Применение газотурбинных установок в энергетике России

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Применение газотурбинных установок в энергетике России

В 50 - 60 х годах 20 века СССР вел активную политику развития энергетики. Акцент в большей степени делался на строительство крупных энергетических центров, обеспечивающих электроэнергией и теплом сразу большое число населенных пунктов. Именно в то время в нашей стране появилось большое количество высокомощных ТЭС, работающих на угле, нефти и природном газе. Такие крупные центры обеспечивали теплом и электроэнергией большое число населенных пунктов, посредством распределительных сетей. Эксплуатационные емкости оборудования ТЭС были выработаны уже 40 лет назад. Однако, многие станции до сих пор функционируют и являются большой проблемой для окружающей среды и экономики нашей страны. Эти районы считаются депрессивными и требуют введения новых технологических схем. Установка газовых турбин в 70е годы вместо отслуживших паротурбинных установок позволила продлить срок службы ТЭС, а также увеличить электрическую мощность при неизменной тепловой нагрузке. Для ТЭЦ с газотурбинной установкой (ГТУ) КПД достигало 76-88% [1].

Сегодня наша страна остается под влиянием так называемого «сырьевого проклятья». Мы активно улучшаем технологии, снижаем выбросы СО2, однако большую часть электроэнергии мы продолжаем вырабатывать на ТЭЦ (рис. 1).

Потребление первичных энергоресурсов в России в 2013 г.

Почти 90% электроэнергии мы получаем за счет сжигания углеводородного топлива. С приходом рыночной экономики и сменой индустриального курса развития на постиндустриальный снизились общие нагрузки на энергосистемы и энергосети, сокращаются капитальные вложения в их реконструкцию и развитие. В результате чего энергетика работает на грани истощения своего производственного потенциала. Однако потребление электроэнергии растет, но строительство новых крупных электростанций представляется нерентабельным. В связи с этим возникает угроза дефицита электроэнергии. Перспектива улучшения ситуации видится в использовании энергии АЭС, ГЭС и альтернативных источников энергии. Реформирование энергетики в основном направлено на обеспечение существенного увеличения эффективности генерирующих мощностей действующей энергосистемы в целом. Для повышения мощности выработки энергии электроэнергетике активно используются газотурбинные (ГТД) и газопоршневые (ГПД) двигатели [3].

На сегодняшний день существует несколько основных путей совершенствования работы энергетического блока с помощью ГТУ. Рассмотрим некоторые из них.

Самым простым способом увеличения мощности электростанций является поиск возможности выработки дополнительного количества энергии для обеспечения собственных нужд станции. Большинство современных электростанций для обеспечения собственных нужд используют электродвигатели. Электростанция не постоянно функционирует на 100% собственной мощности. Обычно станция работает в переменном режиме от 50% до 100% мощности. Основным недостатком электродвигателя является то, что он не способен реагировать на смену режима работы электростанции и имеет постоянное число оборотов. В настоящее время в качестве привода эффективнее использовать газовую турбину. Она проста в обслуживании и при пуске. Кроме того, преимуществом газовой турбины является то, что выходящие из нее газы имеют высокую температуру. Осуществляя забор этих высокотемпературных газов, можно повысить эффективность парогазового цикла или увеличить выработку тепловой энергии. Замена электропривода газовой турбиной позволяет увеличить выработку электроэнергии в системе. Это позволяет снизить капитальные затраты на электропривод и уменьшить расход топлива в паротурбинном цикле за счет использования тепла от ГТУ. Однако появляются дополнительные расходы на обслуживание работы газовой турбины и на ее установку. Выгода от замены электропривода газовой турбиной будет в том случае, если продажи дополнительной электроэнергии и снижения затрат на электропривод будет выше дополнительных затрат на топливо в газотурбинном и паротурбинном цикле и капитальных затрат на ГТУ [4].

Другим перспективным методом совершенствования электростанций является когенерация. Это относительно молодой термин, который обозначает совместную выработку электроэнергии и тепла для повышения термодинамической и энергетической эффективности. В настоящее время данный метод является перспективно и активно поддерживается государственной политикой. Согласно ФЗ №190 «О теплоснабжении» от 27.07.2010 одним из принципов государственной политики в сфере теплоснабжения является обеспечение приоритетного использования комбинированной выработки электрической и тепловой энергии для организации теплоснабжения [5]. Основной задачей работающей ТЭЦ является производство и доставка к потребителю электроэнергии. Дополнительное производство тепла является вторичной задачей и позволяет снизить себестоимость производства электроэнергии. При этом «экономический эффект определяется снижением потерь в конденсаторах турбин за счет утилизации остаточной энергии рабочего тела на конечном этапе технологического процесса». Основной же целью когенерации является выработка тепловой энергии нужных параметров и по заданному графику нагрузки, а полученная электрическая энергия является сопутствующим продуктом, повышающим экономичность всей установки. [6]. КПД установки увеличивается при ее использовании для совместного производства тепла и электроэнергии. Так, например, на заводе «Авиадвигатель» г.

Перми спроектирована ГТУ-ТЭЦ на базе ГТУ-16П. КПД данной установки составляет от 86 до 88% [3].

Продление жизни ТЭС является важной задачей, однако в ближайшее время России необходимо сокращать использование углеводородного топлива для тепло- и электрофикации. Это связано с тем, что цены на выброс СО2 растут, цена на нефть нестабильна, а также функционирование ТЭС противоречит экологическому вектору развития энергетики в мире. Самым перспективным видом энергетики для России является атомная энергетика. Причинами этого является высокое развитие отечественных технологий в атомной сфере, небольшое число сейсмоопасных районов, а также возможность строительства маленьких автономных АЭС. В сибирском регионе России плотность населения низкая, а численность большинства населенных пунктов не превышает нескольких сотен тысяч человек. Строительство больших электростанций в таких районах представляется невыгодным и слишком затратным, а от существующих энергетических центров данные районы оторваны. Строительство децентрализованных источников тепловой и электрической энергии, работающих в режиме когенерации, может стать решением проблемы теплофикации северных районов страны. Атомная энергетика привлекательна еще и по причине практического отсутствия вредных выбросов в атмосферу и другие природные среды, а также низких рисков возникновения чрезвычайных ситуаций. На рисунке 2 видно, что использование атомной энергии растет и будет очень быстро усиливать свои позиции в энергетическом блоке России в ближайшие годы. Газотурбинные установки на АЭС предлагается использовать в качестве надстройки для осуществления когенерации. Совместное производство тепла и электроэнергии на АЭС позволяет почти в 1,5 раза увеличить мощность, не используя дорогостоящие технологические схемы, позволяющие повышать КПД. Преимуществом когенерации над выработкой электроэнергии является то, что КПД при работе по теплофикационному циклу можно поднять до 75% и более. КПД современных АЭС обычно не превышает 40%, в связи с чем для атомной энергетики когенерация тепла и электроэнергии выглядит очень привлекательной и перспективной. Основной проблемой создания надстроек из ГТУ на АЭС является отсутствие норм безопасности и нормативной документации по правилам размещения и эксплуатации подобных систем. Для обеспечения безопасности предлагается выносить ГТУ в отдельное здание, находящееся на расстоянии 1 км от ядерного энергетического блока. Потери мощности при этом минимальны [7].

Сейчас ведется много работ и по усовершенствованию самой ГТУ. Для АЭС существует интересное предложение использовать ГТУ замкнутого цикла. Атомные закрытые газотурбинные установки (АЗГТУ) предполагают объединение работы реакторов типа ВТГР с ГТУ. В качестве рабочего тела и одновременно охладителя предлагается использовать гелий, обладающий хорошими термодинамическими свойствами. Главной причиной ограниченного использования АЗГТУ является неудобство размещения огневого подогревателя для получения высоких температур газа перед турбиной. Этот недостаток ликвидируется при использовании в качестве подогревателя атомного реактора. Высокая интенсивность выделения энергии ядерного реактора требует применения теплоносителей с высокой теплопроводностью, обеспечивающих одновременно интенсивный отвод тепла и относительно небольшие затраты на перекачку теплоносителя через активную зону [9].

Потребление атомной энергии в% от общего потребления энергии в России с прогнозом на 10 лет [8]

энергетика газотурбинный электростанция

Сегодня существуют и другие технологии, позволяющие осуществлять когенерацию на ТЭЦ. Так, например, газопоршневой двигатель (ГПД) является более простым при эксплуатации. Ремонт ГПД осуществляется на месте, тогда как ГТД необходимо вывозить в специальный ремонтный цех. КПД при работе на разном уровне мощности у ГТУ снижается, тогда как на эффективность работы ГПД это не влияет. ГПД в целом обеспечивает более надежную систему энергоснабжения. Однако размещение ГПД не всегда возможно. Он требует больше места для размещения. Таким образом ГТУ не является преимущественным вариантом осуществления когенерации, однако до сих пор находит широкое применение [6].

В заключение можно сказать, что на сегодняшний день существует много технологических и теоретических предпосылок успешной модернизации энергетического блока России. Газотурбинные двигатели и газотурбинные установки при правильном преобразовании и уместном использовании могут внести весомый вклад в обеспечение надежности энергоснабжения. Основным направлением развития энергетики России является совместная выработка тепла и электроэнергии, где ГТУ также могут сыграть большую роль. Главной задачей применения ГТУ является повышение КПД имеющихся электростанций и автономных энергетических установок.

Список литературы

1. Рассохин Н.А. Стратегии нефтегазовых ТНК в странах Африки южнее Сахары: [Текст]: автореф. дис. на соиск. учен. степ. канд. экон. наук / Рассохин Никита Андреевич. - Москва, 2015. - 182 с.

2. Дьяков А.Ф., Попырин Л.С. Перспективные направления применения газотурбинных и парогазовых установок в энергетике России / Теплоэнергетика №2, 1997. С. 59-64.

3. Курапин А.В., Гостевская О.В., Сторожаков С.Ю. Перспективы использования автономных источников энергоснабжения/ Вести Волгоградского государственного университета №3 (12), 2014. С. 77-83

4. Галашов Н.Н. Эффективность применения газовых турбин на ТЭС для привода собственных нужд / Известия Томского политехнического университета №4 (312), 2008. С. 48-50.

5. Федеральный закон от 27.07.2010 №190-ФЗ (ред. от 19.12.2016) «О теплоснабжении».

6. Басок Б.И., Базеев Е.Т., Диденко В.М., Коломейко Д.А. Анализ когенерационных установок. Часть I. Классификация и основные показатели / Промышленная теплотехника т. 28, №3, 2008. С. 83-89.

7. Курский А.С. Эффективность использования малой атомной энергетики для теплофикации / Известия вузов. Ядерная энергетика №4, 2013. С. 37-44.

8. World Bank Group - International Development, Poverty, & Sustainability [Электронный ресурс]. Alternative and nuclear energy (% of total energy use). URL: http://www.worldbank.org (дата обращения 3.07.2017).

9. Марченко Г.Н., Петрушенко Ю.Я., Дружинин Г.И., Учарова А.У. Ядерные газотурбинные установки замкнутого цикла / Проблемы энергетики №5-6, 2008. C. 86-97.

Размещено на Allbest.ru