Газови турбини

Газовите турбини са топлинни двигатели, които намират широко приложение в системите за едновременно производство на топлинна и електрическа енергия. Варирането им в широк диапазон от мощности, от няколко киловата до над 300 MW, позволява използването им както в локални когенерационни системи, така и в големи топлоелектрически централи. Също така могат да бъдат използвани като основен или резервен източник на енергия. Съществено предимство на газовите турбини се явява фактът, че работят с газообразни горива, предимно природен газ, който е сравнително евтино и леснодостъпно гориво. Сред предимствата им е и това, че съдържанието на вредни емисии в отпадните газове е сравнително ниско. Обикновено нивата на NOх и CO са съответно около 25 и 150 ppm.

Типични приложения на газовите турбини се явяват целулозно-хартиената, керамичната, хранително-вкусовата, химическата и фармацевтичната промишленост, рафинериите и други.

Биват основно два вида

Газовите турбини обикновено се подразделят на два основни вида - аеродериватни и индустриални. Аеродериватните, използвани в стационарните системи за производство на енергия, се явяват адаптирани към подобни приложения газови турбини, предназначени предимно за авиацията. Макар че тези турбини са леки и ефективни от топлинна гледна точка, те в повечето случаи са с по-висока себестойност в сравнение с газовите турбини за стационарни приложения. Мощността им обикновено не превишава 40 - 50 MW.

Индустриалните газови турбини са предназначени изключително за стационарни приложения и мощността им обикновено е в границите от 1 до около 350 MW. В повечето случаи те се характеризират с по-ниска себестойност, считат се за по-издръжливи и по-подходящи за продължителни натоварвания. От друга страна, те са с по-ниска ефективност и по-голямо тегло.

Принцип на работа

Теоретично, принципът на работа на газовите турбини се описва с термодинамичния цикъл на Брайтън (Brayton cycle), който включва няколко етапа. Първият етап е адиабатно сгъстяване на въздух в компресор. Следващият етап е загряване на сгъстения въздух при постоянно налягане, след което протича процес на адиабатно разширение на горещите газове, обратно до първоначалното налягане.

В самата турбина процесът протича в следната последователност. Газът се нагнетява в горивна камера, където се смесва с въздух, подаван от компресор и така получената горивна смес изгаря, отделяйки голямо количество енергия. Получените продукти от горенето са с висока температура, обикновено от порядъка на 900 - 1200 оС и високо налягане. Те постъпват в зона на ниско налягане и се подават към лопатките на турбината, където отдават своята кинетична енергия, следствие от което лопатките се завъртат и предават въртящ момент и на вала на турбината. Механичната енергия на вала се предава чрез редуктор на електрически генератор. Получените отпадни горещи газове обикновено се насочват към утилизатор на топлина. Температурата им обикновено е от порядъка на около 450 - 550 °С. Използването на топлината на изходящите газове се явява едно от решенията за реализирането на едновременно производство на електрическа и топлинна енергия.

Освен за производство на електричество, получената механична енергия може да се използва за привеждане в работа на помпи, компресори, вентилатори и др.

Добре е да се има предвид, че при действителното протичане на процеса в газовите турбини, като се вземе предвид влиянието на триенето и турбулентността, се наблюдават някои разлики от теоретичното описание на процеса. В действителност, в газовата турбина протича неадиабатно сгъстяване, а налягането и температурата на нагнетяване в компресора са по-високи от идеалните. Разширението също е неадиабатно, тъй като температурата в турбината пада до необходимото ниво, но коефициентът на налягането е по-висок, в резултат на което разширението е недостатъчно, за да осигури извършването на полезна работа. В горивната камера и на изхода се наблюдава загуба на налягане, в резултат на което разширението не е достатъчно.

Когенерационни системи с газови турбини

Газовите турбини могат да бъдат използвани в различни работни конфигурации. Една от лесно осъществимите възможности е използването им само за производство на електроенергия. Подобно тяхно приложение обаче се характеризира с ниска ефективност, поради което се препоръчва предимно използването им в когенерационни приложения или като част от паро-газови електроцентрали. Те също така често се явяват елемент от газотурбинните инсталации (ТЕЦ) и газотурбинните двигатели.

Количественото съотношение на произведената топлинна енергия към електрическата при газовите турбини обикновено е от 1,5:1 до 2,5:1, което позволява използването им в когенерационни системи, различаващи се по вида на загрявания топлоносител. Сред възможните решения за оползотворяване на отпадната топлина са: непосредствено (пряко) използване на изходящите горещи газове; производство на пара с ниско или средно налягане във външен котел; производство на гореща вода; производство на пара с високо налягане (турбина с комбиниран цикъл). Съответно, в зависимост от необходимия топлоносител когенерационните системи с газови турбини включват парни или водогрейни котли-утилизатори, което позволява производството на пара с ниско, средно или високо налягане за технологични нужди или гореща вода. Възможно е и организирането на едновременното производство на топла вода и пара.

Обикновено мощността по отношение на производството на топлинна енергия в централите с газови турбини е два тъпи по-голяма от електрическата. Счита се, че висока ефективност от използването на газови турбини в качеството на силов агрегат, се осигурява при продължителна работа с максимално електрическо натоварване. При достатъчно висока мощност на газовата турбина съществува възможност за съвместно използване и на парна турбина. Подобни инсталации все по-често биват изграждани, като сред предпоставките е постигането на висок коефициент на полезно действие. Стойностите, които се посочват обикновено са за КПД около 60 % но се срещат и стойности за КПД до 80 - 85%.

Постиганият по-висок коефициент на полезно действие от парогазовите електроцентрали се обяснява с комбинирането на термодинамичния цикъл на Брайтън (Brayton) с този на Ранкин (Rankine). При тези електроцентрали се наблюдава и по-висока степен на оползотворяване на горивото, съответно и по-ниски емисии на вредни газове в атмосферата.

Сред основните елементи на парогазовите електроцентрали, освен парната и газовата турбина, се явява и котелът-утилизатор. В практиката са се наложили основно две конфигурации. Като по-лесна за реализация се счита схемата, в която се използват една газова турбина, една парна турбина, един генератор и един котел-утилизатор. В този случай газовата турбина, парната турбина и електрогенераторът обикновено са разположени върху един общ вал. При втората конфигурация се използват една или повече на брой газови турбини, един или няколко котела, осигуряващи общ поток пара към една или няколко отделни парни турбини.

Коефициент на полезно действие

При използването на газовите турбини само за производство на електроенергия коефициентът им на полезно действие е от порядъка на 25- 35%, в зависимост от работните параметри и характеристиките на горивото. При комбинираното производство на електрическа енергия и топлина ефективността може да достигне до над 80%. Макар често да се препоръчва използването на газови турбини за мощности над 5 MW до около 200 - 250 MW, тъй като се счита, че в този диапазон може да се постигне най-добра ефективност на оборудването, редица производители предлагат и турбини с мощности и в диапазона до 5 MW.

Ефективност на когенерацията

Обикновено за определяне на ефективността на една когенерационна инсталация се използва съотношението на сумата от получената електрическа и топлинна мощност към вложената с горивото топлина. Принципно, количеството на оползотворената топлина е ограничено от допустимата температура на постъпващите газове в комина. Необходимо е постъпващите газове да са с достатъчно висока температура с оглед избягване на кондензацията на продуктите на горенето, което може да създаде риск от възникване на корозия. Обикновено се препоръчва долната граница на температурата да е около 130 оС. Много от използваните парогенератори-утилизатори от своя страна също поставят известни ограничения по отношение на температурата, което води до изхвърлянето на газове с по-висока температура и загуби на енергия.

Отпадните газове от газовите турбини са със сравнително ниска температура в сравнение с температурите, достигани в котела. Това може да доведе до известни ограничения при производството на пара. От своя страна, газовите турбини с високи изходящи температури могат да осигурят производството на пара с по-високо качество и по-добра обща ефективност.

Предимства и недостатъци

Като предимства на газовите турбини обикновено се посочват: висока надеждност, облекчена експлоатация, кратък период за влизане в режим, малки площи за монтаж и обслужване, възможност за производство на топлина с високи параметри и други. Те се характеризират и с много добри екологични параметри поради ниските емисии на азотни окиси. Техни недостатъци се явяват сравнително високите нива на шум, поради което се препоръчва те да се разполагат на промишлени площадки, необходимостта от подготовка на горивото преди изгаряне (очистка, осушаване, компресия) и други.

Газови микротурбини

В качеството на високоефективни газови турбини в съвременните системи за електроснабдяване се използват и газови микротурбини. Предимствата на микротурбините се явяват вградената възможност за когенерация и тригенерация, пълната автономност на системата, големият избор на възможни горива (газ, биогаз, биодизел, пропан и други), високият КПД (85%), производството на електроенергия с високо качество и компактни размери.

Микротурбините предлагат няколко потенциални предимства в сравнение с други технологии за производство на енергия в малки количества, включително - малко на брой движещи се части, компактни размери, неголямо тегло, по-добра ефективност, по-ниски емисии, по-ниски електрически разходи и възможност за оползотворяване на отпадни горива. В тези системи може да се използва и рециркулация на отпадна топлина, с което да се постигне ефективност по-висока от 80%. Поради техните малки размери, сравнително ниски капитални разходи, очаквани ниски експлоатационни и производствени разходи и автоматичен електронен контрол, микротурбините се посочват като ефективно решение за директно механично задвижвани устройства като компресори или климатици, например.

Съществува възможност за свързване на няколко агрегата в каскада, което дава възможност да се произвежда енергия до няколко десетки МW. При включване към системата на котел-утилизатор, за оползотворяване на топлината на изхвърляните газове може да се произвежда и топлина. Подобни енергийни системи за съвместно производство на електроенергия и топлина са познати като микрокогенерационни системи.

В приложения за оползотворяване на отпадна топлина микротурбините оползотворяват отпадни газове, които в противен случай биха били изхвърлени директно в атмосферата.

Като цяло микротурбините са леки и компактни устройства, характеризиращи се с ниски нива на шум и вибрации, нискоемисионни и гъвкави по отношение на горивото в сравнение с конкурентните им технологии като двигателите с вътрешно горене, например.