• Скачать в формате PDF

А. А. Никитин, М. Б. Губашов – ООО «Вяртсиля Восток»
Якоб Климстра – Wartsila Corporation

Высокоманевренная газопоршневая ТЭС на базе современных энергоблоков Wartsila 18V50SG полностью обеспечит потребности в электрической и тепловой энергии Тихвинского вагоностроительного завода и близлежащих предприятий г. Тихвина (Ленинградская обл.). Применение технологии Smart Power Generation позволяет максимально эффективно использовать оборудование и значительно экономить топливо для энергетических установок. Станция будет базовым энергоисточником для промышленных предприятий Тихвинской промплощадки.

Тихвинский вагоностроительный завод, в модернизацию которого группа «ИСТ» инвестировала более $1 млрд, уникален для российского машиностроения как в технологическом плане, так и по масштабам строительства. В 2008–2011 гг. он был самым крупным строящимся промышленным объектом в Европе и сегодня является лидером вагоностроения в России.
Высокотехнологичное производство с применением зарубежных технологий весьма чувствительно к нарушениям электроснабжения. Обеспечить требуемый уровень надежности и качества электроснабжения в условиях изношенности основных сетей становится сложно при модернизации промышленных объектов. Группа «ИСТ» приняла решение провести модернизацию существующей котельной с сооружением ТЭС мощностью 220 МВт. Проект реализуется инжиниринговой компанией «ИСМ» – совместным предприятием группы «ИСТ» и холдинга Baran Group Ltd. (Израиль).
Заказчик не имел предпочтений по типу основного оборудования, поэтому специалисты «ИСМ» выбирали его исходя из производственных задач. Традиционным для станций такого масштаба был выбор между ГТУ–ТЭС и парогазовой установкой теплофикационного типа, но в итоге остановились на газопоршневых энергоблоках. Запуск электростанции планируется осуществлять последовательно в три этапа: в 2014 г. будет построена первая очередь мощностью 110 МВт, в 2015-м – ввод в строй теплового контура мощностью 90 МВт, в 2020-м будет введена третья очередь на 110 МВт.
Для проекта были выбраны газопоршневые агрегаты Wartsila 18V50SG электрической мощностью 18,3 МВт, тепловой – 18 МВт. Электрический КПД энергоблоков составляет 48 %, суммарный – более 90 %. Компания Baran уже имела опыт работы с высокоманевренными энергоблоками большой мощности. Более 10 лет назад в США, где Baran Group осуществляла проекты с ВИЭ, было введено несколько электростанций единичной мощностью свыше 200 МВт на базе установок Wartsila для компенсации потери мощности ВЭС.
Высокоманевренные станции на базе газопоршневых установок, обеспечивающие быстрый запуск, набор полной мощности за 5–10 мин и быстрый сброс, работу на частичной нагрузке, хорошо приспособлены для систем с переменными нагрузками. Эта технология применена и в Тихвине. Наличие металлургического производства с большими электродуговыми печами определяет график нагрузки. Резкие скачки, работа в режиме неполной нагрузки (до 40 %) – в этих условиях наиболее эффективны газопоршневые установки.
По словам руководителя энергетического направления группы «ИСТ» В. Жадана, «компания Wartsila продемонстрировала технические и экономические преимущества своей технологии, представив реализованные по всему миру проекты. Кроме того, взаимодействие с единым поставщиком, предлагающим комплексное решение, экономит время и расходы».
В зону ответственности компании Wartsila входит проектирование, подготовка рабочей документации и поставка генераторных установок со вспомогательными системами.
В объем поставки входит оборудование автоматики и управления, электрическая система, а также легкосборное здание машинного зала в комплекте с выхлопными трубами, оснащенными катализаторами для регулирования уровня эмиссии СО₂. Компания также обеспечит поддержку при монтаже и вводе станции в эксплуатацию, обучение персонала.
Инвестиционные показатели проекта привлекательны: при сопоставимой с парогазовыми установками топливной эффективности, но при более низких капитальных затратах модульные энергоблоки Wartsila обеспечивают более короткие сроки строительства. Компания имеет большой опыт реализации проектов многоагрегатных электростанций. Завершить строительство первой очереди планируется до конца 2014 года. К этому времени группа «ИСТ» должна развернуть локальную энергосистему с элементами технологии Smart Grid, обеспечивающими адаптивность управления, в которую легко вписываются генерирующие мощности на базе ГПУ.

Интеллектуальное производство энергии – Smart Power Generation
Интеллектуальное производство энергии – это новая концепция, позволяющая эксплуатировать существующую энергосистему с максимальной эффективностью благодаря исключительно высокому компенсированию колебаний существующей и будущей нагрузки системы, обеспечивая таким образом значительную экономию средств.
Wartsila является лидером в интеллектуальном производстве энергии. Технологии поршневых двигателей и технические решения по ГПЭС Wartsila обеспечивают уникальное сочетание функций, которое открывает новые возможности для создания в будущем безопасных, надежных и рентабельных национальных энергосистем.
Существует целый ряд способов для обеспечения баланса энергосистем. Там, где это возможно, используются гидроэлектростанции. Аналогичным образом энергосети с использованием интеллектуальных систем позволяют переключать нагрузку в пиковые периоды, а существующие электростанции регулируют выдаваемую мощность. Но в большинстве случаев это только частично решает проблему.
При оснащении энергосистем установками SPG (Smart Power Generation) на базе поршневых двигателей Wartsila все проблемы с балансом нагрузок и компенсированием мощности можно решить. Причем это возможно даже при наличии в системе большого количества электростанций, работающих на возобновляемых источниках энергии. Установки SPG, обеспечивающие максимальную гибкость в эксплуатации, оперативно реагируют на изменение ситуации в энергосетях. Возможность эффективно работать в любых режимах – от базового до пикового, а также оперативно компенсировать недостаток мощности обеспечивает стабильный баланс энергосети.
Необходимое количество пусков и остановов выполняется нажатием одной кнопки, не влияя на регламент технического обслуживания и сроки службы до капитального ремонта и до списания. SPG начинают вырабатывать мегаватты электроэнергии в сеть в течение одной минуты с холодного пуска и выходят на номинальную мощность в течение 5 мин. Они обеспечивают постоянный горячий резерв, оптимальное следование нагрузке и быстрое покрытие пиковых нагрузок.
Стандартные установки SPG имеют готовность на уровне 95 %, надежность – 97 % и надежность пусков – 99 %. Они являются наиболее эффективными для обеспечения энергобаланса в сети. Кроме того, высокие экологические показатели по уровню эмиссии и шума позволяют устанавливать их в непосредственной близости к потребителю, а модульная конструкция SPG обеспечивает быстрый монтаж и ввод в эксплуатацию. Требования к необходимой инфраструктуре также минимальны: крайне низкий или нулевой расход технологической воды (применяется радиаторное охлаждение) и низкий уровень давления топливного газа – 0,5 МПа.

Эффективность газопоршневых двигателей большой мощности
Эффективность двигателей простого цикла на природном газе, доступных на рынке, колеблется от 38 до 48 %, в зависимости от диаметра цилиндра и удельной нагрузки. Такие параметры достаточно привлекательны для базовой выработки электроэнергии в когенерационном цикле, а также для обеспечения пиковой мощности. Достигнуть топливной эффективности почти 50 % в простом цикле могут только двигатели с цилиндрами большого диаметра. Добавив комбинированный цикл, можно повысить КПД до 55 %.
В большинстве пособий по термодинамике рассматривается идеализированный стандартный воздушный цикл в качестве эталона для эффективности двигателя. В этом цикле поршень сначала обратимо сжимает содержимое цилиндра в адиабатическом и изоэнтропическом процессе. Затем горение происходит при постоянном объеме цилиндра (так называемый изохорический процесс), к тому времени горячая среда расширяется до объема перед сжатием. Во время последующего изохорического процесса выхлопа давление в цилиндре возвращается к первоначальному значению.
Эффективность адиабатического цикла составляет примерно 59 %. Фактический процесс реального двигателя никогда не будет адиабатическим, т.е тепло будет вытекать из рабочего тела в цилиндре через стенки камеры сгорания.
Для двигателей небольшого размера без наддува применяется эмпирическое правило, что при полной нагрузке треть энергии топлива переходит во вращение вала двигателя, треть уходит в теплоноситель и треть уходит через выхлоп. Потери тепла в теплоноситель затем делятся на три составляющие: потери в процессе сгорания топлива, через стенки цилиндра в процессе расширения и передаваемые охлаждающей жидкости в процессе выпуска.
Газопоршневой двигатель с турбонаддувом и цилиндрами большого диаметра имеет, условно говоря, гораздо меньший тепловой поток из рабочего тела в цилиндре. В качестве примера приведен энергетический баланс 20-цилиндрового двигателя с диаметром цилиндра 34 см, степенью повышения давления 20 и мощностью на валу 9,73 МВт.
Суммарный измеренный потока тепла от контура охлаждающей жидкости и от смазочного масла составит 11,4 % (6,5 + 4,9). Чтобы получить общий поток тепла к маслу и охлаждающей жидкости, должно быть добавлено излучение от блока двигателя, которое оценивается в 1,1 % энергии топлива. При этом следует иметь в виду, что потери на трение также проявятся в виде тепла в смазочном масле и охлаждающей жидкости – это 10 % по мощности на валу, т.е. 4,6 % энергии топлива появляется в виде тепла от трения. В результате потери тепла из цилиндра в контуры смазочного масла и охлаждающей жидкости составят 7,9 % от ввода топлива (11,4 + 1,1 – 4,6).
Если, как в случае с автомобильным двигателем, треть этого тепла покидает рабочее тело в цилиндре во время процесса сгорания, около 3 % выделяемого тепла не может быть использовано для работы. Следовательно, процесс в цилиндре такого двигателя вполне адиабатический. Теплоизоляция такой большой камеры сгорания, даже если это технически возможно, не позволит существенно повысить эффективность работы двигателя.
Основной причиной того, что процесс сгорания в цилиндре большого диаметра так близок к адиабатическому, является относительно небольшое соотношение площади и объема камеры сгорания. В верхней мертвой точке это отношение 180 м^–1 для двигателя с цилиндром d 15 см, но уже 70 м^–1 для цилиндра d 34 см, а для цилиндра d 50 см оно сокращается менее чем до 50 м^–1. Относительная площадь охлаждения рабочей среды для большого цилиндра больше: для цилиндра d 34 см в 2,6 раза, а для d 50 см – в 3,7 раза.
Это соотношение примерно сохраняется и по мере движения поршня. Но время пребывания в цилиндре для двигателя большого диаметра более продолжительное, поскольку частота вращения составляет 750 об/мин или 500 об/мин, а для двигателя с цилиндром d 15 см – 1500 об/мин.
На первый взгляд, это уменьшило бы преимущество большого диаметра вдвое или втрое, до 1,2–1,3. Несмотря на это, присутствует прохладный слой между стенками камеры сгорания и основной массой рабочего тела. Это означает, что средне- и низкооборотные двигатели Wartsila с большим диаметром дают примерно вдвое меньше относительных тепловых потерь по сравнению с высокооборотным двигателем с d 15 см. Кроме того, температура среды в цилиндре большого диаметра меньше и составляет около 75 % от температуры в цилиндрах небольшого двигателя вследствие гораздо большего соотношения воздух/топливо большого двигателя.
Двукратное уменьшение потерь, деленное на 0,75, значительно приближает к трехкратному различию в относительных потерях тепла двигателей с большим диаметром и малым диаметром. Для снижения отношения площади к объему еще в три раза, диаметр цилиндра придется увеличить с 34 см до 100 см.

Двигатель Wartsila 50SG
Самый мощный газопоршневой двигатель Wartsila 50SG соответствует всем настоящим и будущим требованиям по эксплуатационным расходам и имеет высокий КПД как в простом, так и в комбинированном цикле. Его преимуществами являются простота технического обслуживания и длительные межремонтные интервалы. Максимальная электрическая мощность энергоблока составляет 18,3 МВт при частоте тока 50 Гц. Частота вращения силового вала двигателя – 500 об/мин, КПД на клеммах генератора достигает 48,6 %.
Wartsila 50SG был разработан с учетом возрастающей потребности на рынке в мощных газопоршневых двигателях для использования в составе электростанций мощностью до 500 МВт. Для такой электростанции простого цикла необходимо 28 энергоблоков, а при использовании в ее составе паросилового блока общая мощность станции возрастает до 560 МВт.
В дополнение к большой мощности и высокому уровню КПД данный энергоблок имеет еще одно преимущество: снижение и повышение нагрузки возможно без сокращения межремонтного ресурса. Двигатели Wartsila 50SG обеспечивают быстрый набор мощности. Электростанция простого цикла (500 МВт) или комбинированного цикла (580 МВт) обеспечивает набор и сброс нагрузки с шагом 67,2 МВт/мин. Все энергоблоки в составе электростанции набирают и сбрасывают нагрузку одновременно, интенсивность набора/ сброса каждого из них составляет 2,4 МВт/мин.
Wartsila 50SG может эксплуатироваться на природном газе различного качества. Номинальное значение метанового числа – 80. Двигатель 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.
Wartsila 50SG – четырехтактный двигатель, с турбонаддувом, промежуточным охладителем и прямым впрыском топлива. Компанией была специально разработана система контроля и управления двигателем, осуществляющая мониторинг параметров каждого цилиндра. Стабильные эксплуатационные параметры обеспечивают снижение механического и термического воздействия на детали двигателя, что увеличивает срок их службы.
Природный газ подается в двигатель через блок регулирования (GRU – gas regulating unit). Сначала газ проходит очистку, при этом его давление, 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 оно должно быть увеличено. В состав GRU входят также отсечной и выпускной клапаны для обеспечения безопасной и надежной подачи топливного газа.
В двигателе топливный газ подается по трубной обвязке системы Common-Rail, расположенной вдоль двигателя. Каждый цилиндр имеет индивидуальный подвод газа к клапану, находящемуся на головке цилиндра. Топливо поступает в цилиндры перед воздушным впускным клапаном. Электронный контроль работы газовых форсунок выполняется системой управления двигателя, обеспечивая подачу необходимого количества газа в каждый цилиндр и контроль процесса горения в них. Поскольку каждая форсунка может быть отрегулирована отдельно от впускного клапана, любой цилиндр можно продуть 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 специальных материалов, что обеспечивает их износостойкость и продолжительный срок службы.
Новый двигатель Wartsila 50SG оснащен передовой системой охлаждения, которая обеспечивает эффективный отвод избыточного тепла от всех теплонагруженных деталей двигателя. Она состоит из двух отдельных систем – высокотемпературной (HT) и низкотемпературной (LT). Система НТ предназначена для охлаждения гильз и головок цилиндров, LT – для охлаждения 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 HT соединена с системой охлаждения рубашки двигателя. Обе системы имеют привод от основного двигателя.
При создании модификации двигателя Wartsila 50SG 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.

Реализация проекта и его развитие
В настоящее время в г. Тихвине ведется подготовка площадки к строительству первой очереди станции мощностью 110 МВт. Компания Wartsila изготавливает энергоблоки, модульные конструкции станции и необходимые системы. В связи с модульной компоновкой сроки строительства электростанции существенно сокращаются. Как было указано выше, шесть энергоблоков простого цикла Wartsila 50SG общей мощностью 110 МВт планируется ввести в эксплуатацию и синхронизировать с энергосистемой.
Станция полностью обеспечит потребности Тихвинского вагоностроительного завода и промышленных предприятий Тихвинской промплощадки. Ввод в эксплуатацию системы утилизации тепла энергоблоков общей мощностью 90 МВт планируется в 2015 году.
Это позволит увеличить КПД электростанции до 90 %.