Газотурбинные электростанции (ГТЭС)

Газотурбинные электростанции (ГТЭС) продолжают эксплуатироваться по всему миру, поскольку они используют наиболее доступное ископаемое топливо (уголь, природный газ, нефтепродукты) для обеспечения растущей экономики дешевой энергией.

По мнению EIA, как минимум до 2050 года тепловые электростанции, работающие на ископаемом топливе, останутся важны для надежного электроснабжения.

В связи с распространением возобновляемых источников энергии они играют ведущую роль в стабилизации энергосистемы независимо от ветра или солнечного излучения.

ГТЭС способны выйти на полную мощность за несколько минут, поэтому они особенно подходят для компенсации краткосрочных пиковых нагрузок.

На пути к энергоснабжению будущего, основанном на возобновляемых источниках энергии, эти гибкие быстро развертываемые электростанции будут играть важную роль. Эти объекты помогают сократить разрыв, который возникает между спросом на электроэнергию и сильно колеблющимся генерированием ВИЭ.

Инвестиционные затраты на газотурбинные электростанции относительно низкие по сравнению с другими типами электростанции и составляют порядка 1 миллиона евро на мегаватт установленной мощности.

Недостатком этого типа силовой установки является довольно низкий КПД, который составляет порядка 40%.

Если же, с другой стороны, отработанное тепло, образующееся при сгорании, дополнительно использовать для выработки электроэнергии, эффективность системы повышается до 65%.

Такие объекты известны как парогазовые электростанции с комбинированным циклом (ПГЭС).

Международная компания ESFC предлагает полный комплекс услуг, связанных со строительством газотурбинных электростанций, включая следующее:

• Проектное финансирование.
• Проведение прединвестиционных исследований.
• Разработка технико-экономического обоснования.
• Инженерное проектирование газотурбинной электростанции.
• Закупка оборудования у ведущих мировых производителей.
• Строительство и установка оборудования.
• Пробный запуск и эксплуатация объектов.
• Обслуживание и ремонт.
• Обучение персонала.
• Модернизация.

Обратитесь к консультантам ESFC, чтобы узнать больше о наших услугах.

Газотурбинные электростанции: теоретические основы

Начало технологии газовых турбин относится к XVIII веку, а первые патенты на газовые турбины были выданы в конце XIX века.

Однако решения, предложенные Францем Штольце и Чарльзом Кертисом, долгое время были бесполезны, поскольку количество энергии, необходимое для работы компрессора, превышало энергию на выходе турбины.

Строительство газотурбинных электростанций было невозможным вплоть до второй половины XX века, так как это было связано с превышением максимальных технических и температурных параметров материалов и компонентов, используемых в то время при производстве турбин. В последующие годы разработка турбин была в основном сосредоточена в авиации и ракетном оружии.

1950-е годы были периодом быстрого развития турбин и газотурбинных двигателей.

Крупнейшие производители, такие как Westinghouse или General Electric, создали совместные команды, которые активизировали работу по созданию новых, более эффективных устройств.

Принцип действия газотурбинных электростанций прост.

Всасываемый воздух сжимается в камере сгорания газовой турбины и смешивается с топливом (преимущественно природный газ). Эта смесь воспламеняется и горит с образованием газа температурой до 1300-1500 градусов.

Современные высокоэффективные турбины преобразуют значительную часть этой тепловой энергии в кинетическую энергию вращающегося вала. Подключенный к газовой турбине генератор переменного тока вырабатывает электроэнергию.

Газотурбинная электростанция состоит из нескольких компонентов:

• Газовая турбина.
• Генератор переменного тока.
• Системы трубопроводов и воздуховодов.
• Воздухоочистительные системы.
• Система автоматического управления.
• Электрическая подстанция.
• Площадки обслуживания и др.

Только в начале 60-х годов прошлого века использование газовых турбин в электроэнергетике приобрело новый импульс.

Произошло это во многом за счет продвинутой стандартизации выпускаемых устройств.

Крупнейшие производители выбрали именно такие решения по нескольким причинам. В борьбе за рынок, на котором преобладали паровые системы, были предложены комплексные пакеты, включающие компрессоры, турбины и необходимое оборудование и средства управления, для создания полностью интегрированных систем производства электроэнергии.

Благодаря стандартизации такие системы производились серийно, а небольшие индивидуальные изменения вносились практически сразу, что существенно ограничивало рабочую нагрузку на конструкторов и сокращало итоговую стоимость комплектующих.

Кроме того, прогресс в разработке новых материалов и технологий охлаждения для производства газовых турбин позволил производителям повысить температуру сгорания и температуру газов, что привело к повышению общей эффективности системы.

Преимущества газовых турбин для энергетического сектора

Нынешний интерес к строительству газотурбинных электростанций возник по причине растущей нестабильности энергетических систем.

По мнению экспертов, большую роль сыграли впечатляющие системные сбои в энергосетях по всему миру. Бурный рост возобновляемых источников энергии потребовал внедрения технологий, которые за короткое время способны покрыть возрастающую нагрузку в часы пик.

Этим требованиям хорошо отвечают современные тепловые электростанции на основе газовых турбин, что и привело к увеличению количества этих объектов в энергосистемах на рубеже 60-70-х годов прошлого века.

Это направление успешно развивается и по сей день.

Таблица: быстрое сравнение газовых и паровых турбин для энергетики.

Параметр	Газовые турбины	Паровые турбины
Рабочий цикл	Цикл Брайтона	Цикл Ренкина
Удельная мощность	Высокая	Низкая
Требуемое место	Меньше	Больше
Гибкость эксплуатации	Высокая	Низкая
Зависимость от воды	Низкая	Высокая
Эффективность	Высокая	Низкая
Время строительства	Меньше	Больше

Главная особенность газовых турбин — их высокая эффективность и быстрый запуск.

Высокая эксплуатационная эффективность также является наиболее важным фактором, определяющим широкое применение этих установок в энергетическом секторе. Дополнительным аргументом в пользу газовых турбин является гораздо более низкий уровень выбросов загрязняющих веществ в окружающую среду.

При использовании природного газа в качестве топлива современная газовая турбина выходит на полную мощность всего за 5 минут при быстром запуске.

Надежная система позволяет быстро восстанавливать энергоснабжение в аварийных ситуациях, гарантируя энергетическую безопасность крупных предприятий и целых городов.

Поставки оборудования для ГТЭС: выбор газовой турбины

При организации закупок оборудования для строительства газотурбинных электростанций важно согласовать требуемые характеристики каждого компонента турбины.

Для этого наша инжиниринговая команда проводит многоэтапные консультации с заказчиками.

Основные конструктивные элементы газовой турбины включают воздухозаборник, компрессор, камеру сгорания и непосредственно рабочую часть. При выборе оборудования для строительства ГТЭС наши опытные специалисты определяют баланс технических характеристик каждого из этих элементов, чтобы система максимально соответствовала требованиям компании-заказчика и действующим стандартам.

Воздухозаборник

Система забора воздуха газовой турбины обеспечивает подачу чистого воздуха в турбину при наиболее подходящих условиях давления и температуры.

В воздухозаборнике устанавливаются фильтры различных типов, которые отвечают за удаление грязи (твердых частиц). Здесь также монтируются системы, которые регулируют температуру и способствуют попаданию максимального количества воздуха в турбину.

Воздушный компрессор

Функция компрессора заключается в повышении давления отфильтрованного воздуха для более эффективного сгорания топлива перед его поступлением в камеру сгорания.

Воздух с топливом смешивается в соотношении, которое зависит от турбины, но обычно составляет от 10:1 до 40:1. Процесс сжатия воздуха осуществляется в несколько этапов и потребляет значительную часть энергии, производимой газовой турбиной.

Управление воздухозаборником для поддержания горения осуществляется изменением угла наклона лопаток компрессора. Чем больше угол, тем большее количество воздуха поступает в компрессор и, следовательно, в камеру сгорания турбины.

Это оборудование используется для улучшения характеристик при частичной нагрузке газовой турбины.

Часть воздуха от компрессора используется для охлаждения лопаток и камеры сгорания, так что для данной цели используется примерно 50% общего количества воздуха.

Камера сгорания

В камере сгорания происходит горение газовоздушной смеси при определенном давлении.

Этот процесс требует подавать топливо под подходящим давлением, которое находится в диапазоне от 15 до 50 бар.

Для достижения оптимальной температуры и продления срока службы компонентов камеры, современные турбины используют от 300 до 400% теоретически необходимого для сгорания воздуха. С одной стороны, это позволяет эффективно контролировать температуру пламени, а с другой стороны способствует охлаждению самых горячих частей камеры.

Часть воздуха, выходящего из компрессора, направляется непосредственно к стенкам камеры сгорания, чтобы поддерживать ее температуру на достаточно низких значениях. Другая часть воздуха циркулирует между лопатками газовой турбины, выходя через отверстия в краях.

Параметры камеры сгорания во многом определяют характеристики турбины.

Рабочая часть турбины

Рабочая часть обеспечивает эффективное преобразование энергии, содержащейся в горячем газе, в механическую энергию вращения вала.

Значительная часть энергии может потребляться непосредственно компрессором.

Газы, которые входят в турбину при температуре 1300-1500ºC и давлении от 10 до 30 бар, выходят из сопла при 450-600ºC. Такая высокая температура означает, что содержащаяся в газах энергия может быть использована для улучшения характеристик газотурбинной электростанции, в том числе для выработки пара в котле-утилизаторе.

Затем этот пар вводится в отдельную паровую турбину, в результате чего достигается высокий КПД, превышающий 60-65% (КПД газовой турбины составляет 35-40%).

Современная тенденция развития тепловой энергетики в мире заключается в постепенной модернизации старых ТЭС с использованием комбинированного парогазового цикла. Такое техническое решение обеспечивает значительное повышение мощности и рост экономической эффективности энергетических объектов.

Строительство газотурбинных электростанций по ЕРС-контракту

По мере развития технологий становится очевидно, что строительство газотурбинных электростанций требует привлечения многочисленных инжиниринговых команд и более активного применения инновационных технологий на всех этапах проекта.

При стоимости проектов, исчисляемых сотнями тысяч евро за каждый мегаватт установленной мощности, газотурбинные электростанции традиционно считаются очень дорогостоящими энергетическими объектами.

Банковское и проектное финансирование, технические и юридические консультации, выбор поставщиков и подрядчиков — ответственность за реализацию таких проектов огромна.

Международная компания ESFC готова стать вашим надежным помощником при реализации крупных энергетических проектов в любой стране мира по формуле ЕРС.

Контракт EPC (инжиниринг, закупка, строительство) иногда называют строительством под ключ.

Это особая форма договорных взаимоотношений, основанная на подписании единого договора с генеральным подрядчиком (ЕРС-подрядчик), который несет полную ответственность за реализацию энергетического проекта.

ESFC предлагает финансирование и инжиниринговые услуги, профессиональный выбор и закупки оборудования, а также строительство ТЭС под ключ.

Инжиниринг включает следующие работы:

• Планирование.
• Проведение исследований.
• Согласование и получение разрешений.
• Составление сметы строительства.
• Подготовка технической документации.

На этом этапе заказчику представляются варианты проекта газотурбинной электростанции на основе полученных результатов исследований.

Важно найти лучшее решение, чтоб получить максимальную отдачу с минимально возможными инвестициями.

Стадия закупки и поставки оборудования включает:

• Составление требований.
• Организация и проведение тендеров.
• Переговоры с производителями и поставщиками.
• Получение и контроль качества оборудования.
• Практическая реализация сделок.
• Доставка оборудования на объект.

Заказчик может быть уверен, что турбины, трансформаторы, генераторы, электронное оборудование и все материалы, необходимые для начала строительства, будут заказаны, доставлены и оплачены строго в согласованный срок.

Стадия строительства является наиболее трудоемкой:

• Согласование графика строительства.
• Транспортировка материалов на строительную площадку.
• Строительные работы: металлоконструкции, здания, панели, кабели, ограждения.
• Консультации с заказчиками / инвесторами и отчеты со строительной площадки.
• Договора с субподрядчиками на отдельные виды работ.
• Завершение и сдача объекта в эксплуатацию.



Формула EPC имеет много преимуществ для заказчика.

В первую очередь это удобство и уверенность в том, что весь процесс строительства газотурбинной электростанции должен проходить в соответствии с законодательством и техническими требованиями.

ESFC с партнерами готовы взять полную ответственность за реализацию вашего амбициозного проекта от стадии чертежей до запуска и эксплуатации.

Направления модернизации газотурбинных электростанций

От газовых турбин для авиации всегда требовались наименьшие размеры и максимальная надежность.

В электроэнергетике габариты и вес перестали быть проблемой.

Более важным фактором стало снижение затрат на производство турбин.

Таким образом, теперь мы можем говорить о двух различных технологиях (авиационной и энергетической) и об их индивидуальных путях их развития.

Первые газовые турбины имели отдельные компрессорные и турбинные системы. Это были малоэффективные и технологически сложные решения. В настоящее время наиболее широко используемым решением является размещение компрессора и турбины на одной оси. Это упрощает конструкцию, увеличивает надежность и эффективность всей системы.

Одним из направлений модернизации ГТЭС является повышение температуры сгорания топлива, что стало возможно благодаря использованию стойких материалов и новейших конструкций турбин. Сегодня камеры сгорания проектируются так, чтобы свести к минимуму выброс вредных веществ NOx.

В настоящее время производители предлагают разные типы камер сгорания.

Например, это могут быть независимые устройства, размещенные вне конструкции турбины. Ряд последних технических решений представляют собой многосекционные камеры, расположенные кольцом вокруг газовой турбины.

На протяжении последних десятилетий прогресс в этой области был ограничен тепловыми возможностями материалов, из которых изготовлена первая ступень турбины. В этой области также был достигнут значительный прогресс.

Еще в 1960-х годах обычная температура газа на входе составляла 900°C, то уже в 1970-х годах это значение увеличилось до 1100°C. Используемые в настоящее время решения позволяют достигать 1500-1600°С.

В последнее время работа инженеров и конструкторов газовых турбин в основном сосредоточена на поиске новых материалов, которые смогут удовлетворить растущие требования в отношении высоких температур газов на входе в турбину.

Исследования проводятся с использованием все более сложных материалов. Также применяются такие необычные материалы, как керамика, которая становится альтернативой используемым в настоящее время металлам. Для повышения КПД и газовых турбин также исследуется множество дополнительных рабочих процедур.

Рабочая среда на входе в турбину тщательно фильтруется, чтобы исключить даже малейшие загрязнения.

Эти мероприятия защищают лопатки турбины от повреждений, повышают надежность работы и продлевают срок ее службы. Вместе с топливом в компрессор также нагнетается водяной пар. Эта операция резко увеличивает производительность и эффективность систем. В современным высокотемпературных турбинах активно используются системы охлаждения турбинных лопаток.

Важную роль играет компьютеризация и автоматизация газотурбинных электростанций, позволяющая оптимизировать нагрузку энергоблоков с учетом текущей потребности сети.

Установка современного оборудования и программного обеспечения обеспечивает существенное сокращение выбросов NOx на 60-80% с одновременным увеличением эксплуатационной гибкости без дорогой реконструкции оборудования.

Если вас интересует финансирование или расширение газотурбинной электростанции, вы можете в любое время связаться с нашей командой и получить подробную консультацию по ключевым аспектам вашего проекта.