Конструктивный поворот
Феномен распределённой генерации стал возможен благодаря появлению небольших и притом экономически эффективных энергетических установок. В сфере газовых турбин малой мощности сегодня основная тенденция - это снижение общей стоимости владения ввиду повышенной экономичности и сокращения количества деталей и узлов (прежде всего - лопаточных ступеней). В русле этой тенденции развиваются радиальные газотурбинные установки (ГТУ), уже занявшие достойное место на рынке многоагрегатных электростанций мощностью до 10-12 МВт.
Сплошь противоположности
Современные энергетические ГТУ можно разделить на две большие группы: конверсионные (созданные на базе авиационных и судовых газотурбинных двигателей) и промышленные. Первые - более лёгкие, отличаются более точным управлением, меньшими требованиями к вспомогательной инфраструктуре, но также и меньшим ресурсом.
ГТУ второй группы значительно более громоздкие и, как правило, одновальные. Они имеют тяжёлый жёсткий вал, лопатки с постоянным профилем на основном протяжении проточной части, что обеспечивает надёжность, а также снижение стоимости и эксплуатационных затрат. Охлаждаются рабочие и сопловые лопатки турбины в основном внешним воздухом. Подобные ГТУ предъявляют повышенные требования к качеству строительных работ и инфраструктуре, но при этом обеспечивают более продолжительный срок службы.
В обеих группах преобладают осевые ГТУ, в которых потоки газов движутся вдоль оси. Основные поставщики осевых энергетических ГТУ мощностью до 6 МВт - компании Siemens, Solar, Rolls-Royce (после 2014 г. вошла в состав концерна Siemens), Pratt & Whitney, Kawasaki. В России ведущие позиции в этой сфере занимают предприятия, разрабатывающие и изготавливающие авиационные газотурбинные двигатели, например - ОАО «Авиадвигатель» (Пермь).
В осевых установках для достижения необходимой степени сжатия воздуха перед камерой сгорания используются сложные компрессоры, в которых обычно более десяти ступеней. У самой турбины две (и более) ступени, снабжённые охлаждаемыми лопатками сложной конструкции. Воздух, продуваемый сквозь лопатки, должен иметь определённые температуру и чистоту, поскольку засорение охлаждающих каналов чревато снижением производительности и ресурса турбины. Поэтому требуется специальная система подготовки воздуха.
Осевая конструкция также предполагает большие осевые размеры ротора, при этом половина его опор находится в горячей части турбины, что выливается в необходимость применять множество сложных уплотнений, в которых неизбежно происходят потери смазочного масла (угар). При этом приходится использовать дорогостоящие синтетические масла.
Заходим сбоку
Кроме осевых турбин существуют радиальные - в них поток газов движется перпендикулярно оси вала. Мощность таких турбин ограничена их радиальными размерами, а потому не превышает 2 МВт.
Радиальные газовые турбины упрощены до предела. Они имеют одноступенчатый центробежный компрессор и одноступенчатую же центростремительную турбину. Поскольку степень сжатия в них сравнительно невысока, нет необходимости предварительно повышать давление подаваемого газообразного топлива. Рабочее колесо и сопловой аппарат радиальной турбины неохлаждаемые, поэтому требования к цикловому воздуху и топливу не столь жёсткие, как в случае осевых турбин.
Так как турбины радиального типа имеют небольшие осевые размеры, в них применяется консольное крепление ротора с опорами в холодной части, что позволяет значительно увеличить срок эксплуатации подшипников и свести расход масла на угар практически к нулю. А поскольку рабочее тело движется радиально, можно применить камеру сгорания с вынесенными жаровыми трубами. Отсюда - хорошая ремонтопригодность, а также возможность более эффективным и удобным способом приспособить тепловой рекуператор.
В отличие от осевых ГТУ, радиальных на рынке немного. В первую очередь это связано с малым числом конструкторских школ, развивающих данное направление. Одна из них - норвежская.
Давняя история
Конструкция первой радиальной газовой турбины была разработана инженером-механиком Русского флота П. Д. Кузьминским. Построенная им в 1897 г. турбина предназначалась для небольшого катера. В камеру сгорания установки, работавшую под постоянным давлением 10 бар, подавались жидкое топливо - керосин - и смесь воздуха с паром. Продукты сгорания в смеси с паром направлялись к центральной части радиальной турбины, состоявшей из неподвижного и вращающегося дисков, на которых были укреплены лопатки. Первая радиальная газовая турбина, в которой топливо сгорало при постоянном объёме, была построена русским инженером В. В. Караводиным в 1906 г. Эти разработки намного опередили своё время, а потому оказались невостребованными.
В 1964 г. в Норвегии был спроектирован и выпущен первый в мире радиальный газотурбинный двигатель промышленного применения. Основоположником и руководителем этого направления был инженер Рольф Ян Мовил, который и сегодня совершенствует свои разработки. В 1991 г. вместе с женой Хироко он основал в Нидерландах компанию OPRA Turbines (OP-timal RA-dial Turbines), которая в 2003 г. вывела на рынок современную газовую турбину OP16, обладающую уникальными техническими и эксплуатационными характеристиками.
На заводе норвежской Группы компаний Kongsberg, где начинал свою деятельность Рольф Ян Мовил, было выпущено более 900 радиальных турбин KG2. С 1985 г. профильный завод Kongsberg входит в состав компании Dresser-Rand, которая в 2014 г. была приобретена концерном Siemens. Менее мощные радиальные турбины MT250 и MT333 изготавливаются на заводе FlexEnergy (США), который до 2011 г. принадлежал компании Ingersoll-Rand, длительное время владевшей Dresser-Rand. В МТ250 применяются схожие с KG2 основные конструктивные решения - отличия лишь в мощности, размерах и наличии в MT250 рекуператора, обеспечивающего электрический КПД более 30%.
Все энергоустановки норвежской инженерной школы полнорадиальные, одновальные, с планетарными редукторами и синхронными электрогенераторами.
Плоды миниатюризации
Развитие радиальных турбин малой мощности привело к появлению микротурбин. В их основе лежит высокооборотный радиальный газотурбинный двигатель, собранный на одном валу с генератором переменного тока высокой частоты. В преобладающем большинстве случаев микротурбины имеют лёгкий ротор, подвешенный на опорах с газодинамическими подшипниками. Вырабатываемый ток высокой переменной частоты (до 1600 Гц) преобразуется в постоянный, а затем - снова в переменный с частотой 50 или 60 Гц.
Разработка микротурбин подобной конструкции началась в 1990 г. и привела к появлению компактных и чрезвычайно непритязательных к условиям эксплуатации установок. На российском рынке в последние годы прочно обосновались микротурбины производства корпорации Capstone Turbine мощностью 30 кВт (модель С30) и 65 кВт (С65). Они имеют высокооборотный лёгкий ротор на «сухих» опорах с газодинамическими подшипниками лепесткового типа. Для повышения электрического КПД турбины Capstone оснащены оригинальными рекуператорами тепла типа Primary Surface. Недавно в Capstone были созданы более мощные установки - на 200 кВт (С200) - с более тяжёлым ротором. В них применяются те же конструктивные решения, что и на малых машинах С30 и С65. На базе газотурбинных двигателей С200 выпускаются компактные блочные электростанции Capstone серии S мощностью 600, 800 и 1000 кВт.
В диапазоне мощностей до 1 МВт на российском рынке также доступны 250-киловаттные радиальные установки МТ250 компании FlexEnergy. Они серийно изготавливаются с 2004 г. и хорошо зарекомендовали себя при работе на газовом топливе разнообразных видов в самых различных климатических зонах. Установки FlexEnergy выполнены по классической схеме без преобразования переменного тока в постоянный и обратно. Для этого в них применяются высоконадёжный планетарный редуктор, понижающий скорость вращения с 45 тыс. до 1500 об./мин., и синхронный генератор 0,4 кВ/50 Гц.
Опоры турбины FlexEnergy МТ250 с подшипниками качения расположены в её холодной части. В сравнении с «сухими» газодинамическими подшипниками они менее требовательны к защите от пыли. Общая система смазки турбины и редуктора предусматривает замену масла раз в год. Кроме того, МТ250 оснащена тепловым рекуператором пластинчатого типа Plate-Fin, более эффективным, чем рекуператор Primary Surface. Конструкторами МТ250 предусмотрена установка внутри корпуса штатного водогрейного теплообменника, а также дожимного компрессора для природного газа.
Гиганты среди карликов
Радиальные турбины мощностью свыше 1 МВт сегодня выпускают компании OPRA Turbines и Dresser-Rand. Например, энергоблок OP16-3 производства OPRA Turbines имеет электрическую мощность 1,85 МВт и электрический КПД 26%. Он способен работать как на газообразных видах топлива (природный газ, попутный нефтяной газ, биогаз, синтез-газ), так и на жидких (дизель, биодизель, этанол, пиролизное масло, нефть). Турбина имеет четыре камеры сгорания. Степень повышения давления в её компрессоре - 6,7. Компания OPRA Turbines разрабатывает энергоблоки специально для регионов с холодным климатом (до -60 °С). Неудивительно, что более половины её поставок OP16-3 приходятся на Россию, причём суммарная наработка этого оборудования уже насчитывает миллионы часов.
Подразделение Dresser-Rand концерна Siemens выпускает надёжную радиальную газотурбинную систему KG2-3E с электрической мощностью 1,8 МВт и электрическим КПД 16%. Двигатель KG2-3E имеет всего одну жаровую трубу, степень повышения давления в его компрессоре - 4,5. Система следующего поколения KG2-3G характеризуется более высоким электрическим КПД (26%) и пониженными выбросами NOx и CO, достигнутыми благодаря внедрению специальной технологии дополнительного окисления. Степень повышения давления в компрессоре - 7, количество жаровых труб увеличено до четырёх.
Радиальные газовые турбины, обладающие минимальным количеством ступеней и, соответственно, ответственных деталей и узлов, компактны и надёжны. Они обеспечивают низкую стоимость монтажа и технического обслуживания, межремонтный интервал обычно составляет 8 тыс. ч, ресурс до капремонта - 40 тыс. ч.
Бреющий пар
Существуют и паровые турбины, у которых поток рабочего тела движется в радиальном направлении. Турбины этого типа были предложены ещё в 1910 г. шведскими братьями-инженерами Юнгстрем. Интересно отметить, что радиальные паровые турбины появились значительно позже изобретённой и построенной П. Д. Кузьминским газовой турбины радиального типа.
Известно, что рабочие колёса паровых турбин традиционной конструкции очень требовательны к точности изготовления и соблюдению условий эксплуатации. Такие турбины могут работать лишь в узких технологических режимах (часто только в зоне сухого пара), на высоких оборотах, требуя сложных процедур обслуживания.
Как и в случае газовых турбин, после поворота потока пара на 90° все параметры турбины кардинально изменились.
Компания Technopa GmbH (Австрия) разработала и выпускает паровую турбину S2E50-250 с радиальным движением потока рабочего тела. Концепция весьма оригинальна: в патентованной конструкции турбинные лопатки заменены системой щетинок. Материал щетинок, их сечение, форма и плотность размещения подобраны весьма тщательно по результатам долгих исследований и всесторонних испытаний.
Пар подаётся на щетинки ротора через множество тангенциальных форсунок, причём, по данным компании, в энергию вращения превращается 95% кинетической энергии пара. Как показывают измерения, потери энергии на трение и завихрения рабочего тела минимальны. Щетинки творят чудо: вырываясь из форсунок со скоростью 800 м/с, пар почти полностью отдаёт свою энергию, проходя лишь 8 см вдоль окружности рабочего колеса турбины.
Отработанный пар выходит наружу по архимедовой спирали от центра турбины. Конденсат удаляется через её нижнюю часть. Вал с рабочим колесом установлен на высококачественных подшипниках с фирменной системой смазки и охлаждения. Особое внимание уделено балансировке рабочего колеса. Несмотря на то, что в цикле испытаний и при эксплуатации установок вибрации не превышали заявленных уровней, каждый блок S2E50-250 комплектуется датчиком вибрации, информация с которого выводится на дисплей.
Сравнивая лопатки и щетинки, можно вспомнить о различиях между цельнометаллическими крыльями самолёта и крыльями птиц, сложенными из упругих перьев. Перья с их бородками, составленными из тонких нитевидных образований, без сомнений, намного совершеннее. После этого вывода не вызывает удивления тот факт, что энергоустановка со щетинками обретает многочисленные новые качества. Так, паровая турбина может работать в режиме насыщенного (влажного) пара и допускает частые и быстрые изменения рабочих параметров. Более того, возможны работа при низкой частоте вращения (3000 об./мин.) и регулирование скорости в широких пределах при неизменном КПД.
Согласно данным производителя, время разгона из «холодного» состояния до максимальных оборотов и мощности не превышает 10 мин., причём турбину можно эксплуатировать в горизонтальном и вертикальном положениях.
* * *
Таким образом, современные энергетические установки на базе радиальных газовых и паровых турбин мощностью до 2 МВт могут использоваться в самых сложных условиях эксплуатации. А заказчики могут быть уверены в том, что оборудование будет работать долго и стабильно.
Читайте другие наши материалы
