Технологии газовых двигателей и газовых турбин: обзор
Сравнение двух технологий выработки электроэнергии
В постоянно развивающейся сфере производства электроэнергии две технологии децентрализованной генерации выделяются своей эффективностью и надежностью: газовые двигатели и газовые турбины. Обе технологии позволяют снизить зависимость от передачи и распределения электроэнергии на большие расстояния, однако каждая из них имеет свои преимущества и области применения. Понимание ключевых различий поможет вам принять обоснованное решение при выборе технологии децентрализованного энергоснабжения.
Наши преданные своему делу эксперты Jenbacher готовы предоставить индивидуальную консультацию.
Технология газовых двигателей
Эти двигатели внутреннего сгорания работают на газообразном топливе и используются для выработки электроэнергии. Они широко применяются на электростанциях, промышленных предприятиях и в других секторах, где требуется надежная локальная генерация электроэнергии.
Что обычно входит в состав электростанции на базе газового двигателя?
- Газовый двигатель: «сердце» генераторной установки, работающее по принципу внутреннего сгорания: газовоздушная смесь воспламеняется либо топливо впрыскивается в цилиндры через систему прямого впрыска воздуха, в результате чего вырабатывается механическая энергия.
- Генератор: соединенный с двигателем генератор, преобразует механическую энергию, производимую двигателем, в электрическую. Он состоит из вращающегося ротора внутри статора, который создает электромагнитное поле и индуцирует ток.
- Система управления: панель управления вместе с соответствующим программным обеспечением контролирует и регулирует работу генераторной установки. Она обеспечивает безопасную, эффективную и надежную эксплуатацию установки — выполняет пуск и останов, регулирует выходное напряжение и защищает установку от перегрузок и других неисправностей.
- Теплообменники: за счет утилизации тепла, выделяемого при выработке электроэнергии, общая эффективность системы значительно повышается. Тепло, которое в противном случае было бы потеряно, используется для локального теплоснабжения, централизованного теплоснабжения, промышленных процессов или даже охлаждения с помощью внешних абсорбционных холодильных машин.
- Вспомогательное оборудование: включает системы охлаждения, выпуска отработавших газов, топливную систему, систему пуска и другие системы.
Эти компоненты совместно обеспечивают эффективную и надежную работу генераторной установки, а при необходимости — стабильную подачу электроэнергии и тепла.
Как работает газовый двигатель?
Процесс начинается с поступления смеси воздуха и топлива — например природного газа, биогаза или другого газообразного топлива — в камеру сгорания двигателя. Затем смесь сжимается поршнем и воспламеняется свечой зажигания. В результате воспламенения поршень движется вниз, вращая коленчатый вал и создавая механическую энергию. Затем эта механическая энергия преобразуется генератором в электрическую.
Специальные версии двигателей также используют технологию прямого впрыска во впускной канал, чтобы улучшить как сгорание таких видов топлива, как водород, так и переходные характеристики двигателя.
Технология газовых турбин
Стандартная электростанция на базе газовой турбины по составу аналогична электростанции на базе газового двигателя. Однако в данном случае газотурбинная установка преобразует энергию, получаемую при сжигании газа, в механическую энергию для вращения турбины. Эта технология широко используется на электростанциях и в промышленности благодаря эффективности, гибкости и надежности.
Как работает газовая турбина?
- Забор воздуха: процесс начинается с забора воздуха, который сжимается, как правило, центробежным или осевым компрессором.
- Сжигание топлива: затем сжатый воздух смешивается с топливом — обычно природным газом или дизельным топливом — в камере сгорания. Топливовоздушная смесь воспламеняется, образуя газ высокой температуры и высокого давления.
- Выработка электроэнергии: затем этот газ высокого давления направляется на лопатки турбины, заставляя их вращаться. Вращающаяся турбина соединена с генератором, который преобразует механическую энергию в электрическую.
- Утилизация тепла: тепло отработавших газов турбины может использоваться в теплообменниках для получения горячей воды или пара для различных применений — этот процесс известен как когенерация. В парогазовых электростанциях комбинированного цикла (CCGT) тепло отработавших газов используется для производства пара, который приводит в действие паровую турбину и вырабатывает дополнительную электроэнергию. Эти процессы значительно повышают общую эффективность электростанции.
Сравнительная таблица: газовый двигатель и газовая турбина
| Параметр | Газовый двигатель | Газовая турбина |
| Электрический КПД (простой цикл) | 39 – 49% | 30 – 42% |
| Электрический КПД (комбинированный цикл) | N/A | 50 – 63% |
| Общий КПД (электричество + тепло) | 80 – 95% | 75 – 85% |
| Доступное тепло отработавших газов | 400 – 500°C | 450 – 650°C |
| Требуемое давление газа | < 500 мбар – 12 бар | 20 бар – 50 бар+ |
| Время пуска | 45 сек – 5 мин | 5 – 10 мин; 30 – 60 мин (CGT) |
| Ограничения по пускам | Не ограничено | требуется 1-часовое рабочее окно |
| Время для принятия нагрузки | < 15 сек | > 2 мин до синхронизации |
| Занимаемая площадь | + | + |
| Мобильность | ++ | ++ |
| Интервал капитального ремонта | 60,000 – 80,000 моточасов | 100,000 – 150,000 моточасов |
| CAPEX | +++ | +++ (простой цикл); ++ (комбинированный цикл) |
| OPEX | ++ | + (простой цикл); +++ (комбинированный цикл) |
| COD | Несколько недель | Несколько месяцев |
| Гибкость при изменении температуры окружающей среды и высоты | +++ | O |
Выбор подходящей технологии выработки электроэнергии
Конкретные требования вашего проекта по выработке электроэнергии определят, какую технологию — газовый двигатель или газовую турбину — вы в итоге выберете. У каждой из них есть свои сильные и слабые стороны. Для определения оптимального решения для ваших потребностей в генерации необходим тщательный анализ. Используйте приведенную выше таблицу и учитывайте следующие факторы при принятии решения:
Эффективность
Хотя газовые турбины могут достигать более высокой эффективности, чем газовые двигатели, в схемах комбинированного цикла (CCGT), газовые двигатели обеспечивают более высокий электрический КПД в простом цикле. Установки CCGT обычно требуют более длительного времени пуска, что может сделать газовые турбины хорошим выбором для непрерывной базовой генерации. С другой стороны, газовые двигатели, как правило, имеют лучшую эффективность при частичной нагрузке, что делает их более подходящими для применений с переменным профилем нагрузки или для пиковых электростанций, которым необходимо быстро увеличивать и снижать мощность. При каскадном подключении газовых двигателей эффективность станции, близкая к номинальной, может достигаться в очень широком диапазоне нагрузок электростанции.
Source: INNIO Group
Гибкость
Газовые двигатели могут быстро запускаться и останавливаться, а также быстро увеличивать и снижать выходную мощность. Это делает их хорошим выбором для применений, требующих высокой степени гибкости, таких как балансировка энергосистемы или интеграция с возобновляемыми источниками энергии. Газовым турбинам, особенно крупным агрегатам и установкам CCGT, требуется больше времени для пуска и повторного запуска.
Source: INNIO Group
Тип топлива
Газовые двигатели обладают большей топливной гибкостью и могут работать на широком диапазоне газообразных топлив, однако конкретные требования к подготовке и подаче топлива могут различаться.
Размер и масштабируемость
Газовые турбины выпускаются в различных размерах — от небольших микротурбин до крупных промышленных агрегатов. Это делает их пригодными для широкого спектра применений в энергетике: от распределенной генерации до крупных центральных электростанций. Хотя газовые двигатели обычно используются в малых и средних энергетических установках, благодаря модульности их мощность можно легко масштабировать, поэтому они также подходят для более крупных центральных электростанций.
Давление газа
В целом газовые турбины более чувствительны к изменениям давления топливного газа. Если давление слишком низкое, это может повлиять на процесс сгорания и снизить эффективность и выходную мощность турбины. Газовые двигатели, напротив, обычно эффективно работают в более широком диапазоне давлений газа. Абсолютные требования к давлению газа у газовых турбин выше; особенно на объектах с низким давлением газа, например в распределительных сетях, необходимость установки газового компрессора существенно увеличивает собственное энергопотребление газовых турбин.
CAPEX и OPEX
Газовые двигатели, как правило, имеют более низкие первоначальные капитальные затраты по сравнению с газовыми турбинами. Им может требоваться более частое техническое обслуживание, чем газовым турбинам, однако такие работы обычно проще, поэтому дешевле и требуют более коротких простоев. Газовые турбины имеют более высокий начальный CAPEX, хотя могут работать дольше между сервисными интервалами; при этом работы по техническому обслуживанию могут быть более сложными и дорогими, а простои — более длительными. При надлежащем техническом обслуживании обе технологии могут иметь сопоставимый срок службы.
Воздействие на окружающую среду
Газовые двигатели и газовые турбины обычно имеют низкие уровни выбросов. Однако дальнейшая декарбонизация возможна с помощью дополнительных технологий контроля выбросов, таких как системы SCR, или за счет использования углеродно-нейтральных видов топлива, например зеленого водорода.
Чувствительность к высоте над уровнем моря
С увеличением высоты воздух становится менее плотным, что может снижать выходную мощность и эффективность обеих технологий. Однако газовые турбины, как правило, сильнее подвержены влиянию высоты, чем газовые двигатели. Технология двухступенчатого турбонаддува газовых двигателей обеспечивает стабильную выходную мощность даже на больших высотах — возможность, достижение которой представляет трудности для турбинной технологии.
Температура окружающей среды
Хотя более высокие температуры окружающей среды могут снижать плотность воздуха на впуске, что, в свою очередь, уменьшает выходную мощность обеих технологий, газовые двигатели демонстрируют значительно лучшие характеристики, чем газовые турбины, при высокой температуре окружающей среды. Газовые турбины засасывают большие объемы воздуха для сгорания, и температура напрямую влияет на плотность этого воздуха. С помощью систем управления можно дополнительно оптимизировать топливовоздушную смесь и момент зажигания, что помогает сохранять рабочие характеристики.
Номинальная мощность газовых турбин обычно указывается в соответствии со стандартами ISO при температуре окружающей среды 15 °C, а для технологии газовых двигателей мощность указывается по стандарту ISO при 25 °C. Технология двухступенчатого турбонаддува позволяет газовым двигателям работать с полной нагрузкой при температурах окружающей среды значительно выше 45 °C. Простая настройка турбокомпрессора позволяет улучшить характеристики газовых двигателей при высоких температурах окружающей среды, тогда как турбинная технология вынуждена полагаться на активное охлаждение воздуха на входе, что связано с дополнительными затратами и также потребляет ценные ресурсы, например воду.
Решение Jenbacher для выработки электроэнергии
Jenbacher 50 MW power plant
Преимущества технологии двигателей Jenbacher:
- Эффективность: газовые двигатели могут достигать высоких уровней КПД, особенно в системах комбинированного производства тепла и электроэнергии (CHP), а также при высоких температурах окружающей среды и на больших высотах.
- Гибкость: благодаря возможности быстрого пуска и останова они эффективно реагируют на изменения спроса на электроэнергию. Кроме того, газовые двигатели при необходимости могут работать в режиме частичной нагрузки и легко масштабируются по мощности.
- Воздействие на окружающую среду: газовые двигатели также могут работать на широком диапазоне источников энергии, включая возобновляемые виды топлива, такие как биогаз, промышленные побочные газы и даже водород с содержанием до 100%.
- Модульные решения: модульная конструкция и высокая надежность двигателей помогают увеличить готовность электростанции и снизить требования к техническому обслуживанию.
- Передовые цифровые решения: платформа myplant на базе ИИ для удаленного мониторинга и предиктивной аналитики помогает повышать производительность и эффективность флота газовых двигателей.
- Поддержка энергетического перехода: с ростом доли возобновляемых источников энергии (ВИЭ) и децентрализованных решений по выработке электроэнергии газовые двигатели играют важную роль в энергетическом переходе, обеспечивая гибкую, эффективную и надежную подачу мощности в сеть и поддерживая стабильность в сочетании с переменными возобновляемыми источниками энергии.
Группа INNIO является глобальным технологическим лидером в области генерации электроэнергии на базе двигателей. Наши эксперты Jenbacher могут совместно с вами определить, являются ли газовые двигатели правильным выбором для вашего проекта по выработке электроэнергии. Благодаря нашему обширному опыту мы можем более глубоко проанализировать затраты и преимущества вашего проекта, чтобы найти решение, которое наилучшим образом соответствует вашим конкретным потребностям.
Когенерационная установка Jenbacher состоит из энергоблока с двигателем и генератором, а также теплообменников, позволяющих использовать тепло, образующееся в процессе сгорания. Энергетические системы используют все соответствующие источники тепла, такие как охлаждающая вода двигателя, смазочное масло, газовоздушная смесь и отработавшие газы. Могут достигаться уровни температуры воды 100 °C и выше, что делает решения Jenbacher CHP и CCHP очень гибкими.
Наши специалисты готовы вам помочь!
Независимо от того, ищите ли вы для вашего бизнеса решения по распределенной энергетике, доступ к электричеству, снижение затрат на энергоснабжение или даже продажу электроэнергии в сеть/потребителям, локальные специалисты INNIO могут подсказать, какое решение будет наиболее подходящим именно для вас.
Свяжитесь с нами, чтобы получить бесплатную консультацию по следующим вопросам:
- Преимущества решений по распределенной генерации для вашей компании
- Потенциальные финансовые выгоды, рассчитанные с помощью экономической модели
- Технические аспекты вашего проекта — виды топлива, технико-экономическое обоснование, выбор оборудования и комплектации и многое другое.
- Местные поощрительные программы, относящиеся к вашему бизнесу
- Варианты реализации вашего проекта: покупка, финансирование и лизинг, энергосервисные контракты
- Соответствие нормам по выбросам
Заполните контактную форму справа (для мобильных устройств — внизу страницы), или отправьте нам email email.kz@innio.com. Давайте начнем!
Проконсультируйтесь с экспертом
Отправьте нам сообщение, и мы свяжемся с вами, чтобы начать диалог.
Независимо от того, ищет ли ваш бизнес решения для локального энергоснабжения, доступ к электроэнергии, снижение затрат на энергию или даже возможность продавать электроэнергию обратно в местную сеть/потребителям, региональные эксперты Jenbacher могут проконсультировать вас и предложить оптимальное решение для ваших задач.
Больше предложений
