При реализации ИТ-проектов, связанных с внедрением информационных систем, приходится решать множество попутных задач, которые, несмотря на кажущуюся отстраненность от основной проблематики, зачастую не менее важны, а иногда имеют решающее значение. Одна из них — создание источника питания, который позволяет гарантировать стабильность и работоспособность предприятия вне зависимости от внешних условий. Ведь если нет электричества, любые самые современные ИТ-системы становятся бесполезными, а самые дорогие и скоростные серверы превращаются не более чем в груду железа.

Дабы избежать такого развития событий многие компании все чаще обращаются к созданию собственных локальных источников электроэнергии. И один из наиболее прогрессивных вариантов решения задачи энергоавтономности — организация мини-ТЭЦ, работающих на основе газового топлива.

Среди причин, обеспечивающих популярность газовых мини-ТЭЦ, можно назвать грядущую либерализацию рынка электроэнергии, сопровождающуюся повышением тарифов, высокие, часто совершенно необоснованные, затраты на подключение предприятия к электросети, а также изношенность основных фондов российской энергетики. Кроме того, нередко потребности отдельного предприятия весьма ограничены. Если проанализировать рынок, то мы увидим, что от 25 до 35% потребителей электроэнергии не нуждаются в сетях большой мощности.

Несмотря на свои подчеркнуто малые размеры, устоявшегося определения у малой энергетики, к сожалению, нет до сих пор. Как правило, к ней относят станции мощностью до 50 МВт при мощности каждого агрегата не более 25 МВт. На сегодняшний день существует два основных вида генерирующего газоиспользующего оборудования: газопоршневые установки (ГПУ) и газотурбинные установки (ГТУ).

Газовые поршни

Все больше российских компаний, особенно имеющих замкнутый цикл работы, сталкиваясь с необходимостью развития направления автономного энергоснабжения, при выборе возможного решения обращают внимание на газопоршневые энергетические установки (ГПУ). Среди основных достоинств таких установок: низкая себестоимость вырабатываемой энергии, небольшие сроки окупаемости инвестиций, независимость от внешних электрических и тепловых сетей, надежность систем, низкие эксплуатационные расходы, высокий КПД, высокое качество электроэнергии, пониженное по сравнению с дизельными генераторами содержание вредных веществ в выхлопе.

Газопоршневая установка Waukesha серии ATGL

Газопоршневые установки можно одинаково эффективно использовать как в качестве основного, так и в виде резервного источника электроэнергии, однако при этом стоимость такой системы резервного электроснабжения получается значительно выше, чем на основе дизель-генераторных установок.

По сути, газопоршневые двигатели — это обычные двигатели внутреннего сгорания. А, как известно, двигатель внутреннего сгорания — это тепловая машина, в которой энергия, получаемая от сгорания углеводородного топлива, преобразуется в механическую работу. Помимо выработки электричества, энергия от газопоршневых агрегатов (точнее - выхлопных газов и антифриза, охлаждающего двигатель) используется для выработки тепла.

На сегодняшний день производится два типа газопоршневых двигателей: с электрическим зажиганием (газовые двигатели) и с воспламенением газовоздушной смеси впрыском запального топлива (газодизели). Наибольшее применение в малой энергетике получил первый тип, чему в немалой степени способствовало широкое распространение газа как боле дешевого и экологически чистого вида топлива.

На данный момент существуют ГПУ самых разных мощностей — от 100 кВт до нескольких десятков МВт. Как правило, ресурс таких установок составляет немногим более 200 тыс. часов, а ресурс до капитального ремонта колеблется в пределах 55-60 тыс. часов.

Помимо довольно значительного ресурса, ГПУ мало чувствительны к температуре окружающей среды, что делает возможным использование их в разных климатических зонах. Дополнительным плюсом ГПУ является возможность подачи в него топливного газа под относительно низким давлением — от 0,01 до 0,04 МПа, — что снимает необходимость использования дожимного компрессора. И даже если мощность ГПУ снижается вдвое, КПД установки уменьшается весьма незначительно, при этом количество запусков двигателя неограниченно.

Кроме того, одно из неоспоримых преимуществ сооружения мини-ТЭЦ на основе газопоршневых установок — небольшой объем инвестиций, необходимых для реализации проекта. Сейчас этот показатель равен примерно 800-1000 долл. на один кВт мощности. Причем средний срок окупаемости затрат составляет около пяти лет.

У газопоршневых агрегатов меньше, чем у многих других, удельный расход топлива на выработанный кВт/ч, причем, при любом режиме нагрузки. Во многом это объясняется тем, что электрический КПД поршневых машин составляет около 40%, а, например, газовых турбин — около 30%. По сравнению с электростанциями на газовых турбинах, мини-ТЭЦ с поршневыми машинами требуют и заметно меньших расходов на капитальный ремонт.

Ключевым моментом для ГПУ является состав топлива. Для каждой модели газопоршневой установки могут предъявляться свои требования, как по качеству, так и по составу топлива. Определяющими критериями являются: метановое число газа, серосодержание, степень детонации, минимальная и максимальная теплота сгорания.

Сейчас многие изготовители адаптируют свои ГПУ под соответствующее топливо, что, как правило, не занимает много времени и не требует больших денежных затрат. Помимо природного газа, газопоршневые установки могут потреблять бутан, пропан, газы химической промышленности, попутный нефтяной газ, коксовый газ, биогаз, газ сточных вод, древесный газ, газ, получаемый из промышленных отходов, и т.п., что крайне важно для поддержания экологической безопасности.

Современные газоиспользующие мини-ТЭЦ бывают когенеративные (вырабатывают электричество и тепло) и тригенеративные (вырабатывают электричество, тепло и холод). В состав когенеративных мини-ТЭЦ на базе газопоршневых установок, как правило, входят: газопоршневые двигатели внутреннего сгорания; генераторы постоянного или переменного тока; радиаторы; система охлаждения двигателя; котлы-утилизаторы; система автоматического пожаротушения и сигнализации; система вентиляции; система маслодолива; система управления. Тригенеративная газопоршневые мини-ТЭЦ дополняется еще абсорбционными или компрессорными кондиционерами для выработки холода. При недостатке мощностей в моменты наибольших нагрузок или при возникновении потребности в выработке повышенного объема пара мини-ТЭЦ можно дополнить пиково-резервными котлами.

ГПУ Jenbacher в контейнерном исполнении

Обычно газопоршневые установки монтируются в модульном быстровозводимом здании либо поставляются в контейнерах. У каждого подхода есть свои слабые и сильные стороны, однако многие предприятия отдают предпочтение контейнерным ГПУ. Дело в том, что в большинстве случаев ГПУ такого типа размещают в непосредственной близости от места потребления, их оснащают транзитными электросетями малой протяженности, контейнерная вариация менее подвержена различным внешним воздействиям. Все это вкупе повышает надежность энергоснабжения.

Газовые турбины

Толчком к развитию газовых турбин послужили существенные перемены, которые произошли в электроэнергетике в 1990-е годы. Именно в прошлом десятилетии природный газ стал основным источником электроэнергии, что повлекло за собой ускоренное совершенствование газовых энергетических технологий, в первую очередь, основанных на применении газотурбинных установок (ГТУ), которые в настоящее время занимают довольно весомый сегмент рынка, причем, как в малой, так и в большой энергетике.

Газотурбинная установка Turbomach серии TBM

Газотурбинная установка представляет собой силовой агрегат, состоящий из газовой турбины и механизмов, обеспечивающих его работу. Мощность ГТУ может колебаться от 1 до 300 МВт. Использовать газовую турбину малой мощности (до 5 МВт), как правило, не имеет смысла, поскольку показателей максимальной эффективности ГТУ достигает как раз при мощности от 5 МВт. В то же время ставить турбины в 250-300 МВт в рамках отдельно взятого предприятия также нецелесообразно — просто не найдется потребителей на такую мощность. Хотя, разумеется, в каждом конкретном случае варианты выбора силовой установки рассчитываются отдельно.

Газовая турбина позволяет значительно снизить стоимость электроэнергии (до 0,25 руб. за один кВт/час), что непосредственным образом влияет на сроки окупаемости вложений в строительство газотурбинной мини-ТЭЦ — как правило, полностью ГТУ "оправдывает" себя за три-четыре года.

Принцип же работы газовой турбины довольно прост. С помощью компрессора в камеру сгорания нагнетается газ, где он, смешиваясь с воздухом, образует топливную смесь, которая, в свою очередь, воспламеняется и доводится до температуры более 1000 градусов. Продукты горения устремляются сквозь ряды лопаток по валу турбины. Возникает крутящий момент, и турбина приходит в движение. После этого механическая энергия передается на генератор, который производит электричество, а тепловая - утилизируется выводом наружу отработанных газов, температура которых достигает более 500 градусов. Турбина может оснащаться специальным котлом-утилизатором. В этом случае ее КПД поднимается на 15-20%, и это притом, что стоимость вложений на единицу мощности будет меньше, чем у газопоршневых установок.

Если сравнивать количественное соотношение выработанной тепловой энергии к электрической, то у ГТУ оно может колебаться в пределах от 1,5 к 1 до 2,5 к 1. При этом электрический КПД газовой турбины составляет порядка 30%, в случае же когенерации этот показатель возрастет до 90%. Газовая турбина обладает высокими показателями экологичности — продукты горения природного газа не токсичны, легко рассеиваются и не загрязняют окружающую среду. Кроме того, газовая турбина не нуждается в водяном охлаждении.

Что касается эксплуатационного обслуживания ГТУ, то в условиях ограниченных вложений это может быть очень непростой задачей. Ведь для того, чтобы установка работала как можно дольше, необходимо наличие грамотного и высококвалифицированного персонала, так как даже самые незначительные, на первый взгляд, ошибки могут привести к серьезным поломкам оборудования. Поэтому здесь подход должен быть очень выверенным, тем более, когда речь идет об использовании турбин в качестве источника автономного энергоснабжения.

Неприятной особенностью некоторых газовых турбин, главным образом, отечественного производства, является и тот факт, что очень часто среди условий предоставления гарантии на ГТУ есть требование, согласно которому техническое обслуживание установки может осуществляться только заводом-изготовителем. А поскольку стоимость техобслуживания от производителя обычно выше аналогичных услуг сторонней организации, это может привести к увеличению стоимости владения. Учитывая же тот факт, что некоторые работы, связанные с ГТУ, требуют полного демонтажа оборудования и его транспортировки на завод, компания может на несколько месяцев вообще лишиться генерирующих мощностей.

Есть у турбин еще целый ряд недостатков. Так, например, уровень шума, который сопровождает работу ГТУ, требует ее размещения в отдельном здании с серьезной звукоизоляцией. К недостаткам газовой турбины можно отнести и довольно долгий процесс подготовки к запуску (от получаса до двух часов), а также большую сложность и высокую стоимость ремонта. Помимо этого, топливо для турбин требует дополнительной подготовки в виде усушки и компрессии. Если же происходит резкое увеличение нагрузки, то ГТУ не в состоянии быстро набрать мощность без потери скорости вращения. При этом нужно очень внимательно следить за расходом топлива. Если нагрузка на установку резко падает, то снижается КПД и одновременно с этим растет потребление. Одним словом, газовую турбину стоит устанавливать только тогда, когда другие возможные решения еще менее эффективны и рентабельны. Во всяком случае, большинство специалистов придерживается именно этого мнения.