Development of gas-turbine technologies in Russia

Full Text

Газотурбинные энергетические технологии – одна из важнейших составляющих современной и перспективной энергетики. Это определяется ролью, которую играет газ в топливно-энергетическом балансе индустриально развитых стран. В топливном балансе России доля газа составляет примерно 50 %, США и Европы – более 40 % и 20 % соответственно. Таким образом, внедрение в энергетику установок, основанных на применении парогазового цикла, уже сегодня обещает большие выгоды [1 – 8]. И актуальность этого направления будет возрастать, так как к 2070 г. доля газа в мировом топливном балансе достигнет примерно 30 % при одновременном росте новых генерирующих мощностей. Если в 1965 г. общая мощность газовой генерации в мире составляла 0,11 ТВт, а в 2015 г. – около 1,29 ТВт, то к 2035 и 2070 годам она достигнет 2,49 и 4,38 ТВт соответственно, то есть рынок газотурбинных энергетических технологий станет одним из самых быстрорастущих в мировом энергомашинострое­нии (рис.)[1 – 5].

Доля газа в мировом топливном энергетическом балансе

Газовая энергетическая турбина ГТЭ-65 ПАО "Си- ловые машины"

Россия обладает опытом создания и применения газовых турбин большой мощности. В 1960 – 1970-е годы на Ленинградском металлическом заводе разработали и внедрили рекордную по мощности (100 МВт) газовую турбину ГТ-100. В последние десятилетия отечественные энергомашиностроители освоили производство лицензионных газовых турбин Е-класса мощностью 160 МВт, разработали и испытали в условиях станции газовую турбину ГТ-65, предложили проекты турбин мощностью 180 МВт (ЛМЗ – ОАО "Авиадвигатель") и 170, 300 МВт (ПАО "Силовые машины") [9 – 13].

В конце 2000-х годов в нашей стране развернулась масштабная работа по реконструкции действующих и строительству новых энергоблоков, которая осуществлялась по договорам о поставке мощности (ДПМ). В результате теперь 12 % электроэнергии России вырабатывается на станциях, где установлены зарубежные газовые турбины большой мощности и парогазовые установки на их основе, что создаёт существенные риски для энергобезопасности страны. Эта проблема обостряется на фоне санкционной и запретительной политики западных стран, которая проявилась при поставках газовых турбин в Крым.

Ещё одна угроза надёжному функционированию энергетической сферы страны – технологическая монополизация рынка мощных (более 300 МВт) газовых турбин. Разработчиками и производителями таких установок являются только три компании – General Electric (США), частью которой стала Alstom, Siemens (Германия) и Mitsubishi Heavy Industries (Япония) [14 – 16].

Газотурбинным технологиям отводится особая роль в развитии перспективной энергетики. В течение ближайших десятилетий будет осуществляться переход от моноцелевых монотопливных электростанций к многоцелевым многотопливным энергохимическим комплексам, ключевым элементом которых станут газовые энергетические турбины большой мощности с высоким уровнем температуры на входе. В этих условиях отечественное энергомашиностроение должно располагать газовыми турбинами и парогазовыми установками, способными обеспечивать энергоэффективность и энергобезопасность российской энергетики и конкурировать на мировом энергетическом рынке.

По совокупности решений, объединённых в систему, газовые турбины – один из самых сложных технических объектов, созданных человечеством, тем не менее есть резервы для их совершенствования. За последние 50 лет в области газотурбостроения произошли существенные перемены. Единичная мощность турбоагрегатов выросла со 100 до 500 МВт, коэффициент полезного действия парогазовых установок на их базе достиг 62 %. Классы газотурбинных энерготехнологий и температуры на входе в газовую турбину и выхлопе из неё представлены в таб­лице. Для J-класса температура на входе может достигать 1700°С. Поскольку входной барьер в газотурбинные технологии достаточно высокий, необходимы крупные инвестиции в опытно-конструкторские работы на этапе разработки оригинального продукта, школа проектирования, конструкторский задел, современная технологическая база и сервисная служба.

Вопрос о развитии отечественных газотурбинных технологий Российская академия наук ставила неоднократно. В 2014 г. академик РАН В. Е. Фортов, министр энергетики РФ А. В. Новак и министр промышленности и торговли РФ Д. В. Мантуров направили Президенту РФ В. В. Путину обращение на эту тему и получили от него поддержку. Ряд обращений по этому поводу подготовил и направил в Правительство РФ и ведомства академик РАН О. Н. Фаворский. Соответствующие рекомендации выработала Комиссия по газовым турбинам РАН, которую возглавляет член-корреспондент РАН Г. Г. Ольховский. Недавно по теме газовых энергетических турбин высказался Совет РАН по приоритетному направлению научно-технологического развития РФ "Переход к экологически чистой энергетике, повышение эффективности добычи и глубокой переработки углеводородного сырья, формирование новых источников, способов транспортировки и хранения энергии" под председательством академика РАН В. Е. Фортова. В Академии наук разработаны предложения по модернизации тепловой энергетики страны, в том числе касающиеся применения газотурбинной надстройки с паротурбинным блоком повышенной эффективности тепловой электростанции (патент на изобретение № 2269009 академика РАН О. Н. Фаворского, члена-корреспондента РАН Ю. К. Петрени и др.).

Классы газотурбинных энерготехнологий

Учитывая высокую актуальность создания мощных энергетических газовых турбин и их важность для безопасности и экономики страны, необходимо сформировать и реализовать комплексную научно-техническую инвестиционную программу (национальный проект) по разработке и освоению отечественных газотурбинных энергетических технологий. Она должна опираться на передовые фундаментальные исследования и прикладные работы, что позволит в сжатые сроки выйти на мировой уровень газотурбинных энергетических технологий. Фундаментальные исследования необходимо сосредоточить в первую очередь на получении новых знаний в области аэродинамики различных узлов газовой турбины. Это даст возможность полно описать аэродинамические условия в компрессоре, камере сгорания и турбине, в системах охлаждения на базе верифицированных кодов и программных комплексов. Другое направление фундаментальных исследований касается изучения физико-химических и теплофизических процессов в камерах сгорания, в том числе при использовании низкокалорийного синтез-газа с добавлением водорода и применении мембранных технологий. Создание газовых турбин нового поколения, способных работать при температуре 1700 °С, требует разработки перспективных материалов, включая керамические, и функциональных покрытий для элементов горячего тракта, а также использования аддитивных технологий [17 – 18]. Для уменьшения финансовых и временны́х затрат необходимо развивать методы решения связанных (мультидисциплинарных) задач и сквозного суперкомпьютерного проек­тирования, что обеспечит испытание и доводку газовой турбины большой мощности в виртуальном пространстве. Фундаментальные исследования по этим и другим направлениям могут быть выполнены силами академической и вузовской науки.

Поузловые научно-исследовательские, опытно-конструкторские работы и стендовые испытания диктуют необходимость участия в программе отраслевой науки и высокотехнологичных компаний, бизнес которых сосредоточен в сфере энергомашино- и авиадвигателестроения. Надёжность эксплуатации мощных газовых турбин должна обеспечиваться системой автоматического управления, мониторинга и диагностики, построенной на базе динамических математических моделей, специальных алгоритмов и компьютерных технологий. При изготовлении деталей и заготовок газовых турбин (лопаток, дисков, ротора и т. п.) следует опираться на перспективные металлургические технологии, разрабатываемые высокотехнологичными компаниями в кооперации с академической, вузовской и отраслевой наукой. Широкое сотрудничество научных, производственных и эксплуатирующих организаций требуется также при решении проблем, связанных с эксплуатацией, сервисом и восстановительным ремонтом перспективных газовых турбин.

Перечислим основные этапы освоения отечественных газотурбинных энерготехнологий:

• 1-й этап (2022 – 2023 гг.) – восстановление компетенций в изготовлении газовых турбин Е-класса, включая разработку и серийное производство отечественных газовых турбин средней и большой мощности для обеспечения новой модели энергетического рынка, предусматриваю­щего так называемый механизм ДПМ-штрих, который придёт на смену договору о предоставлении мощности (ДПМ);

• 2-й этап (2018 – 2028 гг.) – разработка и освое­ние газовых турбин F/H-класса;

• 3-й этап (2018 – 2033 гг.) – разработка и освое­ние газовых турбин J-класса.

Финансирование 1-го этапа национального проекта может осуществляться за счёт бюджетных средств и средств ПАО "Силовые машины".

Комплексная научно-технологическая инвес­тиционная программа (национальный проект) по разработке перспективных газовых турбин отвечает интересам Российской Федерации и необходима для повышения конкурентоспособности и экспортного потенциала отечественной промышленности, решения текущих и перспективных задач энергетики XXI века. Мультидисциплинарный проект, имеющий основополагающее значение для экономики и энергобезопасности страны, требует бюджетных инвестиций и поддержки Правительства РФ, профильных министерств, индустриальных партнёров. Координацию работ по его реализации и кооперацию академической, отраслевой и вузовской науки с промышленностью следует осуществлять под научно-методическим руководством Отделения энергетики, машиностроения, механики и процессов управления РАН.

About the authors

Yu. K. Petrenya

Author for correspondence.
Email: petrenya_yk@power-m.ru

Corresponding member of RAS, Deputy CEO - Technical director

References

Supplementary files