Общие направления технической стратегии обновления российской энергетики не могут быть реализованы без широкого производства современных газовых турбин и паротурбинных энергоблоков ССКП.
В настоящее время Россия может производить только две ГТУ, пригодные для использования в составе утилизационных ПГУ: ГТЭ-150 и ГТЭ-160. Обе ГТУ производятся ЛМЗ.
Газотурбинная установка ГТЭ-150 прошла в своем трудном развитии два этапа. В 1990 г. на ГРЭС-3 АО «Мосэнерго» (ГРЭС им. Классона) была смонтирована первая ГТУ проектной мощностью 128 МВт на начальную температуру 950 °С и КПД 29 %. В 1997 г. уже две таких ГТУ были приняты в опытную эксплуатацию. Затем началась модернизация одной из ГТУ с переводом ее на начальную температуру 1100 °С. В результате после двухлетней модернизации была получена ГТУ-150, параметры которой представлены в табл. 7.1.
Рис.3.1. Газотурбинная установка ГТЭ – 150 ЛМЗ
Конструкция ГТУ-150 (рис. 3.1 и 3.2) представляет блочно-транспортабельный модуль, транспортируемый на фундаментной плите. Он состоит из 15-ступенчатого компрессора, 4-ступенчатой газовой турбины и секционной камеры сгорания, включающей 14 пламенных труб и соответствующих переходных патрубков. Ротор электрогенератора присоединяется к выходному валу компрессора. Горячие отработавшие газы
Рис.3.2. Сборка ГТЭ – 150 ЛМЗ на ГРЭС-3 Мосэнерго
из выходного патрубка направляются в дымовую трубу или котел-утилизатор.
Отличие конструкции турбины ГТЭ-150 состоит в установке ротора: он опирается не на два, а на три опорных подшипника. Установка среднего подшипника в зоне высоких температур, снабжение его маслом через маслопроводы, проходящие через эту зону, существенно усложнило конструкцию и снизило ее надежность.
При освоении ГТЭ-150, которое происходило очень долго и трудно и результаты которого нельзя признать успешными с точки зрения достигнутой экономичности, было решено много проблем, которые являются узловыми для создания ЛМЗ отечественных ГТУ. К ним относятся:
изготовление Заводом турбинных лопаток (ЛЗТЛ, г. Санкт-Петербург) методом точного литья по выплавляемым моделям первых двух рядов охлаждаемых рабочих лопаток;
изготовление штампованных лопаток длиной 735 мм для 4-й ступени газовой турбины;
освоение термобарьерных покрытий из диоксида циркония для лопаток и пламенных труб камер сгорания;
создание современных многорегистровых горелочных устройств для каждой пламенной трубы.
Вторую ГТУ, которую сегодня готов поставлять ЛМЗ — это ГТЭ-160, изготавливаемая по лицензии фирмы Siemens. Уже почти 2 года в двух экземплярах в составе ПГУ-450Т она эксплуатируется на Северо-Западной ТЭЦ Санкт-Петербурга. Сейчас отметим возможности ее использования для обновления теплоэнергетики России. ГТЭ-160 относятся к первому поколению высокотемпературных ГТУ, пригодных для использования в составе утилизационных ПГУ. После ряда усовершенствований ГТЭ-160 будет представлять собой современную ГТУ, позволяющую построить ПГУ с КПД 50—52 %. Как уже неоднократно отмечалось, это даст экономию топлива в 25—30 %, и ПГУ с ГТЭ-160 можно строить уже сегодня.
Дополнительно в пользу целесообразности неотложного строительства ПГУ с ГТЭ-160 можно указать на то, что еще долгое время Россия будет страной с относительно дешевым природным газом. Поэтому даже при таком КПД (50—52 %), относительно невысоком для современных ПГУ, рентабельность таких ПГУ для энергетики России несомненна.
Сомнение в целесообразности строительства ПГУ с ГТЭ-160 возникает лишь в связи с использованием значительной доли деталей этой ГТУ, закупаемых за рубежом (по неофициальным данным до 40 %), в частности, охлаждаемых лопаток газовой турбины. Однако большинство зарубежных фирм, строящих ГТУ, также прибегают к услугам специализированных предприятий, изготавливающих, в частности, охлаждаемые лопатки. Поэтому есть надежда, что изнашиваемые детали ГТУ, построенных сегодня и в ближайшем будущем, будут постепенно заменяться за счет развития импортозамещения.
Конечно, после ввода в эксплуатацию первого энергоблока ПГУ-450Т с КПД 50—52 %, возникает вопрос о строительстве ПГУ с еще большей экономичностью (54—56 % или 57—58 %) с использованием ГТУ с КПД 36—36,5 % или даже 38—38,5 %. Тогда эти ГТУ сейчас необходимо закупать за рубежом. Было бы крайне желательно построить одну или несколько таких ПГУ (например, одновальную трехконтурную ПГУ с промежуточным перегревом с ГТУ мощностью 240 МВт с температурой уходящих газов 580 °С, с расцепной муфтой, с байпасной дымовой трубой и газоплотным шибером, с подогревом топливного газа и встроенной в барабан деаэрационной колонкой) для критического изучения передового зарубежного опыта в области создания высокоэкономичных ПГУ.
Однако российская теплоэнергетика, в которой в ближайшие 15—20 лет предстоит заменить примерно 100 млн кВт установленной мощности, не может и не должна базироваться на иностранной технике вообще и зарубежных ГТУ в частности.
Первой реальной современной отечественной высокотемпературной ГТУ, которая найдет самое широкое применение в энергетике России, в том числе и в составе ПГУ, следует считать ГТЭ-110 номинальной мощностью 110 МВт (см. табл. 7.1). Первая ГТУ разработана НИИ «Машпроект», и ее первый опытный экземпляр был изготовлен в 1998 г. в производственной кооперации НПП «Машпроект» и ОАО «Рыбинские моторы». Второй экземпляр ГТЭ-110 был установлен на испытательном стенде Ивановской ГРЭС с целью проведения ресурсных испытаний. В отличие от первого экземпляра ГТЭ-110, мощность которого при испытаниях поглощалась гидротормозом, вторая ГТЭ-110 приводит электрический генератор с выдачей мощности в электрическую сеть.
Рис.3.3. Газотурбинная установка ГТЭ-110
Конструкция ГТЭ-110 показана на рис. 3.3. Она основана на опыте создания судовых ГТУ, для которых характерны компактность конструкции, тонкие диски компрессора и турбины и др. Следствием этих конструктивных решений явилась очень малая масса ГТУ, не превышающая 50 т.
В декабре 2001 г. — январе 2002 г. выполнены комплексные 72-часовые испытания второго экземпляра ГТУ при работе на жидком топливе. Было проведено более 20 пусков с последовательным нагружением от минимальной до максимальной нагрузок. Максимальная нагрузка составила 114 МВт, а достигнутый КПД — 34,6 %. Ревизия ГТУ после испытаний выявила значительное число дефектов элементов пламенных труб, сопловых и рабочих лопаток турбины, являющихся следствием литейных дефектов из-за недостаточно отработанной технологии литья, а также нештатной работы пламенных труб с превышением температуры. Тем не менее, можно быть уверенным, что в ближайшее время ГТЭ-110 будет доведена до необходимой надежности.
В 2002 г. ЛМЗ совместно с АО «Авиадвигатель» (г. Пермь) закончил рабочий проект турбины ГТЭ-180 (рис. 3.4) и приступил к ее изготовлению.
Рис.3.4. Газотурбинная установка ГТЭ-180
Это будет вполне современная ГТУ серии FA, параметры которой приведены в табл. 3.1. Ее конструкция удовлетворяет самым современным представлениям.
Реальной ГТУ, на базе которой в ближайшие годы в России будут комплектоваться новые парогазовые электростанции, работающие на природном газе, является ГТЭ-110 мощностью 110 МВт. Эта ГТУ изготовлена и проходит испытания на стенде Ивановской ГРЭС. В своем классе ГТУ (см. рис. 3.5) она имеет хорошие экономические (КПД 36 %) и массовые показатели. Однако уровень ее начальной температуры в 1210 °С был достигнут мировым газотурбостроением в начале 90-х годов.
Рис.3.5. Повышение КПД реальных ГТУ в связи с ростом температуры перед газовой турбиной (обобщение ЛМЗ)
Из рис. 3.5 можно четко заключить, что по уровню освоения начальных температур, который является ключевым в создании современных ГТУ, российское газотурбостроение отстает на 10—12 лет. Определенные надежды на достижение современного уровня связаны с созданием ГТЭ-180 (совместно ЛМЗ и авиационным предприятием «Авиадвигатель»). Эта ГТУ будет вполне отвечать «массовому» мировому уровню и по начальной температуре, и по температуре уходящих газов, что позволит создать высокоэкономичную ПГУ.
Дополнительное представление об уровне российского и мирового газотурбостроения дает рис. 3.6. В конце 90-х годов за рубежом создан класс машин серии FA (см. рис. 3.5) мощностью 240—270 МВт с КПД 37—38,5 %.
Рис.3.6. Достигнутый уровень зарубежных и отечественных ГТУ