Йошинага Такахаши, Мичиясу Ишида, Шойи Намекава, Акихиро Йюки – компания Mitsubishi Heavy Industries Ltd.

По оценкам специалистов, доля компании MHI на энергетическом рынке Японии составляет более 80 %. В настоящее время с целью удовлетворения специфических требований заказчиков компания разработала и представила на рынок новый двигатель – MACH II-SI. Энергоблок комбинированного цикла на базе этого двигателя имеет самый высокий КПД среди аналогов в мире. Кроме того, выход на полную мощность из состояния холодного резерва составляет 7 минут.

Разработка двигателя
Энергоблоки на базе двигателя MACH-30G начали поставляться заказчикам с 2001 года. Всего в настоящее время в эксплуатации находится 150 двигателей. Они подтвердили все эксплуатационные параметры, которые закладывались в процессе конструкторских разработок, в частности, высокий КПД и надежность в эксплуатации, а также низкие уровни эмиссии CO₂, SО_x и NO_x.
Проект по разработке двигателя MACH II-SI реализован специалистами компании MHI в сотрудничестве с Организацией по разработке передовых промышленных и энергетических технологий (New Energy and Industrial Technology Development Organization) и Газовой ассоциацией Японии (Japan Gas Association) в период 2005–2008 гг. Основной целью при создании двигателя было достижение КПД более 50 %. При этом использовались все достижения и передовые технологии компании. Вместо воспламенения запального топлива применено искровое зажигание, для повышения общего КПД энергоблока повышена температура выхлопных газов, использованы передовые технологии утилизации сбросного тепла. В результате общий электрический КПД энергоблока составил более 66 %, что является самым высоким показателем в данном классе мощности. За основу MACH II-SI взята конструкция двигателя MACH-30G. Были использованы технологии работы на обедненной топливовоздушной смеси, состав которой оптимизирован для основной и пилотной камер сгорания. Время выхода на полную мощность сокращено до 7 минут – это в два раза меньше, чем у других двигателей, производимых компанией MHI. В процессе опытно-промышленной эксплуатации двигатель был оптимизирован для различных вариантов применения. Полномасштабные испытания в составе электростанции проводились на испытательном стенде предприятия MHI – Yokohama Machinery Works в период 2008–2009 гг. Общая наработка двигателя за данный период составила 4000 часов.
В процессе доводочных испытаний двигатель был адаптирован для работы на низкокалорийных газах, таких как шахтный метан, доменные газы и биогазы различного происхождения. Таким образом, имеется возможность удовлетворить самые специфические требования заказчиков.

Эксплуатационные характеристики MACH II-SI
Особое внимание при разработке технологий уделено оптимизации процессов горения, увеличению степени повышения давления, а также устранению возможности срыва пламени и возникновению детонации в двигателе. Конструкторские работы проводились в рамках совместной программы «Разработка высокоэффективной системы горения для газопоршневых двигателей, работающих на природном газе».
Для успешного решения поставленных задач детально прорабатывались все технологии и процессы в двигателе. Испытания проводились на одноцилиндровом пилотном образце. В частности, особое внимание уделялось составу топливовоздушной смеси, а также процессам горения в цилиндре. Были оптимизированы геометрия поршней и контуры основной и пилотной камер сгорания. На рис. 1 представлены технологии, которые использовались при проведении испытаний одноцилиндровой модели двигателя.
На основании результатов, полученных в процессе испытаний, был создан 18-цилиндровый пилотный образец двигателя, который подтвердил расчетные показатели по КПД и пределам детонации. Все разработанные технологии были применены как в MACH II-SI, так и для модернизации исходного двигателя MACH-30G.
В отличие от предыдущей модели, новый двигатель MACH II-SI оснащен передовой системой искрового зажигания. Кроме того, с целью максимального повышения общего КПД энергоблока в когенерационном цикле были детально проработаны технологии горения для достижения стабильного сжигания богатой топливовоздушной смеси.
Необходимый баланс между КПД двигателя и температурой выхлопных газов обеспечивается оптимальным соотношением циклов сжатия и расширения в цилиндре, а также регулированием момента зажигания основного топлива в камере сгорания. В процессе испытаний одноцилиндровой модели двигателя были устранены всевозможные причины срыва пламени и возникновения детонации.
На фото представлен общий вид двигателя MACH II-SI, в табл. приведены его основные технические характеристики.

Высокая надежность двигателя
На разработку высоконадежного двигателя MACH II-SI не потребовалось большого количества времени, так как он создавался на основе проверенного в эксплуатации MACH-30G. Основные изменения коснулись системы зажигания: в новом двигателе применена искровая система зажигания. Более 80 % компонентов
двигателей MACH II-SI и MACH-30G идентичны. Модернизированные компоненты системы горения представлены на рис. 2.
При оснащении двигателя искровой системой зажигания необходима независимая система подачи газа в форкамеру. Система подачи имеет автоматический клапан с соленоидным приводом, а также автоматические клапаны для оптимального контроля состава топливовоздушной смеси в форкамере. При этом достигается стабильность процессов горения и, соответственно, высокая надежность двигателя в эксплуатации.
Чтобы устранить проблемы, связанные с залипанием автоматических клапанов в результате отложения нагара или истирания седла клапана, с помощью цифрового анализа была разработана оптимальная конструкция клапанов. Также использована система двойных невозвратных клапанов линии подачи газа в форкамеру.
Традиционно максимальный срок непрерывной эксплуатации газопоршневых двигателей большой мощности, работающих на обедненной топливной смеси, ограничен сроком службы запальных свечей. В MACH II-SI предусмотрена одна замена свечей за период эксплуатации 4000 часов (во время основного технического обслуживания). Для продления срока службы запальных свечей разработана особая система охлаждения, применены также технологии для снижения абразивного износа электродов (окислительная абразия).

Система управления двигателя
Система автоматического контроля и управления M-RICS (рис. 3), разработанная компанией MHI, обеспечивает управление двигателем в режиме реального времени. В результате достигается оптимальная периодичность зажигания в цилиндрах, контролируется температура выхлопных газов и давление в каждом отдельном цилиндре. Данная система управления применена в двигателе MACH-30G и доказала свою надежность и эффективность в процессе эксплуатации.
Дополнительно в системе использован детектор детонации, который обеспечивает бесперебойную работу двигателя в близких к детонационным пределам режимах. Применение системы M-RICS гарантирует четкий и оперативный контроль параметров горения в цилиндрах, что способствует длительной стабильной эксплуатации. Устранение возможности срыва пламени также является одним из преимуществ системы управления M-RICS.

Запуск двигателя и следование за нагрузкой
Для большинства газопоршневых двигателей характерным является быстрый запуск и быстрый выход на номинальную мощность. В двигателе MACH II-SI было достигнуто дальнейшее повышение этих показателей.
Внезапные колебания нагрузки создают проблемы в процессе эксплуатации двигателей, связанные со срывом пламени и возникновением детонации. Негативные последствия данных проблем были устранены путем оптимизации состава топливовоздушной смеси, а также оперативным регулированием зажигания в основной камере сгорания и форкамере каждого цилиндра. При этом использовались технологии, разработанные специалистами компании специально для двигателя MACH II-SI.
В процессе доводочных испытаний в реальных условиях эксплуатации двигатель выходил на номинальную мощность в течение 5 минут. Оптимальное следование за нагрузкой позволяет оперативно реагировать на изменение нагрузки при эксплуатации двигателя в самых суровых условиях. В результате достигается высокий КПД энергоблоков в составе многоагрегатных электростанций. Это является существенным преимуществом по сравнению с газотурбинными электростанциями на базе единичных энергоблоков простого и комбинированного цикла.
Зависимость мощности и КПД десяти энергоблоков 18MACH II-SI в составе многоагрегатной электростанции мощностью 55 МВт, а также время их запуска и выходна номинальную нагрузку показаны на рис. 4. Как видно на графике, время выхода на номинальную мощность опытного двигателя составило 5 минут, а коммерческих двигателей – 7 минут.

Применение двигателей MACH II-SI
Опыт эксплуатации показывает, что энергоблоки MACH II-SI имеют высокую надежность и эффективность в эксплуатации и оптимальны для любых вариантов применения. Они могут использоваться в составе муниципальных электростанций малой и средней мощности, особенно в энергосистемах с большим количеством ветроэлектростанций. В этом случае энергоблоки создают необходимый баланс в сети при падении ветровой нагрузки. Газопоршневые энергоблоки обеспечивают оперативное следование за нагрузкой и, таким образом, работают в наиболее эффективном режиме.
Поскольку система контроля станции предусматривает управление отдельными энергоблоками, то каждый из них может запускаться отдельно в зависимости от ситуации. Таким образом, можно эксплуатировать необходимое количество энергоблоков на 100 %-й нагрузке, а при возникновении пиковой ситуации запускать остальные.
Другим вариантом эффективного применения энергоблоков является их установка на подстанциях и работа в горячем резерве. При возникновении пиковой ситуации в сети энергоблоки быстро выходят на номинальную мощность и обеспечивают надежную работу подстанции.
Примером эффективного применения энергоблоков MACH II-SI может служить многоагрегатная электростанция компании Elpida Memory Inc. – ведущего производителя электронных компонентов. Технологический процесс предприятия требует бесперебойного энергоснабжения, поэтому был выбран вариант электростанции на базе 13 энергоблоков MACH II-SI.
Станция введена в эксплуатацию в 2011 г. в г. Хиросима (Япония). За два года эксплуатации не было ни одной аварийной ситуации, которая привела бы к остановке производства. Кроме того, специалисты компании отмечают значительную экономию, поскольку на номинальной нагрузке работает только требуемое количество энергоблоков, а остальные запускаются лишь в случае необходимости.

Компания Mitsubishi Heavy Industries Ltd. разработала и представила на рынок надежный и эффективный двигатель MACH II-SI. Он имеет высокий КПД, оптимальные характеристики по запуску, выходу на номинальную мощность и следованию за нагрузкой. Это достигнуто применением передовых технологий, эффективной системы управления процессами горения. При разработках использовался опыт эксплуатации двигателей MACH-30G, а также результаты испытаний опытной модели нового двигателя.