Опыт эксплуатации газотурбинных установок японского концерна Kawasaki Heavy Industries, Ltd

Автор: А.В. Максимов, И.Е. Васютин (АО «ДВЭУК»).

Опубликовано в журнале Химическая техника №1/2018

Акционерным обществом «Дальневосточная энергетическая управляющая компания» (АО «ДВЭУК») в рамках реализации Федеральной целевой программы «Экономическое и социальное развитие Дальнего Востока и Забайкалья на период до 2013 года» закончен капитальным строительством и введен в эксплуатацию энергетический кластер на о. Русский, г. Владивосток, включающий три высокотехнологичные малые теплоэлектроцентрали (мини-ТЭЦ):

• мини-ТЭЦ «Северная», установленная мощность: электрическая 3,6 МВт, тепловая – 10,836 Гкал/ч;
• мини-ТЭЦ «Центральная», установленная мощность: электрическая 33 МВт, тепловая –123,3 Гкал/ч;
• мини-ТЭЦ «Океанариум», установленная мощность: электрическая 13,2 МВт, тепловая – 29,54 Гкал/ч.

Ключевой особенностью вышеуказанных мини-ТЭЦ является наличие в парковом составе основного оборудования генерирующих установок иностранного производства – газотурбинных установок (ГТУ) японского концерна Kawasaki Heavy Industries, Ltd и ГТУ голландской компании OPRA Turbines.

Требования к установленным электрическим и тепловым мощностям источников генерации определены проектными решениями на основании заявок потребителей на выдачу технических условий по подключению к электрои теплосетям. Источники генерации предусмотрены для обеспечения энергоснабжения объектов федерального значения, возведенных к проведению в сентябре 2012 г., – саммита Азиатско-Тихоокеанского экономического сотрудничества и иных объектов, вводимых в эксплуатацию в рамках развития инфраструктуры о. Русский.

Режимы производства электрической и тепловой энергии

Существующий энергетический кластер осуществляет теплоснабжение ряда объектов:

• от мини-ТЭЦ «Центральная» – кампуса Дальневосточного федерального университета, участка полиции №9, филиала пожарно-спасательной академии и автономной системы резервного водоснабжения с использованием опреснительных установок КГУП «Приморский водоканал», с общей договорной нагрузкой 93,122 Гкал/ч.;
• от мини-ТЭЦ «Океанариум» – научно-образовательного комплекса «Приморский океанариум», с договорной нагрузкой потребителя – 18,16 Гкал/ч., и резервной нагрузкой как для потребителя по первой категории надежности – 11,18 Гкал/ч.

В связи с отсутствием потребителей и в ожидании развития инфраструктуры о. Русский основное и вспомогательное оборудование мини-ТЭЦ «Северная» выведено из эксплуатации (переведено в режим консервации). Во время отопительных периодов мини-ТЭЦ «Центральная» через присоединенную магистральную тепловую сеть осуществляет теплоснабжение мини- ТЭЦ «Северная» для обеспечения собственных нужд (подогрев баков дизельного топлива базового склада для поддержания нормативного состояния аварийного запаса топлива и иных нужд).

Отпуск электрической энергии от источников генерации производится на розничном рынке электрической энергии (мощности) в рамках договора купли-продажи с гарантирующим поставщиком на территории Приморского края – ПАО «ДЭК».

Фактический состав генерирующих установок в разрезе объектов генерации приведен в табл. 1.

Таблица 1

Основным режимом работы данных мини-ТЭЦ является комбинированная выработка электрической и тепловой энергии (режим когенерации) на базе ГТУ с использованием теплоты уходящих газов в котлах-утилизаторах для подогрева сетевой воды на нужды теплоснабжения присоединенных к магистральной тепловой сети потребителей. Турбина (рис. 1) приводится в действие за счет энергии, производимой в результате сгорания газа. Данная турбина имеет четыре ступени (четыре комплекта турбинных сопл и лопаток). В связи с высокой температурой продуктов горения установлены сопла и лопатки первых ступеней воздушного типа, охлаждаемые отбираемым от компрессора воздухом, а также используются специальный металл с сопротивлением высокой температуре и покрытие, создающее термический барьер.

Турбинные диски соединены в осевом направлении распорными болтами. Горизонтальная разъемная крышка корпуса турбины облегчает выполнение работ по техническому обслуживанию.

С целью обеспечения работы установки на режимах запуска, набора мощности и номинального и максимального режимах работы при всех климатических условиях необходима подача природного газа под давлением 2,1 МПа. На источниках генерации мини-ТЭЦ «Центральная» и мини-ТЭЦ «Океанариум» установлены дожимные компрессорные станции типа VWFD-5.1/8-23 производства КНР (соответственно шесть и три), которыми природный газ компримируется от 1,2 до 2,1 МПа и подается на газотурбинные установки.

Система утилизации теплоты уходящих газов выполнена на базе котла-утилизатора типа ROSINK ECO-SPI-5,5 сингапурской компании EUROASIATIC (рис. 2). Отработавший газ от газовой турбины подводится к котлу-утилизатору посредством байпасной (обходной) системы выхлопных газов. Такая система состоит из байпасного (обходного) канала с заслонкой, что может обеспечивать подачу отработавших газов к байпасному пучку труб посредством глушителя отработавших газов. Байпасный пучок установлен на стальной опорной конструкции, а глушитель подвешен под ней. Впускной и выпускной каналы байпасной заслонки снабжены компенсаторами теплового расширения.

В ГТУ типа Kawasaki GPB 70D коэффициент использования теплоты (КИТ) топлива достигает 85 % и более при условии достижения максимальной загрузки котла утилизатора и номинальной мощности ГТУ.

Основным недостатком применения ГТУ данного типа является возможность достижения максимально возможного КИТ только при максимальной тепловой нагрузке.

Если теплопотребление присоединенными потребителями не осуществляется или осуществляется в не полном объеме, то либо ГТУ должна работать с выбросом теплоты уходящих газов в атмосферу, либо ГТУ необходимо останавливать и покрывать существующую электрическую нагрузку за счет перетока от энергосистемы, что невозможно при необходимости соблюдения плановых показателей выработки и отпуска электрической энергии.

Максимальная электрическая мощность ГТУ зависит от температуры наружного воздуха. График зависимости мощности от температуры окружающего воздуха приведен на рис. 3.

Текущее эксплуатационное состояние ГТУ

В основном режиме ГТУ осуществляют выработку и отпуск электрической энергии с апреля 2015 г. Эквивалентное число часов наработки в разрезе генерирующих установок на конец ноября 2017 г. приведено в табл. 2.

Таблица 2

Заводом-изготовителем установлена периодичность инспекций и выполнения различных видов технического обслуживания и ремонтов в зависимости от эквивалентного числа часов наработки газотурбинной установки.

Уровень инспекции от наработки эквивалентного числа часов зависит также от типа установленных на первой ступени турбины лопаток RENE 80 (рис. 4) или ММ247 (рис. 5).

Средняя стоимость обслуживания эквивалентного часа наработки газотурбинной установки во всем производственном цикле концерном Kawasaki Heavy Industries, Ltd установлена в размере 8219 йен (~4191 руб. по курсу ЦБ РФ на 30.11.2017).

Режимно-балансовая ситуация. Существующие проблемы

Проектными решениями предусмотрена круглогодичная загрузка имеющихся газотурбинных установок с обеспечением необходимого резервирования и покрытие пиковых тепловых нагрузок в период прохождения зимнего максимума пиковыми водогрейными котлами.

Режимы работы источников генерации необходимо задавать, исходя из загрузки газотурбинных установок в максимально возможном когенерационном режиме, для эффективного комбинированного производства электрической и тепловой энергии и покрытия пиковых тепловых нагрузок в период прохождения зимнего максимума пиковыми водогрейными котлами. Базовым показателем для планирования режимов работы генерирующих установок является режим теплопотребления потребителей.

Выработка и отпуск электрической энергии от источников генерации производится в рамках объемов, установленных регулирующим органом в сводном прогнозном балансе производства и поставок электрической энергии по субъектам Российской Федерации на соответствующий период. При необходимости ГТУ вводятся в работу в соответствии с командами филиала АО «СО ЕЭС» Приморское РДУ.

Существующий режим теплопотребления (табл. 3) не позволяет эффективно производить загрузку генерирующих установок, что приводит к росту себестоимости производимых ресурсов.

Таблица 3

Коэффициент использования установленной тепловой мощности по мини-ТЭЦ «Центральная» по итогам 2016 г. составил 14%, по мини-ТЭЦ «Океанариум» – 6%.

Установленные генерирующие мощности пиковых водогрейных котлов в полном объеме позволяют покрыть тепловую нагрузку существующих потребителей.

Текущий режим теплопотребления обеспечивает полный объем когенерационной выработки с максимально достижимым КИТ только тремя ГТУ на мини-ТЭЦ «Центральная» в период прохождения отопительных периодов (с ноября по март), при этом существует риск получения низкого КИТ в условиях недозагрузки утилизационных теплообменников.

Комбинированная выработка и отпуск электрической энергии от мини-ТЭЦ «Океанариум» осуществляется одной ГТУ с ноября по март включительно, при этом существующая тепловая нагрузка может достигать 60% необходимой.

Сложившаяся режимно-балансовая ситуация требует от АО «ДВЭУК» постоянной работы с потребителями на предмет высвобождения неиспользуемых договорных нагрузок и органами местного самоуправления и государственной власти на предмет развития инфраструктуры о. Русский, г. Владивосток, для улучшения инвестиционной привлекательности территории.

При этом действующим законодательством, регулирующим сферу теплоснабжения в Российской Федерации, не предусмотрен правовой механизм в части оказания теплоснабжающей организацией мер по понуждению потребителей к пересмотру/снижению присоединенной неиспользуемой тепловой нагрузки.

Присоединенная нагрузка потребителей закреплена в договорах теплоснабжения и может изменяться в соответствии с порядком, определенным главой 3 приказа

Министерства регионального развития Российской Федерации №610 от 28.12.2009 «Об утверждении правил установления и изменения (пересмотра) тепловых нагрузок». Возможным мотивирующим фактором по понуждению потребителей к пересмотру/снижению присоединенных неиспользованных тепловых мощностей является установление для потребителей теплоснабжающей организации двухставочного тарифа на отпускаемую тепловую энергию, в котором вводится ставка за содержание присоединенной договорной мощности.

Опыт западных регионов Российской Федерации, в которых применяется двухставочный тариф на тепловую энергию для юридических лиц, показал положительную динамику как по дифференцированию затрат потребителей при применении тарифа, так и по стимулированию потребителей к выравниванию договорной и фактической присоединенной мощности. Это в свою очередь позволило оптимизировать энергетические балансы и высвободить дополнительные резервы мощностей. АО «ДВЭУК» проводится планомерная работа с органами тарифного регулирования на предмет установления двухставочного тарифа и с Министерством энергетики

Российской Федерации для применения на законодательном уровне штрафных санкций в отношении потребителей за содержание неиспользуемых договорных мощностей.

Таким образом, на основании изложенного можно сделать следующие выводы.

При текущей загрузке генерирующих установок и объеме выработки электрической энергии на мини-ТЭЦ «Центральная» к 2021 г. три ГТУ должны подвергнуться капитальному ремонту, что требует существенного объема финансирования, и в итоге отразится на тарифах для конечных потребителей.

С учетом значительного времени поставки сменных запасных частей от завода-изготовителя и высокой стоимости технического и ремонтного обслуживания ГТУ иностранного производства, колебания валютных курсов и невыборкой существующей инфраструктурой о. Русский заявленных тепловых нагрузок и, как следст-вие, невозможности достижения проектных режимов работы источников генерации, АО «ДВЭУК» ведется работа по определению оптимальных режимов производства ресурсов для минимизации износа основного оборудования и затрат на техническое и ремонтное обслуживание.

Эффективная эксплуатация объектов генерации достижима при взаимодействии с органами местного самоуправления и исполнительной власти в части привлечения инвестиционных средств на развитие территории и изменения тарифной политики.

Распоряжением Правительства РФ от 30 мая 2017 г. №1134-р утверждена концепция развития острова Русский, г. Владивосток, как ключевого центра интеграции

России в экономическую, научную и технологическую среду Азиатско-Тихоокеанского региона. В рамках данной концепции запланировано расширение на территории существующей инфраструктуры со строительством и вводом в эксплуатацию ряда объектов федерального значения. Первоочередной задачей при этом является проработка вопроса подключения перспективных потребителей к инженерным коммуникациям источников генерации. В условиях развития о. Русский как территории опережающего социально-экономического развития (ТОСЭР), регулирующим органом целесообразно установление прогрессивных тарифов на отпускаемые ресурсы, позволяющие обеспечить экономическую целесообразность проведения потребителями мероприятий по энергосбережению, эффективному использованию энергетических ресурсов и выравниванию договорных и фактических тепловых нагрузок. Эффективной мерой, отвечающей данным требованиям, является установление для потребителей АО «ДВЭУК» двухставочного тарифа на тепловую энергию.

Кроме того, при существующей режимно-балансовой ситуации необходимо эффективное применение двухставочного тарифа на отпускаемую электрическую энергию в рамках концепции работы газотурбинных установок в качестве резервных источников электрической мощности для покрытия дефицита электрической энергии (мощности) в энергосистеме Приморского края в период развития аварийных ситуаций.

Значительный опыт АО «ДВЭУК» в создании и эксплуатации энергетического кластера на о. Русский, г. Владивосток, демонстрирует, что эффективная работа высокотехнологичных установок невозможна в условиях неразвитости инфраструктуры и отсутствия возможности применения мер воздействия на изменение режимно-балансовой ситуации.

Востребованность высокотехнологичных газотурбинных установок в условиях когенерационного производства ресурсов возможна после комплексного выполнения распоряжения Правительства РФ от 30 мая 2017 г. №1134-р и создании на о. Русский ТОСЭР со значительным увеличением потребляемых нагрузок. Достижение проектных режимов работы позволит обеспечивать энергоснабжение новых потребителей в условиях социально приемлемых тарифов, с покрытием необходимых затрат на техническое обслуживание.