Генерирующие установки для малой энергетики

Специфические требования и условия работы объектов МЭ были побудительным мотивом к разработке энергоагрегатов, в наибольшей мерс отвечающих этим требованиям. Приход в электроэнергетику высокоэффективных газотурбинных (ГТД), газопоршневых (ГПД) и газодизельных (ГДД) двигателей широкого диапазона мощности — от десятков киловатт до сотен мегаватт — начался в 1980;е гг. Существенно раньше для автономного электроснабжения стали применять двигатели внутреннего сгорания (ДВС) и дизельные двигатели. Двигатели внешнего сгорания (наиболее известный их представитель — машина Стирлинга) пока находят весьма ограниченное применение в энергетике. На основе ГТД, ГПД и ГДД начали сооружать энергетические комплексы (установки) для комбинированной выработки электроэнергии и тепла.

Газотурбинные, газопоршневые и дизельные двигатели и двигатели внешнего сгорания

Газотурбинные двигатели, на основе которых создаются энергетические газотурбинные установки, можно объединить в 3 основных группы:

• • авиационные реактивные газотурбинные двигатели;
• • газотурбинные двигатели для морских судов;
• • газотурбинные двигатели, созданные специально для энергетического применения.

В англоязычной литературе первый и второй типы ГТД объединены под одним названием aeroderivative gas turbine engine; ГТД третьего типа названы heavy-duty gas reciprocating engine. (Для краткости первые два будем обозначать как aeroderivative ГТД (AD-ГТД), третий — heavy-duty ГТД (HD-ГТД)).

AD-ГТД — более форсированные и легкие установки, отличающиеся простотой обслуживания, меньшими требованиями к инфраструктуре, но обладающие меньшим ресурсом.

Конвертированные для газового топлива судовые двигатели в спектре газотурбинной техники заняли нишу между конвертированными авиационными и двигателями, созданными специально для энергетического использования. Такие установки имеют достоинства авиационных двигателей: небольшие вес и габариты, легкость замены двигателя целиком или его отдельного модуля для выполнения высококачественного ремонта в условиях специализированного производства, высокая приемистость, что позволяет использовать их в пиковом режиме. Кроме того, технологии, материалы и покрытия, используемые при создании этих двигателей, позволяют применять их в условиях морского климата: на судах, морских платформах, береговых и прибрежных объектах и т. д.

HD-ГТД — это значительно более тяжелые установки, имеющие постоянную частоту вращения, равную частоте вращения генератора. Для обеспечения надежности, тепловой экономичности, снижения стоимости и эксплуатационных затрат данные энергетические ГТД проектируются по простейшему циклу. Технические решения таких установок соответствуют принципам, исторически сложившимся в энергетическом машиностроении: тяжелый жесткий вал, подшипники скольжения, лопатки постоянного профиля на основном протяжении проточной части (кроме первых ступеней компрессора и последних ступеней турбины) и т. п. Основным охладителем для рабочих лопаток и лопаток соплового аппарата является воздух. HD-ГТД предъявляют более высокие требования к строительным работам и инфраструктуре. Срок службы таких установок значительно выше и примерно соответствует сроку службы паротурбинных установок (блоков).

В диапазоне мощностей от единиц до 15−20 МВт среди установленных и представленных на рынке ГТД преобладают AD-ГТД, в области мощностей более 100 МВт — HD-ГТД крупнейших фирмпроизводителей.

Пятерку мировых «центров компетенции» в области газотурбинной техники образуют зарубежные фирмы «Кэпстоун», «Хоневелл Пауэр Системз», «Элиот Энсрджи Систсмз», «Боулин Пауэр Системз», «Кавасаки».

Россия может занять шестое место на мировом рынке газотурбинной техники благодаря успешному развитию в последнее десятилетие НПО «Сатурн» и более десятка других предприятий, в основном бывшего Авиапрома СССР. Они реализуют комплекс промышленных программ, в том числе в сфере энергетического машиностроения, по заказам электроэнергетических, газовых и нефтяных компаний, муниципальных образований. На российских предприятиях за последние 10−15 лет разработаны и начали производиться малые ГТД около 20 типоразмеров мощностью от 1 до 25 МВт. Внешний вид ГТУ показан на рис. 7.2.

ОАО «Сатурн — Газовые турбины» (дочернее предприятие НПО «Сатурн») начал серийный выпуск ГТД мощностью более 100 МВт.

При государственной поддержке предприятия могли бы выпускать сотни таких ГТД ежегодно.

Рис. 7.2. Внешний вид ГТУ российского производства

Главные достоинства ГТД и энергетических установок на их основе (ГТУ) в сравнении с паротурбинными установками (ПТУ) заключаются в следующем:

• 1. Малый удельный вес, компактность, простота транспортировки и легкость монтажа; современные ГТУ (особенно на основе AD-ГТД мощностью не выше 16 МВт) поставляются в виде одного или нескольких блоков полной заводской готовности, требующих минимального объема монтажных работ (либо не требующих их вовсе) и предъявляющих низкие требования к строительным работам и инфраструктуре.
• 2. Малые объемы вредных выбросов в окружающую среду.
• 3. Возможность организации сервисного обслуживания, в том числе с быстрой заменой газотурбинного привода ГТУ или агрегатов.
• 4. Относительно низкие капитальные вложения и малые (для энергетических объектов) сроки окупаемости.
• 5. Высокая маневренность и скорость набора нагрузки; даже для крупных ГТД время выхода на полную мощность измеряется десятком минут, в отличие от паротурбинных установок, пуск которых из холодного состояния занимает десятки часов.
• 6. Большинство ГТД допускают перегрузки, т. е. увеличение мощности выше номинальной. Достигается эго путем повышения температуры рабочего тела. Продолжительность таких режимов не должна превышать нескольких сотен часов во избежание заметного снижения ресурса установки.
• 7. Высокая экономическая эффективность ГТУ, достигаемая за счет когенерации (создание ГТУ-ТЭЦ), когда в базовом режиме их работы они производят не только электроэнергию, но и тепло (для отопления, ГВС, для отпуска тепла на производственные нужды). ГТУ в режиме когенерации имеют эффективный коэффициент использования топлива 90%. На 1 кВт электрической мощности при этом вырабатывается 1,3−2,5 кВт тепловой. При когенерации стоимость электроэнергии снижается на 20−45%, что позволяет ГТУ-ТЭЦ во многих регионах конкурировать с крупными электростанциями и по стоимости вырабатываемой энергии [7]. Срок их окупаемости 3−4 года.

Примечательно, что во многих странах (за исключением России и большинства бывших республик СССР), использующих в энергетике большие объемы газа, применение других технологий запрещено.

Прогнозируемая динамика внедрения ГТУ-ТЭЦ (в основном небольшой мощности) в странах ЕС показана в табл. 7.2 [1].

Таблица 7.2.

Рост суммарной мощности ГТУ-ТЭЦ в странах ЕС

В российских условиях уже в настоящее время малые ГТУ-ТЭЦ оказываются эффективными нс только в удаленных и вновь осваиваемых регионах. Расширение сферы газификации на средние и малые города и поселки обеспечивают их активное вовлечение в структуру генерирующих мощностей многих регионов страны. Оценки показывают, что в перспективе сооружение малых ГТУ-ТЭЦ вместо неэкономичных устаревших котельных в городах и поселках городского типа составит в целом по стране 25−35 ГВт к 2020 г. и 35−50 ГВт к 2050 г., т. е. до 10−15% от суммарной установленной мощности генерации.

Для ГТД характерны и недостатки, сужающие область их конкурентного преимущества:

• • достаточно высокие требования к качеству газового топлива, связанные с необходимостью предотвращения высокотемпературной коррозии на лопатках турбины (ограничения, как правило, накладываются на суммарное содержание серы и щелочных металлов);
• • необходимость предварительного сжатия газового топлива, заметно удорожающего производимую энергию (особенно для малых ГТУ) и в ряде случаев препятствующего их внедрению в энергетику. Для современных ГТД с высокими степенями сжатия воздуха необходимое давление топливного газа может превышать 25−30 кг/см² (избыточное давление топливного газа над давлением сжатого воздуха должно быть не ниже 5−10 кг/см²);
• • резкое падение КПД при снижении нагрузки, особенно присущее HD-ГТД; AD-ГТД располагают более развитым механизмом управления лопаточным аппаратом компрессора, что частично сглаживает этот недостаток; кроме того, переменное число оборотов свободных валов также несколько поддерживает уровень КПД. Тем не менее, эффективность использования ГТД в области нагрузок ниже 60−50% весьма проблематична;
• • срок службы ГТД значительно меньше, чем у других энергетических установок, и находится обычно в интервале 45−125 тыс. часов. Нижняя граница относится к форсированным AD-ГТД. Однако как в мировой, так и в российской практике газотурбостроения наблюдается заметный прогресс в увеличении ресурса ГТД.

В последнее время использование газообразного топлива в ДВС получило большое распространение и, соответственно, увеличиваются масштабы применения газопоршневых двигателей (ГПД).

Среди ДВС, использующих газообразное топливо, можно выделить 3 группы:

• 1. Дизельные двигатели, переведенные на частичное сжигание газа. Это так называемые двухтопливные дизели. Количество потребляемого жидкого топлива в них может меняться от 100 до 10−15% в процессе эксплуатации. Остальная часть топлива — природный газ, который смешивается с воздухом на входе в двигатель. При этом воспламенение топливной смеси может происходить либо самостоятельно (от повышения температуры), либо от постороннего источника воспламенения.
• 2. Газопоршневые двигатели, основным топливом для которых является газ, а небольшая доля жидкого топлива впрыскивается для инициации воспламенения газовоздушной смеси либо в цилиндр, либо (значительно чаще) в специальную форкамеру. Воспламенение может происходить также двумя упомянутыми выше способами.
• 3. Чисто газовые ГПД, работающие только на газовом топливе. Отличаются пониженной степенью сжатия и в большинстве случаев меньшей экономичностью. Источник воспламенения — свеча.

По мощности ГПД обычно подразделяют на 3 группы: малые, средние и большие.

Малые — мощностью менее 190 кВт, работающие, как правило, по двухи четырехтактному циклу с 4−6 цилиндрами (иногда оснащенные турбонаддувом).

Средние — мощностью 200−750 кВт, используемые на передвижных электростанциях и других потребителях механической энергии. Число цилиндров у таких двигателей — 6−12. Они оснащаются турбонаддувом.

Большие - мощностью более 750 кВт, являющиеся источниками основного и резервного энергоснабжения на крупных предприятиях и электростанциях. В большинстве своем они работают в стационарном режиме по двухтактному циклу с турбонаддувом при частоте вращения вала не более 500−750 об/мин.

В настоящее время ГПД успешно конкурируют и с дизельными, и с газотурбинными установками, что обусловлено имеющимися у них преимуществами:

• • значительно меньшими вредными выбросами газотопливных двигателей по сравнению с жидкотопливными, рис. 7.3;
• • быстрым развитием сети газоснабжения;
• • низкой стоимостью единицы установленной мощности: ТЭЦ мощностью 10 МВт на основе ГПД требует вложений около 7,5 млн долл., а на основе ГТД — около 9,5 млн долл.;
• • лучшим удельным весовым показателем (отношением веса к мощности). Объясняется это тем, что оборудование, обеспечивающее подачу газа в двигатель, значительно легче, чем комплекс агрегатов, связанных с хранением и подачей жидкого топлива;
• • большей скоростью увеличения стоимости жидкого топлива по сравнению с газообразным. В зависимости от местных условий отношение стоимости единицы тепла в дизельном топливе и природном газе в России составляет 10−30;

Рис. 7.3. Уровень вредных выбросов при работе дизеля и ГПД

• • более высоким и менее зависимым от нагрузки КПД;
• • безопасностью — отсутствием высоких температур, давлений, моментов инерции;
• • большим сроком службы поршневых двигателей на газовом топливе — до 300 000 моточасов, или 37 лет, при эксплуатации по 8000 часов в год, что делает мини-ТЭЦ надежным источником бесперебойного энергообеспечения;
• • ГПД может запускаться и останавливаться неограниченное число раз, что практически не влияет на общий моторесурс двигателя, тогда как 100 пусков ГТД уменьшают ресурс турбины на 500 часов;
• • время до принятия нагрузки после старта составляет у ГПД — 2−3 мин, а у газовой турбины — 15−17 мин;
• • меньшей зависимостью КПД ГПД от температуры окружающего воздуха;
• • мобильностью;
• • широким диапазоном рабочих режимов — от 15−20 до 110% (в пиковом режиме) номинальной мощности при пропорциональном расходе топлива;
• • малым сроком окупаемости — от 3 до 5 лет;
• • автономностью миии-ТЭЦ на их базе, производящих электроэнергию и тепло на месте потребления и дающих гарантию от перебоев или аварийных отключений, дополнительных потерь энергии;
• • возможностью относительно просто решать острый вопрос неравномерного суточного потребления электроэнергии, неразрешимый для крупных генерирующих установок;
• • «всеядностью» — ГПУ могут работать на природном газе, пропане, бутане, попутном нефтяном газе, коксовом газе, биогазе и т. д.

Среди недостатков поршневых машин необходимо отметить следующие:

• 1. Ограниченная мощность — до 5 МВт для одной машины. Однако это не является критичным, поскольку средний промышленный потребитель в России имеет установленную мощность в 1−2 МВт. При необходимости может быть установлено несколько параллельно работающих агрегатов. Имеются примеры установки до 40 агрегатов в одной локальной системе. К тому же, финская фирма Wartsila выпускает энергетические ГПУ с единичной электрической мощностью свыше 16 МВт.
• 2. Повышенная (на порядок) потребность в смазочном масле по сравнению с газовыми и паровыми турбинами. Проблема смазки для ГПУ (как, впрочем, и для дизелей) превращается не только в техническую, но и в экономическую проблему. В области мощностей 50−200 кВт расход масла может достигнуть 2,5−3,0 г/кВт-ч, что в стоимостном выражении составляет существенную долю в общих эксплуатационных затратах, особенно если двигатель работает на дешевом газовом топливе.

В нашей стране разработаны энергоблоки мощностью до 5 МВт на базе нескольких ГПД, а также ГПД с единичной мощностью 1 и 1,5 МВт. Моторостроительные заводы России способны производить такое количество ГПУ, которого хватило бы для замещения большинства выбывающих мощностей газовых электростанций.

Мировой рынок автономных электростанций характеризуется большим разнообразием требуемой мощности при разных массогабаритных и ресурсных показателях базовых генераторов. Наблюдается смещение потребности от аварийных электростанций в сторону электростанций для постоянной работы. Производители ГПУ и специалисты в области энергетического оборудования считают особенно перспективным их применение для утилизации попутного газа. Перспективны они и для покрытия собственных нужд котельных в электроэнергии, поскольку позволяют снизить себестоимость тепловой энергии. Для покрытия электрической нагрузки собственных нужд (обычно 100−500 кВт) целесообразно использовать две-три ГПУ соответствующей мощности.

Использование мини-ТЭЦ на базе ГПД единичной мощностью от 30 до 1200 кВт за рубежом достаточно широко распространено. Несмотря на имеющийся резерв установленной мощности электростанций США, там продолжают строить мини-ТЭЦ, суммарная мощность которых уже превысила 10 млн кВт. Количество действующих, строящихся и проектируемых мини-ТЭЦ в Германии превышает 2 тыс. В Японии каждое вновь строящееся крупное общественное здание обязательно оборудуется мини-ТЭЦ, расположенной, как правило, в подвальных помещениях.

Фирма Wartsila Diesel реализует на мировом рынке электростанции, сооружаемые из модулей единичной мощностью 0,5; 1,0; 3,0; 4,5 и 5 МВт. Как правило, эти станции монтируют на базе старых котельных, из которых убирается устаревшее оборудование. При этом тепло отпускается жителям близлежащих домов, а электроэнергия — в централизованную сеть.

Двигатель (машина) Стирлинга (ДС) — наиболее известный представитель семейства двигателей внешнего сгорания — работает по замкнутому термодинамическому циклу, в котором циклические процессы сжатия и расширения происходят при разных температурах, а управление потоком рабочего тела осуществляется путем изменения его объема, рис. 7.3.

Рис. 7.3. Одна из возможных схем устройства двигателя Стирлинга

ДС работает за счет теплового расширения газа, за которым следует его сжатие при охлаждении. Он содержит некоторый постоянный объем рабочего газа, который перемещается между «холодной» частью, обычно имеющей температуру окружающей среды, и «горячей» частью, которая нагревается за счет сжигания топлива или благодаря внешним источникам тепла. В ДС, в отличие от ДВС, процесс горения осуществляется вне рабочих цилиндров и протекает равновесно; рабочий цикл реализуется в замкнутом внутреннем контуре при относительно малых скоростях повышения давления в цилиндрах двигателя, плавном характере теплогидравлических процессов рабочего тела внутреннего контура и при отсутствии газораспределительного механизма клапанов [8].

Выпускаемые за рубежом ДС (фирмы Philips, STM Inc., Daimler Benz, United Stirling) мощностью от 5 до 1200 кВт имеют КПД более 42%, рабочий ресурс более 40 тыс. часов и удельную массу от 1,2 до 3,8 кг/кВт, рис. 7.4. По своим техническим характеристикам и потребительским качествам они превосходят ДВС и ГТД. Для ДС характерны низкий уровень шума, почти на два порядка меньшая по сравнению с ДВС концентрация вредных веществ в выхлопных газах, большой ресурс, хорошие характеристики крутящего момента. Очень важно, что ДС может работать как на традиционных жидких моторных топливах, так и на газе любого происхождения, а также на газовом конденсате. ДС целесообразно применять в когенерационных установках и системах утилизации теплоты отработанных газов, например в мини-ТЭЦ.

Рис. 7.4. Энергетическая установка с двигателем Стирлинга мощностью до 24 кВт, работающая на газе

Есть несколько технических проблем, препятствующих широкомасштабному применению ДС, несмотря на перечисленные достоинства и на тот факт, что принцип его работы был предложен еще в 1816 г. (шотландским инженером Р. Стирлингом). К ним следует отнести: большие сложности в создании отдельных узлов (уплотнений, систем регулирования мощности и др.), высокие требования к технологии, необходимость применения жаростойких сплавов и металлов, новых методов их сварки и пайки. Обусловлены они прежде всего применением для улучшения эксплуатационных характеристик в качестве рабочих тел гелия и водорода. У российских разработчиков ДС, кроме технических, есть еще финансовые проблемы (отсутствие поддержки государства и крупного бизнеса), которые препятствуют организации серийного выпуска этих машин. Российская технологическая база и накопленный научный потенциал в проектировании ДС при благоприятной финансовой и технической политике могли бы обеспечить стране прочное положение в этой перспективной области малой энергетики.