Луиджи Минервини, Паоло Песке, Роберто Гатти, Луиджи Ди Паскуале – Ansaldo Energia spa

Развитие энергетического рынка требует максимальной оптимизации эксплуатационных параметров новых газотурбинных электростанций, а также модернизации существующих энергоблоков. ГТУ средней мощности рассматриваются как наиболее перспективные с точки зрения конкурентоспособности на рынке распределенного производства электроэнергии. Исходя из сложившихся тенденций, итальянская компания Ansaldo Energia разработала новую модификацию газовой турбины AE64.3A с улучшенными эксплуатационными и экологическими параметрами – AE64.3A+.

Конструктивные особенности газовой турбины AE64.3A+

AE64.3A+ – одновальная газотурбинная установка, оснащена кольцевой камерой сгорания, приводной вал выведен на вход ГТУ. Турбина разработана для производства электроэнергии частотой 50 Гц и хорошо подходит для эксплуатации в базовом режиме в составе электростанций простого, когенерационного и комбинированного цикла.
Газовая турбина AE64.3A+ имеет 15-ступенчатый осевой компрессор и 4-ступенчатую осевую турбину на едином роторе. Ротор состоит из передней секции, 15 рабочих дисков компрессора, полой центральной секции ротора, 4 лопаточных дисков турбины и задней секции. Все диски вала крепятся единым центральным стяжным болтом с зажимной гайкой со стороны турбины. Каждый диск ротора имеет плоскозубчатое торцевое зацепление с обеих сторон, обеспечивающее радиальную установку дисков и радиальное перемещение торцов дисков относительно друг друга.
Такая конструкция существенно увеличивает срок службы узлов ротора при переменных режимах работы ГТУ, обеспечивает ускоренный запуск, выход на номинальную мощность и сброс нагрузки.
Конструктивно ротор является независимым (самоподдерживающим) цилиндром со сравнительно небольшой массой и высокой устойчивостью, что позволило применить только две опоры вала. Необходимость установки промежуточных подшипников между компрессором и турбиной отсутствует. Подшипник компрессора является комбинированным, радиально-упорным и воспринимает осевое усилие ротора.
Оба опорных подшипника находятся вне зон сжатия рабочего тела в двигателе, что обеспечивает стабильное осевое регулирование и свободное вращение ротора.
Все сопловые аппараты и рабочие лопатки турбины – охлаждаемые, за исключением лопаток последней ступени. Охлаждающий воздух подается из компрессора с различным давлением и температурой. Это обеспечивает необходимый уровень охлаждения лопаток и оптимальные термические характеристики двигателя. Из турбинных лопаток охлаждающий воздух возвращается в поток рабочих газов.
Статор газовой турбины разделен на два корпуса. Первый корпус – неразъемный, в нем установлен ротор компрессора по 9-ю ступень. Второй корпус имеет горизонтальный разъем, в нем находится остальная часть ротора – 6 ступеней компрессора и турбина, а также камера сгорания.
Конструкция статора состоит из двух обечаек, при этом механические и тепловые нагрузки на них разделены. Все механические нагрузки, возникающие из-за высокого внутреннего давления, воспринимаются внешней обечайкой (испытывающей низкие тепловые нагрузки). Тепловые нагрузки передаются на внутреннюю обечайку.
Привод электрогенератора – редукторный, выполнен в сторону компрессора в холодную часть двигателя. Такая компоновка привода обеспечивает подсоединение диффузора выхлопных газов с оптимальной геометрией потока и подачу выхлопных газов турбины в котел-утилизатор без изменения направления потока, с минимальными потерями.
Газотурбинный двигатель AE64.3A+ оснащен кольцевой камерой сгорания и 24 низкоэмиссионными горелками, которые могут работать на жидком и газообразном топливе. Зона горения находится на входе в первую ступень турбины. Камера сгорания расположена внутри центральной секции внешней обечайки.
Корпус камеры сгорания состоит из литых компонентов, выполненных из жаропрочного сплава. Детали и узлы КС находятся в зоне прямого воздействия горячего воздуха, подаваемого из компрессора, поэтому поверхность КС защищена термобарьерным покрытием с использованием керамических материалов.
Горелки КС разработаны на основе гибридного принципа (распыление/предварительное смешивание), что позволяет достигнуть низких уровней эмиссии NOx и CO, стабильного горения при работе на жидком или газообразном топливе.
Оптимальная аэродинамика горелочного устройства обеспечивается двумя концентрическими вращающимися завихрителями (осевой и диагональный). Устройство оснащено центральной диффузионной горелкой, позволяющей работать на жидком и газообразном топливе. Горелка содержит также запальник предварительного зажигания обедненной топливной смеси. Каналы подачи предварительно подготовленной топливной смеси подведены в лопатки завихрителей. Это снижает опасность несанкционированного воспламенения топливной смеси и обеспечивает оптимальное смешение топлива и воздуха, поступающего в диагональный завихритель.
Для работы на жидком топливе используются специальные форсунки, которые расположены за диагональным завихрителем. Струя жидкого топлива распыляется потоком подаваемого воздуха, капли испаряются и смешиваются с воздухом.
Камера сгорания, оснащенная гибридными горелочными устройствами, обеспечивает оптимальный процесс горения и обладает следующими преимуществами:
•    низкие уровни эмиссии NOx и CO;
•    незначительное падение давления в камере сгорания;
•    полностью симметричная конструкция;
•    оптимальные размеры и количество горелок;
•    компактная конструкция и удобство технического обслуживания и ремонта;
•    гибкость в эксплуатации.

Разработка конструкции AE64.3A+

Для обеспечения высоких эксплуатационных параметров газовой турбины AE64.3A+ была значительно доработана конструкция AE64.3A. Модернизированы следующие узлы ГТУ:
•    доработаны входные и выходные ступени компрессора – в результате был значительно увеличен расход воздуха и запас по помпажу;
•    оптимизирована проточная часть компрессора для обеспечения оптимальной динамики потока рабочего тела;
•    доработана конструкция последней ступени турбины под повышенный расход рабочего тела и для увеличения КПД ступени;
•    оптимизирована конструкция корпуса и несущих опор подшипников турбины;
•    усовершенствована конструкция камеры сгорания – КС оснащена последней модификацией горелок HR3;
•    доработана система воздушного охлаждения в связи с изменением конструкции компрессора, а также с целью подачи дополнительного количества охлаждающего воздуха внутрь ротора;
•    в связи с изменением конструкции основных узлов газовой турбины (ротор, внешний кожух, суппорты и т.д.) доработаны ответные узлы и детали ГТУ.

Электростанция комбинированного цикла Vlore

В состав станции Vlore (Албания) входит двухтопливная газовая турбина AE64.3A+, горизонтальный котел-утилизатор с тремя уровнями давления без перегревателя, паровая турбина (производства компании Ansaldo) мощностью 30 МВт, оснащенная конденсатором с водяным охлаждением.
Электростанция расположена на побережье Адриатического моря, вблизи нефтяного терминала. Газотурбинная установка была доставлена на площадку в июле 2008 года и введена в коммерческую эксплуатацию в начале 2010-го. При этом было учтено пожелание заказчика – обеспечить возможность длительной работы газовой турбины в базовом режиме на жидком топливе.
С целью расширения базы данных по оборудованию, находящемуся в эксплуатации, специалисты компании Ansaldo Energia оснастили ГТУ на электростанции Vlore дополнительной контрольно-измерительной аппаратурой. Система мониторинга эксплуатационных параметров в режиме он-лайн используется для более глубокого изучения особенностей работы газовой турбины на жидком топливе. Мониторинг проводится в рамках программы научно-технических исследований департамента инжиниринга (GT Engineering Department) компании Ansaldo Energia.
В частности, на корпусе ГТУ были установлены дополнительные средства контроля и измерения параметров в ступенях компрессора, горячей проточной части, камере сгорания, каналах охлаждения, на силовом валу и подшипниках. В результате был получен большой объем данных по эксплуатационным параметрам как узлов, так и турбины в целом при работе с различными значениями температуры, давления и вибрации.
Система мониторинга включала в себя значительное количество сенсоров и датчиков, блок снятия эксплуатационных параметров, блок мониторинга технического состояния компонентов турбины и блок преобразования полученных данных – их распознавание, архивирование и анализ.
Был разработан ряд методов обработки сигналов – метод взаимной корреляции, повторная выборка данных, метод краткосрочного преобразования Фурье, статистического контроля процесса.

Эксплуатация газовой турбины AE64.3A+

Во время запуска ГТУ жидкое топливо воспламеняется с помощью запальной дозы с использованием пропана, подающегося из запальной системы. Запуск осуществляется в режиме диффузионного горения, после чего установка готова для синхронизации. Наброс нагрузки для синхронизации составляет 5 МВт.
Переход с диффузионного горения на режим работы с использованием предварительно подготовленной топливной смеси возможен только при достижении определенного уровня нагрузки. Он определяется, в частности, значением температуры газов на выходе турбины, а также положением лопаток направляющего аппарата. В процессе перехода на режим работы на топливной смеси уровень нагрузки остается стабильным. При работе в диффузионном режиме на жидком топливе с впрыском воды или при переходе на другой режим система впрыска воды должна быть отключена.
Чтобы предотвратить утечки жидкого топлива, система подготовки водотопливной смеси должна обеспечивать подачу достаточного количества воды, а система продувки низкого давления – необходимое давление в форсунках предварительного смешивания. Как правило, при сбросе нагрузки, независимо от режима работы, система впрыска воды должна отключаться. Система подготовки топливной смеси также отключается, и турбина продолжает работать в режиме диффузионного горения на жидком топливе.
Таким образом, компания Ansaldo Energia на основе собственного опыта и с учетом специфических запросов заказчиков модифицировала газовую турбину AE64.3A. В результате были улучшены эксплуатационные и экологические параметры оборудования, а новая модификация AE64.3A+ в настоящее время является наиболее эффективной в среднем классе мощности. Все заявленные параметры были подтверждены во время эксплуатации ГТУ на электростанции Vlore.

Публикуется по материалам доклада Ansaldo Energia spa на конференции PowerGen Europe 2010, г. Кельн (по соглашению с PennWell Corporation).