Газопоршневые станции VS Газотурбинные станции

Сравнительный обзор силовых агрегатов комбинированного цикла
Если перед Вами стоит задача подобрать экономичный силовой агрегат для теплоэлектростанций (мини-ТЭЦ), вырабатывающий не только электрическую, но и тепловую энергию и использующий газовое и жидкое топливо, или их сочетание, то обычно выбор сводится к двум решениям: газовый поршневой двигатель или газовая турбина. В этом обзоре проводится краткое сравнение между этими типами силовых агрегатов по основным показателям:

• электрический КПД;
• влияние температуры рабочей среды;
• показатели работоспособности;
• разница в капиталовложениях;
• условия эксплуатации;

Больший электрический КПД при частичной нагрузке.
Важнейшим параметром качества силового агрегата станции является высокий КПД по электричеству. Газовый двигатель, работающий на обедненной топливно-воздушной смеси, выделяется из общей массы конкурентов. Во всех режимам нагрузки этот двигатель вырабатывает высочайший КПД по электричеству. В результате газовый двигатель получается наиболее экономичным. Привод генератора от газовой турбины и привод от газового двигателя, работающего на обедненном смеси - это два абсолютно разных подхода. Общей чертой для обоих является передача крутящего момента на генератор при помощи вращающегося вала. Но при равном расходе топлива мощность на валу у газового двигателя больше, чем у газовой турбины. Другими словами, газовая турбина использует топливо для выделения большего количества тепловой энергии, чем газовый двигатель. И газовый двигатель и газовая турбина разработаны для постоянной работы при полной нагрузке. Но уменьшение нагрузки негативно сказывается на КПД газовой турбины. На графике (рис. 1) видно, что изменении нагрузки от 100% до 50% КПД газовой турбины стремительно падает. Для газового двигателя такие изменения режима нагрузки слабо влияют на изменение как общего, так и электрического КПД (рис.1). Станция, обладающая лучшими электрическим КПД при любой нагрузке, является:

• Наиболее экономичной,
• обладающей минимальной стоимостью произведенного кВт·часа энергии,
• имеющей кротчайший срок окупаемости капиталовложений.

ГАЗОВАЯ ТУРБИНА
Газовые турбины вырабатывают больше тепловой энергии. КПД по электричеству ниже, чем у газового двигателя, и сильно зависим от нагрузки.

ГАЗОВЫЙ ДВИГАТЕЛЬ

Газовые двигатели обладают высоким электрический КПД, который практически не изменяется в диапазоне нагрузки от 30 до 100 %

Рисунок 1 - Сравнение КПД по электричеству для газовой турбины и газового двигателя

Различия в КПД по электричеству, обусловленные влиянием внешних факторов.
Газовый двигатель, работающий на обедненном топливе, сохраняет высокий КПД по электричеству даже при высоких температурах окружающего воздуха, что выгодно отличает его от газовой турбины. Обычно при температурах выше 30 °С у газовой турбины КПД по электричеству снижается на 15-20 %. Номинальный выход мощности, у обоих агрегатов сильно зависит от внешних условий места установки: высоты над уровнем моря и температуры окружающего воздуха.

Сравнение этих двух агрегатов показывает, что влиянию высоких окружающих температур более подвержена газовая турбина, что хорошо показано на рисунке 2. КПД по электричеству у газовой турбины практически равномерно снижается при температурах окружающего воздуха от 15 °С до 30 °С, а при более высоких снижение становится еще быстрее. Помимо того, что КПД по электричеству газового двигателя не только более высокий на всем интервале температур - он практически не изменяется вплоть до +25 °С ( рис. 2). При существенном изменении температуры на месте установки агрегата КПД газовой турбины изменится больше, чем у газового двигателя. Для сравнения выходной мощности газовой турбины и газового двигателя необходимо выбирать средние значения температуры окружающего воздуха установочной площадки, которые будут оптимальными для работы обоих агрегатов.

На графике показана важность учета окружающей температуры при сравнении КПД по электричеству газовой турбины и газового двигателя.

Рис. 2. Изменение мощности газовой турбины и газового двигателя от температуры окружающего воздуха.

Различия в условиях эксплуатации
Время запуска и время до принятия нагрузки гораздо продолжительнее у газовой турбины, чем у газового двигателя. В среднем время запуска для газовой турбины составляет 15-17 минут, тогда как для газового двигателя - 2-3 минуты. Газовый двигатель работает лучше газовой турбины не только при изменениях нагрузки и окружающей температуры, но и при более тяжелых условиях эксплуатации. Важным отличием между этими агрегатами является чувствительность к частым остановкам и пускам. При частых запусках установки газовая турбина быстро изнашивается, а на газовый двигатель они не оказывают отрицательного воздействия. Количество запусков и остановок за промежуток времени у газового двигателя не ограниченно, что является явным преимуществом для резервных установок, в то время как газовая турбина не может запускаться и останавливаться с такой же частотой. Для нее большое количество запусков увеличивает выработанные часы моторесурса. Расмотрим примерный расчет моторесура для обоих агрегатов. Для газовой турбины сто пусков после последнего капитального ремонта увеличивают общую выработку ресурса на 500 часов. Количество запусков не влияет на число мото-часов для газового двигателя.

Пример расчета выработанного ресурса.

Время работы в режиме базовой нагрузки 4 000 ч.

Время работы в режиме частичной нагрузки 500 ч.

Общее время работы 4 500 ч.

Количество запусков 100

Выработанный ресурс:

Газовая турбина: 4 500 + 5 * 100 = 5 000 часов

Газовый двигатель: 4 500 + 0 * 100 = 4 500 часов

Различие в проектном сроке службы

Срок службы газового двигателя вдвое больше срока службы газовой турбины. По истечению проектного срока службы требуется выполнение полного капитального ремонта, который для газовой турбины намного более дорогостоящий и сложный по сравнению с газовым двигателем.
Проектный срок службы определяет, сколько часов должен проработать силовой агрегат до полного капитального ремонта. Оборудование, прошедшее полный капитальный ремонт, может рассматриваться как новое.
Срок службы до капитального ремонта у газовой турбины вполовину меньше срока службы газового двигателя и обычно составляет 20 000 - 25 000 рабочих часов. В то время как у газового двигателя этот показатель равен 60 000 рабочих часов. За период до первого капитального ремонта газового двигателя у газовой турбины необходимо провести два полных капитальных ремонта. К тому же полный капитальный ремонт газовой турбины намного сложнее, чем капремонт газового двигателя - он выполняется только экспертами и, как правило, на предприятии-изготовителе. Помимо этого, запчасти для ремонта газовой турбины очень дороги, что делает общую стоимость еще выше. У газового двигателя, напротив, полный капремонт представляет собой относительно простой комплекс работ, который персонал, обслуживающим станцию, выполняет на месте. Благодаря этому, время простоя газового двигателя в сравнении с газовой турбиной сокращено, а затраты на запчасти и материалы для капремонта намного меньше.


Типовые интервалы техобслуживания
Газовые турбины

Газовый двигатель

Различия в капиталовложениях

Станция, вырабатывающая тепловую и электрическую энергию в диапазоне 1 - 40 МВт и использующая в качестве силового агрегата газовые двигатели, требует гораздо меньше капиталовложений, нежели аналогичная, но использующая газовые турбины. Сравнение использования газового двигателя и газовой турбины показало на таких электростанциях, что капиталовложения гораздо ниже для газового двигателя. Возьмем для примера электростанцию мощностью 10 МВт. Если использовать в качестве силового агрегата газовый двигатель, то вложений потребуется порядка 7,5 миллионов долларов США. А в случаи использования газовой турбины затраты увеличиваются до 9,5 миллионов долларов США ( рис. 3 ). Давление газа в сети, необходимое для работы газового двигателя не превышает 4-х атмосфер, а для газовой турбины давление подачи газа должно быть как минимум 20 атмосфер, что делает необходимым установку газовой компрессорной станции, а это еще больше увеличивает капиталовложения.

График показывает приблизительную зависимость объема инвестиций для станций комбинированного цикла (электроэнергия + тепло) от мощности в диапазоне 1 - 40 МВт.

Рис. 3. Объемы капитальных вложений в электростанции комбинированного цикла с разными силовыми агрегатами.

Приложение 1 Сравнительная таблица вариантов силовой установки на базе газового двигателя (ДГУ) и газовой турбины (ГТУ)

Примечание: КПД котлов-утилизаторов и дожигающих устройств в обоих случаях приняты равными 90%