От идеи до синхронизации

Турбина Т-295 для ПАО "Мосэнерго"
Турбина Т-295 для ПАО «Мосэнерго». Фото АО «Уральский турбинный завод»

Паровые энергетические турбины составляют основу сетевого энергетического комплекса практически всех развитых стран.

Несмотря на невероятно быстрое развитие возобновляемых источников энергии, широкомасштабное промышленное внедрение этих источников в энергетическую систему, без паровых турбин при текущих технологиях невозможно функционирование этих самых энергетических систем.

Автор — Тарас Шибаев, главный конструктор АО «УТЗ»

Паротурбинные агрегаты обеспечивают электрическую мощность и ее резервирование независимо от погоды, времени дня или года. Кроме того, именно традиционные паровые турбины способны регулировать частоту сети в широких пределах как при снижении, так и при повышении выше номинальной, на что у, например, газовых турбин имеются существенные технические ограничения.

История создания и развития паровых энергетических турбин насчитывает более 100 лет. За это время технологии проектирования и изготовления турбин шагнули далеко вперед, и на сегодняшний день турбиностроение является довольно развитой отраслью машиностроения, вобравшей в себя все достижения современной техники. Однако большая часть обывателей (даже специалистов-энергетиков) не обладают достаточным представлением о том, как рождается мощность, силой инженерной мысли закованная в сталь турбоагрегата.

Материалы

Турбина мощностью 100 МВт (класса В.1), например, состоит из более чем 100 000 деталей и узлов. При этом только вращающихся деталей, установленных в составе роторной группы, более 10 000. В турбине используются детали большинства технологических переделов: прокат, литье, поковки, штамповки, сварные детали, механообработанные детали, сборочные узлы, паяные и клееные соединения, плазменная и лазерная резка, ионно-плазменная имплантация и газотермическое напыление. В одном из проектов для создания трубной доски был использован процесс сварки взрывом. В настоящее время ведутся работы по промышленному применению аддитивных технологий при производстве паровых турбин.

Палитра используемых материалов в турбинах охватывает огромное количество как металлических, так и неметаллических материалов. Это и всевозможные углеродистые стали, и жаропрочные и жаростойкие стали перлитных, мартенситных и мартенситно-ферритных классов. Всевозможные аустенитные стали также используются во всех без исключения проектах. При этом в связи с высокой нагруженностью к большинству деталей и заготовок предъявляются повышенные требования по механическим свойствам и сохранению пределов длительной прочности на протяжении более 220 000 часов эксплуатации. В связи с этим заготовки, применяемые для нагруженных узлов, не могут быть изготовлены из общепромышленного проката, а заказываются на металлургических предприятиях со специализированными требованиями, в том числе и к контролю.

Цветные металлы представлены несколькими группами, например, в составе уникальных сплавов — баббита (используемого во вкладышах подшипников скольжения) и стеллита (используемого для защиты кромок лопаток последних отсеков от влажнопаровой эрозии). Бронза, латунь, мельхиор, серебро и другие цветные металлы применяются повсеместно в турбине и турбинном оборудовании.

Неметаллические материалы представлены в собственно турбине менее широко, однако применяются картоны, резины, полимерные материалы, изоляционные материалы, силиконы, поливинилхлориды и прочие.

При проектировании турбины конструкторское бюро турбинного завода вынуждено учитывать не только конструктивные требования к материалам и заготовкам, но и технологичность изготовления, и возможность заказа заготовок в разумные сроки.

В комплектации турбины участвуют поставщики отливок, поковок, штамповок, проката, крепежа, фасонных изделий, подшипников, элементов трубопроводов, узлов электромонтажа, КИП, арматуры, электродвигателей, декоративных элементов, припоев, сварочных материалов, красок, лаков.

Процесс разработки базы данных АСУ ТП, согласования этой базы данных между разработчиком паротурбинной установки, проектной организацией, разработчиком программно-технического комплекса АСУ ТП занимает более 12 месяцев и фактически завершается только после успешного запуска оборудования в эксплуатацию.

Всего в комплектации только собственно турбины участвует более 80 различных предприятий как из России, так и зарубежных. При изготовлении турбины турбинный завод должен скоординировать работу всех этих предприятий таким образом, чтобы в требуемые сроки обеспечить всеми необходимыми комплектующими. Следует учитывать, что срок изготовления турбин в современном рынке составляет от 12 до 16 месяцев.

Оборудование

Но сама по себе турбина является лишь одной из машин, входящих в состав паротурбинной установки и энергоблока. В состав турбоустановки с турбиной типа Т-100 входит генератор, 7 теплообменных аппаратов системы регенерации, два подогревателя сетевой воды, теплофикационной установки, конденсаторная группа из двух конденсаторов, девять конденсатных насосов, три масляных насоса, маслобак, масляное оборудование, более 200 тонн трубопроводов из различных сталей, более 100 позиций запорной и регулирующей арматуры, система автоматического управления, КИП, исполнительные устройства, различные системы консервации, шарикоочистки, маслоочистки и прочие.

Следует отметить, что комплектация паротурбинной установки вспомогательным оборудованием с точки зрения проектирования является не менее сложной, а возможно, и более сложной задачей нескольких групп инженеров, занимающихся проектированием и комплектацией. Для выполнения этой задачи необходимо объединение усилий конструкторского бюро турбинного завода, генерального проектировщика (организация, проектирующая весь объект), разработчиков основного (в том числе котельного, тепломеханического и электротехнического) и вспомогательного оборудования, разработчика пусковой схемы, монтажных организаций, инженерных служб заказчика, пусконаладочной организации, а в отдельных случаях и отраслевых научных организаций.

При этом за проектирование паротурбинной установки, за правильный выбор оборудования вне зависимости от границ поставки несет ответственность турбинный завод — разработчик и поставщик паровой турбины. В советский период проектирования и строительства энергетических объектов применение оборудования было полностью стандартизовано, нормализовано и зарегулировано. То есть для выбора конкретного оборудования достаточно было воспользоваться стандартными каталогами или каталогами производителей. Так, например, вся арматура была систематизирована в единых каталогах, насосное оборудование выпускалось строго определенными заводами по строго определенной номенклатуре. Сегодня же ситуация совершенно иная.

Количество разработчиков и изготовителей различных видов вспомогательного оборудования значительно выше, как и количество моделей оборудования. Более того, для многих видов оборудования предприятия готовы выполнить разработку и поставку под конкретные условия проекта, к такому оборудованию относятся различные системы очистки, автоматизированные системы управления, контроля, диагностики, низковольтные комплектные устройства, системы возбуждения и прочие. В связи с такой конъюнктурой отрасли проектировщику паротурбинной установки (конструкторскому бюро турбинного завода) приходится действовать по-новому, совсем не так, как было принято еще совсем недавно.

Сегодня для того, чтобы заложить какое‑то оборудование в проект (в строительную, тепломеханическую часть, условия автоматизации и пр.), на данное оборудование необходимо разработать технические требования, техническое задание, разослать запросы предложений, собрать технико-коммерческие предложения со всех потенциальных участников, провести выбор поставщика (с учетом как технических, так и коммерческих преимуществ и рисков), провести с выбранным поставщиком работу по уточнению технической части, получить исходные данные для проектирования, применить эти исходные данные в проекте.

И все это необходимо опять же выполнить за самое короткое время. А в случае проведения изменений в проекте всю цепочку необходимо пройти вновь. Или в случае, когда один из поставщиков оборудования обнаруживает у себя необходимость изменений, эти изменения должны быть реализованы в проекте, а также учтены все сопряженные элементы и системы.

По такой системе турбинный завод при осуществлении проекта поставки оборудования для паротурбинной установки взаимодействует с более чем 20 организациями одновременно.

Проектирование

При создании паротурбинной установки или паротурбинного энергоблока базой для всех решений является, конечно же, проект и проектная документация. Для того чтобы построить и запустить в эксплуатацию энергетическую мощность с паровой турбиной в базе по заданиям турбинного завода, должны быть выполнены проектная и рабочая документация на строительные конструкции, включая фундаменты основного оборудования, конструкции площадок обслуживания, фундаменты насосного оборудования, полы и прочие строительные конструкции, на тепломеханическую часть, включая трубопроводы, теплообменное и насосное оборудование, электротехническую часть, системы автоматического управления и контроля.

В этом процессе, кроме разработчика основного турбинного оборудования, задействованы: проектная организация, организация, выполняющая расчет фундаментов, организации, взаимодействующие с государственными надзорными органами, службы инженера заказчика, поставщики вспомогательного оборудования, разработчики систем управления, разработчики специальных проектных решений (например, антикоррозионной защиты, теплоизоляции, молниезащиты, информационной безопасности и охранных систем).

В частности, процесс тепловых расчетов для блочных энергоустановок занимает до 30 итераций: расчет тепловых балансов турбоустановки, расчет тепловых балансов котла, расчет тепловых балансов станции, корректировка тепловых балансов турбоустановки.

При этом работа над проектированием паровой турбины не может быть начата до окончания итерационных процессов расчета тепловых балансов. Процесс разработки и согласования строительной документации от строительных заданий занимает от 6 до 12 месяцев.

Конструкция фундамента турбоагрегата разрабатывается поставщиком турбины в виде задания, на основании которого проектная организация разрабатывает проектную документацию на фундамент, выполняет расчеты на прочность, виброотстройку.

Зачастую после первого шага проявляется необходимость корректировки конструкции фундамента с целью удовлетворения условиям прочности, надежности, устойчивости. После этого разработчик турбины должен проверить возможность реализации таких изменений.

Процесс разработки базы данных АСУ ТП, согласования этой базы данных между разработчиком паротурбинной установки, проектной организацией, разработчиком программно-технического комплекса АСУ ТП.

В современной практике главная государственная экспертиза (мероприятие, венчающее разработку проекта) может выполняться в 2‑5 итераций. Зачастую проектирование заканчивается после окончания строительства и окончания пусконаладочных работ.

Стройка

При строительстве объекта должны быть взаимно увязаны, в первую очередь, многие логистические процессы. Например, срок поставки турбины должен быть согласован с возможностью хранения оборудования на площадке строительства, возможностью приемки элементов турбины в монтаж. Необходимо учитывать, что для различного оборудования должны применяться различные условия хранения.

Для непрерывного строительства фундамента должна быть обеспечена поставка конденсатора, подогревателей сетевых горизонтальных к моменту окончания заливки колонн фундамента, а к моменту окончания монтажа верхнего строения фундамента на площадке должны находиться фундаментные рамы.

Безусловно, наиболее сложный этап строительства и монтажа — окончание строительства. Этап строительства, когда на площадке находится максимальное количество подрядчиков, когда должны быть увязаны процессы окончания возведения строительных конструкций, монтажа тепломеханического оборудования, окончание сборки основного оборудования, начало наладки, индивидуальные испытания оборудования.

На этом и следующем этапе на стройке трудятся монтажные и строительные организации, авторские надзоры проектных организаций и шеф-надзоры поставщиков и разработчиков оборудования, наладочные организации, государственные органы, представители заказчика.

Пусконаладка

Несомненно, сложнейшим этапом создания энергообъекта является этап пусконаладочных работ. Это момент истины для сложного оборудования, собранного и привезенного со всей страны и из соседних стран. Момент истины для проверки правильности проектных решений, конструкторских решений. Этап, когда проводятся комплексные испытания на холостом ходу и под нагрузкой, гарантийные и тепловые испытания. Точка, в которой сходятся векторы усилий тысяч людей и сотен организаций.

Зачастую любые отклонения от ожидаемого поведения оборудования, вызванные ошибкой на любом этапе создания, будь то проектирование, производство, монтаж, наладка, на этом этапе являются максимально критичными. Это связано с тем, что возможности для устранения отклонений сильно ограничены в связи с тем, что к данному этапу традиционно накапливаются все отставания на предыдущих этапах реализации проекта, и времени на устранение отклонений практически не остается.

Поскольку турбинное оборудование является главным генерирующим оборудованием, многие нестыковки различных разделов проектов и различных организаций проявляются именно на этом этапе. На этапах монтажа и пусконаладки специалистам турбинного завода приходится «быть онлайн в режиме 24/7».

Создание современного энергетического оборудования — это не процесс применения каталожного серийного изделия. Но большой и сложный комплекс взаимо­связанных работ на множестве различных уровней деятельности, таких, как проектирование, производство, монтаж, пусконаладка. При этом одинаковых проектов не бывает. Даже строительство трех одинаковых энергоблоков на одной станции, но разнесенных во времени на несколько месяцев, — это три разных проекта со своими особенностями, сложностями, и результатами.

Опубликовано в газете «Энергетика и промышленность России» № 23−24 (379−380) декабрь 2019 года.