Хидетаро Мурата, Нозоми Сайто, Юичи Ивамото, Канзо Сато – Hitachi Ltd.

Новый двухвальный газотурбинный двигатель H-80 предназначен для модернизации существующих электростанций комбинированного цикла, с тем чтобы снизить расход топлива и сократить эмиссию СО2 путем повышения общего КПД станций.
Заводские испытания газовой турбины были начаты в январе 2009 г, в конце того же года начались испытания в составе полнокомплектного энергоблока в станционных условиях с целью оптимизировать эксплуатационные параметры двигателя при работе с другим оборудованием. По результатам испытаний в 2010 г. пилотная станция была запущена в опытно-промышленную эксплуатацию.

Электростанции комбинированного цикла, введенные в эксплуатацию 20 лет назад, имеют низкий КПД и практически выработали свой ресурс. Учитывая современные тенденции мирового энергетического рынка по снижению выбросов СО₂ и повышению КПД электростанций, компания Hitachi начинает разработку нового газотурбинного двигателя, который бы обеспечивал выполнение данных требований. В результате был создан перспективный газотурбинный двигатель H-80 мощностью 80 МВт. Общий вид новой газовой турбины представлен на рис. 1.
Заводские испытания пилотного двигателя H-80 были начаты в январе 2009 года, чтобы подтвердить заявленные расчетные параметры и надежность конструкции. В результате доводочных испытаний конструкция газовой турбины была оптимизирована под поставленные задачи, заявленные эксплуатационные параметры подтверждены в полном объеме.
По окончании заводских испытаний двигатель был направлен на электростанцию Shin Oita компании Kyushu Electric Power Co., Inc. для замены ГТУ № 4 первого энергоблока. Там были проведены испытания газовой турбины в составе полнокомплектной электростанции. В 2010 году началась опытно-промышленная эксплуатация новой энергетической установки.

Оптимизация эксплуатационных параметров газовой турбины
Для повышения эксплуатационных параметров существующих электростанций комбинированного цикла при замене газотурбинного блока была принята следующая концепция:
•    сохранить температуру и расход выхлопных газов на том же уровне, что и у существующей газовой турбины, чтобы можно было использовать другое оборудование электростанции (котел-утилизатор и паровую турбину);
•    обеспечить необходимые габариты новой ГТУ для ее установки на существующую площадку.
В результате при разработке новой газовой турбины на основе данной концепции (рис. 2) была увеличена степень повышения давления в компрессоре с целью повышения температуры горения с 1100 °С до 1300 °С, при этом температура выхлопных газов осталась практически неизменной. Частота вращения компрессора составила 4850 об/мин, что обеспечивало необходимый расход выхлопных газов. Частота генератора составляла 60 Гц (3600 об/мин).
Поскольку не было возможности использовать редуктор, выбрана двухвальная конструкция двигателя. При этом турбина разделена на секции высокого и низкого давления (ВД и НД). Частота вращения ротора турбины ВД составляет 4850 об/мин (как у компрессора), турбины НД – 3600 об/мин (как у электрогенератора).

Основные эксплуатационные параметры Н-80
Основные характеристики новой ГТУ даны в табл. 1. Нужно отметить, что ее КПД является одним из самых высоких в классе мощности 80 МВт. Газовая турбина H-80 создана на основе отработанного и проверенного в эксплуатации двигателя H-25 мощностью 30 МВт. Всего в настоящее время заказчикам по всему миру поставлено более 130 энергоблоков на базе H-25 (табл. 2). Конструкция газовой турбины H-80 дана на рис. 3.
Осевой 17-ступенчатый компрессор имеет степень повышения давления 17 и обеспечивает работу с переменной скоростью при низких нагрузках. Конструкция компонентов горячей проточной части (включая компрессор и турбину) практически идентична конструкции компонентов двигателя H-25. С целью обеспечения высоких экологических показателей H-80 оснащена сухой низкоэмиссионной камерой сгорания (dry low-NO_x), надежность и эффективность которой проверена в процессе эксплуатации в составе ГТУ H-25.
Одной из особенностей двухвальной ГТУ является сравнительно высокая скорость увеличения частоты вращения в турбине низкого давления при сбросе нагрузки. Это происходит потому, что турбина НД в двухвальном двигателе не соединена с валом компрессора, и при снижении нагрузки ее частота вращения увеличивается.
В противоположность двухвальной конструкции, компрессор в одновальном двигателе находится на одном валу с турбиной НД, и при сбросе нагрузки он действует как тормоз. Для решения этой проблемы была оптимизирована конструкция выхлопного канала, обеспечившая перепуск воздуха компрессора, чтобы снизить расход рабочего тела через турбину НД при падении нагрузки. Кроме того, система управления ГТУ предусматривает быстрый перепуск воздуха из компрессора и одновременное блокирование системы подачи топлива при сбросе нагрузки.
В связи с тем что ГТУ Н-80 предусмотрена для модернизации газотурбинных блоков существующих электростанций, было обеспечено соответствие ее габаритов заменяемым энергоблокам, а также совместимость с другим оборудованием ГТЭС.
В табл. 3 представлены эксплуатационные параметры электростанции комбинированного цикла, которые были достигнуты после замены газотурбинного блока. Общий КПД станции при этом увеличился на 8 %.

Контрольные и доводочные испытания
Заводские испытания H-80 были начаты в январе 2009 года с целью подтвердить заявленные расчетные параметры и надежность конструкции. Для проведения полномасштабных испытаний газовой турбины с использованием осевого компрессора в классе мощности 90 МВт потребовалась модернизация испытательного стенда на предприятии. Дополнительно к стандартному комплекту измерительной и контрольной аппаратуры было установлено несколько сотен датчиков, контроллеров и сенсоров для постоянного мониторинга эксплуатационных параметров оборудования.
В табл. 4. приведены основные показатели, которые контролировались и были оптимизированы в процессе испытаний на заводе и испытаний в станционных условиях. На рис. 4 представлена конфигурация ГТУ при проведении испытаний. В течение заводских испытаний мощность газовой турбины определялась путем измерения мощности нагрузочного компрессора для подтверждения того, что требуемые параметры достигнуты.
Другие показатели ГТУ (температура, давление и вибрация в различных точках) измерялись в процессе запуска, раскрутки, работы с нагрузкой и без нагрузки с целью подтверждения того, что эксплуатационные характеристики оборудования соответствуют конструкции турбины.
Испытания с моделированием сброса нагрузки были проведены при замене соединения между нагрузочным компрессором и реверсивным редуктором на соединение с соответствующим предохранительным штифтом. Это обеспечивало максимально точное соответствие процесса испытаний реальным условиям эксплуатации при сбросе нагрузки. Результаты испытаний подтвердили, что в станционных условиях в данном сегменте проблем не возникнет.

Испытания ГТУ в составе полнокомплектной электростанции
Станционные испытания ГТУ H-80 проводились с октября 2009 года. В результате электростанция комбинированного цикла была выведена на мощность 115 МВт, КПД более 46,3 %. Уровень эмиссии NOx был значительно снижен по сравнению с предыдущими показателями. В процессе пусконаладочных работ было подтверждено, что новая газовая турбина работает корректно и надежно с другим оборудованием в составе электростанции.
Сброс нагрузки является наиболее критическим параметром для двухвальных газовых турбин. Поэтому наиболее длительные испытания проводились именно по данному критерию. Диапазон изменения нагрузок составил 25...100 %. Результаты испытаний показали, что повышение частоты вращения ротора турбины НД при сбросе нагрузки не приводит к каким-либо серьезным повреждениям ГТУ. Это было подтверждено также с помощью метода компьютерного моделирования рабочих процессов.
Испытания также подтвердили, что и на переходных режимах процессы горения в камере сгорания остаются стабильными, а эксплуатационные параметры газовой турбины находятся в допустимых пределах.
После окончания полномасштабных испытаний в станционных условиях в 2010 году пилотная газотурбинная установка H-80 была запущена в коммерческую эксплуатацию. Она заменила ГТУ № 4 первого энергоблока электростанции комбинированного цикла компании Kyushu Electric Power Co., Inc. В табл. 4 приведены эксплуатационные параметры станции Shin Oita.

Дальнейшая оптимизация газовой турбины H-80
После ввода в коммерческую эксплуатацию пилотной ГТУ H-80 конструкторские разработки по повышению мощности и оптимизации эксплуатационных параметров были продолжены. В результате в настоящее время мощность ГТУ H-80 в простом цикле составляет 97,7 МВт, КПД – 36,5 % (50 Гц). В когенерационном цикле электрическая мощность достигла 95,2 МВт, тепловая производительность 165 тонн пара в час.
Газотурбинная установка H-80 является оптимальной для модернизации существующих и строительства новых электростанций комбинированного цикла. При этом в конфигурации 1-1-1 мощность электростанции составит 138 МВт, общий КПД – 52 %. В конфигурации 2-2-1 мощность ПГУ – 284 МВт, общий КПД – 53,6 %.
В настоящее время H-80 доступна для использования в качестве механического привода, в частности для привода компрессоров на заводах по сжижению природного газа.