Газотурбинная установка ГТЭ-110 на базе двигаетеля ГТД-110

В статье рассказывается о ГТУ ГТЭ-110 и ее технических характеристиках, а также подпробно описан двигатель ГТД-110 и генератор ТФГ‑110‑2УЗ.

Краткое описание газотурбинной установки ГТЭ-110

Газотурбинная установка ГТЭ-110 создана на основе газотурбинного двигателя ГТД‑110 и предназначена для использования на электростанциях. Она может работать как пиковая или базовая установка, а также в составе комбинированных установок.

Установка представляет собой технологический комплекс оборудования в блочно-комплектном исполнении, что обеспечивает удобство монтажа и обслуживания. В состав ГТЭ-110 входят следующие основные узлы:

• газотурбинный двигатель ГТД‑110 на раме;
• укрытие (контейнер);
• турбогенератор ТФГ‑110‑2УЗ мощностью 110 МВт на раме с системой возбуждения и тиристорным пусковым устройством;
• блоки маслоагрегатов и топливной автоматики;
• входное и выходное устройство ГТД;
• блок электротехнического оборудования с системой автоматического регулирования, управления, защиты и контроля.

История испытаний

Газотурбинный двигатель ГТД‑110 разработан НПП «Машпроект» (г. Николаев, Украина) и предназначен для работы в составе комбинированных установок различной мощности с коэффициентом полезного действия 52‑55 % и более. Он также может использоваться на электростанциях для покрытия пиковых электрических нагрузок.

Первый опытный двигатель ГТД‑110 был изготовлен в 1998 году в производственной кооперации НПП «Машпроект» и ОАО «Рыбинские моторы». В настоящее время производство установки ГТЭ‑110 в полном объеме организовано на НПО «Сатурн» (г. Рыбинск).

В период с 1998 по 2000 годы на испытательном стенде НПП «Машпроект» проведен большой объем испытаний двигателя ГТЭ‑110 № 1. Первый этап испытаний осуществлялся на дизельном топливе, второй — на природном газе.

Испытательный стенд НПП «Машпроект» состоит из испытуемого газотурбинного двигателя, гидротормоза «Бизон», специально разработанного в объединении «Машпроект» для испытаний ГТД‑110, пускового газотурбинного двигателя мощностью 4 МВт и систем обеспечения работы стенда. При испытаниях нагружение двигателя вплоть до номинальной мощности осуществлялось с помощью гидротормоза, имитировавшего нагрузку электрического генератора. На стенде установлены штатные блоки топливных агрегатов жидкого и газообразного топлива. Стенд оборудован системами смазки, пневматического управления, охлаждения и др. Подвод воздуха к ГТД осуществлялся во входную улитку через мерные цилиндры, позволяющие производить замер параметров на входе в двигатель. Уходящие газы отводятся в стендовый газоотвод. Управление стенда осуществляется микропроцессорной системой управления, регулирования, контроля и защиты.

В результате испытаний выполнено около 60 пусков. Общее время запуска от момента подачи топлива до выхода на холостой ход генератора с частотой вращения 3000 об/мин составляет 7,5—8,3 минуты (450—500 сек.)

Испытания и опытно‑промышленная эксплуатация второй установки ГТЭ‑110 № 2 осуществляются на Ивановской ГРЭС, где для этого создан специальный стенд.

Регулирование ГТУ

Регулирование режимов работы установки ГТЭ‑110 возможно с помощью входного поворотного направляющего аппарата компрессора. Входной направляющий аппарат (ВНА) может принимать два крайних положения: полностью открытое (–6^о), обеспечивающее максимальный расход воздуха через компрессор и полностью закрытое (–35^о), при котором расход воздуха снижается до некоторого предельного значения.

Регулирование установки с помощью ВНА используется на пусковых режимах, а также на тех режимах, где требуется поддержание температуры газа за газовой турбиной на заданном уровне. Обычно это режимы работы по комбинированному циклу в составе парогазовой установки. При работе ГТЭ с заданной электрической мощностью положение ВНА может быть установлено произвольно в допустимом интервале его изменения, при этом оно именуется как промежуточное.

ТТХ ГТУ на разных режимах

В опытах температура газа перед турбиной, при которой достигается номинальная мощность ГТЭ, равная 110 МВт, составляла 1161^оС, температура газа за турбиной была равна 502^оС, расход воздуха —358 кг/с, степень повышения давления в компрессоре — 15,7. Мощность газовой турбины составляла 250 — 255 МВт, компрессора — около 140 МВт. Суммарные потери давления в трактах ГТУ при работе на этих режимах составили (1-Пт/Пк)=0,071-0,074.

В результате экстраполяции результатов испытаний установки с открытым положением ВНА на расчетную температуру газа перед турбиной 1210^оС электрическая мощность составила 118,7 МВт, температура газа за турбиной — 526^оС, а КПД — 36,2 %. При расчетной температуре газов за турбиной 517^оС мощность установки равна 116,4 МВт, температура газа перед турбиной — 1197^оС, а КПД — 35,9 %. Эти цифры, полученные при тепловых испытаниях, говорят о наличии резерва для повышения мощности, что является результатом увеличения расхода воздуха и КПД компрессора по сравнению с расчетными значениями.

Газотурбинный двигатель ГТД-110

Конструктивно двигатель выполнен одновальным по традиционной для подобных энергетических установок схеме. Основные особенности двигателя перечислены ниже:

• двухопорный ротор турбокомпрессора (15‑ступенчатый компрессор и 4‑ступенчатая турбина);
• привод электрогенератора со стороны компрессора;
• упорный подшипник со стороны компрессора;
• регулируемый входной направляющий аппарат в компрессоре;
• осевой выходной газоход для снижения скорости потока с минимальными потерями давления.

Температура газа перед  турбиной (сопловым аппаратом первой ступени) принята равной 1210^оС при работе в базовом режиме. Расчетный ресурс двигателя при этой температуре —100 тыс. часов, ресурс охлаждаемых лопаток — 25 тыс. часов.

Система охлаждения двигателя

Турбина имеет конвективную систему охлаждения за исключением соплового аппарата первой ступени, который выполнен с конвективно‑пленочным охлаждением. Охлаждаются сопловые решетки первых трех ступеней и рабочие лопатки первых двух ступеней. Все рабочие и сопловые лопатки изготавливаются методом точного литья по выплавляемым моделям. Для рационального использования воздуха охлаждение лопаточных венцов, дисков и корпусов турбины осуществляется воздухом, отбираемым за 7, 10 и 15-й ступенями компрессора. Часть воздуха, отбираемого за 15‑й ступенью компрессора, охлаждается в водо-воздушном теплообменнике до температуры 150‑180^оС и поступает на охлаждение рабочей лопатки первой ступени и соплового аппарата второй ступени. Суммарный отбор воздуха на охлаждение турбины составляет около 13 % от расхода воздуха через компрессор.

Топливо

Камера сгорания — трубчато-кольцевая. В кольцевом пространстве, образованном кожухом камеры сгорания и корпусом компрессора расположены 20 жаровых труб. По схеме течения потоков воздуха и продуктов сгорания камера сгорания является противоточной (петлевой). Установка может работать на двух видах топлива — природном газе и жидком топливе.

Габариты

Отличительной особенностью двигателя ГТД-110 является его малый вес, не превышающий 50 тонн (без рамы), и малые габариты (длина 7100 мм, диаметр — 3100 мм). Это позволяет осуществлять поставку двигателя на место эксплуатации в полностью собранном и испытанном виде. Перед отправкой заказчику каждый образец двигателя ГТД‑110 проходит сдаточные испытания с проверкой его характеристик на номинальной мощности и предъявляется заказчику на соответствие параметров, заданных в технических условиях. Такой метод приемки, принятый в авиационной и судовой промышленности, позволяет резко снизить стоимость и время монтажных и пуско‑наладочных работ по сравнению с традиционными паротурбинными блоками. Общее время монтажа и пуско‑наладочных работ двигателя составляет 1,0–1,5 месяца.

Основные показатели двигателя по условиям ISO

Наименование параметра	Базовый режим работы	Пиковый режим работы
Электрическая мощность, МВт	114,5	125,0
КПД, %	35,5	36,0
Температура газа перед турбиной, оС	1210	1270
Температура уходящих газов, оС	525	555
Расход уходящих газов, кг/с	362	363
Степень повышения давления в компрессоре	14,7	15,0

Турбогенератор ТФГ‑110‑2УЗ

Турбогенератор ТФГ‑110‑2УЗ производства ОАО Электросила имеет воздушное охлаждение и снабжен системой тиристорного возбуждения, обеспечивающей высокую надежность.

По сравнению с водородным или водяным охлаждением воздушное охлаждение обеспечивает турбогенератору следующие преимущества:

• повышенную надежность в эксплуатации;
• высокую степень готовности;
• простоту обслуживания;
• меньшие затраты на эксплуатацию и ремонт.

Турбогенератор оснащен современной бесщеточной статистической тиристорной системой возбуждения с микропроцессорным управлением. В состав основного оборудования системы возбуждения входят:

• трансформатор возбуждения;
• щит возбуждения с двухсторонним обслуживанием, а также резисторы в цепи разрядника, устанавливаемые отдельно от щита возбуждения.

Характеристики турбогенератора ТФГ‑110‑2УЗ

Мощность, МВт	110
КПД, %	98,4
Напряжение, В	10500
Ток, А	7561
Частота, Гц	50
Вес, т	50

Система автоматического управления ГТЭ-110

Управление установкой ГТЭ‑110 осуществляется микропроцессорной системой автоматического управления (САУ), разработанной АО «Интеравтоматика». Система выполняет следующие функции:

• автоматическое управление всеми режимами работы двигателя;
• автоматическое управление режимами работы всех вспомогательных систем установки;
• автоматическое управление электротехнической частью установки;
• защита всех основных и вспомогательных систем установки при появлении аварийных ситуаций;
• оперативная сигнализация о состоянии оборудования;
• регистрация и документирование технологических параметров;
• учет произведенной электрической энергии.

Аппаратура построена на элементной базе Teleperm ME, разработанной и применяемой фирмой Siemens во всех современных системах управления технологическими процессами. Российский аналог — ТПТС‑51 выпускается по лицензии на заводах Москвы. Система качества АО «Интеравтоматика» имеет сертификат соответствия ISO 9001.