Совершенствование газотурбинных установок - главная цель их разработчиков. Современная конкурентоспособная энергетическая установка должна характеризоваться высокими показателями экономичности, надежности и экологичности. О возможностях контактных газопаротурбинных установок, опыте их разработки на базе промышленно выпускаемых газотурбинных двигателей и перспективах их применения в составе энергетических установок газоперекачивающих агрегатов, электростанций, судов и морских объектов рассказывается в этой статье.

Одним из направлений повышения эффективности газотурбинных установок за счет утилизации теплоты и массы отработавших газов является использование тепловых схем контактных газопаротурбинных установок (КГПТУ). В этих установках часть теплоты отработавших газов возвращается с паром в камеру сгорания газотурбинного двигателя (ГТД) и часть паров воды, образовавшихся при сгорании углеводородного топлива после конденсации, - в утилизационный контур.

Практическая реализация таких схемных решений КГПТУ сводится к созданию следующих образцов новой техники: - ГТД, способного работать на газопаровой смеси при подачах энергетического и экологического пара; - компактного котла-утилизатора; - контактного конденсатора.

При создании газоперекачивающей установки ГПУ-16К мощностью 16 МВт разработана КГПТУ-16К, основу которой составляет двигатель ДУ71Л, разработанный на основе серийного ГТД мощностью 10 МВт (с соответствующими доработками для подачи пара в камеру сгорания).
ГТД ДУ71Л трехвальный, открытого цикла, с подачами энергетического и экологического пара в камеру сгорания.

В 1998 г. первый экземпляр ГТД ДУ71Л был изготовлен НПП "Машпроект" и поставлен на опытно-доводочные испытания для отработки технологических и эксплуатационных задач подвода пара, определения характеристик двигателя. Наработка на стенде ГП НПКГ "Зоря"-"Машпроект" составила около 650 часов.

Котел утилизационный паровой КУП-2700 изготовлен по оригинальной документации НПП "Машпроект" в 1996 г.

Конденсатор контактный КК-40 включает конденсатосборник, сетчато-канальную насадку, форсуночный ороситель и инерционный каплеотделитель. Конденсатор КК-40 вместе с котлом-утилизатором КУП-2700 был отправлен на компрессорную станцию КС-35 "Ставищенская" (Украина).

Основные элементы КГПТУ-16К выполнены в блочно-контейнерном исполнении, что позволяет существенно сократить сроки их монтажа на компрессорных станциях и снизить стоимость сооружений.
В 2002 г. установка КГПТУ-16К была полностью смонтирована на компрессорной станции. В феврале 2003 г. начались пуско-наладочные работы по всем агрегатам и системам установки для подготовки ее к предварительным испытаниям. В ноябре 2003 г. она была предъявлена Государственной комиссии и в том же месяце передана в опытно-промышленную эксплуатацию. К концу июня 2004 г. наработка КГПТУ-16К в составе газоперекачивающей установки ГПУ-16, включенной в газовую магистраль, составила 1200 часов. Основные показатели установки следующие (при температуре наружного воздуха от минус 5 °C до плюс 10 °C): - эффективность установки в условиях компрессорной станции 42,1 % (в условиях ISO - 45 %) при мощности установки 16 МВт; - содержание вредных выбросов с газопаровой смесью - NOх - 54 мг/нм3, СО - 58 мг/нм3.

ГП НПКГ "Зоря"-"Машпроект" имеет большой опыт применения КГПТУ как электрогенерирующего агрегата. В 1995 г. полноразмерная установка мощностью 25 МВт (КГПТУ-25К) была изготовлена и смонтирована в испытательном цехе предприятия. Установка включала доработанный серийный двигатель ДС90, котел-утилизатор КУП-2500, спроектированный и изготовленный в 1995 г., конденсатор контактный КК-90 (оригинальной разработки и изготовления НПП "Машпроект").

За время эксплуатации на КГПТУ-25К был исследован широкий круг вопросов, связанных с подачей пара в ГТД и др. Отмечено, что увеличение расхода экологического пара по отношению к расходу топливного газа до значений 1,5…1,6 позволяет снизить содержание NOx в уходящих газах до 30…35 мг/нм3 без существенного увеличения выбросов оксида углерода.

Помимо экспериментальной отработки установка, проработав более 10000 часов, выработала свыше 180 млн кВт·ч электроэнергии для собственных нужд предприятия.

Накопленный опыт проектирования, изготовления и эксплуатации КГПТУ-16К и КГПТУ-25К позволяет ГП НПКГ "Зоря"-"Машпроект" предлагать заказчику КГПТУ различной мощности на основе серийно выпускаемых ГТД.

КГПТУ можно рассматривать как альтернативу эксплуатирующимся судовым бинарным газопаровым установкам, а более высокие удельные мощности КГПТУ определяют перспективу их применения в судовых энергетических установках. Прежде всего, это целесообразно для водоизмещающих судов с повышенной скоростью хода и для морских объектов - плавучих электростанций, буровых и добывающих платформ.

Особенностью судовых ГТД является использование жидких топлив, в которых в разных количествах содержится примесь серы.

В результате длительных испытаний НПП "Машпроект" совместно с НКИ влияния серы были получены данные, которые свидетельствуют, что при начальном массовом содержании серы в топливе 0,5 % в течение 40…50 часов происходит ее накопление в циркуляционной воде с образованием серной кислоты (Н2SO4). При очистке и коррекционной обработке воды, идущей на питание котла-утилизатора, содержание кислоты в циркуляционной воде стабилизируется на уровне 0,1 % .

Изложенное выше дает основание утверждать, что КГПТУ являются высокоэффективными энергетическими установками с низкими уровнями тепловых и экологически вредных выбросов.
Неоспоримым преимуществом таких установок является модульность их изготовления, что позволяет значительно ускорить монтаж КГПТУ на объектах заказчиков.