Energietechnik GmbHКогенерационные установки (Мини-ТЭЦ).
Индивидуальные решения. Немецкое качество.
Индивидуальные решения. Немецкое качество.
+7(495)109-8-901
Заказать звонок
Сравнительный анализ газопоршневых (ГПУ) и газотурбинных когенерационных установок (ГКУ)
05.09.2022
Сравнительный анализ газопоршневых (ГПУ) и газотурбинных когенерационных установок (ГКУ)В нашей практике на этапе выбора оборудования часто встает вопрос – какую технологию генерации лучше выбрать? Основанную на газо-поршневом двигателе или газовой турбине.
В этой статье мы подобрали основные аргументы в нашем диапазоне мощностей (500-2500 кВт электрической мощности).
Газотурбинные и газопоршневые двигатели нашли широкое применение в качестве приводов энергетических установок. При этом газотурбинные двигатели обладают неоспоримым преимуществом при единичной мощности привода свыше 20-30 МВт. Для единичной мощности до 8 МВт более эффективно использовать поршневые двигатели. Такое разделение обусловлено КПД энергетической установки. У газопоршневых генераторных установок электрический КПД составляет 42-46%, в то время как газотурбинные электростанции при единичной мощности двигателя 2-6 МВт имеют электрический КПД 20-26%. Этот фактор особенно важен при строительстве электростанции простого цикла, так как эффективность газопоршневых двигателей в указанном диапазоне вдвое превышает эффективность газотурбинных. При работе на частичных режимах эффективность газовой турбины уменьшается в разы, в то время, как поршневой двигатель эффективности практически не теряет.
Средневзвешенная стоимость выработки одного кВт часа электроэнергии на газопоршневой электростанции для простого цикла в 2.5-3 раза ниже, чем у газовых турбин. Удельная стоимость основного оборудования газопоршневых и газотурбинных электростанций в среднем одинакова и составляет порядка 500-550 У.Е./кВт, при сроке окупаемости 2.5-3г. Однако, за это время турбина фактически только успевает себя окупить и уже нуждается серьезном ремонте, в то время как газопоршневой двигатель не требует серьезных затрат на обслуживание. Замену камеры сгорания турбины и горелок нужно производить через 9-12 мес. (стоимость составит от 22 до 37% стоимости новой турбины). Капитальный ремонт на заводе изготовителе через 2.8-3 г. эксплуатации (стоимость составит от 50 до 70% стоимости новой турбины).
Газовые турбины существенно снижают свой ресурс при каждом запуске/остановке. Поэтому ресурс газовых турбин измеряется не в абсолютных моточасах, а в условных. Так, каждый запуск/остановка приравнивается к 200-500 условным часам. Эксплуатационные показатели: электрогенераторы на базе турбин крайне неэффективно работают при средних и низких (менее 50% мощности) и переменных нагрузках. Так же газовые турбины снижают эффективность при высоких температурах (более 15 °С) окружающего воздуха.
Газопоршневая машина устойчиво работает при нагрузке от 30% кратковременно до 100% мощности. Запуск и остановка газовой турбины занимает значительно большее времени, чем запуск и остановка поршневого двигателя. Так, газопоршневой агрегат способен принимать нагрузку в течение минуты после запуска, газовая турбина же требует предварительного прогрева, занимающего несколько минут. Газотурбинная электростанция состоит из сложного комплекса отдельных систем, таких как система очистки воздуха, система маслоснабжения, система пожаротушения, система автоматического управления. Обслуживающий персонал газотурбинной электростанции должен иметь более высокую квалификацию, чем для газопоршневой электростанции.
Система очистки воздуха имеет очень сильное влияние на процесс работы газовой турбины. Как правило, завод изготовитель предъявляет очень высокие требования к качеству воздуха (размер пылевых частиц не более 3 мкм – качество воздуха выше, чем в операционной). В силу этого фактора кассеты воздушных фильтров имеют несколько ступеней и требуют очень частой замены. Так же возникают проблемы при обледенении систем воздухоочистки. Даже не смотря на выполнение требований по обеспечению качества воздуха, турбина нуждается в промывке проточной части компрессора, иначе эффективность турбины существенно снизится. В холодное время года промывка компрессора невозможна. Также известны случаи обледенения первых ступеней компрессоров турбин при эксплуатации в северных районах. Применение антиобледенительной системы с возвратом циклового воздуха также снижает эффективность всей турбины.
Система маслоснабжения для газовых турбин имеет внешнее исполнение, когда давление масла создается внешним масляным насосом. Масляное хозяйство размещается в отдельном достаточно громоздком помещении. Сигнальная связь через систему управления менее надежна кинематической связи, применяемой в поршневых двигателях. К системе пожаротушения для газовых турбин предъявляются более высокие требования, чем к поршневым электростанциям. Это связано с тем, что в газовой турбине используется рабочая смесь с большим на порядок коэффициентом избытка воздуха (λ=15, в то время как поршневые двигатели имеют λ=1,8). Поэтому при прорыве горячих газов во внутреннее пространство кожуха или машинного зала (что может произойти при обрыве лопатки турбины) требуется очень мощная установка пожаротушения.
Газопоршневой привод лишен всех указанных недостатков: одноступенчатый фильтр-патрон обеспечивает приемлемое качество воздуха, подаваемого в двигатель, даже в условиях повышенной запыленности (до 500 мг/м3); контейнерная газопоршневая электростанция не имеет проблем с обледенением даже в суровые морозы (до –40, –50 °С). Как правило, газопоршневые электростанции комплектуются порошковой или аэрозольной системой пожаротушения, что обусловлено надежностью работы двигателя (отсутствуют высокоинерционные вращающиеся массы и внутреннее пространство контейнера легко герметизируется от притока кислорода извне). Высокоскоростные вращающиеся массы газовой турбины требуют наличия очень массивных и дорогих фундаментов. Расчетный момент опрокидывания газотурбинной электроустановки значительно выше, чем газопоршневой.
Система маслоснабжения для газовых турбин имеет внешнее исполнение, когда давление масла создается внешним масляным насосом. Масляное хозяйство размещается в отдельном достаточно громоздком помещении. Сигнальная связь через систему управления менее надежна кинематической связи, применяемой в поршневых двигателях. К системе пожаротушения для газовых турбин предъявляются более высокие требования, чем к поршневым электростанциям. Это связано с тем, что в газовой турбине используется рабочая смесь с большим на порядок коэффициентом избытка воздуха (λ=15, в то время как поршневые двигатели имеют λ=1,8). Поэтому при прорыве горячих газов во внутреннее пространство кожуха или машинного зала (что может произойти при обрыве лопатки турбины) требуется очень мощная установка пожаротушения.
Газопоршневой привод лишен всех указанных недостатков: одноступенчатый фильтр-патрон обеспечивает приемлемое качество воздуха, подаваемого в двигатель, даже в условиях повышенной запыленности (до 500 мг/м3); контейнерная газопоршневая электростанция не имеет проблем с обледенением даже в суровые морозы (до –40, –50 °С). Как правило, газопоршневые электростанции комплектуются порошковой или аэрозольной системой пожаротушения, что обусловлено надежностью работы двигателя (отсутствуют высокоинерционные вращающиеся массы и внутреннее пространство контейнера легко герметизируется от притока кислорода извне). Высокоскоростные вращающиеся массы газовой турбины требуют наличия очень массивных и дорогих фундаментов. Расчетный момент опрокидывания газотурбинной электроустановки значительно выше, чем газопоршневой.
Утверждение о том, что газотурбинная установка имеет лучшие показатели экологичности выхлопа неверно. Обычно в качестве критерия приводят удельную концентрацию NOx и СО на единицу объема выхлопных газов (у газовых турбин 45-75 мг/м3, у газопоршневых двигателей 250-500 мг/м3). Однако в силу того, что коэффициент избытка воздуха газовой турбины на порядок больше, чем газопоршневого двигателя, абсолютные показатели выбросов в целом одинаковые.
Высокая частота вращения газотурбинного привода вызывает необходимость установки понижающего редуктора между турбиной и генератором. Турбины относительно низкой мощности (0,7-8 мВт) являются доработками либо авиационных, либо применяемых в военно-морском флоте, и их показатели надежности и экономичности крайне низкие. КПД (22-27%), моторесурс до капитального ремонта (25-30 тыс. моточас.) вдвое ниже чем у поршневых двигателей.
Газопоршневые машины, в составе энергокомплекса, позволяют производить ремонт на месте, без остановки работы всего комплекса, вплоть до капитального, с полной разборкой на месте постоянной эксплуатации. При комплектации турбинами, агрегат (турбогенератор) необходимо демонтировать и отправлять для ремонта на завод изготовитель, что значительно увеличивает сроки эксплуатации энергокомплекса при неполном составе оборудования и значительно снижает надежность. При этом необходимо увеличивать число агрегатов либо в составе энергокомплекса, либо запасных. При производстве эл. энергии в диапазоне мощностей от 0,5 до 40 МВт наиболее целесообразно применение газопоршневых агрегатов:
Высокий КПД — до 46% электрический, до 88,5% теплоэлектрический, до 92% общий в составе станции.
Способность к восприятию широкого диапазона нагрузок от 30% до 100% единичной мощности агрегата.
Полная ремонтопригодность (до кап. ремонта) на месте установки.
Высокий моторесурс (общий свыше 250 тыс. часов, до капремонта 64 тыс. часов).
Выводы:
1. Электрический КПД газопоршневой электростанции почти вдвое выше электрического КПД газотурбинной (42-46% против 21-26%).
2. При частичных нагрузках (30-50%) газовые турбины существенно снижают свою эффективность, ровно как и при повышении температуры окружающей среды свыше 15 °С.
3. Для простого цикла средневзвешенная стоимость выработки одного кВт часа электроэнергии у газопоршневых двигателей в 2,5-3 раза ниже, чем у газовых турбин.
4. Удельная стоимость основного оборудования газопоршневых и газотурбинных электростанций в среднем одинакова и составляет порядка 500-550 У.Е./кВт.
5. Газовая турбина, едва достигнув срока окупаемости, требует серьезного ремонта, замены камеры сгорания, замены грелок. Также каждый запуск/остановка газовой турбины существенно снижает ресурс турбины.
6. Даже в случае блочно-модульного исполнения, газотурбинная электростанция состоит из сложного комплекса взаимосвязанных систем, требующих индивидуальной настройки и высококвалифицированного обслуживания.
7. Газотурбинный привод предъявляет повышенные требования к системе очистки воздуха, системе пожаротушения, системе антиобледенения, фундаментам и конструкциям, что увеличивает стоимость реализации проекта электростанции по сравнению с газопоршневым приводом.
8. Для проведения серьезных ремонтных работ газотурбинный привод требует демонтажа и отправки на завод изготовитель, а газопоршневой двигатель подразумевает ремонт на месте, в том числе и капитальный.
9. По воздействию на экологию газотурбинный и газопоршневой привод имеют одинаковые абсолютные значения.
10. Газопоршневой двигатель имеет более чем в два раза больший моторесурс, чем газотурбинный двигатель.
11. Стоимость выработки электрической и тепловой энергии на газопоршневых электростанциях с учетом периодического обслуживания составляет порядка 2,5-3,0 руб./кВт*час.
12. Модульная установка газопоршневой электростанции подразумевает гораздо меньший объем строительно-монтажных работ, чем модульное размещение газотурбинной электростанции, что существенно снижает сроки ввода объекта в эксплуатацию.
Высокая частота вращения газотурбинного привода вызывает необходимость установки понижающего редуктора между турбиной и генератором. Турбины относительно низкой мощности (0,7-8 мВт) являются доработками либо авиационных, либо применяемых в военно-морском флоте, и их показатели надежности и экономичности крайне низкие. КПД (22-27%), моторесурс до капитального ремонта (25-30 тыс. моточас.) вдвое ниже чем у поршневых двигателей.
Газопоршневые машины, в составе энергокомплекса, позволяют производить ремонт на месте, без остановки работы всего комплекса, вплоть до капитального, с полной разборкой на месте постоянной эксплуатации. При комплектации турбинами, агрегат (турбогенератор) необходимо демонтировать и отправлять для ремонта на завод изготовитель, что значительно увеличивает сроки эксплуатации энергокомплекса при неполном составе оборудования и значительно снижает надежность. При этом необходимо увеличивать число агрегатов либо в составе энергокомплекса, либо запасных. При производстве эл. энергии в диапазоне мощностей от 0,5 до 40 МВт наиболее целесообразно применение газопоршневых агрегатов:
Высокий КПД — до 46% электрический, до 88,5% теплоэлектрический, до 92% общий в составе станции.
Способность к восприятию широкого диапазона нагрузок от 30% до 100% единичной мощности агрегата.
Полная ремонтопригодность (до кап. ремонта) на месте установки.
Высокий моторесурс (общий свыше 250 тыс. часов, до капремонта 64 тыс. часов).
Выводы:
1. Электрический КПД газопоршневой электростанции почти вдвое выше электрического КПД газотурбинной (42-46% против 21-26%).
2. При частичных нагрузках (30-50%) газовые турбины существенно снижают свою эффективность, ровно как и при повышении температуры окружающей среды свыше 15 °С.
3. Для простого цикла средневзвешенная стоимость выработки одного кВт часа электроэнергии у газопоршневых двигателей в 2,5-3 раза ниже, чем у газовых турбин.
4. Удельная стоимость основного оборудования газопоршневых и газотурбинных электростанций в среднем одинакова и составляет порядка 500-550 У.Е./кВт.
5. Газовая турбина, едва достигнув срока окупаемости, требует серьезного ремонта, замены камеры сгорания, замены грелок. Также каждый запуск/остановка газовой турбины существенно снижает ресурс турбины.
6. Даже в случае блочно-модульного исполнения, газотурбинная электростанция состоит из сложного комплекса взаимосвязанных систем, требующих индивидуальной настройки и высококвалифицированного обслуживания.
7. Газотурбинный привод предъявляет повышенные требования к системе очистки воздуха, системе пожаротушения, системе антиобледенения, фундаментам и конструкциям, что увеличивает стоимость реализации проекта электростанции по сравнению с газопоршневым приводом.
8. Для проведения серьезных ремонтных работ газотурбинный привод требует демонтажа и отправки на завод изготовитель, а газопоршневой двигатель подразумевает ремонт на месте, в том числе и капитальный.
9. По воздействию на экологию газотурбинный и газопоршневой привод имеют одинаковые абсолютные значения.
10. Газопоршневой двигатель имеет более чем в два раза больший моторесурс, чем газотурбинный двигатель.
11. Стоимость выработки электрической и тепловой энергии на газопоршневых электростанциях с учетом периодического обслуживания составляет порядка 2,5-3,0 руб./кВт*час.
12. Модульная установка газопоршневой электростанции подразумевает гораздо меньший объем строительно-монтажных работ, чем модульное размещение газотурбинной электростанции, что существенно снижает сроки ввода объекта в эксплуатацию.
