В этой статье попробуем разобраться в извечном вопросе для энергетиков: «Газопоршневой агрегат или микротурбинная установка?».
Сразу сделаю небольшую ремарку. О преимуществах тех или иных гогенерационных установок и технологий написано немало статей, сложено много мифов. Мы не преследуем коммерческих целей, и данная статья основывается исключительно на нашем опыте в проектировании подобных объектов. А также не устанавливаем себе рамок по поводу объекта, просто сравниваем установки.
Для начала ознакомимся с нашими претендентами.
Газопоршневая электростанция – это система генерации, созданная на основе поршневого двигателя внутреннего сгорания, работающего на природном или другом горючем газе.
Возможно получение двух видов энергии, (тепло и электричество) и этот процесс называется «когенерация».
В случае если в газопоршневых электростанциях используется технология, позволяющая получать ещё и холод (что очень актуально для вентиляции, холодоснабжения, промышленного охлаждения), то данная технология будет называться «тригенерация».
Внешний вид газопоршневого агрегата (ГПА)Фото с сайта: manbw.ru
Газотурбинная электростанция — современная высокотехнологичная установка, генерирующая электричество и тепловую энергию.
Основу газотурбинной электростанции составляют один или несколько газотурбинных двигателей — силовых агрегатов, механически связанных с электрогенератором и объединенных системой управления в единый энергетический комплекс.
Газотурбинная электростанция может иметь электрическую мощность от двадцати киловатт до сотен мегаватт. Она способна также отдавать потребителю значительное количество (вдвое больше электрической мощности) тепловой энергии, если установить на выхлопе турбины котёл-утилизатор.
Внешний вид микротурбины (микро-ГТУ)Фото с сайта www.capstoneturbine.com
Определяющими критериями для владельцев автономных электростанций являются вопросы расхода топлива, уровень эксплуатационных затрат, а также срок окупаемости оборудования электростанции. А эти вопросы связанны с выгодами и проблемами, которые может иметь владелец электростанции. Поэтому начнем разбираться во все по порядку.
РАУНД 1.ЦЕНА
Так как цена иногда является определяющим фактором в выборе оборудования сравним стоимость ГПА и микро ГТУ.
Удельные капитальные затраты на ГПА составляют от 600-800 долл./кВт.
Микро-ГТУ обходится дороже и эта сумма уже составляет 1300-1800 долл./кВт.
Стоимость зависит от производителя. Иностранные установки обходятся дороже российских аналогов.
В сравнении по цене отдаем предпочтение ГПА.
РАУНД 2. РАСХОД ГАЗА
Сравнивать расход газа для ГПА и микро-ГТУ довольно сложно. Во-первых, большое количество производителей. Во-вторых, у каждого производителя широкий модельный ряд.
Для сравнения возьмем ведущих производителей. Фирмы Jenbacher (производитель ГПА) и Capstone (производитель микро-ГТУ).
- Если сравнивать расход газа, то с небольшим преимуществом побеждает ГПА.
- 2:0 в пользу ГПА
- РАУНД 3. ЭФФЕКТИВНОСТЬ
- Давайте сравним эффективность все тех же ГПА и микро-ГТУ
Еще одно очко в пользу ГПА.
РАУНД 4. ВЫХОД ТЕПЛА
Когенерационное оборудование устанавливается как для получения электрической энергии, так и тепловой. Поэтому сравним, какая машина дает больше тепловой энергии.
Поэтому, счет становиться 3:1 в пользу ГПА.Напомню, что модельный ряд широкий и цифры могут меняться. Тут приведены значения для выборочных моделей. Среднее соотношение тепловой нагрузки к электрической для ГПА составляет 1,2. Для микро-ГТУ – 1,5-2,2.
РАУНД 5. РЕГУЛИРОВАНИЕ НАГРУЗКИ
Это довольно существенный фактор в выборе оборудования. В реальной жизни нагрузка электрическая и тепловая переменные. Не смотря на то, что генерирующее оборудование подбирается под базовую нагрузку, оно должно иметь гибкий график работы.
Справка: Регулировочный диапазон – минимально допустимая нагрузка, при которой установка способна работать.
Справка: ГПА может работать при нагрузке ниже, но это крайне не желательно.
Выдержка из технической документации компании Jenbacher GE: при работе в обособленном (автономном) режиме допускается работа с частичной нагрузкой от 20% до 40% номинальной, но не чаще 6-ти раз в год, и на срок до 24 часов.
Работа в автономном режиме с нагрузкой ниже 50% номинальной допускается не чаще одного раза в сутки на срок не более 4 часов.
Микро-ГТУ начинает приближаться к ГПА. Счет 3:2.
РАУНД 6. МОЩНОСТЬ И ТЕМПЕРАТУРА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
Параметры электрической мощности генерирующих установок, по существующим стандартам ISO, измеряются при t +15°C. Поэтому параметры приведенные в техническом паспорте соответствуют температуре +15°C. Посмотрим, как ведет себя мощность установок при различной температуре:
Как видно из графика, мощность ГПА при пониженных температурах остается неизменной.
При значительном повышении температуры окружающей среды мощность газотурбинной установки падает. Но при понижении температуры электрическая мощность наоборот, растет.
Ни кому не присваиваем бала.
РАУНД 7. ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРИ РАЗЛИЧНОЙ ЗАГРУЗКЕ
Загрузка установок в процессе эксплуатации может меняться. Эффективность установок при различных загрузках приведена на рисунке. Этот показатель будет влиять на потребление топлива при разных нагрузках.
Из графика следует, что КПД ГПА остается стабильным до нагрузки 40%, затем начинает снижаться. У микро-ГТУ КПД снижается вместе с загрузкой.
Но не будем забывать о нагрузках ниже 50% для ГПА. Ведь они губительны, а порой и разрушительны для поршневых установок. Эксплуатация поршневых установок на низких нагрузках приводит к наступлению капитального ремонта не через 6 лет, а через 2-3 года. Это очень высокая цена за выигрыш в КПД на малой нагрузке.
Поэтому делаем заключение, что обе машины ведут себя примерно одинаково в диапазоне от 70% до 100%. Что и является рабочим диапазоном. Так что счет остается неизменным после этого раунда.
РАУНД 8. ЭКОЛОГИЯ
Надо отметить, что газопоршневые установки значительно уступают газотурбинным агрегатам по уровню выбросов NOx. Так как моторное масло выгорает в значительных объемах, поршневые агрегаты имеют уровень вредных выбросов в атмосферу в 15-20 раз больший, чем у газотурбинных агрегатов.
Содержание СО (при 15% О2) для газопоршневых двигателей находится на уровне 180-210 мг/м3, и это несмотря на наличие в выхлопном тракте GE Jenbacher дорогостоящей каталитической очистки уходящих газов.
Для соответствия требованиям по ПДК, при использовании поршневых машин необходимо строить высокие дымовые трубы, а это дополнительные затраты.
Очко за экологию присваиваем микро-ГТУ. Счет сравнивается, 3:3.
РАУНД 9. ШУМ
Шум одна из проблем в работе ГПА. При работе ГПА наблюдается высокий уровень низкочастотного шума, который сопровождается вибрацией. Поэтому для устранения шумовой нагрузки приходится прибегать к строительству шумозащитных кожухов. Это дополнительные затраты. Из-за вибрационных воздействий ГПА не возможно установить на крыше здания.
Микро-ГТУ тоже имеет шумовое воздействие, но оно значительно ниже.
Бал присваиваем микро-ГТУ. И теперь микро-ГТУ выходит вперед, 3:4.
РАУНД 10. НАБРОС НАГРУЗКИ
Наброс нагрузки у ГПА и микро-ГТУ довольно высокий. Для более детальной оценки сравним как ведут себя машины при набросе в 50%.
По цифрам все понятно. Свой бал получает ГПА. Счет становится равным 4:4.
РАУНД 11. МАСЛО
Этот раунд заведомо проигран ГПА. Но без него не куда.
В части эксплуатации газопоршневого двигателя в приводе электростанции особо следует обратить внимание на количество используемого моторного масла. Само собой, масло должно быть рекомендованным для данной газопоршневой установки.
Справка: Фактический расход моторного масла на 1 МВт установке «Jenbacher GE» может достигать 15000 литров в год.
Одним из рекомендованных моторных масел для газопоршневых машин является Pegasus 705 (MOBIL).
Оптовая цена составляет -4-6 долларов за литр, а специальное моторное масло для газовых поршневых двигателей марки Mysella 15W-40 (Shell)– стоит 1000 долл. за бочку объемом в 208 литров.
Использование не рекомендованного моторного масла ведет к потере заводских гарантий и непредсказуемым последствиям для самого газопоршневого двигателя. Замена моторного масла должна производиться один раз в 2-4 месяца.
Отработанное масло газопоршневых установок нельзя просто вылить на землю — 600 литров на 1 МВт требуют утилизации – это также постоянные расходы для владельцев электростанции.
Явное преимущество микро-ГТУ. 4:5, вперед вырывается микро-ГТУ.
РАУНД 12. ТОПЛИВО
«Микротурбины не так «всеядны» в отличие от своих полноразмерных собратьев и существует ряд ограничений, накладываемых на состав топливного газа», это мнение можно с легкостью найти в любом сравнении ГПА и микро-ГТУ. Однако это не так.
Современные микротурбины работают практически на любом газообразном топливе. Конечно для работы потребуется специальная комплектация микро-ГТУ. Но ведь и ГПА серийного производства не будет работать на «кислом» газу.
Поэтому это выражение притянуто за «уши» в пользу ГПА.
Но этот раунд включен не просто так. У микро-ГТУ есть существенный недостаток по давлению рабочего газа. Для работы микро-ГТУ необходимо давление газа порядка 5 бар. Если у Вас отсутствует такое давление в системе, то необходимо устанавливать дожимной компрессор. С установкой дожимного компрессора возрастут собственные нужды и капитальные затраты.
Еще один бал получает ГПА. Счет становиться равным 5:5.
- РАУНД 13. МАССА
- ГПА в отношении размер-масса имеет худшую характеристику по сравнению с микро-ГТУ.
Из представленных габаритов следует, что ГПА требует больше места, т.к. имеет больший вес на единицу мощности.
Счет становится 5:6 в пользу микротурбины.
РАУНД 14. СТОИМОСТЬ ОБСЛУЖИВАНИЯ И РЕМОНТА
Это самый спорный вопрос. Конечно, стоимость эксплуатации зависит от многих факторов: в каких условиях эксплуатируется, как соблюдаются регламентационные предписания производителей. Для нашей оценки возьмем идеальные условия. При эксплуатации соблюдены все требования завода-производителя.
Стоимость эксплуатации микротурбины меньше, чем у ГПА. Это связано с несколькими факторами:
- Отсутствуют затраты на масло
- Нет необходимости менять фильтры часто
- Меньшее количество движущихся частей
Приводить цифры эксплуатационного обслуживания не будем. На это есть свои причины. Во-первых, эта характеристика отдельна для каждой модели и завода-производителя. Во-вторых, они зависят от эксплуатации оборудования. Поэтому оценку мы произвели исключительно на собственном опыте в подобных объектах.
Капитальный ремонт тоже довольно спорный вопрос. Стоимость кап. ремонта тоже зависит от множества факторов. Но для идеальных условий капитальный ремонт турбины обойдется дешевле, чем у ГПА. Стоимость капитального ремонта газовой турбины с учётом затрат на запчасти и материалы ниже, чем стоимость ремонта газопоршневой установки, на 30-40%.
Микро-ГТУ получает еще одно очко. 5:7
РАУНД 15. РЕСУРС ДО КАПИТАЛЬНОГО РЕМОНТА
Ресурс до капитального ремонта составляет у газовой турбины 40.000–60.000 рабочих часов. При правильной эксплуатации и своевременном проведении регламентных работ у газопоршневого двигателя этот показатель составляет 60000 – 80000 рабочих часов. Конечно, все зависит от производителя.
ГПА пытается догнать микро-ГТУ. 6:7.
РАУНД 16. КОЛИЧЕСТВО ПУСКОВ
Газопоршневой двигатель может запускаться и останавливаться неограниченное число раз, что не отражается на его моторесурсе.
Газотурбинную установку же, из-за резких изменений термических напряжений, возникающих в наиболее ответственных узлах и деталях горячего тракта ГТУ при быстрых пусках агрегата из холодного состояния, предпочтительнее использовать для постоянной, непрерывной работы. Число пусков газотурбинной установки составляет 300 раз в год без малейшей потери ресурса.
- Свое очко получает ГПА и счет становиться равным 7:7.
- Сведем все результаты
Из всего этого можно сделать заключение. Две машины имеют как свои плюсы, так и минусы. Сравнивать их довольно сложно. И сказать какая из них лучше не получиться. Все зависит от условий и требований где будут эксплуатироваться машины.
На территории Республики Беларусь действует правило: когенерационное оборудование подбирается под тепловую нагрузку. Т.е если у Вас в данный момент тепловая нагрузка составляет 1 МВт, то вырабатываемая электрическая мощность должна соответствовать тепловой.
На основании этого факта, когенерационное оборудование подбирается под базовую тепловую нагрузку, Вам никто не разрешит выбрасывать тепло от когенерационного оборудования в воздух. Поэтому микро-ГТУ оптимально подходят для объектов, где существует большая потребность в тепле. Т.
е где тепловая нагрузка в несколько раз больше электрической.
Рассмотрим несколько примеров:
1. Бассейн
Бассейн это отличный вариант для установки в нем микро-ГТУ. Особенностью работы бассейна является необходимость в большом количестве тепла для поддержания требуемой температуры воды и воздуха.
А электрическая нагрузка в несколько раз меньше тепловой. Поэтому, установив микро-ГТУ, Вы обеспечите себя необходимым количеством электрической и тепловой энергии.
Во вторых, микро-ГТУ обеспечит все необходимые провалы в потреблении как днем, так и ночью.
2. Зерносушилка
Зерносушилка потребляет тепловой энергии в 2-3 раза больше, чем электрической. Идеальный вариант для установки микро-ГТУ. Почему выгодно устанавливать микро-ГТУ не смотря на то, что зерносушилка работает во время уборки. Эффективность подобного проекта проявляется в стоимости газовой горелки, используемой на сегодняшний момент в большинстве зерносушилок.
Справка: Стоимость зерносушильной установки с потребляемой мощностью 16 кВт МЕПУ М150к на сегодняшний день 37000 евро. Стоимость газовой горелки от 5000 евро. Примерная стоимость разрабатываемого МТУ такой мощности 35000 евро.
- Так же не стоит забывать, что во время работы сушильного комплекса нагрузка постоянно меняется, а микро-ГТУ способна работать при меняющихся нагрузках.
- Пример подобного проекта
- 3. Торговый центр
Этот вариант подойдет в том, случае если на кондиционирование и техническое холодоснабжение используются абсорбционные холодильные машины.
В таком случае, в любое время года необходимо большое количество тепла.
Ночью, когда отсутствуют покупатели, отсутствует необходимость в кондиционировании и сокращается потребление электрической энергии. Поэтому микротурбина будет лучше справляться, чем ГПА.
4. Офисное помещение
Офисное помещение подойдет, лишь в том случае, если установлена система кондиционирования на базе абсорбционных холодильных машин. Тут преимущества такие же как и в торговом центре.
В заключение хочется сказать, что при выборе силовых агрегатов автономной электростанции необходимы консультации специалистов, образованных как технически, так и экономически.
Консалтинг позволяет компетентно, непредвзято и объективно определиться с выбором основного и вспомогательного оборудования.
Также, компетентный консалтинг от профессионалов в сфере энергетики, позволяет избежать дорогостоящих ошибок в проектировании.
Газопоршневая установка: описание, принцип работы и особенности установки :
Принцип когенерации выработки позволяет обеспечивать потребителей несколькими видами энергии при минимальных затратах. На таких платформах работают станции, снабжающие предприятия теплом, холодом, паром и электричеством.
Объемы выработки и способы распространения энергии зависят от конструкции и местного инженерного обеспечения. Типовой реализацией данной концепции является газопоршневая установка (ГПУ), в состав которой входит двигатель внутреннего сгорания.
Несмотря на традиционный способ конструкционного исполнения, такие агрегаты являются эффективными, функциональными и долговечными. Впрочем, они не избавлены и от недостатков.
Устройство ГПУ
Конструкция базируется на массивном ДВС, в котором предусмотрена камера сгорания и вспомогательная инфраструктура для осуществления процессов смесеобразования и зажигания. Остальная техническая часть определяется тем, какие конкретно типы энергии нужно получить в ходе прохождения циклов сгорания.
Например, распространено подключение вала, благодаря механической работе которого генерируется электрическая энергия. Механическое действие вал совершает за счет ДВС. Непосредственно тепловая энергия, которая вырабатывается уже в первом цикле, может распространяться или аккумулироваться в бойлерах с контурами.
Это же касается и пара, который будет передавать потребителям тригенерационная газопоршневая установка. Устройство современных ГПУ не обходится без систем обеспечения безопасности, в числе которых датчики температуры, регуляторы детонации, панели контроля и управления.
В то же время не всегда такие генераторы выступают в качестве самостоятельных объектов выработки энергии. Нередко их уже на этапе строительства интегрируют в инженерную инфраструктуру крупных предприятий. В этом случае они выступают лишь компонентом газовых компрессоров, приводов насосов или холодильных установок.
Разумеется, речь идет об индустриальном оборудовании, требующем подключения больших потоков энергии.
Независимо от алгоритма генерации, преобразования и дальнейшего распространения энергии, на базовом уровне ГПУ вырабатывают энергетический потенциал в процессе сжигания газового топлива. По расчетам специалистов, тепловая энергия на таких станциях позволяет генерировать электроэнергию с КПД порядка 40 %.
Иными словами, большая часть генерируемого тепла уходит в окружающую среду, а почти половина – аккумулируется и направляется потребителями.
И в этом контексте можно вспомнить о концепции, встроенной в инженерную структуру предприятия станции, – данная схема позволит эффективнее расходовать и уходящую «местную» тепловую энергию на обогрев помещений и т. д.
Кроме того, активно распространяются многофункциональные газопоршневые установки, принцип работы которых ориентирован на сегментированную выработку энергии разного типа в отдельных блоках. Это когенерационные и тригенерационные станции, которые позволяют использовать первичную вырабатываемую энергию с КПД порядка 90 %. Их стоит рассмотреть отдельно.
Принцип когенерации
Для начала стоит подчеркнуть, что выработка электроэнергии на многих установках производится «по умолчанию». Это наиболее распространенный вид целевого продукта станций ГПУ. Но, кроме него, тепловая энергия может преобразовываться в средство нагрева воды и пар. Охлаждение ДВС реализуется по закрытому контуру, в котором циркулирует холодная вода. Она отбирает тепловую энергию у двигателя, после чего отправляется в теплообменник. На завершающем цикле теплоноситель поступает в котел, утилизирующий тепло. Данная инфраструктура позволяет использовать газопоршневые когенерационные установки в комплекте с быстровозводимыми модульными зданиями или в готовых контейнерах. Они располагаются в самих предприятиях или вблизи. Когенерационный принцип работы обеспечивает снабжение потребителей электроэнергией, горячей водой или паром.
Принцип тригенерации
Тригенерация подразумевает расширение функциональности обычных ГПУ за счет добавления задачи выработки холода. Данная функция тоже довольно широко востребована среди предприятий из разных отраслей. Технически тригенерация достигается в процессе той же процедуры утилизации тепла, но в больших объемах.
Для непосредственной аккумуляции холодных потоков и их распределения используются абсорбционные или компрессорные кондиционеры. Причем охладительные чиллеры на основе абсорбции используют уже выработанную горячую воду или пар от ГПУ. Газопоршневая установка с компрессорным кондиционированием, в свою очередь, работает за счет готовой электроэнергии.
То есть в любом случае охлаждающие установки требуют для своей функции вторичный продукт переработки.
Топливный материал
Существенной особенностью ГПУ, которая отличает ее от других энергетических станций, является работа за счет сгорания газа. Специфика применения данного топлива обусловлена и повышенными требованиями к безопасности установки, и жесткими экологическими нормативами.
Чаще всего для питания таких объектов используют природный газ, бутан, пропан, пиролизный, древесный и коксовый газы. В некоторых случаях ради удешевления процессов генерации ДВС заправляют попутным газом нефтяной переработки, а также газами сточных вод и мусорных свалок.
Качественные характеристики топлива определяются по параметрам серосодержания, степени детонации, коэффициента содержания метана, теплоты сгорания и т. д.
Особенности монтажа установки
Станции в разобранном виде доставляются на место установки с помощью спецтехники. К этому моменту на рабочей площадке должен быть подготовлен фундамент, соответствующий размерам и массе ГПУ. На следующей стадии производится агрегатная сборка – компонуются в единую структуру элементы ДВС, кулеры, воздухозаборники, резервуары, бойлеры и прочие части рабочей инфраструктуры.
Затем выполняется обвязка с местными инженерными коммуникациями, то есть сетями, с которыми будет взаимодействовать станция в процессе эксплуатации. По этим каналам будет осуществляться распространение тепла, горячей воды, электричества, пара и т. д. В отдельном порядке организуется система, через которую управляется газопоршневая установка.
Монтаж в этой части заключается в организации внутриплощадочных электросетей снабжения, установке пунктов диспетчеризации и автоматизации, устройстве молниезащиты и заземления. Наиболее ответственны работы с модульными конструкциями, которые могут интегрироваться в состав предприятия как строительного сооружения.
В данном случае изначально разрабатывается проект установки станции, ее подключения к коммуникациям и системы энергообеспечения.
Техническое обслуживание станций
Сразу после монтажных работ производится первое тестирование с наладкой оборудования. В перечень пусконаладочных мероприятий входит проверка функциональных компонентов, сетей, контуров, измерительных приборов и датчиков. В дальнейшем подобные операции могут выполняться после реконструкции или модернизации станции.
Что касается ремонтных мероприятий, то газопоршневая установка может подвергаться плановой и капитальной ревизии, по результатам которой главный инженер разработает проект технической поддержки.
В регулярном порядке обслуживающий персонал должен своевременно менять расходные части компонентов станции, обновлять рабочие жидкости и отслеживать температурные параметры.
Установки Caterpillar
Фирма Caterpillar является одним из крупнейших производителей инженерно-промышленного оборудования в мире. Сегмент газопоршневых агрегатов представлен моделями, мощность которых варьируется в диапазоне от 20 до 10 000 кВт. Наибольший спрос отмечается в спектре от 360 до 2 000 кВт.
Что касается конструкционного исполнения, то компания предлагает и готовые к эксплуатации контейнерные блоки, и модульно-разборные крупные станции, размеры которых могут достигать 1400х340х340 см.
Пользователи установок данной марки отмечают их высокий рабочий ресурс, производительность (в среднем КПД 90%) и долговечность. Типовая газопоршневая установка Caterpillar электрической мощностью в 1 000 кВт способна работать без потребности в капитальном ремонте порядка 50 000 моточасов.
К этому же стоит добавить расширенные возможности инженерно-коммуникационного подключения и малошумность.
Установки MWM
Менее известная марка, выпускающая газопоршневые станции, но и она находит своих клиентов в самых разных областях. Прежде всего модели MWM выигрывают за счет прогрессивной системы управления.
Особенность ее заключается в том, что контролю и мониторингу подвергаются не только все компоненты станции от двигателя до смежных бойлеров и воздухозаборников, но и взаимодействующие элементы комплекса. Это позволяет держать под контролем каналы передачи электричества, воды и пара.
Отличается газопоршневая установка MWM и способностью работать на специализированных газах. Для заправки, кроме привычных газов, доступен биогаз, шахтные и пиролизные смеси.
Специально для российских условий эксплуатации компания также предлагает модернизированные установки, в которых предусмотрена возможность подогрева воздуха, отправляющегося в камеру горения. В зимний период это решение позволяет экономить на топливе в среднем 10%.
Установки GE Jenbacher
Производитель Jenbacher специализируется на среднем сегменте ГПУ, которые работают на тяжелом топливе. Средний мощностный потенциал такого оборудования составляет 300-4 000 кВт. Среди технологических особенностей таких станций отмечают уникальную систему сжигания топлива LEANOX.
Благодаря ней газовые двигатели получили возможность нивелировать содержание метана, исключая при этом падение мощности. Заботятся инженеры фирмы и о системе управления, что позволяет им выпускать функциональные и эргономичные газопоршневые установки. Цена таких моделей составляет в среднем 1-1,5 млн руб.
Но это касается небольших по мощности агрегатов, которые подходят для использования на мелких предприятиях.
Плюсы и минусы ГПУ
Преимущества газопоршневого оборудования очевидны – они заключаются в дешевизне топлива и в скромных финансовых затратах на обслуживание станций. Также в работе они достаточно просты, малошумны и стабильны.
Однако даже при условии магистрального снабжения газопоршневые генераторные установки остаются наиболее опасным средством выработки энергии. Опасности, связанные с транспортировкой и использованием газовых смесей, в первую очередь, выражаются рисками возгорания и взрыва.
Кроме того, остаются экологические нюансы и вопросы токсической безопасности, поскольку широкий спектр используемых смесей вреден для человека, если их должным образом не изолировать в контурах станции.
Расчет газопоршневой установки
Перед выбором конкретной модели установки следует произвести некоторые расчеты. В первую очередь учитывают затраты на газовую смесь. Если мощность агрегата составляет примерно 1 000 кВт, то при полной загрузке в 278 нм3 за час выйдет приблизительно 1 руб. на 1 кВт*ч.
При тех же данных конструкции и мощности объем масла будет составлять порядка 230 л, что добавит к расходам еще примерно 0,04 руб. на 1 кВт*ч. Также не стоит забывать о расходниках и запасных частях. С учетом, что ближайший серьезный ремонт может наступить примерно через 40-50 тыс. моточасов, то на 1 кВт*ч.
газопоршневая установка со средними характеристиками будет требовать порядка 0,37 руб.
Заключение
Станции на базе газопоршневого двигателя являются оптимальным решением для предприятий, которые стремятся к энергетической независимости. Использование газа в качестве основного топлива позволяет сокращать расходы на энергоснабжение, а особенности конструкции и принципа работы дают возможность генерировать сразу несколько видов энергии. При этом стоимость газопоршневой установки, которая в среднем составляет 1-2 млн, вполне подъемна для среднего предприятия. Крупные производственные комплексы и вовсе используют мощные установки, цена которых может превышать и 5 млн. Это уже многофункциональные тригенерационные станции, в перечень задач которых входит также и охлаждение целевого объекта.
Газопоршневые электростанции — что внутри?
Базовыми комплектующими ГПУ являются: двигатель и электрогенератор, соединённые через муфту и закрепленные на стальной раме. Однако для полноценной работы газопоршневой электростанции необходим ряд функциональных систем
1) Газовый двигатель и комплектующие
Газопоршневой двигатель – двигатель внутреннего сгорания, использующий в качестве топлива природный газ. Позволяет вырабатывать тепловую энергию. КПД двигателя при полной нагрузке может достигать 93,7%. Компания ЦЭСР проектирует ГПЭС на базе оборудования компании МАN.
Комплектующие двигателя:
• система смазки циркуляционного типа: маслобак с арматурой и маслофильтр;
• система охлаждения: центробежный насос с электроприводом и мембранный расширительный бак;
• пусковое устройство: стартер с пучковым реле и аккумуляторные батареи;
• система подачи газа: газовый предохранительный фильтр, термозапорный клапан, отключающие шаровые краны, электромагнитный клапан, регуляторы давления газа, газовый счетчик с корректором расхода, сильфонный компенсатор, трубопроводы;
• система зажигания: катушки зажигания, электронный распределитель, датчик числа оборотов, кабели, свечи зажигания и штекеры.
2) Генератор
Трехфазный синхронный бесщеточный генератор – устройство, преобразующее тепловую и механическую энергию в электрическую. Через муфту вращающийся момент двигателя передается ротору генератора. При его вращении в статоре осуществляется выработка электроэнергии, которая и используется предприятиями.
3) Стальная рама
Опорная рама с амортизаторами – жесткая конструктивная деталь, несущая нагрузку от двигателя, генератора, насоса системы охлаждения, расширительного бака ОЖ, теплообменника и остальных деталей.
4) Система утилизации тепла
Существуют разные варианты комплектации. Наиболее распространена система из двух теплообменников (типа жидкость-жидкость и газ-жидкость), калорифера для отвода тепла от системы охлаждения двигателя, соединительной арматуры, трубопровода, датчиков и прочих деталей.
5) Система выхлопа и очистки выхлопных газов
Данный отдел ГПУ состоит из стальных шумоглушителей и СО-катализаторов, закрепленных на линии выхлопных газов после двигателя. В ряде случаев предусмотрен монтаж дымовой трубы.
6) Вентиляция и охлаждение
Главная цель системы – поддержание стабильной температуры воздуха в контейнерной электростанции для функционирования двигателя и обеспечение заданной кратности воздухообмена. Включает: вентилятор двигателя, воздуховоды и вытяжные вентиляторы.
7) Распределительное устройство и силовой пульт управления
Пульт управления, расположенный в контейнере, соединен по локальной сети с контроллерами электростанций. Информация о состоянии сети поступает на него с приборов, установленных в распределительном устройстве, по последовательному интерфейсу.
Пульт управления – многофункциональное устройство обеспечивающее:
• автоматический заряд аккумуляторных батарей;
• питание датчиков и исполнительных устройств, установленных на двигателе;
• автоматическую синхронизацию и устойчивую параллельную работу электростанции с другими агрегатами или электрической сетью;
• автоматическую автономную работу на изменяющуюся нагрузку;
• автоматический пуск и остановку электростанции;
• аварийную автоматическую сигнализацию и защиту двигателя и генератора.
Распределительное устройство состоит из коммутационных аппаратов и устройства релейной защиты.
8) Система питания собственных нужд установки для выработки электроэнергии
Система питания состоит из электрического шкафа настенного типа, контейнера, кабелей, кабельных лотков и конструкций, выводов из электрощитов, маркировки проводов.
9) Освещение
Система состоит из двух частей: основное освещение от внешних сетей и аварийное от аккумуляторных батарей. Для освещения применяются светильники дневного света, лампы мощностью 40 ВТ, выключатели, розетки для портативного освещения и сервисных работ.
10) Охранная и пожарная сигнализация
Оборудование, обеспечивающее безопасность на когенерационной газопоршневой установке: прибор приемно-контрольный пожарный, датчики температуры и задымления, а также датчики вскрытия дверей, световая и звуковая сигнализация.
11) Система пожаротушения
Включает автоматическую систему пожаротушения порошкового типа и два ручных огнетушителя углекислотных с креплением на внутренней стенке контейнера.
12) Система заземления
Защитное заземление выполнено по требованиям ПУЭ. Двери и поворотные панели внутри отсеков ГПУ подключены к шине заземления с помощью многожильного медного кабеля сечением от 4 мм2.
Газопоршневые установки
Главная » Информационный раздел » Газопоршневые установки
Компания «РусэнергоИнжиниринг» предлагает поставки газопоршневых электростанций, выполняет техобслуживание и ремонт. Также мы предлагаем проекты строительства под ключ мини-ТЭС на базе газопоршневых установок (когенерация, тригенерация).
Подробная информация — на странице «Газопоршневые установки».
Стоимость Вы можете уточнить у наших специалистов. Позвоните нам! Телефон +7 (812) 610-05-02
Кроме того, Вы можете отправить Ваш вопрос с помощью формы он-лайн заявки на странице Контакты.
Любое производство электроэнергии, использующее технологию сжигания топлива, сопровождается выделением тепла. В газопоршневых агрегатах максимальный КПД по выработке электроэнергии составляет около 40%. Тепловой КПД таких установок составляет 40-45%. То есть полезно используется только половина высвобождаемой энергии, а другая половина уходит с теплом в окружающую среду.
Ситуация меняется, если использовать технологию когенерации и тригенерации. Когенерационная установка, одновременно с производством электроэнергии полезно утилизирует теплоту двигателя, производя горячую воду или пар. Это резко повышает общий КПД установки. В некоторых случаях он достигает 90%. Отношение электрической мощности к тепловой составляет 1:1,2.
Использование технологии тригенерации позволяет сохранить высокий КПД круглогодично. Например, летом отопление не требуется, но необходимо кондиционирование жилых помещений, офисов, больниц. В промышленности широко используется холодная вода и холод.
Тригенерационная установка к производству электроэнергии и тепла добавляет еще и производство холода по абсорбционной технологии. Другим положительным моментом для использования газопоршневых установок является возможность установки нескольких агрегатов.
Секционирование когенераторных установок из нескольких блоков, позволяет достичь эффективности такой же, как и у большой установки, при этом получая ряд значительных преимуществ.
Это точное управление мощностью (максимальный КПД достигается при загрузке на 100% — это значит, что при секционировании, в минимальные часы энергопотребления, есть возможность нагрузить часть блоков, а часть оставить в нерабочем состоянии). Это приводит к увеличению ресурса всей системы в целом.
Газопоршневые установки (ГПУ)
В последнее время все более очевидны преимущества и перспективы применения поршневых газовых двигателей внутреннего сгорания для комбинированной выработки электрической и тепловой энергии. Актуальность этого направления обусловлена происходящими в Российской Федерации процессами: либерализации энергетического рынка, высокими затратами на подключение и кризиса в эксплуатации крупных систем централизованного энергоснабжения. Кроме того, анализ рынка потребителей электрической и тепловой энергии выявил, что около 30% потребителей не нуждаются в десятках и сотнях мегаватт мощности, и следовательно, не нуждаются в обязательном централизованном энергоснабжении, общие потери которого при транспортировке по сетям до потребителя составляют до 25-30%. В этих условиях реальным путем повышения эффективности энергетического производства является развитие локальных автономных децентрализованных источников комбинированного производства электроэнергии и тепла на базе газопоршневых установок, неоспоримыми преимуществами которых являются высокий КПД, полная независимость от региональных энергосетей, а следовательно, и от роста тарифов, надежность, отсутствие затрат на строительство подводящих и распределительных сетей. В основе работы газопоршневых установок (далее ГПУ) лежит принцип действия двигателя внутреннего сгорания. ДВС – это тип двигателя, тепловая машина, в которой химическая энергия топлива (обычно применяется жидкое или газообразное углеводородное топливо), сгорающего в рабочей зоне, преобразуется в механическую работу. На данный момент в промышленности выпускаются два типа поршневых двигателей, работающих на газе: газовые двигатели — с электрическим (искровым) зажиганием, и газодизели — с воспламенением газовоздушной смеси впрыском запального (жидкого) топлива. Газовые двигатели получили широкое применение в энергетике за счет повсеместной тенденции использования газа как более дешевого топлива (как природного, так и альтернативного) и относительно экологически более безопасного с точки зрения выбросов с выхлопными газами.
Общие характеристики газопоршневых установок
Диапазон единичных мощностей ГПУ находится в районе от 0,1 до десятков МВт. Общий моторесурс находится в пределах 250 000 часов, ресурс до капитального ремонта составляет 60 000 – 80 000 часов.
Кроме большого моторесурса к достоинствам ГПУ стоит отнести малую зависимость температуры окружающего воздуха на КПД двигателя, необходимое низкое давление топливного газа от 0,01 до 0,035 МПа (не требуют дожимного компрессора), низкое снижение КПД при 50% снижении нагрузки, неограниченное количество запусков.
Кроме того одними из достоинств газопоршневой установки является ремонт агрегата на месте, низкие эксплуатационные затраты и малые размеры, т. е. низкие инвестиционные затраты, возможность кластеризации (параллельная работа нескольких установок).
Топливо для газопоршневых установок.
Одним из важнейших моментов при выборе типа ГТУ является изучение состава топлива. Производители газовых двигателей предъявляют свои требования к качеству и составу топлива для каждой модели. Основными характеристиками служат:
- метановое число газа (процентное содержание метана в объеме газа),
- теплота сгорания низшая и высшая,
- степень детонации,
- серосодержание.
- В настоящее время многие производители проводят адаптацию своих двигателей под соответствующее топливо, что в большинстве случаев не занимает много времени и не требует больших финансовых затрат.
- Помимо природного газа, газопоршневые установки могут использовать в качестве топлива:
- пропан,
- бутан,
- попутный нефтяной газ,
- газы химической промышленности,
- коксовый газ,
- древесный газ,
- пиролизный газ,
- газ мусорных свалок,
- газ сточных вод и т. д.
Применение в качестве топлива перечисленных специфических газов вносит важный вклад в сохранение окружающей среды и кроме того позволяет использовать регенеративные источники энергии. Газопоршневые установки отличает простота, надежность и высокий КПД.
Электрический КПД газопоршневых установок считается высоким и при работе на природном газе составляет ~ 41-43%* Большинство марок газопоршневых станций/установок может работать в режиме когенерации, то есть как теплоэлектростанция. Температура выхлопных газов на выходе из двигателя газопоршневой установки ~ 390 ± 10° С.
Такая температура не позволяет производить большое количество тепловой энергии. Соотношение выдачи двух видов энергий равно 1:1, то есть на 1 МВт установленной электрической мощности можно получить 1 МВт тепловой энергии.
Коэффициент производства насыщенного пара 0,5-0,7* (Р = 9 бар), т/ч Система охлаждения газопоршневых установок жидкостная. В случае использования воды для охлаждения агрегатов требуется её обязательная химическая подготовка.
Расход моторного масла ~ 0,3-0,95 кг/ч на 1 мегаватт электрической мощности газопоршневой станции, как правило, требуется его постоянный долив. Для соответствия экологическим требованиям в газопоршневых электростанциях требуются установка катализаторов выхлопных газов.
Высота дымовой трубы для газопоршневых электростанций определяется уровнем содержания предельно допустимых концентраций (ПДК) в окружающей среде и уровнем вредных составляющих эмиссий самой газопоршневой установки. Средний уровень шумов, производимых газопоршневой установкой, составляет 75-78 дВ. При работе ГПУ наблюдаются достаточно сильные вибрации, что требует установки специальных виброопор.
- Мини-ТЭС
- Когенерация
- Тригенерация
В последнее время существенно повысился интерес к строительству автономных энергетических комплексов (мини-ТЭС) для совместного производства электрической и тепловой энергии. Причиной этого являются следующие обстоятельства: — стоимость подключения потребителей к центральным источникам энергоснабжения практически сравнялась с капитальными затратами на строительство мини-ТЭС; — постоянный монопольный рост тарифов на энергию; — повышенное качество энергии, вырабатываемой мини-ТЭС (стабильность электрического напряжения, круглогодичное теплоснабжение с требуемыми параметрами). Сроки окупаемости строительства мини-ТЭС составляют 4 — 5 лет, а при решении вопроса передачи излишков электроэнергии в сеть период окупаемости может быть еще меньше. Цикл проектирования и строительства мини-ТЭС: 12-16 месяцев. Современные Мини-ТЭС предназначены для выработки электричества и тепла (когенерация), а так же электричества, тепла и холода (тригенерация). В состав Мини-ТЭС на базе газопоршневых установок для производства электричества и тепла входят: • газопоршневые двигатели внутреннего сгорания; • генераторы постоянного или переменного тока (предназначены для преобразования механической энергии вращающегося вала двигателя в электроэнергию); • котлы-утилизаторы (водогрейные или паровые котлы использующие теплоту отходящих газов из двигателей); • радиаторы (теплообменные аппараты использующиеся для охлаждения гликоля в системе охлаждения двигателей); • система охлаждения двигателя (пластинчатые теплообменники, насосы, термостаты); • системы управления; • системы вентиляции; • системы автоматического пожаротушения и сигнализации; • системы маслодолива (масляные баки с насосами); При тригенерации станция дополнительно оборудуется компрессорными или абсорбционными кондиционерами для выработки холода. Кроме того, Мини-ТЭС при дефиците Теловых мощностей в пиковые часы или при потребности в большом количестве пара, может комплектоваться пиковым водогрейным или паровым котлом. Рассмотрим более подробно работу Мини-ТЭС на газопоршневых установках при когенерации и тригенерации. Мини-ТЭЦ — экономическая эффективность использования • быстрый возврат инвестиций • потребляя в среднем 0,3 куб. м газа, на мини-ТЭЦ есть возможность получать 1 кВт электроэнергии и ~ 2 кВт тепла в час • отсутствие платы за подключение — свыше 100.000 рублей за 1 кВт в центре Москвы и до 15-20 тыс. рублей в регионах России • возможности приобретения в лизинг мини-тэц • минимум топливных потерь на локальной электростанции • возможность установки мини-тэц в старых котельных и на ЦТП • отсутствие необходимости строительства дорогостоящей ЛЭП, ТП, протяженной электросети • возможности быстрого увеличения электрической мощности, путем дополнительной установки энергетических модулей Обоснования строительства мини-ТЭЦ • высокие тарифы и потери 8-10% при дальней передаче электроэнергии и тепла • высокие затраты за подключение к внешним электросетям, сопоставимые со стоимостью строительства локальной мини-тэц • ограниченные возможности существующих источников электроэнергии и тепла при расширении мощностей предприятия потребителя • низкое качество и количество получаемой электроэнергии и тепла от устаревшего источника генерации • сопоставимые со стоимостью электростанций, штрафы за выбросы в атмосферу попутного нефтяного газа • снижение финансовой зависимости от роста тарифов на электроэнергию и тепло • низкая надежность работы местных энергосбытовых компаний При когенерации, как говорилось выше, параллельно с выработкой электроэнергии станция вырабатывает тепловую энергию в виде горячей воды или пара. Для охлаждения двигателя используется замкнутый контур с охлаждающей жидкостью, которая отобрав тепло у двигателя подается в теплообменник, где передает своё тепло теплоносителю. Управление потоком охлаждающей жидкости осуществляют механический термостат и трехходовой клапан, которые в зависимости от температуры ОЖ, направляют её либо в рубашку охлаждения двигателя, либо в теплообменник, либо в радиатор воздушного охлаждения. Таким образом, теплообменник является первой ступенью утилизации тепла. Далее теплоноситель направляется в котел-утилизатор, где догревается за счет тепла выхлопных газов. В случае, когда температура выхлопных газов низкая (двигатель только запущен), они направляются по байпасному газоходу в дымовую трубу. Таким образом, комбинированная выработка электрической и тепловой энергии позволяет повысить эффективность использования топлива до 85-90%. При инсталляции газопоршневых установок не возникает проблем, так как необходимое для них давление и качество газа являются нормой для большинства российских газопроводов. На газопоршневых установках, имеющих высокую степень автоматизации, требуется минимальное количество персонала. Газопоршневые установки могут поставляться в комплекте с модульным быстровозводимым зданием или в контейнерах. Контейнерные ГПУ, расположенные вблизи предприятия-потребителя, имеют транзитные электросети малой протяженности, менее подвержены внешним воздействиям, что повышает надежность энергоснабжения. Летом, как правило, потребность в тепле значительно снижается за счет отсутствия надобности в отоплении и вентиляции. Но утилизировать тепло в больших объемах можно для выработки холода, используя установки на полную мощность в летнее время. Это возможно благодаря включению в тепловую схему компрессорных или абсорбционных кондиционеров.
Вырабатывающие холод абсорбционные охладители (чиллеры) используют в своей работе горячую воду, пар или газ. Это выгодно отличает их от компрессорных — работающих от электромотора. Произведенный в чиллерах холод используется в системах кондиционирования.
Выбор мощности и количества ГПУ для мини-ТЭЦ
Часть электроэнергии, вырабатываемой любой электростанцией, потребляется на собственные нужды. В случае газопоршневых установок это, прежде всего, работа вентиляторов в составе выносных радиаторов, а так же различных насосов.
Проблемой является то, что собственное потребление ГПЭА не является константой, а постоянно изменяется в некоторых пределах. Конечно, производители обычно указывают мощность всех электропотребляющих устройств в составе ГПУ (насосы, вентиляторы, ТЭНы и т.п.).
Однако в каждый конкретный момент времени эти «внутренние» потребители могут быть включены в совершенно произвольном порядке. Кроме того, помимо собственных нужд конкретного ГПЭА, одновременно происходит потребление электроэнергии ещё и общими системами всей электростанции (например, освещение и пожарная сигнализация), которые так же работают в совершенно произвольном режиме.
В результате точное значение потребления электроэнергии на собственные нужды ГПЭС предсказать практически невозможно.
Так, одним из факторов, влияющих на отбор вырабатываемой электроэнергии на нужды ГПЭА, является погода. Например, если в летнее время нет потребности в использовании утилизированного тепла, то выносной радиатор газопоршневой установки в сильную жару работает практически на полную мощность.
Но при этом совсем не работает циркуляционный насос внешнего (или промежуточного) контура, так как отопление на объекте отключено.
Однако если пошёл дождь, то потребность в электроэнергии для выносного радиатора сразу же немного снижается, так как вентиляторам становится проще справляться с охлаждением двигателя.
В зимнее время потребление электроэнергии выносным радиатором снижается очень существенно, так как практически всё утилизированное тепло идёт потребителям. Но при этом «на полную катушку» включается в работу насос внешнего контура, который обеспечивает циркуляцию теплоносителя и передачу «халявной» тепловой энергии этим самым потребителям.
Таким образом, собственные нужды любой газопоршневой установки меняются совершенно непредсказуемым образом, в результате чего практически невозможно установить их точное значение.
Не смотря на это, «внутреннее» потребление электроэнергии обязательно необходимо учитывать при подборе оборудования для ГПЭС.
Поэтому в расчётах технических и экономических параметров электростанции, как правило, задаётся некоторое условное среднегодовое значение собственных нужд на один ГПЭА.
Например, для больших машин Jenbacher и MWM мощностью 4 — 4,5 МВт это может быть 200 — 250 кВт на каждую единицу. Если в составе электростанции 5 — 6 таких «монстров», то отбор электроэнергии на собственное потребление получается весьма приличными — 1,0 — 1,5 МВт. При выборе ГПУ нельзя не учитывать такую существенную выпадающую мощность.
Загрузка...
