Теплоэнергетика, 2021, № 7, стр. 19-25

ТУРБОГЕНЕРАТОРНЫЕ УСТАНОВКИ ТИПА “КУБАНЬ” ДЛЯ НАДСТРОЙКИ ПАРОВЫХ КОТЕЛЬНЫХ

Первым заказчиком, заинтересовавшимся этой энергосберегающей технологией, была Южно-Российская энергетическая компания (г. Краснодар). По наименованию региона-заказчика турбогенераторная установка электрической мощностью 500 кВт и напряжением 400 В была названа “Кубань-0.5” [2]. В дальнейшем мощность ТГУ была расширена до 1.5 МВт. К 2015 г. было изготовлено 75 установок этого типа суммарной электрической мощностью 59 МВт. Их основным потребителем кроме России стала Республика Беларусь.

Установка типа “Кубань” представляет собой блок 100%-ной заводской готовности, состоящий из рамы-маслобака с размещенными на ней высокооборотной турбиной активного типа, одноступенчатым редуктором с шевронным зацеплением и генератором, соединенными между собой зубчатыми муфтами. Кроме того, на ней установлены узлы системы маслоснабжения с погружным масляным насосом, блоки регулирования и защиты, шкафы с электрооборудованием и контрольно-измерительными приборами, блок-эжектор. Общий вид установки показан на рис. 3.

Рис. 3.

Турбогенераторная установка “Кубань-0.5А3” в котельной АО «Калужский завод “Ремпутьмаш”». 1 – генератор; 2 – редуктор; 3 – турбина; 4 – рама-маслобак

ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУКЦИИ ТГУ ОАО КТЗ ДЛЯ МАЛОЙ РАСПРЕДЕЛЕННОЙ ЭНЕРГЕТИКИ

Специалисты ЗАО НПВП “Турбокон” и ОАО КТЗ разработали проекты для малой распределенной энергетики на промышленных предприятиях, объектах жилищно-коммунального хозяйства и геотермальной энергетики (геотермики) с турбогенераторными установками электрической мощностью 0.5–8.0 МВт различного типа: с противодавленческими и конденсационными турбинами, со встроенными бойлерами (мини-ТЭЦ), с воздушными конденсаторами и тепловыми станциями (для геотермики). По существу, при активном взаимодействии специалистов НПВП “Турбокон” и КТЗ в 90-е годы прошлого века был сформирован рынок энергосберегающих установок на базе когенерации и распределенной энергетики.

На Калужском турбинном заводе за два десятилетия было изготовлено более 150 различных ТГУ для распределенной энергетики общей мощностью 280 МВт, давлением пара 0.5–4.0 МПа, температурой – от температуры сухого насыщенного пара до 440°С. В установках используются турбины активного типа, сопловое или дроссельное парораспределение в зависимости от объемов пара и возможных режимов работы, гидродинамическое регулирование, а в перспективных разработках – микропроцессорное электромеханическое.

Отличительными особенностями турбогенераторных установок ОАО КТЗ являются легкие тонкостенные корпуса и изящные роторы с узкими ступицами автофретированных дисков турбин (рис. 4), компактные передние подшипники, в которых скомпонованы в один узел насос-регулятор и упорный подшипник (рис. 5), оригинальная система гидравлического регулирования, гибкие опоры. Эти и другие конструктивные решения обеспечивают компактность, быстрый прогрев при пусках, надежность при эксплуатации, хорошие массогабаритные характеристики. Блочная компоновка при 100%-ной заводской готовности облегчает монтаж оборудования и обеспечивает быстрый ввод в эксплуатацию.

Рис. 4.

Паровая турбина турбогенераторной установки типа ТГ 3.5

Рис. 5.

Типовой передний подшипник турбин малой мощности ОАО КТЗ. 1 – насос-регулятор; 2 – опорный подшипник; 3 – вал ротора турбины; 4 – упорный подшипник; 5 – плавающее уплотнительное кольцо; 6 – блок регулирования

Турбогенераторные установки имеют высокую степень автоматизации. С начала 2000-х годов они комплектуются локальной системой контроля, управления и диагностики СКУД ИТ14, разработанной и изготовленной в НПП “Измерительные технологии” (г. Саров), которая обеспечивает:

непрерывную или по вызову обслуживающего персонала индикацию текущих или измеренных параметров;

накопление и отображение ретроспективной информации о параметрах и звуковую предупредительную сигнализацию при отклонении их значений от заданных;

аварийную звуковую и световую сигнализацию с запоминанием первичного сигнала в случае срабатывания защит;

возможность управления механизмами установки и стыковки с АСУ ТП электростанции.

Система ИТ-14 хорошо зарекомендовала себя в эксплуатации.

Турбогенераторные установки комплектовались синхронными генераторами, характеристики которых приведены в таблице.

ТУРБОГЕНЕРАТОРНЫЕ УСТАНОВКИ ДЛЯ КОГЕНЕРАЦИОННОЙ СХЕМЫ

Наиболее востребованными, помимо ТГУ серии “Кубань”, оказались турбогенераторные установки типа ТГ 3.5, изготовленные на базе установок для атомных ледоколов в виде трех основных блоков:

противодавленческая многоступенчатая турбина и генератор (частота вращения ротора 3000 мин^–1) на единой раме;

маслобак с оборудованием маслосистемы;

блок-эжектор.

Мощность этих установок составляет 2–4 МВт, по состоянию на 2019 г. изготовлено 27 ТГК суммарной электрической мощностью около 90 МВт.

Интересны установки со встроенными бойлерами (мини-ТЭЦ), предназначенные для выработки электроэнергии и подогрева сетевой воды благодаря исключительной компактности, 100%-ной заводской готовности и возможности размещения в небольших помещениях. Они поставлены в Белоруссию, Латвию, Данию. Установка ТГ 0.6/0.4-2.8 (рис. 6) была поставлена в 1997 г. в Данию на мусоросжигательный завод и многие годы работала в нетипичном для паровой турбины режиме – с отключением на ночь и выходные дни.

Рис. 6.

Турбогенераторная установка ТГ 0.6/0.4-2.8 (мини-ТЭЦ). 1 – турбина; 2 – редуктор; 3 – генератор; 4 – бойлер; 5 – рама-маслобак

Успешный опыт реализации когенерационной схемы выработки электроэнергии получен на предприятии ЗАО “Куйбышев-Азот” (г. Тольятти). Турбогенераторная установка мощностью 6 МВт с противодавленческой турбиной ПР-6-3.4/1.5 (рис. 7), установленная в 2003 г. в технологическом цикле производства минеральных удобрений, за 17 лет эксплуатации выработала более 780 ГВт ⋅ ч дешевой электроэнергии.

Рис. 7.

Турбогенераторная установка с противодавленческой турбиной ПР-6-3.4/1.5 в котельной ЗАО “Куйбышев-азот”, г. Тольятти

ГЕОТЕРМАЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ

Отдельные установки распределенной энергетики – геотермальные, особенность конструкции которых связана с высокой минерализацией геотермального пара и значительным содержанием сероводорода в атмосфере, что накладывает ограничение на применение медьсодержащих материалов и вызывает необходимость комплектации дополнительными устройствами подготовки пара (грязеуловителями, сепараторами, шумоглушителями и др.). Труднодоступность геотермальных полей и сложность постройки на них стационарных зданий определили размещение ТГУ в контейнерах вагонного типа, оснащенных инженерными системами, необходимыми для эксплуатации и обслуживания (освещения, вентиляции, обогрева, пожаротушения). Конструкция и габариты контейнеров позволяют транспортировать их с установленным внутри оборудованием автомобильным, железнодорожным и морским транспортом, а для установок малой мощности и на вертолетной подвеске.

Первая опытная установка мощностью 500 кВт ОМЕГА-500 с выхлопом в атмосферу была установлена в 1992 г. на о. Кунашир Курильской гряды. В 1994 г. были изготовлены четыре установки “Туман-2” электрической мощностью по 1.7 МВт с двумя возможными вариантами эксплуатации – с выхлопом в атмосферу или на станцию теплоснабжения ГТС-700П тепловой мощностью 20 МВт (рис. 8). Две установки эксплуатируются на геотермальном месторождении “Горячий пляж” на о. Кунашир, две – на месторождении “Океанское” на о. Итуруп.

Рис. 8.

Общий вид геотермальной установки “Туман-2” с ГТС-700П. Модуль: 1 – турбогенераторный; 2 – комплектной трансформаторной подстанции; 3 – теплофикационный, 4 – подготовки пара

В 1997 г. были изготовлены и поставлены на Верхне-Мутновскую ГеоЭС (п-ов Камчатка) три турбогенераторные установки мощностью по 4 МВт контейнерно-модульного типа с воздушными конденсаторами (рис. 9). Применение воздушных конденсаторов в климатических условиях Камчатки было осуществлено впервые, и опыт их эксплуатации был полезен для НПВП “Турбокон” в последующем при разработке их и сухих градирен в других проектах.

Рис. 9.

Турбогенераторные установки с воздушными конденсаторами на Верхне-Мутновской ГеоЭС

“ПРИКЛЮЧЕННЫЕ” ТГУ

В последнее время появился спрос на “приключенные” ТГУ, работающие на паре из отбора или выхлопа основной турбины. Такая схема позволяет существенно увеличить выработку электрической энергии при нагружении на полную мощность эксплуатируемой турбины и выработать дополнительную электрическую энергию “приключенным” турбогенератором. Примерами использования на практике такой схемы являются Пинская ТЭЦ (Республика Беларусь) с турбогенератором ТГ 4.0/6.3 Р0.6/0.1, работающим на паре выхлопа основной турбины, и ТЭЦ-4 “Тверьэнерго” с турбогенератором ТГ 4 АСР12/1.2, работающим на паре от отбора основной турбины (рис. 10).

Рис. 10.

Турбогенераторная установка ТГ 4 АСР12/1.2 на ТЭЦ-4 ОАО “Тверьэнерго”, г. Тверь

БИНАРНЫЕ ТГУ

Новым направлением для НПВП “Турбокон” и ОАО КТЗ стала разработка бинарных турбогенераторных установок, работающих на низкокипящих органических теплоносителях. Опытная бинарная установка мощностью 2.5 МВт, использующая сбросное тепло отсепарированной воды температурой 120°С, установлена на Паужетской ГеоЭС (п-ов Камчатка) [3, 4]. Проект не завершен, так как неполадки, неизбежно возникающие на головных образцах, стали поводом для прекращения финансирования разработки перспективной энерготехники.

Применение бинарных турбогенераторных установок позволяет утилизировать сбросное низкопотенциальное тепло различных производств, увеличить эффективность использования геотермального теплоносителя. В настоящее время сотрудники НПВП “Турбокон” и ОАО КТЗ разрабатывают типовой ряд таких установок.

ВЫВОДЫ

1. Разработанные на Калужском турбинном заводе блочные турбогенераторные установки мощностью 0.5–8.0 МВт с теплотехническими схемами НПВП “Турбокон” являются технологической базой для распределенной энергетики России и стран СНГ как на удаленных территориях, так и в составе энергосистем. Участие локальных источников электроэнергии обеспечивает при когенерации ее низкую себестоимость и повышает надежность энергоснабжения.

2. В настоящее время электроэнергия, произведенная генерирующими источниками распределенной энергетики, в основном используется на покрытие собственных нужд производства. Отсутствие в России условий, стимулирующих подключение мелких производителей к общей сети, сдерживает развитие распределенной энергетики, а сетевые компании не заинтересованы в ее подключении.

3. Наибольшим спросом пользуются установки распределенной энергетики с противодавлением как более простые и дешевые. Мощность заказываемых установок в последнее десятилетие повысилась на порядок в связи с тем, что экономическая эффективность более мощных установок значительно выше, чем мелких. Кроме того, распределенной энергетикой заинтересовались крупные предприятия, имеющие более мощные котельные установки и паровые технологии.

4. В перспективе можно ожидать повышения спроса на “приключенные” генерирующие установки, компенсирующие сезонные или технологические колебания потребления тепловой энергии на ТЭЦ и ТЭС.

5. Значительные запасы в России низкопотенциальных геотермальных вод, наличие большого количества сбросного тепла производственных предприятий в перспективе определяют востребованность бинарных генерирующих установок.