Как устроена газовая турбина LMS 100 PB

Газовая турбина для ТЭС – это двигатель внутреннего сгорания, конструктивно схожий с турбореактивными двигателями, применяемыми в авиации, а также с газотурбинными двигателями танков, локомотивов и судов. При простоте общего принципа работы, газовая турбина остается сложнейшим наукоемким продуктом. Современные технологии ведут к повышению КПД агрегата, то есть к его экономической эффективности, а также к снижению уровня вредных выбросов.
100-мегаваттная турбина LMS PB производства GE – две такие турбины работают с 2013 г. на Джубгинской ТЭС в Краснодарском крае – имеет весьма «продвинутую» конструкцию, о которой интересно рассказать.



Для горения нужны топливо и окислитель. В качестве топлива в турбине могут использоваться разные горючие материалы, чаще всего - природный газ, а в качестве окислителя – атмосферный кислород. Для максимально эффективного сжигания топлива в камере сгорания окислителя нужно учесть много факторов: требуется не просто подача воздуха, а мощный наддув, накачка воздуха под высоким давлением.  С этой задачей справляются компрессоры – в турбине они состоят из статора, дискообразного ротора и крепящихся к ротору лопаток.

Компрессор низкого давления представляет собой отдельный агрегат. Через комплекс воздухоочистки в него попадает воздух, который сжимается до 4,17 атм. Как известно, сжатый воздух очень горяч (с помощью сжатия газо-воздушной смеси инициируется горение в дизельном двигателе), и если его подавать в компрессор высокого давления, где произойдет дальнейшее сжатие, возникнут температуры, выдержать которые находящиеся в коммерческом доступе материалы не способны. Чтобы избежать перегрева, после компрессора низкого давления сжатый воздух направляется в интеркулер. Задача этого устройства – охладить воздух без потери давления. С помощью улиткообразной конструкции под названием «скролл» поток сжатого воздуха закручивается и отправляется к кассете охлаждения. По сути – это нечто вроде обычного холодильника, в качестве хладагента в котором используется смесь пропиленгликоля и воды. На фазе расширения хладагент поглощает тепло из сжатого воздуха, а затем на фазе сжатия во вторичном контуре охлаждения тепло выделяется из хладагента и отводится с помощью обдува теплообменных агрегатов 19-ю мощными вентиляторами. Процесс охлаждения, таким образом, позволяет продолжить сжатие воздуха без перегрева агрегата и иметь на входе в камеру сгорания постоянную температуру. Далее воздух направляется в компрессор высокого давления, который вращается со скоростью порядка 10000 об/мин и в итоге сжимает воздух до 40 атм.

Тут в описании конструкции турбины можно сделать паузу, и вспомнить, а в чем заключается негативное воздействие газотурбинных агрегатов на экологию. Газ считается достаточно чистым топливом – при его полном сгорании образуются лишь углекислый газ и водяной пар. Однако в воздухе в изобилии (78% объема) присутствует азот. При высоких температурах – таких, какие существуют в камере сгорания газовой турбины или турбореактивного авиадвигателя - азот начинает образовывать оксиды. Эти соединения азота с кислородом весьма вредны для дыхательной системы человека. Что делать? Образование вредных окислов необходимо подавлять путем снижения температуры горения. Традиционно это делалось (и делается поныне) с помощью систем охлаждения на основе водяного пара. В турбине LMS 100 PB применяется иная, более  прогрессивная технология сухого подавления окислов (DLE 2.0 – Dry Low Emission). Суть ее заключается в том, что сжатый воздух и топливо подаются в камеру сгорания через систему премиксеров – эти устройства позволяют закрутить поток газо-воздушной смеси правильным образом и, регулируя степень насыщенности газо-воздушной смеси методами и алгоритмами высокоточной автоматизированной системы управления, настроить горение с температурами, при которых образование вредных веществ минимизируется (820-850 градусов). Так достигаются высокие экологические параметры агрегата.



За камерой сгорания расположена турбина высокого давления. Расширяющиеся при горении газы раскручивают ее, а заодно и компрессор высокого давления, который находится с турбиной на одном валу. В ГТУ применена трехвальная конструкция – это значит, что валы турбины высокого давления, турбины промежуточного давления и силовой турбины  механически не соединены. Сделано это потому, что устройства, которые приводятся в движение разными турбинами, требуют разных скоростей вращения. Пройдя сквозь турбину высокого давления, горячие газы попадают на турбину промежуточного давления. В этой части агрегата более «просторно» -  из-за расширения газы потеряют часть энергии, и турбина промежуточного давления (она является приводом для компрессора низкого давления) уже будет иметь меньшие обороты. Третья и последняя турбина (силовая), которую газы из камеры сгорания встретят на своем пути, будет вращаться уже со скоростью 3000 об/мин. Это в три с лишним раза меньше, чем скорость турбины высокого давления, но именно столько, сколько нужно, чтобы раскрутить вал электрогенератора ТЭС, поддерживая промышленно принятую частоту тока в сети в 50 Гц.