Во-первых, строительство на площадке нового главного корпуса с оптимальными ПГУ единичной мощностью 350-1000 МВт с КПД 55-60%. Действующие энергоблоки в этом случае после окончания сроков службы выводятся в резерв или списываются. Сооружение оптимально спроектированных бинарных ПГУ в новом главном корпусе требует больших капитальных затрат, но такая электростанция обладает максимальной экономичностью. При этом увеличение единичной мощности ГТУ и ПГУ заметно уменьшает удельную площадь и стоимость главного корпуса. Во-вторых, размещение ГТУ и котлов-утилизаторов в существующих или новых главных корпусах и использование в создаваемых с ними ПГУ части имеющегося паротурбинного и электрического оборудования. Анализ мероприятий, целью которых является продление работоспособности энергоблоков на значительное время (например, на 20-30 лет или 100-150 тыс. ч), свидетельствует о принципиальной возможности применения в таких парогазовых установках:
электрического генератора и практически всего электрооборудования;
цилиндра низкого давления (ЦНД), а с заменой или восстановлением части деталей - и других цилиндров паровой турбины;
деаэратора;
конденсатора (полностью или частично);
насосов и трубопроводов циркуляционной системы;
паропроводов и арматуры.
Конкретные проработки показывают, что наилучшие результаты получаются при использовании двух ГТУ мощностью 110 МВт на одну турбину К-150 (165) или К-200: КПД электростанции при этом увеличится с 36-38% до ~50%.
С турбинами К-300 при использовании трех ГТУ по 160-180 МВт или двух ГТУ по 260-270 МВт могут быть созданы ПГУ мощностью около 800 МВт с КПД 50-55% в зависимости от совершенства принятых ГТУ. Приемлемые по прочности и экономичности режимы работы ЦВД и ЦСД обеспечиваются путем соответствующего выбора расходов и параметров пара (см. ниже). Другим вариантом является выбор оптимальных расходов и параметров пара и переделка под них проточной части ЦВД и ЦСД. Особенностью газовых турбин является существенное изменение параметров и показателей в зависимости от температуры наружного воздуха: при ее снижении мощности ГТУ и ПГУ возрастают на 10-15%. Для ПГУ общей мощностью 800 МВт с тремя ГТУ целесообразно использовать ячейки двух соседних энергоблоков К-300. В этом случае одна паровая турбина сохраняется, а другая демонтируется. Электрический генератор, главный трансформатор и ячейка распределительного устройства демонтированного блока могут послужить для одной из ГТУ. Разумеется, в таком случае демонтируются регенеративные подогреватели НД и ВД обоих энергоблоков. Мощность ТЭС после замены паровых энергоблоков парогазовыми возрастает в 1,35 раза. ВТИ давно пропагандирует проведение подобных реконструкций, но в России такие планы пока не реализуются из-за низкой стоимости природного газа и отсутствия инвестиций. В последние годы реконструкцию паровых электростанций начали осуществлять за рубежом, в частности на больших - до 650 МВт - газомазутных энергоблоках. Не менее важно превращение паровых газомазутных ТЭЦ в парогазовые. Комбинированное производство электроэнергии и тепла является энергоресурсосберегающей технологией. Оно позволяет использовать 85-90% тепла топлива, превращая значительную его часть в электричество, принципиально более ценное, чем тепло. По сравнению с лучшими схемами раздельного производства общий расход топлива в данном случае оказывается на 20-25% меньше. Соответственно уменьшаются выбросы в окружающую среду. В настоящее время, однако, теплофикация в России переживает серьезный кризис. Стоимость электроэнергии и тепла на многих ТЭЦ, особенно оснащенных устаревшим оборудованием, достаточно высока, а их реализация по неразумно установленным тарифам затруднена. Положение усугубляется недостаточной надежностью теплосетей и значительными потерями тепла при передаче по ним. Многие потребители предпочитают строить собственные котельные и покупать электроэнергию других поставщиков. Причин такого положения две - технологическая и институциональная (ценообразование, тарифы, налоги и т. д.). Предметом статьи является только один из технологических аспектов проблемы: возможности повышения эффективности ТЭЦ с комбинированной выработкой электроэнергии и тепла. Номинальные показатели наиболее экономичных и широко распространенных паротурбинных установок ТЭЦ представлены в табл. 1.
| Показатель | Тип ТЭЦ и режим работы | ||
| Паровая | ГТУ | ||
| Конденса-ционный | Комбини-рованный | Комбини-рованный | |
| Доля тепла топлива, преобразованная в: электроэнергию, % тепло, % | 30-36 - | 20-32 65-53 | 34-36 50 |
| Коэффициент использования тепла топлива, % | 30-36 | 84-86 | 84-86 |
| Отношение электрической и тепловой мощности | ∞ | 0,5-0,62 | 0,68-0,72 |
Концепция современных теплофикационных турбин возникла в период, когда при имевшемся дефиците электроэнергии требовалось независимо регулировать работу по тепловому и электрическому графикам нагрузок. Отопительные ТЭЦ функционируют с сильно меняющимися в течение года тепловыми нагрузками. Электроэнергия, вырабатываемая летом менее экономичными турбинами ТЭЦ в условиях <плохого> вакуума в конденсаторе, не может конкурировать с энергией крупных конденсационных электростанций. Зимой развитые выхлопные части турбин потребляют энергию для преодоления трения, а также для вентиляции и охлаждения последних ступеней. Работа с тепловой нагрузкой приводит к снижению удельной электрической мощности паровых ТЭЦ, для которых вообще характерно умеренное производство электроэнергии на тепловом потреблении. Наконец, удельная стоимость паровых ТЭЦ существенно выше, чем конденсационных электростанций.
Значительно повысить эффективность ТЭЦ, работающих на природном газе, можно путем использования на них газотурбинных и парогазовых установок. Целесообразны следующие направления их применения:
1. Газотурбинные ТЭЦ, в которых газы после ГТУ сбрасываются в водогрейный или паровой котел-утилизатор, где используются для выработки тепла (подогрева воды или генерирования пара) для внешних потребителей. Схемы ГТУ-ТЭЦ наиболее просты. КПД современных ГТУ без выработки тепла близок или даже выше КПД паротурбинных ТЭЦ докритического давления на конденсационном режиме. Выработка тепла не снижает этого КПД - в отличие от паротурбинных установок, где электрическая мощность и КПД вследствие производственных (особенно при высоком давлении) и теплофикационных отборов пара значительно уменьшаются. Характерные соотношения при расчетных (номинальных) условиях приведены в табл. 1.
| Показатель | Тип ТЭЦ и режим работы | ||
| Паровая | ГТУ | ||
| Конденса-ционный | Комбини-рованный | Комбини-рованный | |
| Доля тепла топлива, преобразованная в: электроэнергию, % тепло, % | 30-36 - | 20-32 65-53 | 34-36 50 |
| Коэффициент использования тепла топлива, % | 30-36 | 84-86 | 84-86 |
| Отношение электрической и тепловой мощности | ∞ | 0,5-0,62 | 0,68-0,72 |
Для увеличения выработки тепла в периоды максимальных нагрузок применяются котлы-утилизаторы ГТУ, оснащенные горелками для сжигания дополнительного топлива. Однако сжигание топлива перед котлами-утилизаторами, как и снижение тепловой нагрузки (недоиспользование тепла отработавших в ГТУ газов), уменьшает эффективность ГТУ-ТЭЦ, которые наиболее привлекательны для промышленных ТЭЦ со значительной долей стабильной паровой нагрузки. Экономически они выгодны и при резко переменном графике тепловой и электрической нагрузки: в качестве примера можно назвать Якутскую ГРЭС (в сущности ТЭЦ) с восьмью ГТУ общей мощностью около 250 МВт, которая успешно эксплуатируется с 1971 г.
2. ПГУ-ТЭЦ бинарного цикла. Каждая ГТУ работает на свой котел-утилизатор, в котором генерируется и перегревается пар, поступающий, например, в общий коллектор, а из него - в имеющиеся паровые турбины. Первой теплофикационной ПГУ бинарного типа в России является ПГУ-450 на Северо-Западной ТЭЦ в Санкт-Петербурге, эксплуатирующаяся сейчас без тепловой нагрузки. Ее схема позволяет в широких пределах изменять соотношение между электрической и тепловой нагрузкой, сохраняя общий высокий коэффициент использования тепла топлива. Отработанный на Северо-Западной ТЭЦ модуль ГТУ - котел-утилизатор, генерирующий 240 т/ч пара высокого давления при электрической мощности 150 МВт, может прямо использоваться для питания турбин ПТ-60, ПТ-80 и Т-100 на действующих ТЭЦ. При полной загрузке их выхлопов расход пара через первые ступени этих турбин будет значительно ниже номинального. Его можно будет пропустить при характерных для ПГУ-450 пониженных давлениях пара. Это и одновременное уменьшение температуры свежего пара до 500-510 °С летом и даже несколько более низких значений зимой снимет вопрос об исчерпании ресурса таких турбин. Конечно, мощность паровых турбин в составе ПГУ будет, как показано в табл. 2, ниже номинальной, но общая мощность блока при этом возрастет более чем вдвое, а его экономичность по выработке электроэнергии не будет зависеть от режима и станет существенно более высокой, чем у лучших конденсационных энергоблоков.
| Показатель | Т-100 | ПГУ с Т-100 | ПТ-80 | ПГУ с ПТ-80 | ||||
| конден-сацион-ный | комби-ниро-ванный | конден-сацион-ный | комби-ниро-ванный | конден-сацион-ный | комби-ниро-ванный | конден-сацион-ный | комби-ниро-ванный | |
| Мощность паровой турбины, МВт | 100 | 100 | 76,8 | 66,5 | 82,2 | 67,9 | 74,7 | 58,3 |
| Мощность ГТУ, МВт | - | - | 151,2 | 151,2 | - | - | 151,2 | 151,2 |
| Суммарная мощность, МВт | 100 | 100 | 228 | 217,7 | 82,2 | 67,9 | 225,9 | 209,5 |
| Выработка тепла, МВт | - | 151 | - | 160 | - | 128 | - | 160 |
| Доля тепла, преобразованная в электроэнергию (КПД), % | 35,2 | 30,4 | 49,5 | 47,3 | 34,5 | 28,5 | 49,0 | 45,5 |
| Коэффициент использования тепла топлива, % | 35,2 | 83,6 | 49,5 | 83 | 34,5 | 82,1 | 49,0 | 82 |
| Доля электроэнергии в выработанной энергии (электроэнергия + тепло) | 1 | 0,36 | 1 | 0,58 | 1 | 0,35 | 1 | 0,57 |
Такое изменение показателей радикально влияет на экономичность ТЭЦ. Суммарные издержки на выработку электроэнергии и тепла в них снизятся, а конкурентоспособность на рынках электроэнергии и тепла возрастет. ГТУ с котлами-утилизаторами лучше всего располагать в новом главном корпусе на площадке действующей ТЭЦ. Старые котлы могут сохраняться в резерве для покрытия пиковых нагрузок или на случай перерывов в газоснабжении. Газотурбинные установки мощностью 15-30 МВт и ниже целесообразно применять для децентрализованных источников электроэнергии и тепла, реконструкции отопительных и производственных котельных с превращением их в небольшие ГТУ-ТЭЦ, а иногда и создания ПГУ-ТЭЦ (например, на базе промышленных ТЭЦ с паровыми турбинами мощностью 6-12 МВт). ГТУ такого класса мощности удобны для сохранения выработки электроэнергии на старых ТЭЦ с низкими (3-9 МПа) давлениями пара. На них целесообразна установка четырех-шести ГТУ мощностью 15-30 МВт с котлами-утилизаторами и использованием выработанного в них пара в имеющихся турбинах (если они работоспособны) или в новой паровой турбине. Невысокие параметры пара не являются в этом случае большим недостатком. Таким образом, создается экономичная современная ТЭЦ с электрической мощностью 80-200 МВт и тепловой мощностью 100-200 Гкал/ч. Остальная часть тепловой нагрузки покрывается в режиме котельной. Существует множество различных сочетаний газотурбинных и паровых циклов. Некоторые из них время от времени реализуются. Например, на электростанциях со значительным остаточным ресурсом энергоблоков, в топливном балансе которых велика доля мазута или угля, но имеется и природный газ в количестве, достаточном для питания ГТУ, возможны газотурбинные надстройки с использованием тепла отработавших в ГТУ газов в основном паровом цикле. При надстройке энергоблоков мощностью 300 МВт установкой ГТЭ-110 по схеме со сбросом отработавших газов в топку котла мощность станции может быть увеличена в ~1,5 раза, а КПД повышен до 44-46%. Газотурбинные надстройки блоков мощностью 800 МВт в зависимости от схемы и показателей применяемых ГТУ (две ГТЭ-160 или ГТЭ-180) позволяют повысить мощность на 30-35% и снизить удельный расход тепла на 8-14%. Подобные надстройки целесообразны для новых газовых ТЭС (Печорской, Псковской) или газо-угольных (если они появятся) с энергоблоками мощностью 200 МВт. Для них оптимальны ГТУ с расходом газа 200-250 кг/с и мощностью 60-75 МВт. КПД надстроенного блока при работе на природном газе составит 40-44%. Для того чтобы газотурбинные и парогазовые установки смогли сыграть важную роль в повышении эффективности электроэнергетики и тем самым способствовали развитию национальной экономики России, нужна согласованная программа действий, реализация которой будет опираться на федеральные и местные ресурсы, ресурсы банков и энергокомпаний (РАО <ЕЭС России>, Газпром), потребляющие отрасли промышленности, энерго- и авиа- машиностроение.