Для эффективной работы пар в турбину должен подаваться с высоким давлением и температурой (от 13 кг/см2/190 oC до 240 кг/см2/550оС). Такие условия предъявляют повышенные требования к котельному оборудованию, что приводит к существенному росту капитальных вложений.

Преимуществом  паротурбинной технологии является возможность использования в котле самого широкого спектра топлив, включая твердые. Однако использование тяжелых нефтяных фракций и твердого топлива снижает экологические показатели системы, которые определяются составом отходящих из котла продуктов горения.

На существующих тепловых электростанциях новые ПТУ целесообразно использовать при отсутствии возможности внедрения на них газотурбинных и парогазовых технологий. В этом случае  выработавшее свой ресурс оборудование заменяется на более мощное с использованием существующих фундаментов.

Паровые турбины малой мощности с противодавлением целесообразно использовать для модернизации котельных с промышленными паровыми котлами распространенных типов ДКВР, ДЕ (рабочее давление 1,3-1,4 МПа),  у которых давление пара на выходе из котлов значительно выше, чем это необходимо для производственных нужд. Для получения требуемого давления после котлов устанавливаются специальных дроссельных устройств (РОУ) или на самих котлах  

поддерживается необходимое пониженное давление.

При установке в таких котельных паровых противодавленческих турбоагрегатов малой мощности, пропускаемый через ПТУ пар будет срабатываться от начальных параметров на котлах до давления, нужного потребителю, и в результате бесполезно теряемый до этого потенциал пара будет использоваться для выработки малозатратной электрической энергии.

Вырабатываемая ПТУ электроэнергия пойдет на покрытие собственных нужд котельной и предприятия, а ее избыток может продаваться в энергосистему. При этом основной задачей модернизированной котельной продолжает оставаться производство тепла, а электроэнергия является полезным сопутствующим продуктом его производства, значительно улучшающим технико-экономические показатели работы котельной, и может стать дополнительной статьей доходов.

КПД ПТУ в части генерации электроэнергии самый низкий из всех рассматриваемых технологий и составляет от 7 до 39%, но в составе теплофикационных систем суммарная эффективность паротурбинной установки может достигать 84% в расчете на условную единицу израсходованного топлива.

Изменение электрического КПД при изменении единичной мощности конденсационных паротурбинных установок приведено на Рис.1

 

 

 

Рис.1. Изменение электрического КПД при изменении единичной мощности конденсационных паротурбинных установок

 

Для действующих тепловых электростанций с энергоблоками, имеющими значительный остаточный ресурс, возможны различные схемы газотурбинных надстроек:

•  со сбросом газов в котел;
•  с вытеснением паровой регенерации;
•  с параллельным котлом-утилизатором.

 

В технологических процессах и на котельных ГТУ целесообразно использовать  в следующих случаях:

• при использовании в технологических процессах горячих газов после турбины с  температурой 450-550°С (цементные, металлургические, химические предприятия и т.д.);
•  при возможности использования пара, получаемого в котле-утилизаторе после ГТУ;
•  при возможности организовать сброс уходящих газов после  ГТУ в водогрейный котел-утилизатор для получения  горячей воды.

Используемые в настоящее время ГТУ принято разделять на 3 основных типа:

• созданные на базе авиационных реактивных газотурбинных двигателей;
• созданные на базе газотурбинных двигателей для морского использования;
• созданные специально для энергетического использования (так называемые «heavy-duty ГТУ»).

 

Первый и второй тип ГТУ принято объединять под одним условным названием «аэродеривативные ГТУ».

ГТУ, относящиеся к первой и второй категории представляют собой более форсированные и легкие установки, отличающиеся простотой обслуживания, меньшими требованиями к инфраструктуре, но также и меньшим ресурсом.
Обычно, общее число независимых валов в ГТУ на базе авиационных двигателей и двигателей морского применения 1-3, причем валы, расположенные в газогенераторе имеют переменное число оборотов (в зависимости от нагрузки) в диапазоне 6-14 тыс. об/мин.

Конвертированные для газового топлива двигатели морского применения составили так называемый "промежуточный класс", поскольку в спектре газотурбинной техники они заняли нишу между конвертированными авиационными и двигателями созданные специально для энергетического использования. Такие установки имеют достоинства авиационных двигателей (небольшие вес и габариты, легкость замены двигателя целиком или его отдельного модуля для выполнения высококачественного ремонта в условиях специализированного производства, высокая приемистость, что позволяет использовать их в пиковом режиме).

Собственно энергетические ГТУ - это значительно более тяжелые, как правило, одновальные установки, имеющие постоянную частоту вращения, равную частоте вращения генератора. Для обеспечения надежности, тепловой экономичности, снижения стоимости и эксплуатационных затрат, данные энергетические ГТУ проектируются по простейшему циклу. Технические решения таких установок соответствуют принципам, исторически сложившимся в энергетическом машиностроении: тяжелый жесткий вал, подшипники скольжения, лопатки постоянного профиля на основном протяжении проточной части (кроме первых ступеней компрессора и последних ступеней турбины) и т.п. Основным охладителем для рабочих лопаток и лопаток соплового аппарата является воздух.

Энергетические ГТУ предъявляют значительно более высокие требования к строительным работам и инфраструктуре. Срок службы таких установок значительно выше и соответствует значениям, сложившимся в паротурбинных установках.
Если в диапазоне мощностей от нескольких МВт до 15-20 МВт среди установленных ГТУ и на рынке преобладают аэродеривативные ГТУ, то в области мощностей более 100 МВт преобладающими являются энергетические ГТУ крупнейших фирм-производителей.

К основным преимуществам газотурбинных энергетических установок следует отнести:

• малый удельный вес, компактность, простота транспортировки и легкость монтажа. Современные ГТУ (особенно аэродеривативные ГТУ мощностью до 16 МВт) поставляются в виде одного или нескольких блоков полной заводской готовности, требующих небольшого объема монтажных работ, либо не требующих их вовсе;
• минимальные объемы вредных выбросов в окружающую среду;
• возможность организации сервисного обслуживания, в том числе с быстрой заменой газотурбинного привода ГТУ или агрегатов;
• высокая электрическая и тепловая экономичность газотурбинных энергетических установок комбинированного цикла при их работе в базовом режиме на тепловом потреблении (отопление, горячее водоснабжение, отпуск тепла для производственных нужд);
• высокая маневренность и скорость набора нагрузки. Даже для крупных ГТУ время выхода на полную мощность измеряется десятком минут, в отличие от паротурбинной установки, где процесс пуска из холодного состояния занимает десятки часов;
• большинство ГТУ обладают возможностью к перегрузке, т.е. увеличению мощности выше номинальной. Достигается это путем повышения температуры рабочего тела. Однако производителями накладываются жесткие ограничения на продолжительность таких режимов, допуская работу с превышением начальной температуры не более нескольких сотен часов.

 

К недостаткам ГТУ следует отнести:

• необходимость предварительного сжатия газового топлива и, как следствие, необходимость установки дорогостоящего дожимного компрессора, заметно удорожает производство энергии особенно для малых ГТУ и в ряде случаев является существенным препятствием на пути их внедрения в энергетику;
• резкое падение КПД при снижении нагрузки является существенным недостатком ГТУ, особенно он присущ энергетическим ГТУ.
• срок службы ГТУ значительно меньше, чем у других энергетических установок и находится обычно в интервале 45-125 тыс. часов.;
• электрическая мощность ГТУ существенно зависит от высоты расположения и температуры окружающего воздуха и снижается с ее ростом.

 

Анализ тенденций рынка электрогенерирующего оборудования в сегменте установок единичной мощностью до 30 МВт в России, Украине и Беларуси показывает, что наибольший интерес у заказчиков вызывают проекты по строительству энергетических мощностей с применением газотурбинных и газо-поршневых установок.

Каждая их технологий имеет ряд конструктивных особенностей, определяющих целесообразность ее применения в конкретных условиях.

1) ГТУ имеют большую удельную мощность и, как следствие, большую абсолютную мощность. ГТУ имеют диапазон единичных мощностей от 0,01 МВт до приблизительно 300 МВт. В свою очередь, ГПА сегодня достигли единичной мощности 16 МВт, при минимальной мощности менее одного киловатта.

2) ГПА при одинаковых единичных мощностях имеют более высокие значения КПД, что вызвано, более высокими  максимальными температурами рабочего тела в цикле. Это обеспечивает в результате наиболее экономичную работу, особенно при неполной загрузке. Сравнительный энергетический баланс ГПА и ГТУ приведен на Рис. 2

 

 

 

Рис.2
Сравнительный энергетический баланс ГТУ и ГПА

 

3) ГПА допускают изменение нагрузки в большем диапазоне, сохраняя на высоком уровне экономичность. Значение КПД у ГПА снижается на 3—5% при снижении нагрузки до 50%. У ГТУ при таком снижении нагрузки в ряде случаев эксплуатация становится нецелесообразной;

4) Эффективность работы газовой турбины более подвержена влиянию высоких окружающих температур;

5) Для работы ГТУ требуется газ высокого давления (до 3 МПа), для обеспечения которого, чаще всего, требуется дожимной компрессор;

6) Использование ГПА во многих случаях не требует понижающего редуктора;

7) Газовый поршневой ДВС может запускаться и останавливаться неограниченное число раз в день, что является явным преимуществом для резервных установок. Газовая турбина не может запускаться и останавливаться с такой же частотой. Для нее большое количество запусков увеличивает на соответствующую величину выработанные часы моторесурса;

8) Для среднеоборотного газового двигателя срок службы составляет до 300000 часов, у ГТУ, как правило, его величина не превышает 120000 часов. Типовой срок до капитального ремонта газовой турбины составляет 20000–25000 рабочих часов, а для среднеоборотного газового двигателя этот показатель составляет до 96 000 рабочих часов.