Развитие электростанций с поршневыми двигателями за рубежом

Гордеев П. А., Яковлев Г. В.

Последнее десятилетие завершившегося века отмечено существенным ростом строительства электростанций (ЭС), укомплектованных генераторами, приводимыми поршневыми газовыми (ПГ) и дизельными двигателями (ДД). Указанный факт подтверждается статистикой заказов на электроагрегаты, приведенной в табл. 1 [1, 2].
В табл. 1 приводятся сведения на заказы агрегатов мощностью более 1 МВт. За период с июня 1999 по май 2000 г. - рост на 21%.
Наибольший спрос - на агрегаты мощностью от 1 до 2 МВт (табл. 2): на их долю приходится 81 - 84% общего числа заказов и 56 - 62% по суммарной мощности.
По назначению электроагрегаты относятся к трем группам: резервные - 52,9%, пиковые - 10,7% и базовые 36,4% (по статистике 1999 - 2000 гг.).
На протяжении рассматриваемого периода стабильно сохраняется соотношение между выбранными видами топлива для заказанных ПГ и ДД (табл. 3).

Таблица 1
Годовые объемы заказов на электроагрегаты с поршневыми газовыми и дизельными двигателями за 1987 - 2000 гг.

Подавляющее число заказываемых двигателей (примерно 75 - 85%) предназначено для работы на дизельном топливе. Ограниченное применение тяжелых сортов топлива представляется вполне оправданным: во-первых, из-за малой средней мощности двигателей (примерно 82% из них находятся в диапазоне 1-2 МВт); во-вторых, из-за значительного удорожания вспомогательного оборудования топливной системы; в-третьих, нецелесообразность применения топлива, требующего подготовки на резервных и пиковых ЭС.
Распределение заказов (в процентах) по регионам мира с июня 1999 по май 2000 г. представлено
далее.
Северная Америка                                   47,3
Западная Европа                                     27,1
Восточная Европа                                   0,5
Африка                                                   1,4
Средний и Дальний Восток                     8,7
Юго-Восточная и Центральная Азия,          9
Австралия
Центральная и Южная Америка              4,1

Обращает на себя внимание бесспорное лидерство экономически развитых и богатых стран Северной Америки и Западной Европы, на которые приходится примерно 75% заказов.
Все сказанное показывает, что ситуация на рынке электроагрегатов с поршневыми двигателями остается благоприятной, особенно в секторе резервных генераторов. Последнее подтверждает строгую ориентацию на высокое качество и надежность поставки электрической энергии.
В числе созданных в последние годы ЭС обращает на себя внимание использование двигателей с принципиально новой системой подачи топлива впрыска газа под высоким давлением. Результаты этой разработки впервые были реализованы в среднеоборотном двигателе 16V 28/32 GI фирмы MAN, B&W мощностью 3,2 МВт, установленном на теплоэлектростанции в г. Hundersted (Дания). В период эксплуатации с 1991 г. двигатель продемонстрировал высокую надежность и безопасность [3].

Эта система в дальнейшем была развита совместной разработкой фирм MAN, B&W и Mitsui и приспособлена для крупноразмерных малооборотных двигателей (МОД). Первый такой двигатель типа 12K80MC-GI мощностью 40 МВт и частотой вращения 100 мин -1 был изготовлен компанией Mitsui для собственного завода Chiba в г. Iohihara (Япония) в начале 1994 г. Двигатель работает на газе, подаваемом в цилиндры под давлением 25 - 30 МПа и воспламеняемом впрыске жидкого топлива (газодизельный цикл). Применение системы впрыска газа при высоком давлении позволило получить эффективный КПД газового двигателя на уровне дизеля (примерно 53%), а также устранить появление детонации.

Таблица 2
Распределение заказов на электроагрегаты по мощностным группам и назначению за 1996 - 2000 гг.

Широкое распространение в развитых странах получают источники энергии, работающие на газе, образующемся в результате переработки растительных отходов. Так, например, на станции Metro Park East Landfill в Mitchellville (штат Айова, США) установлено восемь газовых двигателей
Caterpillar G3516 длительной мощностью 800 кВт по программе проекта “Landfill gas to energy” (LFGTE), т.е. использование газа из растительных отходов для производства электрической энергии [4].
Всего в рамках этой программы, реализуемой компанией West Management используется 60 генераторов с газовыми двигателями Cat, суммарной мощностью 48 МВт электроэнергии для местных потребителей. У компании 30 таких электростанций, одна из них в штате Айова на 6,4 МВт - это своеобразная опытная база для отработки двигателей, в частности, проблем по сгоранию низкокалорийных газов, систем управления и регулирования. Метановое число газов из отходов в среднем не более 55%, но изменяется в широких пределах, поэтому электронная система управления отслеживает состав поступающего в двигатель газа и обеспечивает поддержание параметров тока в заданных пределах. Проектный срок службы ЭС - 50 лет. Годовая наработка такой станции эквивалентна затратам 112 000 баррелей жидкого топлива [1 баррель нефтяной (США) равен 159 л].
Система сбора метано содержащего газа обеспечивает ежедневную подачу до 3,2 млн. кубических футов (1 кубический фут равен 0,0208 м3). Сбор газа осуществляется по системе подземных трубопроводов протяженностью 8,8 км, которые присоединены к 70 скважинам диаметром 8 дюймов (203,2 мм), пробуренных на глубину 86 футов (примерно 26,2 м). Газ электрокомпрессорами типа Рут (2 шт.) производительностью до 220 кубических фута/мин при давлении 34 кПа подается к двигателям [4].

Рис. 1. Общий вид электростанции Power Master на пять генераторных агрегатов

В целях более успешной конкуренции на рынке всевозможных услуг в рассматриваемой области некоторые компании заключают партнерские соглашения и создают совместные предприятия. В их числе крупнейший производитель газовых турбин веиега1 Electric Power Systems (GEPS), который выходит на рынок электроустановок с поршневыми двигателями. GEPS заключила соглашения с компаниями Jenbacher (Австрия) и Niigata Eng. (Япония) по использованию двигателей, производимых ими для агрегатированных установок электро- и теплоснабжения. Поставки и продажа установок с двигателями Jenbacher предусматриваются только в Северной Америке, а с двигателями Niigata по всему миру.
Эти соглашения могут существенно изменить ситуацию на рынке малых ЭС с газовыми и дизельными двигателями, прежде всего в Северной Америке, учитывая масштабы компании и ее глобальную сеть продаж и обслуживания, огромные финансовые возможности.
По соглашению с Jenbacher установки с газовыми двигателями серий 3 и 6, включая J312, J316, J320, J612 и J620, покрывают диапазон мощностей от 0,5 до 3 МВт при 1500 об/мин. За GEPS - эксклюзивное право на поставки в Северную Америку и не эксклюзивное в другие регионы. Компания Jenbacher будет сама поставлять в Северную Америку агрегаты комплектно с двигателями на биогазе. За GEPS - сервисное обслуживание и поставка запчастей для всех установок с двигателями Jenbacher. Цель корпорации - быстрый и активный выход на рынок.

Соглашения с Niigata Eng. распространяются на дизели семейства HLX, работающие на тяжелом и дизельном видах топлива в мощностном диапазоне от 1,2 до 7 МВт. Сферы рыночной деятельности распределяются следующим образом: GEPS - эксклюзивный поставщик в Северной Америке, Европе, Африке, частично на Ближнем Востоке и в Азии; Niigata получает право на поставки в Японию, Корею, Иран и Ирак. В планах GEPS - поставка комплектных ЭС “под ключ”, долгосрочные соглашения по сервисному и техническому обслуживанию, финансовая экспертиза проектов.
Другой парой компаний, объявившей о создании совместного венчурного предприятия для производства энергетических комплексов, стали американская Cummins Power Generation и финская Wartsila NSD - обе крупнейшие производители дизельных и газовых двигателей. Менее чем через 5 мес новая объединенная компания начала поставлять первую продукцию на рынок.
Основой новой энергетической установки является когенерационный комплекс на базе двух новых двигателей Cummins QSK19NG мощностью по 330 кВт, работающих на природном газе. В состав установки входит котельный модуль теп- лопроизводительностью 400 - 940 кВт, а также охлаждающий модуль с абсорбционным холодильником либо - с центробежным охладителем.
Назначение установки - обслуживание фирменных магазинов, офисных зданий, больниц и промышленных установок. Планируемый объем продаж на рынках Северной Америки до 5 млрд. дол. в год. В программе компании энергомодули мощностью от 50 до 2000 кВт (двигатели фирмы Cummins) и мощностью от 5 до 300 МВт (двигатели фирмы Wartsila NSD) [4].
Среди поставщиков двигателей для ЭС наиболее широкую гамму оборудования предлагает корпорация Wartsila NSD. В их числе среднеоборотные двигатели (СОД) девяти размерностей, в рядном и V-образном исполнении, мощностью от 946 до 33 873 кВт. В их числе самый крупный СОД с диаметром цилиндра 640 мм и цилиндровой мощностью примерно 2000 кВт [5].
Фирмой разработан ряд типовых ЭС, среди которых наиболее известны два проекта - Power Master и Power Commоdore [5].
Power Master может быть выполнена в мощностном диапазоне 1 - 400 МВт, вторая - 25 - 170 МВт. Обе могут работать на тяжелом топливе и/или газе. Установки могут быть выполнены как базовые ЭС или как когенерационные.
Здание ЭС Power Master (рис. 1) включает два блока: машинный зал и блок обслуживания. В первом размещаются дизель-генераторы (ДГ), вспомогательные механизмы и подъемный кран; во втором - помещения распределительных щитов, постов управления, электрического оборудования и вспомогательных устройств.

Рис. 3. Система утилизации теплоты для удовлетворения теплофикационных потребителей:
1 - утилизационный котел; 2 - сепаратор пара; 3 - потребители пара; 4 - теплый ящик; 5 - потребители горячей воды; 6, 7 - нагреватели воды горячего теплоснабжения от систем двигателя; 8 - низкотемпературная система охлаждения двигателя

Рис. 2. Общий вид плавучей электростанции Power Commodore на восемь генераторных агрегатов

Основные несущие элементы конструкции здания - рамы стен, балки, колонны - выполнены из стальных профильных материалов, соединенных между собой болтами. Снаружи стены и кровля закрыты стальными рифлеными листами, изнутри изолированы панелями из материала типа “сэндвич”.
Электростанция Power Commodore представляет собой плавающий объект и полностью смонтирована на барже. Внешний вид подобного комплекса из восьми ДГ представлен на рис. 2.
В целях оптимизации стоимости ЭС и минимизации потерь в системах электропередачи значения напряжений принимаются в зависимости от мощности следующими:
при мощности от 0,5 до 2 МВт напряжение до 0,4 кВ;
при увеличении мощности до 30 - 40 МВт напряжение повышается до 6 - 33 кВ;
при мощностях более 50 МВт напряжение поднимается до 132 - 220 кВ.
Таблица 3
Распределение заказов на электроагрегаты с ПГ и ДД по видам топлива

В составе ЭС предусматриваются утилизационные котлы для удовлетворения как собственных нужд, так и для теплоснабжения потребителей. На электростанции пар в основном используется для подогрева тяжелого топлива (в цистернах, перед сепараторами, перед двигателями), а также перед сепараторами масла. Для запуска двигателей ЭС на все указанные цели и отопление помещений в холодное время года предусматривается небольшой вспомогательный котел.
На когенерационных ЭС утилизируется теплота, отводимая от выхлопных газов, охлаждающей воды, наддувочного воздуха и смазочного масла двигателей (рис. 3).
С возрастанием мощностей когенерационных ЭС становится целесообразным получение в утилькотле перегретого пара и использование его в турбогенераторе (рис. 4) наряду с утилизацией теплоты от других источников, указанных в предыдущей системе (рис. 3). Эффективность использования теплоты в таких системах достигает 90 - 93%.
В рассматриваемых установках предусматриваются средства для снижения токсичных веществ в отработавших газах двигателей. В их числе первичные меры - снижение образования оксидов азота путем применения малотоксичной регулировки впрыска воды в цилиндр, что позволяет снизить выбросы NOx на 40 - 60%. В качестве вторичной меры предлагается установка на выхлопе селективного каталитического нейтрализатора с впрыском до него раствора мочевины, снижающего содержание NOx на 80 - 85%.
В числе мероприятий, снижающих вредное воздействие шума и вибрации на окружающую среду, предусматривается установка глушителей шума на всасывании воздуха в компрессор и на выпуске газов в атмосферу, а также установка двигателей на резиновые амортизаторы, соединение двигателей с генераторами посредством упругих муфт.

Рис. 4. Комбинированная система утилизации теплоты для выработки электрической и тепловой энергии:
1 - турбогенератор; 2 - конденсатор; 3 - конденсатный насос; 4 - подогреватель конденсата (охлаждающей водой двигателя); 5 - сепаратор пара высокого давления; 6 - сепаратор пара низкого давления; 7 - утилизационный котел; а - пар от других котлов; б - пароводяная смесь от других котлов; в - питательная вода в контуры высокого давления других котлов; г - питательная вода в контуры низкого давления других котлов; д - пар для подогрева топлива; е - газы от двигателя в утилизационный котел; ж - газы из котла в атмосферу

Когенерационная энергетика в 15 странах Европейского союза обеспечивает более 10% выработки электроэнергии. При этом по отдельным странам ЕС велики отклонения от среднеевропейской величины - например, 45% в Дании и до 2% в Ирландии.
Таблица 4
Сопоставление объема заказов генераторных агрегатов с ПГ и ДД в Северной Америке и в
остальном мире за 1996 - 2000 гг.

Среди многообразных когенерационных установок, как правило, наиболее эффективны решения, в которых утилизируемая теплота используется в технологических процессах промышленных предприятий. При этом удается использовать бросовую теплоту практически почти круглосуточно. Иллюстрацией является установка Power Master, включающая один двигатель фирмы Wartsila 14V46 мощностью 14 МВт для снабжения крахмальной фабрики Cerectar в г. Крефельде (Германия) электрической и тепловой энергией. Низкотемпературные носители теплоты из двухступенчатого охладителя наддувочного воздуха, используются для получения пара и в технологическом процессе производства крахмала. Выхлопные газы нагревают до 250°С воздух для сушки крахмала. Установка функционирует только с 12-часовой остановкой для профилактики через каждые 6 недель, КПД достигает 98,4% [6].
Другая, подобная когенерационная установка [7], включающая 10 генераторов мощностью по 2.1 МВт, приводимых газовыми двигателями Cummins CW220, производит помимо 20 МВт электрической энергии еще 12 т/ч пара и 10 МВт с горячей водой. ЭС обслуживает автомобильный завод Peugeot в восточной Франции, производящий 1600 автомашин в день. Тепловая энергия используется для промывки и очистки деталей и узлов автомобилей, для подготовки поверхностей кузовов под окраску.

Замена ранее существовавшей котельной, работавшей на мазуте, вновь построенной когенера- ционной ЭС позволила компании Peugeot ежегодно получать экономию, превышающую стоимость 100 автомобилей.
Наблюдаемое во всем мире возрастание интереса частных инвесторов к рынку электрической энергии (ЭЭ) в значительной мере обусловлено либерализацией законодательства и предоставлением существенных налоговых льгот владельцам когенерационных ЭС. Одним из лидеров среди стран, принявших в 1996 г. законодательство о приватизации и дерегулировании рынка ЭЭ, были США, первопроходцы в США - штат Калифорния, несколько позже Коннектикут и ряд других штатов. Процесс этот продолжается, в 2002 г. предполагается реформирование электрической системы в Техасе.
Либерализация рынка ЭЭ в США привела к резкому возрастанию спроса на генераторные агрегаты с поршневыми (табл. 4) и газотурбинными двигателями.
Приведенные в табл. 4 данные показывают, что после либерализации рынка ЭЭ в США возрастание числа заказов в мире на электроагрегаты с ПГ и ДД происходило только из-за их увеличения в Северной Америке. После длительного перерыва, в период с июня 1999 г. по май 2000 г., произошло возрастание числа заказов в остальном мире (без учета заказов Северной Америки). В значительной мере это обусловлено принятием в феврале 1999 г. законодательной директивы по либерализации электроэнергетического рынка в Европейском союзе.

Список литературы

1. Diesel and Gas Turbine Worldwide, 1999, october.
2. Diesel and Gas Turbine Worldwide, 2000, october.
3. Large Diesel Engines using High Pressure Gas Injection Technology. MAN, B&W.
4. Distributed Power, 1999, oct / nov.
5. Power Master. Plant Technology. Wartsila NSD corporation.
6. Power Master helps starch factory in Germany reduce energy bill. - Energy News, 1999, № 7.
7. Peugeot drives forward on Cummins Wartsila cogent plant. - Energy News, 1999, № 7.