Гарриет Остер – Wartsila Finland Oy

Сегодня Wаrtsilа располагает двумя мощными и высокоэффективными базовыми двигателями, обеспечивающими выход компании на рынок крупномасштабного производства электроэнергии.

Новый энергоблок Wаrtsilа 18V50SG является самым большим в мире агрегатом с газовым приводом. Он находит идеальное применение в тех случаях, когда обеспечено постоянное снабжение газом. Если же непрерывная поставка газа не может быть гарантирована, оптимальным выбором является двухтопливный двигатель Wаrtsilа 50DF.
Wаrtsilа 50SG – четырехтактный газовый двигатель с искровым зажиганием, работающий на обедненной топливной смеси по циклу Отто. Он создавался на основе отработанной технологии, нашедшей применение в меньшем по мощности двигателе – 34SG. Важной особенностью нового газового двигателя в линейке продукции Wаrtsilа является исключительно высокий коэффициент полезного действия электростанции – более 50 % в комбинированном цикле.
Как отмечает вице-президент компании Wаrtsilа по технологии электростанций Томас Хэглунд, Wartsila 50SG, имеющий выходную мощность около 18 МВт, является самым мощным газовым двигателем в мире. Используя 24 таких агрегата, работающих в комбинированном цикле, можно получить выходную мощность почти 500 МВт, что соответствует мощности крупной электростанции. Компания предлагает сейчас конкурентное и эффективное решение для электростанций с базовой мощностью до 500 МВт, т.е. непосредственно конкурирует с газотурбинными агрегатами.
Первый экспериментальный 6-цилиндровый образец двигателя 50SG был построен в 2009 г. Сборка первого двигателя для реального заказчика началась в 2010 г., а к концу года на электростанции в г. Триест (Италия) завершились его испытания.
Основным аспектом в развитии технологии двигателя внутреннего сгорания с искровым зажиганием стало увеличение размера диаметра цилиндра с 340 до 500 мм. Современные газовые двигатели должны работать только на обедненной топливной смеси – это позволяет достичь низкого уровня выбросов без применения дополнительных систем подавления эмиссии в выхлопных газах. При использовании обедненной смеси в цилиндре находится гораздо больше воздуха, чем это необходимо для полного сгорания газа.
На начальной стадии проекта активно обсуждался вариант технологии зажигания, который подходит для газовых двигателей с большим внутренним диаметром. В двигателях, работающих на чистом газе, используется искровое зажигание с применением пусковой камеры сгорания. Однако никаких данных о том, как влияет увеличение внутреннего диаметра до 500 мм на работу двигателя, не было.
Также предлагался вариант зажигания с использованием впрыска жидкого топлива через пусковую камеру сгорания. Эта технология была новой, поэтому требовала более сложного проектирования. Обе концепции прошли испытания и одинаково хорошо проявили себя в эксплуатации. Исходя из результатов проверки надежности и в связи с более низкой стоимостью, выбор был сделан в пользу технологии искрового зажигания с использованием пусковой камеры сгорания.

Пусковая камера сгорания
Пусковая камера сгорания является источником зажигания для всей нагрузочной дозы топлива и представляет собой ключевой компонент двигателя, работающего на обедненной топливной смеси. КС должна иметь как можно меньший объем, чтобы снизить образование оксидов азота, но в то же время ее размер должен быть достаточным для обеспечения быстрого и надежного зажигания. При разработке пусковой камеры сгорания оптимальных размеров и формы был проведен целый ряд расчетов и созданы многочисленные модели.
Особое внимание уделялось также таким вопросам, как смешивание воздуха и топлива; скорость газового потока и турбулентность на свече зажигания; выбор материала. Отслеживались и использовались в качестве вводных данных для системы управления двигателем различные параметры – нагрузка на двигатель, скорость, температура выхлопа цилиндра.

Система зажигания
Технология зажигания, использованная в 50SG, специально разработана для нового привода и тесно интегрирована с системой управления двигателем. Модуль зажигания связан с основным управляющим модулем, осуществляющим общий контроль времени зажигания. Используя данные о качестве сгорания, модуль зажигания управляет временем зажигания для каждого цилиндра. Отдельное управление каждым цилиндром обеспечивает в нем оптимальное сгорание.
Катушка зажигания расположена в колпаке цилиндра и соединена с удлинителем свечи зажигания. При такой конструкции (катушка зажигания – свеча зажигания) максимально сокращается количество соединений между свечой зажигания и катушкой и повышается надежность блока.

Система охлаждения
Двигатель имеет охлаждающую систему открытого цикла. В ней предусмотрены четыре контура охлаждения: для цилиндров, для камеры сгорания (рабочим воздухом), для нагретого воздуха, смазочного масла (контур установлен в дополнительном модуле).
Контур охлаждения цилиндра и контур охлаждения цилиндра рабочим воздухом оснащены водяными насосами, связанными с модулем цилиндров на свободном конце радиаторов двигателя. Температура воды, поступающей в охлаждающий контур цилиндров, регулируется внешними термостатическими клапанами.
Аварийная система охлаждения представлена общим контурным радиатором, к которому последовательно подключены все охлаждающие контуры двигателя. Для возврата тепла каждый охладитель может отдельно подключаться к внешней системе охлаждения.

Автоматизация
Все функции двигателя контролируются системой управления двигателем UNIC C3, микропроцессорной распределенной системой контроля. Для определенных функций специально настроены отдельные электронные модули, взаимодействующие между собой благодаря шине данных CAN.
Для достижения наивысшей мощности и КПД двигателя настройки каждого цилиндра могут быть оптимизированы. Эта же возможность используется при изменении условий функционирования, например, при изменении метанового индекса или температуры окружающей среды. Таким образом, двигатель Wartsila 50SG имеет повышенную надежность и безопасность.
Каждый двигатель оснащен датчиком давления. Контроль давления в цилиндре позволяет значительно усовершенствовать систему управления двигателем. На основании сигнала, полученного от датчика давления, система UNIC способна мгновенно определить уровень теплоотдачи, величину и расположение точек пикового давления, а также опасность возникновения аварийной ситуации и повреждения двигателя.
Датчики могут также использоваться для определения среднего полезного давления, которое фактически является показателем энергии, вырабатываемой каждым цилиндром. Датчики в цилиндрах функционируют в условиях существующих высоких значений температуры и давления – 300 °С и 30 МПа.
Расположение датчиков также имеет существенное значение. Мембрана каждого из них устанавливается заподлицо в камере сгорания, что обеспечивает точность и надежность измерений.
Интервалы технического обслуживания датчиков совпадают с периодами восстановительного ремонта головки цилиндра, т.е. составляют около 16000 часов.

Основной управляющий модуль
Центром системы управления двигателем является основной управляющий модуль. Он отвечает за надежность работы двигателя при любых условиях, включая изменение температуры окружающей среды и качество газа.
Основной модуль обрабатывает информацию, получаемую от всех других модулей. На основе этой информации он регулирует скорость и нагрузку на двигатель, задавая значения для загрузки основного газа, соотношение воздух–газ, время зажигания. В автоматическом режиме контролируется последовательность запуска и останова двигателя. Основной модуль также взаимодействует с системой управления станционного уровня.

Тенденции на рынке газопоршневых установок
Первый агрегат с двигателем Wartsila 50SG введен в эксплуатацию в 2011 году в рамках расширения электростанции Aksa в г. Самсун (Турция). Компания Wаrtsilа имеет сильные позиции на энергетическом рынке Турции: к концу 2011 года поставлено почти 3 ГВт генерирующих мощностей. Из поставленных на сегодня электростанций 85 % работают на природном газе.
Турция является перспективным рынком для компании Wartsila, так как производство электроэнергии с использованием газового топлива здесь расширяется. Новый газовый двигатель, имеющий общий электрический КПД выше 50 %, ориентирован на все мировые рынки. Ранее предлагавшиеся компанией решения на основе газопоршневых электростанций были конкурентоспособны для станций мощностью до 300 МВт. С двигателем Wаrtsiа 50SG область их применения распространяется на станции мощностью свыше 500 МВт.
Соотношение между электростанциями, работающими на газе и использующими жидкое топливо, периодически меняется, но общая долгосрочная тенденция такова, что газ в качестве топлива имеет лучшую перспективу. Это справедливо также и для развивающихся рынков. В настоящее время при строительстве многих электростанций, предназначенных для работы на мазуте, предусмотрена возможность переключения в будущем на газ.

Двухтопливная технология
На крупных электростанциях в долгосрочной перспективе газопоршневой двигатель Wаrtsilа 18V50SG заменит двухтопливный 18V50DF. Тем не менее, в отдельных случаях и при определенных обстоятельствах применение двухтопливной схемы целесообразно для газовых электростанций, хотя конструкция двигателя SG обеспечивает более высокие уровни КПД.
Двухтопливный или трехтопливный двигатель Wartsila 50DF – специальный продукт, обеспечивающий владельцам электростанций значительную топливную гибкость. Наглядным примером является крупная электростанция мощностью 300 МВт в г. Сангачале (Азербайджан), введенная в эксплуатацию в 2008 г. Станция оснащена 18 энергоблоками, приводом которых являются 18-цилиндровые двигатели Wаrtsilа 50DF мощностью по 17 МВт.
В первую очередь электростанция предназначена для работы на природном газе, но в зимний период поставки газа не всегда надежны. В этом случае двигатели 50DF могут быть переключены на мазут или на легкое дизельное топливо. Выходная мощность станции остается неизменной на всех трех видах топлива.
Двухтопливный двигатель Wartsila 50DF первоначально разрабатывался для судовых энергоустановок. К настоящему времени срок его эксплуатации в данном секторе составляет около 10 лет. Трехтопливная модификация двигателя, способная работать на природном газе, легком дизельном топливе или мазуте, появилась в 2007 году. Применение Wartsila 50DF в судовых силовых установках оказалось очень успешным – его топливная гибкость особенно важна для танкеров по перевозке сжиженного природного газа (СПГ). При прямом рейсе, когда судно загружено, его двигатели работают на СПГ. После выгрузки судно может работать на более дешевом мазуте.
Спрос на двухтопливные решения для наземной энергетики появился в последние десять лет. Первый двигатель Wаrtsiа 50DF для электростанции, способный работать на мазуте или природном газе, был поставлен в Турцию в 2004 г. Первый трехтопливный двигатель в настоящее время эксплуатируется на Сангачальской электростанции в Азербайджане.
Двигатели Wаrtsilа 50DF, используемые в судовых силовых установках, начали эксплуатироваться с октября 2006 года. Более сотни двигателей было установлено на различных судах по всему миру. Их наработка составила свыше 20000 часов.
Первый двигатель Wartsila 50DF, предназначенный для применения на наземных электростанциях, был запущен в марте 2005 г. Около 40 таких двигателей в настоящее время используются для выработки электроэнергии, некоторые из них имеют наработку свыше 36 000 часов. Общая наработка всех двигателей Wartsila 50DF сейчас превышает 1 млн часов.

Уровень выбросов
Новый двигатель Wartsila 50SG сочетает в себе высокую эффективность с низким уровнем выбросов. Это достигается за счет использования в камере сгорания обедненной газовой смеси.
В газовом двигателе, работающем на бедных смесях, в камере сгорания находится больше воздуха, чем необходимо для полного сгорания газа. Сжигание бедной топливной смеси снижает пиковые температуры и содержание NOх в выхлопных газах. Чем выше коэффициент избытка воздуха, тем ниже температура.
В двигателе Wartsila 50SG поддерживается очень высокий коэффициент избытка воздуха, а эффективное предварительное смешение топлива и воздуха обеспечивает его равномерность по всему объему камеры сгорания. Поддержание правильного соотношения воздуха и топлива при всех условиях является важным.
Для регулирования этого соотношения в двигателе 50SG предусмотрен перепускной клапан выхлопных газов. Он обеспечивает управление частью выхлопных газов, обходящих турбокомпрессор двигателя, в результате чего коэффициент избытка воздуха поддерживается на нужном уровне независимо от нагрузки.
Для достижения максимального КПД и низкого уровня выбросов двигателя каждый из цилиндров индивидуально управляется системой управления двигателем (ECS). Это гарантирует, что и коэффициент избытка воздуха, и распределение зажигания являются оптимальными.

Газовые электростанции как резервные мощности ветроэнергетики
Сегодня наблюдается активное присутствие компании в секторе ветроэнергетики, где газовые электростанции, являясь резервными, обеспечивают стабильность энергосистемы при производстве электроэнергии ветроустановками. Это особенно относится к США.
К настоящему времени Wartsila поставила в США, где активно применяются ветроэнергетические установки, газовые электростанции общей мощностью около 1 ГВт. Станции подключены к энергосистеме и обычно имеют максимальную мощность 100…200 МВт, а их новейшие модели способны выйти на режим полной мощности всего за пять минут. Если скорость ветра резко падает, то для предотвращения неустойчивой работы электрической сети необходимо быстро ввести в систему компенсирующую мощность.
Кроме того, газовые двигатели Wartsila имеют высокий КПД как при полной, так и при частичной нагрузке, что обеспечивает эксплуатационную гибкость, необходимую для резервирования ветроэнергетических установок. Технология на основе газопоршневых двигателей – единственное решение, способное обеспечить быстрые запуски и остановы, которые требуются при резервировании ветроэнергетических установок. На данный момент Wartsila установила электростанции в 166 странах. Их общая мощность составляет около 45 ГВт.

Wartsila – мировой лидер на рынке судового и энергетического оборудования, предлагающий комплексные технические решения на весь срок службы оборудования. Создавая все более эффективные, инновационные технологии, Wartsila совершенствует экологические и экономические показатели судов и силовых станций своих клиентов. В 2010 году чистый объем продаж Wartsila составил 4,6 млрд евро, количество сотрудников превысило 17500 человек. Корпорация располагает 160 офисами и рабочими площадками в 70 странах мира. Акции Wartsila котируются на фондовой бирже NASDAQ OMX (Хельсинки, Финляндия).
ООО «Вяртсиля Восток», являясь официальным представительством Wartsila в России, предлагает заказчикам полный спектр комплексных услуг и решений на рынке судового и энергетического оборудования. Первое представительство компании было открыто в 1979 г. Головной офис «Вяртсиля Восток» расположен в С.-Петербурге, его отделения – в Москве, Владивостоке и Мурманске.