Современный подход к выработке электрической энергии на базе газотурбинных двигателей ГТЭ-65.

В настоящее время вопросы энергосбережения и энергоэффективности занимают лидирующие позиции в современной энергетике. Как известно энергоэффективность современных паровых турбин достаточно мала. КПД современных паровых турбин не превышает 30%. Наиболее перспективным является выработка электрической энергии в комбинированном цикле с применением парогазотурбинных установок. КПД такой установки может составлять около 60%.
Ниже приводятся схемы циклов с использованием газотурбинных двигателей фирмы ОАО «Силовые машины».

Бинарные парогазовые блоки: ПГУ-90 – КПД 52%, (1хГТЭ-65 + К-30)ПГУ-180 – КПД 52% (2хГТЭ-65 + К-60)

В состав ПГУ входят газотурбинные установки (ГТУ), котлы-утилизаторы (КУ) и паротурбинная установка (ПТУ). ПТУ состоит из одно- или двухцилиндровой паровой турбины двух давлений, конденсатора, системы регенерации, включающей конденсатор пара уплотнений (КПУ) и подогреватель низкого давления (ПНД), а также вспомогательного оборудования. КУ имеет два контура высокого и низкого давлений. Подогрев воды перед деаэрацией происходит в газовом подогревателе конденсата (ГПК). В тепловую схему включен деаэратор (Д) для удаления растворенных газов из всего потока основного конденсата; отбор греющего пара в него производят из ППНД.

Бинарные парогазовые блоки: ПГУ-90 – КПД 52%, (1хГТЭ-65 + К-30)ПГУ-180 – КПД 52% (2хГТЭ-65 + К-60)

Рисунок 1. Бинарные парогазовые блоки: ПГУ-90 – КПД 52%, (1хГТЭ-65 + К-30)ПГУ-180 – КПД 52% (2хГТЭ-65 + К-60)

ПГУ с частичным вытеснением регенерации: (ГТЭ-65 + К-300), мощность 385 МВт, КПД 42,5%
В состав ПГУ входят ПТУ, газовая турбина ГТЭ-65, газоводяные подогреватели высокого и низкого давлений (ГВПВД и ГВПНД), отводящие и подающие коллекторы питательной воды и основного конденсата, необходимая запорная и регулирующая арматура.
ПГУ с частичным вытеснением регенерации
Рисунок 2 – ПГУ с частичным вытеснением регенерации: (ГТЭ-65 + К-300), мощность 385 МВт, КПД 42,5%

ГТУ-ТЭЦ: ГТЭ-65 + водогрейный КУ, теплофикация до 80 Гкал/ч

Продукты сгорания газовой турбины поступают в водогрейный котел-утилизатор (ВКУ), в котором происходит нагрев воды промежуточного контура (ПК) без изменения ее фазового состояния. Наличие ПК обеспечивает необходимое качество воды, циркулирующей в ВКУ. Вода ПК передает теплоту сетевой водев водо-водяном теплообменнике (ВВТО).
ВКУ может быть спроектирован как котел горизонтального (туннельного) типа

 ГТУ-ТЭЦ: ГТЭ-65 + водогрейный КУ, теплофикация до 80 Гкал/ч
Рисунок 3 – ГТУ-ТЭЦ: ГТЭ-65 + водогрейный КУ, теплофикация до 80 Гкал/ч

ГТЭ-65 предназначена для привода через редуктор электрического генератора с частотой вращения 3000 об/мин при эксплуатации как в составе парогазовой установки (ПГУ), так и автономно. Компактная и высокоманевренная газотурбинная установка (ГТУ) среднего класса мощности ГТЭ-65 позволяет наиболее рациональным способом производить реконструкцию действующих паросиловых блоков и осуществлять новое строительство высокоэкономичных парогазовых установок на базе перспективных технологий.

Рисунок 4 – газотурбинная установка ГТЭ-65 с редуктором и генератором

ГТЭ-65 предназначена для привода через редуктор электрического генератора с частотой вращения 3000 об/мин при эксплуатации как в составе парогазовой установки (ПГУ), так и автономно. Компактная и высокоманевренная газотурбинная установка (ГТУ) среднего класса мощности ГТЭ-65 позволяет наиболее рациональным способом производить реконструкцию действующих паросиловых блоков и осуществлять новое строительство высокоэкономичных парогазовых установок на базе перспективных технологий.
Компрессор, применяемый для сжатия газов перед ГТЭ – 16 ступенчатый со стальным облопачиванием. Обеспечена возможность снятия и установки лопаток любой из 16 ступеней компрессора на собранном роторе. Компрессор оснащается тремя поворотными направляющими аппаратами, включая ВНА, обеспечивающими регулирование расхода воздуха через компрессор в диапазоне от 100 до 70%.

Газодинамические характеристики компрессора и прочность рабочих лопаток первых шести ступеней подтверждена испытаниями модельного компрессора в масштабе 1:2,23 на стенде НПО ЦКТИ.

Компрессор для сжатия газов
Рисунок 5 – Компрессор для сжатия газов

 Ротор двухопорный сборный, дисково-го типа, с передней и задней концевыми частями и общей центральной стяжкой, опирается на два баббитовых подшипника скольжения. Упорный подшипник совмещен с опорным подшипником компрессора. Фикспункт ГТУ расположен на передней опоре. Соединение дисков – хиртовое.
Сборка ротора осуществляется на вертикальном стенде, затяжка гайки центральной стяжки производится при помощи гидравлического приспособления.
Потребный расход воздуха обеспечивается совместной работой трех компрессоров К-250, подогрев воздуха – независимым теплообменником с технологической камерой сгорания, а температура газа на выходе из бокса снижается за счет подсоса воздуха через эжекторную систему. Пульт управления стендом оснащен АИС, позволяющей фиксировать и обрабатывать более 600 сигналов одновременно.

Камера сгорания низкоэмиссионная с горелками предварительного смешения. Кольцевая камера сгорания двухтопливная (газ и дизельное топливо). Максимальное потребное давление газа на подводе к ГТУ – 33 кг/см2. Элементы камеры сгорания защищены термобарьерным покрытием.

Испытания проводились в два этапа: отработка алгоритмов зажигания и температурных полей на стенде завода-изготовителя (ГУП «Ивченко-Прогресс») и испытания на стендеогневых испытаний ЛМЗ при давлении до 9 кг/см2.

Схема установки горелок

Рисунок 6 – Схема установки горелок.

Стенд огневых испытаний камер сгорания для исследования полноразмерного модуля камеры сгорания в условиях, максимально приближенных к натурным.
Параметры стенда:
расход воздуха, кг/с…………………………………………………………………………………….19,1
максимальное давление воздуха, МПа…………………………………………………………..0,9
температура воздуха, °С………………………………………………………………………………395
температура газа за отсеком, °С…………………………………………………………………1347
расход топливного газа, кг/с………………………………………………………………………0,418
максимальное давление топливного газа, МПа………………………………………………1,2

Турбина 4-хступенчатая с охлаждением первых трех ступеней. Для поддержания постоянной температуры корпусов и исключения их овализации применены конструкции обойменного типа. Воздух на охлаждение элементов турбины, в том числе ротора, всех направляющих и трех рабочих ступеней лопаток, отбирается за 5, 10 и 13 ступенями и за компрессором. Лопатки выполнены равноосным литьем из сплавов на никелевой основе со специальным легированием. Рабочие лопатки 1–3 ступеней и направляющие лопатки 1–4 ступеней имеют систему внутреннего охлаждения. Лопатки 1 ступени имеют развитую перфорацию на профиле и полках для пленочного охлаждения. Рабочие лопатки 2–4 ступеней имеют бандажные полки. Направляющие лопатки 2–4 ступеней выполнены блочными с сотовыми уплотнениями. Все рабочие лопатки могут быть заменены на роторе без его разборки с помощью специально разработанного для этого приспособления. Заявленные характеристики лопаток 1 и 2 ступеней проверяются на стенде тепло-гидравлических исследований НПО ЦКТИ путем снятия расходных характеристик и термометрирования лопаток по профилю при температуре газа до 1000°С. Техническая документация на лопатки и оснастку литейного производства разработаны в системе система трёхмерного моделирования с использованием технологии электронной передачи информации между предприятиями.

рабочие лопатки
а)
направляющие лопатки
б)
Рисунок 7 – Конструкции лопаток турбины.а) рабочие лопатки
6) направляющие лопатки

Современные методы 3D математического моделирования

При проектировании ГТЭ-65 использовались современные программные комплексы FLUENT и ANSYS по трехмерному математическому моделированию процессов газодинамики и термонапряженному состоянию деталей турбомашины. Программный комплекс FLUENT применялся при анализе теченииий теплового состояния проточной части компрессора и турбины, а программный комплекс ANSYS использовался для оценки прочности и обеспечения расчетного ресурса узлов ГТУ. Потребный расход воздуха обеспечивается совместной работой трех компрессоров К-250, подогрев воздуха – независимым теплообменником с технологической камерой сгорания, а температура газа на выходе из бокса снижается за счет подсоса воздуха через эжекторную систему. Пульт управления стендом оснащен АИС, позволяющей фиксировать и обрабатывать более 600 сигналов одновременно. электростанций – представляет газотурбинную энергетическую установку – ГТЭ-65, выпускаемую Филиалом ОАО «Силовые машины» «ЛМЗ». Сборка ротора осуществляется на вертикальном стенде, затяжка гайки центральной стяжки производится при помощи гидравлического приспособления. На основе комплексной программной системы проектирования турбомашин фирмы Concepts NREC осуществляется дальнейшее совершенствование проточной части компрессора и турбины путем пространственного профилирования.

FLUENT

ANSYS

Concepts NREC

Статья создана на основе материалов ОАО «Силовые машины» http://www.power-m.ru