Найдут ли широкое применение в энергетике газовые турбины?

Можно уверенно сказать, что газовые турбины найдут широкое применение в энергетике. Перед тем как рассмотреть этот вопрос подробно и доказательно, мы хотим напомнить очень кратко, что представляет собой газотурбинный двигатель.

На рис. 3 представлена схема газотурбинной установки. Жидкое или газообразное топливо подается с помощью топливного насоса (ТН) или газового компрессора (ГК) в камеру сгорания (КС). Туда же подается воздух, предварительно подогретый в регенеративном подогревателе (Р) за счет тепла отработавших продуктов сгорания.

Образовавшиеся при горении топлива газы (продукты сгорания) поступают из камеры сгорания (КС) в газовую турбину (ГТ).

Рис. 3. Принципиальная схема газотурбинной установки с p=const и с регенерацией тепла. Р - регенератор; ВК - воздушный компрессор; КС - камера сгорания; ГТ - газовая турбина; ПД - пусковой двигатель; ТН - топливный насос; ГК - газовый компрессор

Принцип работы газовой турбины (аналогичный принципу работы паровой турбины) заключается в следующем (рис. 4). Продукты сгорания, имеющие обычно температуру свыше 1000°С, поступают в сопла турбины - выполненные из металла каналы, установленные в статоре турбины, т. е. остающиеся неподвижными. В соплах тепловая энергия продуктов сгорания преобразуется в кинетическую энергию потока газа. При этом температура и давление продуктов сгорания уменьшаются, а скорость струи газа растет. Струя продуктов сгорания поступает на рабочие лопатки турбины, укрепленные на ее диске, жестко связанном с валом. Таким образом, вал, диск и рабочие лопатки, вращающиеся как единое целое, представляют собой ротор турбины.

Рис. 4. Способ преобразования тепловой энергии в механическую в паровой турбине

Кинетическая энергия струи газа во время протекания по каналам, образуемым рабочими лопатками, уменьшается, но зато увеличивается кинетическая энергия ротора турбины, что и требуется. Если ротор турбины связан с электрическим генератором, то вырабатывается электрическая энергия, а если с воздушным компрессором, то осуществляется сжатие воздуха и подача его потребителю. Если газовая турбина предназначена для перекачки природного газа по газопроводу, то турбина приводит в движение уже не воздушный, а газовый компрессор.

Каков же механизм превращения кинетической энергии струи газа на рабочих лопатках в кинетическую энергию ротора турбины?

Было бы неправильно думать, что ротор турбины приобретает вращательное движение за счет удара струи газа о рабочие лопатки. Наоборот, конструкторы стараются избежать входного удара струи газа о рабочие лопатки, так как такой удар лишь снижал бы КПД турбины.

На самом деле все обстоит так. Каналы, образуемые рабочими лопатками, имеют криволинейный характер. Протекая по такому каналу, поток газа (продуктов сгорания) меняет свое направление и величину скорости. Благодаря центробежной силе он оказывает давление на вогнутые поверхности рабочих лопаток. Именно в силу этого рабочие лопатки, диск турбины, вал, т. е. ротор турбины, а следовательно, и жестко связанный с ним ротор электрического генератора приводятся во вращательное движение и происходит выработка электроэнергии.

Современные газовые турбины - совершенные, обычно многоступенчатые (имеющие несколько рядов сопловых устройств и рабочих лопаток) машины, рассчитанные на высокую начальную температуру продуктов сгорания.

Наиболее широкое распространение газовые турбины получили в авиации. В 40-х годах XX в. на смену поршневым двигателям внутреннего сгорания, оказавшимся не в состоянии преодолеть звуковой барьер (Т. е. достигнуть скорости самолета, превышающей скорость звука)., для чего требовалось резкое повышение мощности, пришли реактивные двигатели, в которых используются газовые турбины.

На рис. 5 и 6 представлены соответственно схемы турбовинтового и турбореактивного авиационных двигателей. Нет необходимости в объяснении того, как они действуют, это хорошо видно из представленных рисунков. Заметим только, что в турбовинтовых двигателях (см. рис. 5) тяга создается как воздушным винтом, так и за счет истечения продуктов сгорания через реактивное сопло, в то время как в турбореактивных авиационных двигателях тяга создается только в результате истечения из реактивного сопла продуктов сгорания с большой скоростью.

Рис. 5. Турбовинтовой авиационный двигатель: 1 - входное устройство; 2 - компрессор; 3 - камера сгорания; 4 - турбина; 5 - реактивное сопло; 6 - воздушный винт

Рис. 6. Турбореактивный авиационный двигатель: 1 - входное устройство; 2 - компрессор; 3 - камера сгорания; 4 - корпус двигателя; 5 - сопловой аппарат; 6 - турбина; 7 - реактивное сопло

Заметим также, что в оба типа этих авиационных двигателей в качестве обязательного элемента входит газовая турбина, задача которой заключается в обоих случаях в приводе воздушного компрессора, а в турбовинтовом двигателе - также в приводе воздушного винта.

Так как температура продуктов сгорания на входе в газовую турбину, как уже сказано, является очень высокой (она может намного превышать 1000°С), то сопла и рабочие лопатки приходится охлаждать.

Вернемся, однако, к поставленному вопросу о широком применении газовых турбин в энергетике. (Рис. 6. Турбореактивный авиационный двигатель: 1 - входное устройство; 2 - компрессор; 3 - камера сгорания; 4 - корпус двигателя; 5 - сопловой аппарат; 6 - турбина; 7 - реактивное сопло)По крайней мере в двух случаях газовая турбина может найти (и уже находит) широкое применение. Во-первых, в качестве пикового двигателя. Дело в том, что потребление электроэнергии в течение суток в большинстве случаев очень неравномерно. Около 1,5-2 ч потребность в электроэнергии значительно выше, чем в среднем за сутки. Это так называемые часы пик.

Экономически нецелесообразно создавать общую мощность системы, достаточную для покрытия пиковой нагрузки. Гораздо выгоднее иметь базовую мощность системы несколько меньше, а пиковую нагрузку покрывать за счет специальной пиковой мощности. Главным требованием к пиковой мощности является ее относительная дешевизна. Что касается расхода топлива, то это в данном случае вопрос второстепенный. Действительно, время работы пиковой мощности в сутки обычно составляет всего лишь 1,5-2 ч и поэтому ее КПД мало влияет на КПД электростанции в целом.

Названным требованиям удовлетворяют газовые турбины: стоимость установленного киловатта для них около 100 руб., а довольно большой удельный расход топлива, как сказано, не имеет существенного значения. Таким образом, за малую стоимость установленного киловатта приходится платить большим удельным расходом топлива. Но в данном случае это оправдано.

Во-вторых, газовые турбины находят широкое распространение в парогазовых установках тепловых электростанций. На рис. 7 представлена схема простейшей установки со сбросом еще горячих газов (продуктов сгорания) 3, поступающих из газовой турбины Т в котел-утилизатор КУ. Как видно из рис. 7, топливо 2 (газотурбинное, жидкое, газ) поступает в камеру сгорания КС, куда также с помощью компрессора К подается воздух. Компрессор размещен на одном валу с газовой турбиной Т и электрическим генератором; компрессор К и генератор приводятся в действие газовой турбиной Т.

Рис. 7. Принципиальная схема ПГУ с парогенератором утилизационного типа: 1 - воздух из атмосферы; 2 - топливо; 3 - отработавшие в турбине газы; 4 - уходящие газы; 5 - свежий пар; 6 - питательная вода

В котле-утилизаторе КУ за счет тепла продуктов сгорания 3 вода 6 превращается в пар 5, поступающий в паровую турбину ПТ, на одном валу с которой находится второй электрический генератор. Такого рода парогазовая установка позволяет использовать (утилизировать) тепло отработавших в газовой турбине продуктов сгорания 3. Охладившиеся в котле-утилизаторе продукты сгорания 4 выбрасываются наружу. Отработавший в паровой турбине ПТ пар поступает, как обычно, в конденсатор, в котором отдает тепло охлаждающей воде, превращается в конденсат и затем с помощью питательного насоса 6 снова поступает в котел-утилизатор.

Существуют различные схемы парогазовых установок. Мы не имеем возможности останавливаться на них, а читателей, желающих получить о них более полную информацию, отошлем к книге Г. Г. Ольховского (См.: Ольховский Г. Г.Энергетические газотурбинные установки. - М.: Энергоатомиздат, 1985).