Эволюция газовых турбин

В декабрьском номере «Энерговектора» за 2015 г. мы опубликовали интервью с профессором Клаусом Ридле, который участвовал в разработке высокотемпературных газовых турбин в Германии в начале 2000-х годов. Сегодня мы продолжаем тему развития современных газотурбинных технологий. Предлагаем вниманию читателей интервью с нашим соотечественником Николаем Ротмистровым — директором Департамента «Производство энергии и газ» ООО «Сименс».

Николай Ротмистров

— Николай Юрьевич, на каком этапе развития сегодня находится газотурбинная технология? Каковы резервы дальнейшего повышения КПД?

— Эффективность газовой турбины, как тепловой машины, зависит от качества процесса горения в камере сгорания, температуры газа, степени сжатия в цикле и от КПД таких элементов установки, как компрессор и турбина. По всем этим показателям мы очень близко подошли к естественным пределам. Сегодня идёт борьба за повышение температуры на дополнительные 20—30 градусов и за лишние полпроцента КПД компрессора и турбины, растёт степень сжатия в компрессорах, но о приросте общего КПД на 5—10% говорить уже не приходится.

Тем не менее резервы есть. Они связаны с улучшенными способами расчёта аэродинамики, усовершенствованными методами охлаждения, новыми материалами, применением специальных покрытий, которые позволяют лопаткам выдерживать более высокие температуры.

В основном повышение эффективности сегодня достигают системными решениями, в первую очередь — различными методами утилизации тепла исходящих из турбины газов. Один из них — это парогазовый цикл, где тепло идёт на нагрев воды, получение пара и в дальнейшем его использование в паровой турбине для получения дополнительной электрической мощности. В этом случае КПД энергоблока повышается с 40 до 62% (это сегодня рекордные показатели для ГТУ и ПГУ). Именно в развитии систем мы видим большие резервы повышения КПД, считая 65% вполне достижимым уровнем.

— Неужели более нет направлений для серьёзного технологического прорыва?

— Прорыв в своё время совершили монокристаллические лопатки, затем — монокристаллические с охлаждением, но это всё произошло в начале 1990-х. С тех пор ничего принципиально нового, если говорить о повышении прочности основных элементов турбин, не произошло.

Я проработал в авиации 14 лет, ушёл из неё в 1994 г. Я знаю, что техника, которая считается новой и находится на стадии опытной эксплуатации с перспективой войти в строй лет через пять (например, истребитель Т-50), закладывалась 25 лет назад. Причём Россия в этом смысле не исключение, в Штатах такие же темпы. Последний американский истребитель F-35 закладывался ещё в то время, когда я работал в авиапроме.

Существует мнение, что по совокупности решений, объединённых в систему, газовые турбины — это самый сложный технический объект, который человечество создало в XX веке. Более сложный, чем космический аппарат, микропроцессор, атомная электростанция или термоядерная бомба.

— Как Вы полагаете, в нынешних условиях есть ли шанс у новых игроков выйти на рынок газовых энергетических турбин?

— Здесь важно выяснить, что мы понимаем под новыми игроками. У компаний с абсолютно оригинальными разработками, наверное, шансов не очень много, поскольку входной барьер в газотурбинные технологии весьма высок. Рынок требует очень крупных инвестиций в НИОКР на этапе разработки, которые возвращаются далеко не сразу. Нужны очень серьёзные технологическая база, школа проектирования, конструкторские наработки и, между прочим, развитая сервисная служба. Потому что можно создать очень хорошую турбину, но если у неё не будет сервиса, её вряд ли кто купит. А если предполагается глобальное применение, значит, потребуется и глобальный сервис.

Новому игроку достаточно сложно всё это обеспечить. Тем более что компании работают в общей конкурентной среде, то есть ни у кого нет некоего изолированного пространства, где можно в течение, допустим, десяти лет развиваться, заниматься проектированием и созданием базы. К тому же следует учесть финансовые ограничения. Кто сможет привлечь дополнительное финансирование для создания турбины абсолютно новой конструкции?

Более реален другой вариант. Могут появляться нишевые игроки, которые в силу каких-то причин оказались в изоляции от основного рынка, как, например, Иран. За время санкций там создали свою школу газотурбинных технологий. Сейчас иранцы могут поставлять на рынок пусть не совсем оригинальные ГТУ, пусть скопированные, но достаточно качественные.

По тому же направлению идёт и Китай, который сейчас занимается лицензированием. То есть китайцы покупают лицензии и выходят на рынок с копиями уже известных моделей газовых турбин. В таком ключе новые игроки могут появиться, особенно в области турбин малой и средней мощности. Разработки абсолютно новых конструкций, новых типов газовых турбин, думаю, сегодня невозможны.

— Будет ли дальше сокращаться число производителей сверхмощных ГТУ?

— Дальше практически уже некуда. Турбины мощностью больше 300 МВт выпускали четыре компании: General Electric, Siemens, Mitsubishi Heavy Industries и Alstom. Но Alstom, как известно, недавно стала частью General Electric.

В Европе антимонопольный регулятор не дал разрешения на полное слияние GE и Alstom. И всё, что касается новых разработок Alstom в области больших турбин, было передано компании Ansaldo. У неё есть совместное предприятие с Shanghai Eleсtric. Это СП вполне способно выйти на рынок с перспективными турбинами, которые проектировались в Alstom. Тогда и возникнет четвёртый игрок на рынке. Честно говоря, больше я не вижу никого, кто бы мог работать в этой сфере.

— Есть ли успехи в компьютерном моделировании турбин?

— Есть определённое продвижение. Основные усилия здесь направлены на сокращение сроков доводки турбин и уменьшение соответствующих затрат. Была даже идея создания чисто математической газовой турбины, когда модель существует только в компьютере и все происходящие в ней процессы просчитываются. Это тоже задумка 1990-х годов. Тогда вычислительной мощности компьютеров не хватало. Сейчас, наверное, уже хватило бы, но опыт показал, что уточнять параметры процесса на математических моделях имеет смысл лишь до определённого предела, потому что реальные процессы всё равно отличаются от того, что можно рассчитать на компьютере.

Чтобы из первого пилотного образца сделать серийный двигатель, газовую турбину, которая обладала бы всеми заявленными параметрами, такими, как срок службы, нужно порядка пяти лет. Раньше на этом этапе приходилось изготавливать десятки образцов, на которых инженеры постепенно доводили решения и устраняли ошибки проектирования. А сейчас процесс доводки существенно сократился благодаря математическому моделированию. Но сразу, с первого образца, получить двигатель с расчётными параметрами пока не выходит.

— Почему не были доведены до ума отечественные мощные газовые турбины и ПГУ?

— Здесь, наверное, нужно обратиться к истории. Самые первые газовые турбины большой мощности были созданы именно в Советском Союзе. В конце 1970-х они были установлены на Электрогорской ГРЭС им. Р. Э. Классона и на Краснодарской ТЭЦ. Но, к сожалению, эти разработки так и остались на уровне неких прототипов, которые больше простаивали, чем работали.

Особой экономической мотивации продвигать это направление в Советском Союзе не было, хотя техническая база имелась. Потому что в стране были очень хорошо развиты паросиловые технологии, разработаны хорошие надёжные паровые турбины, имелись дешёвые газ, нефть и уголь. Крупнейшие зарубежные игроки, которые сейчас присутствуют на рынке, стали создавать большие газовые турбины одновременно с СССР и даже чуть позже. И они преуспели благодаря технико-экономическим преимуществам и высокой эффективности, что было важно при дорогом топливе.

В нашей стране школа проектирования мощных турбин была фактически утеряна. Хотя определённые работы велись всегда, с 1980-х это направление стало отставать. Потом наступили трудные 1990-е… И в итоге в начале нынешнего века выяснилось, что в России нет газовой турбины, которая могла бы конкурировать с лучшими иностранными образцами даже на внутреннем рынке.

Турбина ГТЭ-110, установленная на «Ивановских ПГУ», была спроектирована не в России. Её создали в НПО «Машпроект» (Николаев, Украина) на базе опыта проектирования небольших турбин для морского применения. После распада Советского Союза украинская ГТУ была передана на доработку в НПО «Сатурн». Первую такую установку я лично видел в «Сатурне» в 1994 г. За 22 года, которые прошли с тех пор, было изготовлено семь образцов. Все они, так или иначе, сломались, потом восстанавливались, переделывались. Сейчас, по-моему, есть два реально действующих экземпляра, в которых по-прежнему остаётся огромное количество недоработок.

Этап доводки не был завершён в силу нехватки средств (сами понимаете, середина 1990-х — не самое лучшее время для инвестиций в современные технологии), а также из-за отсутствия соответствующей инженерной школы.

НПО «Сатурн» — это авиационное предприятие. Доводка авиационных двигателей от прототипа до серийного изделия всегда шла на большом количестве образцов — от 30 до 50. Но с турбиной мощностью 110 МВт такие вещи не проходят: слишком дорого. А школы доводки ГТУ на малом количестве образцов у нас нет. В 1990-е не было и технологических возможностей, потому что часть производителей компонентов и материалов осталась за пределами России. Поэтому и шло «медленное варение в собственном соку» в попытке эту турбину всё-таки довести до ума. За это время за рубежом создали два новых поколения ГТУ. Фактически, даже если сейчас довести ГТЭ-110 до серийного производства, и по уровню КПД, и по ресурсу, и по экологическим показателям установка будет на два-три поколения отставать от того, что сейчас реально присутствует на рынках, в том числе и в России. Так что особого смысла я в этом не вижу.

— Как же нам поднять наше отечественное производство мощных ГТУ?

— Давайте обратимся к истории советской авиации. Как создавалась отечественная авиационная промышленность? Она возникла в конце 1920-х путём лицензирования и копирования немецких и (в меньшей степени) английских образцов. На этом этапе была создана инженерная школа: на предприятиях растили конструкторов, расчётчиков, металловедов, технологов производства. Строились заводы, формировались конструкторские бюро. Научившись путём копирования работать так, как работают другие, они стали создавать собственные образцы. И уже к концу 1930-х у нас была совершенно оригинальная авиационная техника, а к завершению Второй мировой войны она стала доминирующей, по крайней мере в Европе.

После войны наступила эра реактивной авиации, и опять же все первые образцы наших реактивных самолётов базировались на трофейных немецких и лицензионных английских двигателях. После этого мы создали свою школу реактивного самолётостроения, на базе которой стали развивать оригинальные образцы советской авиатехники, и по сей день одни из лучших в мире.

Этим путём разумно идти и в энергетике. Он займёт гораздо меньше времени, чем попытки создать что-то абсолютно уникальное, российское, просто ради того, чтобы оно было целиком отечественным. Перепрыгнуть технологии через два или три поколения всё равно не удастся, придётся постоянно догонять уходящего вперёд конкурента.

Лучше сразу взять лучшие образцы, научиться их изготавливать и уже потом попытаться создать что-то своё, радикально новое. С этой точки зрения хороший вариант — совместные предприятия, такие как «Сименс Технологии Газовых Турбин» (СП концерна и «Силовых машин») и «Русские газовые турбины» (СП General Electric, Группы «Интер РАО» и ОАО «ОДК»). Это наиболее дешёвый, эффективный и проверенный путь: им прошли китайцы и, в известной степени, индусы. А потом, когда мы будем готовы к технологическому рывку, сможем попробовать создать что-то своё, оригинальное.

— Острый вопрос — сервис импортных газовых турбин, который резко подорожал в рублях. Имеются ли у компании Siemens программы локализации сервиса?

— Такая программа есть, она идёт рука об руку с программой общей локализации. В плане сервиса необходимы, прежде всего, обучение местного персонала, а также возможность покупать запасные части в России. Одним из элементов локализации является квалификация российских субпоставщиков с тем, чтобы они могли поставлять запчасти как для новых турбин, так и для сервиса. Собственно, в этом локализация сервиса и состоит: иметь возможность производить запчасти здесь и обрести персонал, который умеет обслуживать газовые турбины.

— Разве будет оправдано производство в России большого перечня фирменных запчастей?

— Должен сказать, что Siemens производит далеко не все компоненты турбин. 70% компонентов покупается на рынке. На некоторые детали мы имеем права интеллектуальной собственности, заключённые в конструкторской и рабочей документации, но сами мы их не изготавливаем.

Например, в компании Siemens нет производства лопаток. Разработка наша, технология производства согласована, контроль качества совместный, но изготавливает их независимая компания. Она же поставляет лопатки и General Electric, и Ansaldo, и Alstom. В мире есть несколько крупных производителей лопаток, все они — независимые поставщики.

— Какую роль играет государственная поддержка разработчиков газотурбинных технологий?

— Господдержка крайне важна. Если провести аналогию, например, со спортом, то государство должно построить стадион и организовать соревнования. А дело спортсменов и тренеров — показать на них лучшие результаты.

Государство, во-первых, должно создать технологическую, инженерную, конструкторскую базу, выстроив систему обучения, развивая науку и определённые базовые технологии, такие как создание и производство новых материалов. Частным компаниям подобные задачи не под силу. И, во-вторых, государство должно задать условия на рынке, которые позволят привлечь инвесторов, в том числе международных, в сферу газовых турбин.

— Это как почва, в которую нужно посадить «ростки локализации»?

— Что такое локализация? Это понятие включает пять основных элементов: обученный персонал, рабочую документацию, производственные предприятия с определённым набором оборудования, предоставленную технологию и местных субпоставщиков. Когда выполнены все пять условий, передача технологии становится необратимой. Можно разорвать лицензионное соглашение, но все названные элементы системы останутся в стране, на их базе можно будет что-то производить.

Для любой иностранной компании в процессе локализации существует определённая точка невозврата. Мы тоже понимаем, что, передавая технологию, создаём себе определённые риски, что технология никогда не вернётся и будет использоваться вне нашего контроля. Чтобы спокойно пойти на локализацию производства, нам нужно почувствовать привлекательность проекта, получить такой объём твёрдых заказов, который позволил бы окупить инвестиции к моменту, когда точка невозврата будет пройдена.

Подобные условия интересны и для инвестора, потому что он возвращает инвестиции и зарабатывает на заказах, и для государства, потому что оно получает технологию, которую потом может использовать в любых условиях. Такими должны быть правила игры.

— Спасибо за интересную беседу.

http://www.oilru.com/likbez/read/178/