ВОЗМОЖНОСТИ КОГЕНЕРАЦИИ НА ОСНОВЕ ГАЗОТУРБИННЫХ УСТАНОВОК

POSSIBILITIES OF COGENERATION BASED ON GAS TURBINES

Artem Khizbullin

master's degree student of the Department of Energy Engineering, Kazan State Power Engineering University,

Russia, Kazan

Guzel Rashidovna

PhD in Engineering, head of the Department of Energy Engineering, Kazan State Power Engineering University,

Russia, Kazan

Svetlana Timofeeva

Candidate of Science, Senior Lecturer of the Department of Energy Engineering, Kazan State Power Engineering University,

Russia, Kazan

АННОТАЦИЯ

В данной статье рассмотрена возможность применения когенерационных установок на основе современных ГТУ, которые позволят снабжать тепловой и электрической энергией населенные пункты. Важными достоинствами таких установок является высокий КПД и надежность в эксплуатации. Когенерационная выработка тепловой и электрической энергии на основе ГТУ позволяет увеличить КПД до 90%.

ABSTRACT

In this article we consider the possibility of using cogeneration plants based on modern GTUs, which will allow to supply heat and electricity to settlements. Important advantages of such units are high efficiency and reliability in operation. Cogeneration generation of heat and electricity on the basis of GTU allows to increase efficiency up to 90%.

Ключевые слова: газотурбинная установка, когенерация, энергетика, тепловая и электрическая энергия.

Keywords: gas turbine plant, cogeneration, power generation, heat and electricity.

В связи с увеличением производственных мощностей, и связанного с этим энергопотребления появляется актуальность в разработке и внедрения высокоэффективных способах и методах выработки и преобразования энергии. Автономные установки комбинированного производства электрической и тепловой энергии, так называемые когенераторы, на сегодняшний день являются весьма актуальными и перспективными. Развитию когенерации способствуют такие важные факторы, как увеличение цен на электроэнергию и природный газ, необходимость модернизации электроэнергетики и теплового хозяйства вследствие высокой степени износа, тенденция к увеличению спроса на электроэнергию [1]. В мировой практике природный газ используют в первую очередь в газотурбинных и парогазовых установках. Однако, важным представляется и аспект использования в качестве топлива газа, альтернативного природному, полученного из углеродсодержащего сырья [2]. 

Целью данной статьи является рассмотрение возможности применения когенерации на основе современных газотурбинных установок.

Перспективы энергоснабжения на основе когенерации

В настоящее время в России наблюдается тенденция к использованию децентрализованных комбинированных источников теплоснабжения и электроснабжения - данный метод называется "когенерация". Когенерация может применяться как при строительстве новых энергетических объектов, так и при модернизации существующих котельных [3, 4].  

Рисунок 1. Распределение энергетических установок с когенерацией по странам

На диаграмме (рис. 1) наблюдается, что другие страны активно применяют технологии с когенерационным циклом, позволяющем оптимизировать затраты на выработку электрической и тепловой энергии. За рубежом данный проект активно поддерживается финансированием государства.

Для энергообеспечения небольших поселков, районов крупных городов, промышленных предприятий особенно актуальны технологии когенерации на основе мини-ТЭЦ. Когенерационные системы различаются на базе газотурбинных установок и газопоршневых двигателях [5].

При применении газотурбинных когенеративных энергетических установок главным достоинством является высокая электрическая и тепловая экономичность, надежность энергоснабжения, которая достигается за счет базового режима их работы на тепловом потреблении (отопление, горячее водоснабжение, отпуск тепла для производственных нужд) [6]. Также когенеративные ГТУ характеризуются минимальными объемами вредных выбросов в окружающую среду. На рис. 2 изображена схема когенерационной системы, основой которой является ГТУ.

Рисунок 2. Схема когенерационной системы с ГТУ

В камеру сгорания ГТУ нагнетается газ, который при смешивании с воздухом образует смесь, которая сжигается при высокой температуре.  В результате образуются продукты сгорания с высокой температурой 900–1200°С. Направляясь на лопатки турбины, приводят к ее вращению. На валу турбины образуется механическая энергия, которая передается на генератор, где производится электроэнергия. Уходящие газы характеризуются высокой температурой, поэтому целесообразно их направлять котел-утилизатор для утилизации теплоты.

В Западной Европе, США и Японии широко используются газотурбинные и парогазовые установки с газовыми турбинами единичной мощностью до 200 МВт и с начальной температурой до 1250°C.

Применение газотурбинных установок в когенерационных технологиях

Главными достоинствами применения ГТУ являются малый удельный вес, компактность, простота транспортировки, минимальное количество вредных газообразных выбросов. При строительстве ГТУ отмечается невысокая стоимость строительных и монтажных работ, короткие сроки строительства [5]. В качестве недостатка можно отметить необходимость дополнительных расходов на сооружение газокомпрессорной дожимающей станции. Для работы ГТУ требуется природный газ с давлением 2,5 МПа, а в городских сетях давление газа составляет 1,2 МПа.

Ведущими разработчиками и производителями ГТУ на мировом рынке являются Siemens, General Electric, Alstom, Mitsubishi. В России ГТУ производятся в ООО «Сименс - Технологии Газовых Турбин», ООО «Русские газовые турбины», ОАО «НПО Сатурн», АО КМПО и др.

Электрический КПД ГТУ варьирует от 29% до 38%. К методам повышения показателя термического КПД относят регенерацию теплоты, многоступенчатое сжатие воздуха с промежуточным охлаждением, а также многоступенчатое сгорание топлива. Кроме того, значительно увеличивается ресурс газотурбинных установок.

 При эксплуатации ГТУ выделяются выхлопные газы с высокой температурой, что позволяет использовать комбинирование паровых и газовых турбин. Когенерационная выработка тепловой и электрической энергии на основе ГТУ позволяет увеличить общий КПД до 90% по сравнению с классической схемой производства энергии (рис. 3, 4) [4]. Классическая схема основана на независимом производстве энергии, в котором электричество вырабатывается на электростанции, а тепло в котельных.

Рисунок 3. Схема производства тепловой и электрической энергии

Рисунок 4. Схема когенерационного производства энергии на основе ГТУ

Анализ экономической эффективности ГТУ должен включать в себя учет затрат на энергоносители и эксплуатационные материалы, на проектирование, покупку оборудования, монтаж, наладку, инженерные коммуникации. Основным критерием при этом является себестоимость энергии, размер капиталовложений,  срок окупаемости проекта.

Выводы

Рассмотрена возможность применения когенерационных установок на основе современных ГТУ, которые позволят снабжать тепловой и электрической энергией населенные пункты. Важными достоинствами таких установок является высокий КПД и надежность в эксплуатации. Когенерационная выработка тепловой и электрической энергии на основе ГТУ позволяет увеличить КПД до 90%.

Список литературы:

1. Дильман М.Д. Требования к топливной эффективности перспективных когенерационных установок / М.Д. Дильман, С.П. Филиппов // Известия Академии наук. Энергетика. – 2017. - №5. – С. 102-111.
2. Марьин Г.Е. Критерии выбора составов топлив при их сжигании в газотурбинных установках с незначительными переделками топливной системы» / Г.Е. Марьин, Б.М. Осипов // Вестник Иркутского государственного технического университета. - 2020. - Т. 24. - № 2.
3. Клименко В.Н. Энергетические характеристики когенерационной установки на частичных тепловых нагрузках / В.Н. Клименко П.П. Сабашук, Ю.Г. Клименко, А.И. Мазур, В.А. Ванин // Промышленная теплотехника. – 1997. – Т. 19, № 3. – С. 51-56.
4. Филиппов С.П. Перспективы использования когенерационных установок при реконструкции котельных / С.П. Филиппов, М.Д. Дильман // Промышленная энергетика. - 2014. - № 4. - С. 7–11.
5. Дильман М.Д. Повышение эффективности коммунальной и промышленной энергетики за счет развития распределенной когенерации / М.Д Дильман // Промышленные и отопительные котельные и мини-ТЭЦ. – 2016. - №2.
6. Сеннова Е.В. Эффективность развития малых ТЭЦ на базе газотурбинных и дизельных установок при газификации регионов / Е.В. Сеннова, А.В. Федяев, О.Н. Федяева // Теплоэнергетика. – 2000. – № 12. – С. 35–39.
7. Huda Z. Enhancing power output and profitability through energy-efficiency techniques and advanced materials in today’s industrial gas turbines / Z. Huda, T. Zaharinie, H. Al-Ansary //  International Journal of Mechanical and Materials Engineering. -2014. - No. 9(1).
8. Томаров Г.В. Мини-ТЭЦ на основе когенерационных технологий / Г.В. Томаров, В.С. Рабенко, В.А. Буданов // Вестник ИГЭУ. – 2008. - Вып. 2. – С.1-6.