ГТЭС: электричество, тепло и холод по выгодной цене

Проблем в энергетическом комплексе России немало. В их числе — ​старение парка мощного генерирующего оборудования, постоянный рост цен на сетевую энергию, обусловленный увеличением стоимости топлива для теплоэлектростанций. Один из путей решения этих проблем — ​развитие локальных энергосистем с использованием современных газотурбинных электростанций (ГТЭС).

Область применения и перспективы

ГТЭС предназначены для энергоснабжения промышленных предприятий и жилья, в том числе в удаленных и труднодоступных районах — ​на Крайнем Севере, в горах и тайге, в зонах стихийных бедствий и чрезвычайных ситуаций. Электростанции могут работать в качестве основного или резервного источника электроэнергии и тепла, интегрироваться в высокоэффективные системы холодоснабжения.

Топливом для ГТЭС может быть авиационный керосин, солярка, природный или попутный нефтяной газ.

По конструктивному исполнению ГТЭС подразделяются на стационарные и мобильные.

Стационарные газотурбинные электростанции поставляются в виде отдельных модулей полной заводской готовности, монтируемых на месте эксплуатации с применением универсальных грузоподъемных средств и инструмента. Размеры модулей почти всегда позволяют перевозить их железнодорожным, автомобильным или водным транспортом.

В зависимости от потребностей заказчика, стационарные газотурбинные электростанции могут быть адаптированы для размещения и эксплуатации на открытой местности, в специально построенных или реконструированных ангарах и производственных помещениях.

Мобильные ГТЭС смонтированы на шасси. Они устойчивы к любым капризам погоды и готовы приступить к генерации энергии в любой точке планеты сразу после завершения несложных подготовительных работ, управиться с которыми можно за 24 часа. Оперативную доставку мобильных ГТЭС к месту базирования часто осуществляют с помощью авиационного транспорта.

Достоинствами стационарных и мобильных газотурбинных электростанций являются малый срок окупаемости (от 1 года) и высокая надежность основного оборудования — ​показатель наработки до капитального ремонта составляет 25–35 тысяч часов, ресурс основных узлов — ​до 100 тысяч часов. Кроме того, эта техника имеет достаточно высокий КПД, малый вес, небольшие габариты приемлемые экологические показатели — ​низкие выбросы NOx, СО, уровень шума в пределах 60–80 децибелов.

Благодаря низкой инерционности ГТЭС хорошо справляются с быстропеременными нагрузками.

Среди недостатков ГТЭС часто упоминается их требовательность к параметрам жидкого и газообразного топлива. Газ к топливной аппаратуре необходимо подавать под давлением 1,2–5 МПа, для этого могут потребоваться дорогостоящие дожимные компрессоры. На частичных нагрузках КПД ГТЭС заметно снижается, хотя работа на таких режимах и не влияет на состояние турбины.

Довольно сложна технология капитального ремонта ГТЭС, в ряде случаев такой ремонт возможен только в заводских условиях.

И, тем не менее, по прогнозам аналитиков в ближайшие годы доля рынка газотурбинных электростанций в общем объеме энергопроизводства РФ может существенно увеличиться. Без этого оборудования практическое решение проблемы импортозамещения и переформатирования российской экономики на новую, менее зависимую от сырьевой составляющей модель развития будет затруднительно.

Внедрение ГТЭС в отдаленных от центра районах России позволит получать существенную экономию средств за счет отказа от строительства протяженных линий электропередачи и теплотрасс, а в центральных районах — ​снижать зависимость отдельных территорий, предприятий и организаций от монополизма энергетиков, повышать надежность энергоснабжения.

Далее мы поговорим об основных типах ГТЭС и конкретных примерах их использования в России.

По закону Фарадея

Широкое распространение в России получили газотурбинные электростанции, работающие без утилизации энергии дымовых газов — ​ГТЭС простого цикла. В их состав в качестве основного оборудования входит, как минимум, один тепловой двигатель — ​доработанный авиационный газотурбинный или турбовентиляторный агрегат или другая газотурбинная установка, и один электрогенератор.

В тепловом двигателе химическая энергия топлива переходит в теплоту, вследствие чего образуются горячие дымовые газы, которые устремляются в турбину, вращающую приводной вал электрогенератора. Затем дымовые газы, нагретые до 250–550 °C через систему шумоглушения и шахту-дымоход удаляются в окружающую среду.

ГТЭС простого цикла могут работать как автономно, так и параллельно с другими источниками энергии или энергосистемами. В последнем случае основным их назначением является выработка электроэнергии для снятия пиков нагрузки, а вспомогательным — ​создание в энергосистемах резервной мощности.

В России накоплен большой опыт проектирования и эксплуатации стационарных ГТЭС простого цикла. Так, первый опытный образец стационарной газотурбинной станции на основе отечественного авиационного газотурбинного двигателя и электрогенератора, работающей на электрическую сеть напряжением 380 В/ 50 Гц, был спроектирован еще в 1962–63 годах.

Однако в наши дни наиболее востребованными ГТЭС простого цикла в России стали мобильные газотурбинные электростанции. Их применяют для обеспечения надёжного энергоснабжения потребителей в энергодефицитных зонах Российской Федерации во время пиковой нагрузки в энергосистеме.

Зимой 2016 года некоторые эксплуатируемые в России мобильные ГТЭС, рассчитанные на работу в качестве резервного источника энергии, прошли настоящую проверку на прочность. Они работали сутками напролет, обеспечивая обесточенному Крыму треть его потребностей в электроэнергии. Это спасло многих крымчан от переохлаждения и более тяжелых последствий крымского «блэкаута»

К счастью для жителей полуострова, формирование группировки мобильных ГТЭС началось в Крыму заблаговременно. До прекращения энергоснабжения на полуостров из Сочи и Подмосковья было перебазировано 13 газотурбинных электростанций суммарной установленной мощностью 292,5 МВт.

Затем из Дальневосточного федерального округа в Крым были перевезены еще две мобильные ГТЭС суммарной мощностью 45 МВт, в результате чего общая мощность группировки мобильных ГТЭС составила 337,5 МВт — ​этого достаточно, чтобы обеспечить электроэнергией около 300 тысяч человек.

Мобильные ГТЭС выдавали электроэнергию в магистральные сети 110–330 киловольт, затем она, в рамках заданных лимитов, распределялась диспетчером ГУП РК «Крымэнерго» через распределительные электрические сети среднего и низкого напряжения. По конкретным районам и потребителям — ​на социально значимые объекты и жилой сектор

Перспективы когенерации

Когенерационные ГТЭС одновременно решают задачи электро- и теплоснабжения потребителей. В их конструкции помимо теплового двигателя и электрогенератора предусмотрен котел-утилизатор, через который дымовые газы из теплового двигателя удаляются в окружающую среду, попутно нагревая теплоноситель, используемый затем для нужд отопления, ГВС или в технологических процессах.

Коэффициент полезного использования топлива у когенерационных ГТЭС существенно выше, чем у ГТЭС простого цикла, и может составлять 60–90%.

Когенерационные ГТЭС давно и повсеместно признаны экспертами надежным и эффективным энергетическим оборудованием, а сам принцип когенерации — ​перспективным. Так, по экспертным оценкам в США и Великобритании доля когенерации в малой энергетике составляет примерно 80%, в Нидерландах — ​70%, в Германии — ​60%.

Одним из удачных примеров внедрения когенерационной ГТЭС в России стала установка, запущенная в конце 1999 года на Безымянской ТЭЦ. Она создана на основе авиационного двигателя НК‑37—1, котла-утилизатора, электрогенератора (турбогенератора), АСУ, ряда вспомогательных систем и отдельно стоящего дожимного газового компрессора.

Эта установка способна обеспечить светом и теплом небольшой город. Ее электрическая мощность составляет 25 МВт, тепловая — ​39 МВт. В час установка производит 41 тонн пара давлением 14 кгс/см2 и нагревает 100 тонн сетевой воды от 60 до 120 °C!

Немало когенерационных ГТЭС работают сегодня в столичном регионе. Впрочем, в этом нет ничего удивительного: реализация технологии комбинированной выработки тепла и электроэнергии с дополнительным привлечением теплофикационного ресурса и покрытия тепловых и электрических нагрузок потребителей города новыми газотурбинными электростанциями признана приоритетным направлением развития теплоснабжения города Москвы на период до 2020 года

Холод из пламени?

Когенерационные ГТЭС наиболее выгодны для организаций и частных лиц с постоянным уровнем потребления электроэнергии и теплоты в течение года. Однако таких в средней полосе России немного. Большинство испытывает потребность в тепловой энергии лишь в холодное время года. Летом нужна холодная вода для питания теплообменников центральных кондиционеров и фэнкойлов.

Как следствие, горячие дымовые газы из когенерационной ГТЭС в жаркую погоду приходится «стравливать» в окружающую среду, не утилизируя содержащуюся в них тепловую энергию, в результате чего существенно снижается эффективность использования топлива. Для производства холода в этом случае используют дорогостоящую и энергоемкую парокомпрессионную холодильную технику.

Использовать тепло дымовых газов от тепловых двигателей ГТЭС не только для нагрева воды и отопления, но и для охлаждения помещений и технологических процессов, позволяют системы тригенерации на основе когенерационных ГТЭС и абсорбционных бромисто-литиевых холодильных установок (АБХМ). Эффективность ГТЭС, работающих в составе таких систем, достаточно высока круглогодично.

АБХМ охлаждает воду, используя для этого тепло низкого потенциала. Работать она может как непосредственно на дымовых газах, так и на теплоносителе из котла-утилизатора ГТЭС. При этом АБХМ потребляет всего несколько киловатт электроэнергии на привод насосов, а ее холодопроизводительность может исчисляться мегаваттами!

Пример реализации системы тригенерации на основе ГТЭС и АБХМ — ​Жанажолская газотурбинная электростанция мощностью 110 МВт в Казахстане. С помощью АБХМ Thermax 2D5M C холодопроизводительностью 3150 кВт, работающей на дымовых газах тепловых двигателей, на этой ГТЭС решена проблема снижения эффективности выработки электрической мощности в теплое время года.

Газотурбинная электростанция работает с постоянным расходом уличного воздуха. Когда температура воздуха на входе в ГТЭС повышается, снижается его плотность (грубо говоря, воздуха становится меньше), вследствие чего производительность тепловых двигателей ГТЭС и выработка электрической мощности падают.

Чтобы этого не происходило, на входе в каждый тепловой двигатель ГТЭС был установлен теплообменник, через который проходит охлажденная в АБХМ вода. Снижение температуры подаваемого в тепловой двигатель ГТЭС воздуха с +40 °C до +15 °C предотвращает снижение выработки электрической мощности примерно на 30%. Кроме того, уменьшается потребление газообразного топлива.

Данное техническое решение признано многими экспертами эффективным. Ведутся работы по изучению возможности внедрения АБХМ на ГТЭС в России и в других странах СНГ.

Материал предоставлен «Творческой мастерской Владислава Балашова»

наши проекты
  • АПИК
  • Университет климата
  • Выставка «Мир климата»
  • АПИК-тест