В условиях физического и морального старения основного генерирующего оборудования, ухудшения его технико-экономических показателей, плохого инвестиционного климата, обострения топливного дефицита необходим поиск решений, оптимальных по соотношению затрат и результатов, дающих быстрый эффект и позволяющих в будущем обеспечить снижение зависимости от ввоза первичных энергоресурсов. Согласно данным недавнего отчета, опубликованного Минпромэнерго, к 2010 году выработают свой ресурс около 50% мощности ТЭС и ГЭС, к 2020 году эта цифра вырастет до 70%. Процессы модернизации электрического хозяйства и ввода в эксплуатацию новых мощностей не успевают за ростом потребления электричества.
Подобные обстоятельства заставляют корпоративный сектор с особым вниманием относится к своей энергобезопасности. Соответственно, все большее значение приобретают системы автономного энергоснабжения. Будущее развития энергетической отрасли в России все чаще связывают с малой и альтернативной энергетикой.
В настоящее время ведется активное внедрение более ресурсоемких методов выработки электроэнергии и тепла, основной из них это использование малоразмерных газотурбинных установок (МГТУ). Создание на базе МГТУ Мини-ТЭЦ позволяет решить проблему дефицита тепловой и электрической энергии отдельных регионов, обеспечить бесперебойное энергоснабжение жилищно-коммунального сектора и промышленных предприятий.
Наибольший экономический эффект от установки МГТУ можно получить при максимальном времени использования ее в течение года. Поэтому на первом этапе выбор мощности МГТУ нужно производить по гарантированному круглогодичному отпуску тепла от тепло источников (это может быть отпуск тепла на горячее водоснабжение в летние месяцы или в виде постоянного отпуска пара на производственные нужды). На последующих этапах можно выбирать мощность МГТУ исходя из покрытия зимних нагрузок.
Основными преимуществами МГТУ являются:
- Минимальный ущерб для окружающей среды: низкий расход масла, возможность работы на отходах производства; выбросы вредных веществ.
- Низкий уровень шума и вибраций.
- Компактные размеры и небольшой вес дают возможность разместить газотурбинную установку на небольшой площади, что позволяет существенно сэкономить средства. Возможны варианты крышного размещения газотурбинных установок небольшой мощности.
- Возможность работы на различных видах газа позволяет использовать газотурбинный агрегат в любом производстве на самом экономически выгодном виде топлива.
- Эксплуатация, как в автономном режиме, так и параллельно с сетью.
- Возможность работы в течение длительного времени при очень низких нагрузках, в том числе в режиме холостого хода.
- Максимально допустимая перегрузка: 150 % номинального тока в течение 1 минуты, 110 % номинального тока в течение 2 часов.
- Способность системы генератора и возбудителя выдерживать не менее 300 % номинального непрерывного тока генератора в течение 10 секунд в случае трехфазного симметричного короткого замыкания на клеммах генератора, тем самым, обеспечивая достаточное время для срабатывания селективных выключателей.
МГТУ предназначается, в основном, для автономной эксплуатации, что не исключает применение ее в различных энергетических сетях, в том числе и крупных. В круг потребителей входят:
· Все предприятия и организации всех сфер деятельности и видов собственности, включая бытовые предприятия.
· Жилой сектор, включая частных владельцев.
· Полностью изолированные от энергосетей производственные и жилые объекты, в том числе и базы отдыха.
· Потребители, использующие автономные энергоустановки, как в базовом, так и в пиковом классе эксплуатации.
· Потребители, использующие только электроэнергию, электроэнергию и тепло (когенерация).
· Потребители, для которых наиболее важны технические характеристики установки, и потребители, для которых главным является ее относительно низкая стоимость.
Используемые в настоящее время ГТУ разделяются на три основных типа [1]:
· Созданные на базе авиационных реактивных газотурбинных двигателей.
· Созданные на базе газотурбинных двигателей для морского использования.
· Созданные специально для энергетического использования.
ГТУ, относящиеся к первой и второй категории - более форсированные и легкие установки, отличающиеся простотой обслуживания, меньшими требованиями к инфраструктуре, но также и меньшим ресурсом.
Обычно, общее число независимых валов в ГТУ на базе авиационных двигателей и двигателей морского применения 1-3, причем валы, расположенные в газогенераторе имеют переменную частоту вращения (в зависимости от нагрузки) в диапазоне 6-14 тыс. оборотов/мин.
Конвертированные для газового топлива двигатели морского применения составили так называемый "промежуточный класс", поскольку в спектре газотурбинной техники они заняли нишу между конвертированными авиационными и двигателями созданные специально для энергетического использования. Такие установки имеют достоинства авиационных двигателей (небольшие вес и габариты, легкость замены двигателя целиком или его отдельного модуля для выполнения высококачественного ремонта в условиях специализированного производства, высокая приемистость, что позволяет использовать их в пиковом режиме). Кроме того, технологии, материалы и покрытия, используемые при создании этих двигателей, позволяют применять их в условиях морского климата: на судах, морских платформах, береговых и прибрежных объектах и т.д.
ГТУ, относящиеся к третьей категории - это, как правило, одновальные установки, имеющие постоянную частоту вращения, равную частоте вращения генератора. Для обеспечения надежности, тепловой экономичности, снижения стоимости и эксплуатационных затрат, данные энергетические ГТУ проектируются по простейшему циклу. Технические решения таких установок соответствуют принципам, исторически сложившимся в энергетическом машиностроении: тяжелый жесткий вал, подшипники скольжения, лопатки постоянного профиля на основном протяжении проточной части (кроме первых ступеней компрессора и последних ступеней турбины) и т.п. Основным охладителем для рабочих лопаток и лопаток соплового аппарата является воздух.
ГТУ третьей категории предъявляют значительно более высокие требования к строительным работам и инфраструктуре. Срок службы таких установок значительно выше и соответствует значениям, сложившимся в паротурбинных установках.
ГТУ (Мини-ТЭЦ) обладают большим количеством преимуществ по сравнению ТЭЦ основным из них является меньший выброс вредных веществ, таких как оксид азота (NO) и диоксид азота (NOx). Эти показатели меньше в 2-3 раза, чем на обычных ТЭЦ, но они не являются пределом совершенства для ГТУ - в направлении уменьшения вредных выбросов ведутся постоянные исследования и разработки.
Рассмотрим основные методы борьбы с вредными выбросами газотурбинных установок:
· разного рода реконструкции камер сгорания;
· усовершенствование газовой горелки;
· организацию самого процесса сгорания топлива в камерах;
· метод предварительного смешения определенной порции воздуха и топлива перед подачей их в камеру сгорания.
Многочисленные исследования процессов горения топлива в камерах сгорания показывают, что основным направлением по снижению выбросов оксидов азота следует считать уменьшение объема зон горения с максимальным уровнем температуры. Это связано, прежде всего, с повышением качества процесса смесеобразования, организацией ступенчатого подвода топлива и воздуха по длине камеры сгорания.
Так, например, реконструкция камер сгорания за счет изменения отверстий горелки, перераспределения воздушных потоков первичного воздуха, использования так называемого «микрофакельного» горения, проведенные на ряде компрессорных станций российских предприятий, позволили снизить содержание оксида азота в выхлопных газах более чем в два раза. Термин «микрофакельное горение» подразумевает организацию сжигания топлива посредством создания целой системы многочисленных малых факелов в камере сгорания. Однако удорожание и усложнение производства таких горелок для снижения выбросов оксидов азота представляется не очень оправданным.
В последние годы предпринимаются попытки создать так называемые двухзонные камеры для сгорания в них топлива. Применение двух стадийного горения топлива в камерах сгорания позволяет снизить выход оксидов азота до 45-50% от начального выхода при сжигании природного газа. Однако двухстадийное сжигание топлива связано с разработкой достаточно сложной конструкции камеры сгорания, что не в полной мере компенсируется снижением эмиссии оксида азота.
В настоящее время наиболее простым и относительно дешевым способом снижения выбросов оксидов азота с продуктами сгорания следует считать способ, основанный на предварительном смешении топлива с воздухом (обедненная смесь) до подачи компонентов в зону горения. Все чаще газотурбинные установки совершенствуют именно таким методом [2].
В заключении можно сказать, что будущее теплоэнергетики за ТЭЦ на основе газотурбинных установок - это не только с экономической стороны оправданное решение, но и с экологической. Низкие уровни эмиссии и шума, отсутствие вибрации, делают это оборудование единственно возможным для применения в местах плотной застройки, таких как жилые кварталы, деловые и курортные районы. Эти особенности позволяют считать данное оборудование наиболее востребованным и перспективным для применения в энергетических комплексах малой мощности.
Литература:
1. Ольховский Г.Г. Энергетические газотурбинные установки. – М.: Энергопромиздат, 1985. –304 с.
2. Б.П. Поршаков, А.А. Апостолов, В.И. Никишин. Газотурбинные установки: - М: ГУП Издательство «Нефть и газ» РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 2003. – 240 с.
Работа выполнена при финансовой поддержке гранта МД-277.2010.8
