Газопоршневые установки - назначение, принцип работы, типы, изготовители

[samsony1]

Газопоршневые и газотурбинные установки
По принципу устройства электростанции разделяют на два типа: газотурбинные и газопоршневые.


сравнение ГПУ и ГТУ

Газотурбинная электростанция (сокращённо ГТЭС) — установка, генерирующая электричество и тепловую энергию. Основу ГТЭС составляют одна или несколько газотурбинных установок - силовых агрегатов, механически связанных с электрогенератором и объединенных системой управления в единый энергетический комплекс.

Газопоршневые имеют более простую конструкцию, в процессе эксплуатации не нуждаются в дорогостоящем обслуживании и являются наиболее экономичным вариантом газовой установки. При этом они почти не имеют ограничения в максимальной мощности. 
В газопоршневых электростанциях источником кинетической энергии является машинный блок, работающий по принципу двигателя внутреннего сгорания. Подача топлива осуществляется инжектором и контролируется электронным блоком управления, за счет чего поршневые электростанции имеют достаточно высокий КПД. Существенным минусом газопоршневой системы является высокий уровень шума и вибрации при работе из-за наличия большого числа подвижных частей. Преимуществом этих двигателей можно назвать высокую адаптивность к различным режимам и уровням нагрузки, чего невозможно достичь в газотурбинных установках, работающих практически на постоянной мощности.

Газотурбинные электростанции более технологичны и сложны по своей конструкции, но менее экономичны: их применение оправдывает себя только в масштабах промышленного производства. Главное их достоинство - высокая износостойкость узлов и полная неприхотливость к виду топлива: в отдельных случаях может быть использована даже угольная пыль, но требуется специальный модуль подготовки топливной смеси.

Основа газотурбинных - газовая турбина, устроенная по принципу реактивного самолетного двигателя. Она представляет собой цилиндрическую камеру сгорания, в которой размещено основное рабочее колесо газовой турбины. В камеру поступают воздух и пары топлива под высоким давлением, где они воспламеняются. В процессе сжигания топлива образуется поток раскаленных газов, который заставляет турбину вращаться. Она в свою очередь передает вращение на компрессор и генератор, обеспечивая таким образом выработку электроэнергии. 

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.

Газопоршневые установки (ГПУ) предназначены для питания электроэнергией потребителей трехфазного (380/220 В, 50 Гц) переменного тока.

Газопоршневые электростанции используются в качестве источника постоянного и гарантированного электроснабжения больниц, банков, торговых комплексов, аэропортов, производственных и нефтегазодобывающих предприятий.

Моторесурс газового двигателя выше, чем у бензогенераторов и дизельных электростанций, что приводит к уменьшению срока их окупаемости. Эксплуатация газовых электрогенераторов позволяет собственнику не зависеть от плановых и аварийных отключений электроэнергии, а в некоторых случаях и вовсе отказаться от услуг поставщиков электроэнергии.

Автономные газовые установки как правило используются в качестве основного источника энергоснабжения.

Диапазон мощностей ГПУ составляет от 0,1 до нескольких десятков мегаватт. КПД газопоршневых электроагрегатов может насчитывать от 36 до 50%. При использовании тепла, вырабатываемого ГПУ, в системах отопления, горячего водоснабжения и кондиционирования КПД установок может достичь 90%. В связи с этим, целесообразно эксплуатировать газопоршневую электростанцию в качестве мини-ТЭЦ.

При выборе оборудования необходимо учитывать, что на газопоршневые электростанции негативно влияют продолжительные нагрузки ниже допустимого уровня (25%). Помимо этого, рекомендуется разделить требуемую мощность между несколькими электростанциями (с учетом допустимой минимальной нагрузки), включая в расчет кроме необходимого числа установок еще одну резервную. Наличие резерва необходимо для обеспечения непрерывности энергоснабжения при возможных отключениях основной установки в условиях, когда невыгодны временное подключение к централизованной сети и тарифы на электричество, либо при физической недоступности энергосетей.

Газопоршневые электростанции можно ремонтировать непосредственно на объекте.

источник - здесь

[samsony1]

Основные преимущества газопоршневых установок:
 - низкая стоимость электроэнергии, и как следствие, быстрая окупаемость энергетической установки
 - возможность утилизации тепла, что повышает КПД оборудования с 35-45% до 85-90%
 - доступность и безопасность газа по сравнению с другими видами топлива
 - простота в техобслуживании

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,
 - азы 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
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.

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.

источник - здесь

[samsony1]

Газопоршневые установки от MWM

Газовые электростанции — альтернативный источник электроэнергии
Часто случается так, что отсутствует любая возможность подключения электричества на промышленном объекте или в удаленном загородном доме. Дизельные электростанции — наверное, самое распространенное решение, однако неплохой альтернативой могут стать аппараты, которые работают на газе.

Можно выделить следующие неоспоримые преимущества газовых электростанций:
 - гибкость (электрогенераторы отлично работают в абсолютно любых природных условиях);
 - срок службы (первый ремонт обычно требуется по прошествии минимум 35 лет);
 - автоматика (вмешиваться в работу устройства совершенно необязательно, после запуска можно сразу забыть о проблемах с электричеством);
 - доступность топлива (газовые электростанции вполне «всеядны», они отлично работают как на природном, так и на синтетическом газе).
При желании можно использовать такой электрогенератор в качестве основного источника электричества: энергия, в целом, обойдется дешевле, чем в случае с дизельными электростанциями.

Мощность можно подобрать практически любую: от 5 кВт до огромных промышленных аппаратов мощностью в несколько мегаватт.

Разновидности газовых электрогенераторов — простота или надежность
Подбирая газовую электростанцию, стоит учитывать, что их существует два вида, и они значительно отличаются друг от друга.

Газотурбинные генераторы имеют достаточно сложную конструкцию, они очень производительные и мощные, но при этом стоят значительно дороже. Их есть смысл приобретать для больших заводов, на которых оборудованию нужно очень много электрической энергии. Работает данный вид газовых электростанций следующим образом:
 - воздух поступает в камеру двигателя внутреннего сгорания;
 - пары топлива загораются;
 - турбина вращается (кстати, подобные турбины стоят в самолетах);
 - генератор и компрессор, на которые передается вращение, вырабатывают электричество.
Если же брать газопоршневые электростанции, они стоят намного дешевле. Причем, это также касается обслуживания и запчастей. Таким образом, данный вариант отлично подходит для частных домов, небольших производственных предприятий или, например, офисов.

Принцип действия у последних примерно такой же, но топливо подает инжектор. Из минусов таких газовых электростанций можно отметить высокие показатели шума, из плюсов — небольшую стоимость и неприхотливость к условиям содержания и возможным перегрузкам.

Электрическая мощность, кВт:
от 400
до 4500

подробнее - здесь