VII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2015

Проблемы отечественной энергетики напрямую связаны не только с выработкой ресурса энергогенерирующим оборудованием, но и с его моральным старением, поэтому простая его замена на новые установки старого образца принципиально ничего не решает.

Развитие энергетики страны в последнее время, в основном, за счет ввода новых паротурбинных агрегатов, имеющих более высокие начальные параметры и большую единичную мощность позволяло снижать удельный расход топлива за счёт уменьшения удельных затрат на собственные нужды.

Однако эксплуатация устаревших тепловых электростанций в маневровом режиме грозит выходом из строя энергосистемы [1]. Чтобы предотвратить это, необходимо обеспечить работу ТЭС в условиях, близких к постоянной нагрузке, т.е. использовать для покрытия дефицита электроэнергии в дневное время какие-то другие источники энергии.

Для этой цели могут быть использованы промышленные газовые турбины, хорошо приспособленные для работы в маневровом режиме. Газовые турбины являются одной из главных составляющих топливно-энергетического комплекса многих стран мира. Сегодня более 65% новых электрогенерирующих мощностей, вводимых в эксплуатацию в мире (базовый и маневровый режимы), основываются на использовании парогазовых установок (ПГУ) и газотурбинных тепловых электростанций, превосходящих по многим показателям традиционные пылеугольные паротурбинные станции.

Газовые турбины нового поколения имеют высокий коэффициент полезного действия, характеризуются высокой эксплуатационной надежностью, производятся во всем мире и обеспечены развитой системой сервисного обслуживания. Они применяются в широком диапазоне мощностей, используются в дежурном режиме (ожидание), для покрытия пиковых нагрузок, а также при постоянной нагрузке.

В связи с широким использованием газа в качестве топлива экономичность газовых турбин приобретает особую важность. Этот показатель важен для снижения расхода природного газа на собственные нужды и уменьшения выбросов в атмосферу диоксида углерода (при сжигании 1 кг природного газа образуется 1,8 кг СО₂), а также вредных оксидов азота и углерода (NO_x, СО). Достижение высокой экономичности газотурбинных установок связано, в первую очередь, с величиной температуры продуктов сгорания после камеры сгорания. Однако при современном уровне развития материаловедения дальнейшее повышение температуры продуктов сгорания наталкивается на серьезные трудности. Поэтому в последние годы интенсивное развитие получили газотурбинные установки, работающие по сложным термодинамическим циклам. К таким циклам относятся регенеративный цикл (теплообменник-регенератор на выходе газовой турбины), циклы с промежуточным охлаждением воздуха в процессе сжатия или с подогревом продуктов сгорания в процессе расширения, подача пара в проточную часть газовой турбины, подача пара и утилизация воды в конденсаторе на выходе, бинарный воздушный цикл. Использование сложных термодинамических циклов позволяет повысить мощность и к. п. д. промышленных газотурбинных установок без существенного увеличения температуры продуктов сгорания и за счет этого применять проверенные практикой конструкционные материалы и газотурбинные технологии. Однако освоение сложных циклов связано с усложнением конструкции, увеличением стоимости производства, приводит к дополнительным сложностям при эксплуатации и техническом обслуживании. Снизить затраты на производство дополнительной энергии позволяет применение давно известных парогазовых циклов, основанных на комбинировании паровых и газовых турбин для совместной выработки тепловой и электрической энергии и реализуемых в парогазовых установках [2].

Парогазовая установка состоит из двух отдельных установок: паросиловой и газотурбинной. В газотурбинной установке турбину вращают газообразные продукты сгорания топлива. Топливом может служить как природный газ, так и продукты нефтепереработки (мазут, дизтопливо). На одном валу с турбиной находится первый генератор, который за счет вращения ротора вырабатывает электрический ток. Проходя через турбину, продукты сгорания отдают ей лишь часть своей энергии и на выходе из турбины все ещё имеют высокую температуру. С выхода из турбины продукты сгорания поступают в котел-утилизатор паросиловой установки, где нагревают воду и перегревают образующийся водяной пар. Температура продуктов сгорания достаточна для того, чтобы получить пар с параметрами, необходимыми для использования в паровой турбине (температура до 500˚С при давлении до 8-10 МПа). Паровая турбина приводит в действие второй электрогенератор. Существуют парогазовые установки, у которых паровая и газовая турбины находятся на одном валу, в этом случае устанавливается только один генератор. Основным видом топлива для парогазовых установок всех типов является природный газ. В качестве резервного топлива в сравнительно небольших объемах может использоваться дизельное и газотурбинное жидкое топливо. Парогазовые установки (ПГУ), кроме того, имеют ряд преимуществ, которые делают их применение все более востребованным на ТЭЦ в России и других странах, таких как повышенный КПД, низкая стоимость единицы установленной мощности, быстрый ввод, улучшенные экологические характеристики.

Поскольку к настоящему времени в России открыто более 700 газовых, газо-конденсатных и газонефтяных месторождений, из которых в разработку вовлечено около 300, подготовлено к промышленному освоению 60 и в стадии разведки находится более 200 месторождений, то использование парогазовых циклов в сочетании с газовыми турбинами последнего поколения (КПД цикла около 60%) при замещении старой паросиловой электрической мощности с КПД 38-40 % позволит существенно повысить выработку тепловой и электрической энергии при минимизации капитальных вложений и более, чем в 2 раза снизить объём выбросов NO_x в атмосферу и тепловое загрязнение местных рек или других водоёмов, вода из которых используется для охлаждения конденсаторов паровых турбин.

Литература

1. Рысаков С.А. Проблемы внедрения парогазовых турбин в России // Энергосистема, № 7, 2009 г., с.11-16

2. Цанаев С.В., Буров В.Д., Ремезов А.Н. Газотурбинные и парогазовые установки тепловых электростанций, М.: МЭИ, 2009 г., 581 с.