В настоящей статье представлена краткая характеристика гибкости использования различных видов топлива в газотурбинных энергетических установках в составе судовых энергетических установок. Автор рассмотрел такие альтернативы как сжиженный природный газ, сжиженный нефтяной газ, этан и водород, указав на конструкционно-экономические возможности их применения в газотурбинных энергетических установках.
Ключевые слова: судовые энергетические установки, газовая турбина, газотурбинная энергетическая установка, сжиженный природный газ, судостроение.
С постоянным ужесточением норм содержания серы в топливе и общественно-политическим давлением для сокращения выбросов других загрязняющих веществ сжиженный природный газ [СПГ] приобретает все больший интерес для применения в судовых энергетических установках. Стоит отметить, что долгое время используемый в качестве топлива для наземных газовых турбин, СПГ обеспечивает низкий уровень выбросов и является лучшим топливом для газовых турбин с точки зрения производительности и долговечности. Однако, в настоящее время многие исследователи рассматривают фактор использования и других видов топлива для работы в газотурбинных энергетических установках, как, например, сжиженный нефтяной газ [СНГ], этан, и даже водород, в связи с чем актуальным будет рассмотрение возможности применения разных видов топлива для работы в газотурбинных энергетических установках [4].
Начиная рассмотрение СПГ, как топливного компонента в газотурбинных энергетических установках, необходимо подчеркнуть, что, несмотря на то, что СПГ является самым простым топливом для газовой турбины, его производство требует очень жесткого контроля за газовым сырьем, поскольку некоторые компоненты топлива, которые обычно присутствуют в природном газе трубопроводного качества, такие как угарный газ и углекислый газ, удаляются перед процессом сжижения. Еще стоит обратить внимание, что содержание метана для СПГ намного выше, поскольку после сжижения природного газа во время его хранения и транспортировки наблюдаются выбросы паров метана — отпарный газ. В связи с этим в начале транспортировки СПГ в содержании отпарных газов будет регистрироваться избыток азота, а в конце транспортировки из-за химических процессов в СПГ будет наблюдаться повышенное содержание этана и пропана. Подобный фактор привел к необходимости предоставлять контроллерам дизельных двигателей информацию об изменении состава газа.
В целом, для газовых турбин это изменение во время рейса незначительно и не требуется специального измерительного оборудования или модифицированных алгоритмов управления. Стоит отметить, что также газовая турбина не имеет ограничений по работе при работе на СПГ — двигатель можно запустить и разогнать до полной нагрузки, а также отсутствуют требования к запальной дозе топлива. Подобные ключевые характеристики функционирования были продемонстрированы на более чем 3 тыс. авиационных газовых турбинах по всему миру, наработавших более 110 млн. часов на природном газе [4]. Кроме того, переключение топлива с газа на жидкость и обратно выполняется автоматически, не требуя вмешательства оператора, а время полного переключения топлива составляет менее 30 секунд без потери мощности. Более того, имплементация в газотурбинных судовых установках сжиженного природного газа в качестве топлива позволяет значительно снизить выборы оксидов азота и углекислого газа, что говорит о хороших технико-экономических характеристиках использования [2].
Переходя к рассмотрению сжиженного нефтяного газа с пропаном в составе в качестве альтернатив топлива для газотурбинных энергетических установок, можно сказать, что, сравнивая СПГ с пропаном, необходимо учитывать следующие ключевые факторы [3], [4]:
- Рекомендуется поддерживать температуру топлива подаваемого пропана на уровне ~149°С, что помогает уменьшить модифицированное число Воббе и удерживает пропан в одной фазе. За счет его уменьшения рабочий диапазон газовой турбины увеличивается без внесения серьезных конструкционных изменений. Например, для газовых турбин семейства LM2500 были внесены незначительные изменения в площадь наконечника топливного сопла, чтобы обеспечить запуск и работу на полной мощности на пропане при этой температуре. Помимо этого, следует избегать двухфазного потока или фазового перехода в топливной системе газовой турбины. Также, товарный пропан содержит некоторое количество других углеводородов и более тяжелых молекул, и эти компоненты влияют на точку росы смеси газа. Температура выше, чем требуется для СПГ, необходима, чтобы избежать впрыскивания жидкостей в камеру сгорания;
- Сжигание пропана будет иметь значительно более высокую температуру пламени по сравнению с сжиганием природного газа. Более высокие температуры пламени камеры сгорания будут генерировать более высокие уровни NOx [оксиды азота]. Пропан генерирует почти на 60 % больше NOx по сравнению с СПГ — это аналогично уровням NOx, полученным при использовании очищенного дизельного топлива;
- Наконец, удельный вес этого топлива больше 1 — этот газ тяжелее воздуха, вследствие чего особое внимание должно быть уделено всем системам безопасности. Так, внутри кожуха газовой турбины должны быть выбраны и установлены пожарные извещатели с фактором регистрации пропана. Кроме того, конструкция вентиляции корпуса газовой турбины потребует обновления. При должном внимании к деталям судовые газовые турбины могут работать на пропане товарного качества, определяемом как пропан HD5 — высокопроизводительный пропан.
Рассматривая этан для возможности использования при работе в газотурбинных энергетических установках в составе судовых энергетических установках, стоит сказать, что пока что в этой области ведутся исследования, однако уже имеющиеся теоретико-практические выкладки указали на схожесть пропана и этана в качестве топлива для газовых турбин. Исследования ведутся и в области имплементации водорода как топливного источника. В целом, внедрение чистого водорода, как топливо для газовой турбины, пока нашло применения. Другими областями применения, которые содержат высокие концентрации водорода, являются коксовый газ, смеси доменного газа и другие промышленные отходящие газы. Здесь содержание водорода является результатом другого процесса, например, работы коксовой печи, сжигающей битуминозный уголь для производства стали [4]. Поток выхлопных газов коксовой печи имеет низкое обще модифицированное число Воббе ~30 из-за присутствия около 20 % объемных инертных газов. Водород составляет самый большой компонент с ~ 65 %. Также немаловажно, что сжигание любой значительной концентрации водорода в газовой турбине сопряжено с рядом серьезных конструктивных проблем [2]. Удельный вес водорода [относительно воздуха] составляет 0,0696, что составляет около 7 % плотности воздуха [1]. Молекулы водорода меньше, чем у всех других газов, и они могут диффундировать через многие материалы, считающиеся воздухонепроницаемыми, что делает конструкцию трубопровода перекачки топлива для водорода сложной задачей. Помимо этого, газообразный водород образует с воздухом взрывоопасные смеси в концентрациях от 4 % до 74 %. Также температура самовоспламенения водорода на воздухе 500°С, что усложняет стратегии запуска и резервного топлива при использовании водорода. В связи с этим, конструктивные изменения, необходимые для использования водородной смеси в газотурбинных энергетических установках, включают следующее:
- Запуск и работа на малой мощности на альтернативных видах топлива;
- Чистый инертный газ [обычно азот] для продувки топливопровода;
- Наличие в конструкции системы обнаружения возгорания корпуса газовой турбины, оптимизированной для обнаружения утечек водорода;
Однако, стоит отметить, что по сравнению с пропаном и этаном водород будет иметь более высокие выбросы NOx, но даже несмотря на эти проблемы, судовые газовые турбины позволяют рабочее использование до 85 % водорода, что может стать новым витком для их развития.
Таким образом, можно сделать вывод, что турбины используются не только в судовых установках, но и в наземных электростанциях, приводах газовых компрессоров и морских нефтегазовых процессах. Несмотря на то, что более 45 лет в их функционировании используется природный газ в качестве топлива, сжиженный природный газ, пропан, этан и некоторые водородные смеси топлива могут также быть внедрены в успешное технико-экономическое функционирование. Поскольку морская промышленность ищет альтернативные решения для снижения уровня загрязняющих веществ, доказано, что судовые газовые турбины, работающие на этих видах топлива, предоставляют судостроителям и судовладельцам возможность соответствовать текущим и будущим нормам как охраны окружающей среды, так и повышая общую эффективность функционирования.
Литература:
- Водород на транспорте. Информационный обзор [Электронный ресурс]. URL: https://gazpronin.ru/H2_20171002-part2.pdf (дата обращения: 24.06.2022).
- Злобин В. Г., Верхоланцев А. А. Газотурбинные установка. Часть 1. Тепловые схемы. Термодинамические циклы: учебное пособие / В. Г. Злобин. ВШТЭ СПбГУПТД. — СПб, 2020. — 114 с.
- Сахин В. В. Устройство и действие энергетических установок. Газовые турбины. Теплообменные аппараты: учебное пособие / В. В. Сахин. Балт. Гос. техн. ун-т. — СПб, 2015. — 133 с.
- Fuel Flexibility with GE Marine Gas Turbine [Электронный ресурс]. URL: https://www.geaviation.com/sites/default/files/GE-marine-gas-turbine-fuel-flexibility.pdf (дата обращения: 24.06.2022).
