Главная / Аналитика / Что лучше — газопоршневые или газотурбинные силовые агрегаты?
Что лучше, надежнее, экономичнее: газопоршневые или газотурбинные силовые агрегаты?
Типы двигателей, используемых для автономных электростанций
Силовыми агрегатами — приводами электрических генераторов для автономных малых тепловых электростанций являются дизельные, газопоршневые, микротурбинные и газотурбинные двигатели. О преимуществах тех или иных генерационных установок и технологий написано большое количество дискуссионных и полемических статей. Как правило, в спорах «в загоне» часто оставались газотурбинные установки. Попробуем разобраться почему.
Определяющими критериями для будущих владельцев автономных электростанций являются вопросы расхода топлива, уровень эксплуатационных затрат, а также срок окупаемости оборудования электростанции. Эти вопросы связаны прежде всего с выгодами и проблемами, которые может заполучить владелец автономной электростанции.
В данной статье у автора нет корыстной цели расставить какие либо приоритеты в пользу поршневой или турбинной технологий. Типы силовых установок электростанций правильнее всего подбирать применительно к проекту, исходя из индивидуальных условий и технического задания заказчика.
При выборе оборудования ТЭЦ надо консультироваться с независимыми специалистами из инжиниринговых компаний, осуществляющих строительство электростанций «под ключ». Также читателю следует учитывать слабость и неразвитость рынка генерационного оборудования в России, реальные объемы продаж на котором, в сравнении с развитыми странами, невелики и оставляют желать лучшего.
Газопоршневые установки против газотурбинных двигателей — эксплуатационные затраты
Действительно ли, что эксплуатационные затраты на мини–ТЭЦ с поршневыми машинами ниже, чем затраты на эксплуатацию электростанции с газовыми турбинами?
На самом деле стоимость капитального ремонта газопоршневого двигателя может достигать 60–70% от первоначальной стоимости самого агрегата – при капремонте осуществляется полная замена поршневой группы. Цена ремонта газотурбинной установки составляет 30–40% от начальных вложений.
Но объективности ради, следует учитывать соблюдение графика регламентных работ, характер нагрузки и режимы эксплуатации электростанции, вне зависимости от типа установленных силовых агрегатов.
Вопрос стоимости капремонта турбины связан с устаревшей информацией сорокалетней давности. Тогда «на земле», в приводе электростанций, использовались авиационные турбины, «снятые с крыла» самолета. Такие турбины с минимальными изменениями приспосабливались к работе в качестве основных силовых агрегатов для электростанций. Сегодня на электростанциях применяются турбины промышленного, индустриального типа, рассчитанные на непрерывную работу с различными нагрузками. Нижний предел минимальной электрической нагрузки, официально заявляемый заводом-производителем для индустриальных турбин, составляет всего 3–5%. Максимальная нагрузка газотурбинной установки, в ограниченных временных интервалах может достигать 110-120%.
Выдержка из технической документации компании Jenbacher GE — фирмы-производителя газопоршневых двигателей:
Техническая инструкция № 1100–0110 Необходимые условия для газопоршневых моторов электростанций GE Jenbacher
«...13. Эксплуатация и техобслуживание:
Минимальная продолжительность эксплуатации: 12 часов после каждого запуска, за исключением ввода в эксплуатацию, техобслуживания и работы на аварийном питании.
Этот срок не обязателен, но на нём основана периодичность проведения работ по ТО, указанная в инструкциях.
Несоблюдение минимального срока службы деталей не отражается на гарантийных обязательствах, однако значительно влияет на срок службы различных узлов.
Холостой ход газопоршневого двигателя электростанции:
ограничение времени осуществляется через системы управления агрегатом (холостой ход должен быть как можно более коротким, за исключением работ по техобслуживанию и настройке).
Работа с частичной нагрузкой газопоршневого двигателя электростанции:
Работа с частичными нагрузками без ограничений — но не менее 40% номинальной нагрузки. Соблюдение уровня эмиссий гарантируется только при нагрузках выше 50%.
Длительная работа газопоршневого двигателя электростанции:
Наиболее желательна работа двигателя с номинальной нагрузкой.
Обособленная работа газопоршневого двигателя электростанции:
При работе в обособленном (автономном) режиме допускается работа с частичной нагрузкой от 20% до 40% номинальной, но не чаще 6 раз в год, и на срок до 24 часов.
Работа в автономном режиме с нагрузкой ниже 50% номинальной допускается не чаще одного раза в сутки на срок не более 4 часов».
Для электростанций на базе газопоршневых агрегатов жизненно важным является соблюдение правила N+1 — количество необходимых агрегатов плюс еще один – для резерва.
Это обусловлено тем, что регламентные и ремонтные работы для газопоршневых установок имеют весьма частые и продолжительные временные интервалы.
Недобросовестные дилеры газопоршневых установок до продажи оборудования покупателю, как правило, предоставляют только коммерческую литературу общего плана и крайне редко — правдивые сведения о полных эксплуатационных расходах и производимых технических регламентах.
В части эксплуатации газопоршневого двигателя в приводе электростанции особо следует обратить внимание на количество используемого моторного масла — 600–800 литров на 1 МВт. Само собой, масло должно быть рекомендованным для данной газопоршневой установки, а значит, оно не может быть дешевым. Использование не рекомендованного моторного масла ведет к потере заводских гарантий и непредсказуемым последствиям для самого газопоршневого двигателя. Замена моторного масла должна производиться один раз в 2–4 месяца. По регламенту технического обслуживания сроки замены масла на поршневых агрегатах определяются на основании анализов его фактического состояния. Основными параметрами, по предельному изменению которых принимается решение о смене масла, являются вязкость и основное число (TBN — total base number).
По правилам, масло отбирается каждые 150 моточасов и подвергается анализам, в соответствии с заводскими инструкциями, в лаборатории. Простой контроль уровня механических загрязнений, вязкости, содержания воды, щелочного числа, кислотного числа проводится лабораториями еженедельно или даже чаще. Такое диагностирование позволяет определить повышенный износ какого либо узла заранее.
На некоторых, как правило, более 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.
Износ основных узлов газопоршневого двигателя происходит из-за некачественной сборки или нарушений правил эксплуатации, таких как:
Фактический расход моторного масла на 1 МВт установке «Jenbacher GE» может достигать 15 000 литров в год.
Одним из рекомендованных моторных масел для газопоршневых машин является Pegasus 705 (MOBIL). Оптовая цена составляет 160–180 рублей за литр, а специальное моторное масло для газовых поршневых двигателей марки Mysella 15W–40 (Shell)– стоит 40 999 рублей за бочку объемом в 208 литров.
Соответственно подлежат замене все масляные фильтры или картриджи в них. Угар моторного масла составляет 0,35–0,90 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.
Так как моторное масло выгорает в значительных объемах, поршневые агрегаты имеют повышенный уровень вредных выбросов в атмосферу. Для соответствия требованиям по экологии, при использовании поршневых машин, необходимо строить дорогостоящие высокие дымовые трубы, с учетом уже имеющегося уровня ПДК в окружающей среде.
Отработанное масло газопоршневых установок нельзя просто вылить на землю — 600 литров на 1 МВт требуют утилизации — это также постоянные расходы для владельцев электростанции.
Примечание: В современных газотурбинных установках замена редукторного масла производится в среднем 1 раз в 3-5 лет, а его долив не требуется.
Для проведения нормального сервиса в комплект мощной газопоршневой установки должна входить кран–балка. При помощи кран–балки снимают тяжелые детали поршневых двигателей для текущих осмотров и ремонтов. Наличие кран–балки вынуждает строить гораздо более высокие помещения для машинных залов поршневой электростанции.
Токарный станок, входящий в комплект поставки (MAN B&W), служит для периодической расточки клапанов поршневого двигателя.
Один раз в 3–4 месяца требуется замена дорогостоящих свечей зажигания (100–120€ за 1 штуку). На 6 МВт электростанции на базе 4 газопоршневых агрегатов «Cummins», единовременной замены потребуют сразу 80 специальных свечей зажигания. Выполнение этого простого периодического регламента потребует внушительной суммы ~10 000€.
Периодической замене подлежат высоковольтные провода и воздушные фильтры поршневых установок.
К примеру, стоимость расходных материалов на год эксплуатации для 1 МВт агрегата «GE Jenbacher» JMS–320 GS составляет 9 800 евро.
Поршневые агрегаты, в отличие от газотурбинных установок, имеют жидкостное охлаждение, соответственно персоналу необходимо постоянно следить за уровнем охлаждающей жидкости и осуществлять периодическую замену, а если это вода, то требуется обязательно осуществлять её химическую подготовку. Объемы охлаждающей жидкости исчисляются в десятках или сотнях литрах — все зависит от мощности поршневого агрегата.
В некоторых случаях сроки доставки запасных частей могут растянуться до 4–6 месяцев. Простои столь дорогостоящего оборудования – прямые убытки потребителей энергии.
Примечание: вышеперечисленные затратные особенности эксплуатации поршневых агрегатов отсутствуют у более технологичных газотурбинных установок.
В газотурбинных установках не используется такие расходные материалы и компоненты, как:
моторное масло,
свечи зажигания,
масляные фильтры,
охлаждающая жидкость,
наборы высоковольтных проводов.
Что выбрать? Газопоршневые или газотурбинные установки?
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.
Например, при этой температуре официально заявленная мощность газотурбинной установки равна 4 300 кВт. С учетом среднегодовой температуры в Московской области +3,1 °C фактическая среднегодовая мощность будет равна 4 797 кВт. То есть на 500 кВт больше заявленной и оплаченной. При стоимости 1 кВт — $1 000 такой бонус нельзя сбрасывать со счетов, ведь он равен $500 000! Выигрывает от этого только потребитель, так как по контракту он оплатит только 4 300 кВт.
Мы взяли для примера Московскую область, а если это будет Западная Сибирь? В городе Сургут среднегодовая температура –1,9 °C, выигрыш будущего владельца газотурбинной установки составит $600 000, а в Якутии, при среднегодовой температуре –9,3 °C бонус составит $750 000. Мы живем в холодной стране — это факт.
В той связи нельзя не отметить возможные трудности запуска газопоршневой установки при низких температурах. Минимальная температура запуска без подогрева +7 °C. При меньших температурах необходим предварительный подогрев охлаждающей жидкости и моторного масла, что увеличивает время старта газопоршневого агрегата из «холодного резерва».
Важным экономическим фактором является и то, что газотурбинная установка способна отдать в 2 раза больше бесплатной тепловой энергии, нежели поршневой агрегат аналогичной мощности.
При высоком уровне тарифов на тепловую энергию и природный газ эта особенность газотурбинного агрегата принесет немалые деньги владельцам.
В отличие от газопоршневых установок выхлопные газы турбин имеют более высокую температуру. Это позволяет получать промышленный пар в больших объемах с гораздо меньшими затратами.
Высокая температура на выходе газотурбинных установок позволяет использовать в составе электростанции паровую турбину. Это 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%.
Газопоршневые установки против газотурбинных силовых агрегатов — КПД
Средний удельный расход газового топлива на 1 выработанный кВт/час значительно меньше у газопоршневой установки, причем при любом режиме нагрузки (хотя длительные нагрузки менее 25% противопоказаны для поршневых двигателей). Электрический КПД поршневых машин составляет 40–44%, а газовых турбин — 23–39% (в парогазовом цикле турбина способна выдать КПД равный 59%). Парогазовый цикл применяется при высокой мощности электростанций.
Если Вам надо изготовить локомотив, самолет или морское судно, то можно считать одним из определяющих показателей коэффициент полезного действия (КПД) силовой установки. Тепло, которое получается в процессе работы двигателя локомотива, самолета (или судна) не используется и выбрасывается в атмосферу. КПД силовой установки более чем актуален — ведь он влияет на расход топлива!
Но мы строим не локомотив, а электростанцию и при выборе типа силовых агрегатов для автономной электростанции подход несколько иной — здесь необходимо говорить о полноте использования сгораемого топлива — коэффициенте использования топлива (КИТ).
Сгорая, топливо производит основную работу — вращает генератор электростанции. Вся остальная энергия сгорания топлива — это тепло, которое можно и нужно использовать. В этом случае так называемый, «общий КПД», а вернее коэффициент использования топлива (КиТ) электростанции будет порядка 80-90%.
Если потребитель рассчитывает использовать тепловую энергию автономной электростанции, коэффициент полезного действия (КПД) автономной электростанции не имеет практического и прикладного значения.
При снижении нагрузки до 50% электрический КПД газовой турбины снижается. В таком режиме газопоршневые двигатели также теряют КПД, который при 50% нагрузке становится меньше на 10–15% . Но не будем забывать о нагрузках ниже 30% — ведь они губительны, а порой и разрушительны для поршневых установок и абсолютно безразличны для газотурбинных энергоблоков.
Эксплуатация поршневых установок на низких нагрузках приводит к наступлению капитального ремонта не через 6 лет, а через 2–3 года. Его стоимость может составлять до 70–80% от первоначальной цены газопоршневой установки. Это очень высокая цена за выигрыш в КПД при малой нагрузке.
Примечание: Сравнение газотурбинных установок и газопоршневых двигателей в составе мини–ТЭЦ показывает, что установка газовых турбин выгодна и полностью оправдана на любых объектах, которые имеют равномерные электрические и тепловые нагрузки больше 8-10 МВт.
Газопоршневые установки против газотурбинных двигателей — входное давление газа
Всегда ли необходимо наличие газопровода высокого давления, в случае применения газовых турбин?
Для всех типов современных силовых агрегатов электростанций давление подводимого газа не имеет практического значения, так как в комплекте газотурбинной установки всегда имеется газовый компрессор, входящий в стоимость энергокомплекса.
Компрессор обеспечивает требуемые рабочие характеристики газового топлива по давлению. Современные компрессоры являются чрезвычайно надежными и малообслуживаемыми агрегатами. В мире современных технологий, как для газопоршневых двигателей, так и для газовых турбин важно лишь наличие должного объема газового топлива для обеспечения нормальной работы автономной электростанции. Однако не следует забывать, что дожимной компрессор также требует энергии, расходных материалов и обслуживания.
Газопоршневые двигатели против газотурбинных агрегатов — двухтопливные установки
Часто пишут и говорят, что двухтопливные установки могут быть только поршневыми. Правда ли это?
Это не соответствует действительности. Все известные фирмы-производители газовых турбин имеют в своей гамме двухтопливные агрегаты. Основной особенностью работы двухтопливной установки является ее возможность работы, как на природном газе, так и на дизельном топливе. Благодаря применению в двухтопливной установке двух видов топлива, можно отметить ряд ее преимуществ по сравнению с монотопливными установками:
при отсутствии природного газа установка автоматически переходит на работу на дизельном топливе;
во время переходных процессов установка автоматически переходит на работу на дизельном топливе. При выходе на рабочий режим осуществляется обратный процесс перехода на работу на природном газе и дизельном топливе;
Не стоит забывать и о том факте, что первые турбины изначально проектировались для работы на жидком топливе — керосине.
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 повреждения 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. Число пусков газотурбинной установки составляет 300 раз в год без малейшей потери ресурса.
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 40 000–60 000 рабочих часов. При правильной эксплуатации и своевременном проведении регламентных работ у газопоршневого двигателя этот показатель также равен 40 000–60 000 рабочих часов. Правда у газопоршневых моторов есть еще так называемые «промежуточные» ремонты, которые порой мало чем отличаются от капитальных. Например, замена вкладышей, по регламенту, должна производиться через 30 000 часов. Однако бывают иные ситуации, когда капремонт наступает гораздо раньше.
Стоимость капитального ремонта газовой турбины с учётом затрат на запчасти и материалы ниже, чем стоимость ремонта газопоршневой установки, на 30–40%.
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 (контактный телефон).
Газопоршневые моторы против газотурбинных установок — экология
Каким образом выполняются требования по экологии?
Надо отметить, что газопоршневые установки значительно уступают газотурбинным агрегатам по уровню выбросов NOx. Так как моторное масло выгорает в значительных объемах, поршневые агрегаты имеют уровень вредных выбросов в атмосферу в 15–20 раз больший, чем у газотурбинных агрегатов.
Содержание СО (при 15% О2) для газопоршневых двигателей находится на уровне 180–210 мг/м³, и это несмотря на наличие в выхлопном тракте «Йенбахер» дорогостоящей каталитической очистки уходящих газов. Для соответствия требованиям по ПДК, при использовании поршневых машин необходимо строить высокие дымовые трубы (до 100–120 метров), а они, как известно, стоят отнюдь не копейки.
Жидкости системы охлаждения, отработанное масло газопоршневых установок требуют утилизации, а это тоже эксплуатационные затраты.
Поршневые установки при работе имеют вибрации и низкочастотный шум, распространяющийся на значительное расстояние. Доведение шума до стандартных значений возможно, но необходимы более дорогостоящие решения.
Всех вышеперечисленных недостатков нет у газотурбинных установок.
Примечание: Уровень вредных выбросов от многих современных газотурбинных установок не превышает значение 20 ppm, этот важный экологический параметр позволяет снизить стоимость и объемы строительства, а, следовательно, и сроки ввода газотурбинной ТЭЦ–ТЭС в эксплуатацию.
Газопоршневые установки против газотурбинных двигателей — выводы
Серьезной переоценки требует изначальное представление о газопоршневой установке, как об агрегате для постоянного энергоснабжения, позволяющего защитить потребителя при отключении питающей электрической сети. В составе такой электростанции необходимы резервные агрегаты и емкости для хранения второго вида топлива – дизельного. При линейных нагрузках и строгом соблюдении правила N+1 применение газопоршневых двигателей в качестве основного источника энергоснабжения возможно.
В диапазоне мощности до 6-8 МВт использование поршневых моторов мини–ТЭЦ может быть вполне оправданным.
Поршневые установки можно применять и в качестве резервных или аварийных источников электроэнергии.
В случае использования газопоршневых агрегатов избавиться полностью от внешнего электроснабжения потребителю удастся, но только при обдуманном и расчетливом подходе.
Ближайшие конкуренты поршневых установок – газовые микротурбины. Цены на различные марки газовых микротурбин составляют ~ $2 500–3 500 за 1 кВт установленной мощности.
Особо следует обратить внимание на то, что все затратные особенности эксплуатации поршневых агрегатов практически отсутствуют у более технологичных газотурбинных установок, единичная мощность которых начинается от 4–5 МВт.
Сравнение газотурбинных установок и газопоршневых двигателей в составе мини–ТЭЦ показывает, что установка газовых турбин выгодна и полностью оправдана на любых объектах, которые имеют электрические нагрузки более 8–10 МВт.
Газотурбинную установку можно безбоязненно использовать для постоянной, непрерывной работы.
Пример: установленную на промышленном предприятии города Новосибирска 5 МВт газотурбинную электростанцию, на базе японской турбины Kawasaki без проведения каких либо сервисных работ и замены комплектующих непрерывно эксплуатировали в течение пяти лет.
Для многих современных газотурбинных установок 200.000 моточасов эксплуатации не является критической величиной и при соблюдении графика планового технического обслуживания и поэтапной замены частей турбины, подверженных износу: подшипники, инжекторы, различное вспомогательное оборудование (насосы, вентиляторы) дальнейшая эксплуатация газотурбинной установки остается экономически целесообразной.
Это подтверждается современной практикой использования газотурбинных установок во всем мире.
При выборе силовых агрегатов автономной электростанции необходимы консультации специалистов.
Консалтинг необходим при строительстве автономных электростанций. Консалтинг позволяет компетентно, непредвзято и объективно определиться с выбором основного и вспомогательного оборудования для подбора оптимальной конфигурации – комплектации вашей будущей электростанции.
Консалтинг при строительстве электростанций оправдан экономически. Квалифицированный консалтинг позволяет сберечь значительные денежные средства заказчика, а это 10–40% от общей суммы контракта.
Также, компетентный консалтинг от профессионалов в сфере энергетики, позволяет избежать дорогостоящих ошибок в проектировании и в выборе поставщиков оборудования.
Автономная электростанция и земельный участок для строительства дата-центра или размещения энергоемкого производства в Московской области
Для строительства дата-центра (ЦОД) или размещения любого другого энергоемкого производства предлагается функционирующая, ультрасовременная тепловая электростанция 25MW и земельный участок промышленного назначения площадью 7 Га, находящийся в собственности.
Для резервирования, в соответствии с категорией энергоснабжения, имеется возможность подключения внешнего сетевого ввода, адекватного установленной мощности автономной электростанции. Надежность работы газовой электростанции поддерживается двухтопливными силовыми установками. Имеются подземное хранилище жидкого резервного топлива и аварийные дизель-генераторы мощностью 2,2MW.
Земельный участок имеет развитую, современную, инфраструктуру и идеален для строительства дата-центра или размещения любого другого энергоемкого производства. Удаление объекта от Москвы составляет 26 км, рядом находится железнодорожная станция. Тепловая мощность электростанции составляет 45MW. Тепловая энергия может использоваться в режиме тригенерации, через АБХМ, для надежного и экономичного охлаждения оборудования дата-центра.
Возможно быстрое наращивание электрической мощности автономной электростанции до 50-75MW.
Стоимость электростанции и земельного участка привлекательна и адекватна. Электростанция и участок с полной инфраструктурой являются отличным способом инвестирования и повышения капитализации Вашего предприятия. Возможна продажа части земли и выделение требуемой электрической мощности заинтересованным компаниям. Мы предлагаем провести экскурсию и презентацию объекта.
