Пуск первой в России энергетической парогазовой установки, работающей по сложному циклу STIG, намечен на ТЭЦ-28 (филиале АО "МОСЭНЕРГО"). Произойдет это событие в 2003 г. Принятию решения о создании такой установки предшествовал анализ технической возможности и экономической целесообразности проекта. Оказалось, что для его реализации в наибольшей степени подходит газотурбинный двигатель АЛ-21Ф-3.

В обеспечении электроэнергией и теплом Москва, являясь громадным промышленным городом, имеет свои особенности, которые заключаются в следующем. Во-первых, энергосистема, с точки зрения электроэнергии, в какой-то степени избыточна, а по тепловой энергии - дефицитна. Во-вторых, средний электрический к.п.д. действующих ТЭЦ низок и составляет примерно 20 %. В-третьих, энергосистема переживает топливный дефицит. В-четвертых, московский регион предъявляет повышенные требования к экологической безопасности энергетических объектов.

Исходя из вышеперечисленного, можно отметить, что на фоне стабильного роста цен на газообразное топливо и вводимых ограничений на его использование дальнейшая эксплуатация, модернизация и ввод новых паротурбинных мощностей (по циклу Ренкина) даже с теплофикационным циклом экономически невыгодны.

Мировая тенденция такова: в энергетике с целью повышения электрического к.п.д. интенсивно внедряются парогазовые установки (ПГУ) бинарного цикла. В состав таких установок помимо газотурбинных двигателей входит традиционная паротурбинная установка с паровой турбиной и котлом. Отработавшие газы газотурбинных двигателей передают тепло воде и водяному пару в котле-утилизаторе. В настоящее время в СНГ ведется разработка и строительство нескольких установок этого типа. Наиболее широко известным проектом является ПГУ мощностью 325 МВт на базе двух газотурбинных двигателей ГТГ-110 мощностью 110 МВт. На декабрь 2001 г. намечен первый пуск ГТГ-110 на полигоне Ивановской ТЭЦ. Ожидаемый электрический к.п.д. составит 51,5 %. Электрический к.п.д. ПГУ-325 снижается до 45 %, если установка применяется в теплофикационном режиме (с отбором пара от паровой турбины).

В 2001 г. на Северо-Западной ТЭЦ в Санкт-Петербурге запущена в эксплуатацию ПГУ-450 на базе ГТД V64.2 фирмы Siemens. Проектные экономические показатели ПГУ Северо-Западной ТЭЦ аналогичны ПГУ-325, но практикой к настоящему моменту не подтверждены. Следует отметить, что 1 кВт вводимой в строй мощности стоит более $1200. По данному показателю эту ПГУ можно охарактеризовать как проект с большим сроком окупаемости, что делает его малопривлекательным для финансирования как на стадии строительства, так и на стадии доводки. Подтверждением этого являются растянутые сроки строительства Северо-Западной ТЭЦ, а также затянувшееся изготовление и доводка ГТГ-110 (его камеры сгорания по экологическим показателям).

При выборе установки для АО "МОСЭНЕРГО" предполагалось, что она должна иметь электрический к.п.д. не менее 43 % в теплофикационном режиме, а удельная стоимость ПГУ не должна превышать $450 за 1 кВт. При этом экологические показатели должны отвечать самым высоким требованиям. Выбор ГТУ STIG, представляющей собой парогазовую установку без отдельной паровой турбины, был обусловлен более простой тепловой схемой. Анализ характеристик парогазовых установок, работающих по циклу STIG, подтвердил достижимость в настоящее время электрического к.п.д. на уровне 48…50 %. В состав разработанной ПГУ STIG входит следующий набор оборудования:

1. Газотурбинный двигатель (ГТД), имеющий высокую степень сжатия (10) в компрессоре и высокую температуру отработавших газов. Достаточно высокие параметры цикла достижимы при температуре газа перед турбиной 1200-1400 °С и за турбиной 700-800 °С. При этом, вследствие ориентации на процесс STIG в конструкции ГТД необходимо предусмотреть систему ввода воды в компрессор, а также систему парового охлаждения камеры сгорания и турбины.
   
2. Паровая турбина (ПТ) с противодавлением.
   
3. Котел-утилизатор пара (КУП). Рациональной является такая его конструкция, которая обеспечивает возможность промежуточного подогрева пара, направляемого после паровой турбины в камеру сгорания ГТД.
   
4. Контактный конденсатор (КК). С целью передачи возможно большего количества тепла в тепловую сеть следует повышать температуру воды, сливаемой из контактного конденсатора, поэтому КК выполняется двухступенчатым.
   
5. Дымосос (ВК). Дымосос создает разряжение на выходе из контактного конденсатора, опосредованно уменьшая нагрузку на компрессор ГТД. Мощность дымососа выбирается как с точки зрения преодоления гидравлического сопротивления котла-утилизатора пара и контактного конденсатора, так и по оптимуму температур в турбине.
   
6. Турбогенератор с редуктором. Наличие редуктора напрямую зависит от выбора частоты вращения валов турбины и турбогенератора и является задачей конструкторской оптимизации ГТУ.
   
7. Теплонасосная установка (ТНУ). Она предназначена для подачи необходимого количества охлаждающей воды в контактный конденсатор и откачки из него холодной оборотной воды.
   

Указанный состав оборудования парогазовой установки, работающей по сложному циклу STIG, обеспечивает требуемую теплофикационную нагрузку блоку. Снижение эмиссии вредных выбросов NOx в отходящих газах до величины меньше 50 мг/нм3 осуществляется путем подвода воды в компрессор газотурбинного двигателя и в контактный конденсатор, а также путем ввода пара в камеру сгорания. Помимо этого ПГУ STIG, в состав которой входит контактный конденсатор, обеспечивает выброс газов с температурой всего 30…60 °С. Указанные уровни температурных и эмиссионных выбросов дают основание говорить о предпочтительности применения ГТУ STIG для АО "МОСЭНЕРГО".

Следует сказать несколько слов о разработанной ФНПЦ ММПП "Салют" парокомпрессионной теплонасосной установке. Термодинамический цикл установки приближается к циклу Лоренца, а коэффициент передела равен 7,5. Это значительно выше коэффициента передела применяемой в настоящее время в "МОСЭНЕРГО" теплонасосной установки, работающей на органическом хладоне. Замена органического рабочего вещества ТНУ на неорганическое (воду) обеспечивает повышенную экологическую безопасность, упрощает эксплуатацию и позволяет повысить уровень достигаемых температур.

Что касается конструктивного исполнения ПГУ STIG, то и здесь найдены пути, обеспечивающие приоритетность и преимущества созданной конструкторами ФНПЦ ММПП "Салют" парогазовой установки. Дело в том, что к настоящему моменту в России несколькими серийными заводами изготовлены десятки тысяч ГТД. Эти двигатели, характеризуемые сейчас как "устаревшие", частично или полностью выработали свой летный ресурс и в большинстве своем не имеют будущего в смысле применения по своему прямому назначению. Как правило, такие ГТД утилизируются.

Специалистами ММПП "Салют" предложено для удешевления проекта использовать в составе ПГУ STIG материальную часть "вышедших в тираж" авиационных ГТД. При этом преимущество данного предложения, связанное с экономией затрат на изготовление отдельных узлов ГТД, является очевидным, но не единственным. Немаловажным аспектом является также то, что используются конструкции, доведенные до совершенства и проверенные многолетней эксплуатацией. Экономия затрат на опытно-конструкторские и научно-исследовательские работы составляет значительную сумму. При этом уменьшаются также сроки доводки применяемых узлов и ПГУ в целом, а значит, дополнительно сокращаются финансовые затраты.

Из известных авиационных ГТД конструкторы ММПП "Салют" для ПГУ STIG выбрали наиболее предпочтительный элемент - компрессор двигателя третьего поколения АЛ-21Ф-3. Компрессор АЛ-21Ф-3 имеет степень повышения давления 15, одновальную схему с развитым регулированием.

Конечно, в связи с тем, что энергетические установки отличаются от авиационных двигателей значительно большими сроками работы - десятки тысяч часов, возникла необходимость в доработке компрессора по целому ряду узлов.

Прежде всего, в опорах компрессора подшипники качения, ограничивающие ресурс, заменены подшипниками скольжения. В компрессоре двигателя АЛ-21Ф-3, предназначенного для применения в ПГУ STIG, значительная часть поворотных лопаток после доводки закрепляется неподвижно и др.

Для снижения температуры газа в зоне горения камеры сгорания, а значит, и уровня вредных выбросов в установке ПГУ STIG применяется ввод в зону горения "экологического" пара. Пар снижает температуру горячих продуктов сгорания, поступивших из зоны горения, до заданного значения перед турбиной. Балластировка газов паром позволяет уменьшить содержание кислорода и азота в горячей газопаровой смеси и, таким образом, снизить вероятность их химического соединения.

В обеспечение приемлемых для АО "МОСЭНЕРГО" экологических показателей в предлагаемой установке организован также подвод воды на выхлопе. Это позволяет решить несколько задач. Уменьшение температуры выхлопных газов позволяет снизить тепловое загрязнение окружающей среды и уменьшить работу сжатия в дымососе на выходе из контактного конденсатора.

Как указывалось выше, в разрабатываемой ПГУ STIG, сливаемая из контактного конденсатора вода имеет достаточно высокую температуру (порядка 70 °С), а ее количество довольно велико. Все это предопределило появление идеи использования воды из контактного конденсатора для подогрева сетевой воды. Оказалось, что нагрев сетевой воды возможен до температуры 90…100 °С, а осуществлять его целесообразно с помощью парокомпрессионных теплонасосных установок.

Основу парокомпрессионного ТНУ производства ФГУП ММПП "Салют" составляет также компрессор авиационного двигателя АЛ-21Ф-3. Использование готовой материальной части обеспечивает такому решению дополнительные преимущества. ММПП "Салют" разработал и предлагает к применению целый ряд парокомпрессионных ТНУ с авиационными компрессорами мощностью 2, 6 и 10 Гкал и т.д. В сконструированной ПГУ для АО "МОСЭНЕРГО" используются шесть ТНУ общей тепловой мощностью свыше 45 Гкал.

Таким образом, предлагаемый подход к созданию ПГУ предполагает использование в установке компрессоров как минимум семи авиационных ГТД. Заметим, что утилизационная стоимость ГТД сосредоточена, главным образом, в материалах турбины, основной и форсажной камер сгорания. Эти узлы двигателя изготавливаются из дорогостоящих сплавов, основу которых составляет никель. Указанная экономия средств позволяет говорить о предлагаемой ПГУ STIG как о дешевой установке. Но ее низкая себестоимость определяется не только этим.

Рассматривая в качестве компрессора ГТД ПГУ STIG компрессор АЛ-21Ф-3, можно отметить, что реализуемая с его помощью электрическая мощность составляет 100-120 МВт при приемлемой на современном этапе температуре парогазовой смеси перед турбиной. Это в 3-6 раз больше реализуемой мощности двигателя как в простом, так и в бинарном циклах. То есть, практически один и тот же состав оборудования (ГТД, КУП с приблизительно одинаковыми расходами рабочего тела), затраты на изготовление которых также практически одинаковы, имеют разнящиеся в несколько раз технические характеристики. Не повод ли это к более внимательному рассмотрению существа вопроса?

В отношении современных экономических и экологических требований, предъявляемых к энергетическому оборудованию, представленные выше аргументы, характеризующие разработанную на базе авиационных газотурбинных двигателей ПГУ STIG, говорят о перспективности использования таких установок в энергосистемах России, и, в частности, в АО "МОСЭНЕРГО".

В заключение следует отметить, что создание первой в России ПГУ STIG на основе авиационного двигателя АЛ-21Ф-3 позволит сократить продолжительность этапа внедрения перспективной газотурбинной техники в "большую" энергетику. Скорейшее начало эксплуатации ПГУ STIG даст возможность приблизить сроки обучения обслуживающего персонала электрических станций для работы с ПГУ. А самое главное то, что в результате создания и отработки такой ПГУ, а также на основе накопленного опыта при пробной эксплуатации, появится возможность реального создания в России новой перспективной высокоэкономичной энергетической установки.