Газотурбинная установка AHAT: эффективность и гибкость в эксплуатации

Джиниширо Гото, Хайдефуми Араки, Казухико Сато, Шинья Марушима – компания Hitachi Ltd.

Компанией Hitachi Ltd. разрабатывается газотурбинная установка AHAT с высоким КПД и оптимальными эксплуатационными характеристиками. Это новый тип ГТУ с использованием регенеративного цикла с улучшенными параметрами. Высокий КПД установки достигнут без увеличения степени повышения давления и температуры горения. Работая в простом цикле без котла-утилизатора и паровой турбины, AHAT обеспечивает более гибкую эксплуатацию на различных режимах.

Газотурбинные установки с конца 1970-х гг. активно используются в качестве аварийных источников энергии благодаря коротким срокам их монтажа и ввода в эксплуатацию, а также возможности быстрой смены режимов эксплуатации.
Электростанции комбинированного цикла, в состав которых входят газотурбинные и паротурбинные энергоблоки, традиционно применяются для работы в базовом режиме. При этом они не обеспечивают быстрого перехода из одного режима эксплуатации в другой. Кроме того, высокие рабочие температуры и применение в связи с этим дорогостоящих жаростойких материалов приводят к высоким эксплуатационным расходам и затратам на техническое обслуживание. Еще одним необходимым условием надежной работы электростанции комбинированного цикла является расположение вблизи водоема.
С учетом данных факторов компания Hitachi разработала установку AHAT (Аdvanced Нumid Аir Тurbine) – передовая турбина с использованием влажного воздуха.
Пилотная установка AHAT подтвердила все заявленные параметры в процессе испытаний. Разработки передовой газотурбинной установки проводились в рамках программы японского правительства – Cool Earth (прохладная Земля), направленной на разработку мер по предотвращению глобального потепления. Создание АНАТ расценивается в Японии как национальный проект, его финансирование через Агентство по природным ресурсам и энергетике осуществляет правительство Японии.

Газотурбинная установка AHAT
Для выработки электроэнергии в ГТУ, входящей в состав электростанции комбинированного цикла, используется газ с высокой температурой и давлением. Тепловая энергия выхлопных газов идет на производство пара в котлах-утилизаторах, который затем направляется в паровую турбину для выработки дополнительного количества электроэнергии.
AHAT является новым типом энергоблока – с высоким КПД без использования паровой турбины. Высокая эффективность достигается за счет применения рекуператора для утилизации сбросного тепла выхлопных газов и впрыска влаги в газовую турбину в объеме, сопоставимом с объемом пара, используемого в паровой турбине.
В связи с отсутствием в составе ГТУ паровой турбины, по мнению разработчиков, она будет более гибкой в эксплуатации. AHAT обеспечивает быстрый запуск и следование за нагрузкой, как и традиционная газовая турбина. Таким образом, она может работать при низких нагрузках с минимальным падением мощности при высоких температурах окружающего воздуха. Применение технологии горения с впрыском влажного воздуха обеспечивает низкие уровни эмиссии NOx. Для охлаждения отработанного пара в составе установки используются градирни.
Экономические преимущества AHAT обусловлены тем, что в ее состав входит меньшее количество компонентов. Она имеет более простую конструкцию по сравнению с электростанциями комбинированного цикла. При изготовлении ГТУ отпадает необходимость использовать высококачественные и жаростойкие материалы, поскольку рабочие температуры в турбине сравнительно невысокие. При этом учитывается, что трубная обвязка, качество подготовки воды и объем обслуживания ГТУ сопоставимы с электростанцией комбинированного цикла.
Состав оборудования установки AHAT сокращается по сравнению с электростанциями комбинированного цикла в связи с отсутствием паровой турбины и котла-утилизатора. Преимуществами ГТУ являются оптимальные эксплуатационные характеристики, меньшие габариты и более короткие сроки установки и ввода в эксплуатацию.

Конструкция установки
Система охлаждения с использованием распыленной воды расположена на входе компрессора газовой турбины. Повышение качества всасываемого воздуха, благодаря его охлаждению на входе и трансформации капель воды в пар в компрессоре, обеспечивает снижение необходимой мощности для компрессора и исключает падение мощности энергоустановки в летний период.
Сжатый воздух после компрессора увлажняется путем впрыска горячей воды в блоке увлажнения и проходит через рекуператор, где он сначала нагревается с использованием тепла выхлопных газов и затем направляется в камеру сгорания. Использование увлажненного воздуха в процессе горения значительно снижает уровень эмиссии NOx.
Для увлажнения воздуха используется деминерализованная вода, но вместе с тем применяется и система регенерации, которая обеспечивает повторное использование большей части цикловой воды. Восстановленная вода используется в блоке увлажнения воздуха, а часть ее охлаждается и перенаправляется в систему регенерации.
АНАТ имеет увеличенную мощность за счет увлажнения подаваемого воздуха и более высокий термический КПД благодаря использованию регенеративного цикла и рекуператора. Главной целью при разработке новой установки было достижение наивысшего КПД среди существующих энергоблоков в среднем классе мощности. На рис. 2 представлены показатели мощности и КПД различных типов электростанций.

Развитие технологии
Компания Hitachi разработала пилотную установку AHAT мощностью 3 МВт и провела ее полномасштабные испытания с целью оценки заявленных параметров и их зависимости от температуры окружающего воздуха. График зависимости эксплуатационных параметров ГТУ от температуры окружающего воздуха представлен на рис. 3. Результаты испытаний показывают, что изменение мощности и КПД установки происходит в соответствии с расчетными показателями.
На рис. 4 показаны результаты испытаний по изменению частоты вращения турбины и мощности на клеммах генератора в процессе холодного пуска. Номинальная мощность была достигнута через 60 минут после пуска, в то время как для выхода на номинальную мощность традиционной установки комбинированного цикла из состояния холодного резерва необходимо 180 минут. При этом время выхода AHAT на номинальную мощность из холодного резерва эквивалентно времени выхода электростанции комбинированного цикла из горячего резерва.
На рис. 5 представлена конструкция пилотной газотурбинной установки AHAT мощностью 40 МВт. На ней проводятся испытания по взаимодействию осевого компрессора, рекуператора, трубчатой камеры сгорания, охлаждаемых лопаток (все компоненты разработаны для использования влажного воздуха) в условиях высокого давления и влажности. Опытнопромышленная эксплуатация ГТУ началась в конце 2011 года.

Дальнейшие разработки
Технология охлаждения рабочих лопаток с помощью влажного воздуха, а также технологии горения с влажным воздухом, разработанные в процессе создания AHAT, в настоящее время используются и для других ГТУ компании Hitachi. Данные технологии позволяют снизить необходимое количество охлаждающего воздуха и в результате повысить КПД установки и значительно сократить уровни эмиссий CO2 и NOx.
Электростанции в малом и среднем классах мощности с высоким КПД могут успешно применяться в труднодоступных регионах, где строительство энергосетей является неэффективным (и где при этом, как правило, отмечается быстрый рост энергопотребления). Они могут также успешно использоваться при строительстве когенерационных электростанций.
В условиях быстрого роста цен на энергоносители возможность электростанций работать на различных видах топлива становится все более важным требованием заказчиков.
Обеспечение данного требования значительно укрепит конкурентные позиции компании на рынке энергетического оборудования. В настоящее время во всем мире растет потребление жидкого биотоплива, при использовании которого уровни эмиссии СО2 близки к нулю. При разработке установки AHAT учитывалась возможность ее работы на биотопливе.
Япония намерена сократить выбросы парниковых газов к 2020 году на 25 % по сравнению с уровнем 1990-х гг. В связи с этим принято решение к этому времени ввести в эксплуатацию солнечные электростанции общей мощностью 28 ГВт (в 20 раз больше, чем в 2005 г.). По результатам исследования, проведенного рабочей группой по низкоэмиссионным энергетическим системам, при использовании такого количества солнечных энергоблоков в энергосистеме необходимо резервирование на базе традиционных электростанций. В отчете рабочей группы были определены основные требования к резервным электростанциям, применяемым в энергосистеме:
•    быстрый запуск и выход на номинальную мощность;
•    оптимальное следование за нагрузкой (кВт/мин) в зависимости от ситуации в сети;
•    минимальный уровень нагрузки;
•    возможность работы в автономном режиме, оперативное автоматическое регулирование частоты и мощности;
•    минимальное снижение КПД при работе на малых нагрузках;
•    возможность работы на различных видах топлива.

Заключение
При создании газотурбинной установки AHAT использовались передовые технологии охлаждения и оптимизирован регенеративный цикл. Целью конструкторских разработок является достижение высокого КПД, передовых эксплуатационных параметров и оптимальных экономических показателей без повышения давления и рабочих температур.
В настоящее время проводится опытно-промышленная эксплуатация пилотной установки AHAT мощностью 40 МВт для оптимизации процессов и рабочих характеристик, а также подготовка нового оборудования для вывода на рынок. Дальнейшая задача компании Hitachi – создание энергоустановок данного типа в классе мощности 100…200 МВт и продвижение их на рынке.
Исследовательские и конструкторские разработки проводились в рамках программы Министерства экономики, торговли и промышленности Японии в сотрудничестве с Центральным исследовательским институтом энергетической промышленности (Central Research Institute of Electric Power Industry) и компанией Sumitomo Precision Products Co. Ltd. Передовые технологии, разработанные специалистами компании Hitachi в рамках данного проекта, были удостоены семи различных премий Американского общества инженеровмехаников (ASME). Турбины и Дизели

Статья подготовлена по материалам доклада, представленного на конференции ASME Turbo Expo-2011.