Ирик Имамутдинов Проблемы отечественной энергетики часто связывают с выработкой ресурса оборудования, но не менее важно, что оборудование это устарело морально и простая его замена на новые установки старого образца принципиально ничего не решит.

k полезного действия отечественных электростанций в среднем оценивается в 36%. Более десятой части электроэнергии и вовсе вырабатывается на установках, кпд которых равен 25% (эффективность, характерная для 30-х годов прошлого столетия). м. тем в развитых странах этот показатель в среднем не опускается ниже 45%. Рост эфф. энергосистем Запада связан с внедрением новых технологий, прежде всего речь идет об установках парогазового цикла (ПГУ), кпд которых колеблется от 52 до 60%.

Еще в октябре 1995 года на XVI конгрессе Всемирного энергетического совета, прошедшем в Японии, отмечалось, что развитие теплоэнергетики и в ближайшие десятилетия будет базироваться на применении парогазового цикла. По словам члена-корреспондента РАН, директора Всероссийского теплотехнического института

Гургена Ольховского , две трети всех вводимых на данный момент на планете генерирующих мощностей приходятся на ПГУ.

Парогазовые установки (в англоязычном мире используется название combined-cycle power plant) - сравнительно новый тип генерирующих станций, работающих на газе или на жидком топливе. Принцип работы самой экономичной и распространенной классической схемы таков. Устройство состоит из двух блоков: газотурбинной (ГТУ) и паросиловой (ПС) установок. В ГТУ вращение вала турбины обеспечивается образовавшимися в результате сжигания природного газа, мазута или солярки продуктами горения - газами. Образовавшиеся в камере сгорания газотурбинной установки продукты горения вращают ротор турбины, а та,, крутит вал первого генератора.

В первом, газотурбинном, цикле кпд редко превышает 38%. Отработавшие в ГТУ, но все так же сохраняющие высокую температуру продукты горения поступают в так называемый котел-утилизатор. Там они нагревают пар до температуры и давления (500 градусов по Цельсию и 80 атмосфер), достаточных для работы паровой турбины, к которой подсоединен так же один генератор. Во втором, паросиловом, цикле используется так же около 20% энергии сгоревшего топлива. В сумме кпд всей установки оказывается около 58%. Существуют и некоторые другие типы комбинированных ПГУ, но погоды в современной энергетике они не делают.
Пещерная энергетика

Казалось бы, идея использования энергии продуктов горения в двух последовательных циклах - газотурбинном и паросиловом - лежит на поверхности. Тем не менее широкое практическое воплощение она получила лишь в 80-х годах ХХ века. По словам профессора

Алексея Трухния , заведующего кафедрой Паровые и газовые турбины Московского энергетического института, в первую очередь это было связано именно с проблемами разработки газотурбинных установок, которые являются ключевым элементом ПГУ.

Хотя газовую турбину придумали фактически за сто лет до паровой (патент на изобретение первой ГТУ англичанин

Джон Барбер получил так же в 1791 году), последнюю оказалось легче использовать, и паросиловой цикл был освоен человечеством раньше.

В 70-х годах XIX века

Карлу Лавалю удалось заставить пар вращать одноступенчатую турбину, которую он построил, совершенствуя молочный сепаратор. Он же придумал, как с помощью сопла регулировать подачу пара на ее лопатки. Немногим позднее

Чарльз Парсонс создал более экономичную многоступенчатую турбину. На ее валу лопатки разных размеров располагались в несколько рядов. Этот принцип используется во всех современных турбинах. Парсонс же, догадался присоединить к турбине электрический генератор. далее интерес к таким устройствам стал стремительно расти. К числу заслуг Парсонса можно причислить и создание первого корабельного паротурбинного двигателя. С 1904 года, после того как американцу

Гленну Кертису удалось создать компактную турбину, на военные корабли начали устанавливать только паросиловые установки.

Однако созданию мощных паровых турбинных двигателей для флота мешало то обстоятельство, что для их нормальной работы требовался большой и тяжелый котел. К тому же инженерам приходилось иметь дело с высокими давлением и температурой пара. Альтернативные паросиловым поршневые двигатели внутреннего сгорания тоже не могли обеспечить огромные океанские лайнеры необходимой мощностью. (Кстати, значительно позже с похожей проблемой столкнулись и авиастроители: создание более мощных поршневых двигателей для самолетов сопровождалось непропорциональным увеличением веса всей конструкции и резко снижало v летательного аппарата.)

Кораблестроители обратили свои взоры к барберовской газовой турбине, изрядно подзабытой к началу прошлого века. Попытка создать приспособленное для нужд флота газотурбинное устройство была предпринята в 1900 году русским инженером

Павлом Кузьминским . Правда, Кузьминскому удалось достичь только стадии опытного образца - до промышленного применения дело не дошло.

В стационарной энергетике ГТУ первыми применили швейцарцы. Страна банкиров и часовщиков готовилась к отражению гитлеровской агрессии и построила по проекту жившего в Швейцарии словака

Аурелия Стодолы резервную газотурбинную электростанцию мощностью 4 МВт, которая была установлена в альпийской пещере в 1939 году. Она, до сих пор находится в рабочем состоянии.

В мае 1941 года британский инженер

Фрэнк Уиттл смог установить рабочий образец ГТУ на истребитель. А к концу войны самолеты с такими силовыми установками были приняты на вооружение Королевских ВВС Великобритании и Люфтваффе. ГТУ становились вполне респектабельной технологией.
Ну весьма высокие температуры

Энергетиков газотурбинные установки привлекали не только компактностью. Другое важное достоинство работающей по этому принципу электростанции в том, что ее можно быстро - за минуты - запускать и так же быстро останавливать. Для сравнения: современной паросиловой установке мощностью 800 МВт требуется четыре-пять часов для того, чтобы после запуска подать в сеть ток. Поэтому начиная с 50-х годов инициативу швейцарцев подхватывают в Европе, США и Японии. ГТУ строятся в первую очередь для того, чтобы обеспечивать энергоснабжение в моменты пиковой нагрузки. Начинают их применять и в качестве резервных станций в крупных торговых центрах и небоскребах.

Однако за компактность и мобильность приходилось платить: по сравнению с паросиловыми установками у ГТУ был меньший кпд. Создавая все более совершенные установки, инженеры шли на различные ухищрения, чтобы полнее использовать энергию отработавших газов. но до конца 70-х годов XX века специалистам так и не удавалось создать газовую турбину, которую можно было бы полноценно использовать в парогазовом цикле. Проблема, по словам Алексея Трухния, заключалась в следующем: Чтобы получить высокие (свыше 500 градусов) значения температуры продуктов горения за турбинной частью ГТУ и использовать их для получения приемлемых параметров давления и температуры пара для паросилового цикла, нужна была весьма высокая - свыше 1000 градусов - начальная температура газа до турбинной части ГТУ. Топливо в камере сгорания ГТУ может сгорать и при 2000 градусов, но этого не выдержит ни одна турбина - ее лопатки и другие детали потеряют свои конструкционные свойства. Железо плавится при 1400 градусах по Цельсию, поэтому лопатки для газовых турбин, используемых в ПГУ, стали делать из специально разработанных сплавов на никелевой основе (немоников), причем все равно пришлось разрабатывать изощренную систему их внутреннего охлаждения, а в камере сгорания использовать жаропрочную керамику.

Одна из первых газовых турбин с начальной температурой продуктов горения 1100 градусов была собрана в 1981 году компанией Siemens (так называемая серия E). Ее мощность составляла 150 МВт, собственный кпд - около 33%, а кпд парогазовых установок, построенных на ее базе, превышал 50%.

далее начался настоящий бум в строительстве ПГУ. Последующие поколения газовых турбин сразу проектировались и для автономной работы, и для эксплуатации в парогазовом цикле. ГТУ серии F (начальная температура продуктов горения 1180-1260 градусов), появившись в 1992 году, уже через два года уступают лидерство серии FA, турбины которой выдерживали свыше 1300 градусов. Сейчас идет совершенствование установок следующей серии - G-Н. Лидеры отрасли General Electric , Mitsubishi , Siemens Westinghouse создали ГТУ мощностью 300 МВт с начальной температурой продуктов горения в диапазоне от 1350 до 1430 градусов, доведя их кпд до 39,5%. Чтобы представить возможности каждой установки, достаточно сказать, что она одна могла бы обеспечивать электричеством город с населением 300 тыс. человек.
Советская ошибка

СССР в послевоенное время не только не отставал в мировой газотурбинной гонке, но и временами вырывался вперед. Так, уже в 1955 году ГТУ мощностью 100 МВт попробовали использовать на одной из московских ТЭЦ. Но опыт ее эксплуатации посчитали неудачным: она была построена по дорогостоящей схеме, а кпд установки не превысил 24%. В 1976 году на ЛМЗ была спроектирована самая мощная в то время газотурбинная установка для привода генератора свыше 100 МВт. Лопатки турбины после доводки должны были выдерживать температуру в 1100 градусов. Но в 70-80-е приоритетным для отечественной энергетики становится строительство гигантских АЭС и гидроэлектростанций мощностью в тысячи мегаватт. Турбинисты со своими стомегаваттными установками перестали котироваться в номенклатурных кругах. Печально, что интерес советских властей к ГТУ угас как раз в тот момент, когда наши специалисты вплотную подошли к созданию ГТУ, которая по своим параметрам подходила для использования в парогазовом цикле.

на данный момент отечественные энергомашиностроители пытаются наверстать упущенное. Совместное предприятие ЛМЗ и Siemens - Интертурбо , к примеру, собрало 15 газовых турбин (серия E). Они были спроектированы немецкой компанией так же двадцать лет назад, потом модернизировались. У них весьма приличные характеристики, и большая их часть была куплена третьими странами. Производитель авиационных двигателей ОАО Рыбинские моторы и украинское НПП Машпроект , разрабатывавшее судовые двигатели, спроектировали установку ПГУ с мощностью 325 МВт на базе собственной газовой турбины. Эксплуатируется, правда, пока только турбина, да и то в единственном экземпляре. Упомянутый уже Ленинградский металлический завод и пермское ОАО Авиадвигатель хотят использовать для разработки ПГУ опыт производства авиационного двигателя ПС-9 По параметрам турбина должна соответствовать третьему поколению ГТУ. Но о реальных результатах можно будет говорить только года через три-четыре.

Специалисты признают, что времени на то, чтобы достичь уровня энергетически развитых стран, у нас остается все меньше. В США, например, ежегодно вводится в эксплуатацию парогазовых установок на 40-50 млн кВт. В России же пока построен единственный энергоблок ПГУ. Это установка мощностью 450 МВт на Северо-Западной ТЭЦ в Петербурге прошла предварительные испытания. По сути до конца не отлаженный аппарат, построенный по технологии, разработанной немцами так же двадцать лет назад, в полном соответствии с теорией показал, что способен работать с кпд, превышающим 50%. Впрочем, даже эта первая российская ПГУ до сих пор не пущена в эксплуатацию.

Источник:http://archive.expert.ru