Щаулов В.Ю., инженер;
Афанасьев И.П., кандидат технических наук;
Гиззатулин Р.З., инженер
ОАО «Башкирэнерго»

В 2000 году в Башкортостане в районном центре Большеустьикинское была построена и введена в эксплуатацию газотурбинная электростанция ГТУ-ТЭЦ "Шигили".

Газотурбинная теплоэлетростанция "Шигили"

Электрическая мощность станции – 4 МВт, тепловая – 8,8 МВт, коэффициент использования тепла топлива – не менее 75,4%. Станция была построена всего за полтора года. Основным её назначением является теплоснабжение районного центра, а также повышение надёжности электроснабжения, как райцентра, так и близлежащих населенных пунктов Мечетлинского района.

Основное теплосиловое оборудование можно разделить на две части:
газотурбинная электростанция ГТЭС Урал 2500Р;
утилизационный контур.

Газотурбинная электростанция производства пермского ОАО "Авиадвигатель" выполнена в блочно-модульном исполнении. Газотурбинный двигатель, генератор и все вспомогательные системы расположены внутри турбоблока.

В качестве газотурбинного привода используется газогенератор конвертированного авиационного двигателя Д-30, получивший обозначение Д-30ЭУ2. Для привода генератора служит свободная турбина (турбина низкого давления базового двигателя), соединённая с генератором через редуктор РД-45 и фрикционную муфту.

Генератор марки ГТГ-4-2РУХЛЗ производства «ООО Привод Электромеканик» (г.Лысьва) рассчитан на напряжение 10,5 кВ. Существует возможность монтажа и демонтажа в турбоблоке двигателя, редуктора и генератора.

Утилизационный контур включает в себя теплообменник-утилизатор для подогрева сетевой воды для теплоснабжения поселка. Теплообменник-утилизатор разработан ПТО "Башкирэнерго" (p раб =12 кгс/см² и t раб до 115°С) и изготовлен ДОО "Энергоремонт".

Теплообменник-утилизатор

Теплосеть ГТУ-ТЭЦ - районная котельная длинной 700 метров - наземной прокладки.
В связи с тем что, теплосети поселка сильно изношены, из-за большой подпитки часто происходит подача в теплосеть сырой воды. Поэтому на этапе проектирования было принято решение отделить утилизационный контур ГТУ-ТЭЦ от теплосети поселка. Теплообмен между утилизационным контуром и теплосетью потребителя происходит в пяти пластинчатых теплообменных модулях производства уфимского Башкирского ПО "Прогресс", расположенных в котельной поселка.

С начала отопительного сезона и по настоящий момент ГТУ-ТЭЦ несёт отопительную нагрузку районного центра, котлоагрегаты в котельной находятся в резерве на случай останова ГТУ-ТЭЦ, работает лишь насосная станция котельной. Наработка ГТУ с момента первого пуска составила более 3000 часов и сейчас можно подвести некоторые итоги с точки зрения эксплуатации этого объекта.

Данная электростанция имеет ряд особенностей, как в силу её конструкции, так и в силу её размещения. Расположена она на северо-востоке Башкортостана в Мечетлинском районе, где нет других генерирующих мощностей. Это позволило снизить потери в электрических сетях на 8–9%, что в значительной степени компенсировало относительно невысокий электрический КПД ГТУ-ТЭЦ (23,3%).

Электроснабжение этого района производится по ВЛ-110 кВ от ПС 110 Симская ОАО "Челябэнерго" протяжённостью 109,4 км до подстанции ПС 110/35/10 Лемез-Тамак и далее по ВЛ 35 кВ длинной 40,8 км до ПС 35/10 Усть-Икинск.

При такой большой протяжённости линий, проходящих, кроме того, по горной и лесистой местности, возможны периодические отключения и колебания напряжения в сети, что естественно будет влиять на работу электростанции такой небольшой мощности. Поэтому на этапе наладки была проведена большая работа по корректировке как алгоритмов релейной защиты и автоматики сети, так и алгоритмов работы самой ГТЭС.

Так на ПС Усть-Икинск введена делительная автоматика, действующая на выделение ГТУ-ТЭЦ на изолированную работу при понижении частоты в сети ниже 48,5 Гц, выведены АПВ, запрещены РПВ без выяснения режима работы ГТУ и ПС Усть-Икинск на подводящих линиях 110 и 35 кВ; в инструкции для оперативного персонала внесены соответствующие изменения.

Результатом данных работ стало успешное проведение испытаний по выделению электростанции на изолированную работу.
Производилось отключение ВЛ-35 на ПС Лемез-Тамак, что привело к выделению делительной автоматикой ГТУ-ТЭЦ на изолированную работу на ПС Усть-Икинск. Это сопровождалось сбросом нагрузки с 4 до 2 МВт.

При этом произошел наброс частоты до 51 Гц, после отключения статизма регулятора n ст двигателя частота установилась на уровне 50 Гц, напряжение поддерживалось 10,5 кВ.

Для подачи напряжения энергосистемы на ПС Усть-Икинск на ГТУ-ТЭЦ произвели отключение ВВ-10 кВ ГТУ-ТЭЦ - ПС Усть-Икинск, при этом произошел сброс нагрузки на генераторе с 2 МВт до 112 кВт и наброс частоты тока 54 Гц на время менее 1 сек. со срабатыванием алгоритма сброса нагрузки. Параметры по частоте пришли в норму через 5 сек. Отклонения по напряжению в сети не наблюдалось. В этом режиме ГТУ-ТЭЦ работала только на собственные нужды.

Данная операция позволила после отключения генераторного выключателя произвести синхронизацию и включение в сеть без остановки ГТУ.

Следует отметить, что при проектировании ГТЭС специалистами предприятия-изготовителя подобный сценарий развития событий при работе станции даже не рассматривался, однако уже в ходе начавшейся эксплуатации такие ситуации происходили, и оборудование ГТУ-ТЭЦ и её персонал отработали без замечаний.

Теперь можно реально говорить о повышении надёжности энергоснабжения районного центра и близлежащих населенных пунктов.

Другой особенностью ГТУ-ТЭЦ является применённый на ней генератор ГТГ-4, а точнее его подшипниковые опоры. Впервые на генераторе мощностью 4 МВт, ротор которого вращается с частотой 3000 об/мин, применена картерная смазка подшипников скольжения.
Это позволило избавиться от маслопроводов, маслобаков и другого вспомогательного оборудования маслосистемы генератора. Доводка данных опор потребовала много времени и сил, как предприятия поставщика генератора, так и персонала ГТУ-ТЭЦ. Проблемой было устранение утечек масла из опор, а также поддержание температурного состояния вкладышей подшипников в допустимом диапазоне.

В качестве резервного, был проработан вариант перевода опор генератора на циркуляционную смазку и даже изготовлена соответствующая оснастка. Однако благодаря настойчивости руководства ОАО "Башкирэнерго" первоначальный вариант с картерной смазкой был принят за основу. После доработки конструкции, доливка масла в опоры производится один раз в 1,5-2 недели в количестве 100-200 г, а температура вкладышей находится в пределах 73-80°С. Недостатком конструкции остается неудобство сборки подшипников и трудность обеспечения требуемых допусков и зазоров.

Отдельно стоит сказать о системе управления электростанцией. Её можно разделить на систему автоматического управления (САУ) газотурбинным двигателем, комплекс управления электростанцией (КУЭС) и автоматизированную систему управления (АСУТП) верхнего уровня, осуществляющую управление и контроль параметров всей ГТУ-ТЭЦ. Все параметры двигателя, редуктора и генератора, их диагностика и состояние отображаются на станции оператора. Там же представлены параметры утилизационного контура и системы газоснабжения.

Пультовая ГТУ-ТЭЦ

Параметры ГТУ-ТЭЦ можно представить как в табличном, так и графическом виде, а протокол сообщений о работе станции выводится на бумажный носитель, что облегчает анализ аварийных ситуаций. Управлять работой станции можно как с клавиатуры, так и с помощью «мыши». В случае отказа системы управления ГТЭС или ошибки оператора предусмотрен резервный пульт индикации и управления, с помощью которого можно заблокировать исполнение ошибочных команд КУЭС ГТЭС и аварийно остановить ГТУ. Система управления ГТЭС предусматривает автоматическую работу станции, когда от оператора практически требуется только задание нагрузки станции и ручное управление. При этом оператор может управлять отдельными системами ГТЭС, такими как подогрев опор генератора, подзарядка аккумуляторов, управление заслонками противообледенительной системы, включение и отключение статизма двигателя, а также некоторыми другим операциями, необходимыми как в процессе работы станции, так и при опробовании отдельных её систем.

ГТУ-ТЭЦ работает на природном газе с давлением 12 кгс/см². Газ проходит очистку в фильтрах грубой очистки (фильтры ФГ-19) и тонкой очистки (БФ1). Эффективность очистки – 40 мкм. Для предотвращения попадания в топливную систему двигателя продуктов коррозии подводящего трубопровода, газопровод после фильтров тонкой очистки и арматура, установленная на нем, выполнены из нержавеющей стали.

Подготовка станции к запуску занимает около часа. При этом основное время затрачивается на прогрев опор генератора, так как КУЭС выдает запрет на запуск ГТУ при температуре масла и вкладышей опор ниже 30°С. Запуск ГТУ производится сжатым воздухом с давлением 4 кгс/см², отбираемым от газотурбинного стартера ТА-6А производства Уфимского объединения "Гидравлика".

ТА-6А представляет собой небольшой отдельно расположенный газотурбинный двигатель, используемый на самолетах в качестве вспомогательной силовой установки. Запускается ТА-6А от двух аккумуляторов от автомобиля «КАМАЗ» и работает на авиационном керосине (Т-1, ТС-1). Время его работы 7-8 мин, а запуск всей станции от момента пуска ТА-6А, до готовности принять нагрузку - не более 10 мин. Сюда входит прогрев ГТУ в течение 2-х минут, после которого можно брать номинальную нагрузку.

Наличие отдельного газотурбинного стартера можно считать недостатком из-за усложнения технологии запуска и увеличения вероятности отказов при запуске. Предприятие-изготовитель предлагает осуществлять запуск основного двигателя пусковой турбиной, в которой в качестве рабочего тела используется природный газ, что и делается при эксплуатации подобных электростанций на нефте- и газопромыслах. На других ГТУ-ТЭЦ с аналогичными двигателями, строящихся в Башкортостане, будет использоваться именно такой запуск.

До начала эксплуатации большое опасение у населения районного центра вызывал возможный шум работающей ГТУ-ТЭЦ. Для его снижения были установлены пластинчатые глушители во всасывающей шахте и на дымовой трубе. Данные мероприятия позволили снизить шум на рабочих местах персонала ниже допустимых, а в районе, прилегающем к станции, практически до естественного фона.

Результаты замеров уровней звукового давления (дБ)

Помимо чисто технических проблем предприятие электрических сетей, эксплуатирующее ГТУ-ТЭЦ, столкнулось и с проблемой организации и обучения персонала службы, не характерной для ПЭС.

ГТУ-ТЭЦ обслуживается персоналом Службы Станций Северо-восточных электрических сетей ОАО "Башкирэнерго". Необходимость создания данной службы возникла в связи с появлением в сетевом предприятии нескольких небольших электростанций. Это Мечетлинская малая ГЭС (МГЭС) мощностью 230 кВт, ГТУ-ТЭЦ «Шигили» в районном центре Большеустикинское и установка из двух газопоршневых агрегатов суммарной мощностью 2 МВт и тепловой 2,3 МВт в санатории Янгантау.

Численность персонала, непосредственно занятого обслуживанием ГТУ-ТЭЦ составляет 13 человек.
В вахте занято 2 человека:
один - начальник смены с правами машиниста ГТУ;
второй - дежурный электромонтер.

Организовано четыре вахты. В штате имеется слесарь по ремонту КИП и А, он же занят оперативным обслуживанием МГЭС, слесарь по ремонту тепломеханического оборудования и аппаратчица ВПУ, она же - уборщица производственных помещений.
Все крупные ремонтные работы и сложные операции по техническому обслуживанию оборудования выполняются по договорам с предприятием-изготовителем ГТЭС и специализированными ремонтными предприятиями.

В связи с тем, что станция была построена «на голом месте», в ней в той или иной мере нашли отражение все структурные подразделения большой станции, но в редуцированном виде. При монтаже подобных установок в действующей котельной увеличение численности персонала будет минимальным.

Как в процессе проектирования, так и при строительстве, наладке и эксплуатации большие трудности были связаны со слабой нормативной базой для подобных станций, ведь практически вся она создавалась для «большой энергетики», и часто новая техника не вписывается в её положения и требования. В данном случае эти проблемы решены.
Но самое важное заключается в том, что на северо-востоке Башкортостана появилась стабильно и надёжно работающая газотурбинная теплоэлектростанция с высокими технико-экономическими показателями, которая приносит реальную пользу, как энергосистеме, так и населению.

Единичный агрегат ГТ ТЭЦ состоит из газотурбинного двигателя , электрогенератора и котла-утилизатора . При работе газовой турбины образующаяся механическая энергия идёт на вращение генератора и выработку электроэнергии, а неиспользованная тепловая - для подогрева теплоносителя в котле. Комплексное использование энергии топлива для электрогенерации и отопления позволяет, как и для всякой ТЭЦ в сравнении с чисто электрической станцией, увеличить суммарный КПД установки примерно с 30 до 90 %.

Оптимальная частота вращения газовой турбины превышает необходимую для непосредственной выработки тока промышленной частоты, поэтому в составе электрогененрирующей части агрегата присутствует либо понижающий механический редуктор , либо статический электронный преобразователь частоты .

В оборудование ГТ ТЭЦ также входят система газоподготовки (осушение, механическая очистка, буферное хранение), электрический распределительный узел, устройства охлаждения генераторов, система автоматического управления и др.

Преимущества и недостатки ГТ ТЭЦ

Преимущества

• В сравнении с паротурбинными тепловыми электростанциями ГТ ТЭЦ требуют меньших суммарных капитальных затрат при возведении, более просты в обслуживании. Они не имеют котлов высокого давления, не требуют специальных охлаждающих устройств для сброса избыточной тепловой энергии, мощность на единицу массы у них значительно выше. В то же время мощность единичного агрегата ГТ ТЭЦ ограничена более тяжёлыми условиями работы турбины. ГТ ТЭЦ не может использовать тяжёлое и твёрдое топливо, возможности оптимизации процесса сгорания на паровой ТЭЦ шире.

• В сравнении с крупными газопоршневыми станциями ГТ ТЭЦ отличается гораздо большим ресурсом, но при этом дороже и требует более квалифицированного обслуживания. Газовая турбина менее требовательна к горючим качествам газа, чем поршневая машина, и более экологически чиста.

Недостатки

• По соотношению вырабатываемой электрической энергии к тепловой ГТ ТЭЦ, как правило, проигрывает другим типам станций.

• К недостаткам ГТ-ТЭЦ можно отнести высокую шумность. Шум вблизи станции может достигать 110 дБ, что сравнимо с шумом от самолёта. В отсутствие шумоизоляции, шум от станции распространяется на расстояние 3 км, с шумоизоляцией около от 1,5 до 2 км.

Область применения

Строительство ГТ ТЭЦ оправдано в случае необходимости быстрого введения локальных генерирующих и отопительных мощностей при минимизации начальных затрат: увеличение мощности или реконструкция сетей масштаба микрорайона, посёлка, небольшого города, основание новых населённых пунктов, особенно в сложных для строительства условиях. Всё, что необходимо для работы станции - лишь наличие стабильного газоснабжения; крайне желателен достаточный спрос на тепловую энергию.

Совершенствование технологии газотурбинных агрегатов удешевляет их производство и эксплуатацию и значительно продляет ресурс. Применение бесконтактных подшипников (магнитных , газодинамических), совершенствование материалов, работающих в пламени, снижение тепловой напряжённости крупных турбин позволяет добиться наработки 60-150 тыс.ч. до замены основных изнашивающихся деталей и межсервисного интервала порядка года. В настоящее время (2010-е) разработаны и серийно выпускаются как мощные тихоходные (6 тыс.об/мин) энергетические турбины для капитальных стационарных ГТ ТЭЦ, так и компактные турбоагрегаты с высокой частотой вращения (около 100 тыс. об/мин) и высокочастотными генераторами в законченном «контейнерном» исполнении, также в той или иной мере пригодные в качестве основного источника энергоснабжения населённого пункта.

Технологическое совершенство современных газотурбинных агрегатов в известной мере снимает барьер, заставивший на заре электроэнергетики ввести в турбогенератор «лишнюю» паровую ступень. Всё это вместе с увеличением спроса на локальные мощности способствует распространению ГТ ТЭЦ из газоносных районов с суровым климатом и сложными условиями строительства во всё более обширные умеренные области, где при дешёвом газоснабжении ощущается возрастающий недостаток электроэнергии, а наращивание мощности централизованных сетей нецелесообразно по экономическим или организационным соображениям.

Пользователи

РТЭС «Курьяново», «Люблино», «Пенягино», «Переделкино», «Тушино», «Павшино» установлены по 2 газо-турбинные установки (ГТУ) по 6 МВт

Проект строительства ГТУ-ТЭЦ в центре города Звенигорода был отвергнут как экологически опасный.

См. также

• Блочно-контейнерная автоматизированная электростанция

Напишите отзыв о статье "Газотурбинная ТЭЦ"

Примечания

Ссылки

• // Турбины и дизели /январь�февраль 2010 58-59

Отрывок, характеризующий Газотурбинная ТЭЦ

«Никому не нужен я! – думал Ростов. – Некому ни помочь, ни пожалеть. А был же и я когда то дома, сильный, веселый, любимый». – Он вздохнул и со вздохом невольно застонал.
– Ай болит что? – спросил солдатик, встряхивая свою рубаху над огнем, и, не дожидаясь ответа, крякнув, прибавил: – Мало ли за день народу попортили – страсть!
Ростов не слушал солдата. Он смотрел на порхавшие над огнем снежинки и вспоминал русскую зиму с теплым, светлым домом, пушистою шубой, быстрыми санями, здоровым телом и со всею любовью и заботою семьи. «И зачем я пошел сюда!» думал он.
На другой день французы не возобновляли нападения, и остаток Багратионова отряда присоединился к армии Кутузова.

Князь Василий не обдумывал своих планов. Он еще менее думал сделать людям зло для того, чтобы приобрести выгоду. Он был только светский человек, успевший в свете и сделавший привычку из этого успеха. У него постоянно, смотря по обстоятельствам, по сближениям с людьми, составлялись различные планы и соображения, в которых он сам не отдавал себе хорошенько отчета, но которые составляли весь интерес его жизни. Не один и не два таких плана и соображения бывало у него в ходу, а десятки, из которых одни только начинали представляться ему, другие достигались, третьи уничтожались. Он не говорил себе, например: «Этот человек теперь в силе, я должен приобрести его доверие и дружбу и через него устроить себе выдачу единовременного пособия», или он не говорил себе: «Вот Пьер богат, я должен заманить его жениться на дочери и занять нужные мне 40 тысяч»; но человек в силе встречался ему, и в ту же минуту инстинкт подсказывал ему, что этот человек может быть полезен, и князь Василий сближался с ним и при первой возможности, без приготовления, по инстинкту, льстил, делался фамильярен, говорил о том, о чем нужно было.
Пьер был у него под рукою в Москве, и князь Василий устроил для него назначение в камер юнкеры, что тогда равнялось чину статского советника, и настоял на том, чтобы молодой человек с ним вместе ехал в Петербург и остановился в его доме. Как будто рассеянно и вместе с тем с несомненной уверенностью, что так должно быть, князь Василий делал всё, что было нужно для того, чтобы женить Пьера на своей дочери. Ежели бы князь Василий обдумывал вперед свои планы, он не мог бы иметь такой естественности в обращении и такой простоты и фамильярности в сношении со всеми людьми, выше и ниже себя поставленными. Что то влекло его постоянно к людям сильнее или богаче его, и он одарен был редким искусством ловить именно ту минуту, когда надо и можно было пользоваться людьми.
Пьер, сделавшись неожиданно богачом и графом Безухим, после недавнего одиночества и беззаботности, почувствовал себя до такой степени окруженным, занятым, что ему только в постели удавалось остаться одному с самим собою. Ему нужно было подписывать бумаги, ведаться с присутственными местами, о значении которых он не имел ясного понятия, спрашивать о чем то главного управляющего, ехать в подмосковное имение и принимать множество лиц, которые прежде не хотели и знать о его существовании, а теперь были бы обижены и огорчены, ежели бы он не захотел их видеть. Все эти разнообразные лица – деловые, родственники, знакомые – все были одинаково хорошо, ласково расположены к молодому наследнику; все они, очевидно и несомненно, были убеждены в высоких достоинствах Пьера. Беспрестанно он слышал слова: «С вашей необыкновенной добротой» или «при вашем прекрасном сердце», или «вы сами так чисты, граф…» или «ежели бы он был так умен, как вы» и т. п., так что он искренно начинал верить своей необыкновенной доброте и своему необыкновенному уму, тем более, что и всегда, в глубине души, ему казалось, что он действительно очень добр и очень умен. Даже люди, прежде бывшие злыми и очевидно враждебными, делались с ним нежными и любящими. Столь сердитая старшая из княжен, с длинной талией, с приглаженными, как у куклы, волосами, после похорон пришла в комнату Пьера. Опуская глаза и беспрестанно вспыхивая, она сказала ему, что очень жалеет о бывших между ними недоразумениях и что теперь не чувствует себя вправе ничего просить, разве только позволения, после постигшего ее удара, остаться на несколько недель в доме, который она так любила и где столько принесла жертв. Она не могла удержаться и заплакала при этих словах. Растроганный тем, что эта статуеобразная княжна могла так измениться, Пьер взял ее за руку и просил извинения, сам не зная, за что. С этого дня княжна начала вязать полосатый шарф для Пьера и совершенно изменилась к нему.
– Сделай это для нее, mon cher; всё таки она много пострадала от покойника, – сказал ему князь Василий, давая подписать какую то бумагу в пользу княжны.
Князь Василий решил, что эту кость, вексель в 30 т., надо было всё таки бросить бедной княжне с тем, чтобы ей не могло притти в голову толковать об участии князя Василия в деле мозаикового портфеля. Пьер подписал вексель, и с тех пор княжна стала еще добрее. Младшие сестры стали также ласковы к нему, в особенности самая младшая, хорошенькая, с родинкой, часто смущала Пьера своими улыбками и смущением при виде его.
Пьеру так естественно казалось, что все его любят, так казалось бы неестественно, ежели бы кто нибудь не полюбил его, что он не мог не верить в искренность людей, окружавших его. Притом ему не было времени спрашивать себя об искренности или неискренности этих людей. Ему постоянно было некогда, он постоянно чувствовал себя в состоянии кроткого и веселого опьянения. Он чувствовал себя центром какого то важного общего движения; чувствовал, что от него что то постоянно ожидается; что, не сделай он того, он огорчит многих и лишит их ожидаемого, а сделай то то и то то, всё будет хорошо, – и он делал то, что требовали от него, но это что то хорошее всё оставалось впереди.

То и дело в новостях говорят, что, к примеру, на такой то ГРЭС полным ходом идет строительство ПГУ -400 МВт, а на другой ТЭЦ-2 включена в работу установка ГТУ-столько то МВт. О таких событиях пишут, их освещают, поскольку включение таких мощных и эффективных агрегатов — это не только «галочка» в выполнении государственной программы, но и реальное повышение эффективности работы электростанций, областной энергосистемы и даже объединенной энергосистемы.

Но довести до сведения хочется не о выполнении госпрограмм или прогнозных показателей, а именно о ПГУ и ГТУ. В этих двух терминах может запутаться не только обыватель, но и начинающий энергетик.

Начнем с того, что проще.

ГТУ — газотурбинная установка — это газовая турбина и электрический генератор, объединенные в одном корпусе. Ее выгодно устанавливать на ТЭЦ. Это эффективно, и многие реконструкции ТЭЦ направлены на установку именно таких турбин.

Вот упрощенный цикл работы тепловой станции:

Газ (топливо) поступает в котел, где сгорает и передает тепло воде, которая выходит из котла в виде пара и крутит паровую турбину. А паровая турбина крутит генератор. Из генератора мы получаем электроэнергию, а пар для промышленных нужд (отопление, подогрев) забираем из турбины при необходимости.

А в газотурбиной установке газ сгорает и крутит газовую турбину, которая вырабатывают электроэнергию, а выходящие газы превращают воду в пар в котле-утилизаторе, т.е. газ работает с двойной пользой: сначала сгорает и крутит турбину, затем нагревает воду в котле.

А если саму газотурбинную установку показать еще более развернуто, то будет выглядеть так:

На этом видео наглядно показано какие процессы происходят в газотурбинной установке.

Но еще больше пользы будет в том случае, если и полученный пар заставить работать — пустить его в паровую турбину, чтобы работал еще один генератор! Вот тогда наша ГТУ станет ПАРО-ГАЗОВОЙ УСАНОВКОЙ (ПГУ).

В итоге ПГУ — это более широкое понятие. Эта установка – самостоятельный энергоблок, где топливо используется один раз, а электроэнергия вырабатывается дважды: в газотурбинной установке и в паровой турбине. Этот цикл очень эффективный, и имеет КПД порядка 57 %! Это очень хороший результат, который позволяет значительно снизить расход топлива на получение киловатт-часа электроэнергии!

В Беларуси для повышения эффективности работы электростанций применяют ГТУ как «надстройку» к существующей схеме ТЭЦ, а ПГУ возводят на ГРЭСах, как самостоятельные энергоблоки. Работая на электростанциях, эти газовые турбины не только повышают «прогнозные технико-экономические показатели», но и улучшают управление генерацией, так как имеют высокую маневренность: быстроту пуска и набора мощности.

Вот какие полезные эти газовые турбины!

К.т.н. П.А. Березинец, зав. лаборатории парогазовых установок, ОАО «ВТИ», г. Москва

Газотурбинные надстройки отопительных котельных

Появление на отечественном рынке энергетических газотурбинных установок (ГТУ) малой и средней мощности с неплохими экономическими показателями (КПД, габаритные размеры, стоимость) дает возможность реализовать комбинированную выработку тепла и электроэнергии в отопительных и промышленных теплоисточниках, использующих газообразное топливо.

При реконструкции отопительных котельных с использованием газотурбинных надстроек возникают следующие проблемы:

Вывод генерируемой электроэнергии (без этого об использовании ГТУ не может быть и речи);

Изыскание площади для размещения ГТУ (при отсутствии свободных площадей или неприемлемости других технических решений для размещения ГТУ использование их также невозможно);

Ограничение потребления природного газа (если разрешено потребление природного газа в количестве, достаточном только для обеспечения максимальной или более низкой тепловой нагрузки, то диапазон покрываемой ГТУ нагрузки сужается);

Необходимость повышения давления природного газа для ГТУ.

Модернизация отопительных котельных может выполняться двумя способами.

1. Посредством установки модулей ГТУ-ГПСВ (ГПСВ - газовый подогреватель сетевой воды) и интегрированием их в тепловую схему котельной. Фактически это расширение котельной, т.к. располагаемая тепловая мощность при этом увеличивается. Режим эксплуатации существующей части котельной в этом случае изменится из базового на пиковый. Выбор суммарной мощности модулей должен осуществляться при оптимальном коэффициенте теплофикации.

2. Посредством надстройки действующих водогрейных котлов газотурбинными установками. При этом способе необходимо согласование характеристик ГТУ и котлов. Это касается в первую очередь расхода выхлопных газов ГТУ, рас-

хода газов через водогрейные котлы и производительности дымососов. Возможны три схемы сопряжения ГТУ и водогрейного котла (рис. 1).

Первая - сбросная сбалансированная схема (рис. 1а), при которой весь расход выхлопных газов направляется в горелки водогрейного котла. Дополнительное топливо в водогрейном котле сжигается за счет воздуха, имеющегося в выхлопных газах ГТУ. При недостатке в них воздуха может быть использован дутьевой вентилятор. При отключении ГТУ сохраняется возможность работы котла на дутьевых вентиляторах. Перевод котла из комбинированного режима (с ГТУ) в автономный (с дутьевыми вентиляторами) наиболее просто осуществляется при остановленных ГТУ и котле переключением плотных газовых клапанов или заглушек.

Вторая - сбросная несбалансированная схема, когда расход выхлопных газов ГТУ превышает допустимый расход газов через котел.

За ГТУ можно установить ГПСВ, в котором выхлопные газы охлаждаются до температуры уходящих газов водогрейного котла. Необходимое для сжигания топлива количество газов направляется в горелки котла, а остальная часть выбрасывается в дымовую трубу. Сетевая вода нагревается в ГПСВ и водогрейном котле (рис. 1б). Тепловая нагрузка регулируется изменением расхода топлива в горелки водогрейного котла и необходимого для его сжигания расхода газов после ГПСВ.

В третьей схеме избыточная часть расхода выхлопных газов после ГТУ сбрасывается в ГПСВ, включенный параллельно водогрейному котлу (рис. 1в). Регулирование тепловой нагрузки осуществляется изменением расхода топлива в котле.

Для реализации последних двух схем необходимы дополнительные затраты на сооружение ГПСВ. Если не требуется увеличение тепловой мощности котельной, то в первую очередь должна рассматриваться сбалансированная схема.

Для иллюстрации использования ГТУ рассмотрим типичную районную отопительную котельную, оснащенную двумя котлами КВГМ-100, среднемесячная тепловая нагрузка которых в течение года представлена на рис. 2. График продолжительности действия тепловых нагрузок котельной и соответствующий ему график мощности ГТУ показан на рис. 3.

Котельная имеет возможность расширения за счет имеющихся свободных площадей и демонтажа неиспользуемого оборудования. На территории котельной есть место для размещения электротехнического оборудования, обеспечивающего передачу электроэнергии в энергосистему. Лимит потребления природного газа используется на 50%, т.к. расширение котельной остановлено из-за снижения темпов жилищного строительства. Избыточное давление природного газа, поступающего на территорию котельной, составляет 0,15 МПа, т.е. для работы ГТУ требуется установка дожимных компрессоров. Таким образом, котельная полностью удовлетворяет перечисленным условиям размещения в ней ГТУ. Показатели работы котельной, выполненной по сбалансированной схеме с использованием ГТУ различной мощности, представлены в табл. 1. В расчетах были приняты следующие температурные графики тепловой сети: зимний - 70/150 ОС, летний - 35/70 ОС.

При стоимости установленной газотурбинной мощности 600 долл. США/кВт фактический срок погашения 100% кредита (12 млн долл. США) на установку первой ГТУ составит 4 года. Однако для привлечения инвесторов следует ориентироваться на фактический срок погашения кредита до 2 лет, что также возможно, но при условии, если стоимость установленной мощности составляет менее 400 долл. США/кВт.

Таким образом, если в отопительной котельной имеются необходимые условия, то установка ГТУ с использованием сбалансированной или несбалансированной сбросной схемы может обеспечить существенный экономический эффект.

Газотурбинные и парогазовые ТЭЦ

Опыт разработки ГТУ-ТЭЦ показывает, что, не уступая паросиловым ТЭЦ по технико-экономическим показателям, ГТУ-ТЭЦ значительно дешевле по капитальным затратам, проще по устройству и эксплуатации.

Россия обладает значительным опытом освоения ГТУ-ТЭЦ. Первая такая установка была сооружена в 1971 г. для теплоснабжения г. Якутска. На этой ТЭЦ в настоящее время эксплуатируются четыре ГТУ типа ГТЭ-35 и две типа ГТЭ-45 производства ОАО «Турбоатом». Тепло выхлопных газов утилизируется в газовых подогревателях сетевой воды. Суммарная электрическая мощность станции составляет 230 МВт, максимальная тепловая нагрузка, отпускаемая электростанцией, превышает 300 Гкал/ч.

Главная проблема при использовании ГТУ-ТЭЦ - определение оптимальной доли газотурбинной мощности в отпускаемой тепловой мощности и числа часов ее использования. Если ГТУ-ТЭЦ работает на потребителя с постоянной круглосуточной тепловой нагрузкой, то максимальная выгода владельцу обеспечивается в том случае, если все тепло отпускается от газотурбинных установок. Если же в течение года тепловая нагрузка изменяется значительно, ГТУ будет использоваться существенно меньшее число часов, что в свою очередь будет повышать себестоимость электроэнергии.

Основную роль при решении этой задачи играют технико-экономические показатели ГТУ и ее мощность. Совершенно очевидно, что если КПД ГТУ в автономном режиме сравним с КПД паросиловой ТЭЦ в конденсационном режиме, то преимущество ГТУ-ТЭЦ неоспоримо в любом случае.

Электрический КПД современных ГТУ составляет 34-37%. Он близок или даже выше КПД паротурбинных установок ТЭЦ докритического давления, работающих в конденсационном режиме. Выработка тепла не снижает этого КПД в отличие от паротурбинных установок, где электрическая мощность и КПД вследствие отборов пара на теплофикацию (особенно промышленных, при высоком давлении) значительно уменьшаются.

Для увеличения выработки тепла в периоды максимальных нагрузок могут использоваться основные котлы-утилизаторы ГТУ, которые для этого оснащаются горелками для сжигания дополнительного топлива. Дополнительное сжигание топлива, однако, так же как и уменьшение тепловой нагрузки (недоиспользование тепла отработавших в ГТУ газов), снижает эффективность ГТУ-ТЭЦ. Даже с учетом этого ГТУ наиболее привлекательны для промышленных ТЭЦ со значительной долей стабильной паровой нагрузкой, хотя экономически ГТУ-ТЭЦ могут быть выгодными и при резко переменном графике тепловой и электрической нагрузки.

Наиболее эффективным вариантом модернизации ТЭЦ является использование бинарных парогазовых установок. При такой схеме каждая ГТУ работает на свой котел-утилизатор, в котором генерируется и перегревается пар, поступающий, например, в общий коллектор и из него в имеющиеся паровые турбины.

Схема котла для ПГУ-ТЭЦ может быть упрощена путем замены контуров низкого и среднего давления газоводяным подогревателем сетевой воды. Выработка тепла в этом случае осуществляется за счет отборов пара из паровой турбины и в газоводяном подогревателе.

Сравнительная эффективность газотурбинных и парогазовых ТЭЦ с ГТУ средней мощности (70 МВт), используемых для покрытия одной и той же заданной тепловой нагрузки, характеризуется данными, приведенными в табл. 2. Расчеты выполнялись с учетом срока использования -40 лет, при мировых ценах на топливо, оборудование, электроэнергию и тепло. Результаты свидетельствуют, что все варианты ТЭЦ при разумных тарифах и ценах на топливо эффективны. Наилучшие финансово-экономические показатели имеют ГТУ-ТЭЦ и ПГУ-ТЭЦ с турбинами типа Т.

Газотурбинные установки с котлам-утилизаторами лучше всего располагать в новом главном корпусе на площадке действующей ТЭЦ. В этом случае старые котлы и часть паровых турбин могут сохраняться в резерве для покрытия пиковых нагрузок или использоваться при перерывах в газоснабжении (т.к. в котлах в качестве резервного топлива может использоваться мазут).

На многих ТЭЦ возможна пристройка блока ГТУ - котел-утилизатор со стороны временного торца главного корпуса, ввод его в действие и подключение к паровому коллектору, создание резерва паровой мощности и последующая поочередная замена энергетических котлов и паровых турбин на ГТУ и котлы-утилизаторы.

Различные варианты использования ГТУ и ПГУ на ТЭЦ могут получить широкое распространение. На ТЭЦ мощностью более 200 МВт (эл.), в топливном балансе которых природный газ занимает 90% или более, эксплуатируется около 300 паровых турбин мощностью 60-110 МВт. Часть из них можно и целесообразно заменить газовыми. При этом наибольшая выгода может быть получена, если такая замена будет осуществлена с увеличением электрической мощности ТЭЦ (при постоянной тепловой нагрузке оптимально увеличение мощности в 2-2,5 раза).

Заключение

Трудности, возникающие при техническом перевооружении котельных и ТЭЦ с использованием газотурбинных и парогазовых технологий, в основном связаны: со стесненностью площадок, необходимостью вывода увеличенной мощности и обеспечения надежной круглогодичной подачи природного газа (или резервирования дизельным топливом), минимизацией капитальных вложений.

На ТЭЦ возможны газотурбинные надстройки различных типов. При сравнительно небольшой единичной паропроизводительности котлов старых ТЭЦ для этой цели можно использовать ГТУ мощностью 15-30 МВт с расходами газов 65-100 кг/с. Надстройки увеличивают выработку электроэнергии на тепловом потреблении. Их эффективность по финансово-экономическим показателям необходимо оценивать в каждом конкретном случае.

Выгода от внедрения газотурбинных и парогазовых технологий для технического перевооружения ТЭЦ будет максимальной в том случае, если будут использованы газовые турбины отечественного производства.

При благоприятном решении организационно-технических и хозяйственных вопросов, связанных с внедрением ГТУ в энергетику, их использование позволит в 1,5-2 раза снизить издержки на производство электроэнергии и тепла.

Основными разработчиками и производителями отечественных энергетических ГТУ являются следующие предприятия : ОАО «Ленинградский металлический завод» (ЛМ3), г. Санкт-Петербург; АО «Уральский турбомоторный завод» (ТМЗ), г. Екатеринбург; ОАО «Невский завод» (НЛЗ), г. Санкт-Петербург; АО НИКТИТ (Научно- исследовательский институт турбокомпрессоростроения), г. Санкт-Петербург, и др.

В последнее десятилетие ввиду снижения заказов на газотурбинные двигатели (ГТД) для нужд авиации большинство авиационных заводов и КБ начали предлагать ГТД для привода электрических генераторов. Основные российские предприятия-поставщики ГТД для нужд малой и средней энергетики: ЗАО «Энергоавиа» и МКБ «Союз», г. Москва; ОАО «Сатурн», г. Москва; ОАО «Рыбинские моторы», г. Рыбинск; ОАО «Пермские моторы» и ОАО «Авиадвигатель», г. Пермь; ГНПП «Мотор», г. Уфа; АО «Моторостроитель» и СКБМ, г. Самара; ОАО СНТК им. Н.Д. Кузнецова («Двигатели НК»), г. Самара; АО КПП «Авиамотор» и ОАО КМПО, г. Казань.

Крупными производителями энергетических ГТД являются НПО «Машпроект» (г. Николаев, Украина) и ПО «Зоря» (Украина), более 20 лет выпускающие ГТД и энергоустановки единичной мощности 2,5-3,0 МВт для нужд энергетики и газовой промышленности на базе судовых ГТД.

Рабочий проект новой энергетической ГТУ типа ГТЭ-180 подготовлен ОАО ЛМЗ, ОАО «Авиадвигатель» (г. Пермь) и ОАО ВТИ. Камера сгорания ГТЭ-180 имеет трубчатую схему и состоит из 12 пламенных труб. Использован принцип сжигания бедной гомогенной топливовоздушной смеси. Для ее предварительной подготовки применена вихревая горелка, имеющая вспомогательный топливный контур, с помощью которого осуществляются запуск ГТУ, работа на режимах с низкими параметрами и поддержание устойчивого горения основного контура на рабочих режимах. Через вспомогательный контур топливо поступает непосредственно в зону горения пламенной трубы. Каждая пламенная труба КС снабжена 19 вихревыми горелками. Такая многомодульная конструкция позволяет получить более однородное температурное поле на входе в ГТ и осуществить более гибкое управление системой подачи топлива.

АО «Ленинградский металлический завод» осуществляет проектирование новой серии современных энергетических ГТУ типа ГТЭ- 60 - о дневальных двухопорных установок мощностью по ISO (International Organization for Standardization ) 64 МВт при КПД производства электроэнергии 36,5%. Частота вращения газотурбинного двигателя 5441 об/мин, установка снабжена редуктором. Использование кольцевой КС с двухзонным горением должно обеспечить объемную концентрацию вредных выбросов не более 25 ppm (51,3 мг/м 3).

Еще одна ГТУ этого завода типа ГТЭ-350 выполнена по двухопорной схеме в виде одновальной установки с частотой вращения вала 3000 об/мин. Температура газов за КС принята 1500 °С, а силовые лопатки первой ступени охлаждаются паром, так как ГТУ планируется использовать в схеме ПГУ.

Невский завод совместно с АО НИКТИТ разрабатывает серию ГТУ для энергетики на базе установки типа ГТЭР-12. Подготовлены варианты мощностью 10, 12, 16 и 30 МВт, которые могут быть использованы и в схемах ПГУ.

Открытое акционерное общество «СНТК им. Н.Д. Кузнецова» (г. Самара) - крупнейший производитель авиационных двигателей. По заказу РАО «ЕЭС России» на базе газотурбинного двигателя НК-32 (в новой модификации - НК-321) создана энергетическая ГТУ типа НК- 37 мощностью по ISO 25 МВт при КПД производства электроэнергии 36,4%. Такая ГТУ установлена на Безымянской ТЭЦ (г. Самара).

Открытое акционерное общество «Авиадвигатель» (г. Пермь), созданное на базе КБ ведущего российского конструктора А.Д. Швецова, разработало серию энергетических ГТУ типов ГТУ-2,5П, ГТУ-4П, ГТУ-12П и ГТУ-16П. Фирма участвует в работе над крупной ГТУ типа ГТЭ-180.

Предприятие «Мотор» (г. Уфа) на базе авиационного двигателя типа Р13-300 создало энергетическую ГТУ типа ГТЭ-10/95 мощностью 10 МВт, КПД 29% и эмиссией N0* не более 25 ppm.

Технические данные энергетических ГТУ приведены в табл. 6.3, показатели работы ГТУ даны для условий ISO без учета аэродинамических потерь воздухозабора - газовыхода .

Технические данные энергоустановок на базе авиационных и судовых ГТД для условий ISO приведены в табл. 6.4 и 6.5 . Габаритные размеры конвертированных ГТД существенно меньше габаритных размеров специально проектируемых энергетических ГТУ. Наиболее мощный ГТД типа ГТД-110 (см. табл. 6.4), разработанный НПО «Машпроект» на основе технологий судовых ГТД, имеет длину всего 7 м при диаметре 3,1 м. Аналогичные энергетические ГТУ (см. табл. 6.3) имеют существенно большие размеры: 24,2x6,8x5,8 м (ГТ-ЮО-ЗМ) и 18,1x6,1x4,5 м (ГТЭ-115-1170). В табл. 6.4 и 6.5 для примера приведены размеры нескольких ГТД. Все остальные рассмотренные ГТД имеют длину не более 6 м, а по ширине и высоте соответствуют стандартному железнодорожному габариту.

Конструктивно ГТУ для привода электрогенераторов выполняются по одновальной схеме, когда компрессор и газовая турбина расположены на одном валу, и по двухвальной схеме с двумя компрессорами и двумя турбинами с расположением каждой группы на отдельном валу.

Валы могут располагаться соосно по схеме «вал на валу», когда один из валов (компрессор - турбина высокого давления) выполнен 198

полым, или по ходу газового потока последовательно один за другим. Силовая турбина (СТ) обычно устанавливается на отдельном независимом валу, не связанном с газотурбинным двигателем.

Таким образом, по конструкции приводные газовые турбины подразделяются (см. п. 6.2):

1) на одновальные с приводом генератора непосредственно от вала; 2) двухвальные с одним общим валом газотурбинного двигателя (компрессор - турбина) и приводом электрогенератора от отдельной СТ; 3) двухвальные с двумя валами и приводом генератора от вала компрессор - турбина низкого давления; 4) трехвальные с двумя валами ГТД и валом привода генератора от СТ.

Отечественные энергетические ГТУ, как и ГТУ, изготовляемые в Украине, имеют одновальную схему или двухвальную схему с силовой газовой турбиной. Исключение составляют установка: типа ГТЭ- 30, выполненная по трехвальной схеме с СТ, и установка типа ГТ- 100-ЗМ, выполненная по двухвальной схеме с последовательным расположением валов. Такие технические решения приводят к увеличению габаритных размеров агрегатов: длина установки типа ГТЭ-30 составляет 15,3 м, масса 90 т, а длина установки типа ГТЭ-ЮО-ЗМ 24,2 м, масса 367 т (см. табл. 6.3).

Газотурбинные двигатели для привода электрогенераторов, разработанные на основе авиационных и судовых двигателей, как правило, выполнены по двух- и трехвальной схемам с силовой турбиной. Исключение составляет одновальный двигатель типа ГТД-ПО, разработанный для нужд энергетики на основе технологии судовых двигателей.

Открытым акционерным обществом «Рыбинские моторы» (г. Рыбинск) в содружестве с НПО «Машпроект» (г. Николаев, Украина) разработана серия энергетических ГТУ. Среди них ГТУ типа ГТЭ-110 мощностью ПО МВт (по ISO ) и КПД производства электрической энергии 36%. Планируется повышение мощности этой установки до 150 МВт и ее КПД до 38%. На базе собственного ГТД фирма разработала энергетические ГТУ типов ГТД-6РМ и ГТД-ЮРМ. В содружестве с ОАО «А. Люлька-Сатурн» разрабатываются энергетические ГТУ мощностью 35 МВт (по ISO), КПД производства электроэнергии до 40% и уровнем эмиссии N0* и СО не более 25 ppm.

Технические данные энергетических ГТУ (условия по ISO 2314)

Таблица 6.3

Показатель

Тип энергоустановки

«Турбомоторный завод» (Россия)

«Невский

«Турбомоторный

«Невский

«Л М3» (Россия)

(Украина)

«ЛМЗ» (Россия)

«Авиадвигатель» (Россия)

Мощность ГТУ на муфте, МВт

КПД на муфте, %

Степень повышения давления воздуха

Расход газов на выходе, кг/с

Температура газов, °С: перед турбиной

за турбиной

Поколение

Силовая турбина **

Редуктор **

Масса ГТУ на раме, т

Габаритные размеры, м: длина

• * Двухвальная газовая турбина сложного цикла с промежуточным охлаждением воздуха при сжатии и промежуточным подводом теплоты при расширении (две кольцевые КС).
• ** Знак «+» - силовая турбина и редуктор есть, знак «-»- нет.
• *** Длина с выходным устройством.

Показатель	Тин энергоустановки и ГТД (изготовитель)
	ГТД-6 ДВ 71 ГТД 6000 судовой («Маш- проект», Украина)	ГТУ 6/РМ Д-30КУ авиационный («Рыбинские моторы», Россия)	ГТУ-100 НК-14Э авиационный («Моторостроитель», Россия)	авиационный («Мотор»,	авиационный («Пермские	ГТГ-15 ДЖ 59 ГТД 16000 судовой («Маш- проект», Украина)	ГТГ-16 ДБ 90 ГТД 15000 судовой («Маш- проект», Украина)	ГТУ-16П ПС-90 А авиационный («Пермские моторы», Россия)	ГТУ-16ПЭР ПС-90ЭУ-46 авиационный (ОАО «Авиадвигатель», Пермь, Россия)	ГТУ-18 НК-16-18СТ (сер. 2) авиационный (ОАО «Авиамотор», Самара, Россия)
Мощность ГТУ на
муфте, МВт
КПД на муфте, %
Степень повышения
давления воздуха
Расход газов на выхо-
Температура газов, °С:
перед турбиной
за турбиной
Поколение
Силовая турбина *
Редуктор *
Масса ГТУ на раме, т
Г абаритные размеры,

* Знак «+» означает, что силовая турбина и редуктор есть, «-» - нет.

Показатель	Тип энергоустановки и ГТД (изготовитель)
	ГТД 55СТ-20 Р-29-300 авиационный («Энерго- авиа», Россия)	ГТУ 89СТ-20 Д 89 авиационный («Гранит»,	ГТУ-20 АЛ-31 СТЭ авиационный («Сатурн», Россия)	авиационный («Пермские	ГТГ-25 ДГ-80 ГТД 25000 судовой («Маш- проскт», Украина)	НК-900Э НК-37 авиационный («Двигатели НК», Россия)	авиационный («Двигатели	ГТГ-110 (по технологии судовых ГТД) («Рыбинские моторы», Россия; «Маш- проскт», Украина)
Мощность ГТУ на муфте,
КПД на муфте, %
Степень повышения давле-
ния воздуха
Расход газов на выходе,
Температура газов, °С:
перед турбиной
за турбиной
Поколение
Силовая турбина *
Редуктор *
Масса ГТУ на рамс, т								50,0 (без рамы)
Габаритные размеры, м:

* Знак «+» означает, что силовая турбина и редуктор есть, «-» - нет. ** Длина с выходным устройством.

Предприятие «Сатурн» (г. Москва) более 50 лет производит авиационные двигатели под руководством А.М. Люльки. Им разработана энергетическая ГТУ типа АЛ-31СТЭ мощностью 20 МВт (по ISO).

В ряде случаев энергетические ГТУ комплектуют газодожимными компрессорами топливного газа (см. п. 7.9). В опытно-промышленной установке типа ГТУ-25-39 с ГТД типа НК-37 (ОАО «СНТК им. Н.Д. Кузнецова, г. Самара), например, использован поршневой двухступенчатый шестицилиндровый дожимной компрессор типа EFX Model ЕА 1000-2-6. Привод осуществлен с помощью асинхронного электродвигателя мощностью 900 кВт (3,6% установленной мощности ГТУ).

Декларация по УСН