Современная теплоэнергетика
Главная   >>   Современная теплоэнергетика

Современная теплоэнергетика

11.2. Состояние и перспективы создания современных высокотемпературных ГТУ российским энергомашиностроением

Общие направления технической стратегии обновления российской энергетики не могут быть реализованы без широкого производства современных газовых турбин и паротурбинных энергоблоков ССКП.

В настоящее время Россия может производить только две ГТУ, пригодные для использования в составе утилизационных ПГУ: ГТЭ-150 и ГТЭ-160. Обе ГТУ производятся ЛМЗ.

Газотурбинная установка ГТЭ-150 прошла в своем трудном развитии два этапа. В 1990 г. на ГРЭС-3 АО «Мосэнерго» (ГРЭС им. Классона) была смонтирована первая ГТУ проектной мощностью 128 МВт на начальную температуру 950 °С и КПД 29 %. В 1997 г. уже две таких ГТУ были приняты в опытную эксплуатацию. Затем началась модернизация одной из ГТУ с переводом ее на начальную температуру 1100 °С. В результате после двухлетней модернизации была получена ГТУ-150, параметры которой представлены в табл. 7.1.

Конструкция ГТУ-150 (рис. 11.1 и 11.2) представляет блочно-транспортабельный модуль, транспортируемый на фундаментной плите. Он состоит из 15-ступенчатого компрессора, 4-ступенчатой газовой турбины и секционной камеры сгорания, включающей 14 пламенных труб и соответствующих переходных патрубков. Ротор электрогенератора присоединяется к выходному валу компрессора. Горячие отработавшие газы из выходного патрубка направляются в дымовую трубу или котел-утилизатор.

Отличие конструкции турбины ГТЭ-150 от ранее рассмотренных (см. лекцию 7) состоит в опирании ротора: он опирается не на два, а на три опорных подшипника. Установка среднего подшипника в зоне высоких температур, снабжение его маслом через маслопроводы, проходящие через эту зону, существенно усложнило конструкцию и снизило ее надежность.

При освоении ГТЭ-150, которое происходило очень долго и трудно и результаты которого нельзя признать успешными с точки зрения достигнутой экономичности, было решено много проблем, которые являются узловыми для создания ЛМЗ отечественных ГТУ К ним относятся:

изготовление Заводом турбинных лопаток (ЛЗТЛ, г. Санкт-Петербург) методом точного литья по выплавляемым моделям первых двух рядов охлаждаемых рабочих лопаток;

изготовление штампованных лопаток длиной 735 мм для 4-й ступени газовой турбины;

освоение термобарьерных покрытий из диоксида циркония для лопаток и пламенных труб камер сгорания;

создание современных многорегистровых горелочных устройств для каждой пламенной трубы.

При доводке ГТЭ-150 были выполнены уникальные научно-исследовательские работы на камерах сгорания, компрессоре, газовой турбине и т.д. Эти работы и ввод ГТЭ-150 в опытную эксплуатацию создают реальные предпосылки для создания ЛМЗ мощной энергетической ГТУ усовершенствованной конструкции.

Вторую ГТУ, которую сегодня готов поставлять ЛМЗ — это ГТЭ-160, изготавливаемая по лицензии фирмы Siemens. Уже почти 2 года в двух экземплярах в составе ПГУ-450Т она эксплуатируется на Северо-Западной ТЭЦ Санкт-Петербурга. Конструкция этой ГТУ, как ГТУ V94.2, под­робно рассмотрена в лекции 14. Сейчас же отметим возможности ее использования для обновления теплоэнергетики России. Как видно из рис. 7.16 и рис. 7.23, ГТЭ-160 относятся к первому поколению высокотемпературных ГТУ, пригодных для использования в составе утилизационных ПГУ. Однако, как показано ниже (см. лекцию 14), после ряда усовершенствований ГТЭ-160 представляет собой вполне современную ГТУ, позволяющую построить ПГУ с КПД 50—52 %. Как уже неоднократно отмечалось, это дает экономию топлива в 25—30 %, и ПГУ с ГТЭ-160 можно строить уже сегодня.

Дополнительно в пользу целесообразности неотложного строительства ПГУ с ГТЭ-160 можно указать на то, что еще долгое время Россия будет страной с относительно дешевым природным газом (несмотря на неизбежность его существенного удорожания). Поэтому даже при таком КПД (50—52 %), относительно невысоком для современных ПГУ, рентабельность таких ПГУ для энергетики России несомненна.

Еще одно сомнение в целесообразности строительства ПГУ с ГТЭ-160 возникает в связи с использованием значительной доли деталей этой ГТУ, закупаемых за рубежом (по неофициальным данным до 40 %), в частности, охлаждаемых лопаток газовой турбины. Однако большинство зарубежных фирм, строящих ГТУ, также прибегают к услугам специализированных предприятий, изготавливающих, в частности, охлаждаемые лопатки. Далее ЛЗТЛ изготовил охлаждаемые лопатки для ГТУ ГТЭ-150 ЛМЗ, с участием предприятия «Машпроект» (г. Николаев, Украина) изготовлены две ГТУ ГТЭ-110 (об этом ниже), выполнен рабочий проект ГТУ ГТЭ-180, для которой планируется производство охлаждаемых лопаток в России. Поэтому есть надежда, что изнашиваемые детали ГТУ, построенных сегодня и в ближайшем будущем, будут постепенно заменяться деталями отечественного производства.

Конечно, после ввода в эксплуатацию первого энергоблока ПГУ-450Т с КПД 50—52 %, возникает вопрос о строительстве ПГУ с еще большей экономичностью (54—56 % или 57—58 %) с использованием ГТУ с КПД 36—36,5 % или даже 38—38,5 % (см. табл. 7.2). Тогда эти ГТУ сейчас необходимо закупать за рубежом. Было бы крайне желательно построить одну или несколько таких ПГУ (например, одновальную трехконтурную ПГУ с промежуточным перегревом с ГТУ мощностью 240 МВт с температурой уходящих газов 580 °С, с расцепной муфтой, с байпасной дымовой трубой и газоплотным шибером, с подогревом топливного газа и встроенной в барабан деаэрационной колонкой) для критического изучения передового зарубежного опыта в области создания высокоэкономичных ПГУ Тем самым в России просто сократится период освоения современных ГТУ.

Однако российская теплоэнергетика, в которой в ближайшие 15—20 лет предстоит заменить примерно 100 млн кВт установленной мощности, не может и не должна базироваться на иностранной технике вообще и зарубежных ГТУ в частности. Такое мнение основано не на патриотизме и даже не энергетической безопасности (хотя и они имеют значение), а просто на экономических соображениях: техническое обслуживание, ремонты, замена деталей и отечественное сервисное обслуживание обойдется нашей энергетике существенно дешевле, чем иностранное.

Первой реальной современной отечественной высокотемпературной ГТУ, которая найдет самое широкое применение в энергетике России, в том числе и в ПГУ, следует считать ГТЭ-110 номинальной мощностью 110 МВт (см. табл. 7.1). Первая ГТУ разработана НИИ «Машпроект», и ее первый опытный экземпляр был изготовлен в 1998 г. в производственной кооперации НПП «Машпроект» и ОАО «Рыбинские моторы». Результаты его испытаний, выполненные на специальном испытательном стенде на Украине, подтвердили правильность заложенных в конструкцию технических решений. Второй экземпляр ГТЭ-110 был установлен на испытательном стенде Ивановской ГРЭС с целью проведения ресурсных испытаний. В отличие от первого экземпляра ГТЭ-110, мощность которо­го при испытаниях поглощалась гидротормозом, вторая ГТЭ-110 приводит электрический генератор с выдачей мощности в электрическую сеть.

Конструкция ГТЭ-110 показана на рис. 11.3. Она основана на опыте создания судовых ГТУ, для которых характерны компактность конструкции, тонкие диски компрессора и турбины и др. Следствием этих конструктивных решений явилась очень малая масса ГТУ, не превышающая 50 т.

ГТУ выполнена по простой термодинамической схеме. Она имеет двухопорный ротор, опирающийся как и все современные ГТУ только на два опорных подшипника и объединяющий роторы компрессора и турбины. Упорный подшипник расположен в левой опоре и совмещен с опорным подшипником. Компрессор имеет ВНА с электроприводом и 15 ступеней. За пятой и десятой ступенями компрессора и за камерой сгорания установлены перепускные (антипомпажные) клапаны, обеспечивающие устойчивый пуск ГТУ. Камера сгорания — противоточная, трубчато-кольцевая, содержащая 20 пламенных труб, может работать на газе и жидком топливе. Турбина имеет четыре ступени. Охлаждаются сопловые лопатки первых трех ступеней и рабочие лопатки первых двух ступеней.

В декабре 2001 г. — январе 2002 г. выполнены комплексные 72-часовые испытания второго экземпляра ГТУ при работе на жидком топливе. Было проведено более 20 пусков с последовательным нагружением от мини­мальной до максимальной нагрузок. Максимальная нагрузка составила 114 МВт, а достигнутый КПД — 34,6 %. Ревизия ГТУ после испытаний выявила значительное число дефектов элементов пламенных труб, сопловых и рабочих лопаток турбины, являющихся следствием литейных дефектов из-за недостаточно отработанной технологии литья, а также нештатной работы пламенных труб с превышением температуры. Тем не менее, можно быть уверенным, что в ближайшее время ГТЭ-110 будет доведена до необходимой надежности.

В 2002 г. ЛМЗ совместно с АО «Авиадвигатель» (г. Пермь) закончил рабочий проект турбины ГТЭ-180 (рис. 11.4) и приступил к ее изготовлению. Это будет вполне современная ГТУ серии FA (см. рис. 7.16), параметры которой приведены в табл. 7.1. Ее конструкция удовлетворяет самым современным представлениям.