В.Д. Буров, А.А. Дудолин, В.В. Макаревич, Е.В. Макаревич – Московский энергетический институт (Технический университет)

Электростанции на базе газопоршневых двигателей внутреннего сгорания – одна из эффективных технологий, основанных на использовании газа для производства электрической энергии. Газовые двигатели имеют высокий КПД производства электроэнергии, достаточно низкий уровень выбросов вредных веществ, являются надежными в эксплуатации и способны длительное время работать при частичных нагрузках без ущерба для ресурса и практически без снижения КПД.

В настоящее время электростанции на базе газопоршневых двигателей мощностью от 1 до 4 МВт являются наиболее востребованным источником постоянного энергоснабжения жилищно-коммунального сектора, промышленных предприятий, угледобывающих и нефтегазовых промыслов. У них есть ряд преимуществ перед дизельными и газотурбинными приводами. В частности, устраняется необходимость доставки дизельного топлива в удаленные районы нефте- и газодобычи.
Газопоршневые двигатели в диапазоне мощности до 4 МВт имеют более высокий КПД по сравнению с газовыми турбинами, они приспособлены для работы на частичных нагрузках. Кроме того, данные двигатели менее подвержены влиянию высокой температуры окружающего воздуха, и их ресурс в 2-3 раза больше, чем у газовых турбин [1].
Использование различного газообразного топлива (природного, попутного нефтяного или шахтного газа) влияет как на конструктивные характеристики газопоршневых установок (ГПУ), так и на основные параметры, в том числе на степень сжатия, среднее эффективное давление и, как следствие, на агрегатную мощность. В статье дан сравнительный анализ характеристик разных типов ГПУ и рекомендации по выбору энергоустановки для конкретного потребителя.
В настоящее время на мировом рынке представлено достаточно много компаний-производителей газопоршневых установок. Наиболее крупными из них, выпускающими ГПУ средней мощности в диапазоне 1...4 МВт на базе газопоршневых двигателей собственного производства (включая лицензионные), являются Caterpillar S.A.R.L,. Cummins Inc. и Waukesha Engine Dresser Inc. (США), MWM GmbH и MTU Onsite Energy (Германия), GE Energy's Jenbacher gas engines (Австрия), Mitsubishi Heavy Industries Ltd. (Япония), Rolls-Royce Power Engineering Pic (Великобритания).
Остальные компании выпускают ГПУ в диапазонах малой (менее 1 МВт) и большой мощности (более 4 МВт) или комплектуют газопоршневые установки двигателями других производителей.
На российском энергетическом рынке в сегменте от 1 до 4 МВт представлено достаточно ограниченное число фирм-производителей – это Caterpillar, Cummins, GE Jenbacher и Waukesha. Оборудование других производителей в данной статье не рассматривались по причине их недостаточно широкого распространения в России.
В зависимости от вида топлива газопоршневых электростанций (ГПЭС), графиков и характера электрических нагрузок потребителей в статье рассмотрены четыре основные категории ГПЭС:
1.    на традиционном «легком» природном газе (Q_HP=31,8 МДж/м³, ρ=0,7 кг/м³) для потребителей коммунально-бытового сектора;
2.    на традиционном «легком» природном газе (Q_HP=31,8 МДж/м³, ρ=0,7 кг/м³) для потребителей городского промышленного сектора;
3.    на особом «тяжелом» нефтяном попутном газе (Q_HP=59,25 МДж/м³, ρ=1,22 кг/м³) для потребителей нефтяных компаний;
4.    на особом тяжелом шахтном газе (Q_HP=16,41 МДж/м³, ρ=1,11 кг/м³) для потребителей угледобывающих компаний.
При выполнении расчетов учитывались плановые остановы оборудования на регламентные работы, которые были отнесены на период минимальных электрических нагрузок ГПЭС. В итоге условно было принято количество часов работы в год на номинальной мощности для 1-й категории ГПЭС – 7500 ч, для 2-й – 8000 ч, для 3-й и 4-й категорий – 7000 ч.

Технические и конструктивные характеристики:

•    электрический КПД на клеммах генератора (КПД_ЭЛ) – максимальное значение характеризует технические и термодинамические преимущества конструкции двигателя ГПУ;
•    метановый индекс – минимальное значение обеспечивает возможность работы ГПУ без снижения электрической мощности на различных видах газа;
•    уровень эмиссии NOx (при 5 % О₂) – минимальное значение определяет снижение экологической нагрузки ГПЭС на окружающую среду;
•    удельная масса ГПУ (отношение сухой массы/N_эл) – характеризует техническое совершенство энергоустановок, исходя из их массогабаритных показателей (критерий применим только в пределах группы ГПУ с одинаковым количеством оборотов);
•    ресурсные показатели (продолжительность эксплуатации ГПУ до капитального ремонта и полный назначенный ресурс) – максимальная продолжительность этих периодов определяет техническое совершенство конструкции ГПУ, минимизирует эксплуатационные издержки в процессе работы ГПЭС (критерий применим только в пределах группы ГПУ с одинаковым количеством оборотов).

Эксплуатационные показатели:

•    диапазон регулирования мощности (отношение минимальной электрической мощности, при которой двигатель ГПУ устойчиво работает в течение продолжительного периода времени, к номинальной мощности энергоустановки) – минимальное значение характеризует возможность устойчивой работы ГПУ в области графиков электрических нагрузок с ярко выраженными максимумами и минимумами энергопотребления.
•    скорость нагружения и разгружения (отношение разрешенной производителем величины шага набора/сброса электрической мощности к номинальной мощности ГПУ) – максимальное значение характеризует возможность устойчивой работы ГПУ в области резкопеременных графиков электрических нагрузок (промышленные предприятия, нефте- и угледобыча: пуски приводных электродвигателей насосов, вентиляторов, дробилок, конвейеров, подъемников и других механизмов с мощными асинхронными электродвигателями).
•    средневзвешенная стоимость технического обслуживания (ТО), включая затраты на расходные материалы, запчасти, инструменты и приспособления (за период до 1-го капитального ремонта) – минимальное значение соответствует минимуму эксплуатационных издержек за указанный период. В эту стоимость входят затраты на смазочное масло, которые определяются исходя из удельного суммарного годового расхода масла (на угар и плановую замену) на 1 кВт•ч электроэнергии, выработанной за этот период, и составляют до 1/3 суммарных затрат на ТО. Минимальное значение данного критерия характеризует преимущества конструкции привода ГПУ, а также минимизирует эксплуатационные издержки на дорогое синтетическое смазочное масло в процессе работы ГПЭС.

Экономические критерии:

•    внутренняя норма рентабельности проекта (основной критерий ранжирования) должна быть не меньше принятой ставки дисконтирования: чем выше, тем больше доходность проекта;
•    чистый дисконтируемый доход должен быть больше нуля, максимальное значение соответствует суммарному максимальному доходу за весь расчетный период;
•    индекс прибыльности определяет относительную величину доходности проекта, сумму прибыли на единицу инвестированных средств. Обязательное условие реализации проекта – индекс прибыльности должен быть больше 1.
На основе данных критериев, с целью определения оптимального варианта газопоршневых установок была выполнена оценка технико-экономических характеристик агрегатов, отвечающих условиям работы ГПЭС при обеспечении электроэнергией рассматриваемых категорий потребителей.
Для сравнения вариантов используется общепринятый критериальный метод, состоящий из двух этапов. На первом этапе определяются весовые коэффициенты значимости каждой из рассматриваемых характеристик ГПУ и составляется матрица характеристик.
На втором этапе, после определения весовых коэффициентов для каждого показателя, определяется значение критериев применительно к типу исследуемой ГПУ, на основании которого и будет проводиться ранжирование агрегатов. Максимальный суммарный балл (К) соответствует наиболее эффективному типу ГПУ:

K_i=∑α_i(П_i/П_i-max)^±1, при i от 1 до n.

Результаты сравнительного анализа свидетельствуют об эффективности использования ГПУ, работающих как на природном газе, так и на попутном нефтяном и шахтном газе, при энергообеспечении потребителей рассматриваемых категорий.
Установлено, что в ГПЭС на природном газе (потребители 1-й и 2-й категории) целесообразно использовать высокооборотные двигатели, из которых можно выделить следующие: Waukesha, серия APG; Cummins, серия 1750 и 1160; Jenbacher, серия 620 и 320. При сравнительно невысокой удельной стоимости они имеют довольно высокий электрический КПД и обеспечивают быстрое нагружение/разгружение.
В рассматриваемых категориях к высокооборотным ГПУ приближаются и среднеоборотные энергоустановки Waukesha серий ATGL и VHP, обладающие возможностью быстрого набора и сброса мощности.
При проведении исследований для ГПЭС, обеспечивающих нагрузку потребителей 3-й категории, был принят в качестве топлива попутный нефтяной газ с усредненным значением метанового индекса – 44,6. Для значительной части ГПУ этот индекс превышает заданное значение (>50). Следовательно, такие агрегаты не смогут работать на ПНГ при номинальной мощности без проведения дополнительных мероприятий, поэтому они не рассматривались в данной категории.
В энергоустановках, работающих на ПНГ, целесообразно использовать среднеоборотные двигатели с частотой вращения вала 1000 об/мин. Надежная работа ГПУ данного типа обеспечивается как за счет большего объема камеры сгорания, так и за счет низкого среднеэффективного давления, при котором двигатель работает в менее напряженном режиме. Преимуществом установок являются также низкие эксплуатационные затраты, обусловленные расширенными интервалами технического обслуживания и высоким назначенным ресурсом.
Из исследованных вариантов ГПУ наиболее полно данным преимуществам отвечают установки компаний Waukesha (серий ATGL и VHP) и Cummins, серии 1160.
При использовании попутного нефтяного и шахтного газа в качестве топлива улучшается такой немаловажный показатель работы ГПЭС, как экологический. До недавнего времени значительная часть ПНГ сжигалось в факелах. Его использование в качестве топлива позволяет компаниям существенно сократить «экологические» штрафы. Кроме того, можно получить дополнительный доход от продажи квот в соответствии с условиями Киотского протокола [2].
Проведенные исследования показали, что при работе на шахтном газе, так же как и на ПНГ, по совокупности факторов лучшие показатели имеют среднеоборотные ГПУ с частотой вращения 1000 об/мин. Несмотря на то, что они уступают другим типам установок по тепловой экономичности, этот критерий для данной группы потребителей не настолько важен, поскольку попутный нефтяной и шахтный газ являются побочным, условно бесплатным топливом. Здесь гораздо большую значимость приобретают такие критерии, как полный ресурс (у ГПУ Waukesha VHP9500GSI до 400 тыс. ч) и увеличенные интервалы технического обслуживания, что в конечном итоге и повлияло на ранжирование агрегатов. Попробуйте фирменные качественные попперсы спб и получите настоящее удовольствие от секса!
Из рассматриваемых энергоустановок с частотой вращения 1000 об/мин в 4-й категории при работе на шахтном газе лучшими показателями обладают ГПУ Waukesha серий ATGL и VHP. Хорошие показатели имеют также и установки производства Cummins серий 1750 и 1160, которые могут работать при переменных нагрузках (быстрое прохождение сброса/наброса нагрузки) и имеют относительно невысокую стоимость.
Для окончательного вывода был проведен также и финансово-экономический анализ. Расчеты выполнены в прогнозных ценах в соответствии со «Сценарными условиями развития электроэнергетики Российской Федерации на 2009-2020 годы» в среде Project Expert 7.19. Горизонт расчета принимался равным максимальному сроку службы ГПУ (400 тыс. ч), для агрегатов с меньшим сроком службы были учтены затраты на реновацию оборудования. Оценка суммарных капиталовложений в варианты ГПЭС выполнена на основе данных, представленных производителями оборудования, а также на основе экспертных оценок и проектов-аналогов.
Поскольку рассматриваемые варианты не выровнены по количеству отпускаемой электроэнергии, то сравнение по чистому дисконтируемому доходу (NPV) не является корректным. В качестве основного критерия ранжирования была принята внутренняя норма рентабельности (IRR), которая не должна быть ниже принятой ставки дисконтирования – 13%.
Для 1-й и 2-й категорий учитывалась стоимость топлива, поэтому большое значение имеет техническое совершенство ГПУ, а именно КПД. Независимо от частоты вращения, мощные энергоустановки с высокими значениями КПД стали лидерами (Waukesha APG3000, Jenbacher J620 GS и Caterpillar G3616LE).
При этом ГПУ более низкой мощности обладают худшими показателями, чем установки большей мощности.
Стоимость попутного и шахтного газа принята равной «ноль» р./м³, что снизило эксплуатационные издержки – отсутствуют затраты, связанные с покупкой топлива и влиянием тепловой экономичности агрегатов (КПД установок). Наилучшие показатели в 3-й категории имеют мощные высоко- и среднеоборотные ГПУ Waukesha и Cummins серии 1750; в 4-й категории – также наиболее мощные ГПУ Waukesha и Jenbacher J620 GS.
Исходя из результатов сравнительного анализа для всех категорий потребителей, независимо от вида используемого топлива, наиболее предпочтительны в качестве основного оборудования ГПЭС среднеоборотные установки Waukesha серий ATGL и VHP. Основными их преимуществами являются:
•    возможность работы ГПУ с частотой вращения 1000 об/мин на всех видах топлива (природный газ, ПНГ и шахтный метан);
•    надежная работа ГПУ за счет большего объема камеры сгорания;
•    возможность работы при низком среднеэффективном давлении в менее напряженном режиме;
•    низкие эксплутационные затраты за счет расширенных интервалов обслуживания (замена масла через 3000-4000 ч).
•    высокий ресурс энергоустановок – 72000 ч до первого капитального ремонта, назначенный ресурс до 360000-400000 ч.

Использованная литература

1.    Цанев С.В., Буров В.Д., Ремезов А.Н. Газотурбинные и парогазовые установки тепловых электрических станций. – М.: Изд-во МЭИ, 2002.- 584 с.
2.    Федоров С.Д., Облакевич С.В., Радюк О.П. Проблема утилизации шахтного метана в когенерационных установках и пути ее решения на примере шахты им. А.Ф. Засядько/ /Промэлектро. 2006, №5.
3.    Ю.В. Кромин. Попутный газ – топливо для газопоршневых ТЭЦ// Турбины и дизели, 2007, №5.
4.    В.Ю. Бетлинский, Р.А. Жердецкий. У нефтяников есть энергичный попутчик – попутный нефтяной газ для электростанций нефтяных месторождений//Турбины и дизели. 2006, №3.