ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ НА ГАЗОВЫХ ДВИГАТЕЛЯХ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Основное производство электроэнергии при сжигании природного газа в России происходит на тепловых электростанциях (ТЭС), тепловых электроцентралях (ТЭЦ) или государственных районных электростанциях (ГРЭС). Способ получения электроэнергии у них одинаковый. При сжигании органического топлива котлы вырабатывают пар, который вращает турбину, приводящую в действие электрогенератор.

Рис.1 Топливо для электростанций

В качестве топлива на тепловых электростанциях России (рис.1) используется природный газ (73%), уголь (23,9%), мазут (3%), торф (0,1%). Газ преобладает.

Кроме традиционной схемы с использованием пара в качестве рабочего тела, существуют другие способы преобразования химической энергии топлива в электричество: газотурбинные и газопоршневые установки. Они представляют собой двигатели внутреннего сгорания, вращающие вал электрогенератора.

Газотурбинные и газопоршневые двигатели

Двигатели внутреннего сгорания приводят в движение по всему миру более миллиарда автомобилей. А еще есть тракторы и тепловозы, мотоциклы и мопеды, подводные лодки и самолеты. Большинство транспортных средств в мире использует поршневые двигатели. Конечно, есть трамваи, троллейбусы и электроавтомобили. Количество последних неуклонно растет, но для изготовления миллиарда транспортных средств на электрической тяге потребуется много времени.

Рис.2 Схема газотурбинного двигателя

В газотурбинном двигателе воздух сжимается компрессором перед поступлением в камеру сгорания, куда также подается топливо. При сжигании образуются продукты сгорания, обладающие большой энергией и вращающие турбину. Последняя обеспечивает работу компрессора. Остальная энергия может передаваться на приводимый агрегат или использоваться для создания реактивной тяги (рис.2). В качестве топлива может использоваться бензин, керосин, дизель, природный газ и даже измельчённый уголь. Интересный факт: в советском, а потом российском танке Т-80 использован газотурбинный двигатель ГТД-1000 с максимальной мощностью 1100 л. с, благодаря чему махина массой более 40 тонн может развить максимальную скорость до 70 км/час.

У поршневого двигателя энергия расширяющихся газов при сгорании топлива в цилиндре преобразуется в поступательное движение поршня, который посредством кривошипно-шатунного механизма вращает вал. Мощность поршневых двигателей внутреннего сгорания колеблется от нескольких ватт у судовых моделей до 75000 кВт у судовых двигателей.

Рис. 3 Газпром газомоторное топливо

Поршневые двигатели работают прежде всего на бензине и дизеле. Но в последние годы их теснит газообразное топливо. В конце ХХ века стал широко применятся сжиженный углеводородный газ, пропан-бутановая смесь, находящаяся в баллонах (СУГ). С середины 2010-х годов «Газпром» организовал мощную компанию по продвижению природного газа в качестве моторного топлива (рис.3). В частности, сообщается, что 1 км пути на природном газе осенью 2024 года обходится автовладельцам в 2,3 рубля, а на бензине уже 5,2 рубля. Кроме метана и СУГ в качестве топлива применяются древесный газ, коксовый и другие промышленные газы.

Газовые поршневые двигатели могут иметь искровое зажигание, что позволяет им работать также на бензине. Другая разновидность – газодизельные двигатели, где топливная смесь поджигается не электрической свечой, а запальной порцией дизельного топлива. Основное применение для них – тяжелые грузовики.

Газотурбинные электростанции

Двигатели внутреннего сгорания нужны не только транспортным средствам. Они широко применяются для выработки электроэнергии. Газотурбинные электростанции генерируют электричество и тепловую энергию. В качестве привода электрогенератора используются газовые турбины. Они вырабатывают от десятков кВт до сотен МВт.

Газотурбинная электростанция состоит из компрессора, камеры сгорания, турбины и электрогенератора (рис.4). Компрессор нагнетает воздух под высоким давлением в камеру сгорания. Туда же поступает газовое топливо. Из камеры сгорания высокотемпературные дымовые газы с значительным энергетическим потенциалом поступают на турбину, которая приводит в действие компрессор и, через редуктор, вращает вал электрогенератора. Последний вырабатывает электрическую энергию.

Рис.4 Схема газотурбинной установки

Для лучшего использования тепла имеются рекуператор и теплообменник. В рекуператоре воздух подогревается продуктами сгорания, которые поступают из камеры сгорания с температурой около 900 ⁰С. В теплообменнике оставшееся тепло утилизируется для подачи в систему отопления или иных технологических нужд.

Газотурбинные электростанции получили широкое распространение в 50—60-х гг. ХХ века, в настоящее время используются реже. Они имеют низкий КПД (33-39%) и высокую стоимость за генерируемый кВт мощности.

Рис.5 Газотурбинная электростанция Пякяхинского месторождения

Газотурбинные электростанции могут размещаться внутри помещения или на открытой площадке. Их использование целесообразно для удалённых потребителей, особенно — при необходимости отопления объекта. Чаще всего применяются в районах нефтегазодобычи в качестве автономных источников электроснабжения. На газотурбинной электростанции Пякяхинского нефтегазоконденсатного месторождения в настоящее время работают четыре энергоагрегата «Урал-6000» (рис.5). Они обеспечивают собственной электроэнергией поселок вахтовиков и производственные мощности промысла.

Парогазовые установки

Рис. 6 Схема работы парогазовой электростанции

Парогазовая установка вырабатывает электричество двумя турбинами (рис.6). В газотурбинной установке турбину вращают газообразные продукты сгорания топлива. Проходя через газовую турбину, продукты сгорания отдают часть своей энергии. На выходе их давление близко к атмосферному, но они имеют высокую температуру.

Дымовые газы с температурой около 500 ⁰С попадают в котел-утилизатор, где образуется перегретый пар с высоким давлением. Он подается в паровую турбину, которая приводит в действие второй электрогенератор. Парогазовые установки позволяют достичь электрического КПД более 60 %. Напомню, что у газотурбинных установок он находится в диапазоне 33 - 39 %, у работающих отдельно паровых установок - в пределах 33-45 %. Обычно мощность парогазовых установок составляет от 100 до 500 МВт.

Рис.7 Парогазовая установка

Парогазовая установка Новомосковской ГРЭС ПГУ-190 (рис.7) построена на базе газотурбинной установки производства General Electric мощностью 126 МВт, паротурбинной установки Siemens мощностью 64 МВт и котла-утилизатора П-142 ПАО «Машиностроительный завод «ЗиО-Подольск». Необходимое качество природного газа обеспечивает система газоподготовки «ЭНЕРГАЗ», в состав которой входят блочный пункт подготовки газа и дожимная компрессорная станция, которые составляют систему комплексной газоподготовки. В блочном пункте газ очищается от механических примесей и жидкостей, производится его учет. Дожимная станция повышает давление газа перед подачей в газовую турбину.

Микротурбины

Производство электроэнергии газовыми турбинами возможно не только в гигантских масштабах. Для небольших объемов применяются микротурбины, которые можно использовать даже для жилых домов.

Рис. 8 Принципиальная схема микротурбины Capstone C30

1. Входной воздушный патрубок; 2. Генератор с воздушным охлаждением; 3. Выходной патрубок для отработавших газов; 4. Рекуператор (теплообменник); 5. Инжектор;

6. Камера сгорания; 7. Корпус с теплозащитой; 8. Рабочее колесо турбины; 9. Лепестковый подшипник; 10. Компрессор; 11. Вал

В одном небольшом корпусе (рис.8) размещены компрессор, камера сгорания, рекуператор, турбина и электрогенератор. Последний охлаждается набегающим потоком воздуха, отдельная система охлаждения не нужна. Микротурбогенератор имеет одну движущуюся деталь - вращающийся вал, на оси которого расположены генератор, компрессор и сама турбина. Скорость вращения вала - до 100 000 об/мин. Он поддерживается воздушными подшипниками, которые не требуют жидкой смазки.

Рис. 9 Микротурбина CAPSTONE

Микротурбины CAPSTONE (рис.9) имеют электрическую мощность от 30 кВт до 1 МВт. Они автоматически производят увеличение или снижение мощности выработки электроэнергии в зависимости от нагрузки сети. Микротурбины работают на природном и попутной нефтяном газах, сжиженном углеводородном газа, биогазе, дизельном топливе. Контроль над работой установок осуществляет микропроцессорная система автоматического управления через GSM модем.

 Автор статьи: Вершилович Владислав Адамович

- Место работы - ООО «Газпром газораспределение Нижний Новгород»

- Автор популярных книг и учебных пособий по устройству и эксплуатации газового оборудования

Пройдите курсы по промышленной безопасности
И получите удостоверение

Подробности здесь