Что лучше, надежнее, экономичнее: газопоршневые или газотурбинные силовые агрегаты?

Типы двигателей, используемых для автономных электростанций или развенчание ортодоксальных мифов

Силовыми агрегатами - приводами электрических генераторов для автономных малых тепловых электростанций являются дизельные, газопоршневые, и газотурбинные двигатели. О преимуществах тех или иных установок и технологий написано немало статей, сложено большое количество легенд и мифов, сломано немало копий. Как правило, «в загоне» всегда 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 параметры связанны с выгодами и проблемами, которые может иметь владелец автономной электростанции.

Газопоршневые установки против газотурбинных двигателей - эксплуатационные затраты - миф № 1

Эксплуатационные затраты на мини-ТЭС с поршневыми машинами ниже, чем на электростанцию с газовыми турбинами, так как затраты на капитальный ремонт газотурбинного двигателя несколько выше, чем на ремонт газопоршневых установок, требующий меньше финансовых и людских ресурсов – это миф №1.
На самом деле стоимость капитального ремонта газопоршневого двигателя может достигать 70-90% от первоначальной стоимости (осуществляется полная замена поршневой группы), а газотурбинной установки всего 30-40%.

Миф №1 основан на информации тридцатилетней давности, когда «на земле», в приводе электростанций, использовались авиационные турбины «с крыла». Сегодня применятся турбины промышленного, индустриального типа, рассчитанные на непрерывную работу с различными нагрузками. Причем нижний предел минимальной электрической нагрузки, официально заявляемый заводом-производителем для индустриальных турбин, составляет всего 3-5%.

Выдержка из технической документации компании Jenbacher – всемирно известного 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-ти 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 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 агрегатов имеют весьма частые и продолжительные временные интервалы.
Именно поэтому большинство производителей газопоршневых установок до продажи оборудования покупателю, как правило, предоставляют только коммерческую литературу и крайне редко – сведения о полных эксплуатационных расходах и производимых технических регламентах.

В части эксплуатации газопоршневого двигателя 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 не дешевым. Использование не рекомендованного моторного масла ведет к потере заводских гарантий и непредсказуемым последствиям для самого газопоршневого двигателя. Замена 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). 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. Это позволяет определить повышенный износ, какого либо узла заранее. Износ основных узлов газопоршневого двигателя происходит из-за некачественной сборки или нарушений правил эксплуатации, как то: частые пуски, перегревы, «холодные» пуски, работа в зоне детонации, работа с перегрузкой, быстрый набор нагрузки непрогретым двигателем.

По результатам лабораторных анализов случается, что масло на газопоршневых двигателях требует замены уже через 700-750 часов работы.

Фактический расход моторного масла на 1 МВт установке «Jenbacher» может достигать 15.000 литров в год.
Рекомендованное моторное масло для газопоршневых машин Pegasus 705 (MOBIL).  Оптовая цена -160-180 рублей за литр, а специальное моторное масло для газовых поршневых двигателей марки Mysella 15W-40 (Shell) бочка 208л. – стоит 40999 руб.

Соответственно подлежат замене все масляные фильтры или картриджи в них. Угар моторного масла составляет 0.35-0.50 грамма на один произведенный киловатт в час. При снижении нагрузки эта цифра растет. 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 (до 100-120 метров), с учетом имеющегося уровня ПДК в окружающей среде.

Отработанное масло газопоршневых установок - 600 литров на 1 МВт требует утилизации – это также постоянные расходы для владельцев электростанции.

Примечание: В современных газотурбинных установках замена турбинного  масла производится в среднем 1 раз в 5 лет.

В комплект мощной газопоршневой установки должна входить кран-балка и направляющие рельсы. 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 евро 1 шт.). На 6 МВт электростанции на базе 4 газопоршневых агрегатов «Cummins», единовременной замены потребуют сразу 80 специальных свечей зажигания. Выполнение этого простого периодического регламента потребует суммы ~10.000 евро.
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 9800 евро.
Поршневые агрегаты, в отличие от газотурбинных установок, имеют жидкостное охлаждение, соответственно персоналу необходимо постоянно следить за ее уровнем и осуществлять периодическую замену, а если это вода, то требуется осуществлять ее химическую подготовку. Объемы охлаждающей жидкости исчисляются в десятках или сотнях литрах – все зависит от мощности поршневого агрегата.

Не следует забывать и о запасных частях – стоят они очень дорого, также требуется длительная процедура заказа на заводе и последующая доставка. В некоторых случаях сроки доставки запасных частей могут растянуться до 4-6 месяцев. Это – 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, как:

• моторное масло,
• свечи зажигания,
• масляные фильтры,
• охлаждающая жидкость,
• наборы высоковольтных проводов.

Газопоршневые или газотурбинные установки?
Как соотносятся мощность и температура окружающей среды – миф № 2

Да, действительно, при значительном повышении температуры окружающей среды мощность газотурбинной установки падает. Но при понижении температуры электрическая мощность наоборот, растет. Параметры электрической мощности газотурбинных установок, по существующим стандартам, измеряются при t +15°C.

Например, при этой температуре официально заявленная мощность газотурбинной установки равна 4300 кВт. С учетом среднегодовой температуры в Московской области  +3,1°C фактическая среднегодовая мощность будет равна 4797 кВт. То есть на 500 кВт больше заявленной и оплаченной. При стоимости 1 кВт - 1000$ такой бонус нельзя сбрасывать со счетов, ведь он равен $500.000! Выигрывает от этого только потребитель, так как по контракту он оплатит только 4300 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 не миф.

При этом 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 газ эта особенность газотурбинного агрегата принесет немалые деньги владельцам.

В отличие от газопоршневых установок выхлопные газы турбин имеют в два и более раза высокую температуру. Это позволяет получать промышленный пар в больших объемах с гораздо меньшими затратами.

Высокая температура на выходе газотурбинных установок позволяет без проблем использовать паровую турбину в составе электростанции. Это 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 - миф № 3

Удельный расход топлива на 1 выработанный кВт/ час несколько меньше у газопоршневой установки, причем при любом режиме нагрузки (хотя нагрузки менее 30% являются разрушительными для поршневых двигателей). КПД поршневых машин составляет 36-43 %, а газовых турбин — 25-39% (в парогазовом цикле турбина способна выдать КПД равный 59%).

Если Вам надо сделать, построить 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.
Однако 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» электростанции будет порядка 90%.

Если потребитель рассчитывает использовать тепловую энергию автономной электростанции, коэффициент полезного действия (КПД) автономной электростанции не имеет практического 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 10–12 % . Но не будем забывать о нагрузках ниже 50% - ведь они губительны, а порой и разрушительны для поршневых установок.

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 80-90% от первоначальной цены газопоршневой установки. Это очень высокая цена за несущественный выигрыш в КПД на 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 электрические и тепловые нагрузки больше 3 МВт.

Газопоршневые установки против газотурбинных двигателей - давление газа - миф № 4

Мифом №4 является то, что наличие газа высокого давления требуется в случае применения газовых турбин обязательно. Для всех типов современных силовых агрегатов давление подводимого газа не имеет практического значения, так как в комплекте газотурбинной установки всегда имеется газовый компрессор, входящий в стоимость электростанции.

Компрессор дает и более стабильные рабочие характеристики. Современные компрессоры являются надежными и малообслуживаемыми агрегатами.  Как для газопоршневых двигателей, так и для газовых турбин важно лишь наличие должного объема газового топлива.

Газопоршневые двигатели против газотурбинных агрегатов — двухтопливные установки – миф № 5

Часто пишут и говорят, что двухтопливные установки бывают только поршневыми. Это не соответствует действительности. Все известные 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;

Газопоршневые установки против газотурбинных — количество пусков – миф № 6

Количество пусков: газопоршневой двигатель может запускаться и останавливаться неограниченное число раз, что 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.).

Газопоршневые двигатели против газотурбинных установок — ресурс до капитального ремонта — миф № 7

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 быть произведена через 30000 часов. Однако бывают иные ситуации, когда кап. ремонт наступает гораздо раньше.

Пример 1: Как рассказал нам начальник Зауральской ТЭЦ В.Н. Загретдинов, газопоршневые агрегаты JENBACHER отработали по 32-33 тысячи часов с момента пуска, и возникла необходимость заменить до 70% всех узлов и деталей…

Пример 2: Компания «Морская Свежесть» постаралась не делать секрета из своего неудачного опыта эксплуатации газопоршневой мини-ТЭЦ. Эта компания заключила контракт с фирмой Cummins Wartsila на поставку для рыбоперерабатывающего завода «Морской замок» оборудования «под ключ», состоящего из трех газопоршневых блоков (ГПА) общей мощностью 2880 кВт. По техническому паспорту ресурс двигателей до капитального ремонта должен был составлять не менее 36000 ч. Газопоршневые двигатели, изготовленные на заводе Cummins, вышли из строя, не отработав даже 9600 ч…

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 — миф № 8

Как показывают расчёты, капиталовложения (доллар/кВт) в строительство тепловой электростанции с газопоршневыми двигателями приблизительно равны по сравнению 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 — миф № 9

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» 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 в огромных объемах 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 требует более дорогостоящих решений.

Всех вышеперечисленных недостатков нет у газотурбинных установок.

Газопоршневые установки против газотурбинных двигателей — выводы

Серьезной переоценки требует изначальное представление о газопоршневой установке, как об агрегате бесперебойного питания, позволяющего защитить потребителя при отключении питающей электрической сети.

Если быть точнее, в принципе обеспечение бесперебойности электроснабжения реально при возможности автоматического перехода, через АВР, на питание от общей электросети.
То есть уйти полностью от внешнего электроснабжения потребителю не удастся.

С учетом высоких эксплуатационных затрат поршневые установки целесообразно применять в качестве резервных или аварийных источников электроэнергии.

Но при линейных нагрузках и строгом соблюдении правила N+1  допустимо применение газопоршневых двигателей в качестве основного источника энергоснабжения. В диапазоне электрической мощности до 3 МВт  использование поршневых моторов может быть все же оправданным. На это влияют ограниченность предложений рынка и крайне высокие цены ближайших конкурентов поршневых установок – газовых микротурбин. Цены на различные марки газовых микротурбин составляют ~ 2500-3500$ 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, мощность которых начинается от 3-4 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 3-4 МВт.

Газотурбинную установку можно безбоязненно использовать для постоянной, непрерывной работы.

Русский пример: Волею судеб, установленную на промышленном предприятии города Новосибирска 5 МВт газотурбинную электростанцию, на базе японской газовой турбины Kawasaki непрерывно эксплуатировали в течение пяти лет, без проведения каких либо сервисных работ и замены комплектующих.

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: лопатки, подшипники, инжекторы, различное вспомогательное оборудование (насосы, вентиляторы) дальнейшая эксплуатация газотурбинной установки  остается экономически целесообразной.

Это подтверждается современной практикой использования газотурбинных установок  во всем мире.

Эксклюзивное предложение по строительству мощных ТЭЦ
— тепловые электростанции «под ключ» — EPC contracting

Компания Новая Генерация осуществляет полный цикл работ – проектирование и строительство ТЭЦ под ключ (EPC контрактинг). Компания Новая Генерация на привлекательных условиях и по очень выгодным ценам предлагает надежные автономные газотурбинные установки — электростанции европейского, американского и японского производства. Электрическая мощность электростанций — от 5 до 350 МВт.  Ультрасовременные газовые тепловые электростанции проектируются и строятся «под ключ» за 14–24 мес. Инжиниринговая компания Новая Генерация независима в выборе производителей оборудования и по этой причине мы можем построить электростанцию для вас по самым привлекательным ценам.

Если Вы идете в ногу со временем, намерены серьезно модернизировать свой бизнес, и решили построить автономный энергоцентр «под ключ», обращайтесь  для квалифицированных консультаций по телефону +7 (495) 649–81–79.

Современные газовые тепловые электростанции  имеют в своей основе самые технологичные и экономичные способы получения электроэнергии. По желанию заказчика газотурбинные электростанции могут быть оборудованы тепловыми утилизаторами.

Если у вас нет необходимости в производстве тепловой энергии, для максимальной выработки электричества надо включать в комплектную поставку паровые турбины. Такие инновационные энергоблоки  имеют высокий электрический КПД (59%) и называются парогазовыми установками (ПГУ).

Избыточную тепловую энергию можно использовать для бесплатного кондиционирования цехов и охлаждения оборудования в производственных циклах.

Экологически чистые модульные станции, поставляемые нашей компанией, на протяжении десятка лет работают в различных отраслях экономики. Станции уже размещены во многих  регионах России и СНГ.

Газовые электростанции также успешно служат нефтяникам и газодобытчикам – утилизируют – перерабатывают попутный нефтяной газ (ПНГ). Неприхотливые и надежные газотурбинные установки отлично зарекомендовали себя на нефтяных промыслах ОАО ЛУКОЙЛ, ТНК–ВР и газовых месторождениях ОАО Газпром.
Надежные, мощные газотурбинные ТЭЦ,  которые мы строим «под ключ» имеют отличное соотношение стоимости и качества. Цены на газотурбинные электростанции адекватные, привлекательные и конкурентоспособные. Цены на эти ультрасовременные тепловые электростанции не превышают 45 тысяч рублей за 1 кВт под ключ. Подключение к электросети часто обходится в сопоставимые деньги. Что же входит в стоимость инновационной тепловой электростанции?

В условиях постоянного роста тарифов, независимое производство электричества и доступной, дешевой тепловой энергии при помощи мощных, и современных когенераторных электростанций — единственно верное, экономически оправданное решение для промышленных предприятий различных отраслей, объектов малого и среднего бизнеса, организаций  ЖКХ.

Мы всегда готовы поделиться с Вами богатыми практическими знаниями в сфере строительства надежных и доступных по ценам автономных электростанций. Мы обязательно организуем для Вас ознакомительную экскурсию на современный энергоцентр построенный нашими специалистами.

Для консультаций по возможностям газовых электростанций и сферами их применения позвоните прямо сейчас! +7 (495) 649–81–79

Что практичнее, выгоднее и современнее? Газотурбинные установки или газопоршневые силовые агрегаты?
Почему, как топливо для электростанций выгоден и перспективен газ?