Газотурбинные установки (ГТУ) - тепловые машины, в которых тепловая энергия газообразного рабочего тела преобразуется в механическую энергию. Основными компонентами являются: компрессор, камера сгорания и газовая турбина. Для обеспечения работы и управления в установке присутствует комплекс объединенных между собой вспомогательных систем. ГТУ в совокупности с электрическим генератором называют газотурбинным агрегатом. Вырабатываемая мощность одного устройства составляет от двадцати киловатт до десятков мегаватт. Это классические газотурбинные установки. Производство электроэнергии на электростанции осуществляется при помощи одной или нескольких ГТУ.

Устройство и описание

Газотурбинные установки состоят из двух основных частей, расположенных в одном корпусе, - газогенератора и силовой турбины. В газогенераторе, включающем в себя камеру сгорания и турбокомпрессор, создается поток газа высокой температуры, воздействующего на лопатки силовой турбины. При помощи теплообменника производится утилизация выхлопных газов и одновременное производство тепла через водогрейный или паровой котел. Работа газотурбинных установок предусматривает использование двух видов топлива - газообразного и жидкого.

В обычном режиме ГТУ работает на газе. В аварийном или резервном при прекращении подачи газа осуществляется автоматический переход на жидкое (дизельное) топливо. В оптимальном режиме газотурбинные установки комбинированно производят электрическую и тепловую энергию. По количеству вырабатываемой тепловой энергии ГТУ значительно превосходят газопоршневые устройства. Турбоагрегаты используются на электростанциях как для работы в базовом режиме, так и для компенсирования пиковых нагрузок.

История создания

Идея использовать энергию горячего газового потока была известна еще с древних времен. Первый патент на устройство, в котором были представлены те же основные составляющие, что и в современных ГТУ, был выдан англичанину Джону Барберу в 1791 году. Газотурбинная установка включала в себя компрессоры (воздушный и газовый), камеру сгорания и активное турбинное колесо, но так и не получила практического применения.

В 19-м и начале 20-го века многие ученые и изобретатели всего мира разрабатывали установку, пригодную для практического применения, но все попытки были безуспешными ввиду низкого развития науки и техники тех времен. Полезная мощность, выдаваемая опытными образцами, не превышала 14% при низкой эксплуатационной надежности и конструктивной сложности.

Впервые газотурбинные установки электростанций были использованы в 1939 году в Швейцарии. В эксплуатацию была введена электростанция с турбогенератором, выполненным по простейшей схеме мощностью 5000 кВт. В 50-х годах эта схема была доработана и усложнена, что позволило увеличить КПД и мощность до 25 МВт. Производство газотурбинных установок в промышленно развитых странах сформировалось в единый уровень и направление развития по мощностям и параметрам турбоагрегатов. Суммарная мощность выпущенных в Советском Союзе и России газотурбинных установок исчисляется миллионами кВт.

Принцип работы ГТУ

Атмосферный воздух поступает в компрессор, сжимается и под высоким давлением через воздухоподогреватель и воздухораспределительный клапан направляется в камеру сгорания. Одновременно через форсунки в камеру сгорания подается газ, который сжигается в воздушном потоке. Сгорание газовоздушной смеси образует поток раскаленных газов, который с высокой скоростью воздействует на лопасти газовой турбины, заставляя их вращаться. Тепловая энергия потока горячего газа преобразуется в механическую энергию вращения вала турбины, который приводит в действие компрессор и электрогенератор. Электроэнергия с клемм генератора через трансформатор направляется в потребительскую электросеть.

Горячие газы через регенератор поступают в водогрейный котел и далее через утилизатор в дымовую трубу. Между водогрейным котлом и центральным тепловым пунктом (ЦТП) при помощи сетевых насосов организована циркуляция воды. Нагретая в котле жидкость поступает в ЦТП, к которому осуществляется подключение потребителей. Термодинамический цикл газотурбинной установки состоит из адиабатного сжатия воздуха в компрессоре, изобарного подвода теплоты в камере сгорания, адиабатного расширения рабочего тела в газовой турбине, изобарного отвода теплоты.

В качестве топлива для ГТУ используется природный газ - метан. В аварийном режиме, в случае прекращения подачи газа, ГТУ переводится на частичную нагрузку, а в качестве резервного топлива используются дизельное топливо или сжиженные газы (пропан-бутан). Возможные варианты работы газотурбинной установки: отпуск электроэнергии или совмещенный отпуск электричества и тепловой энергии.

Когенерация

Производство электричества с одновременной выработкой сопутствующей тепловой энергии называется когенерацией. Эта технология позволяет значительно повысить экономическую эффективность использования топлива. В зависимости от нужд газотурбинная установка дополнительно может оснащаться водогрейными или паровыми котлами. Это дает возможность получать горячую воду или пар различного давления.

При оптимальном использовании двух видов энергии достигается максимальный экономический эффект когенерации, а коэффициент использования топлива (КИТ) достигает 90%. В этом случае тепло выхлопных газов и тепловая энергия из системы охлаждения агрегатов, вращающих электрогенераторы (по сути, бросовая энергия), используется по назначению. При необходимости утилизируемое тепло может использоваться для производства холода в абсорбционных машинах (тригенерация). Система когенерации состоит из четырех ключевых частей: первичный двигатель (газовая турбина), электрогенератор, система теплоутилизации, система управления и контроля.

Управление

Выделяют два основных режима работы, при которых эксплуатируются газотурбинные установки:

• Стационарный. В этом режиме турбина работает при фиксированной номинальной или неполной нагрузке. До недавнего времени стационарный режим был основным для ГТУ. Остановка турбины проводилась несколько раз в год для плановых ремонтов или в случае неполадок.
• Переменный режим предусматривает возможность изменения мощности ГТУ. Необходимость изменять режим работы турбины может быть вызвана одной из двух причин: если изменилась потребляемая электрогенератором мощность ввиду изменения подключенной к нему нагрузки потребителей, и если изменилось атмосферное давление и температура забираемого компрессором воздуха. К нестационарным режимам, причем наиболее сложным, относится остановка и пуск газотурбинной установки. При последнем машинист газотурбинных установок должен выполнить многочисленные операции перед первым толчком ротора. Перед полноценным пуском установки осуществляется предварительная раскрутка ротора.

Изменение режима работы установки осуществляется регулировкой подачи горючего в камеру сгорания. Главной задачей управления ГТУ является обеспечение нужной мощности. Исключением является газотурбинная энергетическая установка, для которой основная задача управления - постоянство частоты ращения, связанного с турбиной электрического генератора.

Применение в энергетике

В стационарной энергетике применяются ГТУ разного назначения. В качестве основных приводных двигателей электрогенераторов на тепловых электростанциях газотурбинные установки используются в основном в районах с достаточным количеством природного газа. Благодаря возможности быстрого пуска ГТУ широко применяются для покрытия пиковых нагрузок в энергосистемах в периоды максимального потребления энергии. Резервные газотурбинные агрегаты обеспечивают внутренние нужды ТЭС во время остановки основного оборудования.

КПД

В целом электрический КПД газовых турбин ниже, чем у других силовых агрегатов. Но при полной реализации теплового потенциала газотурбинного агрегата значимость этого показателя становится менее актуальной. Для мощных газотурбинных установок существует инженерный подход, предполагающий комбинированное использование двух видов турбин за счет высокой температуры выхлопных газов.

Вырабатываемая тепловая энергия идет на производство пара для паровой турбины, которая используется параллельно с газовой. Это повышает электрический КПД до 59% и существенно увеличивает эффективность использования топлива. Недостатком такого подхода является конструктивное усложнение и удорожание проекта. Соотношение производимой ГТУ электрической и тепловой энергии примерно 1:2, то есть на 10 МВт электроэнергии выдается 20 МВт энергии тепловой.

Достоинства и недостатки

К преимуществам газовых турбин относятся:

• Простота устройства. Ввиду отсутствия котельного блока, сложной системы трубопроводов и множества вспомогательных механизмов металлозатраты на единицу мощности у газотурбинных установок значительно меньше.
• Минимальный расход воды, которая в ГТУ требуется только для охлаждения подаваемого к подшипникам масла.
• Быстрый ввод в работу. Для газовых турбоагрегатов время пуска из холодного состояния до принятия нагрузки не превышает 20 минут. Для паросиловой установки ТЭС пуск занимает несколько часов.

Недостатки:

• В работе газовых турбоагрегатов используется газ с весьма высокой начальной температурой - более 550 градусов. Это вызывает трудности при практическом исполнении газовых турбин, так как требуются специальные жаростойкие материалы и особые системы охлаждения для наиболее нагреваемых частей.
• Около половины развиваемой турбиной мощности расходуется на привод компрессора.
• ГТУ ограничены по топливу, используется природный газ или качественное жидкое топливо.
• Мощность одной газотурбинной установки ограничена 150 МВт.

Экология

Позитивным фактором использования ГТУ является минимальное содержание вредных веществ в выбросах. По этому критерию газовые турбины опережают ближайшего конкурента - поршневые электростанции. Благодаря своей экологичности газотурбинные агрегаты без проблем можно размещать в непосредственной близости от мест проживания людей. Низкое содержание вредных выбросов при эксплуатации ГТУ позволяет экономить средства при строительстве дымовых труб и приобретении катализаторов.

Экономика ГТУ

На первый взгляд, цены на газотурбинные установки довольно высоки, но при объективной оценке возможностей этого энергетического оборудования все аспекты встают на свои места. Высокие капиталовложения на старте энергетического проекта полностью компенсируются незначительными расходами при последующей эксплуатации. Кроме того, значительно снижаются экологические платежи, уменьшаются затраты на покупку электрической и тепловой энергии, снижается влияние на окружающую среду и население. Вследствие перечисленных причин ежегодно приобретаются и устанавливаются сотни новых газотурбинных установок.

К теплоэлектроцентралям (ТЭЦ) относятся электростанции, которые вырабатывают и отпускают потребителям не только электрическую, но и тепловую энергию. При этом в качестве теплоносителей служат пар из промежуточных отборов турбины, частично уже использованный в первых ступенях расширения турбины для выработки электроэнергии, а также горячая вода с температурой 100-150° С, нагреваемая отбираемым из турбины паром. Пар из парового котла поступает по паропроводу в турбину где он расширяется до давления в конденсаторе и потенциальная энергия его преобразуется в механическую работу вращения ротора турбины и соединенного с ним ротора генератора. Часть пара после нескольких ступеней расширения отбирается из турбины и направляется по паропроводу потребителю пара. Место отбора пара, а значит, и его параметры устанавливаются с учетом требований потребителя. Так как теплота на ТЭЦ расходуется на производство электрической и тепловой энергии, то различаются КПД ТЭЦ по производству и отпуску электроэнергии и производству и отпуску теплоэнергии.

Газотурбинные установки (ГТУ) состоят из трех основных элементов: воздушного компрессора, камеры сгорания и газовой турбины. Воздух из атмосферы поступает в компрессор, приводимый в действие пусковым двигателем, и сжимается. Далее под давлением его подают в камеру сгорания, куда одновременно подводится топливным насосом жидкое или газообразное топливо. Для того чтобы снизить температуру газа до приемлемого уровня (750-770° С), в камеру сгорания подают в 3,5-4,5 раза больше воздуха, чем нужно для сгорания топлива. В камере сгорания он разделяется на два потока: один поток поступает внутрь жаровой трубы и обеспечивает полное сгорание топлива, а второй обтекает жаровую трубу снаружи и, подмешиваясь к продуктам сгорания, снижает их температуру. После камеры сгорания газы поступают в газовую турбину, находящуюся на одном валу с компрессором и генератором. Там они, расширяясь (примерно до атмосферного давления), совершают работу, вращая вал турбины, и затем выбрасываются через дымовую трубу. Мощность газовой турбины значительно меньше мощности паровой турбины и в настоящее время КПД около 30%.

Парогазовые установки (ПГУ) представляют собой сочетание паротурбинной (ПТУ) и газотурбинной (ГТУ) установок. Такое объединение позволяет снизить потери отработавшей теплоты газовых турбин или теплоты уходящих газов паровых котлов, что обеспечивает повышение КПД по сравнению с отдельно взятыми ПТУ и ГТУ. Кроме того, при таком объединении достигается ряд конструктивных преимуществ, приводящих к удешевлению установки. Распространение получили два типа ПГУ: с высоконапорными котлами и со сбросом отработавших газов турбины в топочную камеру обычного котла. Высоконапорный котел работает на газовом или очищенном жидком топливе. Дымовые газы, выходящие из котла с высокой температурой и избыточным давлением, направляются в газовую турбину, на одном валу с которой находятся компрессор и генератор. Компрессор нагнетает воздух в топочную камеру котла. Пар из высоконапорного котла направляется к конденсационной турбине, на одном валу с которой находится генератор. Отработавший в турбине пар переходит в конденсатор и после конденсации насосом подается снова в котел. Выхлопные газы турбины подводятся к экономайзеру для подогрева питательной воды котла. В такой схеме не требуется дымосос для удаления отходящих газов высоконапорного котла, функцию дутьевого насоса выполняет компрессор. КПД установки в целом достигает 42-43%. В другой схеме парогазовой установки осуществляется использование теплоты отработавших газов турбины в котле. Возможность сброса отработавших газов турбины в топочную камеру котла основывается на том, что в камере сгорания ГТУ топливо (газ) сжигают с большим избытком воздуха и содержание кислорода в выхлопных газах (16-18%) является достаточным для сжигания основной массы топлива.

29. АЭС: устройство, типы реакторов, параметры, режимные характеристики.

АЭС относятся к тепловым ЭС, т.к. в их устройстве есть тепловыделители, теплоноситель и генератор эл. тока – турбина.

АЭС могут быть конденсационными, теплофикационными (АТЭЦ), атомные станции теплоснабжения (АСТ).

Ядерные реакторы классифицируются по различным признакам:

1. по уровню энергии нейтронов:

На тепловых нейтронах

На быстрых нейтронах

2. по виду замедлителя нейтронов: водными, тяжеловодными, графитовыми.

3. по виду теплоносителя: водными, тяжеловодными, газовыми, жидко металлическими

4. по числу контуров: одно-, двух-, трех- контурные

В современных реакторах для деления ядер исходного топлива используются в основном тепловые нейтроны. Все они имеют прежде всего так называемую активную зону , в которую загружается ядерное топливо, содержащее уран 235 замедлитель (обычно графит или вода). Для сокращения утечки нейтронов из активной зоны последнюю окружают отражателем, выполненным обычно из того же материала, что и замедлитель.

За отражателем снаружи реактора размещается бетонная защита от радиоактивных излучений. Загрузка реактора ядерным топливом обычно значительно превышает критическую. Чтобы по мере выгорания топлива непрерывно поддерживать реактор в критическом состоянии, в активную зону вводят сильный поглотитель нейтронов в виде стержней из карбамида бора. Такие стержни называютрегулирующими или компенсирующими. В процессе деления ядра выделяется большое количество теплоты, которая отводиться теплоносителем в теплообменник парогенератора , где она превращается в рабочее тело – пар. Пар поступает в турбину и вращает ее ротор, вал которого соединен с валом генератора . Отработавший в турбине пар попадает в конденсатор , после которого сконденсированная вода вновь идет в теплообменник, и цикл повторяется.

Для функционирования промышленных и хозяйственных объектов, находящихся на значительном удалении от централизованных линий электропередачи, применяются электрогенерирующие установки малой энергетики. Они могут функционировать на различных видах топлива. Наибольшее распространение получили газотурбинные электростанции благодаря высокому КПД, способности генерировать тепловую энергию и ряду других особенностей.

Принцип действия

Основу газотурбинной электростанции (ГТЭС) составляет - силовая установка, работающая на энергии сгорания газообразного топлива, механически связанная с электрогенераторами и объединенная с ними в единую систему. Газотурбинная установка является самым мощным двигателем внутреннего сгорания. Ее удельная мощность может составлять 6 кВт/кг.

В отличие от других типов силовых установок, в ГТД все процессы происходят в потоке постоянно движущегося газа. Сжатый компрессорами атмосферный воздух вместе с топливом поступает в камеру сгорания. Смесь воспламеняется с выделением большого количества продуктов сгорания под высоким давлением, которые давят на лопасти, вращают их, а вместе с ними и электрогенераторы.

Мощность газотурбинной электростанции варьируется от 20 киловатт до нескольких сотен мегаватт. В качестве топлива может использоваться любой горючий материал, который можно диспергировать (тонко измельчить) и представить в газообразном виде.

Преимущества ГТЭС

Важным преимуществом газотурбинных электростанций является возможность одновременного использования двух видов энергии - электрической и тепловой. Причем количество тепла, отдаваемое потребителю, в два-три раза больше, чем количество вырабатываемого электричества. Когенерация (процесс выработки двух типов энергии) становится возможной при установке специального котла утилизатора на выхлопе турбины.

Используя газотурбинные электростанции, удается создать автономные энергетические комплексы, которые способны разрешить одновременно несколько задач:

1. Обеспечить электроэнергией частные и промышленные объекты.
2. Утилизировать побочный газ при нефтедобыче.
3. Обогреть технические помещения и жилые корпуса побочным теплом.

Все это позволяет в значительной мере снизить затраты на обеспечение предприятия, создать оптимальные условия для работы персонала и сконцентрировать материальные средства и капитал на расширении производства и решении других, более важных задач.

Особенности газотурбинных электростанций

Одной из главных особенностей ГТЭС является способность функционирования практически на любом виде топлива. Как уже отмечалось ранее, для работы газотурбинные электростанции могут использовать горючее, которое можно диспергировать. В качестве такого могут выступать бензин, мазут, нефть, природный газ, спирт и даже измельченный уголь.

В конструкции ГТЭС практически отсутствуют движущиеся элементы. Единственная подвижная деталь, которая объединяет ротор генератора, колеса турбины и компресс, может быть подвешена при помощи газодинамического подшипника. В результате этого износ рабочих узлов будет сведен к минимуму, что существенным образом скажется на долговечности установки.

Одновременно с этим увеличивается и период межсервисного обслуживания до 60 тыс. часов беспрерывной работы или до 7 лет эксплуатации. Газотурбинные электростанции нельзя использовать в качестве резервных источников энергии, ибо в момент пуска особенно интенсивно изнашиваются детали. Количество запусков установок ограничено 300 в год.

Мобильные ГТЭС

Особое место в промышленной сфере занимают мобильные газотурбинные установки. В отличие от обычных ГТЭС они обладают меньшими габаритами и массой, оборудуются на передвижной платформе и оснащаются электронными системами управления. Как правило, такие комплексы используются для восстановления подачи электроэнергии на объект.

Мобильная газотурбинная электростанция развертывается на площадках с твердым покрытием, обеспечивающих устойчивое положение. К ней подводится топливопровод, а в непосредственной близости устанавливается Время развертывания зависит от типа установки, но обычно не превышает 8-12 часов.

Мощность мобильных установок варьируется от 5 до 25 МВт. При этом КПД передвижных ГТЭС начинает расти от 35%. Как и стационарные электростанции, также выделяют тепловую энергию. Но вместе с этим создают меньше расходов, связанных с эксплуатацией и пусконаладочными работами.

Парогазовые электростанции

Парогазовую установку можно назвать модификацией ГТЭС. Как и газотурбинные установки электростанций, подобные генераторы используют энергию сгорания диспергированного топлива. Но проходя через турбину, газообразные продукты отдают лишь часть своей энергии и выбрасываются в атмосферу в нагретом состоянии. Парогазовые установки используют это тепло.

В конструкции парогазовых электрогенераторов имеется паросиловая установка, которая располагается в торцевой части турбины. В ней находится вода, которая закипает от нагретых продуктов сгорания. Образуется огромное количество пара, которое вращает турбину и приводит дополнительный генератор в действие.

Газотурбинные и парогазовые электростанции могут применяться во всех отраслях промышленности, однако второй вид генераторов предпочтительнее, ибо их КПД составляет более 60%.

Сферы применения ГТЭС

Использование газотурбинных установок целесообразно для удаленных от централизованных линий электроснабжения потребителей, а также для сезонно функционирующих объектов. В таком случае затраты на обеспечение предприятия электричеством будут ниже, чем на подключение к ЛЭП.

Крупногабаритные ГТЭС целесообразно использовать вместо тепловых электростанций в том случае, если имеется дешевый источник топлива. Такая ситуация характерна для нефтегазоносных районов Севера. При этом удается сэкономить и на обогреве помещений.

В последнее время мобильная газотурбинная электростанция стала широко применяться и в городских условиях благодаря низкому уровню производимого шума, вибрации и токсичности выхлопных газов. Ее целесообразно использовать в случаях, когда подключение к энергосети города затруднено или стоимость последней слишком высока.

Щаулов В.Ю., инженер;
Афанасьев И.П., кандидат технических наук;
Гиззатулин Р.З., инженер
ОАО «Башкирэнерго»

В 2000 году в Башкортостане в районном центре Большеустьикинское была построена и введена в эксплуатацию газотурбинная электростанция ГТУ-ТЭЦ "Шигили".

Газотурбинная теплоэлетростанция "Шигили"

Электрическая мощность станции – 4 МВт, тепловая – 8,8 МВт, коэффициент использования тепла топлива – не менее 75,4%. Станция была построена всего за полтора года. Основным её назначением является теплоснабжение районного центра, а также повышение надёжности электроснабжения, как райцентра, так и близлежащих населенных пунктов Мечетлинского района.

Основное теплосиловое оборудование можно разделить на две части:
газотурбинная электростанция ГТЭС Урал 2500Р;
утилизационный контур.

Газотурбинная электростанция производства пермского ОАО "Авиадвигатель" выполнена в блочно-модульном исполнении. Газотурбинный двигатель, генератор и все вспомогательные системы расположены внутри турбоблока.

В качестве газотурбинного привода используется газогенератор конвертированного авиационного двигателя Д-30, получивший обозначение Д-30ЭУ2. Для привода генератора служит свободная турбина (турбина низкого давления базового двигателя), соединённая с генератором через редуктор РД-45 и фрикционную муфту.

Генератор марки ГТГ-4-2РУХЛЗ производства «ООО Привод Электромеканик» (г.Лысьва) рассчитан на напряжение 10,5 кВ. Существует возможность монтажа и демонтажа в турбоблоке двигателя, редуктора и генератора.

Утилизационный контур включает в себя теплообменник-утилизатор для подогрева сетевой воды для теплоснабжения поселка. Теплообменник-утилизатор разработан ПТО "Башкирэнерго" (p раб =12 кгс/см² и t раб до 115°С) и изготовлен ДОО "Энергоремонт".

Теплообменник-утилизатор

Теплосеть ГТУ-ТЭЦ - районная котельная длинной 700 метров - наземной прокладки.
В связи с тем что, теплосети поселка сильно изношены, из-за большой подпитки часто происходит подача в теплосеть сырой воды. Поэтому на этапе проектирования было принято решение отделить утилизационный контур ГТУ-ТЭЦ от теплосети поселка. Теплообмен между утилизационным контуром и теплосетью потребителя происходит в пяти пластинчатых теплообменных модулях производства уфимского Башкирского ПО "Прогресс", расположенных в котельной поселка.

С начала отопительного сезона и по настоящий момент ГТУ-ТЭЦ несёт отопительную нагрузку районного центра, котлоагрегаты в котельной находятся в резерве на случай останова ГТУ-ТЭЦ, работает лишь насосная станция котельной. Наработка ГТУ с момента первого пуска составила более 3000 часов и сейчас можно подвести некоторые итоги с точки зрения эксплуатации этого объекта.

Данная электростанция имеет ряд особенностей, как в силу её конструкции, так и в силу её размещения. Расположена она на северо-востоке Башкортостана в Мечетлинском районе, где нет других генерирующих мощностей. Это позволило снизить потери в электрических сетях на 8–9%, что в значительной степени компенсировало относительно невысокий электрический КПД ГТУ-ТЭЦ (23,3%).

Электроснабжение этого района производится по ВЛ-110 кВ от ПС 110 Симская ОАО "Челябэнерго" протяжённостью 109,4 км до подстанции ПС 110/35/10 Лемез-Тамак и далее по ВЛ 35 кВ длинной 40,8 км до ПС 35/10 Усть-Икинск.

При такой большой протяжённости линий, проходящих, кроме того, по горной и лесистой местности, возможны периодические отключения и колебания напряжения в сети, что естественно будет влиять на работу электростанции такой небольшой мощности. Поэтому на этапе наладки была проведена большая работа по корректировке как алгоритмов релейной защиты и автоматики сети, так и алгоритмов работы самой ГТЭС.

Так на ПС Усть-Икинск введена делительная автоматика, действующая на выделение ГТУ-ТЭЦ на изолированную работу при понижении частоты в сети ниже 48,5 Гц, выведены АПВ, запрещены РПВ без выяснения режима работы ГТУ и ПС Усть-Икинск на подводящих линиях 110 и 35 кВ; в инструкции для оперативного персонала внесены соответствующие изменения.

Результатом данных работ стало успешное проведение испытаний по выделению электростанции на изолированную работу.
Производилось отключение ВЛ-35 на ПС Лемез-Тамак, что привело к выделению делительной автоматикой ГТУ-ТЭЦ на изолированную работу на ПС Усть-Икинск. Это сопровождалось сбросом нагрузки с 4 до 2 МВт.

При этом произошел наброс частоты до 51 Гц, после отключения статизма регулятора n ст двигателя частота установилась на уровне 50 Гц, напряжение поддерживалось 10,5 кВ.

Для подачи напряжения энергосистемы на ПС Усть-Икинск на ГТУ-ТЭЦ произвели отключение ВВ-10 кВ ГТУ-ТЭЦ - ПС Усть-Икинск, при этом произошел сброс нагрузки на генераторе с 2 МВт до 112 кВт и наброс частоты тока 54 Гц на время менее 1 сек. со срабатыванием алгоритма сброса нагрузки. Параметры по частоте пришли в норму через 5 сек. Отклонения по напряжению в сети не наблюдалось. В этом режиме ГТУ-ТЭЦ работала только на собственные нужды.

Данная операция позволила после отключения генераторного выключателя произвести синхронизацию и включение в сеть без остановки ГТУ.

Следует отметить, что при проектировании ГТЭС специалистами предприятия-изготовителя подобный сценарий развития событий при работе станции даже не рассматривался, однако уже в ходе начавшейся эксплуатации такие ситуации происходили, и оборудование ГТУ-ТЭЦ и её персонал отработали без замечаний.

Теперь можно реально говорить о повышении надёжности энергоснабжения районного центра и близлежащих населенных пунктов.

Другой особенностью ГТУ-ТЭЦ является применённый на ней генератор ГТГ-4, а точнее его подшипниковые опоры. Впервые на генераторе мощностью 4 МВт, ротор которого вращается с частотой 3000 об/мин, применена картерная смазка подшипников скольжения.
Это позволило избавиться от маслопроводов, маслобаков и другого вспомогательного оборудования маслосистемы генератора. Доводка данных опор потребовала много времени и сил, как предприятия поставщика генератора, так и персонала ГТУ-ТЭЦ. Проблемой было устранение утечек масла из опор, а также поддержание температурного состояния вкладышей подшипников в допустимом диапазоне.

В качестве резервного, был проработан вариант перевода опор генератора на циркуляционную смазку и даже изготовлена соответствующая оснастка. Однако благодаря настойчивости руководства ОАО "Башкирэнерго" первоначальный вариант с картерной смазкой был принят за основу. После доработки конструкции, доливка масла в опоры производится один раз в 1,5-2 недели в количестве 100-200 г, а температура вкладышей находится в пределах 73-80°С. Недостатком конструкции остается неудобство сборки подшипников и трудность обеспечения требуемых допусков и зазоров.

Отдельно стоит сказать о системе управления электростанцией. Её можно разделить на систему автоматического управления (САУ) газотурбинным двигателем, комплекс управления электростанцией (КУЭС) и автоматизированную систему управления (АСУТП) верхнего уровня, осуществляющую управление и контроль параметров всей ГТУ-ТЭЦ. Все параметры двигателя, редуктора и генератора, их диагностика и состояние отображаются на станции оператора. Там же представлены параметры утилизационного контура и системы газоснабжения.

Пультовая ГТУ-ТЭЦ

Параметры ГТУ-ТЭЦ можно представить как в табличном, так и графическом виде, а протокол сообщений о работе станции выводится на бумажный носитель, что облегчает анализ аварийных ситуаций. Управлять работой станции можно как с клавиатуры, так и с помощью «мыши». В случае отказа системы управления ГТЭС или ошибки оператора предусмотрен резервный пульт индикации и управления, с помощью которого можно заблокировать исполнение ошибочных команд КУЭС ГТЭС и аварийно остановить ГТУ. Система управления ГТЭС предусматривает автоматическую работу станции, когда от оператора практически требуется только задание нагрузки станции и ручное управление. При этом оператор может управлять отдельными системами ГТЭС, такими как подогрев опор генератора, подзарядка аккумуляторов, управление заслонками противообледенительной системы, включение и отключение статизма двигателя, а также некоторыми другим операциями, необходимыми как в процессе работы станции, так и при опробовании отдельных её систем.

ГТУ-ТЭЦ работает на природном газе с давлением 12 кгс/см². Газ проходит очистку в фильтрах грубой очистки (фильтры ФГ-19) и тонкой очистки (БФ1). Эффективность очистки – 40 мкм. Для предотвращения попадания в топливную систему двигателя продуктов коррозии подводящего трубопровода, газопровод после фильтров тонкой очистки и арматура, установленная на нем, выполнены из нержавеющей стали.

Подготовка станции к запуску занимает около часа. При этом основное время затрачивается на прогрев опор генератора, так как КУЭС выдает запрет на запуск ГТУ при температуре масла и вкладышей опор ниже 30°С. Запуск ГТУ производится сжатым воздухом с давлением 4 кгс/см², отбираемым от газотурбинного стартера ТА-6А производства Уфимского объединения "Гидравлика".

ТА-6А представляет собой небольшой отдельно расположенный газотурбинный двигатель, используемый на самолетах в качестве вспомогательной силовой установки. Запускается ТА-6А от двух аккумуляторов от автомобиля «КАМАЗ» и работает на авиационном керосине (Т-1, ТС-1). Время его работы 7-8 мин, а запуск всей станции от момента пуска ТА-6А, до готовности принять нагрузку - не более 10 мин. Сюда входит прогрев ГТУ в течение 2-х минут, после которого можно брать номинальную нагрузку.

Наличие отдельного газотурбинного стартера можно считать недостатком из-за усложнения технологии запуска и увеличения вероятности отказов при запуске. Предприятие-изготовитель предлагает осуществлять запуск основного двигателя пусковой турбиной, в которой в качестве рабочего тела используется природный газ, что и делается при эксплуатации подобных электростанций на нефте- и газопромыслах. На других ГТУ-ТЭЦ с аналогичными двигателями, строящихся в Башкортостане, будет использоваться именно такой запуск.

До начала эксплуатации большое опасение у населения районного центра вызывал возможный шум работающей ГТУ-ТЭЦ. Для его снижения были установлены пластинчатые глушители во всасывающей шахте и на дымовой трубе. Данные мероприятия позволили снизить шум на рабочих местах персонала ниже допустимых, а в районе, прилегающем к станции, практически до естественного фона.

Результаты замеров уровней звукового давления (дБ)

Помимо чисто технических проблем предприятие электрических сетей, эксплуатирующее ГТУ-ТЭЦ, столкнулось и с проблемой организации и обучения персонала службы, не характерной для ПЭС.

ГТУ-ТЭЦ обслуживается персоналом Службы Станций Северо-восточных электрических сетей ОАО "Башкирэнерго". Необходимость создания данной службы возникла в связи с появлением в сетевом предприятии нескольких небольших электростанций. Это Мечетлинская малая ГЭС (МГЭС) мощностью 230 кВт, ГТУ-ТЭЦ «Шигили» в районном центре Большеустикинское и установка из двух газопоршневых агрегатов суммарной мощностью 2 МВт и тепловой 2,3 МВт в санатории Янгантау.

Численность персонала, непосредственно занятого обслуживанием ГТУ-ТЭЦ составляет 13 человек.
В вахте занято 2 человека:
один - начальник смены с правами машиниста ГТУ;
второй - дежурный электромонтер.

Организовано четыре вахты. В штате имеется слесарь по ремонту КИП и А, он же занят оперативным обслуживанием МГЭС, слесарь по ремонту тепломеханического оборудования и аппаратчица ВПУ, она же - уборщица производственных помещений.
Все крупные ремонтные работы и сложные операции по техническому обслуживанию оборудования выполняются по договорам с предприятием-изготовителем ГТЭС и специализированными ремонтными предприятиями.

В связи с тем, что станция была построена «на голом месте», в ней в той или иной мере нашли отражение все структурные подразделения большой станции, но в редуцированном виде. При монтаже подобных установок в действующей котельной увеличение численности персонала будет минимальным.

Как в процессе проектирования, так и при строительстве, наладке и эксплуатации большие трудности были связаны со слабой нормативной базой для подобных станций, ведь практически вся она создавалась для «большой энергетики», и часто новая техника не вписывается в её положения и требования. В данном случае эти проблемы решены.
Но самое важное заключается в том, что на северо-востоке Башкортостана появилась стабильно и надёжно работающая газотурбинная теплоэлектростанция с высокими технико-экономическими показателями, которая приносит реальную пользу, как энергосистеме, так и населению.

Основными разработчиками и производителями отечественных энергетических ГТУ являются следующие предприятия : ОАО «Ленинградский металлический завод» (ЛМ3), г. Санкт-Петербург; АО «Уральский турбомоторный завод» (ТМЗ), г. Екатеринбург; ОАО «Невский завод» (НЛЗ), г. Санкт-Петербург; АО НИКТИТ (Научно- исследовательский институт турбокомпрессоростроения), г. Санкт-Петербург, и др.

В последнее десятилетие ввиду снижения заказов на газотурбинные двигатели (ГТД) для нужд авиации большинство авиационных заводов и КБ начали предлагать ГТД для привода электрических генераторов. Основные российские предприятия-поставщики ГТД для нужд малой и средней энергетики: ЗАО «Энергоавиа» и МКБ «Союз», г. Москва; ОАО «Сатурн», г. Москва; ОАО «Рыбинские моторы», г. Рыбинск; ОАО «Пермские моторы» и ОАО «Авиадвигатель», г. Пермь; ГНПП «Мотор», г. Уфа; АО «Моторостроитель» и СКБМ, г. Самара; ОАО СНТК им. Н.Д. Кузнецова («Двигатели НК»), г. Самара; АО КПП «Авиамотор» и ОАО КМПО, г. Казань.

Крупными производителями энергетических ГТД являются НПО «Машпроект» (г. Николаев, Украина) и ПО «Зоря» (Украина), более 20 лет выпускающие ГТД и энергоустановки единичной мощности 2,5-3,0 МВт для нужд энергетики и газовой промышленности на базе судовых ГТД.

Рабочий проект новой энергетической ГТУ типа ГТЭ-180 подготовлен ОАО ЛМЗ, ОАО «Авиадвигатель» (г. Пермь) и ОАО ВТИ. Камера сгорания ГТЭ-180 имеет трубчатую схему и состоит из 12 пламенных труб. Использован принцип сжигания бедной гомогенной топливовоздушной смеси. Для ее предварительной подготовки применена вихревая горелка, имеющая вспомогательный топливный контур, с помощью которого осуществляются запуск ГТУ, работа на режимах с низкими параметрами и поддержание устойчивого горения основного контура на рабочих режимах. Через вспомогательный контур топливо поступает непосредственно в зону горения пламенной трубы. Каждая пламенная труба КС снабжена 19 вихревыми горелками. Такая многомодульная конструкция позволяет получить более однородное температурное поле на входе в ГТ и осуществить более гибкое управление системой подачи топлива.

АО «Ленинградский металлический завод» осуществляет проектирование новой серии современных энергетических ГТУ типа ГТЭ- 60 - о дневальных двухопорных установок мощностью по ISO (International Organization for Standardization ) 64 МВт при КПД производства электроэнергии 36,5%. Частота вращения газотурбинного двигателя 5441 об/мин, установка снабжена редуктором. Использование кольцевой КС с двухзонным горением должно обеспечить объемную концентрацию вредных выбросов не более 25 ppm (51,3 мг/м 3).

Еще одна ГТУ этого завода типа ГТЭ-350 выполнена по двухопорной схеме в виде одновальной установки с частотой вращения вала 3000 об/мин. Температура газов за КС принята 1500 °С, а силовые лопатки первой ступени охлаждаются паром, так как ГТУ планируется использовать в схеме ПГУ.

Невский завод совместно с АО НИКТИТ разрабатывает серию ГТУ для энергетики на базе установки типа ГТЭР-12. Подготовлены варианты мощностью 10, 12, 16 и 30 МВт, которые могут быть использованы и в схемах ПГУ.

Открытое акционерное общество «СНТК им. Н.Д. Кузнецова» (г. Самара) - крупнейший производитель авиационных двигателей. По заказу РАО «ЕЭС России» на базе газотурбинного двигателя НК-32 (в новой модификации - НК-321) создана энергетическая ГТУ типа НК- 37 мощностью по ISO 25 МВт при КПД производства электроэнергии 36,4%. Такая ГТУ установлена на Безымянской ТЭЦ (г. Самара).

Открытое акционерное общество «Авиадвигатель» (г. Пермь), созданное на базе КБ ведущего российского конструктора А.Д. Швецова, разработало серию энергетических ГТУ типов ГТУ-2,5П, ГТУ-4П, ГТУ-12П и ГТУ-16П. Фирма участвует в работе над крупной ГТУ типа ГТЭ-180.

Предприятие «Мотор» (г. Уфа) на базе авиационного двигателя типа Р13-300 создало энергетическую ГТУ типа ГТЭ-10/95 мощностью 10 МВт, КПД 29% и эмиссией N0* не более 25 ppm.

Технические данные энергетических ГТУ приведены в табл. 6.3, показатели работы ГТУ даны для условий ISO без учета аэродинамических потерь воздухозабора - газовыхода .

Технические данные энергоустановок на базе авиационных и судовых ГТД для условий ISO приведены в табл. 6.4 и 6.5 . Габаритные размеры конвертированных ГТД существенно меньше габаритных размеров специально проектируемых энергетических ГТУ. Наиболее мощный ГТД типа ГТД-110 (см. табл. 6.4), разработанный НПО «Машпроект» на основе технологий судовых ГТД, имеет длину всего 7 м при диаметре 3,1 м. Аналогичные энергетические ГТУ (см. табл. 6.3) имеют существенно большие размеры: 24,2x6,8x5,8 м (ГТ-ЮО-ЗМ) и 18,1x6,1x4,5 м (ГТЭ-115-1170). В табл. 6.4 и 6.5 для примера приведены размеры нескольких ГТД. Все остальные рассмотренные ГТД имеют длину не более 6 м, а по ширине и высоте соответствуют стандартному железнодорожному габариту.

Конструктивно ГТУ для привода электрогенераторов выполняются по одновальной схеме, когда компрессор и газовая турбина расположены на одном валу, и по двухвальной схеме с двумя компрессорами и двумя турбинами с расположением каждой группы на отдельном валу.

Валы могут располагаться соосно по схеме «вал на валу», когда один из валов (компрессор - турбина высокого давления) выполнен 198

полым, или по ходу газового потока последовательно один за другим. Силовая турбина (СТ) обычно устанавливается на отдельном независимом валу, не связанном с газотурбинным двигателем.

Таким образом, по конструкции приводные газовые турбины подразделяются (см. п. 6.2):

1) на одновальные с приводом генератора непосредственно от вала; 2) двухвальные с одним общим валом газотурбинного двигателя (компрессор - турбина) и приводом электрогенератора от отдельной СТ; 3) двухвальные с двумя валами и приводом генератора от вала компрессор - турбина низкого давления; 4) трехвальные с двумя валами ГТД и валом привода генератора от СТ.

Отечественные энергетические ГТУ, как и ГТУ, изготовляемые в Украине, имеют одновальную схему или двухвальную схему с силовой газовой турбиной. Исключение составляют установка: типа ГТЭ- 30, выполненная по трехвальной схеме с СТ, и установка типа ГТ- 100-ЗМ, выполненная по двухвальной схеме с последовательным расположением валов. Такие технические решения приводят к увеличению габаритных размеров агрегатов: длина установки типа ГТЭ-30 составляет 15,3 м, масса 90 т, а длина установки типа ГТЭ-ЮО-ЗМ 24,2 м, масса 367 т (см. табл. 6.3).

Газотурбинные двигатели для привода электрогенераторов, разработанные на основе авиационных и судовых двигателей, как правило, выполнены по двух- и трехвальной схемам с силовой турбиной. Исключение составляет одновальный двигатель типа ГТД-ПО, разработанный для нужд энергетики на основе технологии судовых двигателей.

Открытым акционерным обществом «Рыбинские моторы» (г. Рыбинск) в содружестве с НПО «Машпроект» (г. Николаев, Украина) разработана серия энергетических ГТУ. Среди них ГТУ типа ГТЭ-110 мощностью ПО МВт (по ISO ) и КПД производства электрической энергии 36%. Планируется повышение мощности этой установки до 150 МВт и ее КПД до 38%. На базе собственного ГТД фирма разработала энергетические ГТУ типов ГТД-6РМ и ГТД-ЮРМ. В содружестве с ОАО «А. Люлька-Сатурн» разрабатываются энергетические ГТУ мощностью 35 МВт (по ISO), КПД производства электроэнергии до 40% и уровнем эмиссии N0* и СО не более 25 ppm.

Технические данные энергетических ГТУ (условия по ISO 2314)

Таблица 6.3

Показатель

Тип энергоустановки

«Турбомоторный завод» (Россия)

«Невский

«Турбомоторный

«Невский

«Л М3» (Россия)

(Украина)

«ЛМЗ» (Россия)

«Авиадвигатель» (Россия)

Мощность ГТУ на муфте, МВт

КПД на муфте, %

Степень повышения давления воздуха

Расход газов на выходе, кг/с

Температура газов, °С: перед турбиной

за турбиной

Поколение

Силовая турбина **

Редуктор **

Масса ГТУ на раме, т

Габаритные размеры, м: длина

• * Двухвальная газовая турбина сложного цикла с промежуточным охлаждением воздуха при сжатии и промежуточным подводом теплоты при расширении (две кольцевые КС).
• ** Знак «+» - силовая турбина и редуктор есть, знак «-»- нет.
• *** Длина с выходным устройством.

Показатель	Тин энергоустановки и ГТД (изготовитель)
	ГТД-6 ДВ 71 ГТД 6000 судовой («Маш- проект», Украина)	ГТУ 6/РМ Д-30КУ авиационный («Рыбинские моторы», Россия)	ГТУ-100 НК-14Э авиационный («Моторостроитель», Россия)	авиационный («Мотор»,	авиационный («Пермские	ГТГ-15 ДЖ 59 ГТД 16000 судовой («Маш- проект», Украина)	ГТГ-16 ДБ 90 ГТД 15000 судовой («Маш- проект», Украина)	ГТУ-16П ПС-90 А авиационный («Пермские моторы», Россия)	ГТУ-16ПЭР ПС-90ЭУ-46 авиационный (ОАО «Авиадвигатель», Пермь, Россия)	ГТУ-18 НК-16-18СТ (сер. 2) авиационный (ОАО «Авиамотор», Самара, Россия)
Мощность ГТУ на
муфте, МВт
КПД на муфте, %
Степень повышения
давления воздуха
Расход газов на выхо-
Температура газов, °С:
перед турбиной
за турбиной
Поколение
Силовая турбина *
Редуктор *
Масса ГТУ на раме, т
Г абаритные размеры,

* Знак «+» означает, что силовая турбина и редуктор есть, «-» - нет.

Показатель	Тип энергоустановки и ГТД (изготовитель)
	ГТД 55СТ-20 Р-29-300 авиационный («Энерго- авиа», Россия)	ГТУ 89СТ-20 Д 89 авиационный («Гранит»,	ГТУ-20 АЛ-31 СТЭ авиационный («Сатурн», Россия)	авиационный («Пермские	ГТГ-25 ДГ-80 ГТД 25000 судовой («Маш- проскт», Украина)	НК-900Э НК-37 авиационный («Двигатели НК», Россия)	авиационный («Двигатели	ГТГ-110 (по технологии судовых ГТД) («Рыбинские моторы», Россия; «Маш- проскт», Украина)
Мощность ГТУ на муфте,
КПД на муфте, %
Степень повышения давле-
ния воздуха
Расход газов на выходе,
Температура газов, °С:
перед турбиной
за турбиной
Поколение
Силовая турбина *
Редуктор *
Масса ГТУ на рамс, т								50,0 (без рамы)
Габаритные размеры, м:

* Знак «+» означает, что силовая турбина и редуктор есть, «-» - нет. ** Длина с выходным устройством.

Предприятие «Сатурн» (г. Москва) более 50 лет производит авиационные двигатели под руководством А.М. Люльки. Им разработана энергетическая ГТУ типа АЛ-31СТЭ мощностью 20 МВт (по ISO).

В ряде случаев энергетические ГТУ комплектуют газодожимными компрессорами топливного газа (см. п. 7.9). В опытно-промышленной установке типа ГТУ-25-39 с ГТД типа НК-37 (ОАО «СНТК им. Н.Д. Кузнецова, г. Самара), например, использован поршневой двухступенчатый шестицилиндровый дожимной компрессор типа EFX Model ЕА 1000-2-6. Привод осуществлен с помощью асинхронного электродвигателя мощностью 900 кВт (3,6% установленной мощности ГТУ).