Японская компания Mitsubishi Heavy Industries идёт по пути повышения температуры газов в камере сгорания ГТУ

Такеши Ватанабе, инженер компании Mitsubishi Heavy Industries.
Парогазовая технология стала де-факто самой популярной в сфере электрогенерации. Большая часть вводимых в строй генерирующих мощностей в мире сегодня приходится на парогазовые установки (ПГУ), постепенно заменяющие паросиловые электростанции. Надо сказать, что в 1970-х годах СССР входил в число ведущих разработчиков газотурбинного оборудования, однако именно в этот период основную ставку в энергетике государство сделало на строительство гигантских паросиловых ТЭС и АЭС. Сегодня общемировые тенденции и необходимость модернизации энергомощностей побудили Россию вернуться к перспективному направлению. К достоинствам газотурбинных установок (ГТУ) справедливо относят малое время запуска и экономичность, а также их высокую маневренность – возможность быстрого изменения нагрузки – и, наконец, возможность быстрого строительства. Однако я бы подчеркнул и важную роль внедрения ГТУ для решения проблемы глобального потепления. Дело в том, что промышленные технологии улавливания и хранения CO2 ещё не достигли зрелости. Заместить же традиционные ТЭЦ альтернативной и атомной энергетикой в обозримой перспективе невозможно. Таким образом, на ближайшее десятилетие одно из наиболее реалистичных решений климатической проблемы – это замена старых электрогенерирующих мощностей на высокоэффективные газовые турбины, снижающие как выбросы COx и NOx, так и «тепловое загрязнение».

Компания Mitsubishi Heavy Industries (MHI) сегодня уверенно удерживает позиции ведущего мирового производителя современных газовых турбин. К настоящему моменту MHI создала более 600 ГТУ различных классов – мощностью от 6 до 334 МВт. Компания последовательно работала над повышением энергоэффективности своих газовых турбин, совершенствуя их конструкцию. Если в первых ГТУ MHI температура в камере сгорания не превышала 800 ˚C, то сегодня у многих современных установок MHI этот показатель достигает 1500 ˚C. На практике это даёт возможность получить в парогазовом цикле КПД на уровне около 60% (при среднем КПД обычных ТЭС в пределах 30–35%).
По лестнице им. Цельсия
В 1980-х годах, после успешного вывода на рынок ГТУ серии D (с температурой в камере сгорания 1150 ˚C), компания MHI начала строить планы по созданию ещё более эффективных, прорывных систем. Результатом её новых разработок стало появление турбин серии F. На сегодня в эксплуатации находятся более 160 ГТУ этой серии, они показали отменные результаты при эксплуатации во всех регионах мира, а их общая наработка превышает 8,4 млн ч.
Начало серии было положено в 1991 г., когда рынку была представлена первая ГТУ Mitsubishi M501F мощностью 185 МВт. С тех пор она постепенно эволюционировала до современной конфигурации M501F3. Компания успешно внедряла всё более устойчивые к высоким температурам сплавы и применила ряд термобарьерных покрытий на подвижных и неподвижных деталях турбины, добившись в установках этой серии температур в диапазоне 1350–1400 ˚C, что в результате дало турбинам F3, выпускающимся с 2001 г., возможность работать с КПД до 38%.
Успех 60-герцовой модели M501F3 сумела развить 50-герцовая модель M701F4. При её разработке компания использовала апробированную в F3 конструкцию компрессора, обеспечивавшую увеличение потока на входе в воздухозаборник на 6%. Также здесь был применён особый способ охлаждения лопаток посредством пропускания воздуха через систему отверстий на их вогнутой стороне. На выходе камеры сгорания в F4 стал использоваться более совершенный материал – сплав MAG240 на основе никеля. За счёт улучшения системы охлаждения стенок камеры сгорания и антивибрационного экрана повышены как эффективность охлаждения, так и долговечность самой камеры сгорания.
Нынешний флагман
Первая турбина Mitsubishi M701F4 номинальной мощностью 324 МВт была запущена в Японии на ТЭЦ Сендай в 2010 г. Турбину именно этого типа выбрала компания «ЛУКОЙЛ» при строительстве ПГУ-410 в Краснодаре. В настоящий момент это самое современное парогазовое оборудование в своём классе и первый масштабный проект Mitsubishi Heavy Industries в России. По сравнению с традиционными ТЭС, при выработке электроэнергии ПГУ-410 расходует в среднем вдвое меньше топлива. Установка обладает КПД на уровне 57,4%, что в полтора раза выше, чем у паросиловых блоков действующих российских ГРЭС и ТЭЦ. Газотурбинная установка Mitsubishi M701F4 работает в комплекте с турбогенератором с водородным охлаждением производства Mitsubishi Electric Corporation.
В мире пока эксплуатируются лишь 10 ПГУ подобного класса, и ещё 23 единицы заказаны энергетическими компаниями различных стран. Мощная ГТУ M701F4 в плане экономичности и экологической чистоты находится на одном уровне с разработками таких производителей, как Alstom, Siemens, GE Energy, однако превосходит их по надёжности.
На базе M701F4 была создана модификация M701F5, которая также имеет температуру газа на входе в турбину 1500 °С, но при этом обеспечивает более высокий КПД – около 61%. Уровень эмиссии окислов NOх и COх при этом остался прежним. Мощность ГТУ в открытом цикле составляет 359 МВт, а в комбинированном парогазовом – 525 МВт. В версии M701F5 была сохранена конструкция ряда компонентов, а основной модернизации подверглись камера сгорания и силовая турбина. Первая газовая турбина M701F5 будет поставлена заказчикам в 2014 г.
При поддержке государства
Компания Mitsubishi смогла достичь лучших в мире показателей эффективности ГТУ благодаря национальному проекту, который запущен в 2004 г. и финансируется правительством Японии. Главной целью проекта было создание газовых турбин, работающих при температуре 1700 °C для достижения КПД комбинированного цикла на уровне 62–65%. Таким образом предполагалось повысить эффективность на 5–10% по отношению к доступным на тот момент технологиям. Для достижения этих целей Mitsubishi доработала ряд своих технологических решений и успешно применила их в производстве.
Наиболее совершенные технологии используются в ГТУ нового поколения серии J, разработанной MHI в рамках названного национального проекта. Это уникальная система, обладающая самой большой в мире электрогенерирующей мощностью и самой высокой теплоотдачей среди всех коммерческих систем. Турбина для сетей 50 Гц имеет номинальную мощность 470 МВт. В комбинированном парогазовом цикле мощность моноблока на ней достигнет 680 МВт, а КПД превысит 61,5 %.
При разработке турбины были усовершенствованы технология термобарьерных покрытий турбинных лопаток и система охлаждения горячей части двигателя. В результате температура в установках серии J на 200 °С выше, чем в ГТУ серии F, и может доходить до 1600 °С. Двигатель имеет улучшенную аэродинамику и весьма значительную степень повышения давления компрессора – 23:1 (для сравнения, у M701F4 – 18:1). Технологии же парового охлаждения камеры сгорания улучшают эффективность горения топлива и позволяют дополнительно снизить содержание NOx и СО2 в выхлопных газах. В камере сгорания газовой турбины имеются датчики контроля горения, что позволяет добиться высокой стабильности процесса. Предусмотрена многоуровневая защита лопаток компрессора.

Квалификационные испытания первой турбины M501J завершены, её коммерческая эксплуатация началась в июле 2011 г. на тестовой электростанции MHI T-Point. Индустрия заметила отличные результаты, продемонстрированные турбиной на T-Point: на момент подготовки статьи японские и корейские фирмы заказали две 50-герцовые ГТУ M701J и семнадцать 60-герцовых M501J. Компания имеет все основания ожидать, что в течение ближайших десяти лет ГТУ серии J займут доминирующее положение на рынке сверхмощного газотурбинного оборудования.
Более подробно о японском проекте вы сможете узнать, посмотрев запись выступления Такеши Ватанабе. Для просмотра видео через Интернет на компьютере должна быть установлена программа Adobe Flash Player.