Российские газотурбинные установки промышленного назначения отвечают на новые вызовы времени

25.11.21 12:35

Для сохранения устойчивого спроса разработчикам перспективных ГТУ необходимо обеспечить снижение расхода топлива оборудования на 6-10%, его соответствие эмиссионным законодательствам, значительное уменьшение затрат заказчика на эксплуатацию и ремонт.

В последнее десятилетие на мировом рынке газотурбинных установок (ГТУ) разыгрался системный дефляционный кризис, определенный движением против эмиссии углеводородов (CO и CO₂) и оксидов азота (NOx), падением цен из-за дерегулирования оптовых цен и стагнации спроса на электроэнергию в США и Европе, снижением стоимости нефти и газа в связи с появлением новых способов их добычи. Требования заказчиков газотурбинного оборудования становятся все жестче: доступная стоимость жизненного цикла оборудования и его соответствие экологическим нормам, применение водородсодержащего топлива, надежность эксплуатации и совместимость с возобновляемыми источниками электроэнергии (ВИЭ).

За последние восемь лет глобальный спрос на промышленные газовые турбины существенно сократился.

В этих условиях эффективность применения ГТУ для транспорта газа и выработки электроэнергии может быть обеспечена только за счет существенного повышения КПД и надежности двигателей, снижения эксплуатационных расходов, обеспечения технологии малоэмиссионного сжигания топлива и предложения технологии сжигания водородсодержащего топлива (до 100% водорода). В ближайшие пятьвосемь лет эти требования могут стать стандартом для поставки оборудования на большинство вновь возводимых объектов. Не случайно в последние пять лет наблюдается существенное снижение инвестиций в газовые турбины, что свидетельствует о технологическом насыщении рынка промышленного газотурбостроения.

Сегодня на российском рынке транспорта газа и выработки электроэнергии представлены газовые турбины, созданные на базе технологий конца прошлого века. Несмотря на высокий спрос на современные промышленные газотурбинные двигатели, в данный момент потенциал их продаж ограничен 2030–2035 годами. В последующие годы в Европе не исключен переход на стратегию «зеленой энергетики» – максимальной интеграции ВИЭ, что, несомненно, окажет дополнительное давление на эффективность применения ГТУ и цену топливного газа.

Для сохранения устойчивого спроса разработчикам перспективных ГТУ необходимо обеспечить снижение расхода топлива оборудования на 6–10%, его соответствие эмиссионным законодательствам, значительное уменьшение затрат заказчика на эксплуатацию и ремонт. Именно таким набором характеристик будут обладать промышленные ГТУ, которые сегодня создаются в Перми на базе газогенератора новейшего отечественного авиадвигателя ПД-14. Газотурбинные установки номинальной мощностью 6–8 МВт формируются по схеме «газогенератор ПД-14 + свободная силовая турбина». Для создания ГТУ в классе мощности от 12 до 16 МВт (ГТУ-12ПД, ГТУ-16ПД) газогенератор ПД-14 надстраивается каскадом низкого давления. Для обеспечения эмиссии NOх≤25 ppm и СOх≤50 ppm в газотурбинных двигателях ПД-12ГП-1 и ПД-12ГП-2 применена малоэмиссионная камера сгорания, проходящая в настоящее время приемосдаточные испытания в составе двигателя ПС-90ГП-25.

Создание нового, технологически сложного продукта всегда пересекается с вопросом обеспечения его надежности. Система выявления и устранения неисправностей как в эксплуатации, так и при производстве новых двигателей уже отлажена специалистами предприятий научнопроизводственного комплекса «Пермские моторы» – «ОДК-Авиадвигатель» и «ОДК-ПМ» – при поставках ГТУ на базе двигателя ПС-90А.

Система включает в себя:

мониторинг отказов в эксплуатации;
учет наработки двигателей на ключевые показатели (на отправку в ремонт, на аварийный останов, на устранение дефектов в эксплуатации);
контроль технического состояния двигателей;
контроль внедрения мероприятий в производство.
Необходимо отметить, что опыт специалистов предприятий НПК «Пермские моторы» в области совершенствования промышленных двигателей ПС-90ГП-1/-2/-3 за последние четверть века позволил увеличить их наработку и надежность на объектах заказчиков более чем в пять раз. Это существенно повысило рейтинг применения пермских газовых турбин промышленного назначения.

Модификация авиадвигателя ПД-14, созданная в интересах предприятий топливноэнергетического комплекса России, – это принципиально новый подход к эксплуатации двигателей промышленного назначения.

Теперь заказчику не надо заниматься определением индивидуальных особенностей изделия в эксплуатации: каждый двигатель имеет цифровой двойник, созданный при изготовлении и содержащий всю его историю. Заказ запчастей предполагается осуществлять через электронный каталог в формате портальных решений, как уже сейчас это реализовано в автомобильной промышленности. Полное трехмерное представление изделия позволяет создать интерактивное индивидуальное руководство для заказчика в VR-представлении, чтобы исключить «человеческий фактор» при работе с оборудованием.

Интеграция ГТУ в современную промышленную инфраструктуру – базовое требование мирового рынка к низкому содержанию вредных выбросов в продуктах сгорания: NOx – не более 25 ppm, CO – не более 50 ppm. Для его реализации разработчики газотурбинного оборудования промышленного назначения обязаны предлагать заказчику не одну, а несколько технологий обеспечения подавления вредных выбросов. В настоящее время наиболее распространенными являются технологии подавления эмиссии вредных веществ за счет впрыска пара, нейтрализации в каталитических устройствах и сухого сжигания топлива (Dry Low Emission/DLE). Самой перспективной на сегодняшний день является технология работы газотурбинных двигателей на водородсодержащем (до 100%) топливе. С 2013 года специалисты «ОДК-Авиадвигатель» вели разработку собственной технологии сухого сжигания топлива, и в 2021 году она была внедрена в эксплуатацию на ГТУ единичной мощностью 16 МВт, наиболее массово применяющихся на объектах ТЭК РФ. Своевременное выполнение требований заказчиков газовых турбин промышленного назначения пермскими двигателестроителями вывело продукцию предприятий ОДК в один ряд с мировыми производителями аналогичного оборудования.

( пример 3D-руководства монтажа двигателя)

Таким образом, за последние два десятилетия в практике современного отечественного промышленного газотурбостроения пермским КБ успешно освоен ряд перспективных ключевых технологий, которые станут востребованными в ближайшие 15–20 лет. Несомненно, все они будут внедрены в серийное производство новейших газотурбинных установок ПД-14ГП-1/-2.

Автор: Максим СНИТКО

Заместитель генерального конструктора–главный конструктор приводных ГТУ для ГПА

и объектов их применения АО «ОДК-Авиадвигатель», директор программы ГТУ для ГПА АО «ОДК-ПМ»