Газотурбинные установки - основа будущей энергетики России

Размещено на http://www.allbest.ru/

ГТУ - основа будущей энергетики России

Олег Фаворский, действительный член РАН

Население Земли в ближайшие 50 лет увеличится (по различным оценкам) с 6 до 12:15 млрд человек, что неизменно повлечет и существенное увеличение потребления энергии. В первую очередь, это рост производства электрической энергии как основы комфорта в быту и на работе, базы широко развивающейся информационной техники и любых систем автоматизации и организации труда. Другой областью безусловного экстенсивного роста будет транспорт, в первую очередь, авиационный и автомобильный с соответствующим увеличением объемов потребления топлива. Уже только эти две отрасли для своего развития требуют значительного увеличения объема соответствующих машиностроительных производств, дополнительных кадров и опять-таки энергетических затрат. Надо помнить, что, учитывая приведенные тенденции, высокоразвитые индустриальные государства согласились одной из главных задач начала XXI века считать энергосбережение во всех областях жизни и производства. Действительно, в последнее десятилетие в ряде стран при заметном росте валового национального продукта наблюдалось некоторое снижение потребления энергии (топлива). Этот опыт, конечно, будет учтен развивающимися странами, но, тем не менее, потребности Мира в энергии будут заметно расти.

При использовании термина "энергия" сейчас обычно понимают четыре составляющие:

· - природное органическое топливо: основное (нефть, газ, уголь) и второстепенное по объему использования (сланцы, древесина и отходы быта и производств). Они идут на производство электроэнергии и механической работы (включая транспорт), на получение бытового и промышленного тепла (горячая вода и пар) и как сырье в промышленность;

· - электроэнергия и тепло от атомных электростанций;

· - электроэнергия от гидравлических электростанций;

· - электроэнергия и тепло от так называемых возобновляемых источников энергии - ветряных, солнечных, геотермальных.

Преобразование энергии топлива (его теплотворной способности при сжигании в воздухе) в механическую работу обеспечивает комфортность нашей жизни и возможность работы большей части человечества. Механическая работа при этом понимается как приведение в движение любых объектов - от газонокосилок до автомобилей, самолетов и генераторов электрической энергии.

Как известно, из всей энергии, используемой населением Земли, 90 % обеспечивается сжиганием органических топлив (угля - 28 %, нефти - 39 % и газа - 23 %). Почти 10 % от этого количества дают атомные и гидроэлектростанции и очень небольшую часть (доли процентов) - так называемые возобновляемые источники энергии - ветряные установки, солнечные, геотермальные и приливные электростанции. Безусловно, их роль будет расти, но, по прогнозам, даже к 2050 г. вряд ли превысит 2:3 %. Иначе говоря, главными все-таки будут органические топлива.

Обеспечение электроэнергией и теплом в современном мире является основой благосостояния и развития общества и любого государства. Стабильность существования и возможность работы любых отраслей деятельности населения определяются, в первую очередь, безопасностью и надежностью систем теплоэнергетики. И подтверждением этому служат периодически проявляющиеся в различных регионах мира нарушения их работы, когда целые области остаются без электроэнергии, люди застревают на часы в метро и лифтах, замерзают системы отопления в домах и т.п.

Абсолютно ясно, что как экономические затраты на теплоэнергетику, так и ее воздействие на природную среду и самого человека необходимо предельно снижать. Для всего человечества это дело не только сегодняшнего дня, но и ближайшего будущего. Без громких слов и лозунгов надо просто работать для обеспечения возможности нормальной жизни наших детей, внуков, т.е. следующих поколений.

Жидкое топливо для транспорта (бензин, дизельное топливо, авиакеросин) пока останется основным, хотя человечеству необходимы и оно будет осваивать экологически более выгодные топлива: в первую очередь - основная часть природного газа, метан (в сжиженном виде), а затем и самое лучшее топливо - водород.

Природный газ - пока лучшее органическое топливо из широко используемых, так как в нем меньше углерода и больше водорода, чем в нефти, тем более, - в угле. В связи с этим в продуктах его сгорания меньше углекислого газа (СО2) и практически нет сернистой составляющей (SОх). При его использовании легче избавиться от сажи (С) и окиси углерода (СО), и максимально снизить выброс вредных окислов азота (NOх). Водород по тем же причинам - экологически максимально чистое топливо. Насущная задача техники ближайших поколений - обеспечение широкого использования таких топлив с максимальными коэффициентами полезного действия.

Все изложенное выше показывает, что стремление обеспечить достойное развитие будущего человеческого общества на Земле требует особо бережного расходования органических полезных ископаемых - основы современных топлив. Это вызвано, прежде всего, стремлением ограничить экологический ущерб от воздействия продуктов сгорания любых топлив: увеличения парникового эффекта (повышение температуры окружающей нас среды) в результате прироста процентного содержания углекислого газа (СО2) в атмосфере. И, что может быть даже более важно, сейчас уже достаточно обоснованно установлено, что при таком потреблении запас нефти может быть исчерпан в ближайшие десятилетия, и лишь чуть позже - природного газа. Это очень скоро остро поставит вопрос перед человечеством об их максимальной экономии.

В России создана хорошая, серьезная гидроэнергетика. Она обеспечивает 20 % потребляемой электроэнергии и, что очень важно, возможность регулирования при переменном потреблении. Ее следует бережно поддерживать и дополнительно развивать в регионах, где не надо строить больших водохранилищ, а можно использовать, например, горные реки. Однако, нужно очень внимательно рассматривать предложения по строительству ГЭС в равнинных областях, взвешивать экологические последствия такого решения.

Также вряд ли реально говорить сейчас о необходимости и целесообразности массового проектирования и строительства атомных станций. В то же время надо всеми силами поддерживать атомную отрасль. В первую очередь - из-за необходимости сохранения богатейших запасов знаний, которые накоплены в атомной науке и технике. Они могут в достаточно близком будущем (наверно уже через 30-50 лет, когда станет плохо с органическими топливами) создать возможность широкого применения эффективных и безопасных АЭС. В атомной энергетике России надо закончить доработку безопасности как тех АЭС, что уже созданы, так и новых, в которых имеется значительный строительный задел. Особо следует сказать о важности и перспективности новых работ по созданию атомных электростанций с реакторами на быстрых нейтронах и замкнутым топливным циклом. Наверное, надо также активно создавать маленькие атомные станции (десятки МВт) для тех регионов, где нужна энергия, а топливо завозить трудно и дорого. Но это опять-таки все еще не массовая энергетика; массовая - пока и на много лет - на органических топливах.

Законы термодинамики диктуют, что возможность повышения КПД при использовании топлива обеспечивается, в первую очередь, разностью температур в тепловом цикле - максимальной и минимальной (минимальная - это окружающая среда, максимальная - это то, что мы можем реализовать при сгорании топлива). Значит, чем выше максимальная температура, тем естественно выше КПД. И вот, развитием энергетики за 100 лет достигнут уровень максимальной температуры пара 600 °С (при давлении пара до 250 атм), что позволило у лучших паровых турбин получить КПД даже в идеальном цикле равный только 67 % (а в реальном цикле - всего 38:40 %). Но при повышении температуры до 1300 °С КПД цикла достигает уже 82 %. Иначе, переход на другой, более высокотемпературный, не паровой цикл, в принципе дает возможность обеспечить существенное повышение КПД. И таким средством увеличения температуры в рабочем цикле установки стали газовые турбины.

Газовые турбины известны давно, но активно используются в энергетике недавно. Особенно эффективными оказались комбинированные, так называемые парогазовые установки (ПГУ), где газовая турбина - первая, высокотемпературная ступень использования тепла. Ее выхлопные газы идут в котел, пар из которого поступает на паровую турбину.

Именно газовые турбины могут и должны стать основой развития (модификации) наших тепловых электростанций (ТЭС), превращая их из паровых в комбинированные. Применение газовых турбин реально при очень небольших объемах строительных работ на уже имеющихся ТЭС. Они во много раз легче паровых турбин и занимают намного меньше места, поскольку в них нет крупногабаритного и тяжелого парового хозяйства (котлы, насосы и др.). При этом управление ими гораздо легче автоматизируется, т.е. такие станции требуют меньше обслуживающего персонала и т.п.

Экономическая эффективность газовых турбин сегодня может быть весьма высокой и без применения цикла ПГУ. Так, если на выходе газовой турбины в теплообменнике выходящими газами греть воду и паром охлаждать горячий тракт турбины вместо воздуха (который очень дорог в обычном цикле), то при температуре газа 1500 °С, достижение которой ставится сейчас как задача, можно говорить об уровне КПД реального газотурбинного цикла порядка 60:62 %. А это в полтора раза лучше, чем в предельном паротурбинном цикле.

В парогазовых установках, которые сейчас интенсивно строятся во всем мире (к сожалению, кроме России), реализованы температуры газа до 1300 °С и уже сегодня поставляются в эксплуатацию агрегаты с электрическим КПД 57:58 %. В программах Министерства энергетики США на начало XXI века ставится задача его увеличения до 65 %. Рассматривая дальнейшее развитие парогазовых установок с добавлением на входе в газовую турбину высокотемпературных топливных элементов, можно уже сегодня говорить о достижении электрического КПД порядка 70 %. Этим тоже занимаются в ряде стран.

Высокоразвитые государства мира всегда вкладывали большие деньги в развитие военной техники и, в частности, авиационной. Совершенствование газовых турбин определяло уровень развития авиации, в первую очередь - авиации военной, причем на гребне прогресса были двигатели для истребительной авиации. В них максимально выжимались скорости полета в результате увеличения тяги и уменьшения габаритов двигателей. Для этого принимались максимально высокие температуры газа, и это допускалось вследствие минимального времени их эксплуатации (ресурса). парогазовый электроэнергия газовый турбина

Для развития военной авиации с годами были улучшены конструкционные жаропрочные материалы, которые дали возможность повысить примерно на 300 °С температуру газа перед турбиной (против 700:750 °С, имевшихся в довоенных). Громадные успехи за эти же годы были достигнуты в совершенствовании систем охлаждения, т.е. в совершенствовании процессов теплообмена и газовой динамики проточной части двигателей, обеспечивших прирост температуры газа перед турбиной еще на 400:450 °С. Сегодня уровень температур перед турбиной в авиационных двигателях достигает 1300:1400 °С. Параллельно с военной авиацией, с некоторым запасом по температуре, все эти годы развивалась гражданская авиация. Еще с большим отрывом по температуре продолжалось совершенствование энергетических турбин. Но за последние 7-10 лет в связи с кризисом в военной промышленности (причем во всем мире, а не только в России!), развитие энергетических турбин в мире начало идти очень высокими темпами. Сегодня за рубежом уже продаются газовые турбины с температурой 1300 °С и на подходе с температурой 1400 °С.

В энергетике очень много занимались совершенствованием газотурбинного цикла. По мере роста температур увеличивалась степень сжатия, рассматривались возможности промежуточного охлаждения при сжатии и промежуточного подвода тепла при расширении, возможность регенерации тепла. В упоминавшейся выше программе министерства энергетики США по развитию газовых турбин в начале XXI века поставлена задача выхода на температуру 1500 °С, т.е. температуру, которую сейчас еще мечтает внедрить и авиационная промышленность.

В массовой энергетике мира широко развернута организация производства и применения газовых турбин. Сейчас заказы, например, американских фирм на газовые турбины насчитывают 200 комплектов, способных выработать 40 млн кВт, что составляет не менее трети мощности энергетики России! Этот массовый заказ в Америке показывает, что в погоне за экономикой и экологией конструкторы ставят сегодня на первое место газовые турбины.

Теперь о главном - с теплом у России очень плохо. Вместе с тем, если мы используем парогазовую установку, а на ее выходной системе поставим водяной котел для получения пара высокого давления с уровнем температуры порядка 150:170 °С, затем другой - для пара низкого давления, затем горячей воды, теплой воды, то, совершенствуя этим цикл по линии отвода тепла, можно использовать до 92:93 % тепла, которое содержится в топливе.

А России нужно, в первую очередь, тепло. Как только приходит холодный период года, так начинаются неприятности, связанные с недостатком тепла. В крупных городах России обычно создавались самые простые тепловые электростанции, где комбинировалось получение электроэнергии на паровых турбинах с большой долей выходного тепла (ТЭЦ). Примером такого использования ТЭЦ может служить Москва, где 13 станций обеспечивают город электроэнергией с избытком, хотя теплом только на 80 % (остальное - от котельных). Наша страна холодная. У нас большие площади, идет продолжение миграции, растут города. Нам нужно обеспечивать жизнь людей, работу промышленности. Сегодня в России все это покрывается (кроме ТЭЦ) почти 200 тыс. котельных. Они потребляют 46 % топлива. При этом теряется высокотемпературный потенциал продуктов сгорания, который можно использовать в газовой турбине до котла. Т.е. применение небольших ГТУ-ТЭЦ может стать эффективным путем решения этой проблемы.

В России, кроме трех заводов, которые производили стационарные турбины - Ленинградский металлический, Невский и Екатеринбургский, - есть 11 заводов и 14 авиадвигательных конструкторских бюро, которые сейчас практически без работы по основному профилю: в 1985 г. в России производилось до 70 типоразмеров авиадвигателей во многих тысячах штук. Эта гигантская производственная база используется в настоящее время очень плохо, так как заказы упали в десятки раз. Создавая же на базе авиадвигателей малые ГТУ-ТЭЦ взамен существующих старых котельных, можно, прежде всего, очень быстро обеспечить страну высокоэффективной, высококачественной, высокоэкологичной энергетикой. Нужно только, что очень важно, государственное поощрение малой энергетики, разработка соответствующих законов и льгот. Это все должно стать стимулом, чтобы государство на базе развитой энергетики вышло на другой экономический и экологический уровень. Следует особо отметить, что при производстве малых турбин (до 20:30 МВт) очень важно их количество. По удельным затратам металла выгодны мощности 10:20 МВт, а по удельной трудоемкости эффективнее большие турбины. Вместе с тем, увеличение выпуска - серийность - существенно снижает удельные затраты, себестоимость, и при значительных количествах (хотя бы десятки турбин) малые турбины становятся выгодны и экономически.

Авиадвигательные конструкторские бюро страны за последние годы проработали большое количество установок различной мощности (от 1 до 60 МВт). Проведены проектные работы, созданы до десятка опытных экземпляров, начато серийное производство нескольких типов электростанций на их основе.

Можно привести наиболее характерные примеры уже созданных и эксплуатирующихся ГТУ. Газотурбинная ТЭЦ мощностью 25 МВт вполне конкурентоспособная с мировыми по экономическим показателям (КПД 37 %) на базе двигателя НК-37СТ Самарского НПО им. Н.Д. Кузнецова сейчас запущена в работу в Самаре. В Перми начаты серийный выпуск и поставка 4-мегаваттной установки. Созданы ГТУ-ТЭЦ в 1,25 МВт в Санкт-Петербурге, 2,5 МВт - в Рыбинске, 10 МВт - в Уфе. Уже реализована станция в 20 МВт, созданная московской фирмой "Энергоавиа".

В России есть хорошая научная и экспериментальная база в Центральном институте авиационного моторостроения и Институте высоких температур РАН, которая может обеспечивать все, что нужно сейчас и на ближайшие годы по совершенствованию теплообмена, экологии сжигания топлив, прочности при проектировании самых перспективных турбин. В Москве в ЦИАМ создана и работает уникальная экспериментальная база для испытания любых газотурбинных энергетических установок мощностью до 25 МВт в любых атмосферных условиях и на любых топливах. Кроме того, относительно небольшие турбины (20:30 МВт) могут быть использованы и для надстройки многочисленных паровых турбин на электростанциях с целью увеличения их мощности и КПД на 5:7 % там, где ресурс этих паровых турбин позволяет их эксплуатировать, по крайней мере, еще 10:15 лет.

Итак, совершенствование и электро- и теплоэнергетики России в ближайшие годы должно вестись с широким применением газовых турбин. Эта энергетическая технология не только обеспечит нужное качество нашей жизни, принципиальную стабильность, безопасность и надежность существования страны, но и даст возможность существенной экономии потребляемого топлива. Как конкретный пример возможности эффективного применения малых ГТУ-ТЭЦ можно привести регион "Москва и область" в системе Мосэнерго. Сейчас здесь потребляется 12 ГВт электроэнергии и 72 Гкал/ч тепла, из них ТЭЦ Мосэнерго дают 30 Гкал/ч, остальное обеспечивают котельные (большей частью - в области). Если эти котельные заменить малыми ГТУ-ТЭЦ, то можно получить дополнительно 19 ГВт электроэнергии (при прочих равных условиях), т.е. на 55 % больше, чем потребляется сегодня. А это гигантский резерв для развития региона. Первая такая ТЭЦ реализована в подмосковном городе Электросталь.

Широким внедрением газотурбинной техники в энергетике можно обеспечить в ближайшие 15-20 лет снижение расхода топлива в стране на 10:12 %, а газового топлива - на 25 %. Это говорит и о снижении на столько же выбросов СОх. И хотя у нас есть резерв по выбросам по сравнению с уровнем, установленным международными нормами 1999 г., внедрение газотурбинной техники увеличит этот резерв и позволит в будущем развивать энергетику, спокойно увеличивая долю угля, что очень важно для энергетической безопасности страны. Хотя газ и лучшее по всем показателям топливо, но будучи монополистом, он становится ненадежным, а потому - в государственном смысле - опасным. Поэтому одна из важнейших задач науки и техники состоит в том, чтобы через 30-40 лет снова обеспечить широкое применение угля. Но для этого нужно создавать новые эффективные технологии. Необходимо не только исследовать пути наиболее эффективной газификации угля, но и совершенствовать материалы, которые будут при этом применяться. Пора снова вернуться к решению проблем использования керамики и широкого применения композиционных материалов.

Все эти направления, решаемые совместно, дадут реальную возможность перспективного развития энергетики, по крайней мере, на обозримое время и при этом не строить фантастические прожекты с использованием экзотических видов энергии, к чему пока реальные подступы не просматриваются.

Размещено на Allbest.ru