Використання газотурбінних технологій — ключ до енергетичної безпеки України

Проблеми забезпечення енергетичної безпеки України накопичувалися протягом тривалого часу. Сьогоднішнє загострення кризи в енергетиці України має комплексний характер, воно породжене поєднанням неврегульованих тарифів з рядом проблем технічного характеру, без вирішення яких неможливо створити сучасну і стійку енергетику і захистити країну від кризових ситуацій.

Проблеми енергетичного комплексу

На сьогоднішній день існує ряд серйозних технічних проблем, які знижують надійність роботи всієї енергетичної системи України. До них, в першу чергу, слід віднести проблему дефіциту маневрених потужностей для покриття добових «пікових» навантажень. Зараз її можна назвати пріоритетною проблемою. Саме вона є джерелом виникнення в Україні кризи в енергетиці. Її загострення пов’язане з різким зростанням потужностей СЕС і ВЕС з негарантованих об’ємом генерації електроенергії, що вводяться в експлуатацію в останні роки.

Другою серйозною проблемою є забезпечення екологічних норм об’єктами генерації. Екологічні показники застарілих вугільних ТЕС і ТЕЦ України не відповідають екологічним нормам Директиви 2010/75 / ЄС.

Третя серйозна проблема — знос базових генеруючих потужностей в тепловій енергетиці і їх невідповідність сучасному рівню за технічними характеристиками.

Для вибору оптимального шляху вирішення зазначених проблем розглянемо ситуацію, що склалася в енергетиці України. Вона обумовлена структурою генеруючих потужностей, яка була створена в колишньому СРСР і була вбудована в єдину енергетичну систему країни. В незалежній Україні реальне виробництво і споживання електроенергії (е/е) визначається єдиним часовим поясом, в цих умовах для виключення «нічного провалу» відповідно до європейських норм енергетична система країни повинна мати не менш ніж 20% маневрених потужностей.

За даними НЕК «Укренерго» станом на квітень 2020 року, встановлена потужність всіх електростанцій країни становить 53,6 ГВт. Частка кожного джерела електроенергії представлена на рис.1.

джерела електроенергії
Рисунок 1. Встановлена потужність електрогенеруючих джерел в Україні станом на квітень 2020 року: АЕС — атомні електростанції, ТЕС ГК — теплоелектростанції, ТЕЦ — теплоелектроцентралі, ГЕС — гідроелектростанції, ГАЕС — гідроакумулюючі електростанції, СЕС та ВЕС — сонячні і вітряні електростанції

Фактичне споживання електроенергії протягом доби за останні три роки коливається в межах від 19-23 ГВт взимку до 14-17 ГВт влітку (рис.2). Таким чином, встановлена потужність електрогенерації України більш ніж в 2 рази перевищує пікову потужність споживання, тобто існує більш ніж 100% запас. Однак насправді це не так. Сформована структура енергетики України надзвичайно неефективна внаслідок значного переважання базових потужностей АЕС і ТЕС при нестачі маневрених потужностей.

Розподіл виробництва електроенергії за останні 3 роки
Рисунок 2. Розподіл виробництва електроенергії за останні 3 роки

Основними маневреними потужностями в енергосистемі країни є ГЕС і ГАЕС із залученням до регулювання генерації частини блоків ТЕС. ГАЕС також дозволяють частково компенсувати нічний провал споживання, працюючи в насосному режимі; при цьому їх коефіцієнт використання потужності (КВП) досягає 80% (див. табл.1). Погіршує ситуацію збільшення частки негарантованих потужностей ВЕС та СЕС, які повинні бути забезпечені високоманевреними джерелами генерації. При подальшому нарощуванні частки негарантованих потужностей СЕС і ВЕС неминуче повинні збільшуватися і маневрені потужності, що дозволяють в оперативному режимі забезпечувати баланс між споживанням і виробництвом електроенергії.

 Таблиця 1 — Експлуатаційні параметри генеруючих потужностей України

Експлуатаційні параметри генеруючих потужностей України

Примітка: Статистика за 3 роки (по ВДЕ тільки за останній рік): потужність генерації АЕС — 6600 … 11000 МВт, ТЕЦ — 500 … 2500 МВт, ТЕС ГК — 2400 … 8700 МВт, ГЕС і ГАЕС — 1000 … 2500 МВт, ГАЕС — 700 … 1200 МВт, ВЕС і СЕС — 500-1500 МВт.

Це можна побачити з добових графіків вироблення/споживання електроенергії взимку і влітку (рис.3). Так, взимку при малій генерації е/е від поновлюваних джерел енергії для балансування добового вироблення/споживання потрібна, відповідно, і невелика частка маневрених потужностей ГЕС та ГАЕС. Влітку ж при збільшенні частки вироблення електроенергії від відновлюваних джерел енергії (ВДЕ) відповідно повинна збільшуватися і частка маневрених потужностей.

Приклади графіків вироблення/споживання е/е взимку
Рисунок 3. Приклади графіків вироблення/споживання е/е взимку (а) і влітку (б)

Атомна енергетика

На сьогодні діючі АЕС, як «локомотив» енергетики, дозволяють чверті встановлених атомних генеруючих потужностей країни виробляти майже 50% електроенергії. Однак тут існують певні обмеження як тривалого, так і циклічного ресурсу. На сьогодні подовжено термін служби 7 блоків із 15, що знаходяться в експлуатації, і при вичерпанні подовженого терміну експлуатації до 2035 року прогнозується виведення з експлуатації 3 ГВт потужностей. Слід зазначити, що маневрені якості атомних станцій обмежені закладеними в них проектними технічними можливостями, які не дозволяють працювати їм в добовому циклічному режимі регулювання; при цьому існує можливість тижневого і сезонного регулювання. Виконувати маневрування блоками АЕС не тільки проблемно, але і небезпечно. Необхідно дбайливо ставитись до цього головного енергетичного ресурсу країни.

Разом з тим у певного виду атомної енергетики є перспектива стати маневреною. В якості одного з шляхів вирішення проблеми маневрених потужностей зараз в світі розглядається можливість використання малих модульних реакторів (ММР або SMR) потужністю до 300 МВт. За інформацією з відкритих джерел відомо, що в світі налічується близько 50-ти проєктів ММР. Їх розробки ведуться в США, Китаї, Австралії, Великобританії, Франції, Фінляндії, Аргентині та інших країнах. Деякі проєкти вже знаходяться в стадії будівництва, інші тільки проходять сертифікацію. Процес реалізації проєктів ММР досить тривалий і дорогий. Якщо взяти за приклад проєкт ММР, запланований до реалізації в Австралії, то шлях від розробки проєкту до введення в експлуатацію займає майже 12 років.

У майбутньому використання реакторів малої потужності дійсно може стати дуже перспективним напрямком розвитку енергетики, з’єднавши в собі маневрені і екологічні якості. Однак реальні серійні зразки ММР, мабуть, з’являться не раніше, ніж через 10 — 15 років, а проблеми в енергетиці України потрібно вирішувати зараз.

Теплова енергетика

Устаткування існуючих ТЕС і ТЕЦ України зношене і морально застаріло. На більшості теплових електростанцій фактичні напрацювання вже, як мінімум, удвічі перевищили проєктне значення 100 тис. год. З 83 енергоблоків теплових електростанцій 72 енергоблоки сумарною потужністю 18 ГВт (74,6%) мають напрацювання понад 200 тис. год., 5 енергоблоків сумарною потужністю 1,3 ГВт (5,5%) — більше 165 тис. год. І тільки 6 енергоблоків сумарною потужністю 4,8 ГВт (19,8%) мають напрацювання близько 120 тис. год. Теплові станції працюють при середньому КВП не більше 25%.

Крім того витрати умовного палива на вироблення електроенергії на ТЕС з кожним роком неухильно ростуть і на сьогодні при роботі в базовому режимі складають 400-550 г у.п./кВт•год, при тому, що в енергетичній стратегії України заявлено цільове значення 384 г у.п./кВт год. В той же час витрата умовного палива на сучасних європейських ТЕС не перевищує 280 г у.п./кВт год. Зараз у світі відбувається поступове скорочення потужностей вугільних ТЕС і водночас перехід на використання дорогих, але більш «чистих» вугільних технологій для зниження рівня викидів парникових газів. Україні щоб перейти на такі технології буде потрібно не менше 10 років.

Слід враховувати, що експлуатація таких електростанцій передбачає отримання не тільки електроенергії, але і тепла для опалення в зимовий час, що істотно підвищує їх ефективність. І щоб теплова ефективність була максимальною, ТЕС і ТЕЦ повинні працювати в базовому класі на номінальному режимі. Використання їх для компенсації добових коливань навантаження сприяє прискореному виробленню залишкового ресурсу.

Гідроенергетика

Гідроенергетика зараз грає ключову роль в добовому балансуванні потужностей, будучи єдиним джерелом маневрених потужностей в енергетиці України. При цьому в країні є значний потенціал для подальшого розвитку гідроенергетики; за оцінками в Україні фактично використовується близько 52% можливостей даної генерації при максимальному рівні 95%, досягнутому в деяких країнах.

Однак збільшення потужностей ГАЕС важкоздійсниме через високі капітальні витрати на стадії будівництва, проблеми в землекористуванні, існуючі тенденції кліматичних змін із зсувом до більш посушливого клімату і зниженням кількості опадів, високоий рівень невдоволення громадських та екологічних організацій і населення України подібними проєктами. Наприклад, проєкт Канівської ГАЕС, який передбачає отримання 3,6 ГВт потужності, був скорочений до 1 ГВт, але навіть при такому зниженні потужності високий рівень початкових капітальних витрат і тривалі терміни будівництва не дозволяють приступити до реалізації цього проєкту. Разом з тим є і позитивні приклади. Так, на Дністровській ГАЕС в період з 2009 по 2016 рр. були запущені в роботу три турбіни з семи, досягнувши приблизно 45% проектної потужності; при цьому питомий рівень капітальних витрат на 1 кВт встановленої потужності склав близько 660 $ / кВт.

Не дивлячись на ці труднощі, обов’язкова реалізація існуючих проєктів з нарощування потужностей ГАЕС – це стратегічний напрямок в енергетиці України.

Відновлювані джерела енергії

Починаючи з 2015 року в Україні відбувається поступове нарощування генерації СЕС і ВЕС, що пов’язано зі взятими зобов’язаннями в рамках Паризької  кліматичної угоди від 12.12.2015 року щодо зниження викидів парникових газів і поліпшення екологічної ситуації в світі. Ця ж мета лежить в основі розробленої енергетичної стратегії України, згідно з якою частка генеруючих потужностей від ВДЕ (включаючи гідрогенеруючи потужності) до 2035 року повинна бути доведена до 25% від встановленої.

Але це, безумовно, важливе рішення в нашій країні прийнято без відповідної підготовки єдиної енергетичної мережі до підключення генерації ВЕС і СЕС. Введення в дію негарантованих генеруючих потужностей обов’язково повинне здійснюватися одночасно з введенням додаткових маневрових потужностей і установкою накопичувальних систем, що дозволяють забезпечити оперативний баланс в енергетичній системі в разі зниження генерації від ВЕС і СЕС, як це реалізується, наприклад, в США та інших країнах.

Потужні накопичувальні системи дозволяють в автоматичному режимі акумулювати і витрачати електроенергію відповідно до графіку споживання, але на сьогоднішній день вони досить дорогі. Так, наприклад, питома вартість такої системи, встановленої компанією Tesla в Австралії, складає приблизно 500 $/кВт.

Напрямки модернізації енергетики України

Згідно зі звітом «НЕК« Укренерго» за 2019 рік об’єднана енергосистема України не відповідає вимогам в частині відповідності генерації/споживання. Для приведення її у відповідність з цими вимогами необхідно до кінця 2021 року ввести в дію 2 ГВт високоманеврових потужностей з швидким стартом, який передбачає вихід з нуля на номінальну потужність за 15 хвилин. Однак при формуванні такого цільового сценарію реальні терміни і вартість можливого впровадження потужностей в звіті не визначені.

Необхідність невідкладних дій продиктована ризиками, головні з яких наступні:

  • постійне зростання потужностей ВЕС та СЕС;
  • відсутність достатнього резерву маневрених потужностей;
  • невиконання національного плану скорочення викидів парникових газів в атмосферу від об’єктів «великої» енергетики;
  • виведення з роботи генеруючих потужностей ТЕС, наявність яких обумовлена вимогами балансової надійності.

У цих умовах одним із головних завдань енергетики України є введення нових маневрених потужностей з широким регулюючим діапазоном і можливістю швидкого пуску. Тільки це дозволить уникнути проблем з регулюванням потужності енергосистеми, компенсацією негарантованих джерел генерації електроенергії і можливістю забезпечення компенсації «пікових» навантажень.

Аналіз наведених вище факторів дозволяє виділити ряд основних вимог до енергетичних установок для використання при вдосконаленні енергосистеми України:

  • висока маневреність, короткий час пуску і виходу на режим номінальної потужності;
  • високі екологічні та технічні показники;
  • невеликі капітальні витрати на будівництво;
  • поставка обладнання високої заводської готовності з коротким терміном монтажу та підключення на об’єкті.

Необхідно відзначити, що орієнтація на вітчизняного виробника повинна бути одним з визначальних чинників при будівництві таких систем. У цьому випадку надання сервісних послуг і їх оперативність з боку вітчизняного постачальника обладнання сприятимуть оперативному вирішенню будь-яких питань, що виникають в процесі експлуатації. І це тим більш важливо, коли мова йде про маневрені потужності.

Незважаючи на різноманітність існуючих типів електрогенеруючих установок дуже мало з них відповідає більшості вищевказаних критеріїв. Можна не розглядати установки атомних електростанцій, гідроелектростанцій, гідроакумулюючих станцій і промислових парових і газових турбін. Їх потужність, габарити, обсяг капітального будівництва, терміни монтажу, тривалість введення в експлуатацію та інші фактори не відповідають одночасно всім наведеним вище вимогам. Однак такі електростанції в даний час є основою енергетики України.

Сучасні паротурбінні установки (ПТУ), навіть невеликої потужності, з можливістю спалювання в котлах практично будь-яких видів палива, характеризуються тривалим періодом пуску і виходу на режим номінальної потужності, вимагають великих капітальних витрат на будівництво, тривалих термінів монтажу і введення в експлуатацію. Разом з тим, за рахунок можливості використання практично будь-яких видів палива, в т.ч. і «непридатного», вони повинні входити в систему розподіленої енергетики.

Ґрунтуючись на світовому досвіді, слід визнати, що на сьогоднішній день повністю відповідають наведеним вимогам і найбільш ефективні газотурбінні і газопоршневі установки. І ті, і інші широко застосовуються в якості маневрених потужностей для балансування добових коливань навантаження. Для кожної з них є своя ніша оптимального використання.

Газопоршневі електростанції (ГПЕС)

ГПЕС знайшли широке поширення завдяки досить високому електричному ККД, який в сучасних установках становить 41…44%, і високим маневреним якостям. Вони можуть бути обладнані системами утилізації тепла відхідних газів. При цьому співвідношення теплової потужності до електричної становить 0.75-1.0, тобто на 1 кВт електричної потужності доводиться до 1 кВт теплової в когенераційних установках. ГПУ знайшли широке застосування в приватних володіннях, житлово-комунальних господарствах, будівництві, на промислових підприємствах, в індустріальних парках, в аграрному секторі, тепличних господарствах і нафтогазовій промисловості.

Однак через значну вагу газопоршневі електростанції використовуються при одиничній потужності не більше ніж 3-4 МВт.

Вартість електростанції на базі ГПУ залежить від моделі двигуна, комплектності, обсягів будівельних робіт і коливається в межах від 500 до 2000 $/кВт встановленої електричної потужності, а рівень витрат при капітальному ремонті доходить до 70-90% від первісної вартості установки.

Якщо розглядати екологічну сторону ГПЕС, то рівень викидів NOx до 500 мг/м3 від найсучасніших агрегатів при роботі на природному газі не може вважатися «зеленим» і як мінімум в 10 разів перевищує рівень викидів газових турбін. Використання ж каталізаторів для зниження викидів є вкрай дорогим рішенням, яке суттєво підвищує експлуатаційні витрати ГПЕС.

Газотурбінні електростанції (ГТЕС)

Електростанції на базі сучасних газових турбін відрізняються високою маневреністю – час пуску і виходу на режим номінальної потужності становить не більше 15-20 хв. Електричний ККД сучасних ГТУ досягає 35 … 40%, при якому витрата умовного палива на 1 кВт електричної потужності не перевищує 340-360 г у.п./кВт. До того ж ці установки:

  • мають низький рівень шкідливих викидів, що відповідає вимогам Директиви 2010/75/ЄС (по NOx не більше 50 мг/нм3 і по СО не більше 100 мг/нм3);
  • відрізняються відносно невисоким рівнем питомих капітальних витрат на 1 кВт встановленої електричної потужності і в залежності від комплектації можуть становити 500-750 $ / кВт;
  • мають невелику масу і габарити, що дозволяє їх легко транспортувати будь-яким видом транспорту, а сама електростанція займає порівняно невелику площу;
  • не вимагають будівництва капітальних споруд, відрізняються простотою обслуговування і меншими вимогами до інфраструктури;
  • доставляються на майданчик електростанції з високим рівнем заводської готовності і тому швидко монтуються і підключаються.

ГТЕС здатна віддавати споживачеві значну кількість теплової енергії – з коефіцієнтом 1:2 по відношенню до електричної потужності. Залежно від потреб газотурбінні установки (ГТУ) додатково оснащуються паровими або водогрійними котлами, що дає можливість мати пар різного тиску для виробничих потреб або гарячу воду. При комбінованому використанні енергії двох видів коефіцієнт використання палива газотурбінної теплової електростанції збільшується до 90%.

Треба відзначити, що Україна має достатній науковий і технічний потенціал для самостійного вирішення завдань енергетики. Сьогодні є можливість здійснити весь цикл робіт зі створення «пікових» електростанцій на базі вітчизняного обладнання. Найбільш важливою і складною частиною, що вимагає високого рівня виробництва, є газотурбінна установка.

В Україні успішно працюють підприємства, на яких здійснюється весь цикл створення газотурбінних установок, починаючи від проєкту і закінчуючи енергетичними установками, що поставляються в безліч країн світу.  Як приклад, можна навести широко відомого в світі розробника і виробника газотурбінних установок ДП НВКГ «Зоря» — «Машпроект». Це підприємство має більш ніж 60-річний досвід поставки газотурбінних установок для кораблів, електростанцій і газоперекачувальних агрегатів.

Конвертовані для газового палива двигуни морського застосування складають так званий «проміжний клас», оскільки в спектрі газотурбінної техніки вони зайняли «золоту середину» між конвертованими авіаційними і двигунами, створеними спеціально для енергетичного використання. Такі установки мають достоїнства авіаційних двигунів (невеликі вага і габарити, легкість заміни двигуна цілком або його окремого модуля для виконання високоякісного ремонту в умовах спеціалізованого виробництва, висока прийомистість, що дозволяє використовувати їх в піковому режимі). Крім того, технології, матеріали і покриття, використовувані при створенні цих двигунів, дозволяють застосовувати їх для енергозабезпечення широкого спектру промислових об’єктів, в тому числі й для об’єктів, що експлуатуються в умовах морського клімату: на суднах, морських платформах, берегових і прибережних об’єктах.

Широкий ряд газотурбінних установок одиничною потужністю 5, 6, 16, 25, а в недалекому майбутньому і 32 МВт дозволяє створювати маневрені електростанції необхідної потужності для системи розподіленої енергетики і, перш за все, для покриття «пікових» навантажень. Можливість швидкого пуску і набору навантаження з виходом на номінальний режим відпрацьована при створенні високоманеврових енергетичних установок для сучасних бойових кораблів.

Основні параметри ГТУ для енергетики наведені в табл.2.

Таблиця 2. Газотурбінні установки для енергетики, розроблені ДП НВКГ «Зоря»-«Машпроект»

Газотурбінні установки для енергетики,  розроблені ДП НВКГ «Зоря»-«Машпроект»

В якості палива для роботи ГТД може використовуватися природний газ, дизельне пальне і біопаливо. Крім цього вони можуть забезпечувати роботу на двох видах палива з автоматичним переходом з одного виду палива на інший на будь-якому режимі роботи. Міжремонтний ресурс газотурбінних установок становить не менше 33000 годин, а повний ресурс – 200000 годин. На їх базі можуть бути створені когенераційні і парогазові установки. Отже наявність в Україні вітчизняних виробників, власної ремонтної і сервісної бази дозволить забезпечити надійну і ефективну роботу всього комплексу енергетичного обладнання газотурбінних електростанцій.

Висновки

Аналіз існуючого стану енергетики України вказує на необхідність якнайшвидшого прийняття заходів по її модернізації, проведенні термінових змін в структурі генеруючих потужностей.

Модернізація енергетичної системи України повинна виконуватися з урахуванням існуючої структури енергетики та економіки, наявності фінансових ресурсів, стратегічних напрямків розвитку енергетики і економіки. Енергетика повинна бути гнучкою і незалежною, що забезпечує внутрішні потреби в генерації і компенсацію зовнішніх факторів.

Існуючий потенціал енергомашинобудування в Україні здатний задовольнити внутрішню потребу в створенні маневрених і, разом з тим, екологічних потужностей на базі газотурбінних технологій для компенсації «пікових» навантажень. Отже, вітчизняна газотурбінна маневрена генерація – це реальна і поки що єдина можливість за короткий проміжок часу забезпечити необхідну стабільність енергетики України, а також  підвищити її енергетичну безпеку. А використання власного наукового і виробничого потенціалу газотурбінних технологій це ще і спосіб створення нових робочих місць в країні, можливість підвищення технічного рівня за рахунок інвестицій у власну економіку.

Халатов А.А., Кулішов С.Б., Чобенко В.Н., Раімов Р.І.

За матеріалами: https://elektrovesti.net