ГТУ — ГПУ: типы двигателей — силовых установок для газовых электростанций
Силовыми агрегатами, приводящими в движение электрические генераторы для автономных малых тепловых электростанций, могут быть дизельные (ДГУ), газопоршневые (ГПУ), микротурбинные (МТУ) и газотурбинные установки (ГТУ).
Преимущества различных типов энергетических установок и технологий стали предметом многочисленных дискуссий и споров. Часто в этих обсуждениях остаются в тени либо одни, либо другие аспекты. Давайте попробуем разобраться, почему это происходит.
Определяющими критериями при выборе силовых агрегатов для строительства автономных электростанций являются расход топлива, уровень эксплуатационных затрат и срок окупаемости оборудования.
Важными факторами выбора силовых агрегатов являются простота эксплуатации, уровень технического обслуживания и ремонта, а также место выполнения этих сервисных и регламентных работ.
Эти вопросы касаются, в первую очередь, расходов и потенциальных трудностей, с которыми может столкнуться владелец автономной электростанции в будущем.
В данной статье автор не стремится расставить приоритеты в пользу поршневых или турбинных технологий.
Выбор типов силовых установок — газотурбинных (ГТУ), газопоршневых (ГПУ) или микротурбинных (МТУ) — для электростанций следует производить с учетом индивидуальных особенностей проекта и технического задания.
При выборе силового оборудования для построения автономной газовой ТЭЦ настоятельно рекомендуется получить профессиональную консультацию у независимых экспертов из инжиниринговых компаний, специализирующихся на возведении электростанций «под ключ». Инжиниринговая компания должна иметь реализованные проекты, которые желательно посетить с экскурсией. Рынок генераторного оборудования в России слаб и незрел. Объемы продаж низкие, что иногда влияет на качество предлагаемых решений.
Для квалифицированных консультаций обращайтесь по телефону +7 495 649-81-79
Газопоршневые установки vs газотурбинные установки: эксплуатационные затраты
Действительно ли эксплуатационные затраты на мини–ТЭЦ с поршневыми машинами ниже, чем затраты на эксплуатацию электростанции с газовыми турбинами?
Стоимость капитального ремонта газопоршневого двигателя может составлять от 30 до 35% от его первоначальной стоимости, да, надо учитывать, что это не цена оборудования всей электростанции. При этом осуществляется замена поршневой группы. Ремонт поршневых установок можно производить на месте без сложного диагностического оборудования раз в 8-10 лет.
Цена ремонта газотурбинной установки также составляет от 30 до 50% от первоначальных вложений. Как видите, затраты сравнительно схожи. Реальные, честные цены на сами газотурбинные и поршневые агрегаты сопоставимой мощности и качества также примерно равны.
Капитальный ремонт газотурбинной установки из-за его сложности на месте не производится. Поставщик должен увезти отработанный блок и привезти новый. Старый блок может быть восстановлен только в заводских условиях. А если санкции?
Всегда следует учитывать соблюдение графика регламентных работ, характер нагрузок и режимы эксплуатации электростанции вне зависимости от типа установленных силовых агрегатов.
Вопрос о привередливости турбины к условиям эксплуатации связан с устаревшей информацией сорокалетней давности. Тогда на электростанциях использовались авиационные турбины, «снятые с крыла» самолета. Такие турбины с минимальными изменениями приспосабливались к работе в качестве основных силовых агрегатов.
Сегодня на современных автономных электростанциях применяются турбины промышленного назначения, рассчитанные на непрерывную работу с различными нагрузками.
Нижний предел минимальной электрической нагрузки, официально заявляемый заводами-производителями для промышленных турбин, составляет 3-5%, но в таком режиме расход по топливу возрастает на 40%. Максимальная нагрузка газотурбинной установки в ограниченных временных интервалах может достигать 110-120%.
Современные газопоршневые установки обладают феноменальной экономичностью, основанной на высоком уровне электрического КПД. «Проблемы», связанные с работой газопоршневых установок на малых нагрузках, решаются на стадии проектирования. Проектирование должно быть качественным, и этот вопрос возникать не будет.
Соблюдение рекомендованного заводом-изготовителем режима эксплуатации продлит жизнь деталям двигателя, сэкономив деньги владельцу автономной электростанции. Иногда, чтобы вывести газопоршневые машины в номинальный режим при частичных нагрузках, в проект тепловой схемы станции включаются один-два электрических котла, которые и позволяют обеспечить желаемые режимы нагрузок.
Для электростанций на базе газопоршневых установок и газовых турбин важным является соблюдение правила N+1 — количество действующих агрегатов плюс еще один — для резерва. Это удобное и рациональное количество установок для эксплуатирующего персонала. Это обусловлено тем, что для силовых установок любых типов и видов надо проводить регламентные и ремонтные работы.
Предприятию, подключенному к сети, можно смонтировать только одну установку и пользоваться собственной электроэнергией по себестоимости, а во время техобслуживания питаться от общей электросети, платя по счетчику. Это дешевле, чем N+1, но, к сожалению, не всегда выполнимо. Связано это, как правило, с отсутствием электросети или с неимоверной дороговизной технических условий на подключение.
Недобросовестные дилеры газопоршневых установок и газовых турбин до продажи оборудования покупателю, как правило, предоставляют только проспекты — коммерческую литературу общего плана и крайне редко — точные сведения о полных эксплуатационных расходах и технических регламентах.
На особо мощных газопоршневых установках масло менять не требуется. При постоянной работе оно просто вырабатывается, не успевая стареть. Масло на таких установках постоянно доливается. Подобные режимы эксплуатации предусмотрены особой конструкцией мощных газопоршневых двигателей и рекомендованы заводом-изготовителем.
Угар моторного масла составляет 0,25-0,45 грамма на один произведенный киловатт в час. Угар всегда выше при снижении нагрузки. Как правило, в комплект газопоршневого двигателя входит специальный резервуар для непрерывного долива масла и мини-лаборатория для проверки его качества и определения срока замены.
Соответственно, подлежат замене и масляные фильтры или картриджи в них.
Так как моторное масло все же выгорает, поршневые агрегаты имеют чуть более высокий уровень вредных выбросов в атмосферу, нежели газотурбинные установки. Но так как газ сгорает полностью и является одним из самых чистых видов топлива, то говорить о серьезных загрязнениях атмосферы — только «шашки тупить». Пара старых дизельных грузовиков наносит экологии куда более серьезный вред. Для соответствия требованиям по экологии при использовании поршневых машин надо строить дымовые трубы с учетом уже имеющегося уровня предельно допустимых концентраций в окружающей среде.
Отработанное масло газопоршневых установок нужно утилизировать, это расходы для владельцев электростанции. Но его можно продать специализированным организациям.
Многие из нас используют моторное масло в поршневых двигателях автомобилей. Если двигатель исправен, правильно эксплуатируется и заправляется нормальным топливом, то никаких финансовых катаклизмов, связанных с его расходом, не возникает.
То же самое и на поршневых электростанциях: расхода моторного масла бояться не нужно, оно вас не разорит, при нормальной эксплуатации современных качественных газопоршневых установок затраты по этой статье составляют всего ~5 копеек на 1 кВт выработанной электроэнергии.
В современных газотурбинных установках масло используется только в редукторе. Его объем можно считать незначительным. Замена редукторного масла в ГТУ производится в среднем раз в 3-5 лет, а его долив не требуется.
Для проведения сервиса в полном объеме в комплект мощной газопоршневой установки должна входить кран-балка. При помощи кран-балки снимают тяжелые детали поршневых двигателей. Использование кран-балки требует высоких потолков помещения для машинных залов поршневой электростанции. Для ремонта газопоршневых установок малой и средней мощности можно обходиться более простыми подъемными механизмами.
Газопоршневые электростанции при поставке могут комплектоваться различными ремонтными инструментами и приспособлениями. Его наличие предполагает, что многие ответственные операции можно производить силами квалифицированного персонала на месте. Фактически все ремонтные работы с газовыми турбинами можно проводить либо на заводе-изготовителе, либо при непосредственной помощи заводских специалистов.
Один раз в 3-4 месяца требуется замена свечей зажигания. Замена свечей — это всего 3-4 копейки в себестоимости 1 кВт/ч собственной электроэнергии.
Поршневые агрегаты, в отличие от газотурбинных установок, имеют жидкостное охлаждение, соответственно персоналу автономной электростанции необходимо постоянно следить за уровнем охлаждающей жидкости и осуществлять периодическую замену, а если это вода, то требуется осуществлять её химическую подготовку.
Вышеперечисленные особенности эксплуатации поршневых агрегатов отсутствуют у газотурбинных установок. В газотурбинных установках не используются такие расходные материалы и компоненты, как: моторное масло, свечи зажигания, масляные фильтры, охлаждающая жидкость, наборы высоковольтных проводов.
Но ГТУ на месте не отремонтируешь, и гораздо больший расход газа невозможно сопоставлять с затратами на эксплуатацию и расходные материалы для поршневых установок.
Как соотносятся мощность силовых агрегатов электростанций и температура окружающей среды?
При значительном повышении температуры окружающей среды мощность газотурбинной установки падает. Но при понижении температуры электрическая мощность газотурбинной установки, наоборот, растет. Параметры электрической мощности, по существующим стандартам ISO, измеряются при t +15 °C.
Иногда важным моментом является и то, что газотурбинная установка способна отдать в больше бесплатной тепловой энергии, нежели поршневой агрегат аналогичной мощности. При использовании мощной (от 50 МВт) автономной ТЭЦ в коммунальном хозяйстве, например, это может иметь определяющее значение при выборе типа силовых агрегатов, особенно при большом и равномерном потреблении именно тепловой энергии.
Наоборот, там, где тепло не требуется в больших количествах, а нужен акцент именно на производстве электрической энергии, будет экономически целесообразнее использование газопоршневых установок.
Высокая температура на выходе газотурбинных установок позволяет использовать в составе электростанции паровую турбину. Это дополнительное оборудование бывает востребованным, если потребителю необходимо получить максимальное количество электрической энергии при одном и том же объеме потраченного газового топлива, и таким образом достичь высокого электрического КПД — до 59%. Энергокомплекс такой конфигурации сложнее в эксплуатации и стоит он на 30-40% дороже обычного.
Электростанции, имеющие в своей структуре паровые турбины, как правило, рассчитаны на довольно большую мощность — от 50 МВт и выше.
Для квалифицированных консультаций обращайтесь по телефону +7 495 649-81-79
О самом главном: газопоршневые установки против газотурбинных силовых агрегатов — КПД
Коэффициент полезного действия (КПД) силовой установки — ключевой показатель, влияющий на расход топлива. Газопоршневые установки демонстрируют значительно меньший удельный расход газового топлива на единицу произведенной энергии, особенно при высоких нагрузках.
Электрический КПД газопоршневых машин составляет 40–44%, тогда как у газовых турбин — 23–33%. В парогазовом цикле КПД турбины может достигать 59%.
Парогазовый цикл эффективен для электростанций мощностью от 50–70 МВт.
Для локомотивов, самолетов и морских судов КПД силовой установки играет решающую роль. Тепло, выделяемое при работе двигателей, часто теряется и выбрасывается в атмосферу.
При выборе силовых агрегатов для автономной электростанции важно учитывать коэффициент использования топлива (КИТ). В отличие от локомотивов, электростанции используют тепловую энергию для повышения общего КПД до 80–90%.
Если потребитель планирует использовать тепловую энергию полностью, коэффициент полезного действия электростанции теряет значение.
При снижении нагрузки КПД газовой турбины падает. Турбины требуют высокого входного давления газа, что увеличивает расход топлива.
Сравнение газотурбинных установок и газопоршневых двигателей показывает, что газовые турбины эффективны для объектов с равномерными электрическими и тепловыми потребностями от 30–40 МВт.
Таким образом, электрический КПД силовых агрегатов напрямую влияет на расход топлива.
Газопоршневые установки потребляют на четверть или треть меньше топлива, чем газотурбинные — это основная статья расходов. Соответственно, при равной стоимости оборудования, более дешевая электрическая энергия получается на газопоршневых установках.
Для квалифицированных консультаций обращайтесь по телефону +7 495 649-81-79
Газопоршневые установки против газотурбинных двигателей — входное давление газа
Всегда ли необходимо наличие газопровода высокого давления, в случае применения газовых турбин?
Для современных силовых агрегатов электростанций давление подводимого газа не играет решающей роли, так как газовые турбины всегда оснащены газовым компрессором, входящим в стоимость энергокомплекса.
Компрессор обеспечивает необходимые рабочие характеристики газового топлива по давлению. Современные компрессоры — это надежные и малообслуживаемые агрегаты. В мире современных технологий для газопоршневых двигателей и газовых турбин важно только наличие достаточного объема газового топлива для нормальной работы автономной электростанции.
Однако не стоит забывать, что дожимной компрессор требует немалой энергии, расходных материалов и обслуживания. Парадоксально, но мощные турбины часто используют поршневые компрессоры.
Газопоршневые двигатели против газотурбинных агрегатов — двухтопливные установки
Верно ли, что двухтопливные установки бывают только поршневыми?
Это утверждение неверно. Многие известные производители газовых турбин предлагают двухтопливные агрегаты. Особенность двухтопливной установки заключается в ее способности работать как на природном газе, так и на дизельном топливе. Благодаря использованию двух видов топлива, двухтопливные установки имеют ряд преимуществ перед монотопливными:
- При отсутствии природного газа установка автоматически переходит на работу на дизельном топливе.
- Во время переходных процессов установка автоматически переключается на дизельное топливо.
После выхода на рабочий режим происходит обратный переход на природный газ и дизельное топливо. Стоит также отметить, что первые турбины были спроектированы для работы именно на жидком топливе — керосине.
Двухтопливные установки имеют ограниченное применение и не всегда необходимы для автономных ТЭЦ. Для этого существуют более простые инженерные решения.
Для квалифицированных консультаций обращайтесь по телефону +7 495 649-81-79
Газопоршневые установки против газотурбинных — количество пусков
Каким может быть количество пусков газопоршневых агрегатов?
Количество пусков: газопоршневой двигатель может запускаться и останавливаться неограниченное число раз, и это не отражается на его моторесурсе. Но частые пуски–остановки газопоршневых агрегатов с потерей питания собственных нужд могут повлечь за собой износ наиболее нагруженных узлов (подшипников турбонагнетателей, клапанов и т.д.).
Газотурбинную установку из-за резких изменений термических напряжений, возникающих в наиболее ответственных узлах и деталях горячего тракта ГТУ при быстрых пусках агрегата из холодного состояния, предпочтительнее использовать для постоянной, непрерывной работы.
Газопоршневые двигатели электростанций против газотурбинных установок — ресурс до капитального ремонта
Каким может быть ресурс установки до капитального ремонта?
Ресурс до капитального ремонта составляет у газовой турбины 40000–60000 рабочих часов. При правильной эксплуатации и своевременном проведении регламентных работ у газопоршневого двигателя этот показатель достигает 80000 рабочих часов. При нарушении правил эксплуатации капремонт наступает гораздо раньше.
Газопоршневые установки против газотурбинных двигателей — капитальные вложения и цены
Какие потребуются капитальные вложения (инвестиции) в строительство электростанции? Какова стоимость строительства автономного энергокомплекса под ключ?
Как показывают расчёты, капиталовложения (доллар/кВт) в строительство тепловой электростанции с газопоршневыми двигателями приблизительно равны с газотурбинными установками. Финская тепловая электростанция WARTSILA мощностью 9 МВт обойдется заказчику ориентировочно в 14 миллионов евро. Аналогичная газотурбинная тепловая электростанция на базе первоклассных агрегатов полностью «под ключ» будет стоить 15,3 миллионов долларов.
Для квалифицированных консультаций обращайтесь по телефону +7 495 649-81-79
Газопоршневые моторы против газотурбинных установок — экология
Каким образом выполняются требования по экологии?
Газопоршневые установки уступают газотурбинным агрегатам по уровню выбросов NOx. Из-за сгорания моторного масла поршневые агрегаты выбрасывают в атмосферу немного больше вредных веществ, чем газотурбинные установки.
Однако это не критично: в Санитарно-эпидемиологической службе запрашивается уровень фона по предельно допустимым концентрациям (ПДК) в месте расположения мини-ТЭЦ. Затем проводится расчёт рассеивания, чтобы убедиться, что выбросы от мини-ТЭЦ не превышают ПДК. Путем нескольких итераций подбирается минимальная высота дымовой трубы, чтобы соответствовать требованиям СанПиН. Добавка от станции мощностью 16 МВт по выбросам NOx незначительна: при высоте дымовой трубы 30 м — менее 0,2 ПДК, а при 50 м — менее 0,1 ПДК.
Уровень вредных выбросов от большинства современных газотурбинных установок не превышает 20-30 ppm, что может иметь значение в некоторых проектах.
Поршневые установки при работе создают вибрации и низкочастотный шум. Для снижения шума до стандартных значений необходимы соответствующие инженерные решения. Помимо расчёта рассеивания, при разработке раздела проектной документации «Охрана окружающей среды» проводится акустический расчёт, чтобы убедиться, что выбранные проектные решения и материалы соответствуют требованиям СанПиН по уровню шума.
Любое оборудование излучает шум в определённом спектре частот. Газотурбинные установки также не исключение.
Газопоршневые установки против газотурбинных двигателей
Для линейных нагрузок и соблюдения правила N+1 использование газопоршневых двигателей в качестве основного источника энергоснабжения возможно. В составе такой электростанции необходимы резервные агрегаты и ёмкости для хранения второго вида топлива — дизельного.
В диапазоне мощности до 40-50 МВт использование поршневых моторов на мини-ТЭЦ считается абсолютно оправданным.
Если использовать газопоршневые агрегаты, потребитель может полностью отказаться от внешнего электроснабжения, но только при обдуманном и взвешенном подходе.
Поршневые установки также можно использовать в качестве резервных или аварийных источников электроэнергии.
Альтернативой поршневым установкам являются газовые микротурбины. Однако их стоимость довольно высока и составляет примерно $2500-4000 за 1 кВт установленной мощности. А сегодня ещё и санкции.
Сравнение газотурбинных установок и газопоршневых двигателей в составе мини-ТЭЦ показывает, что газовые турбины могут быть установлены на любых объектах с электрическими нагрузками более 14-15 МВт. Однако из-за высокого расхода газа турбины рекомендуются для электростанций гораздо большей мощности — 50-70 МВт.
Для многих современных генерационных установок 200 000 моточасов эксплуатации не являются критическим показателем. При соблюдении графика планового технического обслуживания и поэтапной замены изношенных частей турбины, таких как подшипники, инжекторы и вспомогательное оборудование (насосы, вентиляторы), дальнейшая эксплуатация газотурбинной установки остаётся экономически целесообразной. Качественные газопоршневые установки также успешно преодолевают этот порог.
Это подтверждается современной практикой эксплуатации газотурбинных/газопоршневых установок во всём мире.
При выборе силовых агрегатов для автономной электростанции необходимы консультации специалистов.
Советы специалистов и надзор также необходимы при строительстве автономных электростанций. Для решения задачи необходима инжиниринговая компания с опытом работы и реализованными проектами.
Инжиниринг позволяет компетентно, непредвзято и объективно определиться с выбором основного и вспомогательного оборудования для подбора оптимальной конфигурации электростанции.
Квалифицированный инжиниринг позволяет сэкономить значительные денежные средства заказчика, что составляет 10-40% от общей суммы затрат. Инжиниринг от профессионалов в сфере электроэнергетики помогает избежать дорогостоящих ошибок в проектировании и выборе поставщиков оборудования.
Вывод
Выбор между газопоршневыми моторами и газотурбинными установками зависит от конкретных условий и требований. Консультация специалистов и профессиональный инжиниринг помогут сделать оптимальный выбор для вашего проекта.
Хорошие газопоршневые электростанции — а ведь есть и такие!
Для квалифицированных консультаций обращайтесь по телефону +7 495 649-81-79