Газотурбинные технологии для решения проблем энергоснабжения

Энергопотребление во всем мире растет быстрыми темпами. Помимо рынков США и Западной Европы, это происходит в основном за счет развивающихся рынков Китая, юго-восточной Азии, Бразилии. По прогнозам аналитиков из разных стран мира в ближайшие десятилетия доля угля будет снижаться, доля нефти останется стабильной, а доля добычи природного газа в мировом энергопотреблении вырастет до 30%.

Сегодня в российской энергетике существует ряд серьезных проблем, связанных с дефицитом электроэнергии, которые в ближайшие годы будет очень трудно ликвидировать. Во-первых, энергетическое оборудование сильно изношено: более 35% уже нельзя эксплуатировать. Во-вторых - громоздкая транспортная система, в которой теряется в среднем 15% электрической и до 40% тепловой энергии, выработанной с КПД до 40%. Несовершенство пропускной способности сетей в большинстве регионов России ложится на плечи муниципальных органов власти. Чтобы перейти с высоких напряжений на низкие, необходимо дополнительно устанавливать понижающие сети. Кроме того, тепловые сети многих российских городов настолько изношены, что в большинстве случаев требуется не текущий ремонт, а их полная реконструкция [1, 2].

Третьей, существенной проблемой при производстве электрической и тепловой энергии, является неэффективность использования природного газа, который в топливно-энергетическом балансе составляет около 65%.

Использование природного газа как наиболее дешевого и экологически чистого энергоносителя сегодня нацеливает на внедрение более совершенных газотурбинных технологий - комбинированного парогазового и когенерационного циклов выработки энергии с КПД 56% и 90% соответственно. Сегодня налажено производство газотурбинных установок, на основе которых предлагаются комплексные решения по строительству электростанций, способных в короткие сроки решить энергетические проблемы в регионах [3].

В жилищном строительстве приобретение газотурбинных тепловых электростанций (ГТЭС), их монтаж и пусконаладочные работы оказываются зачастую дешевле, чем общая смета строительных расходов -подсоединение к централизованной сети, сооружение подстанций и плата за подключение. Во-первых, минимальные затраты на строительство. В среднем удельная стоимость строительства газотурбинного энергообъекта составляет 40 тысяч рублей за 1кВт вводимой мощности, что в полтора раза дешевле технологического подключения. Во-вторых, станция может размещаться внутри существующей инфраструктуры, вблизи жилых районов и промышленных зон, что исключает потери энергии при транспортировке. В-третьих, не требуется установка понижающих сетей. В-четвертых, автономные ГТЭС – это надежное, без сбоев энергоснабжение. В-пятых, газотурбинные технологии, парогазовый и когенерационный циклы решают вопрос рационального использования газа для получения электричества, горячей воды и пара, а при использовании дополнительного оборудования – опреснения воды и получения холода [4].

За основу строительства автономных ГТЭС взята концепция блочномодульного построения. 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.

В настоящее время в качестве инновационного продукта выступают микротурбины, которые используется в качестве двигателя компактных модульных генераторов электроэнергии, работающих в диапазоне мощностей от 25 до 200 кВт. Микротурбины имеют максимально простую конструкцию в виде одновальной схемы (рис. 1) – одноступенчатый центробежный компрессор и одноступенчатая центростремительная турбина. Частота вращения ротора из-за малой размерности достигает 40000-120000 об/мин, поэтому применяются керамические и газостатические подшипники. Камера сгорания выполняется многотопливной и может работать на газообразном и жидком топливе. КПД микротурбин в простом цикле составляет 14-18%. Для повышения эффективности часто используются регенераторы тепла выхлопных газов.

КПД микротурбины в регенеративном цикле достигает 28-32% [5, 6].

Рис. 1. Принципиальная тепловая схема микротурбины.

Микротурбины не вибрируют, акустическая эмиссия не превышает 65 ДБ и легко гасится с помощью дополнительных кожухов. Корпус микротурбины имеет защиту от влаги и позволяет устанавливать оборудование на открытой площадке, снижая тем самым расходы на организацию специальных помещений [7].

По совокупности все эти преимущества позволяют применять микротурбины в качестве постоянно работающего основного генератора даже в густонаселенных городских центрах внутри и вне помещений, отводя сети роль резерва.

Спрос на газотурбинные установки растет сейчас в секторе ЖКХ, судостроении, на транспорте и в других отраслях экономики. Как ни печально, сегодня российские производители не могут удовлетворить потребности даже внутреннего рынка, не говоря уже о покорении мирового. В последние годы в отрасли накопились проблемы, требующие системного решения.