Газовые микротурбины для комбинированного производства тепла и электроэнергии

M. Gozzi

Термином «децентрализованная микрокогенерация» обозначают распределение на компактной территории, непосредственно у пользователя, ряда небольших электрогенераторов с отбором теплоты регенерации первичных двигателей для оборудования систем ОВК. Под первичными двигателями понимаются главным образом два вида машин: газопоршневые двигатели и газовые микротурбины. На последних остановимся подробнее.

Газовые микротурбины — это турбины, которые работают на природном газе, они оснащены устройством тепловой регенерации выпускных газов и вырабатывают электрическую мощность менее 200 кВт. Совсем недавно, буквально на глазах, из пробных экземпляров исследовательских лабораторий это оборудование перешло в разряд серийной промышленной продукции (хотя и не столь многочисленной).

С учетом того, что система когенерации обеспечивает явное улучшение эксплуатационных показателей теплостанций, интерес исследователей заключается в том, чтобы разработать такие комплектующие элементы систем когенерации, которые можно было бы выпускать в виде стандартных компактных модулей для замены традиционных отопительных котлов теплостанций, которые обеспечивали бы возможность комбинированного производства тепла и электроэнергии. Такой подход ведет к росту производительности энергоустановок, а также дает решение проблемы выбросов выхлопных газов и парникового эффекта.

Рассмотрим имеющийся опыт эксплуатации микрокогенерации, учитывая, что сфера применения газовых микротурбин не так уж мала: от комбинированного производства тепла и электроэнергии до использования горючих отходов и аварийного электроснабжения.

Сначала несколько замечаний. Опыт, о котором идет речь, относится главным образом к последнему десятилетию. Основные работы велись на оборудовании систем ОВК с когенерацией малой мощности, где много лет монопольное положение занимали газопоршневые двигатели. Как раз использование последних и высветило ряд проблем, ограничивших перспективы развития микрокогенерации:

1. Слишком высокие расходы на установку системы. Отчасти это обусловлено высокой шумностью применявшихся двигателей и, соответственно, высокой стоимостью оборудования звукоизоляции.

2. Слишком высокие эксплуатационные расходы и затраты на техническое обслуживание. В годовом исчислении обслуживание поршневых двигателей превышает все ожидания. Для малых установок каждый выезд специалиста на место (в частности, для регулярной смены масла) значительно увеличивает стоимость годового обслуживания.

3. Повышенный уровень выбросов NO_x газопоршневых двигателей никак не соответствует требованиям экологичности оборудования.

Рисунок 1. Дизайн когенерационного модуля на основе газовой микротурбины тщательно проработан. Данную модель все чаще выбирают для оборудования инженерных систем объектов сферы обслуживания

Технические характеристики газовых микротурбин

Если сравнивать эти устройства с газовыми турбинами малой мощности (1–2 МВт), несущими в себе все основные черты больших промышленных турбин, следует отметить, что между ними практически нет ничего общего, поскольку в основе газовых микротурбин лежат высокооборотные турбомашины радиального типа. Более того, они работают в рамках термодинамического цикла регенерационного типа, который мало используется на больших агрегатах, но существенно повышает производительность.

Основные факторы, обусловившие успех микротурбин:

1. Базовую технологию составляет технология турбоблоков питания крупных газопоршневых двигателей. Вследствие этого компрессор и турбина литые и могут серийно производиться в больших количествах.

2. Использование регенерационного термодинамического цикла обеспечивает электропроизводительность на уровне 30 %, что частично компенсирует низкую производительность малых машин по сравнению с большими (явление, вполне обычное в технологии машиностроения). Наилучшее соотношение сжатия довольно низкое (3–3,5 : 1), вследствие чего оптимизированная система может комплектоваться одноступенчатым центробежным компрессором.

3. По сравнению с газопоршневым двигателем резко сокращено число движущихся деталей. Отсюда значительное сокращение эксплуатационных расходов и затрат на техническое обслуживание.

4. В настоящее время ряд изготовителей применяет высокоскоростные электрогенераторы после того, как стало возможным отказаться от использования колесного редуктора вращения. Кроме того, этому способствовал тот факт, что в плане стоимости статические системы с преобразователем частоты «solid state» становятся все более привлекательными.

5. Некоторые изготовители применяют «воздушные» подшипники, которые не требуют обслуживания (смены масла), что снижает расходы на эксплуатацию и техническое обслуживание.

6. Газовую турбину отличает высокая удельная мощность, вследствие этого габариты машины относительно малы. На сегодня габариты дополнительных устройств, силовой электроники, трансформаторов и регенератора все еще достаточно велики, но в скором времени габариты будут уменьшаться.

7. Вследствие низкой температуры горения микротурбины имеют очень низкий уровень выброса NO_x. Даже несмотря на то, что они не оборудуются устройством дожигания газов (катализатором), уровень выброса NO_x составляет всего 15 частей на миллион от объема при 15 % О₂. В перспективе использование специально разработанных камер сгорания (с предварительной подготовкой смеси) может еще более улучшить экологические показатели. В любом случае уровень выбросов данных машин существенно ниже показателей газопоршневых двигателей.

Рисунок 2. (подробнее) Принципиальная схема цикла регенерации, обычно используемого на газовых микротурбинах. Регенеративный термодинамический цикл отличается хорошей электропроизводительностью

Рисунок 3. (подробнее) Схема газовой микротурбины с системой регенерации тепла из отработанных газов: 1 — генератор переменного тока; 2 — входящий воздух; 3 — камера сгорания; 4 — воздух, поступающий на регенератор; 5 — компрессор; 6 — турбина; 7 — теплообменник-регенератор; 8 — отработанные газы; 9 — теплообменник отработанных газов; 10 — выход отработанных газов; 11 — выход горячей воды; 12 — поступающая вода

Применение газовых микротурбин

Высокая электропроизводительность, низкая стоимость обслуживания в сочетании с функциональной гибкостью, низкая рабочая нагрузка уже послужили для многих пользователей убедительными аргументами в пользу когенерационных модулей с газовой микротурбиной. Именно в странах, где либерализация рынка электроэнергии получила наибольшее развитие, — таких как США, Великобритания, Швейцария и Голландия, — складываются условия для наиболее объективного сравнительного анализа различного оборудования с точки зрения их стоимостных параметров.

Сегодня газовые микротурбины находят применение на самых разных объектах: медицинские учреждения, бассейны, спортивно-оздоровительные центры, учебные заведения, промышленные производства ограниченного масштаба.

От традиционной когенерации на основе газопоршневого двигателя когенерация с микротурбиной отличается чрезвычайной гибкостью в производстве тепла в форме самых разнообразных теплоносителей: это и горячая вода, и перегретая вода, и пар (кстати, газопоршневые двигатели пар вообще не производят). Высокая температура отработанных газов позволяет, кроме того, производить пар или перегретую воду, существенно повышая эффективность охлаждения, осуществляемого с помощью абсорбентов на основе бромистого лития.

В торговой сети предлагаются компактные модули, оснащенные всем необходимым дополнительным оборудованием, включая теплообменник для производства горячей или перегретой воды. Все изделия имеют специальную звукоизоляцию, уровень звукового давления составляет примерно 70 дБА на расстоянии 1 м. Последняя характеристика, в частности, делает рассматриваемое оборудование особенно привлекательным для пользователей гражданских объектов и объектов сферы обслуживания, решивших всерьез рассмотреть альтернативные решения в оснащении инженерных сетей.

Сегодня разработаны агрегаты мощностью около 100 кВт, имеющие высокую производительность при низкой удельной стоимости.

Газовые микротурбины как альтернатива отопительным котлам

Важно отметить следующее: чтобы сегодня иметь успех на рынке отопительных систем для зданий и сооружений, новая технология когенерации на основе газовых микротурбин не должна уступать в надежности традиционным отопительным котлам.

В любом случае надо помнить, что данный тип машин производит еще и электроэнергию, хотя тот, кто видит в них только теплогенератор, будет сравнивать их прежде всего с традиционными системами производства тепла (собственно говоря, этот сегмент нас и интересует). В любом случае, микротурбина должна отличаться высокой надежностью на фоне чрезвычайно низких затрат на обслуживание.

Сегодня разработчики ставят перед собой задачу довести цикл работы машины до 8 000 часов непрерывно только со сменой воздушного фильтра. Чтобы пояснить фактическое значение эксплуатационных расходов и затрат на техническое обслуживание, приведем примерную стоимость обслуживания в размере 10 € на произведенный МВт•ч (для агрегата мощностью 75 кВт с полной нагрузкой), что составит более 20 000 € в первые 5 лет обслуживания и вполне сопоставимо с немалым объемом первоначальных вложений.

Рисунок 4. Ряд изготовителей применяют в настоящее время высокоскоростные электрогенераторы после того, как стало возможным отказаться от использования колесного редуктора вращения. Система производства электроэнергии посредством газовой турбины: 1 — генератор переменного тока; 2 — выпрямитель/стартер; 3 — линия постоянного тока; 4 — преобразователь постоянного тока в переменный; 5 — линейный фильтр; 6 — фильтр электромагнитной интерференции; 7 — главный выключатель

Регенератор тепла

Как уже отмечалось, в рамках термодинамического регенерационного цикла главной представляется проблема регенератора тепла (точнее его конфигурации), обусловленная низкой температурой отработанных газов (около 250 °С) и их высоким массовым расходом.

Очевидно также, что необходимо учитывать следующие преимущества микротурбин:

- низкая стоимость — несомненное преимущество, особенно в перспективе серийного промышленного производства;

- дивертер (заслонка) — устройство, посредством которого газ отводится от системы регенерации тепла, вследствие чего машина производит только электричество (в случае потребности исключительно в электричестве и чрезвычайных ситуациях);

- низкое давление на выходе из рабочего контура: давление на выходе, обусловленное потерей нагрузки системы регенерации тепла, влечет за собой потерю мощности и должно быть как можно ниже.

Регенератор тепла чаще всего выполняется отдельно и монтируется в зависимости от условий и особенностей конкретного объекта. В фазе запуска заслонка открыта, затем она закрывается посредством низковольтного привода в соответствии с фактической потребностью в тепле.

На сегодня многие изготовители турбинного оборудования поставляют агрегаты в сборке, готовыми к установке. Их преимущество в том, что воздух, поступающий на турбину, относительно прохладный и плотный, это повышает, особенно в зимний период, производимую мощность и производительность. И наоборот, размещение рабочего блока внутри котельной влечет за собой заметное ухудшение рабочих характеристик в силу обычной для такого рода объектов высокой температуры воздуха.

Рисунок 5. (подробнее) Пример стандартного модуля в сборке. Регенератор тепла зачастую выполняется отдельно и монтируется в зависимости от условий и особенностей конкретного объекта

Отсюда вывод: необходимо тщательно проанализировать фактические условия среды на объекте, прежде чем делать окончательный выбор в пользу того или иного решения.

Агрегаты наружной установки имеют также и то преимущество, что если эксплуатацией занимается сторонняя организация, то проведение регламентных и иных работ на объекте не доставит неудобств людям, находящимся в здании.

Защита от замерзания обеспечивается прокладкой контура, заполненного гликолем, между системой регенерации тепла и внутренним отопительным контуром здания. Кроме того, это потребует установки вторичного теплообменника между отопительным контуром здания и системой приготовления горячей санитарной воды.

Что касается акустики, то сегодня работающая микротурбина является малошумной. Но в перспективе стоит задача сделать микротурбины еще более тихими, особенно в наружном исполнении для применения на участках с высокой плотностью населения.

Источником наибольшего шума является компрессор природного газа, представляющий собой отдельный агрегат. В будущем применение спиральных компрессоров позволит повысить надежность машин и улучшить их акустические характеристики.

Рисунок 6. Расположение когенерационного модуля с газовой турбиной на теплостанции. Новая технология когенерации на основе газовой микротурбины не должна уступать в надежности традиционным отопительным котлам

Перспективы развития рынка газовых микротурбин

Параметры производства электроэнергии и тепла говорят еще не о всех преимуществах использования газовых микротурбин.

Для многих зданий важным фактором является наличие аварийных систем производства электроэнергии. Поскольку в микротурбинах используется технология инвертеров, они могут осуществлять мониторинг состояния электрической сети и переводить мощность с главного электрического контура на аварийный. Аналогичным образом микротурбины могут использоваться для питания системы UPS (англ. «uninterruptible power supply» — система бесперебойного электропитания), что для зданий с большим количеством компьютеров и другого офисного оборудования является весьма актуальным.

Кроме того, необходимо подчеркнуть важный стратегический аспект развития данной технологии: речь идет о бизнесе предприятий по производству и доставке электроэнергии. Действительно, было отмечено, что установка агрегата на участке после электрического счетчика пользователя влечет за собой снижение доходной части энергетических предприятий. В США органы, ответственные за техническую регламентацию, сейчас вплотную изучают вопрос, каким образом можно компенсировать данное обстоятельство в распределенной доставке электроэнергии. В Европе проводились исследования децентрализованной когенерации в трех странах: Голландии, Великобритании и Франции. Вовлечение энергетических предприятий в процесс развития микротурбин способствовало участию всех заинтересованных сторон в оценке особенностей этой новой технологии и более близкому с ней ознакомлению. Тем не менее, если говорить объективно, экономический расчет толкает энергетические компании к сдерживанию роста интереса к аппаратуре когенерации в зонах после электрического счетчика пользователя, не говоря уже о том, что во многих случаях законодательно установлена ответственность энергетических предприятий за безопасность электроснабжения. Заметим в этой связи, что микротурбинные агрегаты оснащаются современными электронными системами управления, весьма эффективными в экстренных случаях.

Рисунок 7. Компактный турбогенератор переменного тока. На рисунке видно, насколько проста машина по конструкции и в обслуживании. Микротурбина отличается высокой надежностью и очень низкими эксплуатационными расходами

Заключение

В рамках исследовательских проектов, осуществляемых в международном масштабе (главным образом в США) в отношении газовых микротурбин, в т. ч. в сотрудничестве с предприятиями по производству и транспорту электроэнергии, были разработаны программы испытаний, имеющие целью определение эффективности систем регенерации тепла.

Корректирующие действия, осуществленные по результатам проведенных испытаний, позволили поднять общую производительность данного оборудования (так называемая производительность первого порядка) до весьма внушительных значений (75 %), вполне сопоставимых с промышленной турбогазовой аппаратурой когенерации. Это открывает широкие перспективы экономии энергоресурсов, особенно применительно к системам жизнеобеспечения зданий.

Работа продолжается. Вплотную изучается вопрос уменьшения габаритных размеров рабочих модулей, в частности, компрессоров природного газа, формально вспомогательного, но фактически жизненно важного элемента когенерационной установки.

В конечном итоге технология микротурбин уже сегодня может рассматриваться как вполне убедительная альтернатива на рынке оборудования для децентрализованного производства энергии в пределах 200 кВт.

Перепечатано с сокращениями из журнала «Costruire Impianti».

Перевод с итальянского С. Н. Булекова.

Научное редактирование выполнено канд. техн. наук А. Л. Наумовым,

тел. (095) 482-38-10.