Выбор газотурбинных двигателей для ГТУ-ТЭЦ Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

УДК 621.18

ВЫБОР ГАЗОТУРБИННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ДЛЯ ГТУ-ТЭЦ М.А. ТАЙМАРОВ, Н.А. КОРОБИЦИН

Казанский государственный энергетический университет

Рассматривается использование газотурбинных установок в одном из возможных направлений - модернизации действующих отопительных котельных, работающих на природном газе, в малую ГТУ-ТЭЦ.

Наиболее оптимальным вариантом работы котельной, реконструированной с использованием газотурбинной установки (ГТУ) в ГТУ-ТЭЦ, является вариант, когда вырабатываемая электрическая энергия не только обеспечивает собственные нужды, но и передается во внешнюю сеть, что приводит к снижению цены на вырабатываемую электроэнергию. Однако, в настоящее время, как в России, так и в странах СНГ эксплуатируется небольшое количество малых ГТУ-ТЭЦ, которые выдают потребителю не только тепло, но и электричество.

Это связано с тем, что ГТУ-ТЭЦ в основном ориентируются на использование судовых и авиационных газотурбинных двигателей (ГТД), которые внедряются в энергетику в результате конверсионной программы. Поэтому все еще существует дефицит объективной информации о надежности этих ГТД. Следует отметить, что и технические параметры двигателей выдаются в рекламных проспектах несколько завышенными. При всем том, авторы статьи считают, что в ближайшее время эти вопросы должны устраняться, и энергетики начнут более продуманно внедрять ГТУ-ТЭЦ.

Единичная электрическая мощность ГТУ-ТЭЦ составляет от 2,5 до 30 МВт [1]. ГТУ-ТЭЦ отличаются от ТЭС повышенным использования тепла топлива, меньшими вредными выбросами и значительно меньшим расходом топлива на единицу произведенной электроэнергии [2-4]. При этом следует также отметить и основные недостатки. Это крайне высокая начальная стоимость и низкая эффективность при отсутствии магистрального газа.

На рис. 1 представлена упрощенная принципиальная схема ГТУ-ТЭЦ.

Рис. 1. Принципиальная схема ГТУ-ТЭЦ

© М.А. Таймаров, Н.А. Коробицин Проблемы энергетики, 2004, № 3-4

Схема ГТУ-ТЭЦ (рис. 1) включает в себя газотурбинный двигатель (ГТД), свободную турбину (СТ) и вспомогательные блоки (№“ 1-3). СТ выполнена как отдельный узел (модуль), поэтому ГТД, в случае поломки или капитального ремонта, может быть демонтирован без нее. Подвод продуктов сгорания от ГТД к СТ осуществляется через переходное устройство, являющееся корпусной частью соплового аппарата СТ. Для разгрузки шарикового подшипника, устанавливаемого на вал СТ и воспринимающего действия осевых сил на ротор СТ, имеется разгрузочная полость, в которую подается воздух от компрессора двигателя. Выходной вал СТ через гибкую муфту соединяется (при необходимости вместе с редуктором) с турбогенератором.

Все оборудование ГТУ-ТЭЦ представляет собой стационарную установку в блочно-контейнерном исполнении. Это позволяет произвести ускоренный монтаж ГТУ-ТЭЦ на строительной площадке и быстрый ввод ее в эксплуатацию. Блок утилизации выхлопных газов разрабатывается с учетом потребителя (пар, горячая вода) и основные варианты газотурбинной надстройки отопительных котельных подробно описаны в [1-4].

Блок турбогенератора поставляется с учетом электрической мощности ГТУ. Принятие решения о строительстве в отопительной котельной ГТУ-ТЭЦ того или иного типа должно приниматься по результатам оценки ее технических и экономических показателей. При этом за основные технические показатели для ГТУ берутся:

эффективный КПД на валу свободной турбины

І = Щ Ни Ст; (1)

коэффициент использования тепла топлива

К.т = N + йу) / Ни От; (2)

удельная выработка электроэнергии на единицу тепла, отведенного в блоке утилизатора

Л = , (3)

где Ж, - мощность на валу СТ; йу - утилизированное тепло выхлопных газов; Єт - расход топлива; Ни - низшая теплотворная способность топлива.

Удельные расходы топлива на выработку электро- и теплоэнергии для ГТУ-ТЭЦ достаточно часто рассматриваются при оценке экономичности, поэтому в данной работе не приводятся. Один из подходов в расчете удельных расходов топлива на выработку электро- и теплоэнергии для ГТУ-ТЭЦ изложен в [4].

В данной работе приведены результаты расчета зависимости эффективного КПД от расхода топлива Єт для ГТУ первого и второго поколения. Исходные данные для расчета взяты из [1-3]. Расчет проведен в условиях 180 2314, где топливо - природный газ с Ни = 50056 кДж/кг, а температура газов за блоком утилизатора для всех типов ГТУ-ТЭЦ принята постоянной Тг =110 °С.

Расчеты показали, что все ГТУ-ТЭЦ одной номинальной мощности Жэ, в состав которых входят современные или модифицированные ГТД второго поколения, имеют КПД І на 12-17 % выше при одном и том же расходе топлива, по сравнению с ГТД первого поколения (рис. 2).

0,95 М 0,85 0,75 0,65 0,55 0,45 0,35

2 !vv;гг

^

< п ♦

и

х 1 G т, кгіч

♦ ЗАО " Энергоавиа"

□ ОАО "Мотор"

▲ ОАО "Турбомоторый завод" ХОАО "Авиадвигатель"

Ж ОАО "СНТК им.Н.Д.Кузнецова" ОНПП "Машпроект"

+ ОАО "Сатурн"

■ ОАО "КМПО"

— АВВ Alstom Power

О Mitsui Enqineering Д Rolls-Royce

500 1500 2500 3500 4500 5500

Рис. 2. Усредненные данные по зависимости КПД 3 от расхода топлива О т для ГТУ:

1 - первого и 2 - второго поколения

Значения удельной выработки электроэнергии на единицу тепла Я, отведенного в блоке утилизатора, показывают, что ГТУ-ТЭЦ с более высоким КПД 3 при меньшем расходе топлива От (ГТУ второго поколения) вырабатывают больше электроэнергии, чем с низким КПД 3 (ГТУ первого поколения), в среднем, на 20 - 33 % (рис. 3).

Рис. 3. Зависимость удельной выработки электроэнергии Я от расхода топлива От для ГТУ: 1 - первого и 2 - второго поколения

Величины удельной выработки электроэнергии на единицу тепла Я, отведенного в блоке утилизатора, представлены на рис. 3 в относительных единицах, характеризующих соотношение выработки электроэнергии между сравниваемыми марками ГТД в данной статье.

Следовательно, ГТУ второго поколения, имеющие более высокие Я при одних и тех же значениях удельного расхода топлива на выработку электроэнергии, являются более рентабельными в эксплуатации.

Проведенные авторами расчеты коэффициента использования тепла топлива Ки.т показали, что для ГТУ первого и второго поколения имеется разброс от среднего значения Ки.т , составляющий ± (3...4) %.

Это одна сторона оценки ГТУ-ТЭЦ - по их техническим характеристикам.

Вторая сторона оценки эффективности ГТУ-ТЭЦ должна быть связана с экономическими показателями. Одним из показателей можно считать чистый дисконтированный доход (ЧДД) как превышение интегральных результатов над интегральными затратами. Однако из-за исходной неопределенности по капиталовложениям этот показатель вызывает в определении наибольшие трудности.

Поэтому другими экономическими показателями, как более реальными для потребителей, могут быть приняты: количество топлива (газа) и величины вырабатываемых электро- и теплоэнергии с учетом эксплуатации ГТУ-ТЭЦ.

После предварительного расчета заказчик, совместно с проектировщиком и поставщиком ГТУ-ТЭЦ, составляет обоснование инвестиций, в котором определяется окупаемость и экономичность ГТУ-ТЭЦ. Сроки окупаемости должны быть не более 4-5 лет.

В промышленности России, производящей более приемлемую для потребителя продукцию, чем зарубежная, во многих отношениях (цена, сервисное обслуживание, гарантия и пр.), в настоящее время для котельных поселков и малых городов способны поставлять серийные ГТУ-ТЭЦ, мощностью 4 и 6 МВт, ОАО «Авиадвигатель» и ОАО «НПО Сатурн».

Отечественные разработки ГТУ-ТЭЦ, мощностью 10, 12, 16, 25 МВт, имеют ОАО «СНТК им. Н.Д. Кузнецова» и ОАО «Авиадвигатель». Из стран ближнего зарубежья ГП НПКГ «Зоря-Машпроект» (Украина) производит ГТУ единичной мощности от 2,5 до 25 МВт, которые могут быть использованы для ГТУ-ТЭЦ [1].

Все указанные ГТУ разработаны на базе ГТД нового поколения, имеющих более высокую степень повышения давления воздуха в компрессоре и температуру газа перед турбиной в газогенераторе.

Преобразование отопительных котельных городов и поселков в ГТУ-ТЭЦ позволит увеличить долю наибольшей совместной выработки электро- и теплоэнергии и значительно сократить средний расход газа по энергосистеме.

Применение ГТУ-ТЭЦ также уменьшит: перетоки по системам

высоковольтных линий, потери в сетях, вредное воздействие на окружающую среду и себестоимость электроэнергии.

Выводы

1. Помимо КПД 3 и удельного расхода топлива на выработку электрической энергии для ГТУ важными показателями экономичности являются коэффициент использования тепла топлива Ки.т и удельная выработка электроэнергии на единицу тепла, отведенного в блоке утилизатора, Я.

2. По сравнению с ГГД первого поколения, показатели экономичности у

ГГД второго поколения в среднем выше: по КПД J на 12_________17 %, по удельной

выработке электроэнергии на единицу тепла R, отведенного в блоке утилизатора, на 20_33 %.

Summary

Use gasturbin constructions in one of possible directions - modernization of working heating boiler-houses working on natural gas, in small GTU-TES is considered.

Литература

1. Tаймаров М.А. Применение и направления развития газотурбинных установок II Материалы докладов Российского национального симпозиума по энергетике. - Казань: КГЭУ, 2001. - T.1. - С. 22-42.

2. Березинец П.А., Васильев М.К., Ольховский Г.Г. Бинарные ПГУ на базе газотурбинной установки средней мощности II Tеплоэнергетика. - 1999. -№ 1. - С. 14-20.

3. Tаймаров М.А. Парогазовые установки: Учебное пособие. - Казань, КГЭУ. 1999. - 47 с.

4. Tаймаров М.А. Энергетические машины: Учебное пособие. - Казань, КГЭУ, 2003. - 112 с.

Поступила 22.08.2003