«Малышка» на миллионы ватт: как работает газотурбинная установка
В фильме «Малышка на миллион» никто не ждал от невысокой и хрупкой главной героини спортивных успехов в боксе, но упорство и тренировки превратили ее из новичка в претендента на чемпионский титул. Газотурбинная установка тренироваться не умеет, но «горячий нрав» и работа на повышенных оборотах открыли ей путь в большую энергетику, а в будущем могут превратить ее в мировую чемпионку среди преобразователей энергии.
Принцип работы установки прост: природный газ смешивается с воздухом и попадает в камеру сгорания под большим давлением — от 20 атмосфер. Смесь поджигается аналогом «свечей» в двигателе машины, но, в отличие от автомобиля, только один раз. Дальше новые порции газа, поступающие в камеру, зажигаются от высоких температур.
В турбинах жгут не только газ: они могут работать на угольной пыли, керосине и дизельном топливе. Угольная пыль используется на тепловых электростанциях (ТЭС) в местах, где недоступен газ, но есть уголь. Керосин лучше подходит для авиации, где важно, чтобы топливо имело стабильные качества при широком диапазоне температур и давлений. Метан используют там, где его много, — на тепловых станциях в европейской части России или для энергообеспечения нефтегазовых месторождений в Арктике.
После выхода из камеры сгорания нагретые газы истекают в область более низкого давления. Там они расширяются и из-за этого ускоряются, вращая лопатки турбины, надетые на диски. Эти диски прикреплены к крутящемуся валу и служат ротором (вращающейся частью) турбины. Роль статора, то есть неподвижной части, играют другие, сопловые, лопатки, закрепленные вокруг ротора. Неподвижные лопатки статора направляют газ на пластины ротора под нужным углом, снижая турбулентность потоков газа и повышая таким образом КПД.
При вращении ротора в обмотке статора начинает меняться магнитный поток. Это приводит к тому, что в обмотке генерируется электродвижущая сила. Чем быстрее изменяется магнитный поток (вращается ротор), тем больше эта сила. Обмотка статора — это замкнутый проводник со свободными носителями электрического заряда внутри, поэтому при появлении внешней электродвижущей силы по нему начинает течь электрический ток — тот самый, который затем направляется потребителям.
Насколько эффективна газовая турбина
КПД тепловой машины тем выше, чем выше температура нагревателя. В газовой турбине нагреватель — это газ при температуре около 800 градусов Цельсия. Много ли это? Обычный двигатель внутреннего сгорания (ДВС) может иметь пиковую температуру внутри цилиндра в полторы тысячи градусов. Но горение в типовом четырехтактном двигателе занимает один такт — не более четверти времени работы, то есть средняя температура нагревателя меньше пиковой. В газовой турбине горение идет непрерывно, за счет чего ее КПД «догоняет» двигатель внутреннего сгорания и достигает 35–40%.
Из-за непрерывного горения топлива, а также более высокого давления в газотурбинной установке, ее лопатки и камеру сгорания нужно изготавливать из более жаропрочных материалов по сравнению с ДВС. Однако такие материалы и служат дольше.
Ротор газовой турбины вращается со скоростью до 200 оборотов в секунду. Для сравнения, обычный напольный вентилятор за это же время делает не более двадцати оборотов. Высокая скорость позволяет турбине генерировать много энергии при скромных размерах: из топлива извлекается две пятых его энергии. Но что происходит с остальными «возможностями» углеводородов? За счет чего газотурбинная установка так сильно востребована в энергетике, если по КПД газовая турбина сравнима с дизельным двигателем?
Козырь газотурбинной установки
На выходе из турбины раскаленные газы имеют температуру 550 градусов Цельсия — этого недостаточно, чтобы быстро крутить ротор, но вполне хватает, чтобы «накормить» другие преобразователи энергии. На электростанциях извлечь из топлива максимум энергии газовым турбинам помогают паросиловые установки.
Разогретые до полутысячи градусов газы после турбины греют воду в котле. Вода закипает, и пар крутит другую, паровую, турбину. По своему устройству она напоминает газовую, но вращается медленнее (25–50 оборотов в секунду). Длина лопаток на паротурбинах может быть больше метра, а у типичной газовой турбины — десятки сантиметров. Паросиловая установка на ТЭС сама по себе редко имеет КПД выше 30%. Но если сложить этот коэффициент с более высоким у газовой турбины, КПД может превысить 60%.
Почему газовые турбины так популярны
Паровая турбина, которая господствовала на ТЭС до газовой, вращается в несколько раз медленнее, она больше и раскручивается до рабочих режимов дольше. Газовая может достичь максимума за секунды из-за малого диаметра лопастей.
Малые габариты делают газовую турбину незаменимой там, где нужно быстро компенсировать изменение нагрузки. Почти все «пиковые» электростанции используют именно газовую турбину: сложно предсказать, сколько чайников включат жители большого города в вечерний час пик энергопотребления. Успеть за изменением нагрузки на сеть паровая турбина огромных размеров не сможет, а газовая — вполне.
Распространению газовых турбин в последние десятилетия способствовало и появление подшипников, которые могут много лет работать на высоких скоростях без замены основных частей.
Потребность в компактных и мощных установках также увеличилась из-за роста жилых и промышленных объектов, расположенных далеко от крупных электростанций, куда дорого возить топливо для дизельных генераторов. Например, Новопортовское нефтегазоконденсатное месторождение в Ямало-Ненецком автономном округе расположено в 360 километрах от ближайшего крупного города. Месторождению постоянно нужно электричество, поэтому здесь запущено девять газотурбинных установок общей мощностью 144 мегаватта.
Дмитрий Пачковский
начальник газового управления «Газпром нефти»
Основные преимущества современных газотурбинных установок — высокая мощность на единицу оборудования, относительно низкая металлоемкость, простота обслуживания, неприхотливость в потреблении топлива и экологичность.
Завозить дизельное топливо из отдаленных крупных городов не нужно, и при работе турбины на попутном газе дают намного меньше примесных твердых микрочастиц, чем турбины на любом другом топливе, доступном в Арктике. Попутный газ с месторождений, используемый в качестве топлива для газовых турбин, не требует сложной подготовки на газоперерабатывающем заводе — достаточно осушить его от влаги и механических примесей.
