Електране на гасну турбину

Гасне турбине (ГТУ) су топлотни мотори у којима се топлотна енергија гасовитог радног флуида претвара у механичка енергија. Главне компоненте су: компресор, комора за сагоревање и гасна турбина. Да би се осигурао рад и контрола у инсталацији постоји комплекс међусобно повезаних помоћних система. ГТУ заједно са електричним генератором назива се плинска турбина. Излазна снага једног уређаја креће се од двадесет киловата до неколико десетина мегавата. То су класичне инсталације за гасне турбине. Производња електричне енергије у електрани врши се коришћењем једног или више ГТУ-ова.

Уређај и опис

Плинске турбине се састоје од два главна дијела, који се налазе у истом кућишту, плинског генератора и енергетске турбине. У генератору гаса, који укључује комору за сагоревање и турбопуњач, генерише се струја гаса високе температуре која делује на лопатице турбине. Уз помоћ измењивача топлоте, издувни гасови се одлажу и топлота се истовремено производи преко топле воде или парног котла. Рад инсталација гасних турбина подразумева употребу два типа горива - гасовита и течна.

У нормалном режиму, гасна турбина ради на гас. У ванредном или стандби режиму, када се прекине довод гаса, врши се аутоматски прелаз на течно (дизел) гориво. У оптималном режиму, инсталације плинске турбине производе комбиновану електричну и топлотну енергију. Што се тиче количине произведене топлотне енергије, ГТУ значајно премашују уређаје са гасним клиповима. Турбинске јединице се користе на електранама како за рад у базном моду тако и за компензацију вршних оптерећења.

Историја стварања

Идеја о коришћењу енергије врелог гаса позната је још од давних времена. Први патент за уређај, у којем су исте основне компоненте представљене као у модерној ГТУ, издат је Енглезу Јохну Барберу 1791. године. Постројење за гасну турбину је укључивало компресоре (ваздух и гас), комору за сагоревање и активни турбински точак, али никада није примила практичну примену.

У 19. и почетком 20. века, многи научници и проналазачи широм света развили су опрему погодну за практичну употребу, али сви покушаји су били неуспешни због ниског развоја науке и технологије тог времена. Нето снага прототипа није прелазила 14% са ниском оперативном поузданошћу и структуралном сложеношћу.

По први пут су електране на гасну турбину коришћене 1939. године у Швајцарској. Пуштена је у рад електрана са турбогенератором, направљена у најједноставнијој шеми капацитета 5000 кВ. Педесетих година прошлог века, ова шема је рафинирана и компликована, што је омогућило повећање ефикасности и снаге до 25 МВ. Производња плинских турбина у индустријски развијеним земљама обликована је у један ниво и правац развоја у смислу капацитета и параметара турбинских јединица. Укупни капацитет гасних турбина произведених у Совјетском Савезу и Русији процјењује се на милијуне кВ.

Принцип рада ГТУ

Атмосферски ваздух улази у компресор, компримира се и под високим притиском кроз предгријач зрака и вентил за дистрибуцију зрака се шаље у комору за изгарање. Истовремено, гас се убризгава у комору за сагоревање кроз млазнице, које се сагоревају у струји ваздуха. Изгарање мешавине гас-ваздух формира струју врелих гасова, који при великој брзини делује на лопатице гасне турбине, узрокујући да се они окрећу. Топлотна енергија струје врелог гаса претвара се у механичку енергију ротације осовине турбине, која покреће компресор и електрични генератор. Електрична енергија из терминала генератора преко трансформатора шаље се на електричну мрежу потрошача.

Врући гасови кроз регенератор улазе у котао на топлу воду а затим преко услужног уређаја димњак. Циркулација воде је организована између котла за топлу воду и централне топлотне тачке (ЦХП) помоћу мрежних пумпи. Течност загријана у котлу иде до централне грејне тачке на коју су прикључени потрошачи. Термодинамички циклус инсталације гасне турбине састоји се од адијабатске компресије ваздуха у компресору, изобарног снабдевања топлотом у комори за сагоревање, адијабатског ширења радног флуида у гасној турбини, изобарног одвођења топлоте.

Природни гас - метан се користи као гориво за гасне турбине. У случају нужде, у случају гашења опскрбе плином, плинска турбина се преноси на дјеломично оптерећење, а дизел гориво или укапљени плинови (пропан-бутан) се користе као помоћно гориво. Могуће опције за инсталацију гасне турбине: снабдевање електричном енергијом или комбиновано снабдевање електричном енергијом и топлотном енергијом.

Когенерација

Производња електричне енергије уз истовремену производњу повезане топлотне енергије назива се когенерација. Ова технологија може значајно побољшати економичну употребу горива. У зависности од потреба, плинска турбина може бити додатно опремљена бојлерима или парним котловима. То омогућава да се добије топла вода или пара различитог притиска.

Уз оптимално коришћење две врсте енергије, максимум економски ефекат когенерације, а коефицијент коришћења горива (КИТ) досеже 90%. У овом случају, топлина издувних гасова и топлотна енергија из система хлађења јединица, које ротирају електричне генераторе (у ствари, отпадна енергија), користи се за своју намену. Ако је потребно, топлота која се може рециклирати може се користити за производњу хладних апсорпционих машина (тригенерација). Когенерациони систем се састоји од четири кључна дела: примарни мотор (гасна турбина), електрични генератор, систем за рекуперацију топлоте, систем контроле и надзора.

Манагемент

Постоје два главна начина рада у којима раде гасне турбине:

• Стационарно. У овом режиму, турбина ради са фиксним номиналним или делимичним оптерећењем. До недавно, стационарни мод је био главни за ГТУ. Турбина је била искључена неколико пута годишње за планиране поправке или у случају квара.
• Варијабилни мод обезбеђује могућност промене снаге ГТУ-а. Потреба за промјеном начина рада турбине може бити узрокована једним од два разлога: ако се енергија коју је потрошио електрични генератор промијенио услијед промјене потрошачког оптерећења спојеног на њега, те ако се промијени атмосферски тлак и температура зрака које увлачи компресор. Нестационарни режими, и најтежи, укључују заустављање и покретање гасне турбине. У овом другом случају, возач гасне турбине мора обавити бројне операције пре првог потиска ротора. Пре пуног почетка инсталације врши се прелиминарна промоција ротора.

Промена начина рада инсталације врши се подешавањем довода горива у комору за сагоревање. Главни задатак управљања гасном турбином је да обезбеди неопходну снагу. Изузетак је електрана на гасну турбину, за коју је главни задатак контрола стална учесталост раста који је повезан са турбином електричног генератора.

Енерги апплицатионс

У стационарној електроенергетици, плинске турбине се користе у различите сврхе. Као главни погонски мотори електричних генератора у термоелектранама, плинске турбине се углавном користе у подручјима са довољном количином природног гаса. Због могућности брзог покретања, ГТУ се широко користи за покривање вршних оптерећења у електроенергетским системима у периодима максималне потрошње енергије. Редундантне јединице плинских турбина обезбеђују унутрашње потребе термоелектрана током гашења главне опреме.

Ефикасност

Генерално, електрична ефикасност гасних турбина је нижа од електричне снаге. Али са пуним остварењем топлотног потенцијала јединице гасне турбине, значај овог индикатора постаје мање релевантан. За снажне инсталације гасних турбина, постоји инжењерски приступ који укључује комбиновану употребу два типа турбина због високе температуре издувних гасова.

Генерисана топлотна енергија се користи за производњу паре за парну турбину која се користи паралелно са гасном турбином. То повећава електричну ефикасност до 59% и значајно повећава ефикасност горива. Недостатак овог приступа је конструктивна сложеност и уважавање пројекта. Однос електричне и топлотне енергије произведене у постројењу за гасну турбину износи око 1: 2, односно 20 мегавата топлоте се производи за 10 МВ електричне енергије.

Снаге и слабости

Предности гасних турбина су:

• Једноставност уређаја. Због недостатка котловске јединице, сложеног система цјевовода и разних помоћних механизама, потрошња метала по јединици снаге гасних турбина је много мања.
• Минимална потрошња воде која је потребна у ГТУ само за хлађење уља које се доводи у лежајеве.
• Брзо пуштање у рад. За јединице плинске турбине, вријеме покретања од хладног стања прије прихваћања оптерећења не прелази 20 минута. За парне термоелектране, пуштање у погон траје неколико сати.

Недостаци:

• Гасне турбине користе гас са веома високом почетном температуром - више од 550 степени. То узрокује потешкоће у практичној примјени плинских турбина, будући да су за већину гријаних дијелова потребни специјални материјали отпорни на топлину и специјални сустави хлађења.
• Око половине снаге коју је развила турбина троши се на погон компресора.
• ГТУ је ограничен у гориву, природном гасу или се користи високо квалитетно текуће гориво.
• Снага једне плинске турбине је ограничена на 150 МВ.

Екологија

Позитиван фактор у употреби ГТУ је минимални садржај штетних материја у емисијама. По овом критеријуму, гасне турбине су испред својих најближих конкурентских електрана. Захваљујући заштити животне средине, јединице плинске турбине могу се лако поставити у непосредној близини мјеста гдје људи живе. Низак садржај штетних емисија током рада гасних турбина штеди новац приликом изградње димњака и набавке катализатора.

Економија ГТУ

На први поглед, цијене гасних турбина су прилично високе, али са објективном процјеном могућности ове енергетске опреме, сви аспекти се намећу. Високе капиталне инвестиције на почетку енергетског пројекта су у потпуности компензиране незнатним трошковима за накнадни рад. Поред тога, значајно су смањене и еколошке исплате, смањују се трошкови за куповину електричне енергије и топлоте, а смањује се и утицај на животну средину и становништво. Као резултат горе наведених разлога, стотине нових плинских турбина се купују и инсталирају годишње.