Фрэнк Хаммель, Ральф Джакоби, Марк Стивенс – Alstom Power

В статье показано, как были улучшены эксплуатационные характеристики газовых турбин GT26 (50 Гц) и GT24 (60 Гц) с помощью модернизированной камеры сгорания, которая создана в 2011 году. На основе результатов опытно-промышленной эксплуатации ГТУ в составе электростанции в г. Бирр (Швейцария) рассмотрена эффективная работа на различных режимах, с использованием различных видов топлива и на разных нагрузках.

Главными требованиями заказчиков при выборе оборудования являются повышение КПД газотурбинных установок и электростанций комбинированного цикла, снижение уровней эмиссии (NO_x, CO и CO₂), а также сокращение себестоимости выработки электроэнергии для независимых производителей. Для электростанций комбинированного цикла определяющим фактором становится их надежная и эффективная работа на различных режимах – от базовой нагрузки до частых (ежедневных) пусков/остановов. Это обусловливает высокие требования к основным блокам электростанции – газотурбинному и паротурбинному, котлам-утилизаторам, а также водопаровым трубопроводам.
Эксплуатационная гибкость электростанций – важнейший критерий для рынка распределенного производства энергии. Разрабатываются новые требования к оборудованию, которое будет применяться в составе пиковых электростанций и в энергосистеме с большим количеством станций на возобновляемых источниках энергии. Таким образом, КПД электростанций комбинированного цикла как в базовом режиме, так и при частичных нагрузках становится основополагающим параметром при выборе оборудования.
Кроме того, в настоящее время все большее значение имеет способность ГТУ работать на природном газе различного химического состава. Это связано с тем, что во многих регионах электростанции работают на сжиженном природном газе, который поставляется с разных месторождений. По прогнозам специалистов, его состав в будущем будет сильно колебаться в зависимости от места добычи и поставщика. Даже сегодня отмечается значительное колебание состава газа, подаваемого из магистральных газопроводов и поступающего с терминалов сжиженного газа. Эффективная работа ГТУ на природном газе с различным химическим составом обеспечивается надежными системами горения, не требующими дополнительного оборудования для предварительной подготовки топливного газа или дополнительной настройки для сжигания определенного типа газа (что увеличивает время простоя и снижает общий КПД станции).
Опыт эксплуатации последних версий газотурбинных установок GT26/GT24 компании Alstom подтверждает их эффективную работу на разных видах топлива и природном газе различного состава. На основе результатов опытно-промышленной эксплуатации ГТУ GT26 (рис. 1) в составе электростанции в швейцарском городе Бирр был проведен анализ повышения ее эксплуатационных параметров за счет применения передовой камеры сгорания. При этом были отмечены высокая топливная гибкость; эффективная работа в широком диапазоне нагрузок; высокий КПД при низких нагрузках и быстрый пуск и выход на номинальную мощность.

Разработка газовых турбин GT26/GT24
ГТУ компании Alstom были представлены на рынке в середине 1990-х гг. – к настоящему времени газовые турбины GT26/GT24 прошли четыре этапа модификации. При этом оригинальная платформа осталась практически без изменений, но при модернизации были учтены результаты эксплуатации и пожелания конечных пользователей, а также улучшена аэродинамика и повышен КПД компрессора, камеры сгорания и турбины (рис. 2).
ГТУ GT26/GT24 до сих пор остаются единственными установками, оснащенными камерой сгорания последовательного горения (две стадии), которая обеспечивает надежную работу и высокие эксплуатационные параметры в широком диапазоне рабочих режимов и на различных видах топлива. КС гарантирует высокие рабочие параметры электростанций комбинированного цикла КА26/КА24 в базовом режиме и при частичных нагрузках (до 20 % от номинальной), а также низкие уровни эмиссии NOx и СО. В результате электростанции КА26-1 (в конфигурации 1х1) и КА26-2 (2х1) выходят на номинальную мощность (300 и 700 МВт соответственно) в течение 15 минут. Электростанция КА24-2 (2х1) выходит на номинальную мощность 500 МВт за 10 минут.
Перед тем как более подробно представить ключевые параметры ГТУ GT26/GT24, обеспечиваемые передовой камерой последовательного горения, необходимо обратить внимание на ее базовые аспекты. Последняя модификация ГТУ, выполненная в июне 2011 года, коснулась следующих компонентов: компрессор; камера сгорания SEV (2-я ступень); турбина низкого давления (рис. 3).
Новый компрессор обеспечил увеличение массового расхода воздуха для повышения рабочих параметров установки и КПД. В результате модификации турбины низкого давления был повышен КПД ГТУ и увеличены межремонтные интервалы на 30 %. Модификация камеры сгорания SEV обеспечила более высокую топливную гибкость и низкие уровни эмиссии на всех рабочих режимах.

Турбина низкого давления
Компания Alstom разработала новую турбину низкого давления (ТНД) для последней модификации ГТУ GT26. Она может также использоваться для модернизации газовых турбин, которые уже находятся в эксплуатации. Замена производится во время регулярного технического обслуживания и ремонта компонентов горячей проточной части двигателя.
Полностью модернизированная версия GT26 работает на площадке электростанции компании Alstom в г. Бирр с 2011 года. Еще две установки были поставлены заказчику в Тайланд для электростанции комбинированного цикла – они будут введены в коммерческую эксплуатацию в начале 2015 года.
Пилотная установка, оснащенная новой ТНД, работает в составе электростанции комбинированного цикла КА26-1 в Испании с 2009 года. С начала эксплуатации, согласно графику, было проведено две инспекции ГТУ. В результате первой инспекции (тип А), выполненной после 5000 часов эксплуатации (45 пусков и остановов), было отмечено хорошее состояние ТНД. Вторая инспекция (тип В), проведенная в 2012 г. после 10000 часов эксплуатации (173 пуска и останова), также подтвердила удовлетворительное состояние ТНД. Результаты инспекций на фото 1.
К марту 2013 года наработка ГТУ составила 11000 часов (210 пусков). На данный момент модернизированы еще две ГТУ с новой турбиной низкого давления: одна установка, GT26, находится в Европе, вторая, GT24, – в Северной Америке. Их наработка составляет 3600 и 3300 часов соответственно.

Электростанция в г. Бирр
Электростанция на базе модернизированной ГТУ GT26 работает в простом цикле с апреля 2011 года. Вырабатываемая электроэнергия продается в национальную энергосеть Швейцарии. Основным топливом является природный газ, подаваемый из магистрального газопровода, резервным – дизельное топливо. Переход с основного на резервное топливо осуществляется автоматически. ГТУ оснащена подогревателем воздуха на входе, что обеспечивает максимально эффективную работу оборудования.
Станция оснащена специальным контрольноизмерительным и диагностическим оборудованием – более 4000 единиц. Получаемые данные используются для оптимизации эксплуатационных параметров и максимального продления жизненного цикла оборудования. Кроме того, ведется непрерывный мониторинг технического состояния компонентов ГТУ для предотвращения аварийных ситуаций и расчета периодичности техобслуживания.
В состав диагностического оборудования входят термопары, датчики давления и температур, тензометры, сенсоры пульсаций и вибраций, система контроля уровней эмиссии и др. Для мониторинга вращающихся компонентов используются две независимые телеметрические системы, расположенные на горячем и холодном концах ГТУ.
Более 10 % контрольного оборудования оснащено дополнительными сенсорами высокой детализации для получения информации по динамическим нагрузкам особенно важных компонентов. Таким образом, можно постоянно контролировать термодинамическое состояние ГТУ, объективное состояние ее компонентов и рабочих лопаток, аэродинамику потоков, уровень вибрации, стабильность процессов горения и т.д.
На фото 2 представлено контрольноизмерительное оборудование ВНА компрессора для измерения состояния аэродинамических потоков.

Эксплуатационная гибкость ГТУ
Работы по повышению эксплуатационной гибкости ГТУ GT26 велись по нескольким направлениям:
1.    Возможность эффективной работы на различных режимах. За счет оптимизации баланса параметров и рабочих температур, а также эффективности системы воздушного охлаждения повышена мощность, КПД и жизненный цикл ГТУ. Обеспечена возможность работы в широком диапазоне рабочих нагрузок – от номинального режима до экономного (снижение затрат на ТО).
2.    Возможность работы на различных видах топлива. ГТУ GT26/ GT24 может автоматически переходить с работы на основном топливе (природный газ) на резервное (дизельное топливо) и обратно.
3.    Быстрый пуск ГТУ и электростанции комбинированного цикла. Конструкция ГТУ обеспечивает выход на номинальную нагрузку в течение 30 минут с момента зажигания. В течение опытно-промышленной эксплуатации ГТУ выходила на 60 %-ю нагрузку из холодного резерва в течение 10 минут.
4.    Возможность работы с низкими нагрузками. Электростанции комбинированного цикла КА26/КА24 могут работать на низких нагрузках (до 15 % от номинальной) в периоды низкого потребления электроэнергии в сети. Быстрый запуск обеспечивает быстрое реагирование на изменение нагрузок в сети и, соответственно, оперативный горячий резерв.
5.    Соответствие требованиям энергосети. В настоящее время в состав энергосистем входит большое количество станций, работающих на возобновляемых источниках энергии. В связи с этим к ГТУ и станциям комбинированного цикла предъявляются требования быстрого реагирования на изменение состояния в энергосети. Это отражено в сетевых кодексах различных стран. Конструкция ГТУ GT26 соответствует требованиям сетевых кодексов практически всех стран – это было подтверждено при ее эксплуатации в г. Бирр.
При эксплуатации ГТУ возможны два основных режима. Оператор станции может выбрать режим с оптимальными эксплуатационными параметрами (Performance Optimized – PO) или экономный режим, оптимизирующий расходы на техническое обслуживание (Maintenance-Cost Optimized – MCO).
Максимальные значения мощности и КПД станции достигаются при работе в режиме РО со стандартным графиком обслуживания и инспекций. В режиме МСО наблюдается снижение параметров, но интервалы между ТО и инспекциями увеличиваются на 30 %, что значительно снижает расходы на ТО за жизненный цикл оборудования. На рис. 4 показано изменение температуры на входе в камеру сгорания EV-combustor (TIT1), камеру сгорания SEVcombustor (TIT2) и позиции ВНА с изменяемой геометрией потока (VIGV) в зависимости от изменения нагрузки ГТУ GT26/GT24.
Значения температур на входе в турбину определены для достижения оптимального баланса между параметрами ГТУ, уровнями эмиссии и продолжительностью жизненного цикла компонентов горячей проточной части газовой турбины. TIT2 поддерживается на максимальном уровне для обеспечения высокого КПД комбинированного цикла. При низких нагрузках TIT2 снижается, а ГТУ работает с высокой TIT1 для поддержания низких уровней эмиссии. Это позволяет операторам станции выбирать оптимальный режим работы при изменении нагрузки в энергосетях. Например, при возникновении пиковых нагрузок в сети электростанции КА26/КА24 могут работать в режиме РО, обеспечивая максимальное количество энергии с высоким КПД при стандартном графике инспекций и ТО. В периоды с низкими сетевыми нагрузками (или при высокой цене на топливо) станцию можно переводить в режим МСО с увеличенными интервалами техобслуживания.
ГТУ оснащена передовой системой контроля подачи охлаждающего воздуха по замкнутой схеме со 2и 3-й ступени компрессора. Таким образом, создаются дополнительные возможности для оптимизации работы оборудования. Охлаждающий воздух подается, когда давление в ступенях компрессора выше расчетных значений (при высоких температурах атмосферного воздуха), что обеспечивает повышение параметров. С другой стороны, при достаточном количестве охлаждающего воздуха жизненный цикл компонентов горячей проточной части ГТУ увеличивается. При этом сокращаются сроки монтажа и пусконаладочных работ электростанции, поскольку система воздушного охлаждения не требует настройки.
Все расчетные параметры и эксплуатационные нагрузки ГТУ GT26/GT24 были проверены и оптимизированы в течение опытно-промышленной эксплуатации. Испытания двигателя проводились в следующих условиях:
•    температура всасываемого воздуха 0…35 °С (включая предварительный подогрев);
•    диапазон рабочих нагрузок 0...110 % от номинала (включая пиковые режимы);
•    работа на газообразном и дизельном топливе.

Использование различных видов топлива
Модифицированная версия GT26/GT24 обеспечивает автоматический переход с газового топлива на дизельное при высоких рабочих нагрузках. Переход возможен как при работе с использованием только камеры сгорания EV-combustor, так и обеих КС – EV-combustor и SEV-combustor. График перехода с газообразного топлива на дизельное, отработанный в процессе эксплуатации, – на рис. 5. Переход с одного топлива на другое (и обратно) выполнялся при базовой нагрузке.
Переход с газового топлива начинался с заполнения системы топливоподачи дизельным топливом. Следующий шаг – замещение топлива, которое осуществляется сначала для камеры сгорания EV-combustor, затем для SEV-combustor. Объем газового топлива с повышением доли дизельного топлива постепенно снижается, при этом мощность станции поддерживается на номинальном уровне. Когда переход на дизтопливо закончен, линия подачи газового топлива продувается с помощью азота (N₂) и блокируется, чтобы исключить возгорание остатков газа. Обратный переход осуществляется в аналогичном порядке. Линия подачи дизельного топлива очищается с помощью воды и блокируется. Процедура перехода с газообразного топлива на дизельное занимает 6 минут, обратный переход – 5 минут.

Работа ГТУ с низкими нагрузками
Возможность эффективной работы при низких нагрузках (до 15 % от номинальной) – отличительная особенность ГТЭС КА26/КА24. Это особенно важно, когда период падения нагрузки составляет несколько часов, и полный останов оборудования является крайне неэффективным решением. При этом последующий выход на номинальную нагрузку происходит достаточно быстро, поскольку газотурбинный блок и водопаровой цикл находятся в работе.
При низких нагрузках необходимо соблюдение следующих условий:
•    минимизация расхода топлива;
•    снижение общей мощности станции;
•    поддержание достаточной температуры выхлопных газов ГТУ для обеспечения работы водопарового цикла;
•    обеспечение низких уровней эмиссии;
•    возможность быстрого набора и сброса нагрузки;
•    альтернатива полному останову оборудования при изменении потребностей в сети.
Работа станции на низких нагрузках обеспечивается за счет снижения массового расхода воздуха в компрессоре, расход топлива минимизирован. При этом поддерживается высокая температура выхлопных газов и небольшой диапазон повышения и снижения давления в ТНД.
Газовая турбина работает с использованием только камеры сгорания EV-combustor, температура в которой достаточно высокая для обеспечения низких уровней эмиссии. Функции набора/сброса нагрузки были также оптимизированы, чтобы обеспечить гибкость ГТУ в эксплуатации. Это было достигнуто без сокращения жизненного цикла компонентов, поскольку оборудование поддерживается в работе даже при низких нагрузках.
При работе с низкими нагрузками электростанция КА26 выходит на полную мощность менее чем за 15 минут; КА24 – менее чем за 10 минут. Расход топлива при этом составляет ¼ от аналогичного показателя при работе в базовом режиме.
Функции набора/сброса нагрузки были тщательно проверены и оптимизированы в процессе опытно-промышленной эксплуатации. На рис. 6 показано изменение мощности и температуры выхлопных газов ГТУ в зависимости от изменения нагрузки. На первом графике параметры при 70 %-й нагрузке, на втором – изменение параметров при наборе мощности до базовой нагрузки. Температура выхлопных газов ГТУ достаточно высокая на всех режимах. Максимальные температуры достигаются на частичной нагрузке.

Запуск ГТУ и ГТЭС
Условия пуска ГТУ GT26/GT24 и электростанций КА26/КА24 были оптимизированы для обеспечения максимальной гибкости в эксплуатации. Максимально сокращено время пуска и набора мощности без сокращения жизненного цикла компонентов ГТУ и ПГУ. Основным параметром при этом является термическое состояние установки. Пуск из холодного состояния занимает гораздо больше времени, чем из горячего резерва. При этом тепловые нагрузки на компоненты ГТУ значительно ниже при пуске из горячего состояния.
Дальнейшее сокращение времени пуска и выхода на номинальную мощность достигнуто за счет модификации системы топливоподачи в соответствии с требованиями стандарта NFPA85. В модифицированной версии GT26/GT24 при пуске газовой турбины продувки котла-утилизатора не требуется.
Дополнительной опцией является возможность выхода ГТУ на 60 %-ю нагрузку за 10 мин из холодного состояния. На данной мощности может быть продолжена работа ГТУ в простом цикле или введен водопаровой цикл. Результаты оптимизации данного параметра на рис. 7. Общее время выхода на 60 % мощности составило 13,5 мин.

Соответствие требованиям сетевого кодекса
Соответствие ГТУ GT26 всем основным требованиям сетевого кодекса для энергетического рынка 50 Гц подтверждено в течение опытной эксплуатации в г. Бирр в соответствии с требованиями национальной энергосети Швейцарии. Определение пределов эксплуатационных параметров двигателя было основной задачей данных испытаний.
Ключевым требованием для соответствия сетевым кодексам является возможность компрессора работать при низких аэродинамических скоростях. Предел при этом должен быть как можно более низким. Были определены необходимые границы помпажа на всех режимах эксплуатации для предотвращения аварийных ситуаций и повреждения оборудования.
Важным требованием для стационарных газовых турбин большой мощности является продолжение работы при возникновении дисбаланса в сети, что требует открытия реле генератора и последующего сброса мощности. Подача топлива и расход воздуха должны быть быстро снижены для предотвращения повреждения двигателя. При этом необходимо поддерживать стабильное горение в КС, поскольку срыв пламени также может привести к аварийным ситуациям. На рис. 8 указаны частота вращения ротора, степень повышения давления для различных значений массового расхода воздуха на входе.
Возможность быстрого и безаварийного сброса мощности GT26 оптимизирована в процессе эксплуатации (рис. 9). Частота вращения ротора двигателя начинает увеличиваться при открытии реле генератора, поскольку избыточная энергия не используется для привода генератора. Камера сгорания остается в рабочем состоянии, горение стабильное, ГТУ оптимизирована для работы в холостом режиме.

Заключение
Последняя модификация GT26/GT24 создана с учетом многолетнего опыта эксплуатации предыдущих версий. При этом были учтены все пожелания заказчиков, а также современные тенденции на мировом энергетическом рынке. Основными преимуществами ГТУ являются:
•    высокие эксплуатационные параметры – мощность и КПД (общий КПД электростанций комбинированного цикла более 60 %);
•    высокий КПД при работе с частичными нагрузками в широком диапазоне;
•    автоматический переход на режимы РО и МСО в зависимости от ситуации в сети: можно выбирать режим максимально эффективной эксплуатации со стандартными интервалами ТО или менее эффективный, но более щадящий для компонентов ГТУ;
•    работа на различных видах топлива и газе различного состава (может использоваться топливо с индексом Воббе более 15 % без замены стандартных компонентов);
•    переход с газообразного топлива на дизельное (и обратно) без сброса нагрузки;
•    работа на частичных нагрузках в комбинированном цикле, при этом нет необходимости выводить водопаровой цикл. Потребление топлива при 15 %-й нагрузке составляет ¼ объема при работе на номинальном режиме;
•    быстрый пуск и набор нагрузки: из горячего резерва ГТУ выходит на 60 %-ю нагрузку в течение 10 мин, ПГУ выходит на номинальную мощность в течение 30 мин;
•    соответствие всем требованиям сетевых кодексов на различных энергетических рынках.