№ 5 (72) 2013

Николай МИХЕЕВ

Различные потребители энергии и требования к виду и качеству энергообеспечения предполагают в настоящее время новые подходы к оценке роли автономных энергетических установок (АЭУ) малой мощности (от десятков киловатт до нескольких мегаватт) в общей структуре энергетики. Кроме того, в условиях продолжающегося экономического кризиса трудно (если вообще возможно) рассчитывать на материальные ресурсы, достаточные для ввода в эксплуатацию в ближайшие годы новых электростанций большой мощности. Исключением здесь является разве что завершение строительства ранее начатых объектов.

В то же время альтернативой может стать сооружение относительно дешевых АЭУ малой мощности различного назначения, финансирование которых возможно как из местных бюджетов, так и за счет инвестиций частного капитала. И эта проблема заслуживает того, чтобы в ближайшей перспективе уделить ей серьезное внимание.

Использование АЭУ малой мощности и их эффективность

Область применения автономных энергетических установок малой мощности очень широка. К ней, в частности, относятся:

• промышленные предприятия, медицинские учреждения, коттеджи, сегмент HoReCa (отели/ рестораны/ кафе), бизнес-  и торгово- развлекательные центры, другие объекты крупных городов;

• нефтегазовый комплекс (магистральные газопроводы, газорас­пределительные станции, нефтепроводы и пр.);

• аграрный сектор (крупные животноводческие фермы, предприятия по переработке сельскохозяйственной продукции), предприятия лесозаготовительной промышленности;

• мощности по переработке бытовых отходов;

• районы, где в настоящее время отсутствуют энергоисточники и линии электропередачи;

• поисковые партии газовиков, геологов и др., нуждающиеся в электрической, тепловой, механической энергии, подаче воды и сжатого воздуха;

• мобильные источники электрической и тепловой энергии для нужд МЧС;

• резервирование линий электропередачи, питающих ответственных потребителей энергии, а также восполнение дефицита электроэнергии, вызванного перегрузками сетей электроснабжения, стихийными бедствиями и другими чрезвычайными ситуациями;

• стратегические и военные объекты.

Очевидно, что создание, например, новых фермерских хозяйств и коттеджных зон влечет за собой потребность в сравнительно маломощных энергетических установках для привода электрических генераторов, насосов, компрессоров, различных машин и механизмов, выполняющих те или иные хозяйственные, бытовые и другие технологические операции. Установки, рассчитанные на таких потребителей, должны быть недорогими и доступными для приобретения широкому кругу представителей малого бизнеса.

Не исключено, что в связи с высокой стоимостью строительства и эксплуатации линий электропередачи в условиях сельской местности или в еще недостаточно освоенных (с точки зрения гарантированного электроснабжения) районах потребность в таких АЭУ может оказаться значительной.

Требования к автономным установкам

АЭУ малой мощности должны быть многотопливными и способными работать на жидком, газообразном, твердом горючем, отходах лесной и сельскохозяйственной промышленности, на биогазе, шахтном газе (метане), отходах нефтедобычи (попутный газ), нефтепереработки и др.

В качестве автономных энергоисточников могут быть применены теплоэнергетические установки с различными типами агрегатов: двигатели внутреннего сгорания, паровые и газовые турбины или их комбинации. Каждый из них может оказаться рациональным для той или иной конкретной области применения и вида топлива.

Среди АЭУ малой мощности остановимся детально на микротурбинных установках (МТУ) — относительно новом для отечественных потребителей классе продуктов, которому присущи некоторые уникальные потребительские свойства, отличающие эти установки от других типов устройств данного класса.

Преимуществами микротурбинных установок являются: возможность работы в течение длительного времени при малых нагрузках и даже в режиме холостого хода; низкий уровень вредных выбросов, вибраций, шума; работа без смазок и моторного масла; низкая стоимость эксплуатационных расходов; длительный ресурс до капитального ремонта; возможность работы на различных видах топлива; высокая надежность. Основной недостаток МТУ — высокая стоимость этого оборудования.

Устройство микротурбинных установок и их особенности

Микротурбинные установки (МТУ) относятся к классу АЭУ малой мощности. Это автономные теплоэлектростанции мощностью от нескольких киловатт до 1- 2 МВт, которые используют маломощные турбины, специально разработанные для оборудования такого класса. Существуют определенные конструктивные особенности, которые отличают микротурбины от других типов газовых турбин. Тем не менее не существует четкой границы, которая отделяла бы микротурбины от промышленных турбин малого размера.

В основном микротурбины характеризуются следующими конструктивными особенностями:

• использованием радиальных компрессоров;

• низкими степенями повышения давления, обусловленными одной или, возможно, двумя ступенями компрессора;

• минимальным использованием охлаждения ротора;

• рекуперацией тепла для предварительного подогрева воздуха перед подачей его в камеру сгорания;

• очень высокими скоростями вращения основного вала (25 тыс. об./ мин. и выше);

• использованием материалов, которые позволяют снизить стоимость производства.

КПД микротурбины заметно ниже, чем у конкурирующих агрегатов, таких, например, как поршневые двигатели, поэтому предпочтительнее использовать их прежде всего для решения тех задач, где стоимость топлива скорее вторична и для которых требуется высокая надежность и большой эксплуатационный ресурс.

Для многих прикладных задач очень высокие скорости вращения турбины требуют наличия редуктора. В то время как для случая генерации электроэнергии обычно используется другое, альтернативное решение — прямоприводный (без редуктора) синхронный генератор, связанный с преобразователем переменного напряжения в постоянное и с сетевым преобразователем частоты.

Типовая конструктивная схема микротурбинной установки такова. Воздух из атмосферы через систему фильтров входного устройства поступает в центробежный компрессор, где сжимается до необходимого давления и затем подается в теплообменник (рекуператор). Здесь он подогревается, после чего поступает в камеру сгорания (КС), в которой происходит процесс горения углеводородного топлива, также подаваемого в КС. Продукты сгорания в смеси с воздухом, имеющие высокую температуру, попадают на лопасти радиально- осевой турбины и совершают работу (вращают ее). Турбина связана с высокооборотным генератором электрического тока общим валом — ротором. Преобразователь (блок силовой электроники) обеспечивает подачу потребителю электроэнергии необходимого напряжения и частоты.

Выходящие после турбины газы отдают тепло воздуху в теплообменнике и отводятся в выходное устройство. При необходимости выработки тепловой энергии за теплообменником может быть установлен теплофикационный котел (котел- утилизатор).

Производители и продукты

Сегодня на рынке достаточно предложений микротурбинных установок. Основные производители и характеристики МТУ приведены в таблице. Из нее видно, что доступные на украинском рынке установки имеют электрическую мощность от 30 кВт до 2 МВт, тепловую — от 60 до 3800 кВт, КПД по выработке электроэнергии порядка 26- 33% и общий КПД (с утилизацией тепла) порядка 66- 90%. В качестве топлива в микротурбинных установках могут использоваться газ, дизельное топливо или керосин. Расход топлива при номинальной нагрузке, конечно, зависит от мощности установки и колеблется в пределах от 12 до 892 м3/ ч (данные для газа). При этом рабочее давление топлива на входе составляет от 3,2 до 12,5 бар, а максимальная температура выхлопных газов (за рекуператором) — 250- 555 °С.

Скорость вращения ротора турбины находится в диапазоне 25,5-  96 тыс. об./ мин.
Экологические показатели таковы. Выброс вредных веществ (оксид азота — NOx) находится в пределах 9- 25 ppm (термин ppm обозначает миллионную часть). Формула NOx объединяет три вещества: NO (одноокись азота), NO2 (двуокись азота) и N2O (закись азота).

Уровень шума на расстоянии 10 м составляет 58- 85 дБ и 75- 85 дБ на расстоянии 1 м.

Эксплуатационные характеристики: межсервисный интервал — 6- 8 тыс. часов, срок службы (ресурс) — 24- 60 тыс.

Признанным мировым лидером в производстве микротурбинных энергетических установок является американская компания Capstone Turbine Corporation, которая в 1998 году первой предложила на рынок коммерческий продукт, выполненный с использованием микротурбинной технологии — результат десятилетних усилий коллектива разработчиков.

МТУ Capstone отличаются рядом конструктивных особенностей, обеспечивающих преимущества перед установками фирм- конкурентов (Turbec, Bowman, FlexEnergy). Прежде всего это наличие воздушных подшипников у единого высокооборотного турбогенераторного ротора, использование компактного встроенного рекуператора, конструкция которого обеспечивает малые габариты всей установки, использование высокоэффективной камеры сгорания с минимальным выбросом NOx. Воздушные подшипники позволили отказаться от системы жидкостной смазки, что дало возможность увеличить ресурс установки и сократить расходы на ее техобслуживание.

Хотя воздушные подшипники известны в технике относительно давно, их применение в энергетических установках было связано с решением новых задач. Главной из них была проблема обеспечения непрерывной работы подшипника в течение длительного срока (более 40 тыс. часов) и при высокой температуре, достигающей 650 °С. Устройство микротурбины Capstone показано на рис. 1.

Capstone выпускает микротурбинные установки электрической мощностью 30 (C30), 65 (C65), 200 кВт (C200). Конструктивно объединяя модули устройства C200, компания предлагает потребителю АЭУ мощностью 600 кВт (С600 — «связка» из трех модулей C200), 800 кВт (С800 — четыре C200 «в одной упряжке») и 1 МВт (С1000 — пять модулей C200).

Несмотря на некоторые отличия, конструкция микротурбинных установок Capstone различной мощности сходна, поскольку похожи ее основные элементы: турбокомпрессор с радиальными компрессором и турбиной, высоко­оборотный генератор на постоянных магнитах, воздушные подшипники и встроенный в корпус установки рекуператор. На рис. 2 можно увидеть микротурбинные установки Capstone на действующем объекте.

Американская компания FlexEnergy производит МТУ FP250 мощностью 250 кВт (рис. 3) на базе микротурбины MT250 (ранее выпускалась под торговой маркой Ingersoll Rand — IR). Отличительной особенностью этой энергетической установки является наличие двух турбин: для привода компрессора и силовой турбины. Последняя соединена через редуктор со стандартным низкооборотным электрогенератором со скоростью вращения 1500 (1800) об./ мин. Внешний вид ротора микротурбины MT250 показан на рис. 4.

В установке используются шариковые подшипники качения на жидкой смазке. Рабочее колесо турбины — керамическое, и это тоже характерная особенность конструкции Ingersoll. Керамика типа нитрид кремния (Si3N4 Ceramics) допускает работу микротурбины при более высоких температурах, чем аналогичного узла, изготовленного из металлических сплавов. Это позволяет экономить топливо и снизить уровень выброса окислов азота. Однако керамика характеризуется большим разбросом по сопротивлению разрыву, и это потребовало от разработчиков уточненных исследований прочности рабочего колеса турбины.

Повышение температуры газа перед турбиной приводит к увеличению его температуры перед рекуператором. Поэтому керамика используется не только в турбине, но и в рекуператоре, чтобы уменьшить высокотемпературную коррозию и ползучесть его элементов.

Таким образом, для обеспечения высоких КПД (до 32 %) и ресурса (не менее 60 тыс. часов) при температуре газа перед турбиной 925 °С производитель использует керамику для изготовления рабочего колеса турбины и в других элементах конструкции МТУ.

Недостаток установки FP250 — увеличенные габариты, что обусловлено применением традиционного тихоходного электрогенератора, соединенного с турбиной через редуктор.

На базе МТУ FP250 компания FlexEnergy выпускает также электростанцию Flex Powerstation FP250 (рис. 5) электрической мощностью 250 и тепловой 1100 кВт при почти полном отсутствии вредных выбросов. Достигается это за счет того, что вместо камеры сгорания используется внешний тепловой окислитель FlexOxidizer (Flexidizer), позволяющий избежать образования оксида азота, а также окиси углерода (СО) и летучих органических соединений. После окислителя газ, нагретый до температуры от 790 до 1260 °C, с почти нулевым содержанием вредных веществ покидает окислитель и приводит во вращение газовую турбину.

Основная сфера применения электростанции — утилизация газа (биогаза), выделяемого на станциях водоочистки, сельскохозяйственных производствах, мусорных полигонах.

Итальянская компания Turbec появилась на рынке в 1999 году в результате объединения Volvo Aero и филиала фирмы ABB. Она выпускает микротурбинную энергетическую установку Т- 100 (рис. 6) электрической мощностью 100 кВт.

Отличительная особенность этой МТУ — использование высокоскоростного ротора (по сравнению с установкой FP250 компании FlexEnergy скорость вращения ротора турбин Turbec увеличена почти в два раза — до 70 тыс. об./ мин.), объединяющего радиальную турбину, центробежный компрессор и компактный высокоскоростной электрогенератор на постоянных магнитах. Отсутствие редуктора между турбогруппой и генератором существенно уменьшило вес и повысило надежность всей установки. В роторе использованы подшипники качения, требующие минимального расхода жидкой смазки (девять литров на 6 тыс. часов работы).

К особенностям конструкции ротора установки Turbec можно отнести двухопорный общий ротор турбокомпрессора- генератора, а также изготовленное из никелевого сплава рабочее колесо турбины с термобарьерным покрытием, рассчитанное на максимально допустимую температуру 1050 °C.

С 1997 года производила микротурбинные установки мощностью до 100 кВт американская компания Elliott Energy Systems (входила в японскую корпорацию Ebara Group). После 2006 года она сменила название на Calnetix Power Solutions, объединившись с Calnetix, занимавшейся до этого разработкой электромеханики и электроники. Сейчас это подразделение компании Capstone.

Calnetix выпускает 100- киловаттные МТУ различных модификаций, в том числе ТА- 100 RCHP — установку для комбинированного производства электро­энергии и тепла (когенератор) с электрической мощностью 100 кВт и тепловой — 160 кВт. Это продукт полной заводской готовности, при разработке и изготовлении которого использован блочно- модульный принцип, что позволяет в случае необходимости заменять не изделие в целом, а отдельный узел (рис. 7).

В установке отсутствует редуктор. В отличие от МТУ других производителей, частота вращения ротора практически не зависит от нагрузки и поддерживается на уровне 68 тыс. об./ мин. Это позволяет всего за 0,3 с принять 100% нагрузки.
В ТА- 100 RCHP применяются гидродинамический подшипник скольжения, металлокерамические материалы, низкоэмиссионная камера сгорания, высокоскоростной электрогенератор с постоянными магнитами. МТУ работает практически без вибраций, за счет чего ее можно размещать на крыше или непосредственно в здании. Для работы при низких температурах в конструкции предусмотрены подогреватели воздуха и масла, которые обеспечивают быструю подготовку систем агрегата к запуску. Установка устойчиво и надежно работает при температурах от - 0 до +50 °С. Система охлаждения ТА- 100 RCHP воздушная.

Calnetix, будучи одним из мировых лидеров в области производства МТУ, в то же время выполняет работы по модернизации таких систем на действующих объектах. В числе направлений — совершенствование процесса горения в камере сгорания с целью снижения вредных выбросов, замена подшипников с жидкой смазкой на систему магнитного подвеса ротора или воздушные подшипники.

Используя наработки фирмы Elliott, английская компания Bowmen выпускает микротурбинную установку TG80CG мощностью 80 кВт. Оригинальными являются общая компоновка и исполнение силовой электроники. Редуктора в конструкции нет. Электрогенератор на постоянных магнитах связан с турбокомпрессором единым валом.

МТУ оборудована автоматическим переключателем режима функционирования — от параллельного с сетью режима к изолированной от сети работой.

Установка Bowman несколько уступает сходной с ней МТУ Turbec по таким параметрам, как электрический КПД, уровень вредных выбросов, уровень шума, а также по сроку службы.

Газотурбинная установка KG2- 3G, производимая французской компанией Dresser Rand, имеет электрическую мощность 2 МВт, и ее тоже можно отнести к классу МТУ. Это модульное изделие, предназначенное для выработки тепла и электроэнергии. Имеет полную заводскую готовность, все основные агрегаты смонтированы во всепогодном контейнере (рис. 8).

KG2- 3G широко применяется в нефтяной и газовой промышленности — как на морских платформах, так и на материковых нефтяных месторождениях (фирма Dresser Rand имеет многолетний опыт работы с газовыми турбинами для проектов в нефтяной и газовой отрасли).

Установка KG2- 3G (рис. 9) имеет высокую надежность при запуске (более 98,8%), может работать при температуре окружающей среды от +50 до - 60 градусов. Возможна эксплуатация как в автономном режиме, так и параллельно с сетью в течение длительного времени при очень низких нагрузках, в том числе в режиме холостого хода. Для своего класса она имеет незначительный вес и очень компактна. Не нуждается в жидкости для охлаждения.

Компания выпускает также установку KG2- 3E, которая имеет несколько меньшую мощность (1930 кВ) и отличается от KG2- 3G некоторыми другими техническими характеристиками.

Продукция Dresser Rand заслужила свою репутацию простотой в обращении и ремонте, непрерывностью работы в сложных условиях суши и моря. В процессе проектирования газовых турбин особое внимание уделяется сокращению времени обслуживания.

Нидерландская компания OPRA Technologies, основным потребителем энергетических систем которой является нефтегазовая промышленность, производит турбогенераторную установку DTG- 1,8/ 2GL, имеющую электрическую мощность 2 МВт, которая дополнительно оснащается системой утилизации тепла для использования в режиме когенерации. Базовым вариантом комплектации является двухтопливная система, работающая на газообразном или дизельном топливе. При этом переключение с основного на резервное топливо производится без остановки генератора, что очень выгодно при разработке нефтяных месторождений (сначала работа на солярке, потом полный переход на попутный нефтяной газ без каких- либо систем его подготовки).

Конструктивное исполнение DTG 1,8/ 2GL — модульное, возможны кластеры до 20 изделий (суммарная мощность до 40 МВт). Существует модификация камеры сгорания с пониженным содержанием загрязняющих веществ в выхлопе.

Микротурбинная установка TPC50RA производства компании Toyota имеет электрическую мощность 50 кВт. Основными направлениями исследовательской деятельности фирмы при разработке являлись понижение вредных выбросов в камере сгорания и замена подшипников жидкой смазки на воздушные подшипники, которые и нашли применение в этой установке.

Следует заметить, что кроме перечисленных выше типов подшипников, использующихся в МТУ, нужно назвать еще один — магнитный подвес ротора, который пока не нашел широкого практического применения. Основная трудность использования магнитных подшипников в микротурбинных установках — ограничения по температуре ротора в области подшипника. Для большинства металлов максимальная температура сохранения магнитных свойств находится в диапазоне 350 °С и 450 °С. Только для специальных материалов их магнитные характеристики могут поддерживаться до температур 650 °С. Кроме того, при высоких рабочих температурах будет увеличиваться электрическое сопротивление катушек статора, что потребует высокотемпературной изоляция (например, керамической).

Таким образом, использование магнитных опор должно быть основано на разработке магнитных материалов высокой температуры, катушек с высокотемпературной изоляцией при охлаждении всего узла подшипника.

Одну из самых малых микротурбинных установок Dynajet, предназначенную для генерации электричества, выпустила компания Nissan. Мощность этой действительно мини- МТУ составляет всего 2,6 кВт. Скорость вращения ротора турбины, работающей на керосине, составляет 100 тыс. об./ мин. Установка снабжена рекуператором.

Применение микротурбинных установок

О преимуществах микротурбинных установок уже говорилось выше. Так, допускается 300 стартов и остановок МТУ Capstone в год без потери ресурса, а стоимость капитального ремонта их по истечении 5- 6 лет эксплуатации составляет не более 40% от первоначальных затрат на приобретение самих энергоблоков. Сроки проведения капитального ремонта этих установок составляют 3- 5 дней. При этом цены на немногочисленные расходные материалы МТУ могут быть зафиксированы долголетними сервисными контрактами.

При всей привлекательности своих потребительских свойств микро­турбинные установки не могут составить конкуренцию дизель- генераторным установкам по массовости использования. Причина одна: высокая стоимость этого оборудования, и это является серьезным недостатком МТУ.

Например, цена на установки Capstone начинается от $2500 за 1 кВт установленной электрической мощности, далее все зависит от комплектации. В развернутых системах стоимость оборудования достигает $3500 за 1 кВт установленной электрической мощности под ключ. Это означает, что строительство комплектной тепловой электростанции, состоящей из трех микротурбин Capstone C65 общей электрической мощностью 195 кВт, обойдется потребителю в сумму порядка $700 тыс.

Тем не менее в различных областях человеческой деятельности достаточно потребителей, для которых стоимость оборудования — не самый главный критерий при его выборе. А возможность использования широкого спектра топлива с различными характеристиками состава делает МТУ незаменимыми в решении задач по выработке энергии из различных отходов.

К сожалению, в Украине АЭУ, использующие микротурбинные установки, пока мало востребованы. Примером может служить реализованный в 2012 году проект с применением установок Capstone, которые используются для тепло-  и электроснабжения оздоровительного комплекса «Бухта мечты», расположенного в крымской бухте Ласпи. Автономная энергетическая установка комплекса электрической мощностью 325 кВт и тепловой 620 кВт построена на базе кластера из пяти МТУ С65 и пяти теплоутилизаторов Capstone и работает на природном газе.
 

Микротурбинные установки появились на рынке генерирующих энергетических устройств в 1998 году, когда компания Capstone Turbine Corporation поставила три первые газовые МТУ предприятию по добыче, переработке и транспортировке природного газа в штате Техас (США) для обеспечения собственных потребностей в электроэнергии. С тех пор это оборудование совершенствовалось, становилось все более популярным у потребителей. Сегодня микротурбинные установки являются одним из самых современных видов энергогенерирующего оборудования, превосходящим другие существующие типы генераторов по совокупности потре­бительских свойств: экологичности, эффективности, экономичности и надежности.
 

Николай МИХЕЕВ,

СиБ 

№ 5 (ноябрь) 2013