Области применения газотурбинных установок практически не ограничены: нефтегазодобывающая промышленность, промышленные предприятия, муниципальные образования, силовые установки машин. Положительным моментом использования ГТУ в муниципальных образованиях является то, что содержание вредных выбросов в выхлопных газах NOх и CO находится на безопасном уровне, что позволяет устанавливать и эксплуатировать данное оборудование в черте города, непосредственно в жилом районе [5].
Газотурбинные установки на электростанциях, как основной тип двигателя для привода электрогенераторов, использовались первоначально главным образом в тех районах, где имеется природный газ, а так же, учитывая их возможности к быстрому пуску, для покрытия пиковых нагрузок, возникающих в энергосистемах в относительно кратковременные периоды наибольшего потребления энергии. Предпринимались попытки применения газотурбинных агрегатов в новых технологических процессах – с использованием в качестве топлива для ГТУ продуктов подземной газификации угля. С этой целью на ЛМЗ были изготовлены два турбоагрегата мощностью по 12 МВт, смонтированы на Шацкой электростанции (Рязанская область) и запущены в эксплуатацию.
Однако работы, проводившиеся в течение ряда лет, показали, что путь использования в газотурбинных агрегатах низкокалорийных продуктов подземной газификации в энергетике неперспективен с экономической точки зрения. Паротурбинные установки с обычной схемой использования топлива экономичнее и надежнее. Поэтому в 1961 г. работы по освоению сжигания продуктов перегонки твердого топлива в газотурбинных агрегатах были прекращены, а Шацкая электростанция остановлена [5].
Еще одно из направлений по применению газотурбинных установок для выработки электроэнергии – использование авиационных газотурбинных агрегатов. Эти агрегаты имеют высокое техническое совершенство, компактны, надежны, не требуют охлаждающей воды, быстро запускаются в работу (за 1..3 минуты). При минимальных работах по реконструкции эти агрегаты могут быть использованы для привода электрогенераторов как для передвижных автоматизированных энергоустановок небольшой мощности (1..3 МВт), так и для более мощных, в том числе пиковых. Транспортабельные установки монтируются на трейлерах и могут быть доставлены практически в любой район для обслуживания строительных объектов и снятия пиковых нагрузок.
Отдельное внимание стоит уделить возможности надстройки существующих котельных станций теплофикационных систем газотурбинными установками, что позволяет обеспечить надежное тепло- и электроснабжение собственных нужд и снизить удельный расход топлива. Применение ГТУ в мини-ТЭС экономически оправдано в комплексе с утилизационными контурами, позволяющими использовать теплоту отводимых газов для нужд теплофикации. Это обусловлено достаточно низким электрическим кпд газовой турбины 22…37%. При этом соотношение вырабатываемой электрической энергии и тепловой составляет 1:1,5 до 2,5 [5]. В зависимости от потребностей, ГТУ может комплектоваться паровыми или водогрейными котлами-утилизаторами, что позволяет получать либо пар (низкого, среднего, высокого давления) для технологических нужд, либо горячую воду с температурой выше 140 0С. При комплексной выработке энергии общий кпд станции возрастает до 90%. [5]. Максимальная эффективность использования ГТУ обеспечивается при длительной работе с максимальной электрической нагрузкой. В диапазоне мощностей порядка 10 МВт существует возможность использования комбинированного цикла газовых и паровых турбин. Это позволяет существенно повысить эффективность использования станции, увеличивая электрический КПД до 57..59 % [5].
ГТУ предназначены для эксплуатации в любых климатических условиях как основной или резервный источник электроэнергии и тепла для объектов производственного или бытового назначения. Строительство таких электростанций в отдалённых (особенно северных) районах позволяет получить значительную экономию средств за счет исключения издержек на строительство и эксплуатацию протяжённых линий электропередач, а для центральных районов – повысить надежность электрического и теплового снабжения как отдельных предприятий, так и территорий в целом.
За основу строительства электростанций на базе ГТУ взята концепция блочно-модульного построения. Такие электростанции состоят из максимально унифицированных отсеков и модулей, что позволяет в сжатые сроки создавать новые модификации агрегатов, а также совершенствовать, модернизировать устаревшие объекты с минимальными затратами. Блочно-модульное исполнение обеспечивает высокий уровень заводской готовности газотурбинных электростанций. Они монтируются с применением универсальных грузоподъемных монтажных средств. Размеры блоков не превышают транспортные железнодорожные габариты [5].
Степень автоматизации газотурбинной электростанции позволяет отказаться от постоянного присутствия обслуживающего персонала в блоке управления. Контроль работы станции может осуществляться с главного щита управления, поставляемого вместе с комплектом оборудования энергоблока. Во время эксплуатации электростанции ее работу обеспечивают три человека: оператор, дежурный электрик, дежурный механик. При возникновении аварийных ситуаций для обеспечения безопасности персонала, сохранности систем и агрегатов энергоблока предусмотрена надежная система защиты.
Как известно, газотурбинные установки помимо энергетики широко применяются в авиации, в качестве корабельных силовых установок, силовой установки в локомотивах и в танкостроении. Это объясняется следующими качествами газотурбинной установки по сравнению с поршневыми машинами:
§ Очень высокое отношение мощности к весу,
§ Возможность осуществления цикла с полным расширением газа и, тем самым, с большим термическим кпд;
§ Отсутствие возвратно-поступательного движения, что обеспечивает намного меньшую вибрацию; меньшее количество движущихся частей;
§ Существенно меньше выбросов вредных веществ по сравнению с поршневыми двигателями;
§ Низкие требования к качеству топлива – газовые турбины потребляют любое горючее, которое можно распылить: газ, нефтепродукты, органические вещества и пылеобразный уголь.
Главным преимуществом ГТУ, является ее компактность [5]. Действительно, прежде всего, в ГТУ отсутствует паровой котел, — сооружение, имеющее большие, если не огромные габариты и требующее для установки отдельного помещения или системы помещений. Связано это обстоятельство, прежде всего с высоким давлением в камере сгорания ГТУ (1,2—2 МПа); в паровом котле горение происходит при атмосферном давлении и соответственно объем образующихся горячих газов оказывается в 12—20 раз больше. Далее, в ГТУ процесс расширения газов происходит в газовой турбине, состоящей всего из 3—5 ступеней, в то время как паровая турбина, имеющая такую же мощность, состоит из 3—4 цилиндров, заключающих 25—30 ступеней (раздел 3). Даже с учетом размеров и камеры сгорания, и воздушного компрессора газовая турбина мощностью 150 МВт имеет длину 8—12 м, а длина паровой турбины такой же мощности при трехцилиндровом исполнении в 1,5 раза больше (рис. 3.18). При этом для функционирования паровой турбины кроме котла необходимо предусмотреть установку конденсатора с циркуляционными и конденсатными насосами, систему регенерации из 7—9 подогревателей, питательные турбонасосы (от одного до трех), деаэратор. Как следствие, ГТУ может быть установлена на бетонное основание на нулевой отметке машинного зала, а ПТУ требует рамного фундамента высотой 9—16 м с размещением паровой турбины на верхней фундаментной плите и вспомогательного оборудования — в конденсационном помещении.
Компактность ГТУ позволяет осуществить ее сборку на турбинном заводе, доставить в машинный зал железнодорожным или автодорожным транспортом для установки на простом фундаменте. Так, в частности, транспортируется ГТУ с встроенными камерами сгорания. При транспортировке ГТУ с выносными камерами последние транспортируются отдельно, но легко и быстро присоединяются с помощью фланцев к модулю компрессор-газовая турбина. Паровая турбина поставляется многочисленными узлами и деталями, монтаж как ее самой, так и многочисленного вспомогательного оборудования и связей между ними занимает в несколько раз больше времени.
ГТУ не требует охлаждающей воды. Как следствие, в ГТУ отсутствует конденсатор и система технического водоснабжения с насосной установкой и градирней (при оборотном водоснабжении). В результате все это приводит к тому, что стоимость 1 кВт установленной мощности газотурбинной электростанции значительно меньше. При этом стоимость собственно ГТУ (компрессор + камера сгорания + газовая турбина) из-за ее сложности оказывается в 3..4 раза больше, чем стоимость паровой турбины такой же мощности [5].
Важным преимуществом ГТУ является ее высокая маневренность, определяемая малым уровнем давления (по сравнению с давлением в паровой турбине) и, следовательно, легким прогревом и охлаждением без возникновения опасных температурных напряжений и деформаций.
Однако, газотурбинная установка обладает рядом недостатков:
§ Высокая стоимость установки, поскольку материалы, применяемые в турбине должны иметь высокую жаростойкость и жаропрочность, а также высокую удельную прочность. Машинные операции изготовления деталей также более сложные.
§ Необходимость использования газа высокого давления, что обуславливает необходимость применения компрессоров с дополнительным расходом энергии и существенным снижением общей эффективности системы.
· Существенным недостатком ГТУ является меньшая экономичность, чем у паросиловой установки. Средний кпд достаточно проработанных ГТУ составляет 37..38 %, а паротурбинных энергоблоков — 42..43 %. “Потолком” для мощных энергетических ГТУ, как он видится в настоящее время, является кпд на уровне 41—42 %, (а может быть и выше с учетом больших резервов повышения начальной температуры). Меньшая экономичность ГТУ связана с высокой температурой отработанных газов, уходящих в окружающую среду. Это обстоятельство требует использование агрегатов вторичного использования теплоты, что существенно удорожает ГТУ в целом [5].
Другим недостатком ГТУ является невозможность использования в них низкосортных топлив, по крайней мере, в настоящее время. Она может хорошо работать только на газе или на хорошем жидком топливе, например, дизельном. Паросиловые энергоблоки могут работать на любом топливе, включая самые некачественные – каменные угли и торф.
Низкая начальная стоимость ТЭС с ГТУ и одновременно сравнительно низкая экономичность и высокая стоимость используемого топлива определяют основную область индивидуального использования ГТУ: в энергосистемах их следует применять как пиковые или резервные источники мощности, работающие несколько часов в сутки. Вместе с тем ситуация кардинально изменяется при использовании теплоты уходящих газов ГТУ в теплофикационных установках или в комбинированном (парогазовом) цикле.