Газотурбинные установки
СОДЕРЖАНИЕ: Перспективные направления развития энергетики (с технической, экономической и экологической точек зрения) - переоборудование действующих котельных в газотурбинные теплоэлектроцентрали (ГТУ-ТЭЦ). Установка газотурбинных двигателей на Казанской ТЭЦ.Содержание
1. Введение
2. Предыстория
3. Оборудование КГТУ
4. Типовая конструкция ГТУ (ГТД)
5. Схемы и чертежи
Введение
Энергетика больна. Налицо все симптомы ее износа и старения. Лампочка Ильича медленно, но верно снижает накал. Окажется Россия во мгле или нет, зависит от того, как скоро и адекватно отреагирует общество, и энергетики в том числе, на состояние энергетической промышленности, которая стоит перед альтернативой: либо медленно умереть и освободить отечественный рынок для зарубежного продавца электрической и тепловой энергии; либо повернуться лицом к современным технологиям производства, внедрить их, а затем на основе высокой конкурентоспособности обеспечить энергетическую независимость государства. Третьего не дано.
Одним из наиболее перспективных направлений развития энергетики (с технической, экономической и экологической точек зрения) является переоборудование действующих районных котельных в газотурбинные теплоэлектроцентрали (ГТУ-ТЭЦ). Такие ГТУ-ТЭЦ обеспечат:
- вдвое меньший расход топлива на производство электроэнергии;
- приблизят производство энергии к потребителю и снизят потери на транспорт энергии (в ПЭО Татэнерго они составляют 10,4%, а по России-12,2%);
- повысят гибкость энергосистемы при парировании колебаний в потреблении энергии;
- практически вдвое снизят выбросы вредных веществ в атмосферу по сравнению с существующими ТЭС и котельными.
Неоспоримые достоинства ГТУ-энергетики доказаны в трудах многочисленных отечественных и зарубежных авторов и отражены во всех документах перспективного энергопланирования и энергосбережения. Достоинства ГТУ-энергетики становятся более значимыми, если принять во внимание, что при существующей тенденции по выравниванию российских и мировых цен на энергоносители себестоимость тепловой и электрической энергии в России может в 1,5 раза превысить мировой уровень. А это будет означать крах для отечественной энергетики и промышленности.
Нас настойчиво подталкивают к ГТУ-энергетике форсированные темпы ее внедрения за рубежом и предкритическое состояние отечественной энергетики. ГТУ-технологии стали основой энергетики во всем развитом мире. Мировой выпуск (в переводе на суммарную электрическую мощность) энергетических ГТУ находится на уровне 30-35 млн. кВт в год. Энергетические ГТУ активно развиваются и внедряются сейчас в Японии, Англии, Германии, Италии, США и других странах.
Только в США в 1998 году для модернизации старых и строительства новых электростанций было заказано 200 крупных ГТУ (60 заказчиков) общей мощностью 66 млн. кВт электрической мощности, это соответствует 50% мощности энергетики России.
Правительством США уже несколько лет назад была поставлена задача начала эксплуатации с 2000 года крупных ПГУ-установок с КПД до 60%. Эта задача активно решается компаниями: «General Electric», «Westing-house» и др. Введены в строй ПГУ с КПД 58,5%.
Строятся ГТУ-ТЭЦ в Калифорнии и Флориде (США) мощностью по 150...200 МВт, в Уэльсе (Великобритания) электрической мощностью от 200 до 500 МВт.
В Иране эксплуатируется 174 энергетических ГТУ общей электрической мощностью 8167,8 МВт.
В Италии фирма GE производит микро ГТУ электрической мощностью от 45 до 200 кВт. Фирма PGT (Nuovo Pignona) выпускает ГТУ мощностью от 10 до 21 МВт.
Все производство фирмы Audi (в Германии) обеспечивают электрической и тепловой энергией два комплекса ГТУ-ТЭЦ марки “Taurus-60” суммарной электрической мощностью 10,4 МВт и тепловой - 16 МВт. Фирма Solar предлагает ГТУ под ключ в диапазоне от 1 до 13 МВт марок: Centaur, Mercury, Taurus, Mars, Titan (рис. 1.3).
Свыше 10 000 газовых турбин эксплуатируются сейчас в 86 странах мира.
В 1992 г. в США принята программа ATS (Advanced turbine systems -передовые турбинные системы) финансируемая правительством, так как создание ГТУ-энергетики по затратам сопоставимо лишь с военными авиационными проектами или созданием новой отрасли промышленности.
Цели программы:
- Разработать надежные и дешевые образцы газотурбинных установок для промышленной выработки электрической и тепловой энергии;
- Осуществить отбор наиболее перспективных разработчиков и производителей энергетических ГТУ;
- Обеспечить лидирующее положение США в сфере производства энергогенерирующей техники.
- Создать условия для прямого контроля энергопроизводящих отраслей промышленности большинства стран мира.
Перечисление только основных производителей энергетических ГТУ за рубежом (табл.1) дает представления о масштабах развития данной отрасли энергетики и внимании, уделяемом ей правительствами промышленно развитых стран.
Таблица 1.
Ведущие разработчики и производители ГТУ на мировом рынке
| Фирма-производитель энергетических ГТУ | Страна |
| Solar Turbines | USA (США) |
| Allison Engine Company | USA (США) |
| EGT | GB (Великобритания) |
| Nuovo Pignone | ITA (Италия) |
| Iskra – Energetica | RUS (Россия) |
| Kawasaki | JP (Япония) |
| Orend - Mashproekt | UKR (Украина) |
| Mitsubishi | JP (Япония) |
| General Electric | USA (США) |
| Rolls-Royce | GB (Великобритания) |
| ABB Power | SW (Швеция) |
| PrW (Pratt Whitney) | USA (США) |
| Westinghouse (Siemence Westinghouse) | USA (США) |
Почему же был выбран энергоблок с газотурбинной установкой? Газотурбинные установки успешно работают в промышленности, особенно когда требуется совместное производство тепла, механической энергии и электроэнергии. Газовые турбины позволяют соблюсти жесткие требования по охране окружающей среды. Эти установки способны работать на двух видах топлива - жидком и газообразном. При этом осуществляется постоянная работа на природном газе, а при необходимости, в аварийных ситуациях, производится автоматический переход на дизельное топливо. Потребность в техническом обслуживании у газовых турбин относительно мала. После определенного срока службы, примерно 30000-40000 часов работы, по контракту на полное техническое обслуживание производится смена горячих деталей турбины, включая камеру сгорания. Коэффициент работоспособности газовых турбин очень высок и при полном сервисном обслуживании составляет 95 и более процентов.
1. Предыстория
Строительство и пуск ТЭЦ-1 дали тогда мощный импульс развитию промышленности Казани и ее окрестностей. Первый промышленный ток дал турбогенератор мощностью 10 тысяч киловатт, а в июне 1933 года, когда станция была принята в эксплуатацию, на ней работали уже два турбоагрегата, каждый такой же мощности, и пять котлоагрегатов. В последующие годы станция неоднократно расширялась, модернизировалась и реконструировалась и до сих пор является одной из наиболее экономичных станций по удельному расходу топлива. В последние годы значение первой электроцентрали как производителя электрической энергии заметно снизилось. Казань опять испытывает дефицит энергомощности.
К настоящему времени установленная электрическая мощность энергосистемы Татарстана составляет 6986 МВт, тепловая мощность - 15233 Гкал/ч. Последний турбогенератор ТГВ-200 был введен в работу на Набережночелнинской ТЭЦ в 1988 году, что определяет явно выраженный процесс старения генерирующего оборудования.
В то же время подъем экономики Республики Татарстан, интенсивная реконструкция центра Казани вызывают рост потребления электрической и тепловой энергии. Увеличивается электродефицитность Казанского энергорайона. Ситуация усугубляется ростом тарифов на энергетическое топливо, на тепловую и электрическую энергию, вырабатываемую на старом неэффективном оборудовании, что стимулирует потребителей искать альтернативные источники энергии.
Уже на протяжении нескольких лет ОАО «Татэнерго» ведет целенаправленную работу по снижению затрат на производство тепловой и электрической энергии, с целью обеспечения финансовой устойчивости и прибыльности компании в условиях политики сдерживания тарифов, проводимой правительством Российской Федерации. В настоящее время, в структуре затрат энергосистемы основную долю имеет топливная составляющая. Принимая во внимания данный факт, а так же учитывая моральный и физический износ существующего оборудования электростанций и сетей, ОАО «Татэнерго» взяло курс на его коренную модернизацию. В рамках принятой руководством компании в 2003 году программы перспективного развития и технического перевооружения, на Казанской ТЭЦ-1 завершено строительство первого в Татарстане комплекса ГТУ-ТЭЦ мощностью 50 МВт на базе современных газотурбинных технологий.
Начало данному проекту было положено в феврале 2004 года. Тогда в ОАО «Татэнерго» был проведен тендер на поставку газотурбинных установок для КТЭЦ-1. В нем приняло участие 13 известных российских и зарубежных фирм. Среди них такие известные производители газотурбинной техники, как ГПНПКГ «Зоря-Машпроект», ЗАО «Энергоавиа», «Авиадвигатель» (г. Пермь) и другие.
Победителем тендера было признано ОАО «Моторостроитель» (г. Самара) предложившее наиболее оптимальное решение на базе конвертированного авиационного двигателя типа НК-37. В реализации этого проекта осуществляемого в непростых условиях действующего предприятия также участвуют и другие российские предприятия:
- ОАО «СНТК им. Н.Д. Кузнецова (г. Самара)
- ОАО «Казанькомпрессормаш
- ОАО «Привод» (г. Лысьва)
- Генеральным проектировщиком является РУП «БелНИПИЭнергопром» (г. Минск).
В 2006 году за счет средств «Нижнекамскнефтехима» предполагается пуск ГТУ-75 МВт на Нижнекамской ТЭЦ. На днях состоялась торжественная выемка первого ковша с котлована будущего комплекса ГТУ-75 на территории станции.
В разворачиваемой на перспективу программе Республики Татарстан по оснащению ГТУ и ГПА котельных городов, а также надстройке ими объектов Татэнерго суммарная мощность вновь вводимых мощностей в Татарстане составит порядка 800 и более МВт. В том числе, в Казани ввод генерирующих мощностей на базе ГТУ составит порядка 200 МВт (из них 100 МВт - за счет средств ОАО «Татэнерго»), что позволит снизить дефицит энергомощности в городе с сегодняшних 450 МВт до 250 МВт. Реализация этих проектов позволит снизить примерно на 11 грамм удельный расход условного топлива на выработку 1 кВт-ч электроэнергии по всей энергосистеме республики (по итогам 2004 года расход составлял 332 г/кВт-ч).
По своей эффективности и экологичности ГТУ должны послужить образцом для строительства новых и модернизации устаревших электростанций республики. Реализация проекта «Казань-50» позволит энергетикам Татарстана поставить на рынок для потребителей центра Казани дешевую энергию, повысить надежность энергоснабжения исторического центра города, снимет с повестки дня возможность конкуренции собственных альтернативных источников предприятий. Введение в эксплуатацию такого важного объекта в год 1000-летия столицы Республики Татарстан явится также важным социальным фактором. Внедрение новых технологий начинается там же, где начиналась большая энергетика Татарстана. ТЭЦ-1, как и 72 года назад, выступает в авангарде прорыва энергодефецитности Казанского энергоузла.
2. Оборудование КГТУ
Упрощенная структурная схема газотурбинного энергоблока Казанской ТЭЦ-1 представлена на рис. 1.
Проект ГТУ-ТЭЦ Казанской ТЭЦ-1 предусматривает установку двух газотурбинных двигателей НК-37 авиационного типа мощностью по 25МВт каждый, с утилизацией тепла уходящих газов в котлах-утилизаторах. Двигатель НК-37 разработан базе серийного двигателя НК 321 для стратегического бомбардировщика ТУ-160. Выбор конкурсной комиссии остановился на этом двигателе благодаря сочетанию в нем высоких термодинамических и газодинамических параметров с большим ресурсом, изначально заложенным в него конструкцию. Двигатели и генераторы будут смонтированы в контейнерах. Использование подобных двигателей на электростанциях обусловлено целым рядом достоинств:
- Высокий уровень термодинамических и газодинамических параметров, базирующийся на теории и практике создания авиадвигателей;
- Высокий технический уровень конструирования, обеспечивающий создание ГТД большой мощности высокой надежности и долговечности при малой массе и габаритах узлов;
- Возможность использования в качестве газогенераторов ГТУ авиационных двигателей, прошедших доводку в стендовых условиях и на крыле.
- Простота эксплуатации, возможность управления и обслуживания минимальным количеством персонала.
- Короткое время запуска, останова, выхода на номинальную нагрузку.
ГТУ-ТЭЦ «Казань-50» также предусматривает два газодожимных компрессора «ТАКАТ» производства ОАО «Казанькомпрессормаш», располагающихся в отдельно стоящем модуле. Газотурбинные двигатели с генераторами будут смонтированы в контейнерах с высокой степенью заводской готовности на площадке перед котельным отделением первой очереди Казанской ТЭЦ-1, в котором будут установлены два котла-утилизатора ТКУ-13 Таганрогского котельного завода «Красный котельщик». Пар 30ата и горячая вода будут подключены к существующим схемам отпуска пара и горячего водоснабжения. Проект предусматривает возможность использования в тепловой схеме существующей паровой турбины 30ата, что позволит еще более экономично использовать генерирующее оборудование в различных режимах с увеличением электрической мощности еще на 10...15 МВт. На ГТУ-ТЭЦ будет использоваться система водоподготовки Казанской ТЭЦ-1. Минимальных затрат потребует и реализация схемы выдачи электрической мощности блоков ГТУ. Так, например, расчеты показали допустимость подключения новых генераторов производства Лысьвинского завода мощностью 25МВт к существующему генераторному распределительному устройству (ГРУ) напряжением 6 кВ, имеющему связь с закрытым распределительным устройством (ЗРУ) 110 кВ. Подключение генераторов будет осуществлено кабельными линиями.
Возможность работы в автоматическом режиме позволяют использовать энергетические установки с двигателем НК-37 как в обычном режиме, так и при пиковых режимах выработки электроэнергии, а модульная конструкция газотурбинных электростанций облегчает их транспортировку и монтажные работы.
Экономический эффект от оснащения Казанской ТЭЦ-1 современными более экономичными и экологически безопасными установками будет измеряться сотнями тонн сэкономленного топлива, расход которого на производство электроэнергии снизится более, чем в полтора раза. Так, за счет экономии, которую предполагается достичь после внедрения ГТУ в структуру станции, можно выработать столько энергии, сколько необходимо для круглогодичного снабжения трехсот 180-квартирных домов. Недоиспользованная тепловая энергия после газовой турбины утилизируется в котле и отпускается потребителям в виде пара и горячей воды. Преимущества новой технологии показывают целесообразность работы ГТУ-ТЭЦ «Казань-50» в базовом режиме с разгрузкой в летний период существующих паровых турбин Казанской ТЭЦ-1 с их потерями в конденсаторе. При этом расчетный удельный расход топлива на выработку электроэнергии и тепла составляет соответственно 220...240 г/кВт-ч и 145 кг/Гкал. Результатом оснащения станции ГТУ станет экономия около 60 тыс. т условного топлива в год.
3. Типовая конструкция ГТУ (ГТД)
С типовой конструкцией ГТУ можно ознакомиться на примере газотурбинного двигателя НК-16СТ.
Двигатели НК-16-18СТ работают и находятся в серийном производстве с 1996г.
НК-16СТ является прототипом разрабатываемого двигателя НК-18СТЭ (ГТУ-18СТЭ) для ГТЭ-18.
Конструктивно этот двигатель является одноконтурным, двухвальным со свободной турбиной, которая обеспечивает работу электрогенератора. В качестве основного топлива для НК-16 используется природный газ.
К основным элементам конструкции относятся:
- воздухозаборное устройство. Оно предназначено для всасывания атмосферного воздуха, его очистки и предварительного сжатия перед входом в компрессор;
- входной направляющий аппарат (1) - это кольцо с 12-ю радиальными лопатками, к которым крепится передняя опора (14) ротора четырехступенчатого компрессора низкого давления (КНД) (2);
- средняя опора (15), имеющая воздушный канал для охлаждения. В ней совмещены: задняя опора ротора КНД, передняя опора компрессора высокого давления (КВД), корпус центрального привода агрегатов.
Воздушный поток, сжатый в КНД, поступает на шестиступенчатый КВД (5). Устойчивость и оптимальный режим работы КВД поддерживается регулируемым направляющим аппаратом (НА) (4). Сжатый до расчетного давления воздух поступает в камеру сгорания (КС) (6) кольцевого типа. В ее состав входят 32 газовые форсунки с завихрителями и 2 воспламенителя факельного типа.
Из КС газовоздушная смесь, приобретя максимальную энергию в результате сжигания топлива, устремляется на двухступенчатую турбину турбокомпрессора.
1-ая ступень - турбина высокого давления (7) (ТВД), она является силовым приводом КВД.
2-ая ступень - турбина низкого давления (8) (ТНД), она вращает КНД;
- задняя опора (16) заключает в себе опору турбины низкого давления и опору турбины высокого давления. Проставка (9) входит в состав заднего силового пояса крепления двигателя.
По каналу из переходных оболочек (10) газовоздушная смесь, отдав часть энергии, запасенной в КС, компрессору посредством ТВД и ТНД, устремляется к свободной, силовой турбине (11). На ней срабатывается от 40% до 50% оставшегося запаса энергии газовоздушного потока.
Преобразуя потенциальную и кинетическую энергию потока в механическую работу, СТ обеспечивает работу электрогенератора, передавая ему вращение через фланец (13) и муфту.
Вал СТ опирается на переднюю, охлаждаемую опору (17) и заднюю опору (18). Газовоздушный поток, выйдя из СТ, попадает в газосборное устройство (улитку), где он разворачивается и направляется в систему утилизации тепла.
Кроме перечисленных основных элементов конструкции, работу газотурбинного двигателя обеспечивают системы:
- топливопитания и регулирования;
- автоматического контроля и управления;
- маслосистема;
- система запуска;
- система пожаротушения.
4. Схемы и чертежи
