Теплоэнергетика, 2021, № 11, стр. 26-34

ГАЗОТУРБИННАЯ УСТАНОВКА LM6000 И ЕЕ МОДИФИКАЦИИ

Газотурбинная установка LM6000 разработана на базе авиадвигателя CF6 и выпускается фирмой General Electric с 1991 г. [2, 3]. Первоначально мощность ее составляла 40 МВт, КПД – 40%. С 1991 г. выпущено 1200 ГТУ этого типа. Они наработали в сумме более 33 млн ч, наибольшая наработка на агрегат достигла 160 тыс. ч. Эта ГТУ применяется для привода электрических генераторов и механизмов. Она работает автономно, в схемах комбинированного производства электроэнергии и тепла и в парогазовых установках.

Газотурбинная установка LM6000 (рис. 2) выполнена двухвальной. Генератор горячих газов для 5-ступенчатой турбины низкого давления (ТНД) состоит из 14-ступенчатого компрессора высокого давления (КВД), камеры сгорания и 2‑ступенчатой турбины высокого давления (ТВД) с номинальной частотой вращения 10 000 мин^‒1. Турбина НД через вал, находящийся внутри вала ВД, вращает компрессор низкого давления (КНД, 5 ступеней) и выдает полезную мощность со стороны выхода отработавших в ней газов. Выдача мощности возможна и со стороны КНД.

Рис. 2.

Общий вид ГТУ LM6000

Компрессор низкого давления выполнен с одним регулируемым входным направляющим аппаратом (ВНА), в компрессоре высокого давления (КВД) регулируется шесть направляющих венцов на входе. Изменение положения ВНА обеспечивает согласование расходов воздуха при быстрых пусках, остановах и снижении нагрузок и предотвращает срывные явления при длительной работе на очень малой нагрузке.

Аэродинамически совершенные рабочие и сопловые лопатки ТВД выполнены монокристаллическими из жаропрочного сплава и защищены термобарьерным покрытием. Рабочие лопатки всех ступеней ТНД объединены бандажом.

Газотурбинная установка LM6000 поставляется с кольцевыми камерами сгорания (КС) двух типов. Камера первого типа аналогична камере авиационных ГТД и выполнена прямоточной с завихрителем Вентури, обеспечивающим равномерное распределение температуры на выходе из камеры. В ее конструкции предусмотрена возможность замены отдельных форсунок. Пламенная труба для увеличения срока службы выполнена неразъемной и защищена иттрий-циркониевым термобарьерным покрытием.

Камера второго типа ‒ сухая, малоэмиссионная (выпускается с 1995 г.) с предварительной подготовкой топливовоздушной смеси, при работе на природном газе обеспечивает выбросы NO_x не более 25 млн^‒1 при концентрации O₂ равной 15% без впрыска воды или пара, необходимых при работе на малосернистом жидком топливе для снижения концентрации NO_x менее 42 млн^–1.

Фирма General Electric последовательно совершенствует конструкции ГТУ с повышением их показателей. Итоги двух модернизаций, проведенных к 2009 и 2016 гг., приведены в табл. 3 [4].

После модернизации в 2009 г. модификация PG выпускается с авиадвигательной камерой сгорания, а РН – с малоэмиссионной. С 2013 г. в качестве таковой используется двухкольцевая двухтопливная камера сгорания с выбросами ${\text{NO}}_{x}^{{}}$ менее 15 млн^‒1 и СО не более 25 млн^‒1 при сжигании природного газа без впрыска воды или водяного пара.

При модернизации ГТУ фирма General Electric применила свои достижения в подборе материалов и технологии, использованные при изготовлении авиадвигателей СF-80E и GE90, а также промышленной ГТУ LMS100.

В 1992 г. начальная температура газа перед ТВД (фирма указывает обычно температуру торможения газового потока перед рабочими лопатками 1-й ступени) была равна 1237°С, а перед ТНД ‒ 832°С. В ГТУ новых модификаций PG и PH для увеличения мощности эта температура перед ТВД была повышена на 55°С, температура на входе в рабочие лопатки турбины низкого давления составляет 900°С, температура газов на выходе ‒ 470°С. Повышение мощности ГТУ также достигнуто благодаря увеличению степени сжатия компрессора, расхода газов и частоты вращения вала НД с 3627 до 3911 мин^‒1.

Газотурбинные установки, работающие в энергосистемах с частотами 50 и 60 Гц, имеют одинаковые значения основных параметров. Характерные для них зависимости электрической мощности и КПД от температуры наружного воздуха приведены на рис. 3.

Рис. 3.

Зависимость мощности (1) и КПД (2) ГТУ LM6000 от температуры наружного воздуха ${{t}_{{{\text{н}}{\text{.в}}}}}$

Газотурбинная установка LM6000PG вышла на рынок в первой половине 2010 г., а LM6000PH ‒ в 2011 г.

При модернизации LM6000PH в 2016 г. были изменены материалы дисков последних ступеней компрессора высокого давления (КВД), повышена температура газов в турбине (на выходе до 504°С). Для изготовления лопаток ТВД использованы современные материалы и покрытия, улучшена форма отверстий для пленочного охлаждения. Для уменьшения напряжений изменена конструкция болтов, переконструировано уплотнение 2-й ступени.

В промышленной модели LM6000PH сохранены 90% деталей авиадвигателя. Ротор ГТУ такой же, как в двигателе CF6-80E. Межремонтный период генератора газов этой ГТУ составляет 25 тыс. ч.

Хотя температура газов была повышена, выбросы ${\text{NO}}_{x}^{{}}$ сохранялись на уровне не более 25 млн^‒1 при нагрузках от 100 до 50% номинальной.

Всего с 1993 г., когда ГТУ LM6000 были оснащены малоэмиссионными камерами сгорания, в которых возможно сжигание жидкого топлива и различных по свойствам горючих газов, выпущено около 400 таких ГТУ, наработавших в сумме более 10 млн ч.

Обеспечен пуск ГТУ с приемом полной нагрузки за менее чем 10 мин после сигнала на ее повышение, изменение мощности возможно со скоростью 50 МВт/мин.

Совершенствование конструкции пэкиджа позволило снизить на 30% необходимое для его установки время (до 3 мес после подписания контракта на поставку ГТУ и 12 мес – на ПГУ). Одновременно на примерно 5 дБ (А) снизился шум вблизи установки.

В ГТУ LM6000 использована система тонкого распыления воды на входе в КНД и в КВД для испарительного охлаждения сжимаемого воздуха и снижения работы компрессоров (SPRINT). Эта система не потребовала конструктивных изменений ГТУ. В результате мощность ГТУ увеличилась примерно на 10%.

Мощность парогазовых установок с ГТУ LM6000 составляет около 70 МВт, при этом мощность паровой турбины ‒ 15‒18 МВт, а КПД ПГУ ‒ более 55%.

ГАЗОТУРБИННАЯ УСТАНОВКА LM9000

Газотурбинная установка LM9000 разработана на основе авиадвигателя GE90-115В, используемого на самолетах “Боинг 777” [3]. Мощность на валу составляет 65 МВт, КПД ‒ 43%.

Установка состоит из двухкаскадного генератора газа, четырехступенчатого компрессора низкого давления, который приводится во вращение одноступенчатой турбиной среднего давления (ТСД), и девятиступенчатого компрессора высокого давления, вращаемого турбиной высокого давления. Малоэмиссионная камера сгорания DLE-1.5 расположена между КВД и ТВД. Четырехступенчатая силовая турбина с номинальной частотой вращения 3430 мин^‒1 сохраняет высокий КПД при изменении частоты вращения от 70 до 105% [3]. Для согласования режимов при пусках и на малых нагрузках предусмотрена возможность сброса значительной части воздуха после КНД.

Газотурбинная установка LM9000 может работать на природном газе и жидком топливе с выбросами ${\text{NO}}_{x}^{{}}$ не более 15 млн^‒1 и СО не более 25 млн^‒1.

При комбинированной выработке электроэнергии и тепла коэффициент использования тепла топлива может превышать 80%.

Умеренные габариты позволяют разместить ГТУ в пэкидже длиной 12.5 м, шириной 5 м и высотой 4.5 м.

Межремонтные интервалы для LM9000 увеличены по сравнению с LM6000 и составляют между:

малыми инспекциями до 12 тыс. ч;

инспекциями с заменой горячих деталей до 36 тыс. ч;

капитальными ремонтами до 72 тыс. ч.

Конструкция пэкиджа допускает замену генератора газа или всей ГТУ (с силовой турбиной) в течение 24 ч. Зависимость мощности ГТУ LM9000 от температуры наружного воздуха показана на рис. 4.

Рис. 4.

Зависимость мощности ГТУ LM9000 от температуры наружного воздуха

Фирма General Electric последовательно развивает свои ГТУ. Мощность модели LM2500 за 45 лет ее применения выросла с 18 до 34 МВт (на 90%), ГТУ LM6000 за 25 лет ‒ на 45%. Имеются возможности повышения мощности и LM9000.

ПРОМЫШЛЕННАЯ ГТУ TRENT

Промышленный Trent – трехвальный газотурбинный двигатель, являющийся модификацией ГТД RB 211 и Trent 800, разработанных фирмой Rolls-Royce в 90-х годах прошлого века для широкофюзеляжных самолетов “Боинг” серий 747, 757, 767 и 777.

Промышленный Trent развивает мощность от 42 до 66 МВт и используется для привода электрических генераторов и механизмов [5, 6] (рис. 5). Параметры энергетических ГТУ на базе авиадвигателя Trent приведены в табл. 4.

Рис. 5.

Диаграмма пуска промышленной ГТУ Trent. 1 ‒ предпусковые условия выполнены, запуск системы вентиляции; 2 ‒ сигнал на запуск, включение системы вентиляции (70 с); 3 ‒ начало вращения ГТУ для продувки; 4 ‒ разворот ГТУ (60 с); 5 ‒ достигнута требуемая частота вращения; 6 ‒ продувка (21 с); 7 ‒ окончание продувки; 8 ‒ разворот до предсинхронной частоты вращения (20 с); 9 ‒ предсинхронные обороты достигнуты; 10 ‒ прогрев (90 с); 11 ‒ прогрев закончен; 12 ‒ разгон с предсинхронных до синхронных оборотов (40 с); 13 ‒ готовность к синхронизации; 14 ‒ синхронизация (30 с); 15 ‒ включение в сеть; 16 ‒ нагружение до 66 МВт (194 с); 17 ‒ достигнута базовая нагрузка

В промышленных ГТУ вентилятор авиадвигателя заменен на двухступенчатый компрессор низкого давления, создающий такую же, как в ГТД, степень сжатия. Он приводится во вращение силовой турбиной, соединенной также с валом электрического генератора (или какого-то другого нагрузочного устройства). Частота его вращения ‒ 3000 или 3600 мин^‒1 (в зависимости от частоты энергосистемы).

В пятиступенчатой силовой турбине длины лопаток последних двух ступеней увеличены для преобразования тяги ГТД в работу.

Генератор газов состоит из компрессора среднего давления (восемь ступеней, номинальная частота вращения 6675 мин^‒1) и компрессора высокого давления (шесть ступеней, 9950 мин^‒1). Имеется возможность регулирования положения четырех направляющих аппаратов КВД.

Рабочие лопатки КНД, первых шести ступеней компрессора среднего давления (КСД) и 1-й ступени КВД, направляющие лопатки 1-й и 2-й ступеней КСД и диски КНД, КСД и первые четыре ступени КВД изготовлены из титанового сплава. Рабочие лопатки 7-й и 8-й ступеней КСД и 2-й ступени КВД, направляющие лопатки всех ступеней КНД, 3‒8-й ступеней КСД и первые три ступени КВД выполнены из стали, а рабочие лопатки 3‒6-й ступеней, направляющие лопатки 4‒6-й ступеней и диски 5‒6-й ступеней КВД – из никелевых сплавов.

Турбина высокого давления (ТВД, 1-я ступень) приводит во вращение КВД, турбина среднего давления (ТСД, 1-я ступень) – КСД, силовая турбина низкого давления (ТНД, пять ступеней) – КНД и электрический генератор. Все лопатки и диски турбин изготовлены из никелевых сплавов. Рабочие лопатки ТВД и ТСД монокристаллические. Роторы ГТУ опираются на восемь подшипников качения: пять роликовых и три шариковых.

Топливо сжигается в блочно-кольцевой камере сгорания с восемью пламенными трубами. Эта камера выполнена кольцевой с 24 форсунками и двумя запальниками.

Система сжигания топлива для обеспечения требуемых выбросов ${\text{NO}}_{x}^{{}}$ и СО была изменена. При работе на природном газе это достигается конструктивными мероприятиями без впрыска воды (DLE). Впрыск воды в камеру сгорания (WLE) обеспечивает нормативные выбросы и на газе, и на жидком топливе. Мощность ГТУ при этом возрастает независимо от вида топлива, а КПД снижается.

Другим средством повышения мощности является испарительное охлаждение воздуха, засасываемого компрессором ГТУ из атмосферы водой, распыляемой в воздухозаборном тракте установки (ISI).

Длина ГТУ Trent составляет 5.7 м, ширина ‒ 2.8 м, высота ‒ 2.7 м; масса ГТУ с камерой DLE ‒ 13.8 т, с камерой WLE – 11.8 т. Масса пэкиджа равняется 190 т, его длина ‒ 26.5 м (с системой ISI ‒ 29.5 м), ширина ‒ 4.6 м, высота ‒ 4.9 м.

Пэкидж с промышленной ГТУ Trent спроектирован модульным для оптимизации эксплуатации и технического обслуживания, а также сокращения необходимого для монтажа и ремонтов времени. При проведении капитальных ремонтов двигателя в заводских условиях время простоя для смены двигателя составляет менее 2 сут.

Пуск энергетической ГТУ Trent из холодного состояния до полной нагрузки занимает 10 мин. Пуски и циклические режимы работы не увеличивают расходования ресурса. Наработка ГТУ Trent между капитальными ремонтами составляет 25 тыс. ч, в течение которых возможно 7500 холодных пусков. Автономный пуск ГТУ возможен при избыточном давлении природного газа 2.2 МПа и внешней мощности менее 300 кВт.

Нормальная скорость повышения мощности ГТУ составляет 21 МВт/мин, снижения нагрузки ‒ 10.2 МВт/мин. Возможно разгружение со скоростью 39 МВт/мин, а при необходимости и до 75 МВт/мин. Достигнутый рекорд продолжительности пуска до полной нагрузки составляет 8 мин (см. рис. 5).

Начальная температура газов в ПГУ Trent ‒ около 1250°С, температура отработавших в ГТУ газов – около 450°С. Несмотря на ее умеренный уровень, достаточно экономичные высокоманевренные парогазовые установки, способные быстро запускаться и принимать нагрузку, могут быть созданы с одной или двумя ГТУ Trent (табл. 5).

В ПГУ использован паровой цикл двух давлений. При сжигании перед котлом-утилизатором дополнительного топлива с повышением температуры газов до 540°С мощность ПГУ растет на примерно 20%, а удельный расход топлива ‒ на 3.3‒3.5%. При повышении температуры до 700°С мощность ПГУ увеличивается на 30–35%, удельный расход топлива ‒ на 4.5%.

Умеренные значения температуры газов и свежего пара позволяют применять более простые и дешевые материалы, снижать стоимость парового контура, уменьшать термические напряжения при теплосменах, избежать ползучести металлов. В ПГУ использован прямоточный котел, допускающий быстрые пуски и изменения нагрузки. При пуске из холодного состояния ПГУ с двумя ГТУ Trent DLE и одной паровой турбиной полная нагрузка может быть взята за 40 мин после сигнала на запуск. При этом 80% номинальной мощности ПГУ, развиваемой двумя ГТУ, могут быть выданы в течение первых 10 мин (рис. 6).

Рис. 6.

Диаграмма пуска ПГУ с одной и двумя ГТУ Trent. I ‒ нагрузка ГТУ; II ‒ нагрузка паровой турбины; III ‒ расход пара ВД; IV ‒ выбросы ${\text{NO}}_{x}^{{}}$ [100% = 50 мг/м³ (при нормальных условиях)]; V ‒ нагрузка ПГУ. 1 ‒ сигнал на запуск; 2 ‒ одновременное зажигание топлива на двух ГТУ; 3 ‒ максимальная концентрация ${\text{NO}}_{x}^{{}}$; 4 ‒ разворот и нагружение ГТУ; 5 ‒ подача пара ВД; 6 ‒ полная нагрузка ГТУ; 7 ‒ включение системы снижения выбросов ${\text{NO}}_{x}^{{}}$; 8 ‒ включение паровой турбины в сеть; 9 ‒ нагружение; 10 ‒ снижение ${\text{NO}}_{x}^{{}}$ до минимума; 11 ‒ полный расход пара ВД; 12 ‒ подача пара НД; 13 ‒ полный расход пара НД; 14 ‒ полная нагрузка ПГУ; 15 ‒ включение дополнительных горелок в газовом тракте котла-утилизатора; 16 ‒ пиковая нагрузка ПГУ

В настоящее время продано уже более 100 ГТУ Trent для производства электроэнергии и привода механизмов.

ГАЗОТУРБИННАЯ УСТАНОВКА FT4000 ФИРМЫ PRATT & WHITNEY

Авиапроизводная газотурбинная установка FT4000, разработанная фирмой Pratt & Whitney на базе ГТД 4000, состоит из генератора газа GG 4000-1 и силовой турбины РТ-4000-1.

Генератор газа выполнен двухвальным. На валу низкого давления с номинальной частотой вращения около 6000 мин^‒1 находится заново спроектированный четырехступенчатый компрессор низкого давления, который приводится во вращение одноступенчатой турбиной низкого давления.

Компрессор высокого давления (состоит из 11 ступеней) приводится во вращение двухступенчатой турбиной высокого давления. Он подает воздух, сжатый до примерно 3.3 МПа, в кольцевую камеру сгорания с расположенными по окружности 24 радиальными распылителями топлива. Продукты сгорания расширяются последовательно в ТВД, ТНД и трехступенчатой силовой турбине и отводятся далее через осевой диффузор.

Углы установки лопаток входного направляющего аппарата и направляющего аппарата 1-й ступени КНД регулируются общим приводом.

Корпус КНД, выполненный с горизонтальным разъемом, соединяется с корпусом КВД через опирающуюся на фундамент промежуточную вставку, в которой расположены опорные и упорные подшипники качения обоих валов. Через эту вставку организован антипомпажный сброс части сжатого в КНД воздуха.

Для оптимизации запуска и работы FT4000 при частичных нагрузках предусмотрен также сброс воздуха после 8-й ступени КВД, а направляющие аппараты на 1–3-й ступенях КВД выполнены поворотными.

После 4-й и 8-й ступеней КВД воздух отбирается на охлаждение и уплотнения узлов турбины.

В камере сгорания ГТУ могут сжигаться чистые жидкие топлива, природный газ и их смеси. Их зажигание при пуске осуществляется двумя воспламенителями. Для снижения выбросов может использоваться впрыск воды в КС.

Для охлаждения горячих деталей 1-й ступени ТВД используется воздух полного давления, 2-й ступени ТВД ‒ воздух, отобранный после 8-й ступени КВД, деталей ТНД ‒ воздух из отборов, расположенных за 4-й и 8-й ступенями КВД.

Ротор высокого давления опирается на подшипник, находящийся между КВД и ТВД, которая выполнена консольной.

Вал, соединяющий КНД и ТНД, проходит внутри ротора ВД и опирается со стороны турбины на подшипник во вставке между генератором газа и силовой турбиной.

Силовая турбина выполнена без охлаждения деталей проточной части. Ее консольный ротор опирается на два подшипника, расположенных, как и упорный подшипник, в выходном корпусе силовой турбины, который устанавливается на фундамент. Следует отметить, что имеются различия в конструкциях силовых турбин, предназначенных для работы с частотой 50 или 60 Гц, а также с вращением по часовой стрелке и против нее.

Для смазки генератора газа используется синтетическое масло, силовой турбины и электрогенератора ‒ минеральное.

В табл. 6 представлены показатели ГТУ FT4000 (в пэкидже SWIFTPAC) на уровне моря при температуре наружного воздуха 15°С и влажности 60%. Потери на входе в ГТУ и выходе из нее отсутствуют. Используется стандартная камера сгорания.

При работе с впрыском в камеру сгорания 3.5 кг/с воды в целях снижения выбросов ${\text{NO}}_{x}^{{}}$ до 25 млн^‒1 мощность ГТУ возрастает до 60 МВт, а КПД снижается до 40.3%.

В табл. 7 приведены показатели, характерные для ПГУ с одной и двумя ГТУ FT4000.

ВЫВОДЫ

1. Авиапроизводные ГТУ единичной мощностью до 70 МВт широко применяются в электроэнергетике и нефтегазовом секторе экономики. Они обладают высокой тепловой экономичностью (КПД составляет 38‒43%), небольшими массой и габаритами, что облегчает их перевозку, установку и обслуживание, а также высокой маневренностью и соответствием основным техническим требованиям в сферах применения этих ГТУ.

2. Компании, добившиеся успеха в разработке и производстве газотурбинных установок в последние 30‒45 лет, выпустили сотни или даже тысячи авиапроизводных ГТУ. Показатели этих ГТУ при сохранении размеров критических деталей существенно улучшились. В результате последовательного совершенствования конструкции, технологии производства и материалов мощности конкретных моделей увеличились в 1.5‒2 раза.

3. Эксплуатация авиапроизводных ГТУ отработана и регламентируется на основе опыта авиационных двигателей. Существенные ремонты проводятся в заводских условиях с сохранением работоспособности ТЭС путем установки резервного двигателя.

4. Использование авиапроизводных ГТУ в схемах ПГУ менее убедительно. Исходные двигатели спроектированы с высокими степенями сжатия воздуха, приближенными к оптимальным по КПД при автономной работе. Вследствие этого температура отработавших в них газов составляет, как правило, не более 500°С. Это ограничивает параметры и мощность парового контура и КПД ГТУ, который обычно не превышает 55%.

5. При комбинированном производстве электроэнергии и тепла для авиапроизводных ГТУ, напротив, характерна более высокая выработка электроэнергии на тепловом потреблении.