М. Р. Гасуль, М. Н. Леонов – ОАО «НПО «Сатурн»

Применение в российской энергетике высокоэффективных парогазовых установок не только повышает общий КПД выработки электроэнергии в стране, но и способствует развитию многих отраслей промышленности.

Энергетика – системообразующая отрасль национальной экономики, определяющая ее конкурентоспособность, себестоимость валового внутреннего продукта, уровень развития инфраструктуры. Сегодня предъявляются жесткие требования к энергетической отрасли в части ее надежности, безопасности, эффективности и экологичности. Оптимально всем этим требованиям соответствует теплоэлектрогенерация и, прежде всего, парогазовые технологии, основанные на применении мощных газовых турбин.
Применение газотурбинных/парогазовых технологий (ГТУ/ПГУ) – это современный, эффективный, экологически безопасный способ выработки электроэнергии. Комбинированный цикл, реализуемый ПГУ, сочетает в себе энергию, произведенную газовой и паровой турбинами. Это дает важные преимущества: более низкую стоимость выработки электроэнергии, возможность использования различных видов топлива и минимальное воздействие на окружающую среду.
В последнее время в энергетике развивается тенденция создания ПГУ по одновальной схеме. В отличие от многовальных, одновальные энергоустановки имеют единый генератор для паровой и газовой турбины. Причем обе турбины и турбогенератор располагаются на одном валу, при этом 2/3 общей мощности, вырабатываемой генератором, производится валом газовой турбины, а остальная часть – паровой.
В мировой практике реализованы одновальные ПГУ двух разновидностей: а) с единым валопроводом, состоящим последовательно из роторов ГТУ, паровой турбины, турбогенератора, соединенных жесткими муфтами; б) с расцепной синхронизирующей муфтой, присоединяющей ротор паровой турбины к ротору турбогенератора при достижении синхронной частоты вращения. Причем в первом случае главная проблема обслуживания – разворот длинного массивного валопровода при пуске, для чего необходима отдельная котельная.
При использовании расцепной муфты в одновальной ПГУ обеспечивается простой и быстрый пуск (как и многовальных ПГУ) без установки вспомогательного парового котла. Кроме того, ее применение позволяет получить ряд преимуществ: исключается вспомогательный котел для пуска; уменьшается мощность тиристорного пускового устройства; возможна автономная работа ПГУ. Преимуществом одновальной ПГУ является также возможность использования одного турбогенератора, одного трансформатора и одной связанной с ними электрической системы вместо двух.
Однако разработка одновальных ПГУ возможна лишь на основе экономичных и мощных газотурбинных двигателей. Таким двигателем российского производства является ГТД-110. Двигатель разработан НПКГ «Зоря»–«Машпроект» в 1992–1997 гг. и серийно осваивался в НПО «Сатурн» в период 1997…2001 гг.

Двигатель ГТД-110 – одновальный, с двухопорным ротором, простого термодинамического цикла, с отбором мощности со стороны компрессора.
ГТД-110 включает в себя 15-ступенчатый компрессор, трубчато-кольцевую камеру сгорания и 4-ступенчатую турбину. Сопловые аппараты первой, второй, третьей ступеней и рабочие лопатки первой и второй ступеней турбины охлаждаемые. Система охлаждения – конвективная, сопловой аппарат первой ступени имеет конвективно-пленочное охлаждение.
Входной направляющий аппарат регулируемого типа позволяет изменять мощность в диапазоне 75…100 % от номинала при постоянной температуре газов на выходе. При использовании ГТЭ-110 в составе ПГУ такое регулирование мощности двигателя дает возможность сохранить высокий КПД на частичных режимах. Ротор двигателя имеет барабанно-дисковую конструкцию, состоит из пяти частей, соединенных между собой штифтами и болтами. Диски компрессора и турбины в секциях соединены электронно-лучевой сваркой. Ротор опирается на два подшипника скольжения диаметром 400 мм с качающимися колодками. Расположение камеры сгорания над компрессором позволило сократить длину ротора и сделать его жестким, с запасом по критическим оборотам 30 %. Расстояние между центрами подшипников передней и задней опор составляет 4115 мм. Упорный подшипник диаметром 665 мм расположен в холодной части двигателя со стороны компрессора, обеспечивая двухстороннее восприятие осевой нагрузки.
Камера сгорания ГТД состоит из 20 жаровых труб. Обеспечивается работа на двух видах топлива – газообразном и жидком.
Система смазки ГТД – циркуляционная, под давлением, единая с системой смазки генератора. Частота вращения ротора (3000 об/мин) обеспечивает безредукторное соединение двигателя с генератором. ГТД-110 поставляется в эксплуатацию единым модулем на раме, полностью готовым к монтажу на объекте.
Отличительными особенностями энергоустановок на базе ГТД-110 являются: модульное исполнение, комплектная поставка двигателя в полной заводской готовности, оптимальное соотношение потребительских качеств, цены и затрат на эксплуатацию.
При создании ГТД-110 использованы современные материалы – ЧС104, ЧС88 и жаростойкие покрытия горячей части (камера сгорания, турбина). Совершенствование двигателя продолжается и сегодня. Это коррозионнои эрозионно-стойкие покрытия рабочих и направляющих лопаток компрессора, термобарьерные покрытия жаровых труб КС, рабочих и сопловых лопаток турбины с подложкой из наноструктурированного материала.
Планируется применять новые вибродемпфирующие и износостойкие наноструктурированные покрытия и композиционные керамические материалы. Это позволит значительно повысить рабочую температуру в камере сгорания и турбине. Мощность двигателя вырастет до 130 МВт, КПД в простом цикле повысится до 37,5 %, в комбинированном – до 58 %.
На основе ГТД-110 разработан моноблок ПГУ-165 по одновальной схеме. В нем используется в качестве базовой схемы отработанная компоновка расположения оборудования и агрегатов ГТЭ-110, в которой двигатель и генератор установлены на единой раме. В существующей схеме турбогенератор заменен более мощным – до 165 МВт, а на месте валоповоротного устройства (ВПУ) размещена автоматическая обгонная муфта производства компании SSS Gears (Великобритания).
Муфта входит в состав единого узла двухприводного генератора и позволяет комплектовать ПГУ любой паровой турбиной номинальной мощностью до 60 МВт. В связи с тем, что муфта устанавливается на месте ВПУ, в модульный пакет входит устройство для прокрутки роторов генератора и ГТД при осмотрах и техническом обслуживании. Все оборудование энергоблока имеет единую маслосистему с использованием масла ТП-22, ТП-22С.
По результатам выполненного расчета теплового цикла определен оптимальный набор основного теплофикационного оборудования:
• ГТД-110 – газотурбинный двигатель производства НПО «Сатурн»;
• ТТК-165-2УЗ-ГП – турбогенератор изготовления ООО «Электротяжмаш – Привод»;
• MTD 40SA – паровая турбина производства компании Skoda Power;
• КГТ-145.7/7.8-500-35.6/0.6-230 – котел-утилизатор производства ЗАО «Энергомаш».

Турбогенератор ТТК-165-2У3-ГП (ГП – соединение с газовой и паровой турбиной) номинальной мощностью 165 МВт – синхронный, двухполюсный, трехфазного переменного тока, современной конструкции, отвечающий последним требованиям отечественных и международных стандартов. Он имеет меньшие по сравнению с аналогами массогабаритные показатели. В объем комплекта поставки входит пусковое устройство и статическая система возбуждения. Турбогенератор предназначен для продолжительного режима работы S1 по ГОСТ Р 52776. Система охлаждения – воздушная, замкнутого цикла (ICW37A81), с двумя секционными воздухоохладителями. Класс изоляции обмоток – «F» при температурном использовании по классу «В».
В турбогенераторе минимизирована вибрация двойной оборотной частоты за счет применения многофункционального корпуса статора оригинальной конструкции. Это тонкостенный цилиндр, который при креплении к силовым опорам по торцевым плоскостям играет роль амортизатора, демпфирующего виброперемещения активных частей статора. Кроме того, в больших зубьях бочки ротора выполнены фальшпазы для обеспечения равножесткости по поперечным осям.
Ко всем датчикам теплоконтроля имеется доступ на работающей машине. Удобен монтаж теплоконтроля: без паяных соединений, применяются современные клеммные колодки. Большое внимание уделено товарному виду. Во внешних обшивках вместо сварки применяются заклепочные соединения.

Паровая турбина MTD 40SA – одноцилиндровая, мощностью до 150 МВт, спроектирована для работы с частотой вращения 3000 об/мин. Она может иметь как конденсационное, так и противодавленческое исполнение, к электрогенератору подсоединяется напрямую, без редуктора. Параметры свежего пара: давление до 14 МПа, температура до 570 °С.
Конструкция MTD 40SA соответствует стандартам DIN и API. Турбина состоит из набора стандартных, заранее спроектированных и проверенных в эксплуатации компонентных модулей. Их оптимальное сочетание обеспечивает достижение требуемых характеристик.
Турбина имеет активную регулирующую ступень и реактивное облопачивание последующих ступеней. Направляющие лопатки реактивных ступеней устанавливаются в обоймах. Пар в турбину поступает через один или два стопорных клапана, которые совместно с коробкой регулирующих клапанов образуют единый узел, размещенный в корпусе турбины.
Принципиально возможен отпуск пара на сетевые подогреватели до 30 Гкал/ч от теплофикационной паровой турбины.

Паровой котел-утилизатор КГТ-145,7/7,8-50035,6/0,6-230 – водотрубный, с естественной циркуляцией, горизонтального типа, газоплотный. Предназначен для производства пара двух давлений за счет утилизации тепла выхлопных газов ГТЭ-110. Котел поставляется для работы в составе энергоблока ПГУ-165.
Газоплотность котла обеспечивается металлической обшивкой и неметаллическими уплотнениями в местах прохода коллекторов через газоплотную щитовую обшивку.
В обшивке котла предусмотрены люки для доступа к поверхностям нагрева, шумоглушителя, во внутренний объем диффузора и входного короба. Конструкция котла позволяет производить механизированный ремонт отдельных его узлов и элементов.
Котел поставляется блоками заводского изготовления. Конструкция разработана с учетом максимальной готовности блоков (с последующим укрупнением их на площадке строительства), с целью снижения затрат на транспортировку и монтаж.

Блок ПГУ-165 разработан по одновальной и по традиционной двухвальной схеме (с двумя турбогенераторами) в виде полномасштабного модуля со всеми функциональными системами, обеспечивающими его эксплуатацию. Предназначен для модернизации существующих или введения новых энергетических мощностей, в т.ч. в комплекте с аналогичными установками или турбогенераторами других серий. ПГУ-165 может работать автономно, параллельно с сетью неограниченной мощности, в базовом и полупиковом режимах, с выработкой только электроэнергии или одновременно электроэнергии и тепла.
Конфигурация площадки для размещения оборудования ПГУ обычно не имеет значения. Но при этом для одновальных ПГУ, где оборудование устанавливается в одну линию (паровая турбина, турбогенератор, газовая турбина, котел-утилизатор), требуется увеличение площади машзала главного корпуса, а также длины критических паропроводов (горячей и холодной ниток промперегрева). В связи с этим размеры оборудования являются немаловажным параметром. В ходе разработки ПГУ конструкторскими службами ЗАО «Энергомаш» (Белгород) выполнена компоновка котлаутилизатора, позволившая сократить общую длину одновальной ПГУ-165 до 75 метров при сохранении тепловых характеристик.
Мощные паровые турбины обычно выполняются с выхлопом пара вниз и размещаются на отметке -10 м, под которой находится конденсатор. При использовании паровых турбин с нижним выхлопом необходимо более высокое здание (и, соответственно, более дорогостоящее). Особенностью ПГУ-165 является аксиальный выхлоп пара в конденсатор. При таком решении весь блок может располагаться на отметке, близкой к нулевой, – в результате сокращаются затраты на строительно-монтажные работы, улучшаются условия эксплуатации и ремонта.
Главным недостатком при использовании в ПГУ одновальной схемы является сложный монтаж турбогенератора, который располагается между газовой и паровой турбиной, и дальнейшее его обслуживание. Для выемки и контроля ротора турбогенератора требуется дополнительное пространство, что увеличивает затраты на само здание и на фундамент для турбогенератора. Кроме того, для перемещения турбогенератора в сборе к месту дальнейшей транспортировки или ремонтной площадки потребуется кран с увеличенным пролетом и грузоподъемностью не менее 300 т.
В связи с близким к нулевой отметке размещением оборудования, компактным расположением площадки обслуживания турбогенератора, а также малыми массогабаритными показателями оборудования, в одновальной схеме ПГУ-165 реализована выкатка турбогенератора в сторону, с последующей выкаткой ротора вперед. Конструктивное исполнение турбогенератора ТТК-165-2У3-ГП на приподнятых
«лапах» с двумя щитовыми подшипниками обеспечивает его передвижение без дополнительной фиксации ротора. Такое решение не требует дополнительной площади машзала или специальных приспособлений в эксплуатации и значительно сокращает сроки проведения работ. Также отличительной особенностью турбогенераторов производства ООО «Электротяжмаш – Привод» является их меньшая масса, что позволяет использовать при обслуживании всего оборудования одновальной ПГУ кран грузоподъемностью до 75 т.
ПГУ-165 является компактной высокоэффективной энергетической установкой. Двигатель приводит в движение двухприводной генератор. С другой стороны к ротору генератора через автоматическую синхронизирующую муфту подключается паровая турбина.
Расцепная муфта между генератором и паровой турбиной обеспечивает нормальный пуск ГТУ при использовании тиристорного пускового устройства. Сразу после синхронизации ГТУ с сетью можно использовать пар, выработанный в котле-утилизаторе. Паровая турбина разворачивается до синхронной частоты вращения по своему пусковому графику, включается самозацепляющаяся муфта, и паровая турбина может нагружаться. Расчетное время, необходимое для пуска ГТУ и паровой турбины из холодного состояния до полной нагрузки, после подачи команды на запуск двигателя составляет примерно 75 минут. Пуск из горячего состояния производится за 30 минут.
Таким образом, паровая турбина независимо подключается к уже работающей газовой турбине и генератору в любое время, т.е. сохраняется технология пуска двухвальной ПГУ. Отключаться она может также без остановки газовой турбины и генератора. После этого вырабатываемый пар может использоваться для производственных и теплофикационных нужд.
При использовании муфт SSS между паровой турбиной и генератором одновальной ПГУ возможно достижение уровня эксплуатационной гибкости и надежности, сравнимого с многовальными установками.
Капитальные затраты на стандартную одновальную ПГУ-165, по сравнению с многовальными установками аналогичной мощности, до 10 % ниже. При этом достигается значительная экономическая эффективность, что обеспечивается следующими факторами:
• наличие только одного генератора и связанных с ним агрегатов;
• компактный машинный зал и малая площадь земельных участков;
• сокращение времени и затрат на строительномонтажные работы и ввод в эксплуатацию;
• возможность независимой работы газовой турбины, в то время как паровая турбина находится в стадии монтажа или запуска;
• возможность независимого отключения паровой турбины;
• возможность раздельного запуска обеих турбин;
• устранение циклических торсионных нагрузок на ненагруженные лопатки паровой турбины в момент синхронизации с генератором;
• возможность дальнейшего производства электроэнергии при аварийном отключении паровой турбины;
• модульная конструкция, значительно сокращающая расходы на проектирование.
Все эти факторы обеспечивают высокую эксплуатационную гибкость в совокупности с высоким КПД, снижение затрат на проведение ТО и капитальных ремонтов, повышенную работоспособность и, как следствие, снижение проектного риска.
ПГУ-165 имеет высокий КПД в комбинированном цикле (>52 %) и топливную эффективность, хорошую динамику при переходных процессах, гибкость интеграции в существующие энергообъекты, низкую стоимость владения и быструю окупаемость.
Теплоэлектрогенерация, на долю которой приходится более 60 % установленных мощностей в мире, доминирует в современной энергетике. В долгосрочной перспективе такой приоритет сохранится – это связано со сравнительной доступностью используемых топливных ресурсов, надежностью существующих технологий теплоэлектрогенерации и постоянным повышением их эффективности и экологичности, в том числе за счет внедрения новых парогазовых технологий в комбинированном и когенерационном цикле.
Для «большой» энергетики НПО «Сатурн» предлагает внедрение современных парогазовых технологий с применением энергоблоков ПГУ-495, ПГУ-325 и ПГУ-165 по одновальной и классической двухвальной схеме.