné nebo několika GTU.

Zařízení a popis

Zařízení s plynovou turbínou se skládají ze dvou hlavních částí, které se nacházejí ve stejném krytu, generátoru plynu a silové turbíny. V plynovém generátoru, který obsahuje spalovací komoru a turbodmychadlo, je generován proud plynu s vysokou teplotou, který působí na lopatky výkonové turbíny. Pomocí výměníku tepla se odvádějí výfukové plyny a teplo se současně vyrábí přes horkou vodu nebo parní kotel. Práce instalací plynových turbín zahrnuje použití dvou typů paliva - plynné a kapalné.

V normálním režimu plynová turbína pracuje s plynem. V nouzovém nebo pohotovostním režimu je při přerušení dodávky plynu proveden automatický přechod na kapalný (nafta) palivo. V optimálním režimu zařízení s plynovou turbínou vyrábějí kombinovanou elektrickou a tepelnou energii. Co se týká množství tepelné energie, GTU výrazně přesahuje zařízení pro plynové písty. Jednotky turbín se používají v elektrárnách jak pro provoz v základním režimu, tak pro kompenzaci špičkových zatížení.

Dějiny stvoření

Myšlenka využití energie proudu horkého plynu je známa již od starověku. První patent pro zařízení, ve kterém byly prezentovány stejné základní komponenty jako v moderním GTU, byl vydán Angličanovi Johnovi Barberovi v roce 1791. Zařízení s plynovou turbínou zahrnovalo kompresory (vzduch a plyn), spalovací komoru a aktivní turbínové kolo, ale nikdy nebyly prakticky použity.

V 19. a počátku 20. století mnoho vědců a vynálezců po celém světě vyvinulo zařízení vhodné pro praktické použití, ale všechny pokusy byly neúspěšné kvůli nízkému vývoji vědy a technologie těch časů. Čistý výkon dodávaný prototypy nepřekročil 14% s nízkou provozní spolehlivostí a strukturální složitostí.

Poprvé byly v roce 1939 ve Švýcarsku používány elektrárny s plynovou turbínou. Byla uvedena do provozu elektrárna s turbogenerátorem, vyrobená v nejjednodušším schématu s výkonem 5000 kW. V padesátých letech minulého století byl tento režim zdokonalen a komplikován, což umožnilo zvýšit účinnost a výkon až na 25 MW. Výroba plynárenských turbín v průmyslových zemích byla formována do jediné úrovně a směru vývoje, pokud jde o kapacity a parametry turbínových jednotek. Celková kapacita plynových turbín vyráběných v Sovětském svazu a v Rusku je odhadována na miliony kW.

Princip provozu GTU

Atmosférický vzduch vstupuje do kompresoru, je stlačen a pod vysokým tlakem přes předehřívač vzduchu a vzduchový rozdělovací ventil je veden do spalovací komory. Současně je plyn vstřikován do spalovací komory tryskami, která jsou spalována ve proudu vzduchu. Spalování směsi plynu a vzduchu vytváří proud horkých plynů, které při vysoké rychlosti působí na lopatky plynové turbíny a způsobují to otáčení. Tepelná energie proudu horkého plynu se přemění na mechanickou energii otáčení hřídele turbíny, která pohání kompresor a elektrický generátor. Elektrická energie ze svorek generátoru přes transformátor se přenáší do spotřební elektrické sítě.

Horké plyny přes regenerátor proudí horkovodní kotel a pak prostřednictvím uživatele v komín. Cirkulace vody probíhá mezi kotlem pro teplou vodu a centrálním tepelným bodem (CHP) pomocí síťových čerpadel. Tekutina ohřátá v kotli jde do místa ústředního vytápění, ke kterému jsou spotřebiče připojeny. Termodynamický cyklus instalace plynové turbíny se skládá z adiabatického stlačování vzduchu v kompresoru, izobarického přívodu tepla ve spalovací komoře, adiabatické expanze pracovní tekutiny v plynové turbíně, izobarického odvodu tepla.

Zemní plyn - metan se používá jako palivo pro plynové turbíny. V nouzovém režimu se v případě vypnutí dodávky plynu jednotka plynové turbíny přenáší na částečné zatížení a jako záložní palivo se používá motorová nafta nebo zkapalněné plyny (propan-butan). Možné možnosti instalace plynové turbíny: dodávka elektřiny nebo kombinované dodávky elektřiny a tepelné energie.

Kogenerace

Výroba elektřiny se souběžnou generací související tepelné energie se nazývá kogenerace. Tato technologie může výrazně zlepšit ekonomickou účinnost používání paliva. V závislosti na potřebách může být jednotka s plynovou turbínou dodatečně vybavena vodními kotly nebo parními kotli. To umožňuje získat horkou vodu nebo páru různých tlaků.

Při optimálním využití dvou typů energie je maximální ekonomický efekt kogenerace a poměr využití paliva (KIT) dosahuje 90%. V tomto případě se teplo výfukových plynů a tepelná energie z chladicího systému jednotek, které otáčejí elektrickými generátory (ve skutečnosti odpadní energií), používají k určenému účelu. V případě potřeby lze recyklovatelné teplo použít k výrobě za studena v absorpčních strojích (trigenerace). Kogenerační systém se skládá ze čtyř klíčových částí: primární motor (plynová turbína), elektrický generátor, systém rekuperace tepla, řídící a monitorovací systém.

Řízení

Existují dva hlavní provozní režimy, v nichž jsou provozovány provozy s plynovou turbínou:

• Stacionární. V tomto režimu pracuje turbína s pevným jmenovitým nebo částečným zatížením. Donedávna byl stacionární režim hlavní pro GTU. Turbína byla vypnuta několikrát ročně pro plánované opravy nebo v případě poruchy.
• Variabilní režim poskytuje možnost měnit výkon GTU. Potřeba měnit provozní režim turbíny může být způsobeno jedním ze dvou důvodů: když se změnila spotřeba energie elektrického generátoru kvůli změně spotřební zátěže, která je k němu připojena, a když se změnil atmosférický tlak a teplota vzduchu nasávaného kompresorem. Mezi nestacionární režimy a nejtěžší patří zastavení a spuštění jednotky plynové turbíny. V tomto případě musí řidič plynové turbíny provádět řadu operací před prvním tahem rotoru. Před úplným zahájením instalace se provádí předběžná podpora rotoru.

Změna režimu provozu zařízení se provádí nastavením dodávky paliva do spalovací komory. Hlavním úkolem řízení plynové turbíny je poskytnout potřebnou sílu. Výjimkou je elektrárna s plynovou turbínou, u které je hlavní kontrolní úlohou stálost frekvence růstu spojeného s turbínou elektrického generátoru.

Energetické aplikace

V stacionární energetice se plynové turbíny používají pro různé účely. Jako hlavní hnací motory elektrických generátorů v tepelných elektrárnách se instalace plynových turbín používají především v oblastech s dostatečným množstvím zemního plynu. Vzhledem k možnosti rychlého spuštění se GTU široce využívají k pokrytí špičkových zatížení v systémech energie během období maximální spotřeby energie. Redundantní jednotky s plynovou turbínou zajišťují vnitřní potřeby tepelných elektráren během vypnutí hlavního zařízení.

Účinnost

Obecně platí, že elektrická účinnost plynových turbín je nižší než u ostatních pohonných jednotek. Při plném využití tepelného potenciálu jednotky s plynovou turbínou se však význam tohoto indikátoru stává méně relevantní. Pro výkonné instalace s plynovou turbínou existuje technický přístup zahrnující kombinované použití dvou typů turbín v důsledku vysoké teploty výfukových plynů.

Vytvářená tepelná energie se používá k výrobě páry pro parní turbínu, která se používá paralelně s plynovou turbínou. To zvyšuje elektrickou účinnost až na 59% a výrazně zvyšuje palivovou účinnost. Nevýhodou tohoto přístupu je konstruktivní složitost a zhodnocení projektu. Poměr elektrické a tepelné energie vyrobené plynovou turbínou je asi 1: 2, tj. Je vyrobeno 20 megawattů tepla pro 10 MW elektrické energie.

Silné a slabé stránky

Mezi výhody plynových turbín patří:

• Jednoduchost zařízení. Kvůli nedostatku kotlové jednotky, komplexního systému potrubí a různých pomocných mechanismů je spotřeba kovů na jednotku výkonu plynových turbín mnohem menší.
• Minimální spotřeba vody, která je nutná v GTU, pouze pro chlazení oleje dodaného do ložisek.
• Rychlé uvedení do provozu. U jednotek s plynovou turbínou není doba startu z chladného stavu před přijetím zátěže delší než 20 minut. U parních elektráren trvá TPP několik hodin.

Nevýhody:

• Jednotky plynové turbíny používají plyn s velmi vysokou počáteční teplotou - více než 550 stupňů. To způsobuje potíže při praktické realizaci plynových turbín, protože pro nejvíce ohřívané části jsou požadovány speciální tepelně odolné materiály a speciální chladicí systémy.
• Asi polovina výkonu vyvinutého turbínou se vynakládá na pohon kompresoru.
• GTU jsou omezené na palivo, zemní plyn nebo vysoce kvalitní kapalné palivo.
• Výkon jedné plynovou turbíny je omezen na 150 MW.

Ekologie

Pozitivním faktorem při používání GTU je minimální obsah škodlivých látek v emisích. Tímto kritériem jsou plynové turbíny před jejich nejbližšími konkurenčními - pístovými elektrárnami. Díky své šetrnosti k životnímu prostředí mohou být jednotky plynové turbíny snadno umístěny v těsné blízkosti míst, kde lidé žijí. Nízký obsah škodlivých emisí během provozu plynových turbín šetří peníze během výstavby komínů a získávání katalyzátorů.

Ekonomika GTU

Na první pohled jsou ceny plynových turbín poměrně vysoké, ale s objektivním posouzením schopností tohoto energetického zařízení spadají všechny aspekty. Vysoké kapitálové investice na začátku energetického projektu jsou plně kompenzovány nevýznamnými náklady na následnou operaci. Kromě toho jsou environmentální platby výrazně sníženy, náklady na nákup elektřiny a tepla jsou sníženy a dopad na životní prostředí a obyvatelstvo je snížen. V důsledku výše uvedených důvodů se každoročně nakupují a instalují stovky nových plynárenských turbín.