Использование газотурбинной установки для повышения надежности системы электроснабжения технологических установок ГПЗ

Размещено на http://www.allbest.ru/

Использование газотурбинной установки для повышения надежности системы электроснабжения технологических установок ГПЗ

Матвейкин С.Н.,

Нелюбов В.М.

Газотурбинная установка (ГТУ) - это энергетическая установка, конструктивно объединяющая в себе газовую турбину, электрический генератор, газовоздушный тракт, системы управления, а также пусковое устройство, компрессор, теплообменный аппарат или котёл-утилизатор для подогрева сетевой воды для промышленного снабжения, или пара для поступления на паровую турбину, главной целью взаимодействия компонентов которой является выработка электроэнергии, путем сжигания топлива.

Воздушный компрессор осуществляет забор атмосферного воздуха и подачу его в камеру сгорания. В камере сгорания, путем сжигания топлива, газ под давлением направляется на газовую турбину. Посредством воздействия газа под давлением на лопатки турбины, она вращается, вращая при этом вал, к которому присоединен электрогенератор. Стоит отметить, что некоторая часть полученной энергии расходуется на сжатие воздуха в компрессоре.

Результатом работы всех вышеперечисленных процессов является электроэнергия и газ. Если после всего полученный газ пустить в котёл-утилизатор, а нагретый в нем пар под давлением пустить на паровую турбину, подключенную к дополнительному генератору, то газотурбинная установка (ГТУ) станет парогазовой установкой (ПГУ). Получается, что ПГУ - это более широкое понятие, включающее в себя ГТУ, а именно - самостоятельный энергоблок, где топливо используется один раз, а электроэнергия вырабатывается дважды: в газотурбинной установке и в паровой турбине. Этот цикл очень эффективный, и имеет КПД порядка 57 %. Этот результат позволяет значительно снизить расход топлива на получение киловатт-часа электроэнергии.

В последнее время для повышения эффективности работы электростанций получило распространение применение ГТУ как "надстройку" к существующей схеме ТЭЦ, а ПГУ на ГРЭСах, как самостоятельные энергоблоки. Работая на электростанциях, эти газовые турбины не только повышают "прогнозные технико-экономические показатели", но и улучшают управление генерацией, так как имеют высокую маневренность: быстроту пуска и набора мощности.

Разновидности ГТУ по циклу работ:

- С замкнутым циклом;

- С разомкнутым циклом.

Разновидности ГТУ по типу:

- ГТУ открытого типа, обладают камерой сгорания;

- ГТУ закрытого типа, не обладают камерой сгорания.

По конструкции:

- Сборные ГТУ;

- Блочно - модульные системы ГТУ (кластеры) - отличаются своей мобильностью, они состоят из унифицированных энергоблоков и общих управляющих систем, что позволяет за короткий период времени увеличивать электрическую мощность с наименьшими финансовыми и временными затратами. газотурбинный энергетический пусковой

Недостатки:

1) Сравнительно небольшой КПД работы. На привод компрессора расходуется до 50 - 70 % мощности, развиваемой турбиной. Поэтому полезная мощность газотурбинной установки гораздо меньше фактической мощности газовой турбины.

2) В газотурбинных установках исключено применение твердого топлива по обычной схеме. Мазут же требует специальной подготовки для удаления шлакообразующих примесей. Попутный газ с содержанием сероводорода требует специальной подготовки.

3) Высокая температура газа (>550 °С) вызывает определенные трудности при практическом выполнении газовых турбин, требуя, как специальных весьма жаростойких материалов, так и специальных систем охлаждения наиболее высокотемпературных частей.

4) Незначительный, но существующий вред окружающей среде.

Достоинства в сравнении с парогазовой установкой:

1) Высокая надежность работы.

2) Продолжительный ресурс работы (около 200 000 часов).

3) Использование оборудования в любых климатических условиях.

4) Умеренная цена строительства и небольшие затраты во время самой работы, ремонта и технического обслуживания, которые уменьшаются при применение блочно-модульной системы.

5) Небольшие габариты и вес, что позволяет располагать данное оборудование на небольших площадках, экономя затраты.

6) Незначительный уровень шума, а также вибрации. Данный показатель находится в пределах 65 - 85 дБА.

7) Незначительный вред, причиняемый окружающей среде. Способность работать на отходах самого производства. Выброс в атмосферу вредных веществ составляет 9-25 ppm.

8) Степень автоматизации газотурбинной электростанции, позволяющая отказаться от постоянного присутствия обслуживающего персонала в блоке управления. Контроль работы станции может осуществляться с главного щита управления, дистанционно.

9) Способность газотурбинного оборудования работать на различном топливе, что позволяет применять его практически в любом производстве.

10) Продолжительная работа с минимальной нагрузкой. Это касается и режима холостого хода.

11) Отсутствие водяного охлаждения.

12) Отсутствие применения в рабочем цикле газотурбинных установках моторного масла.

В настоящее время газотурбинные установки начали широко применяться в малой энергетике, в основном это установки с разомкнутым циклом.

Газотурбинные установки - ГТУ имеют единичную электрическую мощность от двадцати киловатт (микротурбины) и до нескольких сотен мегаватт. Самой мощной газовой турбиной в мире с полной мощностью 450 МВт является Siemens SGT5-8000H. Летом 2017 года на Казанской ТЭЦ-3 была запущена крупнейшая и наиболее эффективная в России ГТУ на базе газовой турбины 9HA.01 мощностью 405,6 МВт.

ГТУ обладают соотношением производимой электроэнергии к тепловой энергии примерно 1:2. То есть газотурбинная установка с электрической мощностью 10 МВт способна выдать около 20 МВт тепловой энергии. Для перевода МВт в ГКал используется коэффициент 1,163 (1,163 МВт = 1163 кВт = 1 Гкал).

ГТУ предназначены для эксплуатации в любых климатических условиях как основной или резервный источник электроэнергии и тепла для объектов производственного или бытового назначения. Области применения газотурбинных установок практически не ограничены: нефтегазодобывающая промышленность, промышленные предприятия, муниципальные образования.

Автоматизированные системы управления газотурбинной электростанции позволяют отказаться от непосредственного присутствия обслуживающего персонала. Мониторинг работы газотурбинных установок - ГТУ может осуществляться удаленно через различные телекоммуникационные каналы. При возникновении внештатных ситуаций предусмотрены комплексные системы автоматической защиты и пожаротушения.

ГТУ может работать как на жидком, так и на газообразном топливе: в обычном рабочем режиме - на газе, а в резервном (аварийном) - автоматически переключается на дизельное топливо. Оптимальным режимом работы газотурбинной установки является комбинированная выработка тепловой и электрической энергии. ГТУ в энергетике работают как в базовом режиме, так и для покрытия пиковых нагрузок.

В газотурбинных установках используются следующие виды горючего: природный газ; керосин; биогаз; дизельное топливо; нефтяной газ попутного типа; коксовый, древесный, шахтный газ и другие виды.

Многие такие турбины способны работать и на низкокалорийном виде топлива, в котором содержится небольшое количество метана (порядка 3- процентов). При этом предприятие сможет само выбирать экономически выгодный вид топлива, опираясь на специфику своей деятельности.

Газотурбинные установки производят следующие компании: Alstom (Альстом), General Electric (Дженерал Электрик), GE, Kawasaki (Кавасаки), MAN TURBO AG, Mitsubishi Heavy Industries (Митсубиши Хэви Индастриз), Rolls-Royce (Роллс-Ройс), SIEMENS (Сименс), Solar Turbines (Солар Турбайнз), Turbomach (Турбомах), Микротурбинные электростанции - установки Capstone - Calnetix.

В Оренбургской области по состоянию на начало 2010 реализованы проекты автономного энергоснабжения на базе газотурбинных установок TURBOMACH - Solar Turbines различной мощности, их список представлен в 1 таблице.

Таблица 1 - Список газотурбинных установок, используемых в области

В феврале 2006 года в г. Медногорске (Оренбургская область) на Медногорской ТЭЦ был осуществлен пуск газотурбинной установки мощностью 10 МВт. С вводом в эксплуатацию газотурбинной установки АТГ-10М завершен второй этап проекта реконструкции Медногорской ТЭЦ. Проектные работы выполнены ООО "Самараэнергомонтажпроект". Производитель газотурбинной установки АТГ-10М - ОАО "Моторостроитель" (г. Самара).

28 февраля 2004 года в рамках реализации первого этапа проекта была установлена и введена в эксплуатацию паровая турбина ТГ-3,5/6,3 и демонтированы выработавшие ресурс котлы № 3 и 4. После возобновления генерации электрической энергии котельной был возвращен статус теплоэлектроцентрали. Медногорская ТЭЦ обеспечивает более 90% потребления тепловой энергии г. Медногорска. Внедрение технологии парогазового цикла позволит также получить дополнительное, по сравнению с традиционной технологией, снижение выбросов парниковых газов в атмосферу, что улучшает экологическую обстановку в городе.

Цели установки ГТУ на ГПЗ:

- Повышение надежности потребителей, питающихся от 11, 12 и 13 щитов подстанции P1 за счёт подключения к ним третьего независимого источника питания.

- Снижение затрат на энергоносители.

- Разгрузка энергосистемы.

- Улучшение экологической обстановки на предприятии снижением выбросов в окружающую среду.

Основным преимуществом для газоперерабатывающего завода, несомненно, является постоянное наличие побочного продукта - топливного газа который в настоящее время утилизируется, а после применения ГТУ путем сжигания будет приносить пользу в виде электроэнергии.

Введение третьего независимого источника электроэнергии - ГТУ на предприятии ГПЗ является необходимой мерой для обеспечения надежности потребителей особой группы 1 категории по ПУЭ. Применение ГТУ также позволит путем снижения затрат на энергоносители и эффективного использования топливного газа увеличить доход предприятия что для ПАО "Газпром" является главной задачей. Стоит отметить, что возведение ГТУ способствует улучшению экологической обстановки на предприятии.

Перед тем как начать проектирование ГТУ для ГПЗ следует изучить литературу, написанную в данной тематике.

В научной статье "О вопросах применения газотурбинных установок и парогазовых установок в энергетике", авторами которой являются Махнутин А.К. и Кавалеров Б.В. описываются особенности и перспективы использования ГТУ при производстве электрической и тепловой энергии. Обсуждаются возможные объекты внедрения газотурбинных установок. Отмечаются определенные проблемы при конвертировании авиационных ГТУ в наземные электростанции. Сначала рассматриваются особенности газотурбинной и парогазовой технологий. Затем освещена общая ситуация с производством газотурбинных установок, в том числе в ретроспективном разрезе. Затем достаточно подробно рассмотрены объекты внедрения газотурбинных установок в электроэнергетике. Отмечено, что использование газотурбинных установок экономически оправданно при подборе установки под покрытие тепловой нагрузки на горячее водоснабжение, тем самым обеспечивается 100% - ая загрузка газотурбинных установок, а котельные, работающие в отопительный сезон, в летнее время отключаются. Учет специфики газотурбинных установок требуется при намечаемом в дальнейшем математическом моделировании процессов в газотурбинных электростанциях с целью совершенствования тех. процесса производства электроэнергии, достижения оптимальных показателей в установившихся и переходных режимах с учетом специфики подключения электростанции к конкретной конфигурации системы электроснабжения. Опубликованные в статье результаты получены в рамках выполнения государственного задания Минобрнауки России № 13.832.2014/K "Разработка методологических основ адаптивного управления автономными и неавтономными газотурбинными электростанциями мощностью до 25 МВт".

В статье под названием "Газотурбинные установки на базе конвекционных двигателей" из журнала Вестник Гомельского государственного технического университета им. П.О. Сухого 2013 Овсянника А.В., Шаповалова А.В., Болотина В.В. представлены результаты исследований газотурбинных установок на базе конвертированных авиационных двигателей, возможности их применения на мини-теплоэлектроцентралях как основного источника тепловой и электрической энергии, как резерва, в случаях дефицита мощности, или в составе средних и крупных теплоэлектроцентралей для принятия пиковых нагрузок. Предложен новый путь развития генерирующих мощностей в системе энергоснабжения, который имеет ряд преимуществ. Приведены результаты расчетов технико-экономических и экономических показателей. Произведен анализ и сравнение технико-экономических показателей газодвигательных установок, действующих на предприятиях, и газотурбинных установок на базе конвертированных авиационных двигателей. Показано, что маневренность исследуемой установки превосходит показатели маневренности других газотурбинных установок, что дает ей возможность в кратчайшие сроки принимать дополнительную нагрузку на энергосистему.

Анализ литературы по газотурбинным установкам показал, что по данной тематике были исследованы газотурбинные установки в целом и вопросы по их внедрению в энергетике, также представлены результаты исследований газотурбинных установок на базе конвертированных авиационных двигателей. Что касается электротехнических решений по сооружаемым электростанциям, то главной проблемой является определение места подключения генераторов в существующую схему электроснабжения предприятия с наименьшими затратами на ее реконструкцию.

После прочтения литературы и ее анализа мною было принято решения заниматься проектированием газотурбинной установки, снабжающей технологические установки газоперерабатывающего завода, а также предложить вариант подключения ГТУ в существующую схему электроснабжения предприятия с наименьшими затратами на ее реконструкцию.

Перед проектированием следует определится с разновидностью конструкции газотурбинной установки, это будет блочно-модульная ГТУ во взрывозащищенном исполнении.

Сперва был выполнен анализ потребителей щитов Т-11, Т-12 и Т-13, которые планируется запитывать от проектируемой ГТУ. Он показал, что потребители, представляющие собой сумму высоковольтной (6 кВ) двигательной нагрузки и подключенные через цеховые трансформаторы низковольтные щиты Т 21 - Т 24, относятся к потребителям особой группы первой категории потребителей.

Затем был выполнен расчет нагрузок щитов Т 11 - Т 13 для двух случаев:

1. Когда ГТУ будет нагружена на максимум в нормальном режиме работы, то есть учитываются только нагрузки II секций каждого щита, SpУнорм = 15659.93 кВА.

2. Когда ГТУ будет загружена на максимум в аварийном режиме работы, то есть учитываются нагрузки все секций всех щитов, SpУав = 32329.591 кВА.

На основании предыдущих расчетов было принято решение рассмотреть два проектных варианта:

1. Использование одной установки с номинальной мощностью в 30 МВА.

2. Использование двух установок мощностью 15 МВА каждая.

Список использованных источников

1. https://ru.wikipedia.org/wikiГТУ (дата обращения: 11.10.2018);

2. http://operby.com/princip-raboty-gtu.html (дата обращения: 11.10.2018);

3. https://www.elektro-expo.ru/ru/articles/gazoturbinnaya-ustanovka/ (дата обращения: 12.10.2018);

4. Правила устройства электроустановок. Все действующие шестого и седьмого изданий с изменениями и дополнениями по состоянию на 1 мая 2012г. - М.: КНОРУС, 2012. - 488 с.;

5. РД 51-00158623-08-95 Категорийность электроприемников промышленных объектов газовой промышленности. Руководящий нормативный документ. Введ 1995-07-01;

6. Мукосеев Ю.Л., Электроснабжение промышленных предприятий. Учебник для вузов. М., "Энергия", 1973 - 584 с. ил.;

7. Кабышев А.В., Обухов С.Г. Расчет и проектирование систем электроснабжения: Справочные материалы по электрооборудованию: Учеб. пособие / Том. политехн. ун-т. - Томск, 2005. - 168 с.;

8. Федоров А.А. и др, Справочник по электроснабжению промышленных предприятий. Промышленные электрические сети. 2-е изд., переаб. и доп./ Под общ. Ред. А.А. Федорова и Г.В. Сербиновского. - М.: Энергия, 1980. - 576с., ил.;

9. https://cyberleninka.ru/article/n/o-voprosah-primeneniya-gazoturbinnyh-ustanovok-i-parogazovyh-ustanovok-v-energetike (дата обращения: 21.12.2018);

10. https://cyberleninka.ru/artile/n/gazoturbinnye-ustanovki-na-baze-konvertirovannyh-avitsionnyh-dvigateley (дата обращения: 22.12.2018);

11. https://manbw.ru/analitycs/realied_project_turbomach_solar_gas_power_plant.html (дата обращения: 23.12.2018);

12. https://oren.ru/pusk-gazoturbinoj-ustanovki-na-mednogorskoj-te-ts/ (дата обращения: 23.12.2018);

Размещено на Allbest.ru