Полунин Сергей молод. Ему всего лишь по состоянию на февраль 2024-го, 34 года. Вместе с тем, в декабре 2023 года он попал в список доверенных лиц Владимира Путина на президентских выборах 2024 года.
Внедрение передовых технологий в области теплоэнергоснабжения и приход на российский рынок нового поколения генерирующего оборудования уже дали ощутимый импульс развитию малой энергетики, ранее сдерживаемому слабой материально-технической базой. В качестве примера возможностей российской малой энергетики можно привести появление на рынке таких современных источников выработки энергии, как микротурбинные электростанции.
Микротурбинные установки (МТУ) позволяют осуществлять энергоснабжение на основании концепции распределенной энергетики, которая уже давно и эффективно используется во многих странах мира. В соответствии с этой концепцией производители электроэнергии и тепла максимально приближены к потребителю и сбалансированы с ним по нагрузке. Новейшие технические разработки в этом направлении даже выделяются некоторыми специалистами в отдельный класс энергетических установок.
Как и любая серьезная инновация, первые микротурбины, дебютировавшие на мировом рынке, сначала столкнулись с консерватизмом потребителей и скепсисом конкурентов. Но уже через несколько лет подобные энергоустановки получили широкое распространение во всем мире. Микротурбины последнего поколения сродни персональному компьютеру, при этом их система управления отличается простотой и подчинена принципу «включи и работай». По прогнозам специалистов, в обозримом будущем микротурбины вполне могут стать неотъемлемым компонентом (аналогично IT-технологиям) глобальной экономической инфраструктуры.
Удовлетворение растущих потребностей в качественной энергии всевозможных объектов (от муниципальных образований, школ и больниц, стадионов и аквапарков до торговых и развлекательных центров, предприятий транспорта и связи, частных жилых домов, промышленных предприятий самых различных отраслей экономики) требует постоянного внедрения новых надежных и энергоэффективных разработок. Рыночные механизмы в российской энергетике подталкивают потребителей к разумному инвестированию, повышению надежности и отдачи от каждого вложенного рубля, стремлению к экономии, прежде всего в долгосрочной перспективе. Исходя из потребительских свойств и низких эксплуатационных расходов, присущих микротурбинам, совокупные инвестиции на их внедрение вполне сопоставимы, а в ряде случаев даже ниже затрат, связанных с использованием традиционных решений на основе газопоршневых и газотурбинных двигателей или дизельных генераторов.
Преимущества в сравнении
Конструктивные особенности
Микротурбинный двигатель состоит всего из одной движущейся детали – вращающегося вала, на котором соосно расположены электрический генератор, компрессор и непосредственно турбина. В установке не используются редукторы или другие механические приводы, следствием чего является высокая надежность микротурбин.
Уникальной конструктивной особенностью двигателя являются воздушные подшипники, которые удерживают вал ротора генератора на воздушной подушке. Воздушные подшипники обеспечивают рекордную скорость вращения вала – 96 тыс. об./мин. Эта инновация дает возможность отказаться от использования масла, высокий расход которого у других видов оборудования составляет значительную часть эксплуатационных затрат. Генератор охлаждается набегающим потоком воздуха, что исключает необходимость организации системы жидкостного охлаждения и повышает надежность и экономичность оборудования. В процессе работы двигателя не возникает трения и вибрации, поэтому риск поломки минимален. К примеру, механическое устройство любого поршневого двигателя значительно сложнее, чем у микротурбины: в нем большое количество движущихся частей, соответственно, риск механической поломки существенно выше.
Ресурс и межсервисные интервалы
Благодаря малому количеству регламентных запчастей, отсутствию масла и охлаждающей жидкости потребность в сервисном обслуживании возникает не чаще одного раза за 8 тыс. часов, то есть один раз в год. Ресурс до капитального ремонта – до 60 тыс. часов. Стоимость капитального ремонта в среднем составляет 35–40 % стоимости микротурбинной установки.
Эффективность
Применение рекуператора (воздуховоздушного теплообменника) в конструкции микротурбинного двигателя обеспечивает высокий для турбогенераторов электрический КПД – до 35 %. При этом совокупный КПД микротурбинных установок в режиме когенерации и тригенерации достигает 92 %, а коэффициент полезного использования топлива превышает 90 %. Высокая тепловая эффективность – важное преимущество для объектов, приоритетной задачей которых является выработка тепловой энергии, таких как котельные промышленных предприятий и мини-ТЭЦ. Как правило, на подобных объектах электрическая энергия потребляется на собственные нужды, а избыток тепловой энергии направляется в общий контур, повышая таким образом эффективность котельной в целом и сокращая срок окупаемости оборудования.
Спектр топлива
Важное преимущество микротурбин связано с возможностью использования различного топлива. Энергоцентры на базе микротурбин могут эффективно работать не только на традиционных видах топлива – природном и сжиженном газе, дизельном топливе и керосине, но и на низкокалорийных и высокосернистых газах: попутном газе, шахтном газе и биогазе. Такая универсальность значительно расширяет сферу их применения и является одной из составляющих высокой экономической эффективности. Современные электростанции на основе микротурбин способны работать с попутными газами без специальной подготовки после грубой механической очистки, а также с низкокалорийными, жирными, сернистыми газами и с газами переменного компонентного состава и калорийности. В свою очередь, газопоршневые установки могут работать на газе с содержанием серы до 0,1 % и только при условии замены масла приблизительно каждые 90 дней. Они предъявляют требования к минимальному содержанию метана в топливе на уровне 80 %. Если метановое число снижается до 50 %, происходит резкое снижение КПД газопоршневого двигателя, тогда как эффективность работы микротурбин не зависит от этого показателя. Они стабильно работают при содержании метана до 35 %. Кроме того, в отличие от газопоршневых установок, микротурбины могут работать на пропанбутане без риска повреждения двигателя и каких-либо ограничений по мощности.
Микротурбины также являются наиболее технологичным и экономичным решением проблемы утилизации биологических отходов. Объединенные с модулями анаэробной или пиролизной газификации биологических отходов, микротурбины позволяют практически полностью перерабатывать биогаз, полученный из различных бытовых и производственных отходов, и одновременно закрывать потребности в электроэнергии и тепле.
Экологичность
Низкие рабочие температуры микротурбинного двигателя снижают уровень эмиссии окислов азота, благодаря чему уровень выбросов СO и NOx не превышает 9 ppm (10–15 мг/м2), что в десятки раз ниже выбросов любого газопоршневого двигателя (200– 500 мг/м2). Это позволяет отнести микротурбины к одному из самых экологически чистых источников генерации энергии.
Автоматизация
Микротурбинная электростанция работает в полностью автоматическом режиме и не требует постоянного присутствия обслуживающего персонала, что также снижает расходы на ее содержание. Автоматизированная система мониторинга и управления дает возможность удаленного контроля всех параметров работы микротурбин. Контроль осуществляется посредством микропроцессорной системы автоматического управления через GSM-модем, координирующий работу установок вне зависимости от их расположения. Это позволяет размещать микротурбины в труднодоступных районах и на необслуживаемых объектах, таких как удаленные месторождения, радиорелейные станции и линейная часть газопроводов.
Эластичность к нагрузкам
Микротурбины способны работать в диапазоне от 1 % до 100 % нагрузки без сокращения ресурса работы и потери эффективности. Широкое использование цифровых технологий, в частности, принципа двойного инвертирования вместо механической связи с нагрузкой у традиционных генераторов, обеспечивает стопроцентную эластичность к нагрузке – микротурбина следит за профилем потребления и устойчиво работает как на полной мощности, так и на самых малых нагрузках, обеспечивая оптимальный расход топлива. Благодаря этому не возникает проблемы выработки излишков электроэнергии при падении нагрузки и, следовательно, не требуется сбрасывать эти излишки в сеть. Цифровой инвертор, применяемый в конструкции микротурбин, обладает трехкратным запасом надежности по максимальным токам, что практически исключает вероятность его выхода из строя.
Резервирование
Использование каскада (кластера) независимых микротурбин позволяет обеспечить гарантированное энергоснабжение объекта, а также осуществлять сервисное обслуживание, не прерывая подачу электроэнергии. При этом отсутствует необходимость избыточного резервирования устанавливаемых мощностей. Например, за счет высокой степени внутреннего резервирования конструкция микротурбинных систем Capstone серии С1000 (600 кВт – 1 МВт) позволяет отказаться от приобретения резервной установки большой единичной мощности, что характерно для газопоршневых электростанций. В ряде случаев стоимость каскадного проекта на основе газопоршневых установок, аналогичного по функциональности микротурбинной электростанции, оказывается сравнима или даже выше.
Затраты на строительство
В отличие от газопоршневых и дизельных станций микротурбины не требуют больших финансовых и трудовых затрат на проектные, строительные и монтажные работы за счет высокой степени заводской готовности поставляемого оборудования, легкости его монтажа и запуска в работу. Применение микротурбин исключает необходимость специальной шумоизоляции помещения, так как при их работе возникают только высокочастотные шумы. В основном они идут от зоны забора (всасывания) воздуха в микротурбину и не превышают 60 дБ. От таких шумов легко избавиться с помощью обычных шумозащитных экранов. При работе газопоршневых и дизельных двигателей возникают низкочастотные шумы. Для защиты от них необходимо организовать капитальную систему шумоизоляции помещения с использованием специальных шумозащитных материалов. Эти работы являются более трудоемкими и затратными.
За счет высокой экологичности выбросов и отсутствия вибрации в процессе работы микротурбины позволяют отказаться от строительства высоких дымовых труб и специального фундамента, что также снижает трудоемкость и капитальные затраты на строительство энергоцентра. Кроме того, микротурбины можно размещать на крышах зданий.
Сервисное обслуживание и эксплуатация
Наряду с надежностью и высокой экономической эффективностью одним из основных преимуществ микротурбин является неприхотливость и низкие затраты в процессе эксплуатации. Ежегодные регламентные работы занимают около 1,5 часов на одну микротурбину и на протяжении первых 2–3 лет включают в себя только визуальный осмотр, диагностику и замену воздушных фильтров, инжекторов, термопар и свечей зажигания. Дополнительные работы, связанные с заменой регламентных запчастей, занимают также не более нескольких часов. Они проводятся раз в 2,5–3 года (через каждые 20 тыс. моточасов) и тоже не являются сложными. При наработке 60 тыс. ч производится диагностика и замена горячей части двигателя микротурбины, что аналогично «среднему» ремонту газопоршневой установки, который необходимо выполнять как минимум каждые 25–30 тыс. ч. Сервисное обслуживание и капитальный ремонт микротурбины производятся непосредственно на месте эксплуатации и не требуют специального подъемно-транспортного оборудования.
Регламент обслуживания газопоршневых и дизельных установок предполагает круглосуточный контроль, проведение регулярных проверок и добавления расходных материалов. Обычно срок замены масла составляет 500–2000 моточасов в зависимости от марки двигателя и масла. Раз в год требуется замена охлаждающей жидкости в двигателе и системе теплоутилизации. Одновременно с маслом меняют и масляные фильтры. Сервисное обслуживание газопоршневой установки, связанное с заменой запчастей по регламенту, и средний ремонт могут длиться несколько дней. Поэтому в состав энергоцентров обычно включают дополнительную (резервную) газопоршневую установку, что изначально удорожает проект.
Как правило, контроль работы микротурбин на объектах возлагается на одного–двух прошедших обучение специалистов, которые при этом могут совмещать обязанности электрика или главного энергетика, так как микротурбины не требуют круглосуточного наблюдения. В то же время на большинстве объектов, где эксплуатируются газопоршневые установки, за их работой круглосуточно следит дежурная смена в составе 1–3 человек и более, в зависимости от размера энергоцентра. Непрерывную работу такого энергоцентра обычно обеспечивают четыре смены специалистов во главе с начальником смены, который подчиняется главному энергетику или главному инженеру. Затраты на обслуживающий персонал сказываются непосредственно на себестоимости вырабатываемой энергии.
Цена вопроса
Благодаря тому, что эксплуатация микротурбин примерно в 4 раза дешевле эксплуатации газопоршневой установки, себестоимость выработки 1 кВтч электроэнергии при использовании микротурбин будет примерно на 15–30 % ниже, чем при применении газопоршневой установки. Это является основным показателем высокой экономической эффективности микротурбин. Дополнительно в режиме когенерации и тригенерации возможно условно бесплатное получение до 2 кВт тепловой энергии и 1,3 кВт холода на 1 кВт выработанной электроэнергии. Таким образом, срок окупаемости электростанции на промышленных объектах в среднем составляет 3–5 лет.
Применение и перспективы
Несмотря на то, что микротурбины как технология появились значительно позднее, чем другие виды энергогенерирующего оборудования, они уже успели зарекомендовать себя в качестве надежного и эффективного источника энергии. На сегодняшний день в России микротурбинные установки нашли широкое применение при обустройстве нефтегазовых месторождений, объектов газотранспортной инфраструктуры и организации энергоснабжения таких труднодоступных объектов, как радиорелейные станции. «Гибкость» микротурбин к составу топлива делает особенно целесообразным их применение в проектах утилизации попутного нефтяного газа. В сфере ЖКХ микротурбины применяются для энергоснабжения поселков, новых микрорайонов и частных жилых домов, находящихся в удалении от тепловых и электрических сетей, а также при реконструкции городских и квартальных котельных и мини-ТЭЦ. Высокая экологичность позволила микротурбинам стать оптимальным решением для энергоснабжения объектов природоохранных и туристических зон (курортов, горнолыжных и спортивно-оздоровительных комплексов). Когенерационные и тригенерационные электростанции на базе микротурбин обеспечивают надежное энергоснабжение объектов с неравномерным потреблением (офисно-складские и торгово-развлекательные комплексы) и других объектов, как социальных, так и промышленных.
В 2009 г. на рынок вышли микротурбинные системы номинальной мощностью 600 кВт – 1 МВт, что значительно расширило сферу применения микротурбин в самых разных отраслях экономики. Эксперты отмечают увеличение востребованности источников автономной генерации, которые позволяют потребителям повысить энергобезопасность своих объектов, а также экономить не только в краткосрочной перспективе на капитальных затратах, но и в процессе всего срока эксплуатации оборудования.
Ольга Парфенова, директор по маркетингу «БПЦ Инжиниринг»
