Д. А. Капралов – ООО «Турбомашины»

Электростанция, работающая на попутном нефтяном газе, решает у заказчика две задачи – обеспечивает дешевой энергией и утилизирует попутный газ, сжигавшийся ранее в факелах из-за дороговизны транспортировки к месту переработки. Газотурбинные электростанции, использующие попутный газ в качестве топлива, размещаются в непосредственной близости от участков нефтедобычи. В связи с этим исключается строительство объектов газосбора, трубопроводов, компрессорных станций. Технология сжигания топлива в камерах сгорания ГТУ обеспечивает низкий уровень эмиссии, что делает ГТЭС экологически чистыми.

Сургутнефтегаз является лидером в использовании ГТЭС различной мощности, эксплуатирующихся на попутном нефтяном газе. Компания поставила перед собой задачу сократить к 2007 году на 25% закупку электроэнергии у сторонних производителей за счет ввода в эксплуатацию собственных электростанций.
В настоящее время эксплуатируются семь ГТЭС, в том числе на Конитлорском месторождении, на Биттемском м/р, на Лянторском м/р (КНС-11, КНС-17), Лукъявинском м/р, Русскинском м/р, Тянском месторождении. Их мощности обеспечивают до 20% общей потребности компании в электроэнергии. В 2005 г. компания приступила к реализации второго этапа крупномасштабного проекта по выработке собственной электроэнергии: начато строительство еще шести газотурбинных электростанций. Ведется также строительство двух газопоршневых электростанций (на Восточно-Еловом и Талаканском месторождениях). В перспективе в 2007-2012 гг. планируется строительство еще четырех газотурбинных электростанций.
Согласно программе развития собственных генерирующих мощностей, в 2002 году ОАО «Сургутнефтегаз» провело конкурс на поставку энергетического оборудования для многоагрегатных электростанций общей мощностью 156 МВт.
Обязанности генподрядчика компания взяла на себя, опираясь на опыт строительства газотурбинной электростанции «Конитлорская».
Генеральным проектировщиком объекта был выбран институт СургутНИПИнефть, который координировал работу с субподрядными проектными организациями и осуществлял контроль за выполнением сроков, разрабатывал ПСД на блоки подготовки топливного газа, выполнял проектирование объектов инженерного обеспечения и т. д.
Проектировщиком энергоцеха стал УралВНИПИэнергопром. Компания разрабатывала электрическую и технологическую схему главного корпуса, схему автоматизации, компоновку оборудования.
Поставщиком основного оборудования и систем станций была определена инжиниринговая компания «Искра-Энергетика» – совместное предприятие НПО «Искра» и P&W. Этот проект не был принципиально новым для компании: газотурбинные установки ГТУ-12ПГ уже были установлены на КС 42 и 44 для привода нагнетателя.
Ввод пяти станций в эксплуатацию осуществлялся поэтапно в течение 2004 года.
В данной статье на примере ГТЭС-24 (КНС-11 Лянторского месторождения) рассмотрено устройство основных составляющих энергоблока ЭГЭС-12С и других станционных систем.
Энергоблоки находятся в легкосборных зданиях, собранных из сэндвич-панелей. Такая технология позволяет обеспечить нормативный уровень шума и теплоизоляции, а также организовать максимально удобную эксплуатацию оборудования в условиях северного климата, где зимние температуры опускаются ниже –50 °С. Так, в данном проекте предполагалось, что температура внутри зала не должна опускаться менее +5 °С и должна поддерживаться даже при возникновении аварийных ситуаций. С этой целью станция оснащена мини-котельной.
Одной из важнейших задач, поставленных заказчиком, была высокая степень взрывобезопасности – в соответствии с ГОСТ. Оборудование станции имеет все разрешительные документы для эксплуатации на опасных объектах:
•    получены разрешения Гостехнадзора на применение ЭГЭС-12С на опасных производственных объектах;
•    все оборудование сертифицировано на соответствие требованиям промышленной безопасности в Государственных органах РФ;
•    используется оборудование во взрывозащищенном исполнении (например, для ЭГЭС-12С – блок силовой с видом взрывозащиты lExpxIITl);
•    применяется система газообнаружения (при концентрации метана более 0,5% выдается предупредительный сигнал, при концентрации более 1% происходит автоматический останов агрегата).
Энергоцех (главный корпус) состоит из четырех основных помещений – машинный зал, пультовая, помещение для электрооборудования (реакторов, КРУ и РУ-0,4) помещение системы гидрозапуска.
Дожимная компрессорная станция (ДКС) и станция подготовки топливного газа находятся в отдельных зданиях. Здание подготовки топливного газа пристроено к энергоцеху. Блок газового оборудования унифицированный. В нем осуществляются две степени сепарации газа, фильтрация в полнопоточном фильтре с чистотой не менее 5 мкм.
Дожимная КС поднимает давление газа до 30 кг/см². При этом топливный газ нагревается до 100 °С, что на 30 °С превышает точку росы попутного нефтяного газа. В связи с этим осушка газа не осуществляется. ДКС выполнена на базе компрессоров фирмы «Торомонт» (Канада).
Базовыми конструктивными единицами энергоблока ЭГЭС-12С являются:
•    силовой блок ЭГЭС-12С (БС), созданный на базе ГТУ-12ПГ-2, (производство НПО «Искра»);
•    редуктор (производство компании Renk);
•    синхронный турбогенератор ТС-12-2РУХЛ3 (ОАО «Привод»).
Энергоблок установлен на общий монолитный фундамент, система выхлопа и всасывания – на самостоятельном фундаменте за пределами энергоцеха.

Силовой блок (БС)

ЭГЭС-12С используется в качестве привода турбогенератора. В его состав входят:
•    газотурбинная установка ГТУ-12ПГ-2 в комплекте с входным и выходным устройствами, элементами САУ ГТУ, системами запуска и трансмиссиями «ГТУ-редуктор» и «редуктор-турбогенератор»;
•    шумотеплоизолирующий кожух (контейнер), который оснащен средствами контроля за состоянием БС, а также освещения и обогрева, элементами системы наддува и охлаждения ГТД и др.;
•    воздухозаборная камера с сетчатым коком, защищающим проточный канал двигателя от попадания посторонних предметов.
В составе БС и в составе ГТУ применяется взрывобезопасное электрооборудование (обогреватели, освещение, датчики и сигнализаторы, извещатели, соединительные коробки и пр.). В корпусе силовой турбины ГТУ предусмотрена внутренняя продувка.
Дополнительным мероприятием по взрывобезопасности является применение газонепроницаемых панелей кожуха БС. Обеспечена блокировка дверей, чтобы исключить охлаждение ГТУ. Отсутствуют застойные и невентилируемые зоны внутри оболочки блока. Установлены датчики контроля избыточного давления, расхода и температуры охлаждающего и наддувочного воздуха. Герметичность соединений исключает попадание выхлопных газов внутрь кожуха БС.

Газотурбинная установка ГТУ-12ПГ-2

Двухвальная установка простого открытого цикла создана на базе газотурбинного двигателя ПС-90ГП-1 (производство Пермского моторостроительного комплекса). Температура корпусов в ГТУ снижена за счет подачи дополнительного атмосферного воздуха под кожух установки. Расход воздуха – 10...12 м3/с.
Запуск ГТУ производится автоматически по заданному алгоритму. В комплексе работ по обеспечению взрывобезопасности электромеханический привод ВНА компрессора заменен гидравлическим. В качестве рабочего тела для запуска используется гидрожидкость.
Впервые в истории отечественного машиностроения для запуска газотурбинной установки использован гидропривод. Запуск осуществляется гидромотором, который устанавливается на нижней коробке приводов двигателя.
Двигатель имеет модульную конструкцию. Модули газогенератора (ГГ) и силовой турбины (СТ) соединяются друг с другом по наружным фланцам на силовых корпусах.
Собранный двигатель на подмоторной раме монтируется на силовой раме энергоблока.
На корпусе компрессора, турбины газогенератора и СТ предусмотрены специальные смотровые лючки для визуально-оптического контроля газовоздушного тракта двигателя. Жаровые трубы камеры сгорания также доступны для осмотра.
Из проточной части за воздушным компрессором ГТД предусмотрены отборы подогретого сжатого воздуха в противообледенительную систему двигателя и в систему подогрева циклового воздуха ВОУ.
В системе регулирования подачи топлива к ГТУ последовательно установлены два отсечных быстродействующих газовых клапана типа GSOV25 фирмы Woodward. Стопорный клапан открывается при достижении условий зажигания и закрывается при всех видах останова. При исчезновении электропитания ГТУ и/или потере управляющего сигнала оба отсечных клапана прекращают подачу топливного газа.
САУ ГТУ (ОАО «Стар») обеспечивает контроль и управление двигателем на всех режимах работы.
В газотурбинном двигателе применен осевой 13-ступенчатый компрессор. В его составе – регулируемый входной направляющий аппарат (НА) и поворотные НА 1-й и 2-й ступеней, а также клапаны перепуска воздуха из-за промежуточных ступеней и последней ступени компрессора. Детали проточной части компрессора имеют эрозионно-стойкое покрытие.
Камера сгорания – трубчато-кольцевая, с двенадцатью жаровыми трубами и общим газосборником. Осевая двухступенчатая турбина газогенератора имеет усиленный корпус. При ее изготовлении использованы коррозионно-стойкие и жаропрочные материалы.
В двигателе предусмотрен корпус промывки с коллекторами и форсунками системы промывки газовоздушного тракта. Дополнительно он оснащен датчиками измерения параметров воздуха на входе в компрессор и датчиком противообледенительной системы.
Силовая турбина – осевая, двухступенчатая, имеющая с ротором газогенератора только газодинамическую связь. Охлаждение корпусов турбины осуществляется путем продувки внутренних каналов воздухом, отбираемым от промежуточной ступени компрессора.
Корпус свободной турбины стыкуется с выходным устройством с помощью двух поясов упругих пластин, которые перекрывают щели между кожухами опоры свободной турбины и выходным устройством ГТУ.
Двигатель сохраняет свои параметры до температуры входящего воздуха 15 °С, что актуально для летних температур Сибири.

Кожух силового блока

Кожух ГТУ представляет собой каркасно-панельную конструкцию, устанавливаемую на единую раму силового блока. В качестве шумотеплоизолирующего наполнителя панелей используются маты из стеклоткани с негорючим наполнителем.
Конструкция кожуха обеспечивает доступ обслуживающего персонала к двигателю и боковую выкатку двигателя наружу. Крыша двигательной части кожуха – съёмная.

Турбогенератор

В составе энергоблока применен синхронный двухполюсный турбогенератор ТС-12-2РУХЛ3 с бесщеточной диодной цифровой системой возбуждения, со встроенными трансформаторами тока и напряжения. В процессе реализации проекта генератор был несколько доработан: улучшена работа лабиринтных уплотнений, отрегулирована работа масляного клина в подшипниках скольжения. Система смазки – циркуляционная, под давлением.
Турбогенератор имеет воздушную систему охлаждения по разомкнутому циклу с возможностью рециркуляции. Режим рециркуляции обеспечивается электроприводными регулирующими клапанами. Вентиляторы охлаждающего воздуха установлены на валу ротора. В качестве охлаждающего тела подается атмосферный воздух, подготовленный в блоке воздухоочистки на базе циклонных элементов.

Редуктор

В составе энергоблока применен одноступенчатый редуктор на 6500...3000 об/мин. Он служит для снижения частоты вращения ротора силовой турбины до частоты вращения ротора турбогенератора.
Зубчатые колеса шевронного типа выполнены из легированной стали, рабочая поверхность зуба закалена и зацементирована. Корпус – сварной, маслонепроницаемый, с подшипниками скольжения. Система смазки зубчатых колёс и подшипников – принудительная, циркуляционная.
Контроль за вибрационным состоянием двигателя, редуктора и генератора осуществляет система виброконтроля на базе технических средств серии 3500 фирмы Bently Nevada. Датчики вибрации поставляются в составе ГТУ, редуктора и генератора. Один электронный блок системы контроля вибрации поставляется на два или три энергоблока и размещается в одном из шкафов САУ.

Системы маслообеспечения

В составе ЭГЭС-12С применены две гидравлически не связанные между собой системы маслообеспечения: газотурбинного двигателя и объединенная система редуктора и турбогенератора.
Обе маслосистемы – принудительные, циркуляционные, используют масло МС-8П и ТП-22 соответственно. Все элементы, за исключением АВОМ, расположены рядом с энергоблоком. При работе ГТД подача и откачка масла от опорно-уплотнительных узлов осуществляется маслонасосами, имеющими привод от коробки приводов двигателя.
Система маслообеспечения редуктора и генератора включает в себя блок маслоснабжения (ВМС); аппарат воздушного охлаждения масла, установленный на линии подачи масла к опорам редуктора и генератора и др. Рабочий объем ВМС – 3700 литров, он обеспечивает работу оборудования в течение 3200 часов без дозаправки.
Заправка маслобаков производится от станционной системы. Тонкость фильтрации составляет 10 мкм. Для визуального контроля уровня масла на маслобаке установлен указатель уровня с градуированной шкалой. Маслобак разделен на два отсека – для грязного и очищенного масла. Маслобак по требованию заказчика выполнен плоским, так как находится выше нулевой отметки, но ниже опор, а также двустенным для обеспечения требований пожаробезопасности.

Воздухоочистительное устройство (ВОУ)

Очистка воздуха в ВОУ имеет две ступени: в блочных мультициклонных фильтрах и тонкая очистка в тканевых фильтрах.
Воздухоочистительное устройство оснащено байпасными клапанами, которые открываются при предельном значении перепада давления в ступенях очистки. Необходимость в техобслуживании определяется по перепаду давления циклонной ступени очистки. ВОУ рассчитано на совместную работу с системой подогрева циклового воздуха, которая предотвращает обледенение элементов воздухоочистительного устройства.
Горячий воздух для системы подогрева подается от 13-й ступени компрессора ГТУ. Система включается и выключается автоматически, по сигналу САУ энергоблока или дистанционно – с пульта управления энергоблоком.
Внутри корпуса воздухоочистительного устройства со стороны всасывания размещен шумоглушитель. Для работы ВОУ не требуется затрат электроэнергии.

Система выхлопа

Выхлоп ГТУ – вертикальный, осевой. В состав системы входят: выхлопная труба высотой 20 метров, шумоглушитель выхлопа, компенсаторы тепловых деформаций, выхлопной газоход. Шумоглушение осуществляется с помощью кассет, установленных в шахматном порядке.
Газоход, соединяющий выхлопное устройство силового блока с шумоглушителем и выхлопной трубой, выполнен трехслойным (сталь-звукотеплоизоляционные маты-сталь). В качестве изоляционного материала используется базальтовое стекловолокно.
Для осмотра внутренних поверхностей выхлопного тракта и проведения монтажных и ремонтных работ системы выхлопа предусмотрен люк, а для периодических замеров содержания вредных выбросов в выхлопных газах – штуцеры для ввода зонда.

Система охлаждения и вентиляции ГТУ

Система поддерживает требуемый температурный режим под кожухом силового блока и осуществляет его вентиляцию.
Регулирование расхода воздуха на охлаждение и вентиляцию ГТУ обеспечивается частотным регулированием скорости вращения электродвигателей вентиляторов по командам САУ.
Применение звукотеплоизоляции снижает уровень шума и предотвращает образование конденсата на воздуховодах. Система работает по командам САУ энергоблока. Электротехническое оборудование в составе имеет взрывозащищенное исполнение.

Гидравлический запуск

Предназначен для запуска и/или проведения холодных прокруток газотурбинных установок. Холодная прокрутка и запуск газотурбинной установки осуществляется непосредственно гидравлическим мотором. Он размещается горизонтально на коробке приводов двигателя в отсеке ГТУ.
Управление системой производится автоматически по управляющим сигналам от системы автоматического управления ГТУ и/или АСУ ТП объекта.
При запуске ГТУ первоначально выполняется разгон турбины – холодная прокрутка; затем – продувка перед запуском. Давление в гидромоторе изменяется ступенчато. Когда двигатель набирает 2200...2600 об/мин, происходит розжиг топлива в камере сгорания. Максимальный расход жидкости составляет 648 л/мин при частоте вращения ротора 3000 об/мин. После этого давление гидрожидкости снижается. Максимальное время запуска двигателя – 120 с.
Управление подачей гидравлической жидкости на мотор осуществляется клапанами перепуска по управляющим сигналам от САУ ГТУ и/или АСУ ТП объекта.

Низковольтное комплектное устройство (НКУ)

НКУ обеспечивает коммутацию и защиту всего электрооборудования от перегрузок, коротких замыканий, минимального напряжения, а также блокировку включения неисправного электрооборудования после срабатывания одной из защит. Кроме того, НКУ обеспечивает местную сигнализацию состояния электрооборудования.

Система автоматического управления энергоблоком

САУ ЭГЭС-12С построена на базе современных средств цифровой микропроцессорной техники фирмы Siemens. Она представляет собой интегрированную систему, осуществляющую комплексное автоматическое управление и защиту основного и вспомогательного оборудования энергоблока.
Разработчик и изготовитель САУ-ЗАО «Искра-Энергетика».
В составе САУ энергоблока предусмотрен местный пульт управления. Он расположен на одном из шкафов и представляет собой сенсорный экран. Дистанционный контроль и управление работой энергоблока осуществляет оператор автоматизированного рабочего места в составе главного щита управления АСУ ТП ГТЭС.
САУ ГТУ является подсистемой САУ энергоблока и обеспечивает запуск газотурбинным двигателем, управление на всех режимах его работы и вынужденный останов. Блоки управления и защиты реализованы на базе технических средств фирм Siemens или Octagon Systems, разработчик и изготовитель агрегатов – ОАО «Стар».
АСУ ГТЭС-24 изготовлена компанией Metco Automation. Это САУ верхнего уровня, которая управляет системами энергоблока, дожимной компрессорной станцией, системами пожаротушения энергоцеха и др. Управление ГТЭС осуществляется с пультовой, находящейся над реакторным отделением.
ГТЭС-24 на КНС-11 – одна из пяти станций, ввод в эксплуатацию которых состоялся в 2004 году.
Это был самый масштабный из реализованных на сегодня энергетических проектов в нефтегазовом секторе России последнего десятилетия.
Опыт монтажных и пусконаладочных работ во время создания станции выявил достаточно много сложных технических вопросов, которые находятся на стыке ответственности поставщиков различного оборудования и систем. Это еще раз подтвердило правильность подхода при реализации проектов «под ключ», когда перед заказчиком за все отвечает только одна компания – начиная от строительства и заканчивая вопросами эксплуатации и ремонта оборудования.