• Скачать в формате PDF

А. Г. Соболев – ООО «Таурус Энерджи»

Основная тенденция развития газовых турбин малой мощности – снижение стоимости жизненного цикла за счет повышения экономичности и уменьшения количества деталей и узлов (прежде всего лопаточных ступеней). Таким требованиям полностью удовлетворяют радиальные ГТУ, которые заняли прочную нишу на рынке многоагрегатных электростанций мощностью до 10…12 МВт.

Осевые и радиальные турбины
При проектировании новых или модернизации существующих моделей газовых турбин используются определенные концептуальные подходы. Основными среди них являются:
- снижение стоимости за счет применения освоенных параметров цикла, технологий и материалов. Простота конструкции, радикальное сокращение количества ступеней лопаточных машин, переход на одновальный, с высокой степенью сжатия газогенератор – все это снижает стоимость ГТД и его жизненного цикла;
- низкие эксплуатационные расходы за счет снижения расхода топлива (высокий КПД) и масла (малое число подшипниковых опор, перенос их в относительно холодную часть);
- низкие расходы на обслуживание, обусловленные простотой конструкции, малым количеством деталей, их высокой долговечностью и эксплуатационной технологичностью двигателя в целом.
Современные энергетические газотурбинные установки можно разделить на две большие группы: конверсионные (на базе авиационных и судовых ГТД) и промышленные. Первые – это более легкие установки, отличающиеся более точным управлением, меньшими требованиями к вспомогательной инфраструктуре, но также и меньшим ресурсом.
ГТУ второй группы значительно более тяжелые, как правило, это одновальные установки. Они имеют тяжелый жесткий вал, лопатки постоянного профиля на основном протяжении проточной части, что обеспечивает их надежность, а также снижение стоимости и эксплуатационных затрат. Основным охладителем рабочих и сопловых лопаток турбины является воздух внешней системы. Такие ГТУ предъявляют более высокие требования к строительным работам и инфраструктуре, но при этом имеют более продолжительный срок службы.
Преобладающее большинство установок обеих групп имеют осевую конструкцию. Основными мировыми поставщиками осевых энергетических ГТУ в диапазоне мощности до 6 МВт являются компании Siemens, Solar, Rolls-Royce, Pratt & Whitney, Kawasaki. Среди отечественных производителей ведущие позиции занимают фирмы, разрабатывающие и изготавливающие авиационные газотурбинные двигатели, например ОАО «Авиадвигатель» и Пермский моторный завод.
Для достижения необходимой степени сжатия воздуха перед камерой сгорания (10 pк и выше) осевые установки имеют большое количество ступеней компрессора (более десяти). У турбины – две (и более) ступени, оснащенные лопатками сложной охлаждаемой конструкции. Воздух для охлаждения лопаток должен иметь необходимую температуру и чистоту, так как засорение охлаждающих каналов приводит к снижению производительности и ресурса осевых турбин. Соответственно, требуется дополнительная система подготовки воздуха. Осевая конструкция предполагает большие осевые размеры ротора, поэтому половина опор ротора находится в горячей части двигателя, что увеличивает количество уплотнений и приводит к увеличению невозвратных потерь смазывающего масла (угар), а также вынуждает использовать дорогостоящие синтетические масла.
Кроме осевых, существует класс радиальных турбин, в которых газовый поток движется перпендикулярно оси. Увеличение мощности таких турбин ограничивается их радиальными размерами, поэтому мощность существующих турбин данного типа не превышает 2 МВт.
Радиальные турбины имеют одноступен-чатый центробежный компрессор и одноступенчатую центростремительную турбину. Поскольку степень повышения давления в них относительно невысокая (до 7 pк), снижается потребность в повышении давления подачи газообразного топлива. Рабочее колесо и сопловой аппарат радиальной турбины – неохлаждаемые, в связи с этим требования к цикловому воздуху и топливу не такие жесткие, как для осевых турбин.
Поскольку двигатели радиального типа имеет небольшие осевые размеры, в них применяется консольное крепление ротора с опорами в холодной части двигателя, что значительно увеличивает срок эксплуатации подшипников и сводит расход масла на угар практически до нуля. Радиально направленное движение рабочего тела позволяет применять камеру сгорания с вынесенными жаровыми трубами. Это повышает степень ремонтопригодности двигателя, а также делает его конструкцию более доступной для применения рекуперативной схемы.
В отличие от осевых ГТУ, предложение на рынке радиальных установок достаточно ограничено. В первую очередь, это связано с малым количеством конструкторских школ, развивающих данное направление. Одна из них – это норвежская школа.

История создания радиальных турбин
В 1964 г. в Главном норвежском промышленном конгломерате был спроектирован и поставлен на рынок первый в мире радиальный газотурбинный двигатель промышленного применения. Основателем и руководителем данного направления был Ян Мовил, продолжающий до настоящего времени совершенствовать свои разработки. В 1991 г. он основал новую компанию – OPRA Turbines, и в 2003 г. была выведена на рынок современная газовая турбина OP16, обладающая уникальными техническими и эксплуатационными характеристиками. В 1964 г. в Главном норвежском промышленном конгломерате был спроектирован и поставлен на рынок первый в мире радиальный газотурбинный двигатель промышленного применения. Основателем и руководителем данного направления был Ян Мовил, продолжающий до настоящего времени совершенствовать свои разработки. В 1991 г. он основал новую компанию – OPRA Turbines, и в 2003 г. была выведена на рынок современная газовая турбина OP16, обладающая уникальными техническими и эксплуатационными характеристиками.
В свою очередь, на норвежском заводе компании Kongsberg было выпущено более 900 радиальных двигателей KG2. Сегодня Kongsberg является частью американской компании Dresser-Rand. Все установки норвежской школы являются полнорадиальными, одновальными, с планетарным редуктором и синхронным генератором, выполненные в соответствии с промышленными стандартами.
Менее мощные газовые турбины MT250, MT333 изготавливаются на заводе фирмы FlexEnergy (США), который до 2011 г. принадлежал компании Ingersoll-Rand (длительное время владевшей Dresser-Rand). Турбина МТ250 имеет схожие с KG2 основные конструктивные решения – отличия лишь в мощности, размерах, наличии в MT250 рекуператора, обеспечивающего электрический КПД более 30 %.

Радиальные турбины малой мощности – микротурбины
Другое направление развития радиальных турбин малой мощности – это микротурбины. Их основой является высокооборотный радиальный газотурбинный двигатель, собранный на одном валу с генератором высокой частоты. В преобладающем большинстве микротурбины имеют легкий ротор на «сухих» опорах. Электроэнергия вырабатывается по следующей схеме: первичная выработка тока высокой переменной частоты (до 1600 Гц), затем его преобразование в постоянный ток и далее – в переменный ток частотой 50 (60) Гц.
Разработка микротурбин такой конструкции началась в 1990 году. (Однако компания Honeywell, например, разработала турбокомпрессор с ротором на компактных воздушных подшипниках более 30 лет назад). Прочно обосновались на российском рынке микротурбины, производимые компанией Capstone, мощностью 30 кВт (С30) и 65 кВт (С65). Они имеют высокооборотный легкий ротор на «сухих» опорах с подшипниками лепесткового типа. Для повышения электрического КПД двигатели Capstone оснащены рекуператорами типа Primary Surface (первичной поверхности).
В настоящее время ожидается подтверждение заявленных эксплуатационных характеристик для более мощных установок – 200 кВт (С200), с более тяжелым ротором. В них применяются те же конструкторские решения, что и на малых машинах С30 и С65. Установками С200 комплектуются агрегаты С600, С800, С1000.
В этом диапазоне мощности для российского рынка также поставляются радиальные установки МТ250 (250 кВт по ISO) компании FlexEnergy. Они серийно изготавливаются с 2004 г. и хорошо зарекомендовали себя при работе на разнообразных видах газового топлива в различных климатических широтах. Конструкция установок FlexEnergy выполнена по классической схеме, с высоконадежным планетарным редуктором и синхронным генератором 0,4 кВ.
Опоры двигателя с подшипниками качения расположены в холодной части двигателя. В сравнении с «сухими» подшипниками, к ним предъявляются менее жесткие требования к защите от пыли. Объединенная система смазки предусматривает замену жидкости один раз в год. Двигатель МТ250 оснащен рекуператором пластинчатого типа (Plate-Fin), который эффективнее рекуператора типа Primary Surface. Конструкцией МТ250 сразу предусмотрена установка внутри корпуса штатного водогрейного теплообменника (до 0,3 Гкал/ч), а также дожимного компрессора для природного газа. (Характеристики микротурбин в табл. 1).

Радиальные турбины компаний OPRA и Dresser-Rand
Более мощные радиальные турбины сегодня производят компании OPRA Turbines (Нидерланды) и Dresser-Rand. Установка OP16-3 производства OPRA Turbines имеет электрическую мощность 1,85 МВт (по ISO), электрический КПД – 26 %. Она может работать как на газообразных видах топлива (природный газ, попутный нефтяной газ, биогаз, синтез-газ), так и на жидких (дизельное, биодизель, этанол, пиролизное масло, нефть). Степень повышения давления компрессора – 6,7. Установка имеет четыре камеры сгорания.
Энергоблоки OPRA специально разработаны для районов с холодным климатом (до –60 °С). За последние 8 лет было поставлено более 80 установок OP16-3 (более 50 из них в Россию), которые наработали свыше 1,5 млн часов.
Компания Dresser-Rand производит надежную радиальную газовую турбину KG2-3E электрической мощностью 1,8 МВт, электрический КПД – 16 %. Двигатель имеет одну жаровую трубу, степень повышения давления в компрессоре – 4,5. Следующее поколение двигателя KG2-3G обладает более высоким электрическим КПД (26 %) и малыми выбросами NO_x и CO. Степень повышения давления в компрессоре – 7, количество жаровых труб увеличено до 4 штук. В настоящее время две такие установки проходят стадию опытной эксплуатации. Лидерный образец KG2-3G был поставлен в 2012 г. для немецкой компании Wingas Transport GmbH.
Радиальные газовые турбины, обладающие минимальным количеством ступеней и, соответственно, ответственных деталей и узлов, являются компактными, с высокой степенью надежности. Они имеют низкую стоимость монтажа и технического обслуживания, межремонтный интервал составляет 8000 часов, ресурс до капремонта – 40 000 часов. Характеристики ГТУ даны в табл. 2.

Радиальная паровая турбина
Техническое решение с радиальным движением потока рабочего тела нашло применение при разработке и производстве паровой турбины S2E50-250 (Technopa GmbH, Австрия). Оригинальная концепция турбины запатентованной конструкции основана на замене турбинных лопаток системой щетинок. Материал щетинок, их сечение, форма и плотность определяются с большой точностью, являясь результатом долгих исследований и испытаний при различных технических условиях.
Множественная тангенциальная подача рабочей среды на щетинки турбины оптимизируется системой форсунок, обеспечивающей превращение кинетической энергии рабочей среды в усилие с коэффициентом полезного действия 95 %. Измерения показывают, что аэродинамическое преобразование кинетической энергии происходит с минимальными потерями на трение и завихрение рабочей среды. Кинетическая энергия рабочей среды поглощается на входе в контур турбины таким образом, что, например, при скорости пара на выходе из форсунок 800 м/с его энергия полностью абсорбируется на 80 мм длины окружности рабочего колеса турбины.
Выход рабочей среды происходит по архимедовой спирали от центра паровой турбины. Удаление конденсата осуществляется отдельным вспомогательным контуром в нижней части турбины.
Рабочее колесо турбины установлено в системе высококачественных подшипников, изготавливаемых известными производителями. Подшипники имеют собственную систему смазки и охлаждения, которая является неотъемлемой частью каждой установки. Особое внимание уделено балансировке рабочего колеса турбины. И хотя при проведении испытаний и эксплуатации отдельных установок не было зарегистрировано вибраций, превышающих заявленные параметры, каждый блок паровой турбины S2E50-250 комплектуется датчиком вибраций с оперативным выводом информации на дисплей установки.
Рабочие колеса турбин традиционной конструкции очень чувствительны к точности изготовления и соблюдению технологического процесса. Они могут использоваться только в пределах ограниченных технических и эксплуатационных условий (часто только в зоне сухого пара), на высоких оборотах, требуют сложных систем обслуживания и эксплуатации и т.д.
Использование системы щетинок вместо лопаток открывает перед оператором новые возможности регулирования работы турбины:
- в дополнение к стандартным характеристикам, ПТУ может работать в режиме насыщенного (влажного) пара;
- может эксплуатироваться при частых и быстрых изменениях рабочих параметров;
- возможно регулирование работы от нуля до максимума при неизменном КПД;
- работа при низкой рабочей частоте вращения (3000 об/мин);
- время разгона из «холодного» состояния до максимума – до 10 минут;
ПТУ можно эксплуатировать в горизонтальном и вертикальном положении.

Современные ГТУ на базе радиальных и паровых турбин мощностью до 2 МВт могут использоваться в самых сложных условиях эксплуатации. А заказчики могут быть уверены в длительной и надежной работе оборудования.