Современные парогазовые установки (ПГУ) большой мощности являются наиболее совершенными устройствами преобразования химической энергии органического топлива в электричество. Топливная эффективность (КПД) мощных ПГУ последних поколений превышает 62%, однако в энергетике в основном эксплуатируются установки с КПД 58…60%. Высокая эффективность достигается увеличением агрегатной мощности генерирующего оборудования (более 300 МВт в одном газотурбинном двигателе (ГТД)).
Мощные ПГУ находят эффективное применение в крупных энергосистемах, в том числе в России, в составе объединенных энергетических систем, обеспечивающих возможность энергоснабжения потребителей по протяженным разветвленным электрическим сетям высокого, среднего и низкого напряжения с охватом больших территорий.
Вместе с тем централизованное энергоснабжение на базе электростанций большой мощности оказывается эффективным лишь в случае превышения некоего предельного значения удельного энергопотребления в расчете на единицу площади территории, где расположены потребители. При низких плотностях энергопотребления эффективность использования крупных энергоустановок снижается в связи со значительными потерями энергии в электрических сетях и на преобразующих напряжение устройствах. Кроме того, в условиях рассредоточения потребителей на значительных территориях непомерно возрастают капитальные затраты на обустройство электрических сетей. В условиях России такая ситуация характерна для многих развивающихся удаленных от централизованных систем энергоснабжения районов, где развитие малой распределенной генерации (МРГ) становится более экономически целесообразным, чем централизованной.
Сегодня МРГ базируется преимущественно на дизельных электрогенераторах единичной мощностью от 30 кВт до 3 МВт, потребляющих дизельное топливо и имеющих КПД на уровне 35–40%. Дизельные энергоустановки обеспечивают энергоснабжение потребителей в Арктике, на Дальнем Востоке и в других отдаленных районах страны.
Вместе с тем им присущи существенные недостатки:
частая периодичность технического обслуживания (ТО) – через каждые 250–350 часов эксплуатации (замена масла, фильтров и т.п.);
значительное повышение удельного расхода топлива при отклонении мощности более 20% от номинальной, что существенно снижает интегральный КПД энергоустановки;
монотопливность или возможность работы только на дизельном топливе.
В последнее время на основе использования современных научно-технических достижений в ряде ведущих стран мира ведутся разработки и находят все более широкое практическое применение в МРГ микрогазотурбинные энергоустановки (МГТУ), которые потенциально обладают характеристиками, обеспечивающими их высокую конкурентоспособность по отношению к дизель-генераторам, и отвечают требованиям использования в распределенных сетях генерации.
МГТУ мощностью от нескольких десятков кВт до нескольких сотен кВт, реализованные на простом термодинамическом цикле Брайтона, в отличие от используемых в ПГУ крупных ГТУ, из-за невозможности достижения высокой степени совершенства газодинамики проточных частей, термодинамической и кинематической схемы установки не могут обеспечить высокий КПД преобразования энергии.
Так, отечественные и зарубежные МГТУ с ГТД «простого» цикла имеют КПД не более 15%. Однако, как показывает анализ (см. Косой А. С., Попель О. С., Бесчастных В. Н., Зейгарник Ю. А., Синкевич М. В. Газотурбинные установки малой мощности в энергетике: пути повышения эффективности и масштабов внедрения // Теплоэнергетика. 2017. № 10. С. 25–32.), существует множество резервов увеличения эффективности МГТУ, связанных с совершенствованием термодинамических, механических, электромеханических и электронных процессов преобразований энергии.
Прежде всего оно может быть обеспечено путем использования регенеративного цикла Брайтона, в котором реализуется внутрицикловая рекуперация тепла.
На рис. 1 приведена тепловая схема термодинамического цикла МГТУ с рекуперацией тепла газов, выходящих за турбиной. Атмосферный воздух поступает на вход компрессора, сжимается в нем и подается на вход рекуператора, где нагревается теплом газов, выходящих из турбины. Подогретый воздух поступает в камеру сгорания, куда подается также топливо. В результате сгорания топлива температура рабочего тела за камерой сгорания повышается. Горячий газ из камеры сгорания поступает в сопловой аппарат турбины, разгоняется и направляется в рабочее колесо турбины. В рабочем колесе турбины газ совершает работу, необходимую для привода компрессора и электрогенератора.
У большинства МГТУ конструктивная схема одновальная. Компрессор –
одноступенчатый центробежный. В отличие от ГТУ большой мощности, охлаждение деталей проточной части, обеспечивающее возможность увеличения начальной температуры рабочего тела в двигателях малой мощности, технически нереализуемо. Рост начальной температуры обеспечивается целиком за счет применения жаропрочных материалов. Для современных широко распространенных материалов приемлемы температуры 1200 К перед турбиной и 900 К за турбиной.
В идеальном рекуперативном цикле при ограничениях на температуру рабочего тела (1200 К перед турбиной и 900 К за турбиной) и стандартной температуре атмосферного воздуха (288 К) предельный достижимый КПД составляет 68%. Имеющиеся ограничения эффективности агрегатов ГТД снижают это значение. Так, тепловая эффективность МГТУ С-30 фирмы Capstone мощностью 30 кВт при адиабатическом КПД компрессора 0,77, адиабатическом КПД турбины 0,87, суммарных потерях полного давления 12% и степени рекуперации 0,87 составляет 35%.
Необходимо отметить, что существенное снижение КПД МГТУ происходит также в процессе преобразования и передачи энергии (подшипники, электрогенератор, выпрямитель, инвертор, трансформатор). На таких преобразованиях, по экспертной оценке, МГТУ С-30 теряет еще около 8% КПД.
Таким образом, практически один из лучших зарубежных образов МГТУ С-30 имеет КПД 28%, что уступает эффективности установок аналогичной мощности с двигателями внутреннего сгорания (ДВС). Однако при возможном повышении экономичности таких машин уже на 5…8% преимущества газотурбинных агрегатов перед ДВС становятся неоспоримыми.
К этим преимуществам относятся:
отсутствие необходимости в постоянном техническом обслуживании. Это достигается путем использования высокооборотных (до 100 тыс. оборотов в минуту) газовых турбин на воздушных подшипниках, что позволяет избавиться от масляных систем;
возможность сохранения низкого удельного потребления топлива в широком диапазоне изменения мощности в результате использования современных интеллектуальных электротехнических систем преобразования электрической энергии;
возможность создания политопливных энергоустановок, работающих как на дизельном топливе, так и на природном газе, СПГ и других видах топлива;
относительно небольшие масса и габариты;
более надежный запуск в холодных условиях;
низкий шум и вибрации.
Учитывая эти обстоятельства, ПАО «НПО «Алмаз» совместно с Объединенным институтом высоких температур РАН в 2017 году приступили к реализации проекта создания ключевых технологий, обеспечивающих возможность отечественной промышленности осуществить выпуск высокоэффективных энергетических МГТУ. Совместное решение ОИВТ РАН и ПАО «НПО «Алмаз» опирается на постановления Правительства РФ по опережающему развитию Арктической зоны и других удаленных районов России, выполнение которых невозможно без создания в этих районах эффективной энергетической инфраструктуры, базирующейся на развитии малой распределенной энергетики, основой которой могут стать МГТУ нового поколения.
Разработка технологий осуществляется в следующих направлениях:
высокотемпературные газовые теплообменники;
высокоэффективные лопаточные машины;
высокооборотные турбогенераторы;
эффективные системы управления и преобразования электрической энергии (САУ и СПЭ);
высокотемпературные лепестковые газодинамические подшипники (ЛГДП).
В обеспечение проведения НИОКР по данным направлениям в ОИВТ РАН созданы специальные научно-технологические стенды. Так, для отработки компрессоров и турбин с целью повышения их эффективности разработан уникальный стенд физического газодинамического эксперимента (Стенд физического газодинамического эксперимента (ФГДЭ) // Интернет-ресурс: https://www.youtube.com/watch?v=xpCkgr1BJTQ).
Стенд предназначен для проведения испытаний макетов центробежных компрессорных ступеней и радиальных турбинных ступеней в модельных условиях. Организация испытаний при низких (криогенных) температуре и давлении обеспечивает возможность использования макетов из полимеров и металлов, полученных при помощи аддитивных технологий, что значительно сокращает время получения характеристик испытуемого объекта и снижает стоимость работ.
Для оснащения стенда разработан и изготовлен специальный контейнер датчиков давления, который позволяет проводить измерения давления в большом количестве точек в исследуемом объекте, с возможностью самодиагностики и калибровки датчиков в процессе проведения испытаний.
Для отработки ЛГДП изготовлены подшипниковый и роторный стенды (рис. 2). Подшипниковый стенд снабжен устройством нагрева подшипника в обеспечение отработки высокотемпературных антифрикционных покрытий.
Для исследований высокотемпературных теплообменников разработан стенд рекуператоров (рис. 3).
Стенд позволяет моделировать натурные условия по теплоносителям с помощью внешнего компрессора и электрического нагревателя и определять тепловые и газодинамические характеристики теплообменников.
Имеются также стенды для отработки высокооборотных турбогенераторов, САУ, системы преобразования энергии, МГТУ, топливной и других вспомогательных систем (рис. 4). Уникальность созданных стендов подтверждается полученными патентами.
В настоящее время создана и доведена до промышленного внедрения не имеющая аналогов технология изготовления пластинчатых теплообменников для МГТУ мощностью 30 кВт, которая обеспечивает высокие характеристики рекуператора. Инновационные технологические решения защищены десятками патентов.
В сотрудничестве с отечественной компанией ООО «Моделирование и инжиниринг» (г. Брянск), создателем антифрикционных покрытий, разработана технология нанесения прецизионных высокотемпературных покрытий на гибких пластинах лепестковых газодинамических подшипников. Успешно отработано использование покрытия с работоспособностью до 600 °С, ведутся работы по повышению данной температуры.
Проводимые в ОИВТ РАН испытания на подшипниковом стенде в режиме «пуск-останов» показывают перспективность данных разработок. Помимо теплостойкости, к особенностям и достоинствам новых покрытий необходимо отнести также их коррозионную стойкость, низкий коэффициент трения, высокую износостойкость при пусках, остановах и кратковременных высокоскоростных контактах, технологичность при нанесении композиции и экологическую безопасность.
Прогнозируемые сроки службы лепестковых газодинамических подшипников с новыми покрытиями исчисляются сотнями тысяч часов.
Наиболее важное требование к энергетическим установкам, эксплуатируемым в труднодоступных регионах, – обеспечение длительной работы в автономном режиме без обслуживающего персонала. Новое поколение МГТУ будет способно работать автономно на объекте без постоянного присутствия персонала, и нуждаться в обслуживании не чаще одного раза в год.
К числу ключевых технологий, необходимых для решения этих задач, следует отнести:
векторные системы преобразования энергии, обеспечивающие все режимы работы МГТУ;
высокооборотные электрические машины с роторами на постоянных магнитах.
Учитывая перспективность развития малой энергетики и необходимость обеспечения импортозамещения генерирующего оборудования отечественной промышленностью, АО «Концерн ВКО «Алмаз-Антей» поддержал инновационный проект ПАО «НПО Алмаз» – ОИВТ РАН по созданию высокоэффективной МГТУ мощностью 30 кВт, с расширением номенклатуры мощностного ряда до 200 кВт.
В 2021 году АО «Концерн ВКО «Алмаз-Антей» выступил инициатором разработки комплексного научно-технического проекта полного инновационного цикла «Разработка критических технологий высокоэффективных политопливных микрогазотурбинных энергоустановок мощностного ряда 8–200 кВт с освоением серийного производства базовой установки мощностью 30 кВт для решения актуальных задач энергоснабжения потребителей в отдельных регионах страны».
В ноябре 2021 года заявленный комплексный проект получил одобрение Совета по приоритетному направлению Стратегии научно-технологического развития Российской Федерации как обеспечивающий реализацию п. 20б Стратегии «Переход к экологически чистой и ресурсосберегающей энергетике, повышение эффективности добычи и глубокой переработки углеводородного сырья, формирование новых источников, способов транспортировки и хранения энергии».
В результате выполнения комплексного проекта будет создан комплекс критических узлов для высокоэффективных энергетических МГТУ с освоением серийного выпуска отечественных конкурентоспособных МГТУ мощностью 30 кВт и выполнено строительство опытно-промышленной полигон-электростанции мощностью 60 кВт. Будет разработана новая методология проектирования перспективного энергетического оборудования, предусматривающая активное использование отечественных инновационных технологий, в частности суперкомпьютерное оптимизационное моделирование, сквозную газодинамическую доводку, аддитивные технологии, системы автоматизированного проектирования, а также сформирована база данных наилучших конструкторских, технологических и цифровых решений для создания эффективного, надежного энергетического оборудования и систем автономного энергоснабжения нового поколения, разработаны программы управления кластерами МГТУ в составе электростанции. Будут выполнены аванпроекты МГТУ мощностью 8, 100 и 200 кВт c КПД 0,30–0,42, что находится на уровне лучших поршневых машин.
Повышение общей топливной эффективности может быть обеспечено не только повышением КПД самих МГТУ, но и использованием современных технологий интегрирования топливных энергоустановок с установками на возобновляемых источниках энергии и накопителями энергии с применением интеллектуальных систем автоматического управления.
Планируемые сроки выполнения проекта – 2022–2026 годы.