А. В. Гущин, В. Е. Торжков, А. А. Чибисов – ООО «Сименс»

Промышленная газовая турбина SGT-750 объединила в себе достижения компании Siemens в области газотурбинного двигателестроения. Она создана в соответствии с современными требованиями как энергетического, так и нефтегазового рынка.

В ноябре 2010 года в г. Финспонг (Швеция) предприятие Siemens Industrial Turbomachinery AB официально представило новую промышленную газотурбинную установку SGT-750. Модельный ряд промышленных ГТУ компании Siemens охватывает диапазон мощности от 5 до 50 МВт. Таким образом, новая установка электрической мощностью 35,9 МВт и КПД на клеммах генератора 38,7 % (ISO) оптимально вписывается в интервал между уже хорошо зарекомендовавшими себя моделями газовых турбин SGT-700 (31,2 МВт) и SGT-800 (47 МВт).
Являясь многоцелевой установкой, SGT-750 рассчитана также на использование ее и в качестве механического привода. В этом случае мощность на валу (ISO) составляет 37,1 МВт при соответствующем механическом КПД 40 %. Главной целью при создании новой турбины наряду с экономической и экологической эффективностью была ремонтопригодность, эксплуатационная готовность и надежность. Все опытно-конструкторские работы и подготовка производства завершены, поставка первой серийной ГТУ SGT-750 планируется в 2012 г.
SGT-750 – промышленная стационарная газовая турбина нового типа. В ней сочетаются улучшенные массогабаритные характеристики авиапроизводных турбин с надежностью, возможностью проведения всех видов ремонта на месте эксплуатации и ресурсом стационарных газовых турбин. В ГТУ используются отработанные и апробированные конструкционные материалы и комплектующие, конструктивные решения, позволяющие получить современную машину с высоким КПД. В результате была создана промышленная турбина для тяжелых условий эксплуатации, выходящая на полную нагрузку через 10 минут после начала запуска, работающая при наружных температурах от –60 °С до +55 °С, удовлетворяющая требованиям DNV для использования на морских судах в условиях крена и дифферента. Характеристики ГТУ представлены на рис. 1; 2; 3. Турбина SGT-750, как и предыдущие двухвальные конструкции Siemens, состоит из двух основных сборочных единиц – газогенератора и силовой турбины. Газогенератор включает компрессор, камеру сгорания и турбину привода компрессора.
Корпус компрессора имеет горизонтальный разъем. Другие корпуса представляют собой неразъемные цилиндрические обечайки, которые соединяются между собой в вертикальной плоскости. Это решение обеспечивает цилиндрическую форму статора горячей части и сводит к минимуму рабочие зазоры и аэродинамические потери в газовоздушном тракте. Каждый узел газогенератора можно снять как единый модуль, что упрощает доступ и ускоряет техническое обслуживание.
Осевой компрессор состоит из 13 ступеней, из которых первые три – трансзвуковые, и имеет степень сжатия 24:1. Подвод циклового воздуха осуществляется через короб всасывания облегченной конструкции: при обслуживании входа в компрессор он откатывается вдоль оси турбины на направляющих. Воздух поступает в компрессор через входную лемнискату переднего корпуса, плавно направляющую поток в компрессор. В ступице переднего корпуса находится подшипник №1 и вал с обгонной муфтой, соединяющий пусковой электродвигатель с ротором газогенератора. Подшипник опирается на четыре радиальные полые стойки, где проходят электрические кабели от датчиков частоты вращения и вибраций. В этих же стойках проходят каналы для подачи и слива смазочного масла, отвода воздуха суфлирования и подвода воздуха наддува уплотнений.
Входной направляющий аппарат и направляющий аппарат следующей ступени выполнены поворотными, с электроприводом. Клапаны перепуска воздуха, используемые при запуске и для обеспечения газодинамической устойчивости при работе, расположены после 3-й ступени (перепускной клапан №1), 6-й (клапан №2) и 9-й ступени (клапан №3) компрессора. Воздух из 3-й ступени сбрасывается в короб всасывания, а из 6-й и 9-й ступеней – в выхлопной коллектор. Клапаны перепуска также предназначены для сброса лишнего воздуха при частичной нагрузке (от 50 до 70%) для уменьшения выбросов СО.
Охлаждающий воздух для ротора, сопловых и рабочих лопаток турбины и воздух наддува уплотнений отбирается из кольцевых камер отбора, находящихся после разных ступеней и на выходе компрессора. Воздух наддува уплотнений препятствует попаданию горячих газов в корпуса подшипников и предотвращает утечку масляного тумана из корпусов подшипников.
Ротор компрессора состоит из дисков, сваренных между собой электронно-лучевой сваркой. К нему приварен вал-удлинитель, к которому болтами крепится пакет дисков ротора турбины. Для повышения КПД применяются лопатки компрессора с профилированным межлопаточным каналом (CDA-профиль). В корпусе компрессора в каждой ступени имеются лючки для бороскопического осмотра. Рабочие лопатки крепятся к дискам посредством продольных пазов, что позволяет производить замену всех лопаток без съема ротора.
В ГТУ используется низкоэмиссионная камера сгорания 4-го поколения с подавлением оксидов азота без впрыска воды (DLE), обеспечивающая низкий уровень выбросов в широком диапазоне нагрузок (рис. 4). Работа в режиме DLE на газовом топливе продемонстрировала выбросы NOx ниже 15 ppmv (15% О₂). Система предназначена для работы как на газовом, так и на жидком топливе, с возможностью перехода с одного вида на другой под нагрузкой.
Камера сгорания – трубчатого типа. Она состоит из восьми жаровых труб, каждая из которых расположена в своем корпусе, и восьми сегментов газосборника. В каждой жаровой трубе установлена многоканальная горелка. Жаровые трубы имеют двойные стенки с конвективным охлаждением. Сегменты газосборника также с конвективным охлаждением, но с многоточечным подводом охлаждающего воздуха.
В конструкции горелок учтен опыт Siemens при создании всего модельного ряда промышленных газовых турбин. Запальное устройство постоянного действия (форкамера RPL) в составе каждой горелки используется для розжига пилотного топлива. Запуск турбины и работа на холостом ходу осуществляются без основного топлива. На низких нагрузках через первый радиальный смеситель-завихритель подается основное топливо № 1, а на высоких нагрузках через другой аналогичный смеситель-завихритель дополнительно подается основное топливо № 2. Топливо распределяется по коллекторам запального, пилотного и основного топлива системой газового топлива, смонтированной на раме ГТУ. Горелка в каждой жаровой трубе имеет собственную запальную свечу и термопару, подающую сигнал о работе запального устройства постоянного действия. Для контроля розжига пилотного топлива жаровые трубы оборудованы датчиками пламени.
При работе на газовом топливе в горелках DLE сжигается бедная, предварительно смешанная смесь. Это обеспечивает низкую температуру факела и пониженное образование оксидов азота. Жидкое топливо подается через форсунки в той части горелки, через которую поступает пилотное топливо. При работе на жидком топливе горелки работают в диффузионном режиме. При этом каналы подачи газового топлива постоянно продуваются предварительно охлажденным воздухом, подаваемым из-за компрессора.
Для замены любых деталей камеры сгорания не требуется разборки корпусов газовой турбины. Горелки, жаровые трубы и каналы газосборника снимаются снаружи, что обеспечивает быструю замену и простоту ремонта.
Двухступенчатая турбина привода компрессора состоит из статора с сопловыми аппаратами и облопаченных дисков ротора, стянутых болтами с валом-удлинителем ротора компрессора. Сопловые и рабочие лопатки 1-й ступени имеют внутреннее конвективное охлаждение и наружное пленочное охлаждение, 2-й ступени
– только внутреннее конвективное охлаждение. Конструкция ГТУ обеспечивает умеренную температуру газов на входе в турбину – 1144 °С, что близко к значению меньшей по мощности ГТУ SGT-700.
Рабочие лопатки не имеют бандажных полок. Вершины лопаток и ответные кольцевые участки поверхности статора с прирабатываемым керамическим покрытием образуют цилиндрическое уплотнение. Между внутренней обечайкой соплового аппарата 2-й ступени и ротором применено высокотехнологичное щеточное уплотнение. Рабочие и сопловые лопатки изготовлены методом точного литья. Сопловые лопатки 1-й и 2-й ступеней имеют стойкое к газовой коррозии покрытие.
Ротор газогенератора опирается на два подшипника – №1 и №2. На роторе газогенератора имеется пять доступных снаружи балансировочных фланцев, позволяющих производить балансировку ротора без разборки турбины. Подшипник №1 – комбинированный, радиально-упорный; подшипник №2 – радиальный. Они являются сегментными самоустанавливающимися подшипниками скольжения.
Подшипники №1 и №2 оснащены датчиками измерения температуры подшипника – терморезисторами, датчиками вибрации – акселерометрами, датчиками оборотов ротора, датчиком фазы вращения и датчиком осевого смещения ротора. Все датчики, кроме терморезисторов, имеют доступ снаружи через соответствующие лючки для обслуживания.
Во время работы масло непрерывно подается в подшипники, откуда оно возвращается самотеком в маслобак, оснащенный системой суфлирования с вытяжным электровентилятором и коагулятором улавливания паров. Маслобак большого объема, как и в предыдущих конструкциях Siemens , интегрирован в раму ГТУ. Маслонасосы – с электрическим приводом, в то время как механический привод насосов от ротора турбины предлагается как опция.
Двухступенчатая силовая турбина (СТ) представляет собой компактный быстроходный модуль с номинальной частотой вращения 6100 об/мин. СТ может использоваться как для привода электрогенератора, так и для механического привода (с частотой 3050…6405 об/мин). В большинстве случаев для механического привода редуктор не используется, а для привода генератора применяется понижающий редуктор. Направление вращения силовой турбины является противоположным вращению ротора газогенератора, что обеспечивает повышенную поперечную стабильность ГТУ при использовании на морских платформах и судах.
Сопловые лопатки на входе в СТ могут устанавливаться при сборке под разным углом, в зависимости от условий окружающей среды – арктических, нормальных или тропических. Сопловые лопатки первой ступени имеют конвективное воздушное охлаждение, остальные лопатки не охлаждаются. Рабочие лопатки обеих ступеней оснащены бандажными полками, образующими уплотнение с прирабатываемой сотовой поверхностью статора. Оба диска имеют торцевое зубчатое соединение и стянуты болтами с валом силовой турбины.
Вал опирается на два самоустанавливающихся сегментных подшипника №3 и №4, последний из которых является комбинированным опорно-упорным подшипником. Масло в подшипники подается под давлением из общей системы смазки газогенератора и основных устройств ГТУ. Вал имеет увеличенный диаметр для повышения инерции ротора. Корпус силовой турбины (неразъемный, литой) снимается целиком вместе с ротором. Со стороны выхлопа к корпусу СТ крепится диффузор, обеспечивающий низкие гидравлические потери. Внутри диффузора проходят радиальные стойки, на которые опираются корпуса подшипников
№№ 3, 4. Для измерения температуры выхлопных газов установлены термопары.
Подшипники №№ 3, 4 оборудованы датчиками аналогично подшипникам №№ 1, 2, при этом в корпусе каждого из них предусмотрено место для монтажа опционных радиальных датчиков вибрации – проксиметров, измеряющих вибрацию по вертикали и по горизонтали, а датчики оборотов ротора и фазы вращения вынесены на внешний корпус турбины.
Для удобства обслуживания вдоль всего газовоздушного тракта турбины предусмотрены бороскопические лючки. Вся газовая турбина монтируется на фундаментной раме, устанавливаемой с одного подъема. Рама имеет разъем между турбиной и приводимым оборудованием. Система смазки размещается внутри кожуха ГТУ в отсеке вспомогательных систем, расположенном со стороны всасывания. Все основные вспомогательные системы монтируются на раме ГТУ. Достигнута компактность всей газовой турбины – она аналогична по размерам и компоновке ГТУ SGT-700.
Ремонтопригодность, увеличение межремонтных периодов и сокращение времени инспекций – это являлось одним из ключевых факторов при разработке новой установки. С этой целью была разработана визуализационная программа 3D, предназначенная для проверки всех компонентов нового продукта без разборки турбины. Полномасштабные пластиковые аналоги горячей поточной части и корпуса газовой турбины были изготовлены для обеспечения объективности работы программы. Использование данной визуализации позволило на этапе конструкторской проработки ГТУ смоделировать проведение всевозможных инспекционных и ремонтных операций и тем самым оптимизировать доступ к узлам агрегата и последовательность при проведении инспекций различных уровней.
Результатом оптимизации стал график технического обслуживания SGT-750 (рис. 5), при котором первая инспекция, предусматривающая вскрытие агрегата и замену некоторых его элементов (инспекция «B»), осуществляется после четырех лет эксплуатации. В целом, данная программа предполагает, что один раз в год специалисты завода-изготовителя, расположенного в г. Финспонг (Швеция), посредством удаленного доступа проводят проверку всего газотурбинного двигателя в режиме on-line. При этом предусматривается три уровня планового технического обслуживания:
•    инспекция «А» включает бороскопическое исследование ГТУ, осуществляемое каждый второй год эксплуатации. Конструкция агрегата обеспечивает возможность детальной инспекции всех основных частей с помощью бороскопа. Для проведения инспекции достаточно одного дня;
•    инспекция «В» проводится после четырех лет эксплуатации (34000 часов) и включает замену определенных элементов горячей части газогенератора и инспектирование силовой турбины. Для проведения данного уровня ТО на площадке электростанции потребуется 12 дней;
•    инспекция «С» выполняется после восьми лет эксплуатации (64000 часов) и наряду с заменой элементов горячей части двигателя и инспектированием силовой турбины предполагает обследование и техническое обслуживание всего пэкиджа. Для осуществления третьего уровня ТО в условиях площадки необходимо 16 дней.
Конструкция ГТУ SGT-750 предусматривает возможность альтернативного способа проведения ТО уровней «В» и «С», который вместо ремонта/замены элементов горячей части газогенератора включает его полную замену, производимую в течение 24 часов. В этом случае продолжительность указанных инспекций составит 2 и 5 дней соответственно.
Газовая турбина SGT-750 – это не просто еще один уровень мощности в линейке газотурбинных установок Siemens, но и следующий шаг в развитии промышленных ГТУ. Мы рассчитываем, что российские заказчики оценят SGT-750, которая сочетает в себе одновременно достоинства авиапроизводных и стационарных газотурбинных установок.