Siemens SGT600 газовая турбина

Индустриальная газотурбинная установка Siemens SGT-600 имеет основное назначение – выработка электроэнергии. Разработанная как надежная, компактная, двухвальная машина, SGT-600 имеет длинный жизненный цикл, турбина проста в обслуживании и работает на различных видах топлива. Помимо этого, благодаря своей компактной конструкции, SGT-600 может применяться на судах и морских платформах как привод компрессоров, оборудования, насосов, и в качестве привода главного вала или энергической пропульсивной установки. На ГТУ установлена камера сгорания с сухим подавлением оксидом азота (DLE), позволяющая работать как на газообразном, так и на жидком топливе с ультранизкими выбросами вредных веществ. Помимо классических топлив, SGT-600 позволяет осуществлять сжигание 70% концентрата водорода с впрыском воды. Газотурбинная установка имеет высочайший КПД в своем классе – 34,2 % в простом цикле при номинальной электрической мощности в 25 МВт. Также к основным особенностям модели SGT-600 можно отнести низкий расход топлива и короткие сроки ввода в эксплуатацию, что снижает затраты на эксплуатацию. Высокая температура выхлопных газов делает SGT-600 одной из самых востребованных на рынке моделей для применения в когенерационных и парогазовых установках. ГТУ показала себя, как надежный источник выработки электроэнергии, как в жарких, так и в холодных климатических условиях, одинаково безотказно работая при базовых и пиковых нагрузках.

Газотурбинный агрегат SGT-600, описание его конструкции, характеристики, данные об успешном опыте эксплуатации агрегата и мероприятиях по целенаправленному улучшению его технико-экономических характеристик, отзывы эксплуатации, увеличения ресурса агрегата со 120000 эквивалентных часов наработки (ЭЧН) до 180000 ЭЧН и интервалов между циклами технического обслуживания с 20000 до 34000 ЭЧН. Развитие нефтегазовой отрасли и рынка производства электроэнергии приводит к ужесточению требований к энергетическому оборудованию – его надежности, долговечности, эксплуатационной готовности, стоимости всего жизненного цикла, а также к уровню вредных выбросов в атмосферу. В последнее время специалистами компании Siemens Industrial Turbomachinery AB (Финспонг, Швеция) был проделан большой объем работ по совершенствованию конструкции и систем газотурбинного агрегата средней мощности SGT-600. Модернизирована камера сгорания, рабочие и сопловые лопатки первой ступени турбины компрессора, выходное устройство (диффузор), а также системы контроля и управления. Результатом последовательного усовершенствования агрегата SGT-600 стало увеличение его надежности, эксплуатационной готовности и ресурса. К концу 2024 года изготовлено более 360 газотурбинных установок SGT-600. Их суммарная эксплуатационная наработка составила более 5 млн эквивалентных часов, наработка турбины-лидера – более 12 млн асов. В процессе эксплуатации парка этих агрегатов были получены следующие статистические данные: коэффициент надежности – 99,5 %; коэффициент готовности – 97 %. Статистика основана на результатах, полученных при анализе опыта эксплуатации 40 % всех действующих установок SGT-600 различного применения (в качестве механического привода, а также для выработки электроэнергии) и работающих в различных условиях. Двухступенчатая неохлаждаемая турбина свободной мощности обеспечивает номинальную частоту вращения вала до 7700 об/мин. Воздух из окружающей среды через КВОУ поступает в осевой компрессор. Сжатый в компрессоре воздух направляется в камеру сгорания, где смешивается с топливом (газ либо дизельное топливо). Горячий газ расширяется в газогенераторе и силовой турбине. Газогенератор приводит в движение компрессор, а силовая турбина – электрический генератор (через редуктор с передаточным отношением 5,2). Газогенератор и силовая турбина механически не связаны между собой. Уходящие газы после силовой турбины отводятся через выхлопной диффузор и направляются в котел-утилизатор. Компрессор оснащен 2-я отборами воздуха (за 2 и 5 ступенями). Отбираемый за 2-ой ступенью воздух используется для охлаждения элементов турбины, за 5-ой – на уплотнение, а также для продувки форсунок. На корпусе компрессора установлены антипомпажные клапаны (MBT10AA005, MBT10AA010), воздух из которых сбрасывается во всасывающий воздуховод перед компрессором. Камера сгорания кольцевого типа, малотоксичная, оснащена 18-ю горелками. Газогенератор осевой, 2-х ступенчатый. Силовая турбина осевая, 2-х ступенчатая. Номинальная частота вращения: ротора газогенератора – 9700 об/мин; ротора силовой турбины – 7734 об/мин; ротора электрического генератора – 1500 об/мин.

Разработка турбоагрегата SGT-600 (первоначальное название GT10A) началась в 1977 г. швейцарской компанией Sulzer Escher Wyss, ввод в коммерческую эксплуатацию был осуществлен в 1988 г. Мощность турбины к тому времени составляла 22 МВт. В 1990 г. лицензия на производство турбины была передана шведской компании ABB Stahl (сейчас Siemens Industrial Turbomachinery AB). Первой модификацией SGT-600 было внедрение камеры сгорания с системой сухого подавления вредных выбросов (DLE – Dry Low Emission), позволяющей при работе на газообразном топливе снизить выбросы оксидов азота (NOx) до 25 ppm при 15 % О2. Сегодня такая камера сгорания входит в стандартный объем поставки, а обычная КС предлагается в качестве опции. Через два года было запущено производство более совершенной модификации турбины SGT-600, известной как GT10B. Температура газов на входе в турбину повысилась на 50 °С и составила 1115 °С, в результате чего мощность агрегата увеличилась до 24,5 МВт при КПД 34,2 %. Для снижения отрицательного воздействия повышения температуры на ресурс рабочих и сопловых лопаток турбины компрессора, на них стали наносить защитное (антиоксидантное) покрытие. В 1997 году мощность агрегата была немного повышена за счет увеличения расхода воздуха, проходящего через двигатель. Газотурбинный агрегат SGT-600 является двухвальным двигателем со свободной силовой турбиной, который может использоваться как в качестве механического привода, так и в составе энергоблока. Компрессор – 10-ступенчатый, осевой, со сварным ротором. Степень повышения давления в компрессоре – 14. Компрессор оснащен двумя антипомпажными клапанами (окнами перепуска) после второй и пятой ступени. Первые два входных направляющих аппарата – регулируемые. Все лопатки имеют антикоррозийное покрытие (за исключением рабочих лопаток первой ступени, изготавливаемых из титана). Для обеспечения минимального радиального зазора в рабочих колесах компрессора, элементы статора – кольца, расположенные над рабочими лопатками, изготовлены из материала с низким коэффициентом теплового расширения. Кроме того, с целью уменьшения отрицательного эффекта при возникновении касаний ротора о статор, на элементы статора (кольца) нанесено легкоистираемое покрытие. Для снижения расходов на техническое обслуживание компрессора и продления срока службы его элементов применяется повторное нанесение антикоррозийного покрытия на рабочие и сопловые лопатки и нового истираемого покрытия на соответствующие статорные кольца. Предусмотрен также ремонт уплотнений ротора. Кроме того, имеется опыт проведения ремонта ротора путем замены дисков компрессора. Ремонт компонентов компрессора проводится по техническому состоянию. Камера сгорания турбины SGT-600 с системой сухого подавления вредных выбросов характеризуется простой и надежной конструкцией. В ней используется применяемое в авиационных двигателях конвективно-пленочное охлаждение. Камера сгорания имеет теплозащитное керамическое покрытие. Горелки КС являются ее интегральной частью. Конструкция КС позволяет агрегату работать как на газообразном, так и на жидком топливе. Жидкое топливо поступает в горелку через те же каналы, что и пусковое газообразное топливо при работе турбины на газе. Для снижения уровней выброса вредных веществ к жидкому топливу в качестве эмульсии добавляется вода. Горелка КС имеет коническую форму. Она состоит из двух частей, сдвинутых относительно друг друга для образования щелей, через которые в горелку поступает воздух из-за компрессора. Горелка работает по принципу сжигания обедненной топливной смеси. При запуске турбины и при работе на частичных нагрузках для обеспечения стабильного горения используется так называемое пусковое газообразное топливо. Основное топливо подается в щели горелки через систему перфорационных отверстий. В горелке оно хорошо перемешивается с воздухом, поступающим из-за компрессора, что позволяет при сжигании данной топливовоздушной смеси получить пламя c низкой температурой горения и низким уровнем выбросов NOx. Жидкое топливо подается на вход в горелку – процесс его сжигания аналогичен сжиганию пускового газообразного топлива. Конструкция камеры сгорания и управление КС достаточно простые. Она не содержит движущихся частей, управление процессом подачи топлива осуществляется только с помощью двух регулирующих клапанов пускового и основного газообразного топлива. При работе турбины на частичных режимах функционируют все горелки, в то время как в некоторых других газовых турбинах используется только их часть (потенциальный риск возбуждения колебаний лопаток турбины). В связи с тем, что параметры управления КС не изменяются с течением времени, отсутствует необходимость ее периодической настройки. Все это является преимуществом малоэмиссионной камеры сгорания турбины SGT-600 по сравнению с другими. Уникальным техническим решением, примененным в SGT-600, является система перепуска воздуха в камере сгорания. Она используется для снижения уровня оксида углерода (СО) в выхлопных газах при работе турбины на частичных нагрузках. При открытии перепускных клапанов данной системы количество воздуха, поступающего в КС, уменьшается, в результате чего увеличивается температура пламени и сокращается уровень СО. Применение системы перепуска воздуха позволяет поддерживать постоянную температуру пламени и уровень эмиссии СО в диапазоне нагрузки 70-100 %. В настоящее время в стадии разработки находится камера сгорания DLE третьего поколения (сегодня стандартная конструкция SGT-600 включает КС DLE второго поколения). КС третьего поколения позволит поддерживать еще более низкий уровень СО и NOx на полной и частичной нагрузке работы турбины. Причем, на частичной нагрузке низкий уровень СО и NOx обеспечивается в диапазоне 50-100% номинальной мощности. Стабильность процесса горения и низкий уровень эмиссии на различных нагрузках поддерживаются только двумя параметрами – коэффициентом пускового топлива и количеством перепускаемого воздуха в КС. В результате содержание NOx удерживается на уровне менее 25 ppm (при 15 % О2) при работе на газообразном топливе и менее 42 ppm во время работы на жидком топливе (при наличии впрыска воды). В настоящее время в рамках планового технического обслуживания камеры сгорания предусмотрен ремонт КС, включающий также замену теплозащитного керамического покрытия. Целью дальнейших мероприятий, направленных на усовершенствование ремонта и восстановления камеры сгорания агрегата SGT-600, является снижение стоимости этих работ на 30 %.

Турбина компрессора (ТК) состоит из двух ступеней. Рабочие и сопловые лопатки обеих ступеней имеют защитное (антиоксидантное) покрытие. Для обеспечения высокой эффективности турбины рабочие лопатки обеих ступеней снабжены бандажными аэродинамическими полками. Сопловые лопатки первой ступени, для уменьшения утечек охлаждающего воздуха, объединены в пакеты – по две лопатки в каждом. С целью упрощения сборки и снижения стоимости изготовления замковые соединения лопаток с диском обеих ступеней имеют одинаковую конструкцию и размеры. Для снижения стоимости жизненного цикла турбины в рамках планового технического обслуживания ТК применяются следующие восстановительные работы:

• ремонт рабочих и сопловых лопаток, в том числе с помощью новейшей технологии лазерной сварки; • замена защитного покрытия рабочих и сопловых лопаток;
• ремонт тепловых экранов над рабочими лопатками первой и второй ступени (замена сотовых уплотнений).

Силовая турбина (СТ) – двухступенчатая, свободная. Первоначальная конструкция рабочих лопаток силовой турбины включала демпфирующую проволоку. С целью повышения КПД турбины все лопатки первой и второй ступени были перепроектированы – демпфирующая проволока заменена антивибрационными бандажными полками. Замковые соединения рабочих лопаток с диском в обеих ступенях имеют одинаковую конструкцию и размеры, что упрощает сборку и сокращает расходы на изготовление СТ. Силовая турбина имеет два варианта исполнения – для работы агрегата в умеренном и в жарком климате. Климатические условия определяют выбор угла установки соплового аппарата первой ступени. Сопловые лопатки второй ступени СТ сформированы в пакеты – по четыре лопатки в каждом. Защитное покрытие на лопатках силовой турбины отсутствует. Ротор СТ имеет сварную конструкцию. Для сокращения стоимости его производства была разработана специальная технология электронно-лучевой сварки ротора.