Высокоэффективные судовые энергоустановки для Арктической зоны

Освоение Арктики требует создания судов ледового класса различного назначения. Это и корабли ВМФ для охраны арктического региона, и транспортные суда перевозки нефти, сжиженного природного газа, строительных грузов и т. д. Для полноценного функционирования флота также необходима разветвленная береговая инфраструктура: портовые терминалы, береговые электростанции, газо- и нефтеперекачивающие станции, заводы по ожижению газа, морские и береговые платформы для добычи и переработки углеводородных топлив. Важнейшим вопросом создания такой инфраструктуры является разработка высокоэффективных, экологически чистых энергетических установок широкого диапазона, от десятков до сотен мегаватт электрической и тепловой мощности.

Широко применяемые в настоящее время в качестве судовых энергоустановок (СЭУ) дизельные двигатели уже не могут широко использоваться для решения такой объемной задачи, в особенности для создания энергоустановок большой мощности (30-100 МВт). В последние десятилетия в качестве СЭУ стали применяться газотурбинные двигатели (ГТД). Они создавались за счет конверсии авиадвигателей военной и военно-транспортной авиации, таких как ГТД АЛ-55,АЛ-31, ПД-90, НК-32 и др. По сравнению с дизельными двигателями, они имеют ряд неоспоримых преимуществ: высокую удельную мощность, лучшие массо-габаритные характеристики, в особенности в области мощностей более 10-30МВт. ГТД — многотопливные, они могут эксплуатироваться на жидких углеводородных топливах от керосина до мазута, на сжиженном природном газе. Их ресурс сопоставим с ресурсом дизельных двигателей. Однако ГТД уступают дизельным двигателям в уровне КПД. У дизельных двигателей он более 40%, а у мало-оборотных модификаций достигает 50%, в то время как у ГТД простой схемы не превышает 40%.

Несколько лет назад специалистами ЦИАМ и Крыловского государственного научного центра была проведена совместная работа по анализу возможности использования ГТД в качестве морских энергоустановок. В итоге были сформулированы требования к газотурбинным СЭУ:

  • КПД ≥ 50%;
  • многотопливность;
  • приемистость, возможность быстрого регулирования электрической мощности;
  • увеличение удельного расхода топлива не более 5% при снижении мощности в два раза;
  • модульность конструкции, возможность ремонта заменой узлов СЭУ;
  • экологические характеристики в соответствии с международными требованиями;
  • наличие развитой и эффективной системы диагностики;
  • оптимизация конструкции под систему электродвижения;
  • компактность СЭУ, возможность ее размещения в трюмных отсеках или на верхней палубе.

При этом было показано, что для судовых энергоустановок средней и большой мощности (20-150 МВт и более) наиболее перспективным направлением является разработка ЭУ на основе ГТУ сложных схем, которые по всем характеристикам намного превосходят дизельные энергоустановки.

В указанный диапазон мощностей входят: корабли ВМФ (20-60 МВт); ледоколы и суда ледового плавания (40-80 МВт); морские платформы разведки и добычи нефти и газа (до 130 МВт); суда добычи и переработки биоресурсов (40-60 МВт); плавучие и береговые электростанции (около 100 МВт); береговые станции перекачки нефти и газа (70-150 МВт); береговые станции ожижения газа (200-500 МВт).

Быстро и высококачественно разработку СЭУ на основе газотурбинных технологий могли бы провести предприятия авиадвигателестроения, обладающие технологиями создания авиапроизводных ГТУ, опытными и квалифицированными специалистами в области разработки, изготовления, доводки и эксплуатационного сопровождения ГТУ мощностью до 32 МВт. Однако потребная мощность энергоустановок для обеспечения функционирования энергетики арктической инфраструктуры на порядок превышает мощность авиапроизводных ГТУ. Поэтому разработка энергетических установок для арктического применения является сложной комплексной задачей, требующей поиска и реализации технических решений, качественно улучшающих эксплуатационные характеристики ПГУ.

Поиск таких решений на основе максимального использования технологий и опыта разработки авиапроизводных ГТУ привел к рассмотрению ПГУ с «полузамкнутой» ГТУ (ПЗГТУ), предложенной в середине прошлого века профессором В. М. Уваровым. Основная его идея заключалась в замене воздуха, подаваемого во вторичную зону диффузионной камеры сгорания, продуктами сгорания, охлажденными в котле-утилизаторе (КУ) и подаваемыми дополнительным компрессором балластного газа во вторичную зону камеры сгорания.

Авторами статьи эта схема была усовершенствована (рис. 1): воздушный компрессор низкого давления (1) с автономным приводом от газовой турбины (2) вынесен в отдельный агрегат наддува (АН). Также увеличены давление и температура газа на выходе из турбины (9) ПЗГТУ. Давление увеличено до 4-7 бар, соответствующе давлению на выходе из АН, а температура — до ≈1000 К. В результате КУ стал напорным и его габариты и вес уменьшились примерно пропорционально давлению. Он может целиком изготавливаться на заводе и поставляться в монтаж как готовое изделие.

ПЗГТУ создается на основе конструкции и технологий изготовления базовой ГТУ с сохранением температуры и давления газов перед газовой турбиной. Из узлов базовой ГТУ используется только компрессор в двух вариантах: как воздушный компрессор (5) и как компрессор балластного газа (6). При этом расходы воздуха и балластного газа, подаваемых в первичную и вторичную зоны камеры сгорания, примерно равны, что вдвое увеличивает мощность ПЗГТУ по сравнению с базовой ГТУ. Камера сгорания и турбины проектируются под увеличенный расход газа.

Увеличение давления и температуры газа в КУ повышает долю мощности паровой турбины (ПТ) в балансе мощностей ПГУ, что видно на рис. 2. Так, для ПГУ на базе ГТУ АЛ-31СТ мощностью 16 МВт мощность ПЗГТУ увеличивается до 33 МВт, а мощность ПТ достигает 50 МВт. В данной схеме одна ПЗГТУ обеспечивает паром ПТ большей мощности, что дает возможность компоновать ПГУ в двух вариантах: «моно-блок» (одна ПЗГТУ и одна ПТ) и «дубль-блок» (две ПЗГТУ и две ПТ, или одна ПТ удвоенной мощности). С учетом уменьшенных размеров КУ (например, для ПГУ на основе ГТУ мощностью 16 МВт КУ состоит из двух цилиндров диаметром 2,5 м и длиной 8 м). Такие ПГУ в варианте «моно-блок» могут размещаться на весьма малой площади, что делает их привлекательными для использования в качестве судовых энергоустановок.

На выходе из КУ продукты сгорания разделяются на два потока. Большая часть газа, около 60-70%, после охлаждения в теплообменнике (22) подается в компрессор балластного газа (6) и далее во вторичную зону камеры сгорания. Оставшийся расход газа подается на турбину (2) АН и далее выбрасывается в атмосферу. Таким образом, удельный расход на единицу мощности выбрасываемых в атмосферу дымовых газов уменьшается в 2-3 раза с соответствующим сокращением тепловых потерь.

Особо следует подчеркнуть важную особенность ПГУ с ПЗГТУ. Регулирование мощности осуществляется изменением оборотов вала воздушного компрессора низкого давления (1) АН, т. е. изменением расхода и давления воздуха на входе в КВД (5) ПЗГТУ. При этом в газогенераторе поддерживаются постоянными приведенные расходы воздуха и балластного газа на входе в компрессоры (5) и (6) (за счет поддержания постоянными их температур регулированием теплообменников (21) и (22)), степени сжатия в компрессорах и расширения газов в турбинах (8) и (9), а также температура газа на выходе из камеры сгорания. В этом случае сохраняется постоянной температура газа на входе в КУ по всей дроссельной характеристике. Таким образом, исключается тепловая инерция КУ, что позволяет регулировать мощность ПГУ в темпе изменения оборотов ротора АН.

Характерное время переходного режима от 100% до 50% мощности составляет около 1 мин., что позволяет использовать ПГУ с ПЗГТУ не только в качестве мобильной электростанции, но и в качестве СЭУ. Кроме этого, постоянство приведенных расходов воздуха и балластного газа на входе в компрессоры при постоянных оборотах ротора ПЗГТУ позволяют снизить потери КПД ПГУ по дроссельной характеристике. Как показано на рис. 3, максимальные значения КПД ПГУ равны 0.53-0.565 (в зависимости от степени сжатия и температуры газа в ПЗГТУ), а снижение КПД при уменьшении мощности в два раза составляет 2-3%. На рис. 4 представлены диапазоны мощностей ПГУ с ПЗГТУ, на основе выпускаемых в России авиапроизводных ГТУ. В варианте «моно-блок» они обеспечивают электрическую мощность от 25 до 190 МВт, а в варианте «дубль-блок» — от 50 до 380 МВт.

Таким образом, разработанная схема ПГУ на основе ПЗГТУ не только обеспечивает выработку требуемого объема электроэнергии для объектов арктической инфраструктуры, но и обладают характеристиками, позволяющими их широкое использование в качестве высокоэффективных энергоустановок кораблей ВМФ, различных судов ледового плавания в арктических условиях:

  1. Высокая эффективность использования топлива. Топливная эффективность ПГУ с ПЗГТУ в конденсационном режиме находится на уровне современных ПГУ аналогичной мощности производства Siemens, General Eltctric, Ansaldo, а по показателю КИТ в теплофикационном режиме их превосходит.
  2. Компактность. Компактные компоновочные решения ПГУ с ПЗГТУ, определяемые сниженными массогабаритными характеристиками напорного котла-утилизатора, позволяют использование ПГУ с ПЗГТУ в качестве судовых энергоустановок, энергоустановок береговых газо-нефтедобывающих платформ, береговых электростанций, газо и нефтеперекачивающих станций и других технологических объектов арктического региона.
  3. Регулируемость электрической мощности. Регулируемость электрической мощности в темпе изменения нагрузки позволяет создавать высоконадежные энергосистемы с высокой динамикой регулирования мощности в условиях арктического климата, а также судовые энергоустановки для перспективных кораблей и судов с электродвижением.
  4. Экологичность. Объем выбрасываемых в атмосферу продуктов сгорания на единицу вырабатываемой мощности в два-три раза меньше, чем в классических ПГУ, а наличие парового контура позволяет путем впрыска пара получать требуемые значения эмиссии вредных выбросов при использовании обычной диффузионной камеры сгорания.
  5. Импортонезависимость. Все узлы и системы ПГУ с ПЗГТУ производятся на российских машиностроительных предприятиях с использованием только российских технологий, материалов и комплектующих.
  6. Когерентность выработки электрической и тепловой энергии. Глубокая интеграция технологических систем паровой турбины и газотурбинной установки позволяет производить тепловую и электрическую энергию одновременно. При этом объем тепловой энергии может изменяться в диапазоне от 30 до 70% от общего объема вырабатываемой энергии, что позволяет в условиях пониженных арктических температур широко задействовать энергоустановки в различных технологических процессах, использующих тепловую и электрическую энергию.

Реализация предложения по созданию ПГУ с авиапроизводными ПЗГТУ позволит не только обеспечить выпуск требуемого количества судов ледового плавания на российских судостроительных заводах, но и оснастить теплоэлектростанции арктического и других российских регионов современным теплоэнергетическим оборудованием отечественного производства.

Г. К. Ведешкин, А. А. Пузич, Ю. Б. Назаренко,
ФГУП «Центральный институт авиационного моторостроения им. П. И. Баранова»

Читайте также:

Добавить комментарий