Работа микротурбин Capstone на природном газе низкого давления
Микротурбины Capstone рассчитаны на подачу газообразного топлива под давлением, достаточным для его дозирования и впрыска в камеру сгорания. Для стандартных вариантов эксплуатации на природном газе это давление значительно выше того, которое может быть доступно непосредственно в газопроводе на объекте. Например, для Capstone C65 и C200 стандартное давление природного газа перед установкой составляет порядка 0,52–0,55 МПа избыточного давления. Для C30 требуется около 0,38–0,41 МПа.
Это не означает, что микротурбина может применяться только на объектах, где такое давление уже имеется. Для работы от источника природного газа с существенно меньшим давлением Capstone выпускала специальные варианты исполнения Low Pressure Natural Gas — LPNG, оснащённые системой дожима топливного газа. В зависимости от модели применялся либо отдельный внешний компрессорный модуль Gas Pack, либо дожимной компрессор, интегрированный непосредственно в корпус установки.
Почему микротурбине требуется повышенное давление газа
Внутри микротурбины воздух перед камерой сгорания сжимается центробежным компрессором, расположенным на общем валу с турбиной и высокоскоростным генератором. Поэтому топливо должно поступать в систему впрыска с давлением, превышающим давление в соответствующей части газовоздушного тракта.
Именно поэтому природный газ нельзя просто подать из низконапорного газопровода непосредственно к форсункам микротурбины. Если давление на объекте недостаточно, между системой газоснабжения и топливной системой устанавливается дожимной компрессор топливного газа – Fuel Gas Booster, FGB. Производитель говорит открыто, что повышенное давление топлива необходимо для преодоления внутреннего давления двигателя и нормальной работы системы впрыска.
При этом воздушный компрессор самой микротурбины и дожимной компрессор топливного газа – два разных агрегата. Первый является частью газотурбинного двигателя и сжимает воздух; второй работает только с топливным газом.
Диапазоны давления природного газа
Конкретный диапазон допустимого давления зависит от модели и исполнения микротурбины.
| Модель | Стандартное исполнение на природном газе | Исполнение для низкого давления | Способ дожима газа |
| C30 | 0,379–0,414 МПа изб. | 0,014–0,050 МПа изб. | исполнение LPNG с компрессором топливного газа |
| C65 | 0,517–0,552 МПа изб. | 0,0014–0,069 МПа изб. для Gas Pack | внешний Gas Pack |
| C200S | около 0,52–0,55 МПа изб. | 0,0017–0,0345 МПа изб. | встроенный FGB |
| C600S | около 0,52–0,55 МПа изб. | 0,0017–0,0345 МПа изб. | встроенные компрессоры |
| C800S | около 0,52–0,55 МПа изб. | 0,0017–0,0345 МПа изб. | встроенные компрессоры |
| C1000S | 0,517–0,551 МПа изб. | 0,0017–0,0345 МПа изб. | встроенные компрессоры |
Для C30 последняя версия спецификации Capstone на исполнение LPNG устанавливает давление газа 14–50 кПа избыточного давления. Для C200S и построенных на модулях C200 установок C600S, C800S и C1000S диапазон составляет всего 1,7–34,5 кПа.
У C65 применяется другая схема: отдельный Gas Pack допускает подачу газа с давлением от 1,4 до 69 кПа изб., после чего компрессор повышает его до давления, требуемого топливной системой микротурбины – порядка 0,52–0,55 МПа изб.
Capstone C65: внешний дожимной компрессор Gas Pack
Слева установлен Gas Pack, справа не установлен. Модели C65
Наиболее наглядно решение для низкого давления реализовано на C65. Для этих машин Capstone разработала отдельную компрессорную установку Gas Pack, которая монтируется с задней стороны корпуса микротурбины.
Из-за такого расположения Gas Pack иногда называют «ранцевым компрессором».
Gas Pack принимает природный газ низкого давления и повышает его давление до величины, необходимой C65. Перед входом каждой микротурбины устанавливается отдельный регулятор давления. Один Gas Pack мог подавать топливо сразу на две C65, для чего Capstone предусматривала соответствующий комплект трубопроводов и второй газовый выход.
Внешний дожимной компрессор Gas Pack
Как устроен Gas Pack
Основным элементом Gas Pack является спиральный компрессор. В состав газового и вспомогательного трактов также входят входной сетчатый фильтр, обратный клапан, первичный и вторичный маслоотделители, масляный фильтр, маслоохладитель, байпас, датчики давления и температуры, система воздушного охлаждения и собственный блок управления.
Газ поступает в компрессор при низком давлении, сжимается и далее через выходную линию и регулятор подаётся к топливному входу C65. Во время работы давление непосредственно перед микротурбиной должно находиться приблизительно в диапазоне 0,517–0,552 МПа изб.
Интересной особенностью является то, что Gas Pack имеет собственную маслосистему. Поэтому распространённое описание Capstone как «безмасляной микротурбины» относится непосредственно к газотурбинному модулю с воздушными подшипниками. Внешний дожимной компрессор является самостоятельным вспомогательным агрегатом и может содержать масло, фильтры и маслоотделители.
Gas Pack выпускался в нескольких вариантах электропитания. В одной версии компрессор получал питание от внешней трёхфазной сети, в другой — от шины постоянного тока микротурбины. Управление работой компрессора было связано с системой запуска и останова C60/C65: при запуске установки автоматически запускался и дожим газа.
Capstone C30 на газе низкого давления
Для C30 существовало отдельное исполнение Low Pressure Natural Gas. В последней спецификации Capstone диапазон входного избыточного давления природного газа для этой версии составляет 14–50 кПа, тогда как стандартной C30 на природном газе требуется порядка 0,379–0,414 МПа.
Работа компрессора требует электрической энергии и поэтому уменьшает мощность, доступную внешнему потребителю. Для исполнения C30 LPNG Capstone указывала электрическую мощность 28 кВт против 30 кВт у стандартной версии высокого давления.
В более раннем техническом руководстве Capstone подробно показано влияние входного давления на собственное потребление компрессора. При давлении газа 34,5 кПа изб. на работу компрессора требовалось порядка 2,0 кВт, а при очень низком давлении 1,4 кПа изб. – около 2,6 кВт. Хорошо показан сам принцип: чем меньше давление газа на объекте, тем больше работа, которую должен выполнять дожимной компрессор.
C200: дожимной компрессор внутри установки
Начиная с C200 решение становится конструктивно более интегрированным. Для C200 Capstone выпускала отдельное исполнение на природном газе низкого давления со встроенным дожимным компрессором топливного газа.
Для C200S LPNG допускается давление газа на входе 1,7–34,5 кПа изб. При этом стандартному высоконапорному варианту исполнения требуется примерно 0,52–0,55 МПа изб.
В отличие от наружного Gas Pack C65, у C200 компрессор размещён непосредственно внутри корпуса установки. Capstone указывает, что на работу внутреннего FGB требуется приблизительно 10 кВт электрической мощности при большинстве рабочих режимов.
Поэтому у C200 появляется принципиально важное различие между двумя исполнениями:
C200 на газе требуемого высокого давления – до 200 кВт;
C200 в исполнении LPNG с внутренним дожимом – около 190 кВт.
В техническом описании Capstone прямо указывалось: при расчёте полезной мощности исполнения низкого давления следует учитывать порядка 10 кВт собственных нужд FGB.
C600, C800 и C1000: тот же принцип в модульной установке
Многомодульные Capstone C600, C800 и C1000 построены на базе нескольких силовых модулей C200. В современных исполнениях Signature Series применяются соответственно три, четыре и пять модулей по 200 кВт.
Поэтому влияние дожима газа масштабируется вместе с количеством силовых модулей.
Паспортные характеристики исполнений LPNG показывают это особенно наглядно:
| Исполнение LPNG | Количество модулей C200 | Давление газа на входе | Электрическая мощность |
| C200S | 1 | 1,7–34,5 кПа изб. | 190 кВт |
| C600S | 3 | 1,7–34,5 кПа изб. | 570 кВт |
| C800S | 4 | 1,7–34,5 кПа изб. | 760 кВт |
| C1000S | 5 | 1,7–34,5 кПа изб. | 950 кВт |
Для C600S Capstone прямо указывает наличие внутреннего компрессора топливного газа, размещённого внутри корпуса, и паспортную электрическую мощность LPNG 570 кВт. Для C800S это 760 кВт, а для C1000S – 950 кВт.
Таким образом, уменьшение доступной мощности составляет примерно 10 кВт на каждый модуль C200:
C200: −10 кВт; C600: −30 кВт; C800: −40 кВт; C1000: −50 кВт.
Это не снижение мощности газотурбинного двигателя из-за самого низкого давления газа. Разница возникает прежде всего потому, что часть электрической мощности расходуется внутри установки на работу компрессоров топливного газа. Для C200 Capstone отдельно подтверждает приблизительную нагрузку FGB в 10 кВт.
Здесь также важно разделять электрическую мощность микротурбинной установки и мощность готовой ГТЭС. Внешние собственные нужды электростанции – вентиляция контейнера, отопление, насосы системы теплоутилизации, системы управления и другое вспомогательное оборудование – рассчитываются дополнительно.
Что происходит, если давление газа уже достаточное
Если объект располагает природным газом с необходимым для микротурбины давлением, дожимной компрессор не требуется.
Для C65 это означает возможность подавать подготовленный природный газ непосредственно в штатный топливный тракт при 0,517–0,552 Мпа. Для C200 и многомодульных установок применяется аналогичное высоконапорное исполнение. В этом случае отсутствуют электрические затраты на FGB и сохраняется номинальная мощность высоконапорной версии.
Требования к газоподготовке
Дожимной компрессор позволяет решить проблему давления, но не заменяет систему подготовки газа.
Перед подачей природного газа в микротурбину должны контролироваться состав топлива, содержание жидкости и механических примесей, температура, теплота сгорания и другие параметры, установленные для конкретного исполнения Capstone.
Особенно важна чистота газа при наличии компрессора. Загрязнения проходят через элементы системы дожима, регулирующую арматуру, топливный коллектор и форсунки. Capstone отдельно отмечает, что загрязнённое топливо способно отрицательно влиять как на компрессор топливного газа, так и на клапаны, форсунки, камеру сгорания и другие элементы установки.
Поэтому типовая система подачи газа к ГТЭС может включать очистку от механических примесей и капельной жидкости, контроль или регулирование давления, коммерческий или технологический учёт, запорную и предохранительную арматуру, а при недостаточном давлении – дожимной компрессор.
Конкретный состав системы газоподготовки определяется параметрами исходного газа и требованиями выбранной модели микротурбины. Можно ознакомиться с материалами по газоподготоке отдельно здесь.
Что даёт исполнение Capstone для низкого давления
Главное преимущество системы дожима состоит не в повышении характеристик самой турбины, а в расширении диапазона объектов, на которых она может использоваться.
Если стандартной C65 требуется около 0,52–0,55 МПа изб., то применение Gas Pack позволяет использовать источник газа с давлением от 1,4 кПа изб. Для C200S и многомодульных C600S/C800S/C1000S встроенная система дожима рассчитана на входное давление от 1,7 до 34,5 кПа изб.
При выборе такого исполнения необходимо учитывать обратную сторону решения – расход электрической энергии на собственные нужды компрессора. У C30 это несколько киловатт, у C200 – порядка 10 кВт, а у многомодульных установок суммарная нагрузка увеличивается пропорционально числу силовых модулей.
Именно поэтому при подборе Capstone необходимо рассматривать не только номинальную мощность микротурбины, но одновременно три параметра: доступное давление газа на объекте, требуемый расход топлива и электрическую мощность, которая должна оставаться доступной потребителю после учёта дожима и остальных собственных нужд.
