Elektrarne s plinsko turbino

Plinske turbinske enote (GTU) so toplotni motorji, v katerih se toplotna energija plinaste delovne tekočine pretvori v mehanska energija. Glavne komponente so: kompresor, zgorevalna komora in plinska turbina. Za zagotovitev delovanja in nadzora v instalaciji obstaja kompleks medsebojno povezanih pomožnih sistemov. GTU v povezavi z električnim generatorjem se imenuje plinska turbina. Izhodna moč ene naprave se giblje od dvajset kilovatov do več deset megavatov. Gre za klasične plinske turbine. Proizvodnja električne energije v elektrarni poteka z uporabo ene ali več enot GTU.

Naprava in opis

Plinske turbine so sestavljene iz dveh glavnih delov, ki se nahajata v istem ohišju, plinskega generatorja in močne turbine. V plinskem generatorju, ki vključuje zgorevalno komoro in turbopolnilnik, nastaja visokotemperaturni tok plina, ki deluje na lopatice turbine. S pomočjo toplotnega izmenjevalnika se izpušni plini odstranijo in toplota se istočasno proizvaja preko vroče vode ali parnega kotla. Delo plinskih turbinskih instalacij vključuje uporabo dveh vrst goriva - plinastih in tekočih.

V normalnem načinu plinska turbina deluje na plin. V izrednem stanju ali v stanju pripravljenosti se ob prekinitvi dovoda plina izvede samodejni prehod na tekoče (dizelsko) gorivo. V optimalnem načinu plinske instalacije proizvajajo kombinirano električno in toplotno energijo. Glede na količino proizvedene toplotne energije GTU bistveno presegajo plinske batne naprave. Turbinske enote se uporabljajo v elektrarnah tako za delovanje v osnovnem načinu kot za kompenzacijo maksimalnih obremenitev.

Zgodovina ustvarjanja

Zamisel o uporabi energije vročega plinskega toka je znana že od antičnih časov. Prvi patent za napravo, v kateri so bile predstavljene enake osnovne komponente kot v sodobni GTU, je bil izdan angleščini Johnu Barberju leta 1791. Plinska turbina je vključevala kompresorje (zrak in plin), zgorevalno komoro in aktivno turbinsko kolo, vendar nikoli ni dobila praktične uporabe.

V 19. in zgodnjem 20. stoletju so mnogi znanstveniki in izumitelji po vsem svetu razvili napravo, primerno za praktično uporabo, vendar so bili vsi poskusi zaradi nizkega razvoja znanosti in tehnologije takrat neuspešni. Neto moč prototipa ni presegla 14% z nizko obratovalno zanesljivostjo in strukturno kompleksnostjo.

Elektrarne s plinsko turbino so bile prvič uporabljene leta 1939 v Švici. V obratovanje je bila vgrajena elektrarna s turbogeneratorjem, izdelana v najenostavnejši shemi z zmogljivostjo 5000 kW. V petdesetih letih je bila ta shema izpopolnjena in zapletena, kar je omogočilo povečanje učinkovitosti in moči do 25 MW. Proizvodnja plinskih turbin v industrijskih državah je bila oblikovana v eno samo raven in smer razvoja v smislu zmogljivosti in parametrov turbinskih enot. Skupna zmogljivost plinskih turbin, proizvedenih v Sovjetski zvezi in Rusiji, je ocenjena na milijone kW.

Načelo delovanja GTU

Atmosferski zrak vstopa v kompresor, stisnjen in pod visokim tlakom skozi predgrelnik zraka, ventil za porazdelitev zraka pa se pošlje v zgorevalno komoro. Hkrati se skozi šobe, ki izgorejo v zraku, vbrizga plin v zgorevalno komoro. Zgorevanje mešanice plin-zrak tvori tok vročih plinov, ki pri visoki hitrosti deluje na lopatice plinske turbine, zaradi česar se vrtijo. Toplotna energija vročega plina se pretvori v mehansko energijo vrtenja turbinske gredi, ki poganja kompresor in električni generator. Električna energija iz terminalov generatorja preko transformatorja se pošlje v električno omrežje potrošnika.

Vdihujejo vroči plini skozi regenerator kotel z vročo vodo in nato skozi uporabnika dimnik. Med vodnim kotlom in centralno toplotno točko (CHP) se s pomočjo omrežnih črpalk organizira kroženje vode. Tekočina, ki se segreva v kotlu, gre v točko centralnega ogrevanja, na katero so priključeni potrošniki. Termodinamični cikel instalacije plinske turbine je sestavljen iz adiabatnega stiskanja zraka v kompresorju, izobarične dobave toplote v zgorevalni komori, adiabatnega raztezanja delovne tekočine v plinski turbini, izobaričnega odvajanja toplote.

Zemeljski plin - metan se uporablja kot gorivo za plinske turbine. V zasilnem načinu se v primeru zaustavitve oskrbe s plinom bloka plinske turbine prenese na delno obremenitev, dizelsko gorivo ali utekočinjeni plini (propan-butan) pa se uporabljajo kot rezervno gorivo. Možne možnosti za vgradnjo plinske turbine: oskrba z električno energijo ali kombinirana oskrba z električno energijo in toplotno energijo.

Soproizvodnja

Proizvodnja električne energije s sočasno proizvodnjo povezane toplotne energije se imenuje kogeneracija. Ta tehnologija lahko bistveno izboljša ekonomsko učinkovitost porabe goriva. V odvisnosti od potreb se lahko plinska turbina dodatno opremi z vodnimi kotli ali parnimi kotli. To omogoča, da dobite toplo vodo ali paro različnih tlak.

Z optimalno uporabo dveh vrst energije, maksimum gospodarski učinek kogeneracije in koeficient izkoriščenosti goriva (KIT) doseže 90%. V tem primeru se toplota izpušnih plinov in toplotna energija iz hladilnega sistema enot, ki vrtita električni generator (dejansko odpadna energija), uporablja za predvideni namen. Po potrebi se lahko toplota, ki jo je mogoče reciklirati, uporabi za proizvodnjo hladnih v absorpcijskih strojih (trigeneracija). Kogeneracijski sistem sestavljajo štirje ključni deli: primarni motor (plinska turbina), električni generator, sistem za rekuperacijo toplote, nadzorni in nadzorni sistem.

Upravljanje

Obstajata dva glavna načina delovanja, v katerih delujejo plinske turbine:

• Stacionarno. V tem načinu turbina deluje s fiksno nominalno ali delno obremenitvijo. Do nedavnega je bil stacionarni način glavni za GTU. Turbina je bila večkrat letno ugasnjena za načrtovana popravila ali v primeru napak.
• Spremenljiv način omogoča spreminjanje moči GTU. Potrebo po spremembi načina delovanja turbine lahko povzroči eden od dveh razlogov: če se je moč, ki jo porabi električni generator, spremenila zaradi spremembe potrošniške obremenitve, povezane z njo, in če se je spremenil atmosferski tlak in temperatura zraka, ki ga vbrizga kompresor. Nestabilni načini in najtežje vključujejo zaustavitev in zagon plinske turbine. V slednjem mora voznik plinske turbine opraviti številne operacije pred prvim potiskom rotorja. Pred polnim začetkom namestitve se izvede predhodna promocija rotorja.

Spreminjanje načina delovanja instalacije se izvede s prilagajanjem dovoda goriva gorilniku. Glavna naloga upravljanja plinske turbine je zagotoviti potrebno energijo. Izjema je elektrarna s plinsko turbino, za katero je glavna naloga kontrola stalnost frekvence rasti, ki je povezana z turbino električnega generatorja.

Energetske aplikacije

Pri stacionarni elektroenergetiki se plinske turbine uporabljajo za različne namene. Plinske turbine se kot glavni pogonski motorji električnih generatorjev v termoelektrarnah uporabljajo predvsem na območjih z zadostno količino zemeljskega plina. Zaradi možnosti hitrega zagona se GTU pogosto uporablja za pokrivanje maksimalnih obremenitev v elektroenergetskih sistemih v obdobjih maksimalne porabe energije. Redundantne plinske turbinske enote zagotavljajo notranje potrebe termoelektrarn med zaustavitvijo glavne opreme.

Učinkovitost

Na splošno je električna učinkovitost plinskih turbin nižja kot pri drugih energetskih enotah. Toda s polno uresničitvijo toplotnega potenciala plinske turbinske enote je pomen tega indikatorja manj pomemben. Za močne plinske turbinske instalacije obstaja inženirski pristop, ki vključuje kombinirano uporabo dveh vrst turbin zaradi visoke temperature izpušnih plinov.

Pridobljena toplotna energija se uporablja za proizvodnjo pare za parno turbino, ki se uporablja vzporedno s plinsko turbino. To poveča električni izkoristek do 59% in znatno poveča učinkovitost porabe goriva. Pomanjkljivost tega pristopa je konstruktivna kompleksnost in vrednotenje projekta. Razmerje med električno in toplotno energijo, ki jo proizvaja plinska turbina, je približno 1: 2, to je 20 megavatov toplote za 10 MW električne energije.

Prednosti in slabosti

Prednosti plinskih turbin vključujejo:

• Preprostost naprave. Zaradi pomanjkanja kotlovne enote, kompleksnega sistema cevovodov in različnih pomožnih mehanizmov je poraba kovin na enoto moči plinskih turbin veliko manjša.
• Minimalna poraba vode, ki je potrebna v GTU, je namenjena samo ohlajanju olja, ki se dobavlja na ležaje.
• Hitro zagon. Za plinske turbinske enote čas zagona iz hladnega stanja pred sprejemom tovora ne presega 20 minut. Za parne elektrarne je zagon TPP nekaj ur.

Slabosti:

• Plinske turbinske enote uporabljajo plin z zelo visoko začetno temperaturo - več kot 550 stopinj. To povzroča težave pri praktičnem izvajanju plinskih turbin, saj so za najbolj ogrevane dele potrebni posebni toplotno odporni materiali in posebni hladilni sistemi.
• Približno polovica moči turbine se porabi za pogon kompresorja.
• GTU je omejena na gorivo, zemeljski plin ali se uporablja visoko kakovostno tekoče gorivo.
• Moč ene plinske turbine je omejena na 150 MW.

Ekologija

Pozitivni dejavnik pri uporabi GTU je minimalna vsebnost škodljivih snovi v emisijah. Po tem merilu so plinske turbine pred njihovimi najbližjimi konkurenti - batnimi elektrarnami. Plinski turbinski agregati so zaradi svoje prijaznosti do okolja lahko postavljeni v neposredni bližini krajev, kjer živijo. Nizka vsebnost škodljivih emisij pri delovanju plinskih turbin prihrani denar pri gradnji dimnikov in pridobivanju katalizatorjev.

Ekonomika GTU

Na prvi pogled so cene plinskih turbin precej visoke, vendar z objektivno oceno zmogljivosti te energetske opreme veljajo vsi vidiki. Visoke kapitalske naložbe na začetku energetskega projekta se v celoti nadomestijo z nepomembnimi stroški za nadaljnje delovanje. Poleg tega se znatno zmanjšajo okoljska plačila, zmanjšajo stroški za nakup električne energije in toplote ter zmanjšajo vpliv na okolje in prebivalstvo. Zaradi navedenih razlogov se vsako leto kupi in namesti na stotine novih plinskih turbin.