А.А. Никитин – корпорация Wartsila, Москва
Т. Нягглунд – корпорация Wartsila, Финляндия

Последней разработкой корпорации Wartsila является двигатель 50DF, который может работать на трех видах топлива – природном газе, дизельном топливе и мазуте. Первоначально двигатель создавался для судового применения, а в настоящее время он используется в составе электростанций.

Учитывая высокие цены на природный газ, эффективное использование топлива является в настоящее время одним из важных аспектов при эксплуатации электростанций. При этом большое значение приобретает наличие возможности для операторов переходить на более экономичные виды топлива в процессе работы.
Последняя модификация двигателя Wartsila 50DF, обеспечивающая возможность эксплуатации на трех видах топлива, была создана на основе хорошо зарекомендовавшего себя двигателя Wartsila 46 HFO, работающего на мазуте. Основной целью при создании данной модификации было обеспечение стабильной мощности, низких уровней эмиссии, высокого КПД и надежности эксплуатации при работе на различных видах топлива. Ранее для переключения двухтопливного двигателя Wartsila 50DF с дизельного топлива на мазут необходимо было его остановить и заменить топливные форсунки. В новой модификации эта необходимость отпадает: перевод двигателя с одного вида топлива на другой осуществляется без его останова.

Конструкция двигателя

Двигатель Wartsila 50DF выпускается в настоящее время в конфигурациях от 6 цилиндров (рядное расположение) до 18 (V-образное расположение). Максимальная механическая мощность составляет 17 МВт (950 кВт на цилиндр). При этом двигатель имеет одинаковую мощность вне зависимости от того, на каком виде топлива он работает. Частота вращения – 500 об/мин для 50 Гц. Термический КПД двигателя составляет 47% (с нулевым допуском), что выше, чем у любого другого газопоршневого двигателя.
Контроль и мониторинг эксплуатационных параметров двигателя осуществляется передовой системой управления верхнего уровня, которая обеспечивает необходимый режим работы вне зависимости от внешних условий конкретной площадки или вида топлива. Подача газа и топлива для предварительного зажигания (запального топлива) также осуществляется в автоматическом режиме. Таким образом, система контроля обеспечивает оптимальный состав топливовоздушной смеси индивидуально для каждого из цилиндров, а также необходимое минимальное количество запального топлива для безопасного и стабильного горения. Все параметры двигателя контролируются автоматически во время эксплуатации. Индивидуальный автоматический контроль клапанов предотвращает детонацию и срыв пламени. В результате до минимума сокращаются случаи падения мощности или аварийных остановов.

Эксплуатация

Wartsila 50DF может эксплуатироваться на природном газе различного качества. Номинальное значение метанового числа – 80. Кроме того, конструкция двигателя позволяет использовать дизельное топливо или мазут без снижения мощности для несения базовой нагрузки.
Wartsila 50DF работает на предварительно обедненном топливе: топливовоздушная смесь содержит больше воздуха, чем необходимо для полного сгорания. При этом снижаются необходимые рабочие температуры и, соответственно, уровень эмиссии NOx. КПД двигателя повышается, достигается более высокая мощность и предотвращается детонация.
Горение топливовоздушной смеси инициируется впрыском небольшого количества дизельного топлива в цилиндр. Запальное топливо воспламеняется как и в обычном дизельном цикле. Для достижения более высокого КПД и снижения уровня эмиссии система управления обеспечивает индивидуальный контроль работы каждого цилиндра. При этом обеспечивается оптимальное соотношение воздуха и топлива в смеси, ее подаваемое в цилиндр количество и синхронизация впрысков запального топлива.
Специалистами компании Wartsila была специально разработана система контроля и управления двигателем, которая осуществляет мониторинг параметров каждого из цилиндров. Стабильные эксплуатационные параметры обеспечивают снижение механического и термического воздействия на детали двигателя, что увеличивает срок их службы.
Главным достижением при создании новой модификации двигателя Wartsila 50DF является разработка передовой топливной системы. Она была разделена на три составляющих: одна для природного газа, вторая для резервного топлива, третья – для запального топлива. Отдельная система для запального топлива обеспечивает возможность его подачи независимо от того, работает ли двигатель на природном газе, дизельном топливе или мазуте.
Запуск двигателя осуществляется в дизельном режиме с использованием основного дизельного и запального топлива. Подача газа начинается после обеспечения стабильного горения в каждом из цилиндров. При работе двигателя на газе расход запального топлива, которым всегда является дизельное топливо, составляет при полной нагрузке не более 1% от общего расхода. Количество подаваемого запального топлива контролируется системой управления автоматически. При работе двигателя на резервном топливе, запальное топливо используется для охлаждения форсунок, а также для предотвращения их от загрязнения.
Двигатель Wartsila 50DF может поставляться заказчику без системы резервного топлива. В этом случае он запускается на запальном топливе, а газ подается после раскрутки двигателя. Синхронизация энергоблока и выход на полную нагрузку осуществляется уже при работе на газе. Расход запального топлива при этом остается таким же, то есть не более 1% от общего расхода топлива при полной нагрузке.

Подача газа

Природный газ подается в двигатель через блок регулирования (GRU – gas regulating unit). Прежде всего, газ проходит очистку, при этом давление газа, которое зависит от нагрузки двигателя, контролируется с помощью клапана GRU. При полной нагрузке давление газа с низшей теплотворной способностью (LHV) 36 МДж/м³ на входе в двигатель должно быть 0,39 МПа. При более низких значениях LHV давление газа должно быть увеличено. В состав GRU входят также отсечный и выпускной клапаны для обеспечения безопасной и надежной подачи топливного газа.
На двигателе топливный газ подается по трубной обвязке системы «common-rail», расположенной вдоль двигателя. Каждый цилиндр имеет индивидуальный подвод газа к клапану, расположенному на головке цилиндра. Трубная обвязка для газа может поставляться заказчику в двухстеночном (с защитным кожухом) исполнении.

Подача дизельного топлива

Система подачи дизельного топлива разделена на две отдельные системы: одна для подачи запального топлива, другая – для резервного.
Необходимое давление топлива обеспечивается специальным насосным агрегатом, в состав которого входят двойные фильтры, регулятор давления топлива и радиальный поршневой насос с приводом от двигателя. Запальное топливо высокого давления подается по трубной обвязке «common-rail» к форсункам каждого из цилиндров и впрыскивается при давлении 90 МПа. Синхронизация и контроль длительности впрысков осуществляется автоматически. Система подачи резервного топлива имеет отдельную подводку к двигателю. Топливо подается в стандартный насосный агрегат с приводом от распределительного (кулачкового) вала. Затем под высоким давлением оно подается на топливную форсунку стандартной конструкции.

Топливные форсунки

Двигатели Wartsila 50DF оснащены двухигольчатыми форсунками. Для работы на дизельном топливе или мазуте используются игольчатые форсунки большего размера, для запального топлива – меньшего размера. Контроль подачи запального топлива осуществляется электронной системой управления, основного дизельного топлива – гидравлически. Электромагнитные клапаны обеспечивают синхронизацию и оптимальную продолжительность впрыска запального топлива для каждого цилиндра. Образование выбросов NOx в значительной степени зависит от количества впрыскиваемого запального топлива. Данная конструкция топливной системы обеспечивает низкие уровни выбросов NOx, а также стабильный и надежный впрыск газовоздушной смеси в камеру сгорания.
Газовое топливо поступает в цилиндры перед воздушным впускным клапаном. Электронный контроль работы газовых форсунок выполняется системой управления двигателя с целью обеспечения точной подачи необходимого количества газа в каждый цилиндр и мониторинга процесса горения в них. Поскольку каждая из форсунок может быть отрегулирована отдельно от впускного клапана, каждый цилиндр может быть продут без риска попадания газа в систему выхлопа.
Индивидуальная подача газа в каждый цилиндр обеспечивает необходимое соотношение компонентов топливовоздушной смеси, а также оптимальный режим работы с целью достижения максимального КПД и низких уровней эмиссии. Газовые форсунки изготовлены из специально подобранных материалов, что обеспечивает их износостойкость и продолжительный срок службы.

Насосы основного и запального топлива

Двигатель оснащен передовым топливным моноблочным насосом собственной разработки компании. Он обеспечивает необходимое высокое давление топлива, для предотвращения кавитации оснащен перепускным клапаном постоянного давления. Топливный насос готов для работы в любой момент и при необходимости обеспечивает переход с газообразного топлива на жидкое. Поршень насоса имеет износостойкое покрытие.
Насос запального топлива имеет привод от двигателя. Получая в процессе эксплуатации команду от системы управления, он мгновенно обеспечивает требуемый уровень давления запального топлива. Запальное топливо с высоким давлением подается к каждой форсунке через систему «common-rail», которая одновременно выступает как демпфер для предотвращения перепадов давления топлива. Трубная обвязка для подачи топлива имеет двухстеночную конструкцию и аварийную сигнализацию для устранения возможных утечек.

Переход на различные виды топлива

Двигатель Wartsila 50DF может быть автоматически переведен с жидкого на газообразное топливо при нагрузке менее 80% от номинальной. Перевод осуществляется после команды оператора без сброса нагрузки. В процессе перевода, который длится менее 1 минуты, жидкое топливо постепенно заменяется газообразным.
В случае перебоев с подачей газа двигатель автоматически переходит на жидкое топливо при любой нагрузке. Более того, отдельная система подачи резервного топлива обеспечивает переход с дизельного топлива на мазут без потери нагрузки. При работе на мазуте запальное топливо используется для охлаждения форсунок и предотвращения их загрязнения. При этом его расход не превышает 1% от общего расхода топлива при полной нагрузке. Обратный переход с мазута на дизельное топливо может быть осуществлен автоматически, без сброса нагрузки. Переход с дизельного топлива на газообразное аналогичен приведенному выше. Такая эксплуатационная гибкость двигателя является бесспорным преимуществом трехтопливной системы.

Контроль состава топливовоздушной смеси

Оптимальный состав топливовоздушной смеси в любых условиях эксплуатации является важнейшим условием для эффективной работы двигателя и обеспечения требуемых экологических параметров. С этой целью двигатель Wartsila 50DF оснащен перепускным клапаном выхлопных газов.
Часть выхлопных газов через перепускной клапан перенаправляется в турбонагнетатель. Клапан регулирует состав топливовоздушной смеси до требуемых значений вне зависимости от условий местоположения двигателя и его режима работы.
Для доводки данной технологии были проведены широкомасштабные испытания с использованием мазута в качестве топлива. В результате было выявлено, что при длительной эксплуатации на мазуте в двигателе образуются отложения, которые могут вызвать трудности при переводе на газ. Однако испытания подтвердили, что очень скоро после перевода на газ нагрузка может быть доведена до 100%, и отложения при этом быстро сгорают.

Система смазки

Кроме трехтопливной системы в двигателе 50DF был реализован ряд других серьезных разработок корпорации Wartsila.
Традиционно для газопоршневых двигателей используется смазочное масло с более низким общим щелочным числом, чем для работающих на мазуте двигателей. Информацию о сертификации электроники можно найти на сайте Радиочастотной компании которая специализируется на РЭС и ВЧУ. Соответственно, в процессе испытаний двигателя Wartsila 50DF встал вопрос о необходимости замены смазочного масла при переводе двигателя с мазута на газ. В результате было установлено, что при переходе с одного вида топлива на другой может использоваться то же самое масло. Однако при выборе масла для двигателя необходимо сопоставлять его общее щелочное число с содержанием серы в резервном топливе.
Wartsila 50DF оснащен масляным насосом с приводом от основного двигателя и может быть укомплектован различными системами хранения масла, как с «сухим», так и с «мокрым» картером. При этом в обоих случаях смазочное масло проходит очистку в основном вне двигателя. Перед подачей в двигатель масло пропускается через полнопоточные бумажные фильтры грубой и тонкой очистки блоков автоматического и контрольного фильтров соответственно. Отдельный центробежный фильтр служит индикатором уровня чистоты масла. Одновременно используется система предварительного подогрева смазочного масла для безопасного пуска двигателя, что обеспечивает снижение износа его деталей.

Система охлаждения двигателя

Новая модификация Wartsila 50DF оснащена передовой системой охлаждения, которая обеспечивает эффективный отвод избыточного тепла от всех теплонагруженных деталей двигателя. Она состоит из двух отдельных систем – высокотемпературной (НТ) и низкотемпературной (LT). Система НТ обеспечивает охлаждение гильз и головок цилиндров, LT – охлаждение смазочного масла. Обе системы связаны с двухступенчатым охладителем воздуха.
Двигатели с V-образным расположением цилиндров комплектуются также открытой системой охлаждения, при которой охлаждающие контуры подключаются отдельно. При этом реализуются максимально эффективные схемы отвода избыточного тепла и системы охлаждения. Система LT в стандартном исполнении всегда соединена со 2-й ступенью охладителя подаваемого в двигатель воздуха, в то время как НТ соединена с системой охлаждения рубашки двигателя. Обе системы имеют привод от основного двигателя.

Турбонагнетатель

При создании модификации двигателя Wartsila 50DF значительное внимание уделялось также повышению эффективности турбонагнетателя. Был разработан нагнетатель Monospex, в конструкции которого учтены все преимущества импульсного и постоянного турбонаддува. Взаимодействие двигателя и турбонагнетателя организовано таким образом, чтобы минимизировать гидравлическое сопротивление потоков выхлопных газов и всасываемого воздуха.
В составе двигателя используются высокоэффективные турбонагнетатели с подшипниками скольжения. Система смазки турбонагнетателя – общая с двигателем. Перепускной клапан турбокомпрессора управляется электропневматически.

Применение двигателя в составе электростанций

Трехтопливная модификация Wartsila 50DF представлена на рынке судовых двигателей в 2007 году. Возможность работы силовых систем на различных видах топлива является важным фактором при эксплуатации судов. Например, силовые системы судов, перевозящих сжиженный газ, используют его в качестве топлива при доставке груза заказчику. После доставки его на терминал двигатели на обратном пути, с целью экономии, работают на более дешевом мазуте.
Что касается стационарных электростанций, то постоянный перевод двигателей с одного топлива на другое ранее не являлся основополагающим фактором. Однако при отсутствии возможности поставок газа, а также с целью использования резервного топлива во время перебоев с подачей газа, эксплуатация двигателей на жидком топливе является единственным приемлемым решением.
При строительстве больших станций гарантированное топливообеспечение является одним из основных аспектов. В этом случае использование трехтопливного двигателя Wartsila 50DF – решение проблемы. Особенно эффективно его применение в составе малых электростанций, когда давление топливного газа опускается до минимума или его поставка не может быть гарантирована. При этом их эксплуатация на резервном дизельном топливе не является эффективной (как в случае со станцией в Пакистане, где стоимость мазута очень низкая).
В последние годы потребность в многотопливных двигателях постоянно растет. В конце 2004 года корпорация Wartsila заключила контракт на модернизацию электростанции в г. Маниса (Турция). Это был первый контракт с применением двигателя Wartsila 50DF для выработки электроэнергии. Основным топливом для работы станции был природный газ, резервным – мазут. Переход с резервного на основное топливо осуществлялся в автоматическом режиме.
Еще две двухтопливные установки Wartsila 50DF были поставлены в 2006 году в Пакистан. Возможность работы на различных видах топлива является основным фактором для данного региона, где отсутствует бесперебойная подача топливного газа.
В настоящее время реализуется проект по строительству электростанции мощностью 300 МВт на базе двигателей Wartsila 50DF в Азербайджане. В декабре 2006 года был заключен контракт на поставку 18 энергоблоков Wartsila 18V50DF для станции в г. Сангачал (50 км южнее г. Баку). Ввод электростанции в коммерческую эксплуатацию запланирован на октябрь 2008 года.
Основным топливом для энергоблоков будет природный газ, с использованием дизельного топлива в качестве запального. В случае перебоев с поставкой природного газа станция может работать на мазуте или дизельном топливе без потери мощности. Данный контракт явился логическим продолжением ранее заключенного с ОАО «АзерЭнерго» на поставку 52 газопоршневых энергоблоков Wartsila 20V34SG общей мощностью 450 МВт для пяти различных площадок в Азербайджане.
Следует отметить, что все объекты ОАО «АзерЭнерго», сделавшего ставку на децентрализованное энергоснабжение, были введены в эксплуатацию за 16 месяцев.
Всего к настоящему времени в мире введено в эксплуатацию 10 электростанций корпорации Wartsila на базе 32 энергоблоков Wartsila 50DF общей электрической мощностью 519 МВт. Несколько крупных проектов по сооружению энергообъектов на базе данных двигателей в России и на Украине находятся на разных стадиях реализации.