Комбинированная газотурбинная технология преобразования энергии на базе авиационных ГТД

Актуальность работы. Современные проблемы энергоресурсосбережения предопределили существенные перемены в мировом энергетическом балансе. Это просматривается в аспекте как источников энергии, так и ее преобразователей. Хотя исчерпание традиционных (невозобновляемых) источников энергии в ближайшее время человечеству все же пока не грозит, в последнее время интерес к энергоресурсосберегающим технологиям производства энергии существенно повышается. При этом, говоря о перспективной энергетике, следует признать, что она может и должна во все возрастающей мере опираться как на нетрадиционные источники энергии (НИЭ), так и нетрадиционные преобразователи энергии (НПЭ).

В этом плане просматривается кардинальный путь снижения стоимости энергии — выработка электроэнергии и тепла по комбинированной газотурбинной технологии. Чтобы идти по этому пути, практически не надо строить новые электростанции, поскольку возможны реконструкции ныне действующих станций, котельных малых городов и районных центров там, где имеется соответствующая инфраструктура, что весьма важно при ограниченных инвестициях и изношенности основных фондов энергетики.

Выработка электрической энергии на электростанциях из органических топлив и на паровых турбинах осуществляется двумя основными способами. Первый способ — цикл с конденсацией пара, при котором 56−70% теплоты, подведенной в цикле для парообразования, просто выбрасывается. Второй способ — с одновременным отпуском тепла потребителям. В этом случае при некотором снижении выработки электроэнергии суммарный коэффициент использования тепла может достигать 85−90%, т. е. экономическая эффективность второго способа в два-три раза выше. Этому комбинированному способу производства электрической и тепловой энергии нет реальной альтернативы. Однако на базе традиционной паротурбинной технологии увеличить долю выработки электроэнергии более 40−45% практически уже невозможно, нужны другие схемы преобразованияэнергии. Эта задача в настоящее время может быть наиболее эффективно решена с помощью применения газотурбинной технологии в производстве электрической и тепловой энергии. Сложные схемы газотурбинных электростанций и комбинированные газопаротурбинные схемы позволяют сегодня получить КПД 55−60%, т. е. в 1,5−2 раза выше, чем только на паровых турбинах. В газотурбинных установках с утилизацией тепЛа уходящих газов коэффициент использования топлива приближается к 85%. Уровень надежности, технологичность, маневренность, диапазон мощностей, степень автоматизации, не говоря о весе и габаритах, достигнутые на сегодняшний день, делают газовые турбины мощными конкурентами паротурбинным установкам.

Особенно привлекательным для небольших тепловых электростанций (до десятков МВт) становится использование конвертированных авиационных газотурбинных двигателей. Газотурбинные установки в существующих энергетических инфраструктурах способны резко увеличить долю комбинированной выработки электроэнергии, т. е. улучшить условия жизни людей, особенно в малых городах и поселках, самым экономически выгодным путем. Возможности газотурбинной технологии позволяют по-иному взглянуть на проблему повышения эффективности использования топлива.

Применение газотурбинных авиационных двигателей позволяет сегодня быстро и дешево надстроить как существующие паровые электростанции, так и любые действующие котельные даже в малых поселках, результатом чего будет при том же теплообеспечении получение вдвое более дешевой, чем на обычных электростанциях, электроэнергии. С большой уверенностью можно сказать, что если бы вся электрическая энергия на тепловых электростанциях страны вырабатывалась на комбинированных парогазовых установках, то при сохранении объема потребления электрической энергии и теплоты в стране сжигалось бы на 20−25% меньше топлива.

Определенное отставание в < создании отечественных крупных газотурбинных, парогазовых установок начинает в некоторой степени компенсироваться серией разработок ГТУ малой и средней единичной мощности (до 30МВт) на базе конвертированных авиационных газотурбинных двигателей. Наименее рискованным и безболезненным путем решения проблемы вывода энергетики на новый качественный уровень за счет внедрения газотурбинных установок является путь модернизации действующих теплоэлектроустановок. Устанавливаемые на них ГТУ малой и средней мощности, созданные на основе конвертированных авиационных двигателей, приспособленных к работе в новых условиях, могут производиться на бывших предприятиях военно-промышленного комплекса.

Газотурбинная технология уже более 15 лет широко применяется в индустриальных странах. В нашей стране она, к сожалению, еще в начале пути. Этому имеются свои причины — многолетняя опора на развитие атомных электростанций, мощная гидроэнергетика, большое число тепловых станций, единая энергосистема.

В нашей стране на базе авиационных двигателей созданы и создаются различные схемы газотурбинных установок.

Так, реализована схема ГТУ на базе отечественного двигателя Д-30 с демонтированным компрессором низкого давления. ГТУ Д-30ЭУ25 отличается дополнительно установленным компрессором низкого давления.

В таблице 1 приведены некоторые параметры ГТУ на базе отечественных газотурбинных двигателей.

Существенное повышение эффективности энергетических установок, использующих газотурбинные двигатели в качестве преобразователей энергии углеводородного топлива, обеспечивается за счет утилизации низкопотенциального тепла рабочего тела на выходе из газотурбинного двигателя. Так, установка ГТУ-10/95 на базе авиационного газотурбинного двигателя типа Р95Ш выбрасывает в атмосферу 58 кг/с воздуха при температуре 450 °C. Использование этого тепла позволяет увеличить КПД всего энергетического комплекса до 82%.

Таким образом, задача разработки газотурбинной технологии преобразования (производства) энергии на базе авиационных газотурбинных двигателей является актуальной и относится к важным народнохозяйственным задачам.

Основания для выполнения работы.

Диссертационная работа выполнялась в рамках совместных работ НПП «Мотор», УГАТУ, АО «Башкирэнерго», решения Научно-экспертного совета МТЭА по проблеме топливно-энергетического потенциала Восточной Сибири, Дальнего Востока и РБ (г. Москва, 8 января 1998 г., № 3), Программы внебюджетного фонда НИОКР Корпорации «ЕЭЭК», распоряжения КМ РБ от 3 сентября 1998 г. № 748-р, во исполнение протокола № 25 совещания при Президенте РБ по результатам пуска газотурбинной установки ГТУ-10/95 в котельном цехе № 5 предпр. «Теплоцентраль» в г. Ишимбае 09.01.1997 г.

Таблица 1.

Тип ГПУ Разработчик и, МВт Тепловая мощность, МВт КПД, %.

ГТУ-2,5П АО «Авиадвигатель» 2,5 7,8 21,8.

ГТУ-4П АО «Авиадвигатель» 4 11,1 24,7.

ГТУ-10/95 НПП «Мотор» 10 17 28,4.

ГТУ-16НЭ АО «Авиадвигатель» 16 21,9 37,5.

АЛ-31СТЭ АО «А.Люлька-Сатурн» 20 26,9 36,5.

ГТУ-55СТ-20 ЦИАМ, ТМКБ «Союз» 20 35,5 31,5.

ГТУ-25ПЭ АО «Авиадвигатель» 25 38,8 40,5.

НК-37 СНТК «Двигатели НК» 25 35,1 36,4.

Основные научные результаты, полученные лично соискателем:

1. Обоснованы научно-технические положения, обеспечивающие внедрение газотурбинной технологии в производство электрической и тепловой энергии, заключающиеся в следующем: обосновании схемы и места газотурбинного привода;

— обосновании типового состава ГТУ;

— переводе ГТУ на природный газобеспечении ресурса и приемлемых экологических характеристик;

— разработке и реализации АСУТП.

2. Разработана газотурбинная технология преобразования энергии, позволившая решать ряд технических аспектов проектирования, испытания и доводки газотурбинной установки ГТУ-10/95 на базе авиационного двигателя Р95Ш.

3. Выполнен анализ структуры и динамики энергопроизводства в обоснование внедрения газотурбинных технологий, а также выполнена оценка потенциала увеличения электрической мощности, вырабатываемой по теплофикационному циклу и экономии топлива и предложена система технических решений конкретных газотурбинных установок.

Научная новизна.

• Обоснованы научно-технические положения газотурбинной технологии в производстве электрической и тепловой энергии.

• Впервые дан термогазодинамический (эксергический) анализ рабочего процесса комплексной газотурбинной установки на базе авиационного ГТД.

• Предложена система технических решений создания комплексных газотурбинных установок путем надстроек на базе действующих котельных, использующих в качестве преобразователя энергии авиационный газотурбинный двигатель. и.

Практическая значимость.

Все основные результаты настоящей работы получены в неразрывной связи с современным энергопроизводством во время работы автора на различных технических должностях в АО «Башкирэнерго» и имеют практическую ценность.

Результаты оценки потенциала увеличения электрической мощности, вырабатываемой по теплофикационному циклу в Республике Башкортостан, являются примером для других региональных энергосистем и наглядным ориентиром для авиадвигателестроительных и энергомашиностроительных предприятий при составлении конкретных программ выпуска ГТУ.

Разработанная концепция применения в комплексных энергетических системах конвертируемых авиационных двигателей заложила теоретические и практические основы для успешной газотурбинной надстройки ТЭЦ и котельных.

На базе конвертированного авиационного двигателя Р95Ш создана энергетическая установка ГТУ-10/95 в котельной ОАО «Башкирэнерго».

Предложения по совершенствованию технологии эксплуатации основного энергетического оборудования ТЭС на базе авиационного ГТД позволили улучшить его технико-экономические показатели, увеличить надежность и ресурс.

Реализация результатов работы.

Разработанные основные положения повышения эффективности энергопроизводства за счет увеличения комбинированной выработки электроэнергии и тепла позволили начать реализацию развернутой программы «газотурбинной» технологии преобразования энергии в энергетике: • в котельном цехе № 5 предприятия «Теплоцентраль» — филиала ОАО «Башкирэнерго» в г. Ишимбае совместно с НПП «Мотор» создана газотурбинная энергетическая установка ГТУ-10/95 с электрической мощностью 10 МВт и тепловой мощностью 15 МВт на базе конвертированного авиадвигателя Р95Ш. В настоящее время установка проработала 3000 часов в сети, из них 1100 часов непрерывно, ресурсная наработка продолжается- <

• начато проектирование ГТУ мощностью 4 МВт в котельном цехе № 4 предприятия «Теплоцентраль» — филиала ОАО «Башкирэнерго» в рабочем поселке Шакша с пуском ГТУ в 2001 г.;

• подписаны протоколы между ОАО «Башкирэнерго», ОАО УМПО, АО «А.Люлька-Сатурн» и РАО «Газпром» об установке энергетической ГТУ АЛ-31СТЭ уфимского производства с электрической мощностью 20 МВт на строящейся Уфимской ТЭЦ-5;

• выполнены технико-экономические обоснования газотурбинной надстройки Уфимских ТЭЦ-1 и ТЭЦ-3, Салаватской ТЭЦ с использованием отечественных и зарубежных ГТУ мощностью 25−70 МВт.

Апробация работы.

Основные результаты работы докладывались на:

— Научно-практической конференции «Отечественная авиация и космонавтика в прошлом, настоящем и будущем» (Уфа, УГАТУ, 1996 г.);

— Научно-практической конференции «Научно-технический и научно-образовательный комплекс региона: проблемы и перспективы развития» (Уфа, УГАТУ, 1998);

— Второй научно-практической республиканской конференции «Энергоресурсосбережение в Республике Башкортостан» (Уфа, УГАТУ, 27−28 января 1999 г.).

За работу по созданию газотурбинной энергоустановки ГТУ-10/95 на базе конвертированного авиационного двигателя в котельной г. Ишимбай автору (в составе коллектива из трех человек) в 1999 г. была присуждена Государственная премия Республики Башкортостан в области науки и техники за работу «Основы теории нетрадиционных преобразователей энергии и внедрение их в энергетику Республики Башкортостан».

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.

1. Впервые в России создана и введена в опытно-промышленную эксплуатацию в составе действующей котельной ОАО «Башкирэнерго» газотурбинная энергетическая установка ГТУ-10/95 на базе конвертированного авиационного двигателя Р95Ш электрической мощностью 10 МВт и тепловой -17 Мвт/ч. Работоспособность и параметры установки проверены наработкой 3000ч.

2. Выполнено обоснование целесообразности применения простой схемы ГТУ с умеренными параметрами термодинамического цикла для комбинированной выработки электрической и тепловой энергии, а также глубины модернизации базового двигателя для конвертирования в энергетическую ГТУ.

3. Решены проблемы внедрения конвертированного авиационного двигателя типа Р95Ш в газотурбинную энергетическую установку:

— разработана и изготовлена трехступенчатая силовая турбина для безредукторного привода электрогенератора, использующая рабочие лопатки ряда отечественных серийных ГТДвыполнен перевод на газообразное топливообеспечены требуемые экологические показатели (уровень шума — в нормеснижение эмиссии вредных веществ более чем в 2 раза) — реализованы мероприятия по увеличению межремонтного ресурса до 25 тыс ч;

— разработана и реализована многоуровневая АСУТП газотурбинной установки, ориентированная на использование отечественных комплектующих и программного обеспечения.

4. Выполнен анализ и получены результаты количественной оценки структуры и энергопроизводства, подтверждающие актуальность увеличения комбинированной выработки энергии на базе авиационных ГТД.

5. Использование газотурбинных технологий для комбинированного производства электрической и тепловой энергии позволяет сэкономить топливо до 1,5 раз.

6. Разработаны основные положения газотурбинной технологии и ее применения в энергетике, включающие в себя:

— обоснование мест и очередности газотурбинной надстройки ТЭЦ и котельных;

— принципы определения необходимой мощности ГТУ;

— обоснование типового состава ГТУ для использования на ТЭЦ и в котельных.

Основное содержание диссертации раскрывается в следующих публикациях.

1. Салихов A.A., Фаткуллин P.M., Гребенюк Г. П., Габбасов В. Г. Экологические показатели газотурбинной энергетической установки ГТУ-10/95 на базе конвертированного авиационного двигателя //Теплоэнергетика. — 1999, № 1. -С.60−63.

2. Рыжов A.A., Салихов A.A., Ахмедзянов A.M. Основы теории нетрадиционных преобразователей энергии и внедрение их в энергетику Республики Башкортостан: Государственная премия РБ, 1999, 54с.

3. A.c. № 1 373 835. Способ регулирования теплофикационной установки/ Салихов A.A. и др. 18 октября 1987 г.

4. Салихов A.A. Об увеличении ресурса конвективного пароперегревателя // Энергетика, № 4, 1988.

5. Крайнов В. К., Салихов A.A. Повышение эффективности энергопроизводства. Анализ и пути реализации //Теплоэнергетика. — 1999, № 11.

6. Салихов А. А. Энергетика как базовая отрасль экономики Республики Башкортостан //Газотурбинные технологии. — Рыбинск, ноябрь-декабрь 1999, № 3. — С. 28−30. .