Модельный ряд газовых микротурбин – законодатель энергоэффективности. Обзор рынка

Решение Межведомственного экспертного совета Департамента по энергоэффективности Республики Беларусь было единодушным: рекомендовать микротурбинные установки к применению в проектах повышения энергетической эффективности на промышленных предприятиях страны. Такое заключение в полной мере отвечает масштабным задачам Республиканской программы энергосбережения.

Высокая энергетическая эффективность, экономичность и экологичность микротурбин была подтверждена эксплуатацией на объектах предприятий самых разных отраслей – в добыче нефти и газа, в промышленности, жилищно-коммунальном секторе, транспорте и связи. В настоящее время в Беларуси микротурбинные мини-ТЭС эксплуатируют КПУП «Обольский керамический завод», Барановичское локомотивное депо, санаторно-курортные комплексы «Приозерный», «Спутник» и ряд других объектов.

Большая популярность микротурбинных установок, причем не только в Республике Беларусь, но также на территории стран СНГ, связана, в первую очередь, с тем, что на сегодняшний день в своем сегменте мощностей – от 15-30 кВт до 1 МВт – они обладают наибольшим КПД в режиме комбинированной выработки электроэнергии и тепла – до 90%. И спрос на эти установки в течение последних 5 лет растет ежегодно на 20-30%.

Попробуем разбраться, с чем же связан такой успех, какие марки в настоящее время представлены на рынке и в чем их ключевые отличия?

Под микротурбинами принято понимать газотурбинные установки малой мощности, как правило, от нескольких десятков до нескольких сотен киловатт. Сегодня на рынке представлены всего четыре торговые марки турбин малой мощности: Capstone Turbine Corporation (США), Calnetix Power Solution (США, в 2010 году предприятие было выкуплено Capstone Turbine Corp.), Turbec (Швеция) и Ingersoll Rand (США), которые сейчас также продаются под торговой маркой FlexEnergy. Причем более 80% рынка микротурбинных установок на постсоветском пространстве принадлежит оборудованию фирмы Capstone, а это более 1000 МТУ (в мире таких турбин установлено порядка 7000 единиц). На долю остальных производителей в СНГ приходится гораздо меньше инсталляций. В частности, турбин Calnetix насчитывается порядка 120 штук. Turbec и Ingersoll Rand и того меньше – количество эксплуатируемых установок каждой марки еще не достигло и десятка.

Такое распределение объясняется, в первую очередь, уникальными потребительскими свойствами оборудования Capstone. На его разработку Capstone Turbine Corporation потратила порядка 10 лет и около 200 млн. долларов, чего не было у других производителей. Так, Ingersoll Rand взяли за основу газовую турбину Dresser-Rand KG-2, спроектированную еще в 70-е годы прошлого столетия. Установка Turbec вообще поначалу разрабатывалась компаниями Volvo и ABB как транспортная турбина и лишь в конце 1990-х годов была модифицирована для стационарного применения.

Турбины Capstone изначально разрабатывались как самостоятельное генерирующее оборудование для промышленного применения и собрали под своим капотом все самые прогрессивные технологии. Над разработкой этих микротурбин трудились ведущие американские специалисты по заказу NASA и крупных транснациональных корпораций США. Тщательная проработка всех элементов и применение инновационных технологий, защищенных более чем 100 патентами, позволили сделать турбину, полностью отвечающую нуждам современной распределенной энергетики.

С недавних пор микротурбины выделяются в отдельный класс генерирующего оборудования по совокупности общих параметров – возможность работы на различных видах топлива, мощность до 200-300 кВт, наличие утилизатора дымовых газов, эластичность к нагрузке, экологичность, компактность, масштабируемость, небольшие временные и финансовые затраты на техническое обслуживание. Однако, для подбора наиболее эффективного решения стоит разобраться в особенностях и технических характеристиках микротурбин различных производителей детально.

Модельный ряд

В настоящее время линейка оборудования большинства производителей микротурбин ограничивается одной моделью. Так, оборудование Turbec и Calnetix представлено 100-киловаттными турбинами Т100 и ТА-100 соответственно. Ingersoll Rand производит турбины МТ-250 мощностью 250 кВт. Такой мощностной ряд может быть эффективен для применения на объектах с нагрузкой от 100 кВт до 2-3 МВт. Микротурбины Capstone представлены более широким модельным рядом: 10, 15, 30, 65, 200 кВт единичной мощности, что дает потребителю возможность более гибкого подхода при подборе оборудования под особенности своего проекта, т.к. на одном объекте можно сочетать турбины различной мощности под единой системой управления. История Capstone началась с того, что в конце прошлого столетия компания вышла на рынок сразу с несколькими турбинами единичной мощностью 30 кВт и 60/65 кВт. Сравнительно малые мощности обеспечили их востребованность на объектах с небольшим потреблением в несколько десятков киловатт. В то же время, за счет модульного исполнения и масштабируемости, они могут покрывать потребности в электроэнергии на объектах до нескольких мегаватт. При этом, как показывает практика, на объектах в 100-200 кВт наиболее оптимальным является решение из кластера мелких микротурбин, нежели установка одной турбины необходимой мощности. Такая схема позволяет обеспечить гарантированное энергоснабжение объекта за счет внутреннего резервирования и проводить периодические сервисные работы не прерывая подачу электроэнергии, что исключает необходимость приобретения резервной установки большой единичной мощности. Такая же идея лежит и в основе микротурбинной системы Capstone серии С1000, которая впервые появилась в России в 2009 году. В результате модельный ряд Capstone пополнился системами номинальной мощностью 600 кВт — 1 МВт, что значительно расширило сферу их применения в самых разных отраслях экономики.

В основе турбин этой серии двигатель С200. Микротурбинные системы семейства С1000 были специально спроектированы для размещения оборудования в едином компактном пространстве. В зависимости от потребностей заказчика они могут комплектоваться энергоблоками С200 в количестве от 1 до 5 штук. Выходную электрическую мощность любой из установок системы С1000 можно оперативно увеличить до максимального значения в 1 МВт при сохранении исходных габаритных размеров. Это является важной особенностью оборудования, так как собрать столь же компактную микротурбинную систему с аналогичной мощностью с использованием, например, МТ-250 или микротурбин других марок невозможно. По крайней мере, на практике такие варианты еще не применялись. Уникальное решение всех коммуникаций Capstone серии С1000 обеспечивает удобство и независимость обслуживания каждого модуля С200, входящего в состав системы. В результате достигается высокая степень надежности всей газотурбинной электростанции на основе микротурбин, что позволяет избежать перебоев или полного прекращения подачи электроэнергии при остановке одного или нескольких двигателей. За счет блочно-модульной конструкции можно устанавливать энергосистемы С1000 друг на друга, обеспечивая их оптимальное размещение на ограниченной площади. Особенно актуально использование таких систем на объектах с потребляемой мощностью до 5-10 МВт.



Микротурбинная установка Calnetix ТА-100 мощностью 100 кВт



Микротурбина Ingersoll Rand МТ-250 мощностью 250 кВт



Микротурбинная установка Turbec Т100 мощностью 100 кВт



Микротурбинная установка Capstone серии С30 мощностью 30 кВт



Микротурбинная система Capstone серии С1000 мощностью 1000 кВт

Надежность и экономичность

На мировом рынке оборудования для распределенной энергетики микротурбины являются самым современным его видом, поскольку объединяют одни из самых передовых технологий.

Но в силу очень разных путей развития данной технологии у различных производителей технические и эксплуатационные характеристики каждой марки оборудования могут серьезно отличаться. К примеру, не всем производителям микротурбинных установок удалось избавиться от недостатков предыдущих поколений газовых турбин. В конструкции микротурбин Turbec, Calnetix и Ingersoll Rand используются традиционные гидродинамические подшипники качения. Это означает наличие масляной системы, требующей постоянного контроля уровня масла, более частое регламентное обслуживание оборудования и большой расход смазочного материала. Соответственно возникает необходимость в постоянном присутствии обслуживающего персонала, организации утилизации масляной отработки, что в целом немало удорожает эксплуатационные расходы.

Масляная система нуждается в постоянной работе насосов на его прокачку, снижающей КПД электростанции, локализации утечек масла, его долива и замены. Угар масла значительно снижает экологичность оборудования, о чем свидетельствует сравнение экологических характеристик микротурбин с гидродинамическими и газодинамическими подшипниками. Кроме того, большее количество сопрягаемых частей повышает риск поломок и, соответственно, снижает надежность оборудования.

Capstone использует газодинамические подшипники скольжения, известные также как воздушные подшипники. Благодаря этой запатентованной технологии вал турбины при ее работе фактически висит в воздухе, удерживаясь вихревым давлением воздуха, так называемым газовым клином. Воздушные подшипники обеспечивают рекордную скорость вращения вала — до 96 тыс. об./мин. Эта инновация дает возможность отказаться от использования масла. В процессе работы двигателя не возникает трения и вибраций, поэтому риск поломки минимален. В связи с этим межсервисные интервалы у микротурбин Capstone увеличены до 8000 часов, тогда как у других представителей генерирующего оборудования этого класса они составляют 4-6 тысяч часов. При этом система автоматического управления микротурбиной обеспечивает безболезненный для установки старт/останов – турбина всплывает еще до того как успеет сделать один оборот, в связи с чем производитель не накладывает ограничений на количество пусков/стопов. Благодаря этой инновации оборудование может долгое время эксплуатироваться без присутствия обслуживающего персонала в автономном режиме, так как не требует частых регламентных работ и постоянного контроля как в случае с маслом. Поэтому преимущество низких расходов на эксплуатацию на стороне микротурбин Capstone.

Эластичность к нагрузкам

В микротурбинах Ingersoll Rand для передачи крутящего момента ротору генератора используется масляный редуктор, что сопровождается более частым сервисным обслуживанием. Редуктор также требует системы охлаждения масла и ведет к потере мощности на трение. К сожалению, подобная схема не может обеспечить стабильное качество электроэнергии при сбросах/набросах нагрузки – в такие периоды могут наблюдаться скачки напряжения и частоты. Плюс ко всему, большие габариты редуктора сказываются на размерах самой микротурбинной установки.

Высокооборотистые микротурбины Capstone, Turbec, Calnetix вместо редуктора используют двойное инвертирование. На выходе генератора трехфазный электрический ток переменного напряжения и частоты конвертируется в постоянный, а затем в переменный необходимой частоты и напряжения. Но и здесь эта система реализована по-разному. К примеру, ротор турбины Calnetix практически постоянно вращается с номинальной частотой 68000 об./мин, а эластичность к нагрузке обеспечивается посредством брейк-резисторов. Но такая схема имеет существенный минус, т.к. при падении нагрузки турбина продолжает вырабатывать ту же мощность, которая искусственно снижается за счет сброса нагрузки на брейк-резисторы. При этом частота вращения не меняется. То есть, расход топлива при любой нагрузке остается практически неизменным.

В микротурбинах Capstone и Turbec используется гальваническая развязка с преобразованием переменного тока высокой частоты в постоянный, и из постоянного – в переменный заданной частоты. Благодаря силовой электронике (IGBT-транзисторам) достигается высокое качество выходного напряжения с точки зрения стабильности амплитуды, частоты, синусоидальности и искажений в соответствии с международными стандартами ISO. Микротурбина следит за профилем потребления и устойчиво работает как на полной мощности, так и на самых малых нагрузках. Благодаря этому не возникает проблемы выработки излишков электроэнергии при падении нагрузки и, следовательно, не требуется сбрасывать эти излишки на брейк-резисторы. В связке с блоком аккумуляторных батарей такая инверторная схема обеспечивает существенное сокращение энергетических потерь, появляется возможность следования за нагрузкой и поддержание 100% эластичности к нагрузке. Таким образом достигается практически пропорциональный нагрузке расход газа. Применяемые цифровые инверторы обладают трехкратным запасом надежности по максимальным токам, что практически исключает вероятность их выхода из строя.

Эффективность

Для повышения эффективности своих установок производители микротурбин используют в конструкции двигателей рекуператор (воздуховоздушный теплообменник). Capstone Turbine Corporation, к примеру, такое решение позволило вдвое снизить объем потребляемого топлива за счет использования тепловой энергии выхлопа для подогрева воздуха, поступающего в камеру сгорания. Однако, за счет использования традиционных подшипников и жидкостной системы охлаждения другим производителям приходится жертвовать частью мощности.

Во всех турбинах кроме Capstone используется масляное охлаждение подшипников. Статор генераторов Calnetix и Ingersoll Rand также охлаждаются маслом. Для функционирования масляной системы в работе постоянно находятся насосы, что приводит к потере части генерируемой мощности. Масляная система требует квалифицированного обслуживания и довольно прихотлива в использовании, поэтому межсервисные интервалы для такого оборудования заметно сокращаются. В установках Turbec статор охлаждается потоком воздуха от компрессора. Генератор Capstone также охлаждается набегающим потоком воздуха, что исключает необходимость организации системы жидкостного охлаждения и повышает надежность и экономичность оборудования. При этом горячий воздух отводится из проточной части. Такая находка конструкторов позволила увеличить КПД С200 до 35%, что практически сопоставимо с КПД газопоршневых агрегатов. В установках Capstone С200 упорный подшипник вынесен в холодную зону, что повышает надежность установки. Микротурбина ТА-100 фирмы Calnetix имеет КПД на уровне до 29%, у Ingersoll Rand и Turbec согласно информации, заявленной производителями, этот показатель может достигать 32%.

Сервисное обслуживание и эксплуатация

Одним из отличительных свойств всех микротурбин являются низкие затраты на обслуживание и неприхотливость в эксплуатации. Но и этот показатель у всех марок оборудования различный. Микротурбина Capstone, в отличие от своих собратьев, является «сухой» - производителям удалось полностью исключить использование масла. Простейшая конструкция, где на одном валу соосно расположены электрический генератор, компрессор и непосредственно турбина, малое количество трущихся деталей и отсутствие механических приводов повысили ее надежность и отказоустойчивость. В связи с этим нет необходимости часто проводить обслуживание микротурбин Capstone. Сервисные работы предусмотрены не чаще одного раза в год (каждые 8000 часов наработки). При этом ежегодные регламентные работы занимают около 1,5 часов на одну микротурбину и на протяжении первых 2–3 лет включают в себя только визуальный осмотр, диагностику и замену воздушных фильтров, инжекторов, термопар и свечей зажигания. При наработке 60 тыс. часов (примерно через 8 лет непрерывной работы) производится диагностика и замена горячей части двигателя микротурбины, что составляет примерно 35-40% от первоначальной стоимости оборудования. Капитальный ремонт производится на месте эксплуатации без необходимости вывозить микротурбину на завод и занимает не больше одного дня.

В совокупности перечисленные параметры обеспечивают микротурбинам Capstone лучшие позиции в части экономичности эксплуатации. Эксплуатационные расходы, напрямую влияющие на себестоимость вырабатываемой энергии, у Capstone значительно меньше, чем у «коллег по цеху».

Микротурбины Calnetix требуют обслуживания каждые 4000 часов, включающего также замену масла, всех фильтров и обслуживание компрессора. Кроме того, производитель рекомендует с такой же периодичностью проверять камеры сгорания и менять их в случае необходимости, что является очень дорогостоящей манипуляцией. Регламентное обслуживание микротурбин Turbec предписано проводить каждые 6000 часов, при этом сами работы занимают порядка 8 часов. Через 30 000 часов предусмотрен капитальный ремонт продолжительностью около 2-х суток. У Ingersoll Rand этот период составляет 40 000 часов.

Экологичность

Одним из бесспорных преимуществ микротурбинных установок перед другими видами оборудования является их экологичность. Однако, и здесь есть свои лидеры. Так, по уровню вредных выбросов в атмосферу на сегодняшний день лучшие в мире показатели у микротурбины Capstone – содержание в выхлопе СO и NOx не превышает 9 ppm. Достигается это благодаря уникальным камерам сгорания, предварительно перемешивающим воздух с топливом, и горению обедненной топливо-воздушной смеси при большом коэффициенте избытка воздуха и низких локальных температурах горения. Содержание NOx в выхлопе микротурбин Ingersoll Rand сравнимо с Capstone. Несколько выше эти показатели у Turbec - до 15 ppm по NOx, и Calnetix - до 25 ppm по NOx.

Опыт

Количество внедренных установок и продолжительность их эксплуатации является наиважнейшим критерием для выбора оборудования потребителем, особенно если это оборудование пришло на рынок сравнительно недавно. Накопленный опыт позволяет производителям постоянно совершенствовать микротурбины, что гарантирует заказчикам качество и отказоустойчивость приобретенной техники.

Широкое применение оборудования в регионе присутствия потенциального потребителя с большой вероятностью говорит о налаженности технической поддержки, наличия запчастей и оперативной реакции специалистов на любые обращения клиентов, т.к. ради небольшого числа инсталляций производителю нет смысла нести довольно большие издержки на организацию сервисной службы, содержание персонала и склада запасных частей. Кроме того, апробированность техники позволяет избежать возможных проблем.

История применения микротурбин в СНГ насчитывает более 10 лет. На сегодняшний день они успели зарекомендовать себя в качестве надежного и эффективного источника энергии и получили распространение во всех отраслях экономики: в промышленности, добыче, строительстве, жилищно-коммунальном хозяйстве, в торговле и транспорте, в телекоммуникационной сфере. Они доказали высокую эффективность при работе на объектах с потреблением до 5-10 МВт. Применение микротурбин позволяет повысить энергобезопасность и экономить на энергозатратах в долгосрочной перспективе.

При этом, как показывает практика, отечественный потребитель отдает предпочтение микротурбинным установкам Capstone, что вполне обосновано более совершенными, чем у собратьев, техническими характеристиками, широким модельным рядом и в сотни раз большим опытом успешной эксплуатации. В Беларуси эти установки широко применяются для повышения энергоэффективности различных объектов, а также в проектах с глубокой утилизацией тепла. Например, на Гродненском стеклозаводе и Обольском керамическом заводе экологически чистый горячий выхлоп микротурбинных электростанций используется в технологическом процессе. Кроме того, компания «БПЦ Инжиниринг», с которой связано появление оборудования фирмы Capstone на белорусском рынке, за последнее десятилетие создала собственную масштабную сервисную службу и наладила широкую сеть постоянных партнеров, осуществляющих продажи и техническое обслуживание оборудования.

Сегодня Capstone – единственное оборудование на территории СНГ, на которое можно приобрести специальный сервисный контракт, фиксирующий все возможные расходы на эксплуатацию на 5 или 9 лет. С таким контрактом потребитель полностью застрахован от любых проблем с оборудованием вплоть до его полной гибели и не понесет никаких дополнительных расходов.

Что касается других установок, то, к примеру, права на микротурбины Calnetix еще в 2010 году были выкуплены Capstone Turbine Corporation. Как в любой истории о поглощении конкурентов будущее данных машин туманно, но уже сейчас Capstone прекратил выпуск установок ТА-100. Сколько продлится поддержка немногочисленного числа уже работающих микротурбин – пока не ясно, но для потребителя это верный сигнал об опасности.

Микротурбины Turbec и Ingersoll Rand представлены совсем малым количеством инсталляций и их успех в будущем будет зависеть от того, как они себя проявят на фоне более успешного конкурента. Однако, благодаря большому вкладу Capstone в распространение микротурбинных технологий уже сейчас можно с уверенностью сказать, что у этих технологий большое будущее.



Автономная электростанция на основе микротурбинного блока Capstone C1000 Обольского керамического завода.

www.energobelarus.by