Зарубежные электростанции с авиационными АГТД

 

Ряд иностранных фирм в течение продолжительного времени работают над созданием электростанций на основе конвертирован­ных АГТД. К настоящему времени довольно значительное количество стационарных и пере­движных электростанций различной мощности находится в дли­тельной эксплуатации.

Одной из первых была спроектирована и построена стационар­ная электростанция промышленного типа мощностью 3 МВт. Ан­глийская фирма "Бристоль" использовала для создания электро­станции выпускаемый ею авиационный двигатель. Электростанция предназначена для снятия пиковых нагрузок в зимнее время. Она способна также обеспечивать местное электроснабжение в случае выхода из строя линии электропередачи.

Основными достоинствами ГТГ с авиаци­онными ГТД являются: высокая степень надежности и автомати­зации; малые веса и габариты; способность быстро принимать нагрузку; легкость замены приводного двигателя; точная балан­сировка и отсутствие вибрации.

Электростанция была создана на основе ТВД "Протей". Воздух из атмосферы поступает в компрессор и после сжатия направляется в камеру сгорания. Газы, отработавшие в турбине, выбрасываются наружу. Турбина двигателя двухвальная четырехступенчатая: первые две ступени (т. в. д.) приводят во вращение компрессор, а последние две (т. н. д.) образуют силовую турбину. Вал силовой турбины вращается со скоростью 194 об/сек. Специальный редуктор пони­жает скорость вращения до рабочих оборотов электрогенератора (16,6 об/сек ).

ГТД имеет мощность 3125 кВти работает на дизельном топ­ливе. Степень повышения давления в компрессоре — 2,3. Темпера­тура газов перед т. в. д. равна 850° С. Эффективный к. п. д. дви­гателя — 23%. Габариты двигателя: длина — 2690 мм, диаметр — 990 мм. Масса двигателя — 1530 кг.

Вспомогательное оборудование двигателя то же, что и в слу­чае использования его на самолете. Его запуск осуществляется стартер-генератором мощностью 15 кВт, получающим питание от аккумуляторной батареи напряжением 110 В.

Электрический генератор переменного тока, трехфазный, с воз­душным охлаждением, мощностью 3200 кВАпри Cosj = 0,9. Напря­жение генерируемого тока 11 кВ, частота 50 Гц. Воздух для охлаж­дения генератора поступает в помещение электростанции через специальную шахту. С вращающимся возбудителем генератор свя­зан жестко. Возбудитель регулируется как вручную, так и автома­тически. Масса электрогенератора 11,75 т, а масса ротора генера­тора — 5 т. Смазка подшипников генератора осуществляется от спе­циального электронасоса.

Использование двигателя с двумя независимыми турбинами оказалось выгодным, так как в этом случае мала потребная для запуска двигателя мощность и облегчается автоматическая синхро­низация при включении агрегата в параллельную работу.

ГТГ имеет длину 7,4 м и размещен в кирпичном здании (10,65×7,00×6,70 м) с бетонным полом и сборной фундаментной плитой. Размещение ГТГ в здании показано на рис. 5.

В основном помещении расположен электрогенератор с рас­пределительным устройством, контрольным щитом и кабиной управ­ления. ГТД установлен в отдельном отсеке. Конец его вала про­ходит в отсек генератора через звукоизолирующую перегородку, собранную из съемных панелей, что обеспечивает легкий демонтаж двигателя в случае необходимости его замены.

Рис. 5. Размещение оборудования в здании

электростанции фирмы "Бристоль"

1 — воздухозаборник; 2 — воздушный фильтр; 3 — глушитель выхлопа;

4 —ТВД; 5 — электрогенератор; 6 — возбудитель

Воздух в отсек двигателя забирается сверху из воздушного ко­роба, расположенного вдоль всего здания над аппаратурой распре­делительного устройства. Воздушный короб снабжен звукопогло­щающими пакетами и фильтрами-пылепоглотителями. Отработавшие газы поступают из двигателя в глушитель через расширяющийся патрубок. Из глушителя газы удаляются через вертикальную трубу наружу.

 

Помещение станции, за исключением кабины управления, не отапливается. Нормальная температура поддерживается за счет тепла, выделяемого обмотками генератора при работе.

Специальное масло не требует подогрева и позволяет запускать двигатель при температуре наружного воздуха до —40° С.

Управление станцией осуществляется по телефону с помощью специальной системы. Пуск, контроль за работой и останов ГТГ производится на расстоянии 160 км.

Весь процесс запуска ГТГ до принятия нагрузки занимает около двух минут. ГТГ— автономен, в процессе запуска все по­требители получают питание от аккумуляторной батареи.

Практика показала, что автоматический пуск происходит более последовательно и надежно, чем ручной.

Система автоматического регулирования спроектирована таким образом, что при работе ГТГ на воздухе с отрицательной температурой (до —1,0° С) его мощность не превышает номинальную. При работе ГТГ на наружном воздухе с плюсовой температурой мощность соответственно ограничивается.

Эксплуатация электростанции характеризуется надежной и без­отказной работой ГТГ. Постройка и эксплуатация станции показали также, что, несмотря на сравнительно низкий к. п. д. ГТД, стои­мость отпущенного 1 кВт∙ч электроэнергии меньше, чем на базисных электростанциях. Это объясняется небольшими первоначальными за­тратами на сооружение электростанции и ее полной автоматизацией.

В Англии по заказу Центрального электрического общества были изготовлены несколько ГТГ мощностью по 17,5 МВт. Каждый ГТГ состоит из двух конвертированных ТРД "Эйвон", используе­мых в качестве генераторов газа, силовой турбины промышленного типа и электрического генератора. ГТГ включаются в работу автоматически при помощи реле понижения частоты или нажатием кнопки "пуск". Они способны принимать полную нагрузку через две минуты. ТРД могут работать на дизельном топливе или природном газе. Проектный к. п. д. ГТГ 28%. Компоновка ГТГ показана на рис. 6.

Интересно отметить, что весь процесс разработки проекта ГТГ до его создания в металле занял 18 месяцев.

Конвертированный ТРД "Эйвон" в составе ГТГ используется со значительно меньшей, чем в условиях эксплуатации на самоле­тах, мощностью, в результате чего возрастает его моторесурс.

                                                                          4

Рис. 6. Компоновка ГТГ мощностью 17,5 МВт

1 — выхлопная труба; 2 — ТРД "Эйвон"; 3 — электрогенератор; 4 — возбудитель

 

Силовая двухступенчатая турбина предназначена для работы на газе с низкой температурой и давлением. Она сконструирована как обычная газовая турбина промышленного типа.

Данный конвертированный ТРД выпускается для использова­ния как на пиковых и аварийных электростанциях, так и на элект­ростанциях, работающих 8000 ч в год. В зависимости от назначе­ния, эти ТРД могут иметь агрегатную мощность от 6000 до 40 000 кВт и работать на керосине, дизельном топливе или при­родном газе.

Наряду с рассмотренными типами электростанций в настоящее время на основе конвертированных АГТД эксплуатируются и соз­даются более мощные электростанции. Так например, только в энер­госистемах Англии и США эксплуатируются около полутора десят­ков электростанций с ГТГ мощностью 60—140 МВт.

Основным назначением таких электростанций является выра­ботка электроэнергии для снятия пиков электрической нагрузки, а вспомогательным — создание в энергосистемах резервной мощ­ности.

Обычно одна такая электростанция придается крупному па­ротурбинному блоку. Считают, что главным достоинством пиковых электростанций такой мощности является низкая, по сравнению с паротурбинными электростанциями, стоимость их строительства.

Компоновочные решения газотурбогенераторов этих электро­станций выполнены по вариантам б и в (рис. 2). Некоторой раз­новидностью компоновочного варианта в является ГТГ электро­станции мощностью 56—60 МВт фирмы "Инглиш электрик" (Анг­лия). Электрогенератор данного ГТГ приводится во вращение двумя силовыми турбинами, каждая из которых соединена с одним из концов его ротора. Работу каждой силовой турбины обеспечи­вают два ТРД.

В настоящее время за рубежом находится в эксплуатации тысячи ГТУ мощностью до 35 МВт, созданных на базе авиационных турбореактивных или турбовентиляторных двигателей. Они состоят из одного или двух компрессоров, приводимых во вращение связанными с ними турбинами, которые вместе с камерой сгорания, расположенной между компрессором и турбиной высокого давления, являются генератором горячих газов. Газы расширяются в турбине полезной мощности (силовой турбине). Показатели наиболее мощных и совершенных зарубежных ГТУ такого типа приведены в таблице 1 [Л. 5].

Наиболее широко (до 1000 однотипных агрегатов) распространены за рубежом установки, созданные на базе ГТД Avon, Olympus, FT4, которые выпускаются уже в течение 25-30 лет. Использование ГТД позволило перенести в промышленность передовой научно-технический опыт, накопленный в авиации, использовать подготовленную технологическую базу и преимущества крупносерийного производства, а также опыт эксплуатации авиационной техники [Л. 5].

Таблица 1 Параметры и показатели энергетических ГТУ с промышленными вариантами авиационных ГТД
Параметры и показатели	Фирма-изготовитель и тип ГТД
	Olympus B	Olympus C	RB211-24	Avon 1535	LM2500	LM5000	FT4C-3F
Мощность ГТУ в базовом режиме, МВт	17,5	28,1	23,5	14,7-16,0	19-22,0	32,5-35,4	30,6
КПД ГТУ в базовом режиме, %	26,9	30,7	33,5	28,2-28,9	34,2-36,0	35,5-37,7	31,3
Мощность ГТУ в пиковом режиме, МВт	20,0	29,6	24,5	16,3-18,2	23,9	35-38	33,0
КПД ГТУ в пиковом режиме, %	27,8	31,0	33,9	28,8-29,6	36,6	35,9-38,2	32,2
Степень сжатия	10,3	11,0	19,2	10,1	18	29-31	14,5
Расход воздуха, кг/с	108,5	109,0	94,0	79,5-82,2	64-67	123-127	142,5
Температура газов за турбиной, °С	490	530	490	475-500	490	435	490
Число ступеней
компрессора	5+7	5+7	7+6	17	16	5+14	8+8
турбины ГТД	1+1	1+1	1+1	3	2	2+1	1+2
силовой турбины	2	2-3	3	2	2-6	2-3	3
Число пламенных труб	8	8	Кольцевая	8	Кольцевая	Кольцевая	8
Масса ГТД, т	2,2	2,2	2,6	1,6	—	3,9	—
Масса ГТУ, т	23	25,5	23,0	20,5	21,5-35,5	28,5-43	19,5
Длина ГТУ, м	9,2	9,2	6,5	7,3	5,5-6,4	8,8-9,8	8,8
Ширина ГТУ, м	3,1	3,4	4,0	3,4	2,1-3,4	3,4	3,05
Высота ГТУ, м	4,0	3,4	3,9	3,1	2,1-3,4	3,1-3,4	2,8

 

Специфическими качествами ГТУ, созданных на базе авиационных двигателей, являются очень малые масса и габариты, быстрота запуска (до 1,5 мин до полной нагрузки в установках мощностью 20-25 МВт) при небольшой пусковой мощности и полной автономности, возможность быстрого восстановления при неполадках путем простой замены ГТД-генератора газа или даже всего агрегата. Недостатки таких ГТУ — более жесткие требования к топливу и эксплуатационному обслуживанию, сложная технология капитальных ремонтов, возможных только в заводских условиях. Используемые в энергетических ГТУ двигатели выпускаются специально для промышленного применения. Для обеспечения эффективной работы в наземных условиях часть их деталей либо переконструирована по сравнению с авиационными прототипами, либо изготовлена по измененной технологии или из других материалов. Параллельно осуществлялись мероприятия по повышению мощности и КПД путем совершенствования турбомашин, увеличения расхода воздуха, степени сжатия и начальной температуры газов и улучшению эксплуатационных качеств: увеличению ресурса деталей, длительности непрерывной работы, ремонтопригодности.

В промышленных ГТУ на базе ГТД третьего поколения "Спей", RB211, TF39 и CF6, выполненных с более высокими степенями сжатия и экономичными системами охлаждения, достигнута существенно более высокая экономичность (см. таблицу 1). Наиболее мощной из этих ГТУ является установка с генератором газа типа LM5000, созданным фирмой General Electric c использованием до 70% деталей турбовентиляторного ГТД CF6. На его конструкции остановимся подробнее.

Вентиляторная ступень ГТД снята и заменена двумя первыми ступенями пятиступенчатого КНД со степенью сжатия 2,5. Далее идет одновальный КВД (14 ступеней), который сжимает воздух до давления 3 МПа.

Камера сгорания — кольцевая с 30 устанавливаемыми извне регистровыми горелками. Зона горения спроектирована с повышенными избытками воздуха, для того чтобы снизить дымление, сократить длину факела и уменьшить количество воздуха, необходимого для охлаждения пламенной трубы. Начальная температура газов составляет 1150-1180 °С.

КВД приводится во вращение двухступенчатой ТВД, все лопатки которой охлаждаются отборным воздухом из КВД. Ротор КВД — ТВД выполнен трехопорным; как обычно, в ГТД используются подшипники качения.

Блок КВД — камера сгорания — ТВД использован в таком же виде в ГТУ LM2500, несколько сотен которых уже выпущено для морского флота и промышленности, некоторые из которых проработали свыше 40 — 50 тыс. ч.

Одноступенчатая ТНД, вращающая вал КНД через соединительный вал, проходящий внутри вала КВД — ТВД, специально спроектирована для ГТУ LM5000. общая длина генератора газа (без силовой турбины) 4,47 м, масса 3,9 т.

Энергетические ГТУ с агрегатом LM5000 спроектированы и выпускаются несколькими фирмами. Они оснащаются трехступенчатой силовой турбиной, ротор и статор которой выполняются охлаждаемыми. Продолжительность нормального пуска до включения электрогенератора в сеть составляет 7, ускоренного — 3 мин.