2026-02-26
Газовая турбина SGT-800 — это промышленная газовая турбина, разработанная немецкой компанией Siemens. Ее предшественницей была газовая турбина GTX100 от швейцарской компании ABB. Эта модель претерпела ряд технологических усовершенствований, в результате чего ее мощность постепенно увеличилась с первоначальных 43 МВт до 62 МВт к 2025 году.
История развития
1994 год: Швейцарская компания ABB начала разработку газовой турбины GTX100 для пополнения своего каталога продукции энергетического класса.
1997 год: Была завершена разработка первой газовой турбины GTX100 с первоначальной номинальной мощностью 43 МВт.
1999 год: Компания ABB передала свой бизнес по производству газовых турбин французской компании Alstom.
2003 год: Выходная мощность одноциклового энергоблока SGT-800 была увеличена до 45 МВт.
2004 год: Компания Alstom продала свой бизнес по производству небольших промышленных газовых турбин немецкой компании Siemens, и газовая турбина GTX100 была переименована в SGT-800.
2006 год: Успешно прошли испытания первой газовой турбины SGT-800 мощностью 47 МВт.
2007 год: Компания Siemens выпустила газовую турбину SGT-800 мощностью 47,5 МВт.
2010 год: Газовая турбина SGT-800 была модернизирована до мощности 50,5 МВт.
2015 год: В августе тайская компания TPS подписала с Siemens соглашение о покупке и долгосрочном обслуживании 18 газовых турбин SGT-800, включая 6 агрегатов номинальной мощностью 53 МВт и 12 агрегатов номинальной мощностью 50,5 МВт. Эти 18 газовых турбин использовались на 9 газовых электростанциях комбинированного цикла.
2016: В феврале компания Siemens получила свой первый заказ в Китае на четыре блока SGT-800 для проектов распределенной энергетики в Баодэ и Сияне, провинция Шаньси, от компании Shanxi Guoxin Energy.
2017 год: Мощность турбины SGT-800 была дополнительно увеличена до 57 МВт, при этом КПД простого цикла превысил 40%, а мощность комбинированного цикла составила 163 МВт с чистым КПД, превышающим 58,5%. В августе Siemens подписала соглашение о передаче технологий для SGT-800 с компанией Hangzhou Turbine Co., Ltd.
2022 год: 23 декабря было завершено строительство первого газотурбинного агрегата SGT-800 отечественного производства компании Hangzhou Steam Turbine Co., Ltd.
2023 год: 5 января компания Hangzhou Steam Turbine Co., Ltd. отгрузила свою первую газовую турбину SGT-800 отечественного производства. 3 марта компания Beijing Energy Group поставила свою первую газовую турбину SGT-800 отечественного производства на проект Xiaoxita.
К 2025 году: газовая турбина SGT-800 будет иметь выходную мощность в простом цикле до 62 МВт.
Выбор структуры системы и материалов
Газовая турбина SGT-800 в основном состоит из 15-ступенчатого осевого компрессора, кольцевой камеры сгорания и 3-ступенчатой осевой турбины.
воздушный компрессор
Компрессор использует новейшую аэродинамическую трансзвуковую конструкцию, профиль лопаток с регулируемым диффузором (CDA) и степень сжатия 20:1. Он имеет 15 ступеней, причем первые три ступени используют регулируемые направляющие лопатки и вентиляционные отверстия для обеспечения стабильной работы в различных диапазонах нагрузок и условиях окружающей среды. Для минимизации утечек на концах лопаток в цилиндры на концах лопаток встроен абразивный уплотнительный материал, уменьшающий зазор до минимума. Ротор компрессора сварен электронно-лучевой сваркой, что обеспечивает прочную и легкую конструкцию.
Камера сгорания
Камера сгорания имеет кольцевую конструкцию. Внутренняя поверхность облицовки камеры сгорания и передняя панель покрыты термобарьерным покрытием (TBC), что позволяет снизить уровень теплопередачи и продлить срок службы камеры сгорания. Камера сгорания оснащена 30 горелками третьего поколения конструкции DLE (Dry Low Emission), которые позволяют снизить выбросы оксидов азота до менее чем 15 ppm (15% O₂ ) при сжигании природного газа без необходимости впрыскивания воды или пара. Горелки могут поставляться в однотопливном или двухтопливном исполнении.
турбинная секция
Благодаря использованию трехступенчатой реактивной турбины, усовершенствованной аэродинамической конструкции и оптимизации траектории потока на основе 3D-анализа минимизируется зазор между лопатками и лопастями на каждой ступени. Лопатки статора и ротора первой и второй ступеней охлаждаются воздухом. Лопатки первой ступени изготовлены из монокристаллических материалов, что обеспечивает прочность и длительный срок службы. Статор турбины охлаждается компрессорным воздухом, что минимизирует тепловое расширение вала и осевые потери давления на выходе.
Редуктор
Газовая турбина соединена с генератором через двухвинтовой редуктор с параллельными валами. Редуктор снижает скорость вращения вала турбины с 6600 об/мин до скорости вращения генератора 1500/1800 об/мин (50/60 Гц). Запуск газовой турбины осуществляется с помощью пускового двигателя с регулируемой частотой вращения, который соединен с редуктором через автоматически синхронизирующую и разъединяющуюся муфту SSS, обеспечивающую запуск агрегата и работу высокоскоростного вращающегося редуктора.
Система смазки и система подъемного масла
Газовая турбина, редуктор и генератор используют единую систему смазки и подачи масла. Смазка осуществляется тремя центробежными насосами переменного тока с КПД 70% (два работающих, один резервный). В двигателях насосов используются статические частотные преобразователи (SFC), подключенные к источнику бесперебойного питания постоянного тока (ИБП). В случае отказа одного насоса резервный насос автоматически запускается для поддержания давления масла в подшипниках. В случае отказа двух насосов оставшийся насос обеспечивает достаточное давление и расход масла для остановки и охлаждения агрегата. При отключении внешнего источника переменного тока насосы смазки переключаются на работу в режиме постоянного тока через статический частотный преобразователь для обеспечения остановки и охлаждения агрегата.
Модульная планировка
Проектирование и монтаж газовой турбины SGT-800 осуществлялись в соответствии с требованиями к компактной компоновке, короткому циклу монтажа и ввода в эксплуатацию, а также простоте технического обслуживания. Газовая турбина и станция смазки были выполнены на салазках, а редуктор и генератор установлены на бетонном фундаменте. Оборудование газотурбинного блока было защищено влагозащищенным кожухом в соответствии с требованиями для наружной компоновки. Кожух был оборудован системами фильтрации воздуха, вентиляции и противопожарной защиты, а электрооборудование и системы управления были размещены в локальной диспетчерской.
Параметры производительности
Парогенератор SGT-800 не только обладает очень высокой эффективностью в простом цикле, но и, благодаря высокой температуре отходящих газов из выходного диффузора, особенно подходит для комбинированных циклов и когенерационных систем. В комбинированном цикле SGT-800 используется совместно с котлом-утилизатором (HRSG), который использует тепло отходящих газов, при этом двухступенчатый HRSG подает пар в паровую турбину. Для большей мощности можно установить два агрегата SGT-800, каждая газовая турбина которых подключена к HRSG, подающему пар в общую паровую турбину.
Области применения
Газовая турбина SGT-800 подходит для промышленного производства электроэнергии, нефтегазовой отрасли и других сфер. Она демонстрирует исключительно высокие показатели в парогазовых и когенерационных установках, а также может использоваться в проектах распределенной энергетики, централизованном теплоснабжении и нефтегазовой промышленности, например, на нефтеперерабатывающих заводах. На сегодняшний день по всему миру продано более 370 единиц, наработавших более 7 миллионов эквивалентных часов. В Азиатско-Тихоокеанском регионе SGT-800 показала наиболее выдающиеся результаты: в эксплуатации находится более 100 установок. Крупнейшим рынком является Таиланд, где эксплуатируется более 70 установок SGT-800.
Сжигание водорода в газовых турбинах
До настоящего времени в газовых турбинах большой мощности и авиационных модификаций (используемых для выработки электроэнергии) в качестве топлива преимущественно применялся природный газ или легкое топливо. В последние годы все большее число экспертов и ученых в области газовых турбин проводят углубленные исследования по расширению возможностей их многотопливной адаптации. Среди этих усилий ключевыми направлениями для расширения возможностей использования топлива являются добавление водорода в газовые турбины, расширение использования чистого водорода и интегрированный цикл газификации с комбинированным циклом (IGCC).
Технологические преимущества технологии сжигания водорода в газовых турбинах по сравнению с традиционными видами топлива.
Высокая теплотворная способность : Водород имеет более высокую теплотворную способность, чем природный газ, что означает, что единица массы водорода может выделить больше энергии.
Низкий уровень выбросов углерода : Сжигание водорода не приводит к выбросам углекислого газа, поэтому оно имеет большое значение для сокращения выбросов парниковых газов и решения проблемы изменения климата.
Гибкость и совместимость : Водород можно смешивать с природным газом, или же сжигание водорода может осуществляться путем модификации камеры сгорания, что обеспечивает определенную степень взаимозаменяемости и гибкости для существующих газовых турбин.
Высокая эффективность : Технология сжигания водорода позволяет достичь комбинированной эффективности производства водорода, электроэнергии и тепла более 60%, что выше, чем у традиционных видов топлива.
Подходит для крупномасштабного применения : Газовые турбины на водородном топливе подходят для крупномасштабных резервных электростанций, электроснабжения электростанций и т. д., и позволяют осуществлять крупномасштабное преобразование водорода в электричество, расширяя масштабы применения водородной энергетики.
Интеграция возобновляемых источников энергии : Водород может производиться методом электролиза воды, при этом используются возобновляемые источники энергии, такие как энергия ветра или солнца. Это делает технологию сжигания водорода в газовых турбинах эффективным средством интеграции возобновляемых источников энергии в энергетическую систему.
Технические проблемы, стоящие перед технологией сжигания водорода.
Нестабильность горения : Быстрое распространение пламени водорода делает его горение подверженным нестабильности, включая колебания и резонанс. Это может привести к снижению производительности оборудования, увеличению шума и даже ухудшению его надежности. Для решения этой проблемы необходимы передовые технологии управления горением и усовершенствованная конструкция камеры сгорания.
Обратное воспламенение : Обратное воспламенение может происходить во время сгорания водорода, особенно в условиях высокоскоростного потока. Обратное воспламенение может привести к нестабильности горения и проблемам с безопасностью.
Кинетика горения : Кинетика горения водорода отличается от кинетики горения традиционных видов топлива, включая изменения скорости пламени и задержку воспламенения. Понимание и контроль кинетики горения водорода в газовых турбинах — сложная задача, требующая углубленных исследований и моделирования.
Контроль выбросов оксидов азота (NOx) : Хотя при сгорании водорода в основном образуется водяной пар, оксиды азота (NOx) все же могут образовываться в условиях высокотемпературного сгорания. Сокращение выбросов NOx имеет решающее значение для соблюдения экологических стандартов и требует эффективных технологий контроля и снижения.
Совместимость материалов и водородное охрупчивание : Водород оказывает охрупчивающее воздействие на металлические материалы, что может привести к хрупкости и повреждениям. В условиях высокотемпературного и высокодавленного водородного горения необходимо выбирать и проектировать материалы, способные противостоять водородному охрупчиванию, что усложняет технологический процесс.
Большое количество водяного пара в отработавших газах увеличивает теплообмен в компонентах горячей части газовой турбины, что требует дополнительного охлаждения. Повышенное содержание пара вызывает термическую коррозию открытых компонентов горячей части, сокращая срок их службы.
Высокая взрывоопасность водорода : Водород является взрывоопасным веществом в воздухе, что требует принятия специальных мер безопасности для обеспечения стабильной и надежной работы газотурбинной системы.
Хранение и транспортировка водорода : на практике хранение и транспортировка водорода также представляют собой сложную задачу, требующую решения таких проблем, как безопасность, эффективность и стоимость.
Смешивание топлива : Обеспечение эффективного смешивания топлива становится сложной задачей, поскольку доля водорода в газопроводе меняется. Операторам необходимо прогнозировать скорость подачи водорода и вносить необходимые корректировки для учета ожидаемого диапазона состава топлива.
Оптимизация условий эксплуатации : Для сжигания водорода необходимо оптимизировать условия эксплуатации газовой турбины, включая такие параметры, как температура, давление и расход. Это требует углубленных исследований и экспериментов для поиска оптимальных условий эксплуатации, позволяющих повысить эффективность и производительность.
Создание цепочки поставок водорода : производство, хранение и транспортировка водорода формируют цепочку поставок водорода, каждое звено которой сталкивается с техническими и экономическими проблемами. Создание полной цепочки поставок водорода является ключевым вопросом для реализации коммерциализации газовых турбин на водородных топливных элементах.
Для преодоления этих проблем исследователи и инженеры разрабатывают и совершенствуют различные технологии сгорания, такие как микросмешанное сгорание, в котором используются сотни или тысячи микроканалов в сочетании с микроинжекцией водорода для быстрого смешивания воздуха и водорода, образуя микроскопическое пламя, что снижает образование NOx и поддерживает стабильность сгорания. Кроме того, активно изучается технология обедненного предварительного смешивания; она снижает образование NOx за счет повышения равномерности распределения температуры пламени, обеспечивая при этом стабильность сгорания.
В ноябре 2022 года компания Siemens Power оказала поддержку компании Beijing Heavy-Duty Gas Turbine Technology Research Co., Ltd. и Хубэйскому филиалу Государственной энергетической инвестиционной корпорации (SPIC) в успешной модернизации работающей газовой турбины Siemens Power SGT-800 для использования 30% водорода на предприятии Jingmen Green Energy Co., Ltd. Это еще один крупный технологический прорыв после успешного внедрения режима работы той же газовой турбины с 15% содержанием водорода в декабре 2021 года.
Это первый в Китае успешный опыт модернизации газотурбинной установки большой мощности с использованием высокой доли водорода в качестве топлива, а также первый в мире демонстрационный проект по использованию высокой доли водорода в газотурбинной установке комбинированного цикла с когенерацией. Модернизированная установка будет обладать возможностью свободного переключения между режимами работы с 0% и 30% содержанием водорода. Расчеты показывают, что одна модернизированная газовая турбина Siemens Energy SGT-800, работающая с 30% содержанием водорода, может сократить выбросы углекислого газа более чем на 18 000 тонн в год.
