Принципы когенерации и тригенерации в малой энергетике реализуются за счет применения газотурбинных установок (ГТУ), которые отлично подходят для производства электрической и тепловой энергии (а при использовании в составе энергоблока абсорбционных установок – также и холода) в промышленности и ЖКХ.
Всем хороши ГТУ Единичная электрическая мощность ГТУ варьируется в достаточно широких пределах - от 20 кВт до десятков и даже сотен МВт. Особенности топливного цикла и утилизация тепла выхлопных газов обеспечивают допустимое содержание вредных выбросов (гораздо меньшее по сравнению с газопоршневыми электростанциями, ГПЭС) – следовательно, можно сэкономить на дымовой трубе. Компактность, относительная легкость и малошумность газовой турбины допускают ее монтаж на крыше промышленного здания или на техническом этаже. «Основным преимуществом газовых турбин малой и средней мощности является их компактность и удобство с точки зрения включения этих мощностей в инфраструктуру города, района, промышленного предприятия и т.д., - считает Олег Брындин, директор по газотурбинным энергетическим установкам ОАО НПО «Сатурн» (Рыбинск). - Еще одно преимущество: когенерационная схема позволяет «развязать» выработку электроэнергии и тепла. Зимой производится электричество и тепло с коэффициентом использования топлива более 80%. Летом мини-ТЭЦ в простом цикле работает на 18-23% от своей мощности, потому в таких объемах тепло не требуется, если станция не «завязана» на технологические циклы какого-то мощного производства, потребляющего пар или тепло. А мини-ТЭЦ в парогазовом цикле, если тепло не требуется, работает в режиме потребления тепла, производя электричество, КПД в этом случае 40-50%. Это оставляет потребителю возможность маневра. Нужно электричество - будет вырабатывать электричество. Нужно тепло и электричество - будет вырабатывать и то, и другое».
На видео: Как работает газовая турбина (на англ. языке). На фото: ГТУ-25П мощностью 25 МВт (Пермский моторный завод)
Типичный электрический КПД современных ГТУ достигает 39%. Оснащение паровым или водогрейным котлом дает реализацию когенерационного цикла с коэффициентом использования топлива до 90%, а абсорбционная установка вдобавок кондиционирует воздух в здании, оснащенном ГТУ. Подробнее о газовых турбинах и генераторах можно прочитать в нашей публикации «Парогазовые технологии в теплоэнергетике», о тригенерации и абсорбционных холодильных машинах – в статье «Тригенерация: три в одном». Работают газотурбинные электростанции в автоматическом режиме, параметры которого непрерывно отслеживаются (и меняются) посредством телекоммуникационных каналов связи, а системы защиты позволяют исключить нештатную работу оборудования и вовремя отключить его. Длительный ресурс (100-150 тыс. часов непрерывной работы), малый расход моторного масла (или даже его отсутствие), гибкость системы охлаждения (водяная или воздушная), достаточная «всеядность» (вплоть до попутного нефтяного газа с содержанием сероводорода до 5%) – все это делает ГТУ выгодным вариантом энергоснабжения производственного цикла. Кроме того, ГТЭС имеют меньший вес и размер по сравнению с ГПЭС на 1 установленный кВт, высокая температура выхлопа позволяет получать пар более высоких параметров, у ГТЭС меньше проблем с вибрацией (нет элементов с возвратно-поступательным движением), они дешевле в обслужании и более устойчивы в работе при скачках нагрузки. (Подробнее о газопоршневых электростанциях читайте в статье «Своя энергия ближе к делу»).
На фото: испытательный стенд для газотурбинной установки ГТЭ-110 на Ивановской ГРЭС (фото НПО «Сатурн»). На видео: ГТЭС-12 производства ОАО «Сатурн – Газовые турбины» на РТС «Курьяново»
«Наиболее емкий рынок ГТУ - нефтяная отрасль (введено 156 установок за последние шесть лет – средняя емкость $50-60 млн в год). Востребован весь мощностной ряд установок до 40 МВт. Но в последний год произошел резкий спад количества проектов, что может свидетельствовать о насыщении рынка, - считает Елена Венедиктова, директор по маркетингу ЗАО «Уральский турбинный завод» (Екатеринбург). - Муниципальная энергетика является динамично развивающимся рынком с постоянными темпами роста (20-30% в год). Здесь востребован весь мощностной ряд ГТУ (емкость $50-60 млн в год). Наименее емкий рынок – промышленность (4-5 ГТУ в год). Самые востребованные ГТУ имеют мощность менее 4 МВт (25%) и 4-8 МВт (30%). Емкость рынка малых и средних ГТУ – $5-7 млн в год. Поставки на всех рынках распылены, но есть несколько сильных производителей. Активны иностранные компании - за шесть лет было поставлено порядка 30 агрегатов».
Модуль, он же кластер Концепция блочно-модульной газотурбинной установки (иногда называемой кластерной) – одна из перспективных в плане простоты ее внедрения на практике. «Модульные ГТУ состоят из цельнометаллического блок-модуля, газотурбинного агрегата и систем, обеспечивающих работу агрегата (охлаждения, управления, масляная, топливная и т.д.), а также системы пожарной безопасности, - говорит Мария Прокофьева, начальник отдела маркетинга ЗАО «НГ-Энерго» (С.-Петербург). - Блочные вариации ГТУ обеспечивают высокий уровень заводской готовности. Размеры модулей ГТУ, как правило, соответствуют железнодорожным габаритам. Преимущества такого исполнения: резкое сокращение времени развертывания энергетического оборудования для производства работ работ ввиду отсутствия необходимости в специальном помещении для размещения ГТУ; времени и стоимости транспортировки при передислокациях; короткий период до наращивания электрической мощности с наименьшими финансовыми затратами». Степень автоматизации блочно-модульной ГТЭС достаточна, чтобы отказаться от постоянного присутствия персонала, а контроль ее работы ведется дистанционно, с главного щита управления.
SGT-100 мощностью 5,25 МВт (справа) с котлом-утилизатором (слева). Фото Siemens
Чем ответим иностранцам? «На мировом рынке насчитывается около 25 компаний, конкурирующих между собой в сегменте производства газотурбинного оборудования с единичной электрической мощностью агрегата до 30 МВт, - полагает Елена Венедиктова. - К основным компаниям, предлагающим газотурбинное оборудование, стоит отнести зарубежные Siemens Power Generation, General Electric Energy, Hitachi Ltd., Kawasaki Heavy Industries, Opra Technologies ASA, Pratt&Whitney, Rolls-Royce Power Engineering Plc., Solar Turbines Inc. и Turbomach S.A. (пакетирует турбины Solar). Наибольшей эффективностью в сегменте обладают ГТУ Solar (достигает 40%), Rolls-Royce (39.1%) и Turbomach (до 38.51%). Производители ГТУ в России - ОАО «НПО «Сатурн», ММП «Салют» (Москва), ОАО «Авиадвигатель» (Пермь), ОАО НПО «Искра». Основными производителями на рынке газотурбинных технологий остаются в России - НПО «Сатурн», за рубежом – Siemens». Компания Siemens предлагает в России модульные промышленные ГТУ в диапазоне мощности от 5 до 47 МВт с КПД от 30 до 37,5%, оснащенные камерами сгорания с сухим подавлением выбросов. «Из российских производителей можно выделить продукцию пермского завода «Авиадвигатель», входящего в Пермский моторостроительный комплекс, - рассказывает Мария Прокофьева. - Компания выпускает блочно-контейнерные ГТЭС серии «Урал» мощностью 2,5; 4 и 6 МВт. ФГУП «Завод им. Климова» (С.-Петербург) также выпускает блочно- транспортабельные газотурбинные установки мощностью 1,25 и 2,5 МВт, которые выполнены в виде двух 40-футовых стандартных контейнеров и работают на природном и попутном газе, дизельном топливе и керосине.
ГТУ-2,5П мощностью 2,5 МВт (фото Пермского моторного завода)
Электростанции на базе отечественных турбин имеют небольшой моторесурс - до капитального ремонта около 25 тыс. часов, полный ресурс – 100 тыс., но зачастую и этот ресурс они не выдерживают. Электрический КПД в среднем 24-29% (редко до 32%). Для сравнения, моторесурс турбин иностранного производства обычно составляет 130-150 тыс. моточасов, электрический КПД - 30-33% (до 39%). Среди иностранных производителей, представленных в России, можно отметить компанию Dresser-Rand. Поставляет модульные ГТУ на базе агрегатов единичной мощностью от 1980 до 2250 кВт. Это простая и надежная в обслуживании турбина, которая работает на всех видах газа (причем с высоким содержанием сероводорода, до 5%) и на дизельном топливе. У нее незначительный вес (около 1,8 т), и она очень компактна. Подобную продукцию предлагает и компания OPRA - газотурбинный агрегат OP16, работающий на природном и попутном газе, а также на жидком топливе, мощностью 1910 кВт. Обладает небольшим весом, что позволяет поставлять электростанцию в блочно-модульном исполнении. Двутопливная система ГТУ OPRA расчитана на одновременную работу на газовом и жидком топливе, что позволяет оптимизировать расходы на организацию системы резервного снабжения топливом. Также на российском рынке блочно-модульных ГТУ можно встретить продукцию компании Solar Turbines (подразделение Caterpillar) и Rolls-Royce. Например, все ГТУ Rolls-Royce блочно-модульного типа - блоки и модули ГТУ приходят на площадку в состоянии «pre-assembled», т.е. предварительно собранными. Вспомогательные системы и кожух турбины (ГТ) уже собраны, остается только «вкатить» ГТ и установить блоки КВОУ (комплексная воздухоочистка), выхлопа и вентиляции кожуха, а блок генератора также уже приходит в собранном состоянии».
Транспортировка SGT-700 (31,2 МВт) без генератора (фото Siemens)
«НПО «Сатурн» почти полностью закрывает потребность в мощностях на 2009-2010 годы. ЗАО «УТЗ» располагает документацией на производство ГТЭ-6 и 16 МВт. Но отечественные производители ГТУ на российском рынке держатся на перекосе цен на энергоносители, дешевизне морально устаревшей продукции, климатических условиях и особенностях бизнеса в России, - подтверждает Елена Венедиктова. - Вступление в ВТО, выравнивание внутренних цен на энергоносители с мировыми, отмена таможенных пошлин могут ухудшить и без того неблагоприятную ситуацию для отечественных энергомашиностроителей. В настоящий момент рынок газотурбинных установок является одним из наиболее динамично развивающихся сегментов мирового машиностроения. И иностранные производители турбин сейчас очень сильно активизировались. В последние годы наблюдается рост заказов на установки мощностью 16 МВт». Предпринимает попытки закрепиться на российском рынке украинский «Мотор Сич», организовавший сборочное производство в г. Волжске (республика Марий-Эл). Компания предлагает блочные ГТЭС мощностью 1, 2,5, 6 и 8,12 МВт. «На предприятии начато серийное производство многотопливных, полностью автоматических кластерных ГТЭС, работающих на жидком и газообразном топливе, а также на их смесях, - сообщил Юрий Орлов, генеральный директор «НПФ «Недрапроект» (официальный представитель ОАО «Мотор Сич» в России). - Многотопливные ГТУ изготавливаются на базе ГТУ 2,5 МВт и 6 МВт».
Конструкторы и практики Малая энергетика всегда будет в планах развития регионов России, невзирая ни на какие кризисы и секвестры бюджетов. «В США общая мощность уже построенных локальных ГТЭС приближается к 65 млн кВт, а в Англии – к 8 млн, - говорит Олег Брындин. - Я думаю, что в нашей стране порядка 4000 МВт ежегодно должно переводиться на такие технологии. России придется встраиваться в обозначенные общемировые тенденции, так как экономически обоснованной альтернативы этому нет. Сегодня все виды топлива, в том числе природный газ, стремительно дорожают, поэтому электрическая и тепловая энергия становятся товаром, а их производство – выгодным бизнесом. Особенно выгоден это бизнес будет для тех, кто окажется в первых рядах владельцев собственных автономных теплоэлектростанций».
В качестве иллюстрации: берлинский завод компании Siemens выпустил крупнейшую в мире газотурбинную установку SGT5-8000H мощностью 340 МВт. Она весит 440 т, имеет габариты 13,5 м в длину и 5,5 м в диаметре. ГТУ предназначена для E.ON Energie и вошла в состав парогазовой установки в Иршинге (Бавария). По данным Siemens, инвестиции в разработку и изготовление ГТУ составили около €500 млн. Уже имеются два новых потенциальных заказчика SGT5-8000H. Другой конец диапазона мощности (до 1 МВт) на российском рынке представляют микротурбинные установки Capstone (30, 65, 200, 600, 800, 1000 кВт) и Calnetix - Elliott Energy (100 кВт). «Газотурбинные установки малой мощности в основном применяются для автономного энергообеспечения средних и мелких потребителей, - говорит Ольга Парфенова, директор по маркетингу БПЦ «Энергетические Системы» (Москва). - Микротурбинные установки имеют ряд конструктивных и эксплуатационных особенностей, которые обеспечивают пониженный уровень шума, длительный ресурс до капитального ремонта, эластичность к нагрузкам, экономичность и простоту обслуживания. Микротурбины также имеют более качественные экологические характеристики по сравнению с большими ГТУ, уровень эмиссии вредных веществ в атмосферу у большинства установок не превышает 9 ppm». Подробнее о микротурбинах EnergyLand.info планирует рассказать в отдельной публикации. России, конечно, еще далеко до реализации подобных проектов как в плане создания передовых ГТУ, так и в их «инсталляции», но модульные газотурбинные электростанции вполне по средствам муниципальным службам и промышленникам. Если не страдать гигантоманией, также найдется способ приложения конструкторских талантов. Как правило, инновации связаны с экологией – это и снижение уровня вредных выбросов, и использование в качестве альтернативы природному газу биотоплива. Также растет максимальная единичная мощность, возможная для размещения в транспортабельном контейнере, постоянно ведутся работы над повышением КПД турбин и увеличением их моторесурса.
Олег Никитин, EnergyLand.info
На первой фотографии: Газотурбинный двигатель Д049Р - сердце теплоэлектростанции ГТЭС-2,5 (фото НПО «Сатурн»)
Принципы когенерации и тригенерации в малой энергетике реализуются за счет применения газотурбинных установок (ГТУ), которые отлично подходят для производства электрической и тепловой энергии (а при использовании в составе энергоблока абсорбционных установок – также и холода) в промышленности и ЖКХ.
SGT-100 мощностью 5,25 МВт (справа) с котлом-утилизатором (слева). Фото Siemens
ГТУ-2,5П мощностью 2,5 МВт (фото Пермского моторного завода)
Транспортировка SGT-700 (31,2 МВт) без генератора (фото Siemens)
ГТУ OPRA на горнолыжном курорте «Красная поляна», Сочи (фото БПЦ «Энергетические Системы»)