Специалисты утверждают, что в условиях роста экономики перед страной маячит реальная перспектива столкнуться с дефицитом энергии уже к 2005 году. Парк энергетического оборудования в России интенсивно изнашивается, а на замену и модернизацию только 10% техники (это около 25 тыс. МВт установленной мощности), по подсчетам финансистов РАО ЕЭС, потребуется около 20 млрд долларов. Таких денег сейчас нет и, по всей видимости, в ближайшее время они не появятся. К слову, на Украине, где реформа "большой" энергетики началась на пять лет раньше, инвестиции в отрасль не превысили нескольких десятков миллионов долларов.
Между тем реализация недорогих программ по энергосбережению и развитию малой энергетики, по мнению академика РАН Олега Фаворского, "может на ближайшие пять-семь лет стать альтернативой затратной реорганизации большой энергетики и частично решить ситуацию с дефицитом электроэнергии".
Турбина без лопаток
Реализация программ по развитию малой энергетики уже началась. Газовики, нефтяники, металлурги, бумажники стараются обезопасить себя от энергетических катаклизмов и обзаводятся собственными электростанциями (обычно газотурбинными) небольшой мощности. Но инвестируя в "карманную" энергетику (как правило, речь идет о суммах от нескольких сотен тысяч до десятка миллионов долларов и мощностях не более 20 МВт), они упускают из виду аспект энергосбережения. Самый очевидный пример - "Газпром". По расчетам калужской компании "Турбокон", газовики могли бы покрыть более трети своих потребностей в электричестве (а это около 5 тыс. МВт), если бы не коптили небо отработанным в газотурбинных компрессорных установках газом, а пустили бы его в дополнительный паровой цикл.
Академик Александр Леонтьев считает, что внедрение именно таких комбинированных энергосберегающих технологий приведет к существенному экономическому и экологическому эффекту. Например, энергосберегающая программа "Турбокона", оцениваемая в 4,5 млрд долларов, предполагает ввод 23-26 тыс. МВт мощностей (а это столько же, сколько дает вся атомная энергетика) на уже существующих промышленных и коммунальных предприятиях, где избыточное тепло пока просто выбрасывается.
В рамках этой программы в "Турбоконе" разработали гидропаровую турбину - уникальную безлопаточную установку, работающую на горячей воде. На завершившемся в мае этого года первом Конкурсе русских инноваций, организованном нашим журналом совместно с компанией "Ауди", новинка стала лауреатом премии, учрежденной Фондом содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере. Среди авторов разработки - академики РАH Владимир Кирюхин, Александр Леонтьев, Олег Фаворский.
Холодный пар для подводных лодок
Малая инновационная компания "Турбокон" образована в 1991 году на базе Калужского турбинного завода (КТЗ). В то время объем заказов на заводе упал в несколько раз и начался отток высококлассных специалистов. Организаторы "Турбокона" хотели сохранить и заводские кадры, и обширные связи с отраслевыми и академическими НИИ, наработанные за десятилетия совместной работы в области создания малых и средних турбин. По словам генерального директора "Турбокона" Владимира Федорова, компания намеревалась стать технологическим и интеллектуальным преемником калужской школы турбиностроения.
В начале 50-х КТЗ работал на советскую программу развития малой энергетики. Тогда только за счет мобильных энергопоездов (на них устанавливались паровые и дизельные энергоблоки мощностью от 500 до 1000 кВт) в стране было электрифицировано почти 10 тыс. населенных пунктов. В 60-х завод стал крупнейшим производителем энергоблоков для морских судов, в том числе для атомных подводных лодок. "Есть несколько отраслей, определяющих развитость государства в технологическом отношении. Это космос, авиация, атомная энергетика и турбиностроение", - утверждает Владимир Федоров. При этом турбины для подводного флота, по его мнению, - устройства на порядок более наукоемкие, чем все прочие турбины.
Защитивший в свое время докторскую по военно-турбинной тематике Владимир Федоров считает, что именно военные наработки позволили создать на КТЗ (до сих пор остающемся монопольным производителем высокотехнологичных энергоблоков для АПЛ) "постоянный источник оригинальных технических идей для наших коммерческих проектов".
Турбины для АПЛ работают на слабоперегретом (около 300 градусов) и влажном паре, и их отличает от высокотемпературных устройств множество технических особенностей. В частности, из-за того, что влажный пар - более агрессивная среда, чем сухой, используемый в энергетических установках. Пар с подобными характеристиками остается после многих технологических процессов в самых разных отраслях и зачастую просто сбрасывается в атмосферу.
Умение специалистов КТЗ работать с влажным и "прохладным" паром пригодилось для одного из первых самостоятельных проектов "Турбокона". В 1993 году специалисты фирмы разработали для котельной Козельского механического завода паровой турбодетандер мощностью 500 кВт и поставили его между котлом и сетевым подогревателем вместо редукторной задвижки. Турбодетандер производил электроэнергию за счет перепада парового давления. Установка была сделана на базе турбогенератора для подлодки.
"Турбокон" заказал на КТЗ 60 таких турбодетандеров (один из них продан в Данию). "Могли бы больше, но парадокс в том, - говорит Владимир Федоров, - что цены на энергооборудование в стране резко поползли вверх, и если в тысяча девятьсот девяносто четвертом году за турбину мы платили пятьдесят-шестьдесят тысяч долларов, то сейчас приходится отдавать сто восемьдесят тысяч. К сожалению, не можем найти компромисса с финансистами Калужского турбинного, они хотят мало и дорого, а мы - много и дешево".
Ноу-хау Герона Александрийского
Низкотемпературный пар - продукт не только промышленной деятельности, он производится и самой природой - в геотермальных источниках. В России горячие источники есть на Камчатке и Курильских островах, в Западной Сибири и на Северном Кавказе. Еще в 1994 году "Турбокон" разработал теплотехническую схему Мутновской геотермальной электростанции на Камчатке. Поэтому, когда в 1998 году Минпромнауки объявило тендер на разработку технологий по использованию геотермальных вод, у "Турбокона" уже был опыт подобной работы.
Геотермальные воды - это смесь пара и воды, наполовину разбавленная попутным горючим газом (чаще метаном). Большинство участников министерского конкурса предполагали использовать пар в турбинах, газ сжигать в двигателях, а горячую воду сливать назад в скважину. "Турбокон" же предложил иную схему: кроме газа и пара электроэнергия вырабатывалась еще и из отделенной от них горячей воды.
Идею использовать для этого обычные паровые или гидравлические турбины отбросили сразу. "Горячая вода, расширяясь, вскипает, и эта агрессивная пароводяная смесь начинает бить по всем элементам турбины, а самое главное - по лопаткам, быстро их разрушая", - говорит президент компании и главный конструктор проекта Олег Мильман. Инженеры "Турбокона" решили использовать в турбине известный с древности принцип сегнерова колеса. Первое такое колесо построил еще Герон Александрийский около двух тысячелетий назад (тогда его называли "эолипилом"), а в середине XVIII столетия его "переизобрел" венгерский ученый Янош Сегнер, от которого оно и получило свое имя. Вращается колесо (сегодня - в основном в школьных лабораториях физики и парковых фонтанах) под действием реактивной силы потока пара или воды, выбрасываемого из загнутых трубок-сопел, которые заменяют спицы.
Очень похоже работает и турбоконовское устройство, но, в отличие от классического сегнерова колеса, в нем используется не только механическая энергия воды, но и тепловая. На диске колеса расположено шесть трубок с расширяющейся выходной частью - так называемые сопла Лаваля (см. схему). Через внутренний канал вала в турбину подается "перегретая" вода под давлением 3 атмосферы с температурой 120 градусов. Колесо начинает раскручиваться, увеличиваются центробежные силы, давление воды в этом своеобразном насосе резко растет и в напорной части перед соплом достигает уже 30 атмосфер. Проходя через сужающуюся часть сопла, поток ускоряется, а затем вода, попадая в область низкого давления в расширяющейся части сопла, начинает интенсивно кипеть. В результате образуется пароводяная смесь, которая выбрасывается из сопла со скоростью 150-200 метров в секунду. Она и создает реактивную тягу, раскручивая вал турбины, которая получила название гидропаровой (ГПТ). Протекание пароводяной смеси происходит без изменения направления потока (как это было бы в случае с обычной "лопаточной" турбиной), и потому в ГПТ нет связанных с этим потерь тепла и быстрой эрозии технологических элементов.
"В ГПТ нет не только сложных легко эродируемых деталей, но и вообще количество подвижных узлов сведено к минимуму, - объясняет Владимир Федоров. - По сравнению с традиционными турбинами с лопаточными аппаратами гидропаровая конструктивно и технологически действительно очень проста. Выпуск классических паровых турбин на новом месте подготавливается годами. Наладить же производство ГПТ - из обычных, заметьте, сталей - можно в течение нескольких недель на многих российских заводах без реконструкции производства. Поэтому энергоустановка на основе такой турбины обойдется заказчику не более чем в триста долларов за один киловатт установленной мощности (для обычной ТЭС этот показатель зашкаливает за восемьсот долларов. - 'Эксперт')".
Воплощение идеи ГТП потребовало почти четырехлетних экспериментов. "Попытки создания энергетической турбины, работающей по схожему принципу, предпринимались и до нас, но все они заканчивались неудачно, - говорит Олег Мильман. - Дело в том, что, несмотря на простоту конструкции ГПТ по сравнению с классическими турбинами, внутри сопел и на выходе из них происходят сложные и малоизученные теплогидродинамические процессы, связанные с неравновесным кипением жидкости, структурой течения пароводяной смеси, пульсациями потока... Это не позволяет просто взять и рассчитать конфигурацию сопла 'от и до'. Нам очень помогла помощь академика Александра Леонтьева - одного из лучших мировых специалистов по неравновесным состояниям двухфазных сред. Сейчас академик Леонтьев высказал идею по увеличению мощности за счет увеличения скорости струи до сверхзвуковой. Переход через скорость звука в двухфазном потоке еще никем не регистрировался - добиться этого очень сложно, но будем стараться, ведь чем выше скорость, тем больше мощность турбины. Деталей пока не раскрою - классная идея, боюсь перехватят".
Дольше всего пришлось повозиться с разработкой формы сопла - ключевого элемента турбины. Уточняли угол раскрытия сопла (выяснилось, к примеру, что тяга увеличивается только до угла в 12 градусов), провели десятки опытов, чтобы понять, какова оптимальная степень расширения сопла (отношения сечений в его начале и конце), и решить, как правильно его расположить относительно диска колеса. В "Турбоконе" признают, что, хотя добились увеличения реактивной тяги в полтора раза по сравнению с первыми образцами, конфигурация сопла еще требует доработки. Для решения этой проблемы привлекаются специалисты МГТУ им Н. Э. Баумана, Института теплофизики СО РАН, Калужского государственного педагогического университета.
Котельная революция
По ходу доводки проекта стало ясно, что существует гораздо более обширная база для применения ГПТ, чем геотермальные станции. По оценкам "Турбокона", в России - колоссальное количество (более 200 тыс.) водогрейных котельных, работу каждой из которых обеспечивает несколько электронасосов (сетевые, котельные, питательные). При отключении электричества они перестают работать, при этом котельная "скисает", а если дело происходит зимой, то замерзают трубы. Чтобы обезопасить себя, котельная может обзавестись резервным дизель-генератором, для работы которого нужно дополнительное дорогостоящее топливо. Но дешевле установить генерирующий блок с гидропаровой турбиной. Для ее работы достаточно будет энергии воды, идущей обратно в котельную от потребителей тепла (ее температура составляет 130 градусов).
"Это понятный рынок, - утверждает Олег Мильман, - и со временем мы собираемся запустить в производство турбины мощностью пятнадцать, семьдесят пять, сто пятьдесят, триста киловатт. Это как раз соответствует потребностям наших котельных". Он убежден, что, как только пойдет серия, котельные быстро поймут свою выгоду: "Заплатил от ста пятидесяти тысяч до трех миллионов рублей - и у тебя своя система, никакие распределительные сети не портят жизнь. Произвожу у себя и потребляю у себя". При этом расход топлива на 1 кВтщчас составит всего 150-160 граммов условного топлива, в то время как у РАО ЕЭС сейчас в среднем 345 граммов. Не будет теряться и энергия отработанной воды, температура которой составляет 50 градусов - ее используют для подогрева сетевой воды. По расчетам, себестоимость 1 кВтщчас электроэнергии, полученной на ГПТ, не превысит десяти копеек, средний же тариф для промышленных потребителей составляет примерно 90 копеек, для частных - 50-70. Таким образом, турбина может окупиться всего за два-три года. Пожалуй, идеологам реформы ЖКХ стоило бы хотя бы поверхностно ознакомиться с этим проектом.
Но и котельными новые области применения ГПТ не ограничиваются. Академик Фаворский предложил "Турбокону" проработать еще одну нестандартную схему. В Западной Европе хотят к 2015 году 12% энергии вырабатывать за счет альтернативных источников. Этот процесс тормозится чрезвычайной дороговизной нетрадиционных технологий. Стоимость установленного киловатта мощности устройств прямого превращения солнечной энергии в электрическую превышает пять тысяч долларов из-за высоких цен на сверхчистый кремний, используемый в фотодиодах. Ненамного дешевле и колоссальные солнечные коллекторы со сложной системой точной фокусировки лучей на парогенераторах. Специалисты "Турбокона" вместе с коллегами из Израиля и Индии работают сейчас над техническим проектом несложного солнечного устройства. В его основе - аккумулирующий бак, в котором вода будет нагреваться до 100 градусов, то есть до температуры, достаточной для нормальной работы гидропаровой турбины. "Вообще, ГПТ применимы везде, где есть, говоря техническим языком, 'наличие низкопотенциального тепла', - говорит Владимир Федоров, - а это, кроме геотермальных источников и Солнца, энергия биомасс и промышленно-бытовых отходов, уходящих газов из энергетических котлов и газовых турбин. Разумеется, мы не считаем, что гидропаровые турбины могут в принципе решить проблемы 'большой' электроэнергетики, но у этой технологии есть четко обозначенные рыночные ниши, и грех этим не воспользоваться".
