За последние пять лет в результате плодотворного сотрудничества ЦИАМ, ОАО "Мотор Сич" и НПТОО "Аэротурбогаз" были созданы опытные образцы четырех энергоустановок (ЭТД-1000, УХТА-1, КУРС-1 и КУРС-2). Во всех установках в качестве базового использован работающий на природном газе или сжатом воздухе турбодетандер мощностью до 1 МВт с регулируемым сопловым аппаратом. Соблюдение принципов унификации и постепенного продвижения от простого к сложному позволило в сжатые сроки и при умеренных затратах создать энергоустановки (ЭТД-1000 и энергоблок установки УХТА-1), глубоко модернизировать серийную электростанцию ПАЭС-2500.

Цель модернизации - существенное повышение технических и экологических характеристик действующего оборудования для уменьшения удельных стоимостных показателей с одновременным расширением потребительских качеств станции.

Электростанция ПАЭС-2500, созданная на базе авиационного турбовинтового двигателя АИ-20 производства ОАО "Мотор-Сич", размещается в одном полуприцепе. Сотни таких электростанций успешно эксплуатируются в отдаленных и труднодоступных районах. Их можно встретить в Ухте, Надыме, в странах СНГ и зарубежных государствах. ПАЭС-2500 питают энергией силовые и осветительные сети общепромышленного назначения, покрывают пиковые нагрузки в энергосистемах. Станции ПАЭС-2500 могут работать на керосине, солярке, природном и попутном нефтяном газе.

Электростанции ПАЭС-2500 нашли широкое применение в качестве резервных для энергообеспечения собственных нужд компрессорных станций (КС). Некоторые КС имеют в своем составе крупные газораспределительные станции топливного газа, предназначенные для снабжения газотурбинных приводов нагнетателей. Неоспоримо, что применение турбодетандеров для уменьшения давления больших объемов газа является существенно более эффективным решением по сравнению с использованием различных редукторов давления. Появилась идея совмещения турбодетандера природного газа мощностью до 1 МВт с газогенератором АИ-20.

Изменения в конструкции станции сводятся к следующему: вал турбодетандера соединяется с валом турбины АИ-20; взамен штатного отвода выхлопных газов создается боковой канал; устанавливается специально разработанная интегрированная маслосистема электростанции и турбодетандера; монтируется пластинчатый теплообменник для подогрева природного газа.
Полученная в результате установка КУРС-1 имеет мощность 2 МВт (со сжиганием топлива), 1 МВт (без сжигания топлива), к.п.д. 34 %, массу 32 т.

В разработанной установке КУРС-1 мощность ПАЭС-2500 (1 МВт) суммируется с вырабатываемой мощностью турбодетандера (1 МВт). В результате повышается значение суммарного к.п.д. установки и улучшаются ее экологические показатели по шуму и эмиссии вредных веществ с выхлопными газами. Кроме того, установка КУРС-1 может работать без сжигания топлива, только благодаря снижению давления природного газа в турбодетандере с выработкой до 1 МВт электроэнергии.

Универсальность используемого турбодетандера, обеспеченная наличием у него регулируемого соплового аппарата, позволяет работать в широком диапазоне изменения параметров газа по расходу (4…10 кг/с) и давлению (0,5…2,5 МПа). Кроме того, хорошие перспективы связаны с возможностью работы турбодетандера на сжатом воздухе (установка КУРС-2).

Установка КУРС-2 позволяет использовать холодный воздух с выхода турбодетандера для повышения эффективности работы компрессора газогенератора АИ-20 путем смешения холодного воздуха с воздухом всасываемого потока компрессора. Эффект от этого очевиден: снижение общей температуры всасываемого потока на один градус приводит к повышению мощности электростанции ПАЭС-2500 на 28 кВт (при температуре окружающей среды 293…318К).

Сейчас в НИЦ ЦИАМ начаты испытания установки КУРС-2. При работе турбодетандера на сжатом воздухе давлением до 0,5 МПа получены следующие результаты: подтверждена высокая газодинамическая эффективность бокового отвода выхлопных газов; вибрационное состояние корпусов газогенератора АИ-20 не изменилось; к.п.д. электростанции повышен на 3 %; апробировано использование турбодетандера в качестве пускового стартера.

Полученные результаты подтвердили возможность дальнейшего совершенствования установок КУРС-1 и КУРС-2, а также ЭТД-1000 и УХТА-1, одним из основных узлов которых является турбодетандер. В частности, электростанция ЭТД-1000 может работать на сжатом воздухе с давлением до 0,6 МПа, одновременно обеспечивая потребителя электроэнергией (до 500 кВт) и холодным воздухом на выходе из турбодетандера с хладоресурсом на уровне 400 кВт. Аккумулирование сжатого воздуха может осуществляться с помощью энергоблока, обеспечивающего преобразование избыточного давления газа на ГРС в сжатый воздух установки УХТА-1. Накопление этого воздуха целесообразно осуществлять в выведенных из эксплуатации газопроводах при реконструкции системы газораспределения в соответствии с концепцией, разработанной в ЦИАМ.

В электростанции ПАЭС-2500 может осуществляться отбор и накопление (с последующим охлаждением естественным путем) воздуха после компрессора с расходом 0,35 кг/с и температурой 520К. Это создает возможность как автономности запуска, так и снижения температуры воздуха, всасываемого компрессором газогенератора АИ-20. При этом можно понизить температуру всасываемого потока на 5К при ее исходном уровне 320К и расходе холодного воздуха 2 кг/с с температурой 270К, что равносильно увеличению мощности станции на 140 кВт. Осуществление запуска установки КУРС-1 и КУРС-2 с помощью турбодетандера позволяет исключить из состава электростанции вспомогательную силовую установку АИ-8, стоимость которой составляет $85 тыс.

Важнейшими направлениями совершенствования установки КУРС-1 являются упрощение системы уплотнения газовых полостей и эффективная утилизация неизбежных утечек газа. Вместо уплотнения с использованием гидрозатвора предложен пневмозатвор.

Необходимым условием надежной работы пневмозатвора является обеспечение разряжения в накопительной полости, где происходит смешение газа с воздухом. Разряжения с гарантированным уровнем 5 кПа предлагается достичь при помощи теплогенераторного устройства, содержащего эжекторную трубу, в которой помещены воздушный вентилятор и топливные форсунки.

Предложенный метод утилизации утечек газа выгодно отличается от используемых способов нагрева газа перед турбодетандером прямого действия, когда газ высокого давления сжигается либо непосредственно в газопроводе, либо в топочном устройстве с теплообменником. При этом на 1 кВт вырабатываемой электроэнергии требуется до 1,2 кВт тепловой энергии. Это равносильно сжиганию примерно 80 нм3 газа в час, причем газа, как правило, высокого давления. В предлагаемом теплогенераторном устройстве после прохождения тракта турбодетандера сжигается газ низкого давления. Из приведенных соображений вытекает граничное условие по назначению объема допустимых утечек газа, исходя из потребностей нагрева основного потока через турбодетандер. Это обстоятельство является основополагающим при формировании технических требований к системам уплотнений.

Таким образом, внедрение турбодетандеров открывает большие резервы экономически эффективной модернизации действующего энергооборудования. Заметим, что широкое применение в различных установках единого типа турбодетандера с регулируемым сопловым аппаратом позволило снизить стоимость его изготовления до $60 тыс. В результате стоимость переоборудования электростанции ПАЭС-2500 в установку КУРС-1 или КУРС-2 не превышает $100 тыс. Такое переоборудование позволит значительно снизить себестоимость как получаемой электроэнергии, так и хладоресурса, (применительно к КУРС-2), а также существенно улучшить экологические показатели энергооборудования.

Схема установки КУРС-1

Система уплотнения газовых полостей