Микротурбинные или газопоршневые: выбираем энергоустановку

Сегодня можно часто слышать споры между поставщиками микротурбин и газопоршневых установок - что лучше? И если с газопоршневыми установками (ГПУ) все более-менее понятно, то применение микротурбинных установок (МТУ) у многих вызывает большое количество вопросов, главный из которых - что представляют собой эти установки, как они работают, чем они хуже или лучше газопоршневых агрегатов?
Начнем с истоков. Микротурбинные установки являются оборудованием нового этапа развития энергогенерирующей техники и технологии. Работы над созданием микротурбин начались в конце 80-х годов в США и Европе. Это были компании Honeywell, Elliott (сейчас - Calnetix), Capstone, а также Turbec-Volvo Aero (Швеция). Необходимость в таких разработках была связана с отсутствием на рынке надежных, высокоресурсных источников постоянного электро- и теплоснабжения мощностью от 30 до 500 кВА с низким уровнем эмиссии, небольшими затратами на обслуживание и эксплуатацию. Первые коммерческие продукты этих компаний появились в 1997-1999 годах. Это были турбины Elliot (Calnetix) 45 и 80 кВт, С30 и С60 компании Capstone мощностью 30 и 60 кВт, микротурбина Parrolon 75 ТМ мощностью 75 кВт компании Honeywell, которая в настоящее время прекратила свой бизнес по разработке и производству микротурбинных установок, а также Turbec 100 кВт.
С точки зрения автора и в соответствии с рядом зарубежных публикаций, основным признаком МТУ является наличие в 2-3 раза более высокооборотной, нежели в классических, турбины-двигателя и наличие столь же высокооборотного и высокочастотного электрогенератора с одновальной установкой и инвертора, построенного, как правило, на твердотельных силовых приборах, которые генерируют на выходе агрегата напряжение с частотой 50 Гц номинальной мощности.



Такие реализации, как выпускаемые компанией Ingersoll Rand, несмотря на сравнительно малую выходную электрическую мощность (250 кВт), должны быть отнесены к минитурбинам, которые строятся по классической схеме газотурбинных установок, а именно:



Достаточно высокие качественные экологические характеристики у этих агрегатов достигнуты за счет работы в специальных режимах горения, в ущерб динамическим характеристикам по изменению нагрузки, что требует применения ряда дополнительных устройств (например, коммунитируемых балластных нагрузок).
Таким образом, можно констатировать, что из выпускаемых сегодня в мире к микротурбинам относятся изделия только следующих производителей: Calnetix Power Solution, Capstone Turbine Corporation, Turbec. Единичная мощность установок составляет от 30 до 200 кВт.

Конструкция и принцип работы
В зависимости от условий применения, решаемых задач, основная структура агрегата может дополняться утилизаторами тепла (когенерация), дожимными газовыми компрессорами, кожухами, позволяющими применять микротурбинные установки на открытом воздухе, без укрытий, автоматикой для работы в автономном режиме или параллельно с сетью и другими микротурбинными установками и т.д.
Если говорить в целом, то микротурбиннная установка - это изделие полной заводской готовности, при разработке ее конструкции использован блочно-модульный принцип, который позволяет в случае необходимости заменять отдельный узел, а не изделие в целом. В составе оборудования - турбогенератор (газотурбинный двигатель и электрогенератор), топливная система, дожимной компрессор (но не во всех установках), силовая электроника (выпрямитель, инвертор, фильтр) и цифровая система автоматического управления турбогенератором и силовой электроникой с панелью управления оператора. В конструкции только одна движущаяся деталь - неразрезной вал, на котором соосно расположены электрогенератор, компрессор и сама турбина. В зависимости от вида топлива меняется топливная аппаратура: дожимной компрессор, газовая линейка, топливный коллектор, конфигурация жаровой трубы камеры сгорания.
Принцип работы микротурбинной установки может быть рассмотрен на примере когенераторной установки TA-100 RCHP (см. рис.)


Функциональная схема микротурбинной установки TA-100RCHP компании Calnetix Power Solutions

Очищенный атмосферный воздух попадает в воздухозаборник (4), откуда подается на вход в компрессор (3). В нем воздух сжимается и за счет этого нагревается. После компрессора воздух еще дополнительно подогревается в специальном газо-воздушном теплообменнике (10) - рекуператоре.
Использование такого решения позволяет примерно в два раза повысить электрическую эффективность установки. Затем нагретый сжатый воздух перед камерой сгорания (6) смешивается с газообразным топливом (9), откуда гомогенная газовоздушная смесь попадает в камеру сгорания для горения. Предварительное смешение воздуха с газообразным топливом позволяет снизить уровень эмиссии выхлопных газов до 9 ppmv при 15% О2 при 100% электрической нагрузке, и практически до нуля при нагрузках ниже 50%.
Покидая камеру сгорания, нагретые выхлопные газы попадают в колесо турбины (7), где, расширяясь, совершают работу, приводя его в движение, а также расположенные на этом же валу колесо компрессора (3) и высокоскоростной генератор (2). Покинув турбину (7) по газоходу (8), выхлопные газы попадают в рекуператор (10), где отдают свое тепло воздуху после компрессора.
На выходе из рекуператора (10) стоит байпасная заслонка, которая направляет выхлопные газы либо по байпасному газоходу (14), либо напрямую в котел-утилизатор (12). В котле-утилизаторе выхлопные газы отдают свое тепло сетевой воде, которая там нагревается до требуемой температуры.
В конструкции турбины отсутствует редуктор. Частота вращения ротора практически не зависит от нагрузки и составляет примерно от 69000 - 96000 об/мин. (в зависимости от производителя МТУ). Вырабатываемое высокочастотное напряжение подвергается двойному преобразованию: из высокочастотного переменного в постоянное, а затем в переменное 380, 400 или 480 В с частотой 50 или 60 Гц. Принципиальная схема преобразования аналогична применяемой в источниках бесперебойного питания (ИБП). Это обеспечивает выходное трехфазное напряжение с правильной формой синусоиды.


Котельная с микротурбинной установкой Calnetix TA-100RCHP

Ваш выбор
По технико-экономическим показателям микротурбинные установки имеют ряд существенных преимуществ по сравнению с традиционно применяемыми газопоршневыми агрегатами. Если сравнивать когенераторные установки на базе микротурбин и газопоршневых агрегатов, в одинаковом мощностном ряду, то можно отметить следующие преимущества микротурбин:
1. Способность принять 100% наброс нагрузки, в то время как у газопоршневых агрегатов существуют жесткие ограничения по величине подключаемой нагрузки (не более 10-40 %).
2. Возможность длительной работы во всем диапазоне изменения нагрузки от холостого хода до номинальной величины (от 0 до 100%). Это важно для потребителей с цикличными, неравномерными в течение суток нагрузками.
3. Поршневой двигатель конструктивно имеет значительно больше движущихся частей (поршни, распределительные и коленчатые валы, кольца) по сравнению с микротурбиной. Следовательно, интервалы сервисного обслуживания, связанного с остановкой и ремонтом двигателя, также значительно короче, чем у турбин.
4. У микротурбинной установки ресурс до капитального ремонта достигает 60000 моточасов и более, а у ГПУ (мощностью до 100 кВт) - 18000-25 000 моточасов.
5. Уровень эмиссии у МТУ по NОх составляет около 50 мг/м³ против 250-500 мг/м³ у газопоршневых агрегатов. Для борьбы с высокой эмиссией вредных веществ в поршневых двигателях используются как внешние каталитические фильтры, так и конструктивные модификации самих двигателей, направленные на увеличение времени горения и степени сжатия топливной смеси. Это, в свою очередь, приводит к росту стоимости самого оборудования и эксплуатационных расходов. Высокая эмиссия поршневых двигателей связана, в первую очередь, с тем, что развитие этих технологий происходило в период отсутствия экологических ограничений и основное внимание уделялось максимизации выходной мощности.

Газопоршневый агрегат FG Wilson FG100EW

6. Практически полностью отсутствует вибрация. Газовая турбина включает в себя сбалансированный вращающийся ротор, который поддерживается посредством роликовых подшипников или опорно-упорных подшипников скольжения. В таком узле вибрации практически отсутствуют. Температура практически постоянна, следовательно, в двигателе напряжения изгиба и касательные напряжения имеют незначительную величину. Поршневой двигатель имеет несколько поршней, которые двигаются в противоположных направлениях, при помощи шатунов, вращающих вал. Множество массивных частей одновременно ускоряются по различным направлениям с постоянно изменяющимися температурами и скоростями, следовательно, испытывают значительные напряжения изгиба. Благодаря практически полному отсутствию вибраций МТУ можно устанавливать даже на крыше и несущих конструкциях здания.
7. Примерно в 2-3 раза ниже эксплуатационные расходы (затраты на техническое обслуживание и горюче-смазочные материалы). Периодическое сервисное обслуживание микротурбинной установки проводится не чаще 1 раза в год (каждые 8000 часов), а ГПУ мощностью до 100 кВт необходимо останавливать каждые 400-600 часов для текущего обслуживания.
8. Больше интервалы замены масла и воздушных фильтров. В газовой турбине смазочное масло не находится в непосредственном контакте с продуктами сгорания и, следовательно, его загрязнение минимально. Поршневой двигатель обладает множеством подвижных частей, большинство из которых находится в непосредственном контакте с продуктами сгорания. Из-за этого происходит значительное загрязнение смазочного масла, что приводит к необходимости его регулярной замены. Полную замену масла надо производить через каждые 400-600 часов. Безвозвратные потери масла у микротурбины составляют 0,001 г/кВт•ч против 0,3 г/кВт•ч у поршневого двигателя.
9. Более низкий уровень шума: 35 Дб на расстоянии 10 м против 65-70 у ГПУ. Это дает дополнительные возможности применения МТУ.
10. Низкие затраты на строительство: не требуется больших финансовых и трудовых затрат на проектные, строительные и монтажные работы за счет легкости установки и запуска микротурбин в работу. Отсутствие дополнительных затрат на создание высоких дымовых труб и специального фундамента.



Эта таблица позволяет сравнить микротурбинные установки ТA-100 RCHP (Calnetix) и Т-100 PHC (Turbec) c газопоршневым агрегатом Cento T-100 SPE по ряду технических показателей

Что касается используемого топлива, то современные микротурбинные установки работают на различных видах топлива: это может быть природный, шахтный, сжиженные, попутный нефтяной, биогаз. Установки, как правило, не требуют предварительной газоочистки. Специальные антикоррозийные материалы, примененные в составе системы подвода топлива к форсункам, позволяют микротурбине работать на топливе с достаточно высоким содержанием сероводорода. Условно низкие температуры сгорания топлива (510-954ºС), при которых достигается минимальный уровень вредных выбросов в атмосферу, достаточны для сжигания высокосернистого газа без нанесения вреда двигателю. Температура выхлопных газов (260-309ºС) препятствует образованию конденсата серной кислоты и, как следствие, быстрому износу деталей турбины.


Сравнение технических характеристик агрегатов для Мини-ТЭЦ (на базе микротурбин и газопоршневых машин)
*) Комплектная установка с утилизацией тепла выхлопных газов и системы охлаждения двигателя. Вертикальный радиатор аварийного охлаждения установлен на раме двигателя
**) Комплектная установка с утилизацией тепла выхлопных газов и системы охлаждения двигателя. Вертикальный радиатор аварийного охлаждения внешний

Газопоршневые установки малой единичной мощности также могут работать на всех видах углеводородного газа, но есть существенные ограничения по составу топлива. МТУ успешно работают на топливе с метановым индексом, равным 30 (у ГПУ этот показатель должен быть не менее 65-70, иначе машины будут работать с дирейтингом - снижением мощности). При этом газ для использования в ГПУ должен пройти сложную процедуру очистки от тяжелых углеводородов, а для МТУ достаточно удалить влагу (осушка), и обеспечить его температуру выше точки росы. Вместе с преимуществами, у МТУ есть ряд показателей, по которым они проигрывают ГПУ:
1. Более низкий электрический КПД: у МТУ он составляет 28-35%. Если рассматривать сопоставимые мощности с МТУ (30-200 кВт), то средний КПД у таких газопоршневых агрегатов будет также 28-36%. Правда, современные газопоршневые агрегаты единичной мощностью более 3 МВт достигают показателя 46-47% (Wartsila, Rolls-Royce). Все показатели даны при номинальной мощности 100% и стандартных атмосферных условиях. В то же время, КПД микротурбины в когенерационном режиме превышает 90%, что практически соответствует КПД газопоршневой установки, работающей в таком же режиме. Немаловажен и тот факт, что в режиме когенерации, при производстве 1 кВт электрической энергии ГПУ вырабатывают 1-1,2 кВт тепла, а микротурбина, как правило, до 1,7 кВт.
2. Более высокий расход газа. Из-за различий технологий сжигания газа его удельный расход в МТУ превышает аналогичный показатель ГПУ в среднем в 1,4 раза.
Благодаря своим свойствам МТУ могут применяться во многих сферах. Их можно использовать как резервные, вспомогательные и основные источники электро- и теплоэнергии в ЖКХ, малых и даже крупных производствах, очистных сооружениях, буровых платформах и скважинах, шахтах и т.д. Сегодня МТУ близки к тому, чтобы существенно потеснить газопоршневые двигатели сопоставимой мощности.

Мария Прокофьева, ТХ «Электросистемы»
На первой фотографии: газопоршневая установка Tedom серии Cento
Ссылки по теме:
Микротурбины в борьбе за потребителя
Своя энергия ближе к делу