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 двигателей, 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 двигателей (далее ГПД) 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. Остановимся более подробно на газовых двигателях, которые 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.

• двигатель
• систему охлаждения двигателя
• систему трубопроводов газа и охлаждающей жидкости
• систему зажигания
• теплообменники масла и наддувочного воздуха
• газовую рампу и т. д.;

Из ГПУ с теплообменниками (в принципе всё аналогично, но дополнительно включая систему утилизации тепла);

Из поставки в контейнере (полностью смонтированный модуль с комплектом трубопроводов, системой утилизации уходящих газов, системой вентиляции, комплектом кабельной разводки, индивидуальной синхронизации, системой пожаротушения).

Общие характеристики Газопоршневых установок

иапазон 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 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 мощности, 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).

Установка работает на нескольких видах топлива, имеет относительно низкий уровень начальных инвестиций за 1 кВт и обладает широкой линейкой выходной мощности.

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.

• 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.

• 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 работающие в составе электростанций

Важнейшей характеристикой любого двигателя в составе электростанции является КПД по выработки электроэнергии, определяющий основной, но не полный объем потребления газа. Электрический КПД газопоршневых двигателей составляет 36…45%, суммарное КПД составляет до 90% (при утилизации тепла выхлопных газов).

Современные Мини-ТЭС предназначены для выработки электричества и тепла (когенерация), а так же электричества, тепла и холода (тригенерация).

• 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.

Когенерация

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.

Тригенерация

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.