Энергетика из кубиков

Совет производителей энергии, представляющий интересы крупных российских генерирующих компаний, передал в Министерство энергетики свои предложения по изменению энергетической стратегии России. Ассоциация просит, среди прочего, скорректировать целевые значения показателя эффективности производства электроэнергии, выражаемые в удельном расходе условного топлива (УРУТ) на её отпуск. Лоббисты предлагают узаконить уже намечающийся спад в эффективности энергетического производства.

Шаг назад

После объявления Западом финансовых и экономических санкций затормозились программы технического обслуживания и ремонта импортных газовых турбин. Поначалу Минэнерго предложило экономить моторесурс этого оборудования. Когда выяснилось, что неблагоприятная геополитическая обстановка затягивается, стало понятно, что проблему нужно решать более кардинальным способом.

Министерство промышленности и торговли поддержало энергомашиностроителей, готовых создать отечественные газовые турбины большой мощности. Проекты идут, но удовлетворительных результатов ждать не приходится. Почему?

Зарубежные производители энергетических газовых турбин, число которых с каждым десятилетием сокращалось, в качестве рынка сбыта имели весь мир, а потому могли вкладывать в новые разработки и оснащение производства очень большие средства. У нас же - весьма скромный внутренний рынок и довольно ограниченные перспективы экспорта турбин в дружественные страны. Значит, разделить расходы на большое количество производимых экземпляров не получится. Другими словами, российские турбины будут дорогими. Даже если они обеспечат хороший УРУТ, то есть низкую топливную составляющую в стоимости электроэнергии, экономика энергетического производства потонет из-за высоких расходов на амортизацию и ремонт оборудования.

Гомеопаты считают, что подобное излечивается подобным. Лучшее лекарство от высоких цен - сами высокие цены. Они заставляют участников рынка искать альтернативы. И альтернативы эти не обязательно сводятся к прямолинейной замене изделия с шильдиком "Made in USA" на аналогичное с надписью "Made in China" или «Сделано в России». Возможны технологические прорывы и повороты.

Дешевле

Если мы внимательно изучим тенденции зарубежных рынков, то увидим, что увлечение энергокомпаний крупными парогазовыми энергоблоками, где используются мощные ГТУ, уже проходит. Распределённая энергетика развивается быстрее централизованной. Недаром мировые объёмы выпуска мощных газовых турбин сокращаются. И причиной тому - не только и не столько возобновляемые источники энергии.

Набирают популярность блочно-модульные электростанции, состоящие из большого количества одинаковых «кубиков», нередко в контейнерном исполнении. В качестве примера можно привести проекты компании Wartsila, где параллельно включены десятки небольших газопоршневых или дизельных агрегатов. У них внутри - уйма одинаковых (а значит, крайне недорогих) цилиндров с поршнями. Дешевеют и другие модульные решения. Интересный пример - электростанция на водородных топливных элементах суммарной мощностью 78,96 МВт, введённая в эксплуатацию в корейском городе Инчхон в 2021 году. Она насчитывает 140 контейнеров.

Электростанция компании APR Energy на юге Австралии составлена
из мобильных газотурбинных энергоустановок GE TM2500

Солнечные фотоэлектрические станции и ветровые парки, а также дополняющие их аккумуляторы энергии тоже строятся из одинаковых недорогих модулей, производимых большими тиражами. Феноменальное снижение себестоимости солнечной генерации, которое мы видели за последние десять лет, объясняется именно эффектом массового автоматизированного конвейерного производства.

Гибче

Оператор модульной электростанции может гибко оптимизировать её загрузку, включая в работу ровно столько модулей, сколько в данный момент необходимо. С газовой турбиной на 200-300 МВт подобный фокус не пройдёт. Паспортный КПД в 53-58% эта турбина обеспечивает в бинарном цикле (то есть в составе парогазовой установки) и при полной нагрузке. В остальных случаях КПД снижается, УРУТ падает.

С точки зрения технического обслуживания и ремонта блочно-модульные электростанции предпочтительнее - их можно ремонтировать и даже модернизировать без остановки генерации. Строительство электростанции ускоряется благодаря тому, что завод поставляет заранее собранные и протестированные модули.

Весьма показательно, что компания GE сравнительно недавно, в январе 2020 года, выпустила быстровозводимую модульную электростанцию LM2500XPRESS на основе аэродеривативной газовой турбины. На стройплощадку доставляются десять блоков, между которыми всего 25 электрических соединений. Согласно GE, команда из двадцати специалистов справится с монтажом ТЭС за тринадцать дней.

В обычном цикле электрическая мощность LM2500XPRESS составляет 34 МВт (КПД - до 39%), в бинарном - 47 МВт (КПД до 54,4%). Установку, запускаемую за пять минут, можно использовать для балансировки нагрузки и регулирования частоты в энергосети. В отличие от мобильной ГТЭС GE TM2500, использующей впрыск воды для снижения выбросов оксидов азота, модель LM2500XPRESS обходится без впрыска.

Plug-and-play в сетях

Тем временем на горизонте научно-технического прогресса нарисовались твердотельные подстанции, о которых мы рассказывали читателям в конце июля и в начале сентября. Импульсные трансформаторы в них тоже составляются по блочно-модульному принципу. Например, если нужно понизить напряжение с 6 кВ до 380 В, используется восемь преобразователей 1,5 кВ/380 В, входы которых в двух четвёрках соединены последовательно, а выходы - параллельно. Такая система будет работать после выхода из строя любого преобразователя, правда, на половинной мощности.

Понижающий твердотельный трансформатор включает множество
модульных импульсных преобразователей (показаны жёлтым)

Твердотельные подстанции обещают кардинальное снижение массогабаритных характеристик оборудования в сетях и сокращение его общего количества, поскольку резервные трансформаторы заменяются на резервные импульсные преобразователи и инверторы. Более того, менять классы напряжения можно будет модификацией схемы соединения элементов. Сегодня переход на другое напряжение, как правило, не обходится без замены силовых трансформаторов.

Конечно, твердотельные импульсные трансформаторы пока стоят дороже традиционных масляных, но массовое производство имеет большие перспективы по снижению себестоимости. Тем более что силовые полупроводниковые приборы востребованы не только в энергетике, но и в других отраслях, включая транспорт и энергоёмкую обрабатывающую промышленность.

Твердотельные подстанции весьма перспективны и для применения в распределительных сетях постоянного тока, которое сулит множество выгод. Так, на постоянном токе проще подключать к сети электрохимические накопители энергии и небольшие солнечные электростанции, а количество бытовых электроприборов, способных полноценно работать от сети постоянного тока, с каждым годом только увеличивается.

* * *

Возникает вопрос: нужно ли нам осваивать импортозамещающие технологии для выпуска нескольких десятков газовых турбин высокой мощности, когда вектор развития поворачивается в сторону массовой распределённой энергетики и гибкой модульной электрогенерации?