Актуальная тригенерация

При повышении температуры атмосферного воздуха мощность газотурбинных установок (ГТУ) снижается. Чем южнее эксплуатируется ГТУ, тем большие ограничения мощности на ней в летний период. Неудивительно, что производители ГТУ широко применяют те или иные системы охлаждения всасываемого воздуха. Чаще всего они основаны на распылении деминерализованной воды во входном конфузоре компрессора низкого давления (КНД). Для турбин мощностью порядка 50 МВт расход деминерализованной воды составляет около 4,5 куб. м/ч. Эффект повышения мощности достигается за счёт испарения впрыскиваемой воды и, как следствие, увеличения на входе в компрессор массового расхода воздуха со 100-процентной относительной влажностью.

Некоторые производители газовых турбин также прибегают к впрыску воды в отсек между КНД и компрессором высокого давления (КВД). Так, в ГТУ GE LM-6000РF (47 МВт) с системой Sprint между КНД и КВД впрыскивается деминерализованная вода в объёме до 2,1 куб. м/ч. Аналогичный методы используют и другие фирмы, выпускающие энергетические ГТУ на основе многовальных авиационных двигателей, например, Rolls-Royce.

Описанный подход имеет следующий ряд недостатков и ограничений:
* требуется дорогостоящее оборудование для подготовки воды;
* безвозвратно теряется дорогая деминерализованная вода;
* эффективность охлаждения ограничена влажностью воздуха (чем она выше, тем меньше снижается температура);
* количество впрыскиваемой воды между КНД и КВД ограничивается пропускной способностью КВД и турбин, причём повышение расхода рабочего тела через КВД может привести к помпажу КНД.

Отметим также, что на практике система управления ГТУ не контролирует влажность воздуха, а потому объём впрыскиваемой воды не ограничивается величиной, необходимой для достижения 100-процентной влажности. Из-за этого в первых ступенях КНД нередко присутствует капельная влага, откуда эрозия металла лопаток, снижение их ресурса и повышенные расходы на обслуживание и ремонт ГТУ.

Не мытьём

Альтернативный способ охлаждения воздуха на входе в компрессор ГТУ – размещение дополнительных установок в комплексном воздухоочистительном устройстве (КВОУ). Здесь можно выделить три основных варианта:
* установка испарительного охладителя (из специального пористого материала), орошаемого водой. Эффект охлаждения достигается за счёт испарения воды в потоке циклового воздуха;
* мелкодисперсное распыление воды, как правило, в «чистой» зоне КВОУ, т. е. за фильтрами по ходу воздуха;
* установка водо-воздушного теплообменника (чиллера), по трубкам которого циркулирует хладагент, а через межтрубное пространство проходит воздух.

У каждого из названных методов есть свои достоинства и недостатки. Для наилучшего охлаждения воздуха и, как следствие, максимального увеличения мощности ГТУ предпочтительно применение чиллера. Особенно перспективно использование абсорбционных бромисто-литиевых холодильных машин (АБХМ), которые позволяют существенно снизить затраты на получение хладагента. В отличие от парокомпрессионных холодильных машин, потребляющих дорогую электроэнергию, АБХМ позволяют получать холод за счёт энергии сбросного тепла (которое на электростанциях всегда в избытке).

Проект для ПГУ-110

В 2010 г. ОАО «ЛУКОЙЛ» с помощью специалистов ООО «Р-Инжиниринг» исследовало перспективы применения АБХМ на своих ТЭЦ на Юге России. В частности, был рассмотрен вариант применения АБХМ для охлаждения всасываемого воздуха на ГТУ типа LM-6000PF с целью снижения ограничений мощности на ПГУ-110 ООО «ЛУКОЙЛ-Астраханьэнерго» в летний период.

ПГУ-110 ООО «ЛУКОЙЛ-Астраханьэнерго»

Отметим, что проблема ограничений электрической мощности особенно остра для владельцев новых электростанций, построенных по договорам о предоставлении мощности. Она вдвойне актуальна в случае, если ГТУ построены на базе авиатурбин (т. н. аэродеривационных), у которых с увеличением температуры наружного воздуха мощность снижается особенно резко. Например, уже при +30 градусов Цельсия она может упасть на 30% от номинальной. Между тем ПГУ-110 ООО «ЛУКОЙЛ-Астраханьэнерго» – как раз объект ДПМ, расположенный в одном из самых жарких регионов России и включающий аэродеривационные турбины GE LM6000PF.

На этапе предварительной проработки проекта было определено, что оптимальный источник тепла для АБХМ – это поток химически очищенной воды с температурой до 95 градусов Цельсия, которая нагревается конденсатом из замкнутого контура газового водяного подогревателя (ГВП) котла-утилизатора. При этом используется бросовое тепло уходящих газов.

В рамках исследования была разработана схема присоединения всех трёх контуров АБХМ – теплоносителя, хладагента и охладителя – к станционным коммуникациям. Схема была запатентована ОАО «ЛУКОЙЛ».

Для выбора оптимального режима охлаждения воздуха в ПГУ-110 было исследовано несколько расчётных схем для АБХМ с холодильной мощностью от 2000 до 7730 кВт. Выяснилось, что наибольший экономический эффект для климатических условий Астрахани даёт одновременное применение системы Sprint и АБХМ мощностью 3800 кВт. Такой вариант обеспечивает оптимальное соотношение дополнительного дохода от продажи электроэнергии и капитальных затрат по проекту. При расчёте воздухоохладителя было учтено, что часть холода, подводимого к потоку циклового воздуха, будет тратиться на конденсацию содержащихся в нём водяных паров.

Зависимость мощности ГТУ LM-6000PF и АБХМ
от температуры наружного воздуха

На графике представлены номинальные нагрузочные характеристики ГТУ LM-6000PF с системой Sprint (бордовая линия) и без неё (чёрная) при влажности 60%. Итоговая характеристика, которая ожидается при применении АБХМ мощностью 3,8 МВт одновременно с системой Sprint начиная с 14 градусов Цельсия, показана красным цветом. Холодильная мощность АБХМ (правая вертикальная ось) изображена синей линией.

В комплексе

В ходе проработки проекта также был выявлен потенциал повышения эффективности работы ПГУ-110 путём замены недостаточно качественной для условий Астрахани штатной системы фильтрации воздуха на более совершенную, оснащённую динамическими самоочищающимися фильтрами. В связи с этим была предложена комплексная реконструкция КВОУ в рамках единого проекта.

Модернизированные КВОУ на ПГУ-110
ООО «ЛУКОЙЛ-Астраханьэнерго»

Таким образом, для ГТУ был выбран оптимальный проектный режим, который обеспечивает поддержание её максимальной мощности (49 МВт) при температурах наружного воздуха 14–25 градусов Цельсия. В случае более высоких температур, вплоть до +40 градусов Цельсия, мощность хоть и снижается, но остаётся на 5 МВт выше, чем при использовании только штатной системы Sprint.

Проект по модернизации КВОУ для ПГУ-110 ООО «ЛУКОЙЛ-Астраханьэнерго» ведёт ООО «ЛУКОЙЛ-Энергоинжиниринг». На момент подготовки статьи к печати модернизированное КВОУ на ПГУ-110 находится в эксплуатации (см. фото сверху), обеспечена строительно-монтажная готовность системы охлаждения воздуха, включая АБХМ и необходимые коммуникации (фото снизу). Завершаются работы по благоустройству и подготовке к пусконаладочным работам. Авторы проекта ожидают от него следующих основных результатов:
* сокращение потерь генерирующей компании на рынках мощности и электроэнергии в период повышенных температур наружного воздуха (выше 10–15 градусов Цельсия);
* экономия на подготовке деминерализованной воды для системы Sprint за счёт её замещения конденсатом, собираемым за воздухоохладителем КВОУ;
* снижение эксплуатационных расходов на обслуживание системы фильтрации.

АБХМ готовы к работе в составе ПГУ-110

Необходимо отметить, что в нашем случае экономический эффект образуется в основном благодаря охлаждению циклового воздуха компрессора ГТУ. Это значит, что для аналогичных проектов на ТЭЦ, где не требуется заменять системы фильтрации воздуха, расчётные показатели эффективности будут выше за счёт снижения затрат на их реализацию (по оценкам авторов, не менее чем в 1,5–2 раза).

* * *

В заключение отметим, что опыт комплексной модернизации КВОУ путём его оснащения системами охлаждения и динамической фильтрации воздуха уникален для России. «Энерговектор» расскажет читателям о его практических результатах, как только они станут доступны. По результатам наладки и эксплуатации модернизированного КВОУ будут подготовлены рекомендации по внедрению подобных систем на строящихся и уже эксплуатируемых ПГУ по всей территории РФ, где имеются ограничения мощности в летний период.

Эта статья изначально была опубликована в газете «Энерговектор», № 3/2015, которую вы сможете прочесть здесь.