Раздел 2. Гидроэнергетические ресурсы, их использование. Принципиальные схемы, параметры, режимы работы ГЭС и ГАЭС

Енергетичне машинобудування, забезпечуючи розвиток базисних секторів економіки, є стратегічною галуззю, основною складовою економічної безпеки і енергетичної незалежності держави. До 2007 року склалась структура теплоенергетики (ТЕС і АЕС) України, показана в табл.3.3.

Аналіз стану обладнання на теплових електростанціях показує, що значна його частина на станціях органічного палива або вичерпала ресурс служби, або підходить до його вичерпання (парковий ресурс енергетичного обладнання нормований на рівні 220 тис. годин). Подальша експлуатація такого обладнання суттєво знижує ефективність і надійність енергопостачання споживачів. Технічне переозброєння і реконструкція діючих енергоустановок є важливою задачею для будь-якої країни світу.

В Україні модернізації або заміни потребують всі 43 блоки потужністю 200 МВт, переважна більшість із 42 блоків потужністю 300 МВт і все обладнання електростанцій з блоками малої потужності.

Враховуючи масштабність проблеми технічного переозброєння виробничої бази теплоенергетики, в світі виконують не тільки повне оновлення енергетичних установок на основі обладнання нового покоління, але і заходи з реконструкції і модернізації діючого енергетичного обладнання із застосуванням удосконалених елементів, деталей і вузлів. Найбільш ефективним є технічне переозброєння з використанням сучасних технологій.

Принципи модернізації і заміни елементів обладнання, яке вичерпало парковий ресурс. Значний прогрес в області удосконалення проточних частин парових турбін теплових і атомних електростанцій зумовив появу нових високоефективних методів модернізації діючого енергетичного обладнання зі значним підвищенням їх техніко-економічних і експлуатаційних показників.

У ВАТ «Турбоатом» були розроблені й реалізовані проекти модернізації турбін типу К-220-44, працюючих на АЕС України, Росії, Фінляндії, Угорщини й Болгарії, а також турбін ТЕС типів К-160-130 і К-300-240 і проточної частини низького тиску турбіни К-200-130. Розроблені пропозиції з модернізації турбін АЕС типів К-500-65/3000, К-750-65/3000 і К-1000-60/1500, а також К-500-23,5 і К-200-130, працюючих на ТЕС.

Таблиця 3.3. Структура теплової і атомної енергетики України

При модернізації турбін як вихідні були прийняті такі основні принципи:

• можливість розміщення модернізованої турбіни в габаритах існуючого машинного залу;

• збереження будівельної частини машинного залу, включаючи фундамент турбоагрегату;

• збереження допоміжного обладнання, придатного для подальшої експлуатації;

• використання прогресивних технічних рішень, апробованих в експлуатації;

• досягнення техніко-економічних показників роботи турбіни, які відповідають сучасному світовому рівню;

• зниження витрат на експлуатацію;

• збільшення міжремонтного періоду роботи турбіни;

• приведення пропускної здатності турбіни до фактичної парової продуктивності парогенеруючої установки.

При модернізації турбін К-220-44 потужністю 220 МВт першої модифікації для роботи на АЕС з параметрами свіжої пари 4,31 МПа і 241°С з проміжним перегрівом пари в запропонованому ВАТ «Турбоатом» об’ємі передбачено підвищення потужності блоку на 20 МВт при незмінній тепловій потужності реакторів, тобто без додаткових витрат палива. Основними заходами модернізації виявились:

• приведення пропускної здатності турбіни у відповідність з номінальною паропродуктивністю парогенеруючого обладнання шляхом реконструкції першого ступеня циліндра високого тиску (ЦВТ), що виключає зайве дроселювання свіжої пари в регулюючих клапанах і підвищує к.к.д. ЦВТ;

• заміна облопачування циліндра низького тиску (ЦНТ) на нове з останнім ступенем, який має робочу лопатку довжиною 1030 мм.

Успішно виконана модернізація турбін типу К-220-44, а також результати розрахункових і експериментальних досліджень елементів проточних частин дозволили ВАТ «Турбоатом» розробити проекти модернізації турбоагрегатів типів К-160-130, К-200-130 ЛМЗ і К-300-240 енергоблоків, працюючих на органічному паливі.

Модернізація турбіни К-160-130 на параметри свіжої пари 12,8 МПа, 540°С передбачає заміну суміщеного циліндра високого і середнього тиску (ЦВСТ), паровпускних органів частин високого і середнього тиску, а також заміну циліндра низького тиску на нові із суттєво підвищеними рівнями надійності, економічності та маневреності. Модернізована турбіна отримала маркування К-175-12,8. ЦВСТ турбіни К-175-12,8 має принципово нову конструкцію, розроблену на базі сучасних досягнень в області створення проточних частин, статичної і термічної міцності. Підвід свіжої пари після проміжного перегріву до ЦВСТ здійснюється в середню частину корпуса, що суттєво зменшило градієнти температур по довжині корпуса при пускових, стаціонарних і змінних режимах роботи турбоагрегату, дозволивши експлуатувати турбіну в змінній частині графіка електричних навантажень енергосистеми. У турбіні використовують нові високоекономічні проточні частини високого, середнього і низького тиску активного типу. Сумарне підвищення потужності турбоустановки при витраті свіжої пари 525 т/год і при номінальних параметрах свіжої пари складає 11,2–17,0 МВт і залежить від технічного стану проточної частини турбіни до модернізації. Проектом модернізації турбін типу К-200-130 виробництва ЛМЗ номінальною потужністю 200 МВт на параметри свіжої пари 12,8 МВт і 540°С з проміжним перегрівом пари передбачена заміна проточних частин ЦВТ, ЦСТ і ЦНТ і органів паророзподілу, а також впровадження електрогідравлічної системи регулювання і кулькової очистки трубок конденсатора. Модернізація може виконуватись поетапно як із збереженням існуючих корпусів і валів, так і з їх заміною. У залежності від об’єму модернізації підвищення потужності турбоустановки складає від 3 до 12 МВт. Перша модернізація турбіни К-200-130 шляхом удосконалення проточної частини ЦНТ була виконана на Старобешевській ТЕС. Підвищення потужності склало біля 7 МВт. Враховуючи значну кількість встановлених в Україні енергоблоків потужністю 200 МВт, ВАТ «Турбоатом» виконало також проект турбіни К-225-12,8, призначений для заміни турбін, що відпрацювали свій термін, енергоблоків на Зміївській, Бурштинській й інших ТЕС.

Для вирішення проблеми технічного переозброєння діючих ТЕС України дуже важливе місце займає задача підвищення технічного рівня турбін К-300-240 і К-300240-2 на надкритичні параметри пари. Для заміни турбін К-300-240 на Придніпровській та інших ТЕС, призначених для відпуску від турбіни пари для потреб теплофікації в кількості, яка забезпечує теплове навантаження до 220 Гкал/год (255 МВт), ВАТ «Турбоатом» спроектувало турбіну К-310-23,5-3, а для технічного переозброєння енергоблоків з паровими турбінами потужністю 300 МВт, але меншим тепловим навантаженням, – нову високоекономічну і надійну парову турбіну типу К-325-23,5. Основні характеристики вказаних модернізованих турбін ВАТ «Турбоатом» в порівнянні з базовою турбіною К-300-240-2 наведено в табл. 3.4.

Вельми суттєві різниці між окремими електростанціями за умовами водоохолодження і теплоспоживання зумовили і відмінність конструктивних схем модернізації турбін К-300-240 та К-300-240-2. Так, для електростанцій з високою середньорічною температурою охолоджуючої води (більше 22°С) або із суттєвим тепловим навантаженням (до 255 МВт на одну турбіну) виявилось доцільним виконувати турбіну з двопотоковим циліндром низького тиску. Розроблена для цих умов турбіна К-310-23,5-3 передбачає заміну всіх трьох циліндрів. У ЦВТ паровпускна частина виконана тристінною (крім зовнішнього і внутрішнього корпусів, є соплові коробки), а число ступенів зменшено з 11 до 9. ЦСТ містить тільки ступені середнього тиску, перший потік низького тиску, який був раніше, виключений, а число ступенів зменшено з 12 до 11. Частина низького тиску із трьохпотокової стала двопотоковою, яка має сумарну площу вихлопів 16,38 м2. Вся ця частина турбіни розміщується в одному ЦНТ, ротор якого виконаний зварним з робочою лопаткою останнього ступеня довжиною 1030 мм. Всі інші ступені турбіни виконані з врахуванням сучасних досягнень турбобудування. Виходячи із досягнутої паропродуктивності котлів, працюючих в енергоблоках потужністю 300 МВт, турбіна К-310-23,5-3 спроектована на пропуск 1000 т/год пари. Її електрична потужність в гарантійних умовах перевищує 320 МВт (220 Гкал/год). При графіку тепломережі 150°С/70°С коефіцієнт недовиробітку потужності оцінюється в 0,188 (218 кВт/Гкал). З 1991 року до даного часу виготовлені 4 такі турбіни, в тому числі дві – для Придніпровської ДРЕС.

Таблиця 3.4. Основні техніко-економічні характеристики турбоустановок К-300-240-2, К-310-23,5-3 і К-325-23,5

Турбіна К-325-23,5 спроектована з 12-ступеневим ЦВТ, зварно-кованим ротором двопотокового циліндра низького тиску (2-й і 3-й потоки) і комбінованим ротором ЦСНТ, в якому заодно з валом виконано 11 дисків частини середнього тиску і 3 диска перших трьох ступенів частини низького тиску першого потоку. Диски двох останніх ступенів частини низького тиску першого потоку – насадні. Питома витрата теплоти брутто турбоустановкою К-325-23,5 складає 7465 кДж/кВт·год (1783,4 ккал/кВт·год), що на 3,39% менше, ніж у турбоустановки К-300-240-2.

Першочергова увага при розробці проектів модернізації турбіни К-300-240 була звернена на удосконалення тих елементів конструкції, з якими були пов’язані трудності в експлуатації цих турбін. Особливу увагу в теоретичних і експериментальних дослідженнях по удосконаленню проточних частин турбіни приділено останнім ступеням, визначаючим не тільки економічність, а й надійність турбоустановок. Враховуються просторовий характер течії робочого тіла, перемінність робочої витрати, зумовлена змінами електричного навантаження або тиску в конденсаторі, а також розроблені на заводі технічні рішення з конструктивного оформлення елементів робочої лопатки. Застосовується система внутрішньоканального вологовидалення. Створені у ВАТ «Турбоатом» з використанням цих методів останні ступені з довжиною робочих лопаток 1030 мм характеризуються високою експлуатаційною надійністю і ерозійною стійкістю.

Одним із важливих удосконалень, не пов’язаних з проточними частинами циліндрів, є модернізація системи регулювання і захисту турбіни, що забезпечує автоматичне регулювання, захист, дистанційне управління турбіною в пускових, експлуатаційних і аварійних режимах. Система регулювання об’єднує два контури: основний – електрогідравлічний (ЕГСР) і резервний – гідравлічний (ГСР). Кожний контур регулювання забезпечує роботу турбіни в аварійних режимах в якості одного із ступенів захисту.

Поряд з модернізацією турбінного обладнання енергоблоків 300 МВт, які складають найбільш вагому частину теплоенергетики України, у ВАТ «Турбоатом» проводяться роботи з модернізації турбін менших потужностей. Крім згаданих вище турбін потужністю 200 і 160 МВт, спроектована також турбіна КТ-125-12,8, яка може бути встановлена замість турбіни К-100-90 різних модифікацій і здатна суттєво підвищити експлуатаційні показники відповідних енергоустановок.

Виконаний проект турбоустановки ПТ-35-8.8, призначеної для заміни турбін ПТ-25-90. Ведуться роботи щодо створення турбін з регульованими відборами пари потужністю 60–100 МВт.

Вирішенню проблеми енергозбереження України буде сприяти створення ВАТ «Турбоатом» парових турбін з регульованими виробничими і теплофікаційними відборами пари. До цього типу турбін слід віднести турбіни ПТ-12-3,5/1,0; ПТ-202,9/1,0; ПТ-25-8,8/1,0; ПТ-35-2,9/0,8/0,12 і ПТ-35-8,8/1,0. Параметри свіжої пари цих турбін складають 2,8–8,8 МПа і 400–535°С, номінальна потужність 12–35 МВт, тиск в регульованих відборах 0,8–1,2 і 0,7–0,25 МПа. Витрати і тиск пари в відборах регулюються поворотними діафрагмами. Турбіни призначені для широкого діапазону експлуатаційних режимів (конденсаційний, виробничий, теплофікаційний і режим одночасного відпуску пари на виробниче і теплофікаційне споживання). Парова турбіна типу ПТ-20-2,9/1,0 монтується на Харківській ТЕЦ-3. Виготовлена нова парова турбіна типу ПТ-35-2,9 для ТЕЦ «Запоріжсталь».Промислова парова турбіна Р-2-1,3/0,6

Для малої енергетики розроблені також турбоустановки, призначені для використання в промислових і комунальних котельнях і невеликих ТЕЦ:

а) турбіни з протитиском потужністю 1–4 МВт (Р-1-1,3/0,6; Р-2-1,3/0,6; Р-4-1,3/0,6);
б) турбіни з протитиском потужністю

Парова турбіна Р-6-3,4/0,3 5–12 МВт (Р-5,2-2,2/0,3; Р-6-3,4/0,3; Р-123,4/0,3; Р-12-3,4/0,8).

Для реконструкції турбінного обладнання цукрових заводів розроблені та освоєні в виробництві турбіни номінальної потужності 5,2, 6,0 і 12 МВт на початкові параметри пари 2,2 МПа, 370°С і 3,4 МПа, 435°С з протитиском 0,24–0,5 МПа. Турбіни являють собою високоекономічні одноциліндрові багатоступінчаті агрегати, оснащені допоміжним обладнанням, а також сучасним електронним програмно-технічним комплексом системи контролю, регулювання і захисту виробництва ДНВО «Комунар», який забезпечує оптимальні режими експлуатації, автоматичний пуск, синхронізацію і зупинку. Перший турбоагрегат із цієї серії встановлений на ТЕЦ ВАТ «Цукровий завод» в Харківській області.

Другим перспективним напрямком є створення паротурбінних установок для підприємств металургійної і хімічної промисловості, комунального господарства. В акціонерному товаристві «Сілур» («Харцизький сталедрото-канатний завод») Донецької області введений в експлуатацію і успішно експлуатується енергоблок потужністю 7,7 МВт з турбіною типу Р-7-3,4. На Львівському підприємстві теплових мереж ТЕЦ-1 встановлена турбіна аналогічної конструкції потужністю 10 МВт, пара із вихлопу якої використовується у поставленій ВАТ «Турбоатом» бойлерній установці, призначеній для підігріву мережної води і опалення промислових і комунальних підприємств.

ВАТ «Турбоатом» розробило також серію одноступінчатих турбін потужністю 1–4 МВт. Встановлення цих турбін на підприємствах дозволяє, поряд з постачанням споживачів парою необхідних параметрів, знизити їх залежність від централізованої енергосистеми.