А. С. Вавилочев – ООО «Сименс»

Компания «Сименс» является одним из мировых лидеров в области паротурбиностроения и имеет огромный опыт проектирования и изготовления паровых турбин, большое количество которых в настоящее время эксплуатируется по всему миру. Паровые турбины Сименс отличаются современной конструкцией; высокой экономичностью и степенью надежности оборудования; высокой степенью автоматизации, заводской готовности; гибкостью компоновочных решений с целью максимального удовлетворения потребностей заказчика.
На энергетическом рынке компания «Сименс» представлена двумя классами промышленных паровых турбин: одноступенчатыми турбинами и их комбинациями (диапазон мощности от 45 кВт до 10 МВт) и многоступенчатыми (от 5 МВт до 200 МВт).
В классе одноступенчатых турбин компания предлагает модульные паровые турбины производства Siemens Turbomachinery Equipment (г. Франкенталь, Германия). Это новое название предприятия, имеющего более чем столетнюю историю, – ранее оно называлось Aktiengesellschaft Kuhnle, Kopp & Kausch (KK&K).
Компания KK&K была образована в 1899 г. путем слияния трех предприятий, по фамилиям владельцев которых она и получила название. К изготовлению паровых турбин компания приступила в 1916 г., и по настоящий момент предприятие специализируется на выпуске одноступенчатых турбин. За эти годы было изготовлено около 18000 турбоустановок различной мощности. В ноябре 2006 г. предприятие вошло в состав концерна «Сименс», получив в 2007 г. название Siemens Turbomachinery Equipment GmbH. Сегодня оно является одним из подразделений департамента «Нефть и газ» сектора «Энергетика».
Паровые турбоустановки производства Siemens Turbomachinery Equipment (далее STE) имеют модульную компоновку и предназначены как для механического привода различных агрегатов (компрессоров, насосов и т.д.), так и для привода электрических генераторов, т.е. для выработки электроэнергии.
Паровые турбины STE сочетают в себе преимущества применения элементов как индивидуального исполнения (рабочие колеса, колеса редуктора), так и различных стандартных элементов (корпуса турбин и редукторов, подшипники, рамы, вспомогательное оборудование). Диапазон основных параметров паровых турбин STE представлен в табл. 1.
Одноступенчатые паровые турбины производства STE – это турбины активного типа. Поступающий пар расширяется в соплах, при этом тепловая (потенциальная) энергия пара преобразуется в кинетическую энергию. Затем кинетическая энергия преобразуется в механическую – путем прохождения пара через профилированные лопаточные каналы рабочего колеса и вращая его. От рабочего колеса турбины механическая энергия передается приводимой установке или генератору через редуктор и муфту.
В данных турбинах используется консольная конструкция ротора, т.е. рабочее колесо турбины консольно располагается по отношению к корпусу подшипника (рис. 1). При этом вал ротора турбины одновременно является и шестерней редуктора, т.е. применяется встроенный редуктор. Одной их характерных особенностей турбин STE является то, что диски рабочих колес вместе с лопатками изготавливаются из цельнокованых заготовок (фото 1). В зависимости от серии могут применяться как осевые, так и радиальные (центростремительные) турбины.
Компания STE использует серийный подход к проектированию одноступенчатых паровых турбин. Разработано несколько серий турбин для различного применения. Каждая серия имеет свои конструктивные особенности, различный диапазон мощностей, входные и выходные параметры пара.
Паровые турбины одной серии отличаются друг от друга компонентами индивидуального исполнения: рабочие колеса турбин, зубчатые колеса редукторов разрабатываются и изготавливаются в соответствии с требованиями конкретного проекта и под конкретные параметры. Однако даже в этом случае они имеют некоторые общие конструктивные характеристики, например одинаковые наружные диаметры рабочих колес или диаметры шеек валов, что позволяет использовать в пределах серии различные стандартные элементы – корпуса, подшипники, уплотнения и др. Благодаря этому турбины производства STE имеют высокую степень унификации, при этом сохраняются преимущества индивидуального исполнения.
Использование в конструкции большого количества стандартных, проверенных в длительной эксплуатации компонентов приводит к снижению объемов и сроков инжиниринговых работ и, соответственно, сроков поставки как паротурбинных установок в целом, так и запасных частей к ним. Английское название данного класса паровых турбин Сименс – Predesigned Steam Turbines (заранее спроектированные паровые турбины) отражает эту особенность. Данное обстоятельство благоприятно сказывается на надежности турбоустановок, на их невысокой стоимости и низких затратах на техническое обслуживание. В табл. 2 приведены обозначения серий одноступенчатых паровых турбин STE и их основные характеристики.

Серии паровых турбин
Серия SST-050
В данную серию входят паровые турбины типа BF и AF, которые предназначены для механического привода различных агрегатов – насосов, компрессоров, вентиляторов и др.
Турбины типа BF и AF – осевые, одноступенчатые, противодавленческие, имеют простую, но надежную конструкцию. Паровые турбины серии BF предназначены для прямого, безредукторного привода, а турбины серии AF (фото 2) имеют встроенный редуктор. В турбинах серии BF 3,5 возможна вертикальная компоновка оборудования, для всех остальных серий – только горизонтальная.
Турбины данных серий разработаны как для условий работы с частыми пусками/остановами, так и для длительной непрерывной эксплуатации оборудования.

Серия SST-060
В данную серию включены паровые турбины типа CFA, AFA, AFR, CFR (фото 3), предназначенные как для механического привода различных агрегатов, так и для привода генератора. Они бывают безредукторные и со встроенным редуктором.
Турбины типа CFA и AFA – осевые, одноступенчатые (рис. 2), могут быть и противодавленческими, и конденсационными. Основное отличие турбин этого типа заключается в том, что в конструкции CFA используется двухвенечное рабочее колесо типа «Кертиса», а в конструкции AFA – одновенечное рабочее колесо.
Одноступенчатые турбины типа AFA идеально подходят для расширения сухого насыщенного пара, так как при этом может быть достигнута достаточно высокая степень влажности пара на выходе из турбины (без снижения срока службы рабочего колеса) и, соответственно, сработан больший тепловой перепад.
Турбины типа AFR и CFR – радиальные (центростремительные), одноступенчатые (рис. 3). Они бывают только с противодавлением, работают на перегретом паре и применяются в случае большого перепада давлений между входом и выходом турбины. В данном диапазоне мощности (до 5 МВт) эффективность противодавленческой одноступенчатой турбины приближается к эффективности многоступенчатой. В конструкции радиальных турбин типа CFR используется двухвенечное рабочее колесо типа «Кертиса», в конструкции типа AFR – одновенечное рабочее колесо. Рабочие колеса радиальных турбин (импеллеры) также, как и колеса осевых турбин, изготавливаются на обрабатывающих центрах из цельнокованых заготовок.
Турбины серии SST-060 отличаются прочной конструкцией и высокой надежностью даже в самых сложных условиях эксплуатации.

Серия SST-110 (турбины типа TWIN)
В конструкции типа TWIN (фото 4) паровая турбина усовершенствована путем добавления второй турбины. Две одноступенчатые турбины вышеуказанных серий соединены с генератором через один редуктор (типа TWIN) с параллельными валами. Благодаря встроенному редуктору сохраняется компактная конструкция (рис. 4).
В турбоустановках такого типа применяются как осевые турбины, так и радиальные. При этом одноступенчатые турбины могут соединяться между собой последовательно, т.е. пар после расширения в турбине высокого давления направляется на вход турбины низкого давления, а также могут работать параллельно – для расширения большого количества пара.
Конструкция типа TWIN допускает использование турбин при высоких тепловых перепадах с возможностью организации регулируемого отбора пара. Максимально возможная мощность – 5 МВт. Максимальные и минимальные возможные параметры на входе, выходе, в отборах паровых турбин определяются параметрами одноступенчатых турбин, входящих в состав турбоустановки.
Паровые турбины типа TWIN могут быть и противодавленческими, и конденсационными и, соответственно, снабжать паром с регулируемым давлением как одного, так и двух потребителей. Согласно принятой в России классификации, турбоустановки только этой серии могут быть чисто конденсационными – К; конденсационными, с производственным отбором пара – П; конденсационными, с отопительным отбором – Т; с противодавлением – Р; с противодавлением и производственным отбором – ПР.

Серия SST-120 (турбины типа Tandem)
В конструкции типа Tandem паровая турбина также усовершенствуется путем добавления второй турбины. Однако в данном случае две турбины приводят во вращение один генератор – каждая через свой редуктор. Генератор при этом располагается между турбинами и имеет два выходных конца ротора (рис. 5).
Как и в турбоустановках типа TWIN, турбины в установках Tandem могут быть соединены между собой последовательно, а также могут работать параллельно, т.е независимо друг от друга. Турбоустановки могут состоять не только из двух одноступенчатых турбин, но включать в себя и турбины TWIN. Мощность такой турбоустановки составляет до 10 МВт, при этом она может снабжать паром с регулируемым давлением до трех различных потребителей.
SST-120 – самая универсальная серия паровых турбин компании STE. Ее универсальность заключается в том, что в процессе эксплуатации существует возможность подсоединения/отсоединения одной из турбин, входящих в состав турбоустановки. А при использовании в конструкции синхронизированной самоперемещающейся муфты типа SSS этот процесс можно полностью автоматизировать и осуществлять его на работающей турбоустановке по команде от системы управления.
Приобретая турбоустановку подобного типа, заказчик может использовать ее и как противодавленческую турбину, и как конденсационную с регулируемым отбором/без отбора, в зависимости от требуемых условий. Например, конденсационная установка с отопительным отбором в зимний период, с большими тепловыми нагрузками, может эксплуатироваться как противодавленческая, т.е. весь пар после выхода из турбины высокого давления будет направляться в подогреватель сетевой воды. В весенний и осенний периоды, с меньшими тепловыми нагрузками, она может использоваться как конденсационная турбина с регулируемым отбором пара на отопление, а летом, при отсутствии тепловых нагрузок, – как чисто конденсационная.
Ни одна конструктивная схема не может быть расширена так быстро и экономически эффективно, оставаясь при этом компактной, как схема Tandem.

Основные преимущества паровых турбин компании STE
Паровые турбины производства STE имеют модульную компоновку, небольшие габаритные размеры и массу. При их установке предъявляются минимальные требования к производственной площадке, что обусловливает низкие затраты на строительство фундамента и оснащение машинного зала.
Компания STE осуществляет комплектную поставку оборудования высокой заводской готовности (турбина, редуктор, генератор, электронно-гидравлическая система управления, вспомогательное оборудование), которое прошло стендовые испытания на предприятии изготовителе. В связи с этим максимально возможно сокращаются монтажные и пусконаладочные работы на объекте.
Благодаря высокой степени унификации, простоте конструкции, а также превосходному немецкому качеству изготовления данные турбоустановки имеют отличные показатели надежности. В их составе поставляется вспомогательное оборудование, электрооборудование и КИП от ведущих мировых производителей. Гарантируемый компанией уровень надежной работы оборудования в течение гарантийного периода составляет 96%, статистический уровень – более 99%. Компания STE, как и все лучшие мировые изготовители, предоставляет гарантию и на заявленные технические характеристики турбоустановок.
Общий установленный срок службы турбин STE превышает 25 лет. Установленные сроки службы элементов турбоустановки (при работе на чистом паре) составляют: угольных кольцевых уплотнений вала – 25000 ч; лабиринтных уплотнений вала – 50000 ч; подшипников, рабочего колеса турбины, колес редуктора – 100000 ч (капитальный ремонт через 100 тыс. ч работы – очень высокий показатель, ориентировочный срок проведения работ – одна неделя). Уникальность конструкции позволяет во время капитального ремонта проводить модернизацию оборудования, в связи с изменившимися условиями на объекте, например, путем замены рабочих колес.
Благодаря индивидуальному исполнению рабочих колес турбин и зубчатых колес редукторов, турбоустановки изготавливаются под конкретные параметры пара и необходимые заказчику технические характеристики, т.е. возможно индивидуальное исполнение для каждого отдельного проекта при неизменности базовой конструкции.
Турбоустановки производства STE отличаются, с одной стороны, высокой для турбин данного диапазона мощностей эффективностью, несмотря на простоту конструкции, а с другой стороны – низкой удельной стоимостью оборудования. Это достигнуто благодаря применению передовых технологий проектирования и изготовления, а также постоянному совершенствованию конструкции. Если оценивать турбоустановки как продукт, то в данном случае можно сказать, что такой продукт имеет очень хорошее соотношение цена/качество.
В паровых турбинах STE, в зависимости от условий объекта, может быть использовано как сопловое парораспределение, позволяющее достигать высокой эффективности на частичных режимах, так и дроссельное, которое дает возможность работать на скользящих параметрах пара.
Консольная конструкция ротора позволяет осуществлять быстрый пуск установки из холодного состояния до режима рабочих оборотов без предварительного прогрева. Время пуска ограничивается только массовым моментом инерции вращающихся частей и составляет, как правило, около 10 секунд. Кроме того, при такой конструкции снижается также стоимость паровой турбины, так как уплотнение турбинного вала требуется только с одного конца ротора. Эксплуатационные затраты значительно снижаются благодаря эксплуатационной надежности и простоте техобслуживания (корпус открывается только с одной стороны). Идея, заложенная в проектирование турбин такого типа, заключается в том, чтобы установка одинаково хорошо работала как в условиях длительной эксплуатации, так и в условиях частых пусков/остановов, обеспечивая при этом минимально возможное время пуска.
Паровые турбины (кроме серии SST-050) имеют в своем составе современную электронно-гидравлическую систему управления на базе электронного регулятора Siemens SC900 (по желанию заказчика может быть поставлен электронный регулятор Woodward 505). Она позволяет полностью автоматизировать процесс управления турбоустановкой, в том числе и пусковые операции, с высокой степенью точности поддерживать требуемые параметры (скорость вращения, мощность в случае работы в сети, давление пара в отборе или противодавление). Практически исключаются ошибки обслуживающего персонала станции, поскольку установки полностью автоматизированы и разработаны таким образом, что их может эксплуатировать персонал без специальной подготовки (хотя обучение проводится в полном объеме специалистами компании STE во время пусконаладочных работ).
Срок службы турбины, а также ее элементов зависит от регулярности и качества ее техобслуживания, поэтому компания STE предлагает очень выгодные, с экономической точки зрения, условия сервисной поддержки. По вызову заказчика на объект, где работает установка, на один день приезжает специалист компании. После изучения эксплуатационных параметров турбоустановки, проверки значений давлений и температур, вибрационного анализа на различных режимах определяется объем планируемого обслуживания, перечень запасных частей, которые необходимо будет заказать, и согласованный план действий по их замене.
Расходы заказчика на проведение такого вида обслуживания будут складываться из стоимости услуги специалиста по сервису, стоимости его проезда и размещения. Но нужно учитывать, что в этом случае будет обеспечен не только длительный срок службы турбоустановки, но и минимизированы расходы заказчика в связи с незапланированными простоями оборудования, которые могут быть очень значительными. Например, при простое турбоустановки электрической мощностью 1 МВт расходы на необходимое количество покупной электроэнергии в это время составят более 1 млн рублей в месяц.

Области применения паровых турбин
Паровые турбины компании STE могут использоваться на промышленных предприятиях различных отраслей – металлургической, химической, нефтеперерабатывающей, пищевой, на мусоросжигающих заводах, в коммунальном хозяйстве, малой энергетике и др.
Наиболее выгодно применение паровых турбин малой мощности на станциях когенерационного и комбинированного циклов; электростанциях, работающих на возобновляемых источниках энергии, преимущественно на биомассе (древесных отходах, лузге и т. д.); утилизационных станциях, использующих тепловую энергию технологических процессов.
В общем случае, выгодность применения той или иной технологии (паротурбинной, газотурбинной, газопоршневой) для выработки электроэнергии определяется на этапе техникоэкономического обоснования проекта. Одним из важных показателей является срок окупаемости, или срок возврата инвестиций. В странах Запада учитывается также и предполагаемый доход от использования оборудования за какойлибо период времени. Одним из основных показателей обеспечения быстрого срока окупаемости является высокий КПД установки в целом. На уменьшение срока окупаемости оборудования также положительно влияет низкая удельная стоимость оборудования (р./кВт); высокая надежность и работоспособность станции, снижающая время простоя; низкая стоимость техобслуживания и, несомненно, стоимость топлива, определяющая себестоимость электроэнергии.
Несмотря на то что в диапазоне малых мощностей паротурбинная технология при выработке электроэнергии уступает газопоршневой и газотурбинной технологии по таким показателям, как электрический КПД и общая стоимость оборудования всей станции, она имеет свои преимущества. Это, прежде всего, более длительные сроки службы оборудования и межремонтные интервалы, значительно более низкая стоимость технического обслуживания, возможность использования в цикле практически любого вида топлива, а также получения больших тепловых нагрузок в когенерационном цикле и т.д. А если учесть, что в некоторых случаях топливные затраты на выработку электроэнергии могут быть нулевыми (или минимальными), то преимущества использования паротурбинной технологии очевидны.
Обеспечение высокой эффективности паровой турбины при сохранении низкой удельной стоимости установки и высокой надежности оборудования – это современный стандарт для проектирования паровых турбин малой мощности. Паровые турбины компании Siemens Turbomachinery Equipment в полной мере соответствуют этому стандарту, в их конструкции применяются самые передовые технические решения, поэтому использование данного оборудования очень выгодно во многих отраслях, где может быть применена паротурбинная технология.