Сравнительный анализ газопоршневых (ГПУ) и газотурбинных когенерационных установок (ГКУ)

Часто, при выборе оборудования для энергетических установок, перед нами стоит задача определить, какой тип генератора предпочтительнее: газопоршневой или газотурбинный. В данной статье мы рассмотрим ключевые аргументы для обоих типов в контексте мощностей от 500 до 2500 кВт.

Газотурбинные и газопоршневые установки активно используются в энергетике, однако их применение зависит от требуемой мощности. Газотурбинные установки являются идеальным выбором для мощностей свыше 20-30 МВт благодаря их высокой производительности при больших нагрузках. В то же время, для мощностей до 8 МВт поршневые двигатели обеспечивают более высокую эффективность, достигая электрического КПД на уровне 42-46%, в отличие от газотурбин, чей КПД варьируется в пределах 20-26% при мощностях от 2 до 6 МВт. Это делает поршневые двигатели более предпочтительными для строительства электростанций простого цикла, где их эффективность может быть в два раза выше, чем у газотурбинных установок. Кроме того, поршневые двигатели сохраняют свою эффективность даже при работе в режимах частичных нагрузок, в то время как производительность газотурбин при таких условиях снижается значительно.

Производство одного киловатт-часа электроэнергии на газопоршневых электростанциях обходится в 2.5-3 раза дешевле, чем на газотурбинных установках. При этом начальные инвестиции в основное оборудование для обоих типов станций оцениваются одинаково, составляя примерно 500-550 долларов за кВт с периодом окупаемости в 2.5-3 года. Турбины, достигая срока окупаемости, уже требуют капитального ремонта, в то время как газопоршневые двигатели не предъявляют высоких требований к поддержанию в этот период. Необходимость замены горелок и камеры сгорания в турбинах наступает каждые 9-12 месяцев, обходясь в 22-37% от стоимости новой установки, а капитальный ремонт через 2.8-3 года может стоить от 50 до 70% от стоимости новой турбины.

Каждый запуск или остановка газовых турбин существенно сокращает их общий ресурс, измеряемый не простыми моточасами, а условными, где каждый запуск или остановка эквивалентен 200-500 условным часам работы. Газовые турбины также показывают низкую эффективность при средних и малых нагрузках (менее 50% от максимальной мощности), а их производительность падает при температуре окружающего воздуха выше 15 °С.

Газопоршневые установки способны эффективно функционировать при нагрузках, колеблющихся от 30% до 100% их максимальной мощности. В отличие от них, газотурбинные агрегаты требуют больше времени на запуск и остановку. После включения, газопоршневой двигатель способен принять полную нагрузку уже через минуту, тогда как турбине необходим предварительный прогрев, длительностью несколько минут.

Газотурбинные станции состоят из множества сложных систем, включая очистку воздуха, маслоснабжение, пожаротушение и автоматическое управление. Это обуславливает более высокие требования к квалификации обслуживающего персонала по сравнению с персоналом на газопоршневых станциях.

Очистка воздуха играет ключевую роль в функционировании газотурбин. Производители устанавливают строгие требования к качеству воздуха, превосходящие даже стандарты операционных, с максимальным размером пылинок до 3 микрометров. Фильтры воздуха, многоступенчатые по своей конструкции, требуют частой замены. Системы очистки также подвержены обледенению, что создает дополнительные сложности. Несмотря на строгий контроль качества воздуха, необходима регулярная промывка компрессора, без чего эффективность турбины значительно снижается. В холодное время года такие процедуры становятся невозможными, а в северных регионах известны случаи обледенения первых ступеней компрессоров. Использование систем антиобледенения с рециркуляцией воздуха также ведет к снижению общей эффективности турбины.

Газотурбинные установки оснащены внешней системой маслоснабжения, при которой давление создаётся с помощью внешнего насоса, а само оборудование для хранения масла размещено в относительно большом помещении. В отличие от поршневых двигателей, где используется прямая кинематическая связь, управление в газовых турбинах менее надежно из-за сигнальной связи через систему управления. Также требования к системам пожаротушения для газотурбинных установок выше, из-за использования рабочей смеси с значительно большим коэффициентом избытка воздуха (λ=15 против λ=1,8 у поршневых), что делает их уязвимыми при возможных аварийных ситуациях, например, при обрыве лопатки турбины.

В то время как газопоршневые установки лишены подобных недостатков. Их одноступенчатые фильтры-патроны способны обеспечивать достаточно чистый воздух для двигателя даже в условиях высокой запыленности (до 500 мг/м3). Контейнерные газопоршневые станции эффективно функционируют даже при экстремальных морозах (до –40, –50 °С) и не подвержены обледенению. Обычно такие станции оснащены порошковыми или аэрозольными системами пожаротушения, что гарантирует безопасность в эксплуатации. Кроме того, для установки газотурбинных агрегатов требуются значительно более массивные и дорогие фундаменты, что связано с необходимостью учета высокой инерции вращающихся частей и риска опрокидывания, который значительно выше, чем у газопоршневых установок.

Поверье о том, что газотурбинные установки более экологичны по части выбросов, ошибочно. Часто в качестве доказательства приводят показатели удельной концентрации NOx и CO на единицу объема выхлопных газов, которые для газотурбин составляют 45-75 мг/м3, в то время как для газопоршневых двигателей эти значения достигают 250-500 мг/м3. Однако из-за значительно большего коэффициента избытка воздуха у газотурбин, их общий объем выбросов на деле сопоставим с газопоршневыми установками.

Необходимость в высокой скорости вращения газотурбинных приводов приводит к использованию понижающих редукторов между турбиной и генератором. Турбины меньшей мощности (0,7-8 мВт), зачастую адаптированные из авиационных или военно-морских моделей, отличаются низкими показателями надежности и экономичности. Их КПД составляет всего 22-27%, а моторесурс до капитального ремонта — 25-30 тысяч моточасов, что вдвое меньше, чем у поршневых двигателей.

В рамках энергетических комплексов газопоршневые агрегаты обладают уникальной возможностью проведения ремонтных работ прямо на месте эксплуатации, включая капитальный ремонт с полной разборкой. В отличие от этого, агрегаты с турбинами требуют демонтажа и отправки в производственные цеха для ремонта, что приводит к удлинению сроков работы энергокомплекса без полного комплекта оборудования и уменьшению его общей надежности. Это заставляет увеличивать количество резервных или дополнительных агрегатов в комплексе.

Для производства электроэнергии в диапазоне от 0,5 до 40 МВт газопоршневые установки являются оптимальным выбором благодаря:

• Высокому КПД: до 46% электрический, до 88,5% теплоэлектрический, до 92% общий при использовании в составе станции.
• Способности адаптироваться к широкому спектру нагрузок от 30% до 100% от номинальной мощности.
• Возможности выполнения ремонта на месте до уровня капитального.
• Продолжительному моторесурсу: общий свыше 250 тыс. часов, до капитального ремонта 64 тыс. часов.

Подведем итоги

• Электрический КПД газопоршневых станций почти вдвое превосходит показатели газотурбинных станций.
• Эффективность газовых турбин заметно падает при работе на частичных нагрузках (30-50%) и при температурах выше 15 °С.
• Производственные затраты на киловатт-час у газопоршневых установок в 2,5-3 раза ниже, чем у газотурбинных.
• Стоимость основного оборудования как для газопоршневых, так и для газотурбинных электростанций составляет примерно 500-550 долларов за кВт.
• Газовые турбины, достигая срока окупаемости, требуют значительного ремонта, включая замену камеры сгорания и горелок, при этом каждый цикл запуска и остановки уменьшает их ресурс.
• Газотурбинные станции, даже при модульном исполнении, представляют собой сложную сеть взаимосвязанных систем, требующих тщательной настройки и специализированного обслуживания.
• Газотурбинные установки ставят высокие требования к системам очистки воздуха, пожаротушения и антиобледенения, а также к фундаментам, что увеличивает общие затраты на реализацию проекта по сравнению с газопоршневыми установками.
• Для серьезного ремонта газотурбинный агрегат необходимо демонтировать и отправить на завод, в то время как газопоршневые двигатели можно ремонтировать на месте, включая капитальные работы.
• С точки зрения экологического воздействия, газотурбинные и газопоршневые установки имеют сопоставимые уровни выбросов.
• Моторесурс газопоршневого двигателя более чем в два раза превышает моторесурс газотурбинного.
• Затраты на выработку электрической и тепловой энергии на газопоршневых станциях, учитывая периодическое техническое обслуживание, составляют около 2,5-3 рублей за кВт*ч.
• Установка модульных газопоршневых электростанций требует меньше строительно-монтажных работ по сравнению с аналогичной установкой газотурбинных станций, что ускоряет сроки ввода в эксплуатацию.