ГАЗОТУРБИННЫЕ УСТАНОВКИ В ЭНЕРГЕТИКЕ -
ВАЖНЕЙШИЙ ПУТЬ ЭКОНОМИИ
ТОПЛИВНО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ РЕСУРСОВ РОССИИ

Олег Николаевич Фаворский,  академик РАН,
руководитель Секции энергетики ОЭММПУ РАН

 

 

В современном мире надёжность электрообеспечения страны является важнейшей задачей государства. При этом, естественно, очень важны финансовые затраты на содержание и развитие всей системы электроснабжения, её надёжности, экономичности, экологичности. Особенности России - громадная территория, холодный климат и наличие больших запасов органического топлива (газ, уголь, нефть, торф, отходы обработки леса и бытовые) в определённой мере должны влиять на будущее нашей электроэнергетики.

В развитии электро- и теплоэнергетики России ближайших 10-20 лет определяющим в науке и промышленности должно быть существенное повышение энергоэффективности на всех этапах - при выработке, передаче и потреблении энергии. И если при потреблении электроэнергии и тепла эффективность определяется всюду в основном применяемым оборудованием и может сдерживаться только ценой поставляемой энергии и выгодой потребителя при выборе своего оборудования, то в производстве и передаче энергии определяющим должна быть роль координатора - государства. Это принципиальные участки экономии топлива и улучшения экологии и только государство может обеспечить их эффективную реализацию и контроль, ибо новое оборудование окупается долго и частнику (и особо недавнему) невыгодно.

Важность энергосбережения является одной из основных государственных задач Российской Федерации как по экономическим, экологическим, так и по надёжностным для безопасности страны соображениям, определяя эффективность нашей экономики. Особенно важна эффективность использования в стране природного газа как лучшего по качеству органического топлива, более удобного и дешёвого для населения. Газ является сегодня основным для электроэнергетики страны.

Серьёзные исследования отечественных учёных показывают, что в ближайшие 50-70 лет все разговоры об окончании "газовой паузы" не имеют под собой почвы. Тем более, что в окружающих нас морях есть, кроме нефти и газа, также колоссальные запасы газгидратов, безусловно, в будущем подлежащих освоению. Таким образом, ставка на органическое топливо как основу электроэнергетики России должна быть неизменной.

В России в ближайшие годы правительством планируется регулярное повышение цены и на газ, и на электроэнергию. Но при этом трудно объяснить населению эти меры, тем более, что США заявили о госпрограмме сохранения сегодняшних цен на электроэнергию (равных нашим!) до 2020 г. Нашему государству в крупном плане надо решать эти вопросы, несмотря на современный мировой экономический кризис. Для этого есть резервы и, прежде всего, в эффективности электро- и теплообеспечения и главный из них - широкое внедрение газовых турбин в энергетике на органических топливах. Именно, в первую очередь, в связи с экономическими преимуществами для России, электроэнергетика на газе у нас будет главной в следующем десятилетии.

В основе же использования для электроэнергетики тепла органических топлив лежат, прежде всего, законы термодинамики - эффективность преобразования тепла в механическую работу, а также стоимость соответствующего оборудования, его обслуживания и их экологичность. Термодинамика диктует - КПД (преобразования тепла в работу), прежде всего, определяется максимальной температурой газов в цикле. При этом, конечно, органическое топливо сжигается в воздухе, как бы в бесплатном компоненте. Другой параметр - температура газов при отводе тепла из цикла. Чем она ниже, тем выше КПД. Очевидно, что каскадирование тепла в ряде последовательных ступеней даёт максимальный общий КПД. Поэтому теоретически лучше всего использовать энергию продуктов сгорания, например, последовательно в циклах: МГД (магнитогидродинамический генератор) - газовая турбина (ГТУ) - паровые турбины (ПТУ). Однако жизнь показала, что МГД-генератор, используя газ с предельной температурой сгорания 2200…2300 °С, не может работать длительно и надёжно, главным образом, из-за нереализуемости равномерной электропроводности в больших объёмах газа и при этом "шнуровании" тока в нём.

В последние годы появились новые идеи каскадированных энергосистем. Часто упоминается начало циклирования по топливу с высокотемпературных топливных элементов, отработавшие газы из которых идут в ГТУ. Надстраиваются схемы и термоэлектрическими генераторами на горячих стенках ГТУ и генераторах тепла и т.п. Однако стоимостные соображения (и ресурсные) в России вряд ли позволят допустить эти схемы к реализации в широкой энергетике.

Паровые турбины за своё развитие (более 120 лет) вышли на надёжный уровень температур в 600…610°С. Реально их создание и на уровень 700…720°С и выше. Но пока цена материалов для таких температур делает их реализацию неэффективной.

Газовые турбины в энергетике, начав с температур 700…800°С, сегодня надёжно работают при 1300°С и вполне реальны до 1500°С. Таким образом, сегодня в каскадировании тепла для выработки электроэнергии наиболее эффективно и реально сочетание последовательно используемых ГТУ и ПТУ - так называемых парогазовых установок - ПГУ. Это было очевидным уже 50-60 лет тому назад, но стало широко внедряться в мире с 90-х годов прошлого века.

Российская электроэнергетика, использующая газ, очень устарела не только технически, но главное морально: 98% работает практически на паротурбинных установках (ПТУ). Их средний коэффициент полезного действия не превышает 32…36%. В то же время использование парогазовых установок (ПГУ) поднимает КПД как минимум до 52…60%. Кроме того, в схемах и конструкциях ПГУ (и ГТУ) есть ещё ряд возможностей повышения их эффективности. Это и регенерация тепла, и ступенчатый теплоподвод, впрыск пара в разные участки тракта и т.п. Особо стоит вопрос о совершенствовании материалов, особенно в высокотемпературной части ГТУ, улучшение систем охлаждения, уплотнений, смазки и др. Все последние задачи одновременно служат и продлению ресурса. Очевидно, что внедрение тех или иных решений в конкретные серийные ГТУ определяется часто и их экологическим эффектом, ставшим важным особенно в последние десятилетия. Поэтому очевидно, что в ближайшие 10-15 лет можно ожидать в ПГУ подъём КПД до 62…63%, что более 40 лет пропагандировалось РАН и в последние 20 лет широко реализуется во всех развитых странах.

Замена ПТУ на ПГУ на электростанциях страны позволяет либо на 35…40% сэкономить использование газа, либо увеличить электрическую мощность. Этот резерв мощности в России сегодня более 60 ГВт. Однако при этом главным должно становиться производство отечественных газовых турбин большой мощности.

Их разработка и производство требуют концентрации усилий НИИ, ОКБ и заводов с серьёзным научным обеспечением их работы: новейшими материалами, методами расчёта и проектирования, технологиями, а также кадрами. Это решающий комплекс в развитии России как современного высокотехнологичного государства и роль государственных структур должна быть при этом определяющей. Так обстоит дело и во всех передовых странах.

Вместе с тем сегодня в Российской Федерации производятся только две мощные ГТУ, разработки 80-х годов: "ЛМЗ Силовых машин" (по лицензии компании "Сименс") мощностью 160 МВт и ОАО "НПО "Сатурн" (разработка ОКБ г. Николаев) - 110 МВт. Наряду с их ограниченным применением, энергокомпании начали широко заказывать за рубежом современные ГТУ разных типов. При этом уничтожается отечественная отрасль науки и промышленности и теряется безопасность энергообеспечения страны применением импортной техники, резко удорожается и усложняется её последующая эксплуатация, не говоря о сложности и разнотипности оборудования.

На "ЛМЗ Силовых машин" и ФГУП “Центр газотурбостроения "Салют" по собственной их инициативе в течение ряда лет разрабатывали новые ГТУ, но отсутствие госруководства и господдержки не позволили пока довести эти действия до положительных результатов. Очень осложняет положение и полная неопределённость рынка мощных ГТУ - количество и сроки поставки, что всегда определяет эффективность производства. При этом только за последние два года приняты ряд указаний руководства страны по разработке большой ГТУ, но реальных шагов нет.

На 585 ТЭС России эксплуатируются более 2000 мощных паровых турбин, из которых 360 работают более 50 лет, а ещё 950 - более 30 лет. Кроме того, что они малоэффективны - они, естественно, устарели по параметрам (температура газов ниже 550°С). В случае принятия государством жёсткого решения о переходе к ПГУ, прежде всего для ТЭС, работающих на газе, необходимы 300 - 400 мощных ГТУ, т.е. при программе, рассчитанной на 20 лет, в стране надо выпускать минимум по 2 ГТУ в месяц. Это может быть очень эффектным заказом для заводов. Пока два завода делают несколько ГТУ в год.

Сейчас "ЛМЗ Силовых машин", кроме выпуска (что очень важно, не при полном комплекте своих деталей) Сименсовской ГТУ-160 приобрело лицензию у Сименса на ГТУ-260. Машину именно такого типа надо, в первую очередь, создавать отечественной и основная база для этой разработки пока есть. Надо объединить интеллект и возможности авиадвигателестроения, чтобы на базе "Салюта" с научной поддержкой ЦИАМ и ВИАМ создать газогенераторную (меньшую по размерам и наиболее сложно напряженную часть) ГТУ. Компрессор и турбину низкого давления, а также сборку - комплектацию закрепить за "ЛМЗ Силовых машин", опять-таки с поддержкой их проектирования ЦИАМ, ВИАМ, а также ВТИ, ЦКТИ и ЦНИИТМаш.

Организация этих работ и их финансирование должны быть обеспечены государством - Минэнерго России с поддержкой "Объединённой авиадвигателестроительной корпорации” путём разработки целевой Государственной программы по мощной ГТУ.

Отметим ещё одно важное обстоятельство. Удельная стоимость мощных ГТУ на мировом рынке не выше 200 $/кВт. Таким образом, серийная ГТУ мощностью 300 МВт должна стоить около 1,8 млрд руб. (первый образец - 5...7 млрд руб.). Стоимость же замены на ТЭС ПТУ на ПГУ в мировой практике не превышает 900 $/кВт. И тогда, например, парк ПГУ на ТЭС общей мощностью 50 ГВт должен стоить ~ 1,3 трлн руб. Производство ими в течение 5000 ч/год электроэнергии ценой 2 руб./кВт обеспечит доход 0,5 трлн руб./год. Так как при этом старые ПТУ-ТЭС выработали бы только 2/3 от этой энергии, то чистый годовой доход от внедрения ПГУ на них был равен примерно 0,17 трлн руб., и тем самым их окупаемость с учётом последовательности ввода по годам составила бы 6 - 7 лет. Это очень хороший показатель!

Однако, например, в новых разработках Программы модернизации электроэнергетики России вводом за 10 лет 71 ГВт (при выводе 19 ГВт) затраты оцениваются в 10,6 трлн руб. Хотя при этом учитывались, кроме цены оборудования (в том числе АЭС и ГЭС), значительные затраты на все виды разработок - на сетевое хозяйство и др., общая удельная цена модернизации ~ 5000 $/кВт, конечно, отпугивает частника. Именно здесь должна проявиться организационная и контролирующая роль государства, и особенно - в конкретизации: привязке к местным целям всех работ.

Ещё одно важнейшее направление использования газовых турбин - массовая теплоэнергетика. В стране сегодня более 30000 котельных, работающих на газе. Значительная часть из них просто переделана из угольных, т.е. их КПД очень низок - до 50...60%. При замене таких котельных на ГТУ-ТЭЦ (т.е. когенерацию электроэнергия - тепло) можно резко поднять эффективность использования газа и либо получать почти бесплатную электроэнергию (при замене плохих котлов), либо при прежнем тепле с добавлением всего 20...30% газа получать электроэнергию с очень высоким КПД - 65...70%. Этот резерв мощности в стране сегодня до 90 ГВт.

Для решения такой задачи в стране есть столь нужные газотурбинные установки невысокой мощности - 2…30 МВт (более 12 типов), созданные на предприятиях авиадвигателестроения в период последних 20 лет практического отсутствия в авиации заказов государства. Более 200 их уже находятся в эксплуатации. Необходимо  несколько улучшить их эмиссию - состав выхлопных газов и продолжить улучшение КПД. Решения для этого тоже есть. Развитие в мире ГТУ средней мощности (30 МВт) показало уже на трёх фирмах ("Роллс Ройс", "Дженерал Электрик" и "Солартурниз") обеспечение КПД 40%. Этот же уровень КПД реализуется и в новой ГТУ Пермского ОКБ мощностью 30 МВт. Кстати, более 2000 отечественных малых ГТУ надёжно работает на газоперекачке. Массовость ГТУ-ТЭЦ решает одновременно задачу децентрализации электро- и теплообеспечения, резко снижая затраты на сети и повышая надёжность систем. Очевидно, что быстрое решение этой проблемы может на основе имеющихся станций обеспечить значительный прирост энергопроизводства.

Таким образом, совершенствование электротеплоснабжения страны газовыми турбинами дает резерв прироста электроэнергетики страны до 140...150 ГВт.

Для обновления электроэнергетики России рационален и реален на ряд лет (2013 - 2030 гг.) темп ввода по 3 ГВт/год ГТУ-ТЭЦ и до 3 ГВт/год ПГУ. Это означает ввод около 200 малых ГТУ (средней мощностью 16 МВт) и 10-12 мощных ГТУ по 160...250 МВт/год. При этом наша промышленность уже сегодня вполне может обеспечить нужное число малых хороших ГТУ. Надо срочно создавать мощную отечественную ГТУ на 300…350 МВт силами авиа- и энергогазотурбинистов. Знания и кадры ещё пока есть, и это действительно может быть одной из самых эффективных инноваций, позволяющих сохранить и развивать очень сложные области науки и техники - интеллект страны. Ещё раз подчеркнём, что широкое использование покупного зарубежного оборудования грозит потерей энергобезопасности страны.

В итоге за 25-30 лет можно полностью обновить электроэнергетику страны и при сохранении современного расхода газа увеличить при необходимости до 60% производство электроэнергии.

Ещё один резерв в энергетике для ГТУ - пиковые ПГУ и ГТУ электростанции. Их эффективность выше пропагандируемых гидроаккумулирующих станций и по затратам (особо затапливаемые площади), и по срокам ввода и обслуживанию. Важна и их привязка к центрам потребления и газохранилищам.

Всё сказанное ещё раз подчёркивает необходимость утерянной за последние 20-25 лет определяющей роли государства, наличия квалифицированного и финансово достаточного Министерства энергетики (и заказчик, и контролёр).

Отметим, что для первого шага в модернизации электроэнергетики - перевода ПТУ-ТЭС на ПГУ (либо с приростом мощности около 50 ГВт, либо с экономией газа ~ 40 млрд м3 в год) необходимо:

а) запретить новое строительство ТЭС на паровых турбинах (на газе);
б) обеспечить постепенный перевод (за 15-20 лет) ТЭС с ПТУ на ПГУ;
в) детально проработать условия работы всех ТЭЦ и, в первую очередь, в случаях избытков их тепловых мощностей также переводить их на ПГУ и ГТУ-ТЭЦ;
г) создать по федеральной программе Российской Федерации новую мощную (300 МВт) отечественную газовую турбину.

Кроме того, срочно необходимо начать массовый перевод на ГТУ-ТЭЦ газовых котельных, для чего:

а) организовать в регионах (под обязательным контролем государства) анализ всех крупных котельных (более 1000 КВт тепла) и, начав с худших по эффективности, активно переводить их на ГТУ-ТЭЦ;
б) возможно, стоит ввести методику замены котлов "силовым" путём - запретить эксплуатацию или, например, поднять цены на газ для теплоэлектростанций с плохими котлами - например, при итоговом КПД ниже 60%, разрешив работать не дольше, чем до 2015 г., ниже 70% - до 2020 г. и т.п. При этом необходимо резко сократить типы котлов на новых ГТУ-ТЭЦ, и, особенно, обеспечить поддержку производителя отечественного оборудования;
в) создать ряд поощрительных мер по кредитам и налогообложению компаний, реализующих такие ГТУ-ТЭЦ.

Подчеркнём ещё раз, что перевод даже 50% котельных в ГТУ-ТЭЦ даёт стране дополнительную электрическую мощность около 45 ГВт, обеспечив на десятилетие перспективное развитие энергетики.

Особо надо отметить и необходимость широкого перехода в нашей промышленности к современной системе обслуживания поставляемого и эксплуатируемого оборудования на электростанциях. Это и мониторинг эксплуатации, и ремонты, и ответственность за простой. Но это и путь повышения доходов заводов. А на станциях это надёжность и уменьшение численности персонала. Уже сегодня на передовых электростанциях мира именно благодаря работе по этой системе персонала в 15-20 раз меньше, чем у нас в России.

Особо важно, что современные квалифицированные кадры на базе цифровой техники в ОКБ и заводах - единственный путь ускорения работ и повышения качества продукции. Отечественное машиностроение - основа культуры страны, так как именно оно требует развития науки и образования. При этом создание новых ГТУ - особо наукоёмкая область науки и техники, которая занимается созданием широкого спектра новых материалов и технологий, их обработкой, методами расчёта газодинамических и тепловых процессов, самыми сложными в мире прочностными расчётами деталей, систем контроля и регулирования и т.д. Все эти разработки, как правило, переходят и в другие области техники. Таким образом, средства, вложенные государством в ГТУ, резко повышают и культурно-человеческий фактор в стране. Оснащённость наших энергетических заводов пока очень низка.

Для создания отечественного оборудования нужно, подчеркнём ещё раз, прежде всего определяющее влияние государства. Оно должно взять на себя затраты на НИР и ОКР, а главное оказывать влияние на полную перестройку производственной базы заводов и их кадров на цифровые программные станки. При этом в стране уже есть отдельные примеры современных заводов - например, в авиагазотурбостроении - ОАО "НПО "Сатурн" и ФГУП "Центр газотурбостроения "Салют".

Никакой модернизации страны и реализации любых инноваций не будет без создания современной промышленности.