Д. Гевальд, Н. Бокхофф, Н. Коних – MAN Diesel & Turbo
Х. Шплитхофф – Институт энергетических систем, Мюнхен

Используя комбинированный цикл выработки энергии в составе дизельной электростанции, можно значительно повысить КПД энергоблока. Совершенствование систем горения и подготовки воздуха позволяет уменьшить воздействие станции на окружающую среду.

Дизельные двигатели электрической мощностью до 20 МВт используются для производства электроэнергии в различных вариантах: независимыми производителями электроэнергии в островном режиме; ДЭС в составе энергетических систем; в качестве резервных источников энергии в составе гибридных, в частности, ветродизельных электростанций. Многотопливные двигатели с воспламенением от сжатия могут работать на разных видах топлива – мазуте, дизтопливе, сырой нефти, природном газе, биогазе и других видах газа, а также на биотопливе.
Они имеют следующие преимущества:
•    высокий КПД в простом цикле;
•    возможность работы на различных видах топлива;
•    невысокие затраты на установку и эксплуатацию;
•    короткий период монтажных и пусконаладочных работ.
Однако в связи с ростом цен на топливо и ужесточением экологических требований по эмиссии, необходимо дальнейшее повышение КПД дизельных двигателей.
Для этого возможны три варианта:
1.    Повышение КПД двигателя путем оптимизации термодинамики двигателя;
2.    Использование сбросного тепла двигателя для выработки дополнительного количества энергии;
3.    Оптимизация всех процессов в двигателе для повышения общего КПД в комбинированном цикле.
Компания MAN Diesel сосредоточила свои усилия на всех трех путях повышения эффективности энергетической установки. В данной статье представлены работы специалистов компании по повышению КПД двигателя, разработке электростанций комбинированного цикла с использованием сбросного тепла двигателей. При создании электростанции комбинированного цикла в качестве базового был определен двухтопливный газодизельный двигатель 18V51/60DF. Он является типовым для применения в составе стационарных электростанций.

Конструкция двигателя
Дизельный двигатель 51/60DF был разработан на базе 48/60B, работающем на тяжелых видах топлива. При этом конструкция его основных элементов, таких как картер, коленчатый вал и шатуны, была сохранена. На рис. 1 представлены основные отличия в конструкции двигателей. Красным цветом выделены компоненты – поршни и гильзы цилиндра, конструкция которых была модифицирована соответственно под диаметр поршня 510 мм для двигателя DF.
Дополнительно к указанным модификациям на каждый цилиндр были установлены клапаны топливного газа, системы мониторинга детонации, датчики состава топливовоздушной смеси для обеспечения работы двигателя на газообразном топливе.
Двигатель 51/60DF может работать на газообразном и жидком топливе. В режиме работы на газе он эксплуатируется по 4-тактному циклу Отто на обедненной топливовоздушной смеси. Предварительно подготовленная топливная смесь воспламеняется путем компрессионного воспламенения небольшого количества запального топлива в основной зоне горения. В качестве запального, как правило, используется дизельное топливо. Количество запального топлива составляет менее 1 % от объема жидкого топлива, необходимого для работы двигателя на 100-процентной нагрузке. При этом достигаются очень низкие уровни эмиссии NO_x.
При эксплуатации двигателя на жидком топливе оно впрыскивается с помощью обычных форсунок, используемых на двигателе 48/60B HFO. При этом двигатель работает по традиционному 4-тактному циклу. Жидкое топливо может быть различных видов – от легкого судового дизтоплива (MDO) до тяжелых видов топлива (HFO) вязкостью до 700 сСт при температуре 50 °С.

Система управления двигателя
Двигатель оснащен системой управления SaCoSone DF, обеспечивающей эксплуатацию как при работе на газообразном, так и на жидком топливе. Контроль состава топливовоздушной смеси осуществляется с помощью байпаса компрессора, установленного за охладителем нагнетаемого воздуха, или с помощью регулируемого соплового аппарата турбины турбонагнетателя (VTA). Архитектура системы управления определяется четырьмя основными независимыми модулями:
•    модуль интерфейса;
•    модуль контроля эксплуатационных параметров двигателя;
•    модуль контроля впрыска топлива;
•    модуль контроля детонации.
Модуль интерфейса используется для оперативной передачи данных с контрольно-измерительной аппаратуры на главный пульт управления станцией. Блок контроля обеспечивает постоянный мониторинг параметров двигателя, а также своевременное предупреждение об аварийных ситуациях.
Частота вращения силового вала двигателя регулируется с помощью модуля контроля впрыска топлива. Он управляет форсунками впрыска запального топлива и впрыска топлива в цилиндры, клапанами подачи газа на каждый из цилиндров, регулирует давление в топливной системе Common Rail. Сбор данных для предотвращения детонации в каждом из цилиндров осуществляется с помощью модуля контроля детонации. В результате система управления SaCoSone DF обеспечивает стабильную работу двигателя на различных режимах. При этом достигается максимальный КПД даже при изменении внешних условий эксплуатации.

КПД и уровни эмиссии
Максимальная топливная гибкость была одной из основных задач при создании нового двигателя 51/60DF. В связи с этим использовались проверенные в эксплуатации камеры сгорания двигателя 48/60B HFO с поршнями, адаптированными для работы на газообразном топливе. Конструкция КС состоит из двухсекционной гильзы цилиндра с поршневыми кольцами (рис. 2, КС 1), что оптимально подходит для работы на тяжелых видах топлива. При такой конструкции достигаются наилучшие показатели по расходу жидкого топлива.
В процессе испытаний данной КС были отмечены повышенные уровни содержания углеводородов в выхлопных газах. В связи с этим ее конструкция была преобразована в односекционную, с поршневым кольцом меньшей высоты (рис. 2, КС 2).
На рис. 3 показаны сравнительные результаты температуры потока на входе в турбину турбонагнетателя. В КС новой конструкции уровень углеводородов в выхлопных газах был снижен на 50 %, и допустимые пределы детонации сдвинуты при использовании более богатой топливной смеси. Кроме того, такая конструкция позволила значительно повысить температуру перед турбиной турбонагнетателя.
На рис. 4 показано влияние конструкции камеры сгорания цилиндра на уровни эмиссии углеводородов ТНС, а также КПД двигателя.
Три различные степени повышения давления были исследованы в процессе испытаний. Как и предполагалось, наименьший удельный расход топлива был отмечен при высокой степени повышения давления в режиме работы на дизельном топливе. В результате разница в удельном потреблении дизтоплива при соблюдении требований IMO по эмиссии NO_x составила 3 г/кВт·ч. Зависимость между степенью повышения давления, КПД, уровнями NO_x и THC (total hydrocarbons – общее содержание углеводородов в выхлопных газах) в режиме работы на газообразном топливе приведены на рис. 5.
Испытания показали, что высокий КПД может быть достигнут при использовании обедненной топливовоздушной смеси, низких уровнях NO_x и высокой степени повышения давления. Однако диапазон рабочих режимов двигателя при высокой степени повышения давления не соответствует ранее установленным параметрам, например таким, как состав топливовоздушной смеси.
При высокой степени повышения давления начало зажигания должно осуществляться значительно позже при повышении уровня газа в топливной смеси, с целью предотвращения детонации. Это показано на рис. 5 резким падением кривой для богатой топливной смеси, а также повышением уровней ТНС.
При средней и низкой степени повышения давления диапазон рабочих режимов значительно шире при работе на топливовоздушной смеси, причем для средней степени достигнутые показатели КПД выше.
При разработке дальнейших путей повышения КПД использовались перепускной клапан турбокомпрессора и регулируемый сопловой аппарат (VTA) для лямбда-контроля в режиме работы на газообразном топливе. При использовании перепускного клапана турбокомпрессора, как и байпаса компрессора, не было достигнуто заметного снижения потребления топлива. Однако существенные преимущества отмечены при использовании соплового диффузора с изменяемой геометрией, особенно на низких и средних рабочих нагрузках.
На рис. 6 представлена осевая версия VTA турбонагнетателя. При этом VTA используется для контроля потока воздуха для горения и, таким образом, заменяет байпас компрессора, демонтированный в процессе испытаний.
В двигателе 51/60 DF регулирование потока воздуха для горения осуществлялось с помощью байпаса компрессора. При этом уже сжатый воздух возвращается на вход компрессора. Турбонагнетатель при этом разработан таким образом, что резерв сжатого воздуха в байпасе компрессора составляет 10 % от всего объема воздуха при полной нагрузке.
Для обеспечения оптимального состава топливной смеси при различных нагрузках байпасный клапан компрессора открыт, причем до 10 % сжатого воздуха сбрасывается при частичных нагрузках. Это негативно сказывается на общем КПД турбонагнетателя и двигателя. В случае использования VTA контролируется поперечное сечение соплового аппарата турбины турбонагнетателя, и потерь сжатого воздуха, таким образом, не происходит. На рис. 7 представлены графики изменения КПД двигателя при снижении нагрузки. При этом на полной нагрузке он одинаковый как при использовании байпаса компрессора, так и VTA. При снижении нагрузки, начиная с 85 %, КПД двигателя при использовании VTA на 0,5 % выше. На рис. 8 показаны результаты проведенных модификаций двигателя. В итоге КПД был увеличен как минимум на три пункта на полной нагрузке, а уровни эмиссии ТНC снижены на 50 %.
При переводе двигателя 51/60DF с дизельного топлива на газ наблюдается значительное снижение выбросов CO₂, при максимальной нагрузке уровень выбросов снижается на 34 % (рис. 9). Такое снижение обусловлено меньшим содержанием соединений углерода в газообразном топливе, а также лучшим КПД двигателя (на 3 % выше, чем при работе на дизтопливе). При использовании газового топлива параметры двигателя могут быть адаптированы к различным режимам эксплуатации. На рис. 10 показано изменение соотношения воздуха и топлива в топливной смеси. Главной задачей при этом было достижение максимальной температуры выхлопных газов для комбинированного цикла. При высоких нагрузках увеличение доли топлива в топливной смеси ограничено в связи с возможностью возникновения детонации двигателя. Кроме того, повышение температуры турбонаддува путем снижения соотношения воздуха и топлива приводит к снижению КПД. При низких нагрузках температура компонентов двигателя ограничивает возможность повышения температуры воздуха после турбины турбонагнетателя.

Дизельная электростанция комбинированного цикла (DСС)
Тепловая энергия двигателя внутреннего сгорания, которая может быть утилизирована для дополнительного производства электрической энергии, образуется на двух различных температурных уровнях. Выхлопные газы двигателя имеют температуру 300…400 °С в зависимости от типа двигателя. Температура воды в системе высокотемпературного охлаждения двигателя достигает 90 °С. Тепловая энергия выхлопных газов составляет около 30 % энергии топлива, вода в системе охлаждения аккумулирует 15 %. На рис. 11 представлен тепловой баланс трех стандартных двигателей компании MAN.
Поскольку у двигателей большой мощности температура выхлопных газов более 300 °С, то оптимальным решением по утилизации сбросного тепла в целях получения дополнительного количества электроэнергии является применение паросилового цикла Ренкина (CRS). В данном цикле теплота выхлопных газов используется только для генерации пара, на основе которого вырабатывается электроэнергия в паровой турбине. Теплота, утилизируемая с системы охлаждения двигателя, используется как для подогрева вспомогательных систем двигателя (топливные баки, сепараторы смазочного масла и т.д.), так и для предварительного подогрева конденсата в цикле Ренкина.
Дополнение простого цикла электростанции до комбинированного может применяться на различных типах двигателей, поскольку утилизационный паросиловой цикл связан с циклом двигателя только по теплоте выхлопных газов и теплоте, получаемой при охлаждении двигателя. Таким образом, можно оптимизировать конфигурацию системы утилизации независимо от двигателя. Основное внимание при разработке оптимальной конфигурации комбинированного цикла необходимо уделять как его простоте и экономичности, так и высокой эффективности.
Схема дизельной электростанции, разработанной компанией MAN, приведена на рис. 12. В основном здании (энергоцехе) расположены двигатели и паровая турбина с генераторами. Горячие выхлопные газы проходят через паровые котлы-утилизаторы и затем направляются в дымоходы. Отработанный пар конденсируется в конденсаторе, вода системы охлаждения двигателей охлаждается радиаторами. Электроэнергия, производимая двигателями и паровой турбиной, поступает в сеть через трансформаторную подстанцию. Топливо для двигателей хранится в специальных резервуарах. В зависимости от вида, оно должно быть подогрето и очищено в блоках сепарации, которые размещаются в насосной вместе с топливными насосами.

Паровой блок электростанции (паросиловая часть DСС)
Паровой блок включает паровой котел-утилизатор, паровую турбину с электрогенератором, конденсатор пара, который может охлаждаться водой или воздухом.
Тепловые потребители собственных нужд электростанции снабжаются теплом от системы охлаждения двигателей. Небольшой части потребителей необходима вода температурой выше 80 °С – для этого тепловая энергия отбирается из паровой турбины.
Котлы-утилизаторы располагаются за каждым двигателем и работают по принципу естественной циркуляции. Они имеют два контура давления. Контур высокого давления состоит из экономайзера (ЭВД), испарителя с барабаном-сепаратором (ИВД) и пароперегревателя (ПВД). Питательная вода нагревается в экономайзере практически до температуры насыщения и затем подается в барабан. Отсепарированный насыщенный пар поступает в пароперегреватель. Контур низкого давления (деаэрационный) котла-утилизатора состоит только из испарителя низкого давления (ИНД), который располагается за ЭВД, и барабана низкого давления (БНД) со встроенной деаэрационной колонкой. Теплоты, утилизируемой в контуре низкого давления, достаточно не только для деаэрации всего потока питательной воды (как высокого, так и низкого давления), но и для выработки дополнительного количества пара низкого давления. Необходимый запас питательной воды обеспечивается полезным объемом БНД. График охлаждения выхлопных газов и соответствующие графики нагрева воды и выработки пара представлены на рис. 13.
Перегретый пар с высоким давлением из котла-утилизатора направляется в контур высокого давления паровой турбины, где его давление снижается до уровня давления пара в деаэраторе. Насыщенный пар низкого давления из БНД подается в контур низкого давления паровой турбины и смешивается с потоком отработанного пара высокого давления. Смешанный поток пара расширяется в части низкого давления турбины и далее направляется в конденсатор.
Конденсатор может иметь водяную или воздушную систему охлаждения, в зависимости от доступности воды в месте расположения электростанции. При водяной системе охлаждения можно достичь более глубокого вакуума в конденсаторе и в результате повысить мощность паровой турбины. Конденсат после конденсатора, перед подачей его в БНД, предварительно подогревается за счет использования тепла воды из системы охлаждения рубашки двигателя и, таким образом, возвращается в замкнутый паросиловой цикл.

Определение оптимальных параметров паросилового цикла
Важнейшие параметры процессов в электростанции комбинированного цикла, такие как уровни давления и температуры, зависят от типа двигателя; вида топлива; атмосферных условий на рабочей площадке; доступности пресной воды в районе эксплуатации.
Наиболее существенные ограничения по использованию парового цикла связаны с видом топлива. В выхлопных газах двигателей, работающих на топливе с высоким содержанием серы, образуется серная кислота, если газы охлаждаются ниже точки конденсации серной кислоты. Чтобы избежать коррозии поверхностей котла-утилизатора, необходимо поддерживать температуру выхлопных газов на уровне 160 °С. Если содержание серы в топливе невелико, в частности, у природного газа или биотоплива, выхлопные газы могут охлаждаться до 140 °С для биотоплива и до 120 °С для газообразного топлива. При этом большее количество тепловой энергии может использоваться для производства электроэнергии.
Вид используемого топлива также влияет на уровень давления в резервуаре цикловой воды. Температура воды в конечных блоках котлаутилизатора (ЭВД и ИНД) должна быть выше температуры конденсации серной кислоты, поскольку температура внешних стенок трубок почти такая же, как и воды внутри них. Температура питательной воды соответствует давлению в деаэраторе барабана НД и является самой низкой температурой воды в цикле. Поскольку в электростанциях комбинированного цикла, работающих на биотопливе или газе, проблемы серной кислоты не существует, ограничения по уровням давления в резервуаре цикловой воды отсутствуют.
Условия окружающей среды на площадке эксплуатации (температура воздуха, высота над уровнем моря, влажность, атмосферное давление), доступность воды в регионе также влияют на эксплуатационные параметры электростанции. Атмосферные условия воздействуют на рабочие параметры двигателя и, следовательно, на параметры выхлопных газов. Доступность воды определяет тип конденсатора для охлаждения пара после паровой турбины. При использовании конденсатора с водяным охлаждением могут быть достигнуты более низкие уровни давления по сравнению с конденсаторами с воздушным охлаждением. Таким образом, мощность турбины будет выше при использовании конденсатора с водяным охлаждением. В табл. приведены стандартные расчетные параметры электростанций комбинированного цикла для различных типов двигателей и видов топлива.

Настройка параметров паровой турбины
Паровая турбина (рис. 14), разработанная MAN Turbo AG, – конденсационная, с двумя контурами давления. В отличие от традиционных паровых турбин, имеющих только отборы по ступеням турбины, она имеет дополнительный подвод пара низкого давления из контура НД котла-утилизатора.
Конструкция паровой турбины для DСС была разработана на основе паровых турбин серии MARC (модульная концепция) компании MAN Turbo. Данная серия включает в себя несколько моделей, соответствующих различным классам мощности. Таким образом, можно подобрать паровую турбину необходимой мощности в зависимости от параметров и расхода пара, производимого котлом-утилизатором, для электростанций комбинированного цикла любой мощности.
Благодаря модульной конструкции, паровую турбину и соответствующие блоки установки (система управления, система смазки, выходной канал отработанного пара, конденсатор) можно легко разместить в составе энергоцеха. Паровая турбина и электрогенератор закреплены на общей раме для облегчения монтажа и оснащены стандартной системой управления.
Для обеспечения оптимальных рабочих параметров в любых условиях эксплуатации турбина оснащена следующим оборудованием:
•    дроссельный клапан на ступени ВД;
•    отсечный клапан со встроенным паровым фильтром;
•    аварийный остановочный клапан и невозвратный клапан на входе в контуры ВД и НД;
•    система подачи пара на концевые уплотнения турбины и система дренажа турбины;
•    блок поворота ротора;
•    клапаны и соленоиды для понижения давления;
•    редуктор с муфтой;
•    блок системы смазки с масляным баком;
•    блок контроля качества масла.
В нормальном режиме эксплуатации паровая турбина работает с постоянно изменяющимся давлением пара. Если давление пара в контурах начинает снижаться, система управления предотвращает его падение ниже установленного предела. В случае повышения давления байпасные клапаны возвращают его к требуемому уровню. Байпасные клапаны оснащены форсунками, обеспечивающими впрыск воды для охлаждения пара на входе в конденсатор.

Повышение общего КПД станции
Ранее были представлены пути оптимизации двигателя и парового блока. Но поскольку основной задачей при разработке электростанций комбинированного цикла является достижение максимального общего КПД установки, далее рассматривается, как можно решить эту задачу путем оптимизации термодинамики двигателя.
В целом двигатель разработан таким образом, чтобы расход топлива был минимальным. В результате температура выхлопных газов достаточно низкая (менее 350 °С). Но при низких температурах КПД цикла дополнительной выработки электроэнергии с утилизацией сбросной теплоты двигателя снижается. Таким образом, для достижения максимального общего КПД электростанции комбинированного цикла необходимо найти оптимальное соотношение между КПД двигателя и КПД цикла утилизации сбросной теплоты.

Перепускной клапан турбокомпрессора
Одним из способов, не требующих фундаментальных изменений конструкции двигателя, является применение перепускного клапана в турбокомпрессоре. Поток выхлопных газов, энергия которого необходима для сжатия подаваемого в двигатель воздуха, расширяется в турбонагнетателе. Избыточное количество выхлопных газов проходит через перепускной клапан и смешивается с потоком турбонаддува. Поскольку поток выхлопных газов, проходящий через перепускной клапан, не охлаждается, его температура выше, по сравнению с прошедшим через турбонагнетатель потоком. Схема данной системы представлена на рис. 15. Такие системы уже применяются на 11 двигателях, эксплуатирующихся в составе электростанции комбинированного цикла мощностью 200 МВт в Пакистане.
При оптимизации термодинамических процессов в двигателе появляется возможность поддерживать температуру и расход выхлопных газов на постоянном уровне при любых внешних условиях эксплуатации (рис. 16). При работе всех двигателей на полной нагрузке котлы-утилизаторы способны вырабатывать стабильные объемы свежего пара при любых внешних условиях эксплуатации. Следовательно, паровая турбина будет работать на полной нагрузке с максимальным КПД (что зависит от расхода пара в турбине).
Применение перепускного клапана турбонагнетателя приводит к незначительному снижению КПД двигателя, но оно компенсируется высоким общим КПД электростанции комбинированного цикла (рис. 17).

Повышение температуры воздуха перед турбонагнетателем
Как было указано ранее, повышение температуры выхлопных газов приводит к увеличению КПД парового цикла в составе электростанции комбинированного цикла. Еще одним способом повышения температуры выхлопных газов является повышение температуры газовоздушной смеси перед турбиной турбонагнетателя, которая в двигателях компании MAN обычно составляет 540 °С.
Были проведены испытания на двигателе 18V48/60, в течение которых температура перед турбиной поддерживалась на уровне 570 °С. В результате было установлено, что общий КПД в комбинированном цикле растет даже при снижении КПД двигателя. Результаты испытаний представлены на рис. 17. Однако данная методика не применялась на двигателях, которые работают в составе стационарных электростанций. Таким образом, эти результаты представляют только теоретический потенциал для повышения КПД электростанции.

Влияние комбинированного цикла DСС на выбросы парниковых газов
Переход от простого цикла к комбинированному приводит к значительному снижению расхода топлива и росту КПД станции при использовании как дизельного, так и газообразного топлива. Кроме того, сокращаются уровни эмиссии СО₂: при работе на дизельном топливе на 11 % и на газообразном – на 9 %.
На рис. 18 представлены расчеты удельных уровней эмиссии углекислого газа для двигателя 18V51/60, работающего на дизельном и газообразном топливе, при переходе от простого цикла к комбинированному.

Заключение
В статье представлен ряд мероприятий, которые компания MAN предпринимает для снижения уровней эмиссии своих двигателей. И повышение КПД двигателя, и использование паросилового цикла для утилизации сбросной теплоты двигателя приводят к значительному снижению уровней эмиссии СО₂.
Наилучшие результаты могут быть достигнуты при комплексном использовании данных способов в составе электростанции комбинированного цикла, где все компоненты оптимизированы для достижения максимального общего КПД.
Достигнуто не только сокращение выбросов СО₂, но снижен и расход топлива, увеличен КПД, а также снижены эксплуатационные расходы модернизированной станции. Таким образом, данные методы могут применяться для различных целей оптимизации (снижения уровней эмиссии СО₂, уменьшения расхода топлива, повышения КПД станции, снижения издержек) без конфликта между ними.
Снижение уровней эмиссии СО₂ в простом и комбинированном цикле в результате приводит к сокращению расхода топлива и, соответственно, к повышению КПД установки. Кроме того, при этом снижаются эксплуатационные расходы, что, естественно, является существенным преимуществом компании в условиях жесткой конкурентной борьбы на энергетическом рынке.

Статья подготовлена по материалам докладов компании MAN Diesel на конференции Power-Gen Europe.