Газотурбинные установки на базе конвертированных авиационных двигателей

«Гомельский государственный технический университет имени П.О. Сухого», Республика Беларусь Газотурбинные установки на базе конвертированных авиационных двигателей конвертированный авиационный двигатель газотурбинный К.т.н. А. В. Овсянник, зав. кафедрой «Промышленная теплоэнергетика и экология».

к.т.н. А. В. Шаповалов, доцент В. В. Болотин, инженер В статье приводится обоснование возможности создания ТЭЦ на базе конвертированного АГТД в составе газотурбинной установки (ГТУ), оценка экономического эффекта от внедрения АГТД в энергетику в составе крупных и средних ТЭЦ для погашения пиковых электрических нагрузок.

Обзор авиационных газотурбинных установок Одним из удачных примеров применения АГТД в энергетике является теплофикационная ГТУ 25/39, установленная и находящаяся в промышленной эксплуатации на Безымянской ТЭЦ, расположенной в Самарской области в России, описание которой приведено ниже. Газотурбинная установка предназначена для выработки электрической и тепловой энергии для нужд промышленных предприятий и бытовых потребителей. Электрическая мощность установки — 25 МВт, тепловая — 39 МВт. Суммарная мощность установки — 64 МВт. Годовая производительность электроэнергии — 161,574 ГВт. ч/год, тепловой энергии — 244 120 Гкал/год [3].

Установка отличается применением уникального авиационного двигателя НК-37, обеспечивающего КПД в 36,4%. Такой КПД обеспечивает высокую эффективность установки, недостижимую на обычных тепловых электростанциях, а также ряд других преимуществ. Установка работает на природном газе с давлением 4,6 МПа и расходом 1,45 кг/с. Кроме электроэнергии установка производит 40 т/ч пара давлением 14 кгс/см2 и нагревает 100 т сетевой воды от 70 до 120 ОС, что позволяет обеспечить светом и теплом небольшой город [3].

При размещении установки на территории тепловых станций не требуется дополнительных специальных блоков химводоочистки, сброса воды и т. д.

Подобные газотурбинные энергетические установки незаменимы для применения в тех случаях, когда:

¦ необходимо комплексное решение проблемы обеспечения электрической и тепловой энергией небольшого города, промышленного или жилого района — модульность установок позволяет легко скомпоновать любой вариант в зависимости от нужд потребителя;

¦ осуществляется индустриальное освоение новых районов жизни людей, в том числе с условиями жизни, когда особо важна компактность и технологичность установки. Нормальная работоспособность установки обеспечивается в диапазоне температур окружающей среды от -50 до +45 ОС при действии всех других неблагоприятных факторов: влажности до 100%, осадках в виде дождя, снега и т. д.;

¦ важна экономичность установки: высокий КПД обеспечивает возможность производства более дешевой электрической и тепловой энергии и короткий срок окупаемости (около 3,5 лет) при капиталовложениях в строительство установки 10 млн 650 тыс. дол. США (по данным производителя).

Кроме того, установка отличается экологической чистотой, наличием многоступенчатого шумоподавления, полной автоматизацией процессов управления.

ГТУ 25/39 представляет собой стационарную установку блочно-контейнерного типа размером 21 м на 27 м. Для ее функционирования в варианте автономном от существующих станций в комплекте с установкой должны находиться устройства химводоподготовки, открытое распределительное устройство для понижения выходного напряжения до 220 или 380 В, градирня для охлаждения воды и отдельно стоящий дожимной газовый компрессор. При отсутствии необходимости в воде и паре конструкция установки сильно упрощается и удешевляется.

Сама установка включает в себя авиационный двигатель НК-37, котел-утилизатор типа ТКУ-6 и турбогенератор.

Полное время монтажа установки — 14 месяцев.

В России выпускается большое количество установок на базе конвертированных АГТД мощностью от 1000 кВт до нескольких десятков МВт, они пользуются спросом. Это подтверждает экономическую эффективность их использования и необходимость дальнейших разработок в этой области промышленности.

Установки, выпускаемые на заводах СНГ отличаются:

¦ низкими удельными капиталовложениями;

¦ блочным исполнением;

¦ сокращенным сроком монтажа;

¦ малым сроком окупаемости;

¦ возможностью полной автоматизации и др. [3].

Характеристика ГТУ на базе конвертированного двигателя АИ-20.

Весьма популярной и наиболее часто применяемой является ГТУ на базе двигателя АИ-20. Рассмотрим газотурбинную ТЭЦ (ГТТЭЦ), относительно которой были проведены исследования и выполнены расчеты основных показателей.

Газотурбинная теплоэлектроцентраль ГТТЭЦ- 7500/6,3 с установленной электрической мощностью 7500 кВт состоит из трех газотурбогенераторов с турбовинтовыми двигателями АИ-20 номинальной электрической мощностью 2500 кВт каждый.

Тепловая мощность ГТТЭЦ 15,7 МВт (13,53 Гкал/ч). За каждым газотурбогенератором установлен газовый подогреватель сетевой воды (ГПСВ) с оребренными трубами для подогрева воды отработавшими газами на нужды отопления, вентиляции и горячего водоснабжения населенного пункта. Через каждый экономайзер проходят отработавшие в авиационном двигателе газы в количестве 18,16 кг/с с температурой 388,7 ОС на входе в экономайзер. В ГПСВ газы охлаждаются до температуры 116,6 ОС и подаются в дымовую трубу.

Для режимов с пониженными тепловыми нагрузками введено байпасирование потока выхлопных газов с выводом в дымовую трубу. Расход воды через один экономайзер составляет 75 т/ч. Сетевая вода нагревается от температуры 60 до 120 ОС и подается потребителям для нужд отопления, вентиляции и горячего водоснабжения под давлением 2,5 МПа [3].

Технические показатели ГТУ на базе двигателя АИ-20: мощность — 2,5 МВт; степень повышения давления — 7,2; температура газов в турбине на входе — 750 ОС, на выходе — 388,69 ОС; расход газов — 18,21 кг/с; количество валов — 1; температура воздуха перед компрессором — 15 ОС. На основании имеющихся данных производим расчеты выходных характеристик ГТУ согласно алгоритму, приведенному в источнике [4].

Выходные характеристики ГТУ на базе двигателя АИ-20:

¦ удельная полезная работа ГТУ (при змех=0,98): He=139,27 кДж/кг;

¦ коэффициент полезной работы: ц=3536;

¦ расход воздуха при мощности Nгту=2,5 МВт: Gk=17,95 кг/с;

¦ расход топлива при мощности Nгту=2,5 МВт: Gтоп=0,21 кг/с;

¦ суммарный расход выхлопных газов: gг=18,16 кг/с;

¦ удельный расход воздуха в турбине: gk=0,718 кг/кВт;

¦ удельный расход теплоты в камере сгорания: q1=551,07 кДж/кг;

¦ эффективный КПД ГТУ: зе=0,2527;

¦ удельный расход условного топлива на выработанную электроэнергию (при КПД генератора зген=0,95) без утилизации тепла выхлопных газов: bу. т=511,81 г/кВтч.

На основании полученных данных и в соответствии с алгоритмом расчета [4], можно перейти к получению технико-экономических показателей. Дополнительно задаемся следующим: установленная электрическая мощность ГТТЭЦ — Nуст=7500 кВт, номинальная тепловая мощность установленных на ГТТЭЦ ГПСВ — Qтэц=15 736,23 кВт, расход электроэнергии на собственные нужды принят равным 5,5%. В результате проведенных исследований и расчетов были определены следующие величины:

¦ коэффициент первичной энергии ГТТЭЦ брутто, равный отношению суммы электрической и тепловой мощностей ГТТЭЦ к произведению удельного расхода топлива с низшей теплотой сгорания топлива, збгттэц=0,763;

¦ коэффициент первичной энергии ГТТЭЦ нетто знгттэц= 0,732 [4];

¦ КПД выработки электрической энергии в теплофикационной ГТУ, равный отношению удельной работы газа в ГТУ к разнице удельного расхода теплоты в камере сгорания ГТУ на 1 кг рабочего тела и удельного отвода тепла в ГПСВ от 1 кг уходящих газов ГТУ, зэгту=0,5311.

На основании имеющихся данных, можно определить технико-экономические показатели ГТТЭЦ [4]:

¦ расход условного топлива на выработку электроэнергии в теплофикационной ГТУ: ВГтУ=231,6 г у.т./кВт.ч;

¦ часовой расход условного топлива на выработку электроэнергии: Bэгту=579 кг у.т./ч;

¦ часовой расход условного топлива в ГТУ: Bчэугту==1246 кг у. т./ч.

На выработку теплоты в соответствии с «физическим методом» относится оставшееся количество условного топлива: Bтч=667 кг у. т./ч.

Удельный расход условного топлива на выработку 1 Гкал теплоты в теплофикационной ГТУ составит: Втгту=147,89 кг у.т./ч.

Технико-экономические показатели миниТЭЦ приведены в табл. 1 (в таблице и далее цены приведены в белорусских рублях, 1000 бел. руб. ~ 3,5 росс. руб. — Прим. авт.).

Таблица 1. Технико-экономические показатели мини-ТЭЦ на базе конвертированного АГТД АИ-20, реализуемого за счет собственных средств (цены указаны в белорусских рублях).

Экономические расчеты показывают, что срок окупаемости капиталовложений в установки комбинированного производства электроэнергии и теплоты с АГТД составляет до 7 лет при реализации проектов за собственные средства. При этом срок строительства может составлять от нескольких недель при монтаже небольших установок электрической мощностью до 5 МВт, до 1,5 лет при вводе установки электрической мощностью 25 МВт и тепловой 39 МВт. Сокращенные сроки монтажа объясняются модульной поставкой электростанций на базе АГТД с полной заводской готовностью.

Таким образом, основные преимущества конвертированных АГТД, при внедрении в энергетику, сводятся к следующим: низкие удельные капиталовложения в подобные установки, небольшой срок окупаемости, сокращенные сроки строительства, благодаря модульности исполнения (установка состоит из монтажных блоков), возможность полной автоматизации станции и др.

Для сравнения приведем примеры действующих газодвигательных мини-ТЭЦ в Республике Беларусь, их основные технико-экономические параметры указаны в табл. 2 [5].

Произведя сравнение, нетрудно заметить, что на фоне уже действующих установок газотурбинные установки на базе конвертированных авиационных двигателей имеют ряд преимуществ. Рассматривая АГТУ в качестве высокоманевренных энергетических установок, необходимо иметь и виду возможность их значительной перегрузки путем перевода на парогазовую смесь (за счет впрыска воды в камеры сгорания), при этом можно достигнуть почти трехкратного увеличения мощности газотурбинной установки при относительно небольшом снижении ее коэффициента полезного действия [6].

Эффективность этих станций значительно возрастает при их размещении на нефтяных скважинах, с использованием попутного газа, на нефтеперерабатывающих заводах, на сельскохозяйственных предприятиях, где они максимально приближены к потребителям тепловой энергии, что снижает потери энергии при ее транспортировке[7].

Для покрытия остропиковых нагрузок перспективным является применение простейших стационарных авиационных ГТУ. У обычной газовой турбины время до принятия нагрузки после старта составляет 15−17 мин.

Газотурбинные станции с авиационными двигателями очень маневренны, требуют малого (415 мин) времени на пуск из холодного состояния до полной нагрузки, могут быть полностью автоматизированы и управляться дистанционно, что обеспечивает их эффективное использование в качестве аварийного резерва. Длительность пуска до взятия полной нагрузки действующих газотурбинных установок составляет 30−90 мин.

Показатели маневренности ГТУ на базе конвертированного ГТД АИ-20 представлены в табл. 3.

Таблица 3. Показатели маневренности ГТУ на базе конвертированного ГТД АИ-20.

Заключение

На основании проведенной работы и полученных результатов исследования газотурбинных установок на базе конвертированных АГТД, можно сделать следующие выводы:

• 1. Эффективным направлением развития теплоэнергетики Беларуси является децентрализация энергоснабжения с применением конвертированных АГТД, и наиболее эффективной оказывается комбинированная выработка теплоты и электроэнергии.
• 2. Установка АГТД может работать как автономно, так и в составе крупных промышленных предприятий и крупных ТЭЦ, как резерв для принятия пиковых нагрузок, имеет небольшой срок окупаемости и сокращенные сроки монтажа. Нет сомнений, что данная технология имеет перспективу развития в нашей стране.

• 1. Хусаинов Р. Р. Работа ТЭЦ в условиях оптового рынка электрической энергии // Энергетик. — 2008. — № 6. — С. 5−9.
• 2. Назаров В. И. К вопросу расчета обобщенных показателей на ТЭЦ // Энергетика. — 2007. — № 6. — С. 65−68.
• 3. Уваров В. В. Газовые турбины и газотурбинные установки — М.: Высш. шк., 1970. — 320 с.
• 4. Самсонов В. С. Экономика предприятий энергетического комплекса — М.: Высш. шк., 2003. — 416 с.
• 5. Ковалев Л. И. Условно-проектная эффективность миниТЭЦ и анализ фактических результатов их эксплуатации в Республике Беларусь // Энергосовет. — 2012. — № 5 (24). — С. 72−76.
• 6. Ковалев Л. И. Выбор критерия эффективности при строительстве мини-ТЭЦ//Энергоэффективность. — 2008. — № 3. — С. 10−12.
• 7. Ковалев Л. И. Дешевизна малой энергетики — миф или реальность?//Мировая энергетика. — 2008. — № 11. — С. 54−55.