Программа ARES - завершен первый этап
←
→
Транскрипция содержимого страницы
Если ваш браузер не отображает страницу правильно, пожалуйста, читайте содержимое страницы ниже
Аналитика, обзоры
А. А. Троицкий – ООО «Турбомашины»
В течение последних 10 лет развитие технологий газопоршневых двигателей
происходило наиболее активно. Это связано с ужесточением экологических
требований, необходимостью повышения КПД установок, а также их уровня
надежности и ресурса работы при снижении эксплуатационных затрат.
Министерство энергетики США (DoE) – активный участник этого процесса.
Программа ARES –
завершен первый этап
2001 году в США была разработана и Несмотря на достаточно смелые задачи и
В запущена в действие программа ARES
(Advanced Reciprocating Engine Systems),
участниками которой являются три ведущих
относительно небольшой период времени для их
реализации, на начальном этапе было много
сомнений по поводу финансирования исследова"
производителя газопоршневых двигателей – ний в области газопоршневых двигателей.
компании Caterpillar, Waukesha и Cummins. Некоторые специалисты считали, что данное
Поддержку программы осуществляет ряд направление себя изживает и отсутствуют
университетов и государственных научно" технологические возможности для его совер"
исследовательских лабораторий США. Они шенствования. Однако после тщательного
ответственны за разработку передовых материа" анализа перспектив программы стало очевидно,
лов, систем подготовки топливовоздушной что эта область является одной из наиболее
смеси, смазочных материалов, технологий горе" изученных. Накоплен огромный опыт эксплу"
ния и т. д. Финансирование проводимых иссле" атации газопоршневых установок, существует
дований в рамках программы осуществляется научный и технический потенциал для их даль"
Министерством энергетики на конкурсной нейшего развития. Анализ рыночной ситуации
основе. показал, что с большой долей вероятности спрос
Программа ARES охватывает мощностной на рынке на энергетическое оборудование имен"
ряд двигателей от 500 до 6500 кВт. Она разбита но в этом классе мощности в период до 2020
на три периода: 2001"2004 гг., 2004"2007 гг. и будет стабильно повышаться.
2007"2010 гг. Для каждого из них поставлены На приведенных ниже схемах (рис. 1 7) пока"
конкретные цели и задачи. На заключительном зано место установок ARES на рынке по отноше"
этапе каждого периода производители должны нию к их видовым конкурентам. Что касается
представить свои достижения и подтвердить их мощности установок, то самым востребованным
результатами испытаний. на рынке распределенного производства энер"
Конечной целью программы к 2010 году гии, по оценкам специалистов, является класс
является вывод на рынок энергетических мощности 500…6500 кВт. При этом КПД двига"
установок на базе газопоршневых двигателей с телей ARES выше, чем у другого типа энергети"
КПД, составляющим 50% в простом цикле и ческого оборудования. Лишь в перспективе с
более 90% в когенерационном цикле (полная ними смогут конкурировать по этому параметру
утилизация тепла). топливные ячейки.
Стоимость установок должна быть не более На фоне постоянно ужесточающихся эколо"
$450 за один кВт установленной мощности, гических требований двигатели ARES также
затраты на техническое обслуживание – $0,01 выглядят более чем привлекательно. Обеспечи"
за кВт.ч. Уровень эмиссии NOx не должен ваемый ими уровень эмиссии соответствует
превышать 0,134 г/кВт.ч. Себестоимость всем мировым стандартам, и работы в этом
вырабатываемой электроэнергии необходимо направлении продолжаются. При одинаковых
снизить на 10%. Установки должны обеспе" эксплуатационных затратах стоимость выраба"
чивать высокую надежность в эксплуатации и тываемой установками ARES электроэнергии
ремонтопригодность, быть удобными в обслу" заметно ниже, чем у других типов энергетичес"
живании. кого оборудования (за исключением ветряных
2 www.turbine diesel.ru Турбины и дизели /март–апрель 2006
электростанций). Это тоже является серьезным
конкурентным преимуществом на рынке. ARES
На начальной стадии программы Министер" Другие газовые
двигатели
ство энергетики США разработало следующие
Дизельные двигатели
основные технологические направления, разви"
тие которых должно обеспечить достижение Малые турбины
поставленных целей: Микротурбины
Перспектива
1. Передовые технологии зажигания. Более Топливные ячейки
продолжительный срок службы системы Солнечные батареи
зажигания, повышение надежности в эксплу" Ветряные
электростанции кВт
атации. 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000
2. Передовые технологии горения. Кардиналь"
ное снижение уровней эмиссии, повышение
КПД двигателя. Разработка технологий по Рис. 1. Диапазон мощности различных типов энергетического оборудования
сокращению времени горения, снижение
детонации, снижение вероятности перебоев
зажигания. Разработка программ компьютер" ARES
ного моделирования процессов и разработки Другие газовые
передовых концепций горения. двигатели
3. Разработка и использование передовых мате" Дизельные двигатели
риалов и покрытий, необходимых для работы
Малые турбины
элементов конструкции двигателя при
высоких температурах горения, а также анти" Микротурбины Перспектива
фрикционных материалов с целью снижения
потерь на трение. Топливные ячейки
KПД, %
4. Снижение потерь при трении. Это направле" 0 10 20 30 40 50 60
ние является одним из наиболее приоритет"
ных, так как более 50% таких потерь прихо" Рис. 2. КПД различных типов энергетического оборудования
дится на блок цилиндров.
5. Разработка передовых технологий и систем
для очистки выхлопных газов двигателей, что
ARES
особенно важно при снижении уровня
эмиссии. Разработка специальных каталити" Другие газовые
двигатели
ческих материалов. Применение систем SCR
Дизельные двигатели
(selective catalytic reduction – селективное
каталитическое подавление выбросов) и Малые турбины
специальных фильтров для оксидов азота Уровни эмиссии в наст. время
Микротурбины
определены как наиболее перспективные С последующей обработкой
выхлопных газов
направления. Топливные ячейки Перспектива
кг/кВт
6. Утилизация тепла выхлопных газов. До"
0,0 0,2 0,5 0,7 0,9 1,1 1,4
полнительное количество тепла может быть
получено путем развития технологий турбо"
наддува. Рис. 3. Уровень эмиссии NOx для разных типов энергетического оборудования
Для проведения исследований по данным (базовая нагрузка)
направлениям были созданы рабочие группы,
которые внедряли свои разработки на двигате"
ARES
лях компаний Cummins, Caterpillar и Waukesha. Другие газовые
Независимую поддержку по проведению иссле" двигатели
дований осуществляют Национальная лабора" Дизельные двигатели
тория энергетических технологий (National Малые турбины
Energy Technology Laboratory – NETL), Госу" Микротурбины
дарственный университет Колорадо (Colorado Топливные ячейки
State University – CSU) и Национальная лабо" Солнечные батареи
Перспектива
ратория Аргонн (Argonne National Laboratory – Ветряные
ANL). Разработку технологий и создание сис" электростанции $/кВт
0 1 3 3 4 5 6
тем лазерного зажигания для газопоршневых
двигателей при работе на обедненной смеси взя"
ла на себя NETL. Рис. 4. Удельная стоимость энергетического оборудования
март–апрель 2006/ Турбины и дизели www.turbine diesel.ru 3
Аналитика, обзоры
повышение эффективности утилизации тепла
выхлопных газов;
уменьшение потерь при трении.
После выработки основных направлений
исследований был определен состав рабочей
группы во главе с компанией Cummins, а также
зоны ответственности каждого участника в
общем проекте. Для решения конкретных задач
приглашены следующие организации:
Национальная лаборатория Oak Ridge – разра"
ботка передовых систем искрового зажигания;
систем и технологий для повышения стабильно"
сти выдаваемой двигателем мощности;
Государственный университет Colorado – раз"
работка систем для использования вспомо"
гательного дизельного топлива с целью
обеспечения стабильности выдаваемой мощ"
ности и повышения эффективности процессов
Фото 1. Базовый двигатель QSV91 компании Cummins
горения; проведение их испытаний;
Ricardo Inc. – разработка компьютерных
программ для создания модели систем впрыска
Исследованием процессов горения в цилинд" и горения с использованием вспомогательного
рах с использованием передовых видеоскопов и дизельного топлива;
компьютерных программ, созданием передового Westport Innovations – разработка систем
сенсорного оборудования для контроля горения впрыска и горения HPDI (High Pressure Direct
и уровней эмиссии, а также компьютерным Injection – прямой впрыск под высоким давлени"
моделированием процессов горения с целью ем) для повышения мощности и КПД двигателя;
разработки технологий по снижению выбросов Delphi – разработка передовых систем
занимается ANL. Проведение исследований с впрыска топлива, инжекторов;
целью снижения потерь при трении, разработку Национальная лаборатория Lawrence Livermore –
и создание керамических сенсоров для контроля изучение химической кинетики процессов при
уровней эмиссии осуществляет лаборатория безыскровом зажигании, использование
Лос Аламос. полученных данных для разработки систем
зажигания HCCI;
Cummins Технологический институт Lund – разработка
Для выполнения программы ARES компания систем зажигания HCCI (Homogeneous Charge
использует газопоршневые двигатели серии Compression Ignition – зажигание однородной
QSV и QSK, базовым выбран QSV91 мощностью смеси при высоком давлении);
1832 кВт (фото 1). Приоритетными определены Newage AVK SEG – создание передового генера"
такие направления: получение высокой стабиль" тора для использования в составе установки.
ности выдаваемой двигателем мощности, разра" Кроме того, предусматривается работа двига"
ботка передовых технологий сжигания предва" теля по циклу Миллера, оснащение его более
рительно обедненной смеси, повышение эксплу" эффективным турбокомпрессором, использова"
атационных параметров и улучшение конструк" ние процессов стехиометрического горения с
ции различных подсистем и компонентов двига" рециркуляцией выхлопных газов (Exhaust Gases
теля. В результате необходимо выйти на реше" Recirculation – EGR). Эти работы будет про"
ние следующих задач: водить компания Cummins.
создание надежных и эффективных систем Первый этап программы был закончен в
горения, увеличение срока их службы. Раз" декабре 2004 года. В отчетном документе
работка передовых сенсоров для контроля и представлены основные результаты, достиг"
управления процессами горения; нутые рабочей группой. В частности, для от"
разработка более эффективных и кратко" работки новых технологий были запущены два
временных процессов сжигания топлива; испытательных стенда в Гранд Прери (штат
разработка технологий подавления выхлопов Алберта) и Анахайме (штат Калифорния). Уста"
NOx; новка в Гранд Прери вырабатывала для
разработка передовых высокотемпературных энергосети 1600 кВт электроэнергии. По срав"
материалов и покрытий; нению с работой на дизельном топливе
снижение уровня детонации двигателя; достигнуто снижение уровня эмиссии NOx на
4 www.turbine diesel.ru Турбины и дизели /март–апрель 200685% и других газов на 20% без применения
дополнительных систем подавления выбросов. ARES
Аналогичная установка в Анахайме была Другие газовые
двигатели Топливо
запущена в эксплуатацию в начале 2004 года. Прочие
Дизельные двигатели
Она оснащена внешними системами подавления
выбросов SCR. Уже в начале эксплуатации при Малые турбины
выдаче в сеть 1600 кВт электроэнергии были Микротурбины
достигнуты уровни эмиссии ниже установ" Передовые
микротурбины
ленных. Проведенные испытания показали
Топливные ячейки
следующие результаты:
Передовые
использование системы HPDI позволило топливные ячейки
увеличить КПД двигателя на 5%, примене" Солнечные батареи
ние цикла Миллера также способствовало Ветряные
электростанции $/кВт
его повышению;
0,00 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 0,09 0,10
в простом цикле КПД установки ARES
составил 44%;
Рис. 5. Эксплуатационные затраты
расход топлива был снижен на 8%; для различных типов энергетического оборудования
предварительная оценка результатов испы"
таний системы зажигания достаточно
оптимистична: планируется увеличение
ARES
срока службы практически в 2 раза;
«Богатое» топливо
прототип сенсоров для контроля и управ"
ления процессом горения подтвердил все «Обедненное» топливо
заявленные параметры; Дизельное топливо/
практически достигнуты требуемые пара" SCR
Малые турбины
метры турбонагнетателя;
Микротурбины
системы подавления выбросов SCR пол"
Передовые
ностью обеспечили требуемые уровни микротурбины
выбросов NOx. Определены поставщики Топливные ячейки
необходимых каталитических материалов Передовые
топливные ячейки
для данных систем. Ветряные
Все достигнутые результаты и новые электростанции $/кВт
разработки специалисты компании применяют 0,00 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 0,12
для модернизации существующих двигателей Капитальные затраты
Прочие
других серий а также при создании новых мо"
Топливо
делей.
На втором этапе были также определены Рис. 6. Стоимость электроэнергии,
технические и технологические задачи для вырабатываемой различным энергетическим оборудованием
реализации целей, поставленных в рамках
программы ARES. Это необходимость разработ"
ки и внедрения высокоточного оборудования,
сенсоров и датчиков для контроля и управления 6 538
Соотношение тепло/энергия
процессом горения и всей установкой в целом. 482
5
Важно также создание передовых систем селек" 427
Температура на выходе, °С
тивного каталитического подавления выбросов 4 370
с целью максимального снижения их себестои" 315
3 260
мости и эксплуатационных затрат.
204
2 150
Caterpillar
93
Задачи, поставленные перед рабочей группой 1
37
во главе с компанией Caterpillar, в общем виде
0 0
выглядят так: на первом этапе достигнуть КПД ARES Другие Малые Микро Топливные
газовые турбины турбины ячейки
установки 44%, уровня эмиссии NOx – двигатели
0,67 г/кВт.ч. На втором и третьем этапах КПД Соотношение тепло/энергия
должен быть 47% и 50% соответственно, Тепловая мощность – перспектива
уровень эмиссии NOx – 0,134 г/кВт.ч. Температура на выходе
Участниками проекта стали научные
организации и производственные компании – Рис. 7. Параметры когенерационных установок
март–апрель 2006/ Турбины и дизели www.turbine diesel.ru 5Аналитика, обзоры
EEA Associates, Woodward. University разработана концепция SE"3 (Stoichiometric"
of Lund, Hiltner Combustion Systems, Champion ERG"Three way catalyst – стехиометрическое
Inc., RFA Minnesota, Purdue University, Oak горение"рециркуляция выхлопных газов –
Ridge National Laboratory. трехуровневое внешнее каталитическое
Базовыми выбраны двигатели серии G3500. подавление выбросов) при использовании
В качестве стенда для проведения испытаний предварительно обедненной смеси в качестве
и отработки технологий компания предоставила топлива.
муниципальную электростанцию в г. Хебер Основные средства при этом были направ"
Сити (штат Юта). Состав основного оборудова" лены на разработку концепции SE"3, создание
ния станции включает три установки G3520C передового турбонагнетателя HEAT™, а также
мощностью 1850 кВт каждая и по две установки на запуск одноцилиндрового испытательного
G3516C (1500 кВт) и G3516B (750 кВт). Все они двигателя (фото 2).
были задействованы для отработки тех или Реализация второго этапа программы ARES
иных технологий ARES. предполагает выполнение следующих базовых
В результате реализации первого этапа задач:
программы решены следующие задачи: отработка технологий HCCI и развитие SE"3
проведен анализ тенденций мирового рынка, на макетном многоцилиндровом двигателе,
чтобы определить наиболее значимые пара" а затем в составе установки. Опытная оценка
метры установок для заказчиков, а также эксплуатационных параметров системы
востребованный мощностной ряд; впрыска топлива и горения на испытательном
разработана конструкция турбонагнетателя стенде;
с целью повышения степени повышения разработка концепции передовой системы
давления в двигателе; контроля и управления двигателя, а затем и
разработана конструкция одноцилиндрового установки в целом;
двигателя для проведения испытаний, а окончательная доводка компьютерной модели
также конструкция многоцилиндрового цикла;
макета для отработки технологий с последу" изготовление полномасштабного двигателя
ющим применением их на полномасштабных с применением всех разработок, запуск его
двигателях. в опытно"промышленную эксплуатацию и
создана программа для компьютерного окончательная доводка. Пилотные поставки
моделирования процессов горения и для установок на базе данных двигателей.
разработки конструкций компонентов дви" Окончание этапа и представление отчета о
гателей. результатах выполненных работ запланировано
на конец 2007 года. К этому времени предпола"
Фото 2. Одноцилиндровый двигатель компании Сater-
гается получить первоначальные результаты
pillar для отработки технологий по программе ARES эксплуатации пилотных установок.
На третьем этапе программы планируется
окончательная доводка технологий впрыска топ"
лива, систем горения и турбонаддува, внедрение
лазерного зажигания на основании результатов
опытно"промышленной эксплуатации пилотных
установок. Будет проведен глубокий анализ
рынка с целью выявления наиболее перспектив"
ных сегментов для представления в 2010 году
энергетического оборудования, созданного в
рамках ARES.
Waukesha
Согласно программе компания модернизирует
серию газопоршневых двигателей VGF. В рабо"
чую группу входят Технологический универси"
тет Массачусетса и Государственный универси"
тет Колорадо, компании Winsert, Borg Warner,
NICOR.
На начальном этапе работа была направлена
на создание установки в классе мощности 1000
и 1100 кВт, который определен как наиболее
перспективный на энергетическом рынке.
6 www.turbine diesel.ru Турбины и дизели /март–апрель 2006Две пилотные установки APG1000 мощнос"
тью 1000 кВт установлены в г. Мэнсфилд (штат
Огайо) на предприятиях Jay Plastics и Broshco
Fabricated Products компании Jay Industries.
APG1000 (фото 3) создана на базе 16"цилин"
дрового газопоршневого двигателя APG
16V150LTD с турбонаддувом и промежуточным
охлаждением. Энергоустановка работает на
предварительно обедненной смеси, ее КПД со"
ставляет 42,7% при частоте 50 Гц и 40,5% при
60 Гц.
Установки оснащены турбонагнетателями
компании ABB Turbocompressors. Система
контроля и управления ESM собственной разра"
ботки обеспечивает контроль соотношения
воздуха и топлива в обедненной смеси, контроль
и управление процессом зажигания, скоростью
вращения силового вала, диагностику детона" Фото 3. Установка APG1000 на базе
ции. Она обеспечивает аварийные остановы газопоршневого двигателя APG 16V150LTD компании Waukesha
двигателя, а также постоянную диагностику и
мониторинг основных эксплуатационных пара"
метров двигателей. Использованная литература
Во время опытно"промышленной эксплуата" 1. Ron Fiskum, US Department of Energy,
ции осуществляются испытания и доводка Advanced Reciprocating Engine Systems (ARES).
компонентов установок, а также технологий, 2. Raj Sekar, Argonne National Laboratory
разработанных и созданных в рамках ARES. В Report.
частности, это касается всего цикла использо" 3. Mike McMillian, National Energy
вания воздуха – начиная от воздухозабора и Technology Laboratory Report.
заканчивая выхлопной системой. Кроме того, 4. Tim Theiss, Oak Ridge National Laboratory
проводятся полномасштабные испытания Report.
системы сжигания обедненной смеси для 5. Bryan Willson, Colorado State University,
обеспечения стабильности вырабатываемой University Activities Report.
двигателем энергии и увеличения срока службы 6. Avtar Bining, California Energy Commission,
компонентов системы. Advanced Reciprocating Internal Combustion
С использованием компьютерного модели" Engine (ARICE) Program, Press release.
рования разработаны передовые системы голо" 7. David Watson, Waukesha, Advanced ARICE
вок цилиндров с учетом повышенного давления Systems Report.
в самих цилиндрах, оптимизирована система 8. Sreenath Gupta, Argonne National
охлаждения. Модернизированы также системы Laboratory, Advanced Laser Ignition Systems
воздухозабора и выхлопа для максимального (ALIS) Consortium Report.
снижения потерь рабочего тела с целью дости" 9. Dan Flowers, Lawrence Livermore National
жения более высокого КПД установки. Laboratory, HCCI ARICE System development.
Первые коммерческие поставки APG1000 10. Martin Willi, Caterpillar, Lean Burn
планируются в этом году. Компания Waukesha Combustion Advances.
продолжает работы в рамках программы по 11. Jim Drees, Waukesha, Stoichiometric
созданию модельного ряда энергетических Combustion Advances Report.
установок на базе газопоршневых двигателей. 12. Axel zur Loye, Cummins, Homogeneous
В частности, планируется начать опытно" Charge Compression Ignition.
промышленную эксплуатацию установок 13. Tim Callahan, Southwest Research Institute,
APG2000 и APG3000 Enginator (мощностью Future Research Opportunities.
2100 кВт и 3200 кВт соответственно) на одном 14. Mark McNeely, Diesel & Gas Turbine
из промышленных предприятий штата Огайо Worldwide National and International Markets
в конце 2006 " начале 2007 гг. for Reciprocating Engines.
15. US DoE – ARES Fact sheet.
16. Thomas Smith, VP Energy Operations,
Редакция продолжит публикацию статей о Advanced Stationary Reciprocating Engine
результатах работы компаний в рамках про RD&D: Opportunities for ARES ARICE
граммы ARES в следующих номерах журнала. Collaboration.
март–апрель 2006/ Турбины и дизели www.turbine diesel.ru 7Вы также можете почитать
