Академик О.Н. Фаворский Газовые турбины в энергетике – задачи и возможности Ст. Петербург Симпозиум «ГЛЭН» 04.VI.2008

ПРИМЕНЕНИЕ ГАЗОТУРБИННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ (ГТД) ТВинтДТРД (Ф)ТРДД (Ф) Комбинированные (с/зв) (летательные аппараты) Авиация Газогенератор Отбор воздуха в ГДЛ Судовые ТВалД Колесный транспорт (ж/дорожн., авто, танки) Газоперекачка ТВалД Электрогенерация Транспорт Энергетика ТВалД (вертолеты)

ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ НК-37 Технические характеристики (стандартные условия, газовое топливо) Мощность, кВт Эффективный коэффициент полезного действия, % 36.4 Частота вращения ротора силовой турбины, об/мин 3000 Степень повышения давления Температура газов перед турбиной, К 1420 Общетехнический ресурс, час 3000 МОДУЛЬ ГАЗОГЕНЕРАТОРА МОДУЛЬ СВОБОДНОЙ ТУРБИНЫ ТРАКТ ВЕНТИЛЯЦИИ И ОХЛАЖДЕНИЯ ГАЗОГЕНЕРАТОР С БАЗОВОГО ДВИГАТЕЛЯ

ТОПЛИВНАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ (КПД цикла) Решающее влияние в преобразовании энергии топлива в механическую энергию на валу теплового двигателя оказывает максимальная температура сгоревших газов Тmax Потери – энергия (Т) отработавших газов Поршневые двигатели Паровые турбины Газовые турбины Парогазовые установки Т˚С КПД % – 47 (36%) 20 – 45 (36%) 40 – 60 (65) (52%) Доля в РФ max ~ 3%~ 94,5%~ 1%~ 1,5%

Охлаждение Материалы Паровые турбины Гражданская авиация Военная авиация Газовые турбины Т г макс, ˚C Годы ЭС

ГАЗОТУРБИННАЯ УСТАНОВКА (ГТУ) Развитие параметров П к Т г, °С , % Усложнение цикла(П к = 5;Т г = 1200°С; = 30%) 1.Регенерация тепла = в теплообменнике (Δвр = 4%) = 44%51%55% 2.+ промохл. + промподогрев ( = 0.8) Исх.+2ПО+1ПП =44% 54% 56% 3.Регенерация тепла паром (пар. охл.; П к = 60 Т г = 1600°С) ~ 65% (Карно = 85%) T g max T g min

T T max T min S N N Макс. КПД, % Топливный элемент + усовершенств. ПГУ70% Усовершенств. ПГУ62 – 64% Простая ПГУ52 – 56% Газовая турбина + топливный элемент54 – 56% Современная газовая турбина42 – 44% Простая газовая турбина32 – 36% Современная усоверш. газовая турбина42 – 44%-48% Простая паровая турбина 30 – 34% РАЗВИТИЕ ЭНЕРГОУСТАНОВОК

ЭФФЕКТИВНОСТЬ «КАСКАДИРОВАНИЯ» ТЕПЛА 8 – 10 5 – ТОПЛИВО ГТУ ПТУ ТО Т С N 1 Электроэнергия N 2 Электроэнергия Q 1 пар высокого давления Q 2 пар низкого давления Q 3 горячая вода Q 4 теплая вода Q отв QтQт Полный (реальный) кпд до 93 – 94% от Q топлива % от Q топлива

ГТД – РЕЗУЛЬТАТ КОМПЛЕКСА ИССЛЕДОВАНИЙ И РАЗРАБОТОК ГазодинамикаТермодинамикаТепломассообмен Материаловедение Прочность Технология проектирования Технология испытаний Горение, экология Технология производства (литье, механообработка, пайка, сварка, прессование, покрытия, термообработка) ГТД

Каналы в стенке лопатки Стержни, образующие каналы в стенке лопатки при литье ОХЛАЖДЕНИЕ РАБОЧЕЙ ЛОПАТКИ ТУРБИНЫ Задачи: Уменьшение расхода воздуха Выравнивание поля температур в лопатке Возможность уменьшения веса 1,645% Т в =400 С Т г =1400 С G в ~ 5% ¯ Давление газа на поверхности и воздуха в каналах Высота лопатки

НЕСТАЦИОНАРНЫЕ ЭФФЕКТЫ ПРИ РОТОР-СТАТОР ВЗАИМОДЕЙСТВИИ

Топливо Воздух Пламя Гетерогенное Гомогенное Каталитическое Проблемы Полнота сгорания, Смешение, Стенки Стабильность фронта Т max ~ 2000 С NO x ~ ppm Сотни уравнений химических реакций с новыми эффектами взаимодействия частиц и неравновестностью процессов по тракту С мг/м ,4 1,6 1,8 2 рациональный режим неустойчивость, виброгорение NO x гомогенное горение, эксперимент 7 атм543 К ГОРЕНИЕ Смеситель Стабилизатор Пламя ~ const Катализатор ¯ Параметры Н u Ккал/кг Т max полнотарасход эффективность сгорания топлива Δp использования w

Формирование газообразных соединений, жидких сульфатных и сажевых аэрозолей в выхлопных струях C n H m + воздух + (H 2 S, COS, CS 2 ) Кинетика горения различных углеводородов: CH 4, C 3 H 8 … i-C 8 H 18, n- C 10 H 22 Кинетика образования ионов: NO +, H 3 O +, NO 3 -, SO 2 -, HSO 4 -, C x H y + и др. Кинетика образования Sсодержащих компонентов : SO 2, SO 3, HSO 3, H 2 SO 4 и др. Кинетика образования Nсодержащих компонентов Механизм Зельдовича N 2 O механизм Механизм Фенимора NNH механизм Механизм образования элементов группы HNO y H 2 O, CO, CO 2, H, O, OH, HO 2, CH, CH 2 O,органика, сажевые предвестники (полииновые и полиароматические молекулы) NO x, HNO y, N x H y, C x H y SO 2, SO 3, H 2 SO 4 NO +, H 3 O + NO 2 -, NO 3 -, SO 3 -, HSO 4 - C x H y +, полиароматические углеводородные и фуллереноподобные ионы КИНЕТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ГОРЕНИЯ УГЛЕВОДОРОДНЫХ ТОПЛИВ В КАМЕРАХ СГОРАНИЯ РЕАКТИВНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ И ЭНЕРГОУСТАНОВОК

Холодный воздух Горячий газ Холодный воздух Горячий газ Металл Покрытие Металл С-С стенки Керамические сегменты Струйная КонвективнаяПленочная С покрытием Микропористая Комбинированная Горячий газ G охл /G Т г ~ 1500 С 0,4 0,3 0,2 0, t ст C струйное пленочное конвективно-пленочное комбинированное и с покрытием СХЕМЫ ОХЛАЖДЕНИЯ СТЕНОК

ОТЕЧЕСТВЕННЫЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ГТУ Показатель Тип ГТУ, изготовитель, год выпуска ГТ ,5, НЛЗ ГТ , НЛЗ ГТ- 35, ХТГЗ ГТ М, НЛЗ ГТ , ЛМЗ ГТ- 12-3, ЛМЗ ГТУ- 50, ХТГЗ ГТ- 45, ХТГЗ ГТ- 100, ЛМЗ ГТ- 150, ЛМЗ Начальная температура газов, °C Мощность ГТУ. МВт:1,723,93110,523,013,643,551, КПД ГТУ, %:18,216,023,524,522,025,027,828,027,130 Расход воздуха, кг/с29,245,922792,018891, Максимальное давление в цикле, 10 5 Па 3,574,926,556,859,1514,616,357,822,313,0

Разработчик, производител ь МодельМодель ГТ/ПТ Производи- тель ГТ/ПТ Год начала серийного производств а ГТ Электри- ческая мощность, МВт КПД, % Номинальная мощность ГТ/ПТ, МВт ОАО ЛМЗ ПГУ-270ГТЭ-180/ К-100 ОАО ЛМЗ/ ОАО ЛМЗ Проект27054,5178/100 ПГУ-450ГТЭ-160/ К-150-«--« ,7150/190 ПГУ-230ГТЭ-150/ К-70-«--«-Проект23051,2150/70 НПО « Сатурн » ПГУ-170 ГТД-110/ ПТУ-60 НПО « Сатурн » / ОАО ЛМЗ ,8110/60 ПГУ-325 ГТД-100 / К-110-6,5 -«-Проект32551,5107,5/110 ОАО « Турбомотор- ный завод » ПГУ-150 ГТЭ-45У / Т-40-7,5 ОАО « Турбомо- торный завод » Проект12550,542/40 ОТЕЧЕСТВЕННЫЕ ПАРОГАЗОВЫЕ УСТАНОВКИ

Цена металлаУдельная трудоемкость Удел. вес Мощность Трудоемкость Неоснащенное производство Оснащение Количество изделий Модульность 1.Вес узлов (краны, фундаменты…) 2.Время простоя в ремонте 3.Качество ремонта - ресурс СТОИМОСТЬ - РАЗМЕРНОСТЬ ГТУ

Главный конструктор и руководитель МНПО Союз (завод 300) Созданы: завершение доводки и сдача в эксплуатацию двигателя Р27-300; газотурбинный двигатель Р95-300, одновальный, двухконтурный, уникальный по весу и экономичности; газотурбинный двигатель Р79-300, двухконтурный с форсажом в поворотном на 110˚ сопле, до сих пор нет аналогов в мире; длительно работающий газодинамический лазер 180 кВт (18 кВт/кг возд.) на основе Р27-300; турбовальный двигатель ТВ-О-100 (720 л.с.); проект ГТУ 25 МВт для Невского завода (изготовлены и испытаны) г.г. Р27В-300 Р79В-300Сопло (Р79В-300)ТВ-0-300Р95-300

ГАЗОТУРБИННАЯ ЭНЕРГОУСТАНОВКА ГТЭ-20/55СТ Введена в эксплуатацию в 2000 – 2001 г.г. Окупилась в 2005 г. ГАЗОТУРБИННАЯ ЭНЕРГОУСТАНОВКА ГТЭ Номинальная/пиковая мощность, МВт - 30/33 Коэффициент полезного действия на номинальном режиме, % - 36 Номинальная/пиковая мощность, МВт - 20 Коэффициент полезного действия на номинальном режиме, % - 33 Производственное объединение «Нафтан» г. Новополоцк, Беларусь

РОССИЙСКИЕ ГТУ МАЛОЙ МОЩНОСТИ ТЭС-75Калуга, ОКБМ ГТЭ-1500Ст. Петербург, Пролет.завод1.221 ГТУ-1500Ст. Петербург, НПО Климова ГТУ-2.5ППермь, Авиадвигатель ГТА-2,5Р/НРыбинск, Сатурн ГТУ-4ППермь, Авиадвигатель ГТУ-6ППермь, Авиадвигатель ГТД-6РМРыбинск, Сатурн6.625 ГТУ-95Уфа, Мотор1031 ГТ-9000Вельск, Эн.авиа937.2 НК-14ЭСамара, НПО Кузнецова1032 ГТУ-16ППермь, Авиадвиг ГТЭ-16Ст. Петербург, Невск. завод НК-1618Самара, НПО Кузнецова1629 ГТЭ-16Екатеринбург, Турбомотор ГТЭ-20/55СтМосква, Энергоавиа ГТУ-20СМосква, Салют НК-37Самара, НПО Кузнецова2536 МаркаГород, фирмаМощность,КПД, МВт % За г.г. введено: в электроэнергетике 226 агрегатов (160 российских) около 1300 мВт АЛ-31СТ НК-37 ГТЭ-1500 НК-14Э ГТУ-2.5П ГТУ-4П ГТУ-16П

Удельная стоимость российских ПГУ и ГТУ-ТЭЦ на газе, дол/кВт УДЕЛЬНАЯ СТОИМОСТЬ РОССИЙСКИХ ПГУ И ГТУ-ТЭЦ на газе Газотурбинная установка11720%16554% Паровая турбина Котел Электрооборудование КИП и автоматика Пароводяной тракт478-- Проект Строительство Финобеспечение В с е г о:584100%420100% ПГУГТУ-ТЭЦ 500 мВт/ВТИ20мВт/55ст ГТУ N МВтСименсV – 94,2143 дол/кВт N – 169,2 МВтGEPG – 92,31154 дол/кВт N – 165 МВтAlstomGT дол/кВт

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ГТУ В ЭНЕРГЕТИКЕ, РАБОТАЮЩЕЙ НА ГАЗЕ Замена 50% ПТ на ПГУ Замена 50% котельных на ГТУ-ТЭЦ ТЭЦКЭСцентрализованныедецентрализованные +13 ГВт+12 ГВт+65 ГВт+22 ГВт 25 ГВт 87 ГВт 112 ГВт – без строительства новых А) тот же газ, но меньше тепла на 20%то же тепло, но больше газа на 22% Б) то же тепло, но больше газа на 13%(вдвое выгоднее, чем новые ТЭС)