Новая разработка учёных повысит эффективность ТЭС и АЭС

В этой статье мы посмотрим, как российские ученые пытаются вывести на рынок турбинные лопатки из титанового сплава, которые используются в производстве электроэнергии. Основа статьи взята с платформы «Экспир» — портала, с помощью которого ученые могут найти финансирование на проекты, а также проверить свою разработку на оригинальность.

Система Экспир помогает участникам ФЦП "Исследования и разработки"

Наши инструменты — обучающие материалы, проверка работы на оригинальность, всегда свежая информация о конкурсах и конференциях

Кто занимается разработкой:

Центральный научно-исследовательский институт конструкционных материалов «Прометей» — разработчик серии высокопрочных и хладостойких сталей, титановых и алюминиевых сплавов, полимерных композиционных материалов. Из материалов, созданных в ЦНИИ КМ «Прометей», построен отечественный Военно-Морской Флот, большое число гражданских судов различного назначения, а также ледостойкие платформы и атомные электростанции.

Корпорация «ВСМПО-АВИСМА» — крупнейший производитель титана, основной поставщик для таких компаний, как Airbus и Boeing.

ОАО «Силовые машины» — крупнейшая энергомашиностроительная компания России, имеет международный опыт и компетенцию в области проектирования, изготовления и комплектной поставки оборудования для тепловых, атомных, гидравлических и газотурбинных электростанций.

Что делают:

Титановые турбинные лопатки, которые применяются в производстве электроэнергии.

Эксперты, прокомментировавшие проект:

Олег Перцовский

Олег Перцовский — директор по научно-технической деятельности кластера «Энерготех» Фонда Сколково. Возглавлял Управление стратегии и риск-менеджмента в ОАО «СУЭК», входящем в 10 крупнейших угольных компаний мира. Являлся заместителем финансового директора по стратегии ООО «Сибирская генерирующая компания». С 2003 по 2008 год работал в ОАО РАО «ЕЭС России» в должностях заместителя начальника Департамента экономического планирования и анализа, советника заместителя Председателя Правления и отвечал за долгосрочное прогнозирование деятельности компании, макроэкономический анализ, внедрение механизмов Киотского протокола, участвовал в реформировании энергетической отрасли.

История

Именно паровые турбины являются основой производства электроэнергии — они участвуют в генерации более чем 80% всей вырабатываемого в мире электричества. Эффективность турбин можно и нужно улучшать.

Самый сложный элемент паровой турбины — ротор с лопатками, который внешне напоминает гигантский вентилятор. Если увеличить длину лопаток, сохранив частоту вращения и кольцевую площадь, можно кратно повысить эффективность работы всей турбины. Поэтому примерно каждые 5 лет компании-производители переходят на лопатки большего размера.

Еще один способ повысить отдачу от электростанции — сделать лопатки из титанового сплава. Титан отличается повышенной прочностью и надежностью, меньшими показателями износа. В целом, самым перспективным направлением для повышения эффективности турбин является создание длинномерных титановых лопаток.

Исследования по использованию титана в оборудовании для производства электроэнергии ведутся по всему миру уже более 30 лет. Турбинные лопатки из титанового сплава получили всемирное признание у электрических компаний, в Китае они занимают более 80% рынка. Российская технология изготовления лопаток во многом отстает от разработок мировых конкурентов.

Чтобы сократить зависимость от зарубежного оборудования, в марте 2012 года в рамках Федеральной целевой программы «Исследования и разработки» Минобрнауки России объявило конкурс «Разработка технологии изготовления сверхдлинных заготовок турбинных рабочих лопаток из высокопрочного деформируемого титанового сплава с использованием целенаправленного формирования микро- и нанокристаллической структуры». Победителем конкурса стали ЦНИИ КМ «Прометей» и Корпорация «ВСМПО-АВИСМА».

Ученые разработали технологию, по которой можно изготовить турбинные лопатки с длиной рабочей части 1400 мм, модернизировали получившееся оборудование и создали оснастку для производства штампованных заготовок длинномерных лопаток. Заготовки отличаются от имеющихся зарубежных и российских аналогов в области турбино- и авиастроения. Главным стало обеспечить равномерную деформацию промежуточной заготовки при высоком запасе пластичности.

Вообще, лопатки всегда производятся на заказ, под машину, ротор. Форма лопатки, её конструкция — это всегда «ноу-хау» разработчика. Так что для презентации своей разработки ученые сделали прототипы некольких форм. Главное — показать мощность получившихся лопаток. Мощность равна 1100 МВт, что закрывает интервал от 1400 мм до 1750 мм.

Олег Перцовский

Само по себе использование титана (в т.ч. производства ВСМПО-Ависма) для производства лопаток последней ступени паровых турбин давно известно и внедрено. В то же время упоминается титановый сплав с нанокристаллической структурой, который может отличаться от используемых сейчас сплавов. Уже сейчас ОАО «Силовые машины» производит рабочие лопатки длиной 1350 мм, а для тихоходных турбин разрабатываются лопатки длиной до 2000 мм. В проекте речь идёт о длине лопаток 1400 мм, но, возможно, говорится о разных видах турбин. С учетом известности и высокой репутации ЦНИИ КМ «Прометей» и Корпорации «ВСМПО-АВИСМА», можно предположить, что речь идёт действительно о значительном совершенствовании существующих конструкций лопаток.

Рынок

С точки зрения инновационного развития, энергетика может казаться достаточно консервативной отраслью. Срок службы основного оборудования составляет несколько десятков лет, а его обновление требует значительных инвестиций с большими сроками окупаемости. Если, к примеру, циклы появления и устаревания технологий в IT-секторе меняют практически весь облик отрасли за несколько лет, то в электроэнергетике эти обновления проходят не быстрее, чем за несколько десятков лет.

Тем не менее, спрос на представленную технологию в нашей стране высокий, так как дизайн и характеристики турбинных лопаток создаются непосредственно под вид определенной турбины, а атомная отрасль России для иностранных конкурентов закрыта.

По прогнозам Международного энергетического агентства, Министерства энергетики США и ИМЭМО РАН, постоянно растущее потребление электроэнергии к 2020 году достигнет отметки 22 трлн КВтч. Чтобы мир не оказался в ситуации глобального энергетического голода, производителям электричества нужны новые, более мощные и экономичные электростанции.



Заготовки (биллеты) для изготовления турбинных лопаток



Турбинные лопатки из титанового сплава

У компаний-участников проекта есть конкуренты. Например, C*Blade Forging & Manufacturing специализируется на производстве штампованных лопаток для энергетического и нефтегазового сектора. Компания производит полную гамму лопаток с точки зрения размеров, веса и уровня обработки. Длина произведенных лопаток достигает 1500 мм. C*Blade уже является поставщиком нескольких российских компаний.

Олег Перцовский

Рынок энергетического оборудования в РФ и в мире очень значителен. Даже несмотря на то что в РФ основной этап заказа оборудования для строительства новых станций и реконструкции действующих в рамках ДПМ (договора предоставления мощности) уже завершен, и рынок ограничивается постепенным замещением оборудования, рынок всё равно остается значительным. Наибольшие перспективы могут быть при выходе на зарубежные рынки за счет поставки новых лопаток зарубежным производителям турбоагрегатов, конечно, при наличии конкурентных преимуществ по сравнению не только с российскими, но и с зарубежными аналогами.

Перспективы и деньги

Производство предполагается запустить на базе российского потребителя длинномерных лопаток из титановых сплавов — индустриального партнера проекта ОАО «Силовые машины». Это поставщик быстроходных и тихоходных турбинных машин.

А производство серийной партии штампованных заготовок для лопаток планируется организовать на базе Корпорации «ВСМПО-АВИСМА». До 2015 года компания намерена инвестировать в развитие производства порядка 24 млрд рублей при осуществленных в 2012 году инвестициях в размере 6 млрд рублей.

Выводы

Олег Перцовский

На потенциал коммерциализации будет влиять соотношение технических и ценовых характеристик нового продукта. Стоимость титана в несколько раз превышает стоимость стали, поэтому, несмотря на его преимущества по прочностным характеристикам, необходим детальный сравнительный анализ характеристик новых титановых лопаток по сравнению с существующими титановыми лопатками и другими решениями. В частности, существуют методы нанесения на стальные лопатки покрытий, значительно повышающих их износостойкость, при этом затраты на такое нанесение могут быть значительно ниже, чем использование титана. Рынок производителей турбинных лопаток в РФ очень концентрирован, в связи с чем важным фактором успеха проекта является предварительная договоренность с кем-то из них о внедрении разработки.