Принципы работы ГПУ и газопоршневых электростанций
Снабжение электричеством от центральных сетей — основополагающая часть стабильной работы любого производства, независимо от сферы деятельности или выпускаемой продукции. Если нет возможности подключения к магистральной линии электропередач, остается единственный способ получить ресурс — использовать альтернативные источники энергии. В статье мы рассмотрим, принцип работы газопоршневых электростанций, что такое установка ГПУ и в чем заключаются ее преимущества.
Содержание
Газопоршневая электростанция
Что такое установка ГПУ
Устройство газопоршневой электростанции
Принцип работы газопоршневой электростанции
Что может быть использовано в качестве топлива
Режимы работы электростанции
Система преобразования тепловой энергии
Способы монтажа и преимущества газопоршневых электростанций
Реализация и строительство газопоршневых электростанций
Достоинства и недостатки ГПУ
Экономика газопоршневых электростанций
Стоимость газопоршневых электростанций
Безопасность и экологичность
Газопоршневая электростанция
Газопоршневая электростанция (ГПЭС) — это небольшой, независимый и высокоэффективный комплекс оборудования для производства электричества и тепла. В основе работы лежит газопоршневой двигатель внутреннего сгорания, интегрированный с агрегатом (генератором), вырабатывающим переменный ток — газопоршневой установкой (ГПУ).
Такой комплекс оптимально подходит для промышленных объектов, расположенных в местах с периодическими отключениями электроэнергии или отсутствием внешнего электроснабжения. ГПЭС может служить как основным, так и резервным источником питания, что делает ее легко применимой в любой индустрии.
Что такое установка ГПУ
Газопоршневая установка — это комплекс специальных устройств, который состоит из поршневого ДВС (двигателя внутреннего сгорания), генератора и вспомогательных агрегатов. Двигатель работает на природном газу или другом подходящем по качеству горючем газе в качестве топлива. Технология, позволяющая одновременно вырабатывать электроэнергию и тепло, называется когенерацией. При необходимости работа ГПУ может быть ориентирована и на холод — такой процесс носит название «тригенерация».
Устройство газопоршневой электростанции
Помимо «сердца» газопоршневой электростанции (двигателя) для нормальной работы требуется вспомогательное оборудование, и чтобы были соблюдены условия эксплуатации и требования нормативно-технической документации. Для этого станции оснащаются:
• топливной системой;
• системой охлаждения;
• системой удаления продуктов горения;
• системой подачи масла;
• приточно-вытяжной вентиляцией;
• системой преобразования тепловой энергии (включая утилизацию выхлопных газов);
• системой электроснабжения;
• автоматизированным управлением и связью;
• охранно-пожарной системой и другими.
Все это обеспечит надежную и корректную работу газопоршневой электростанции.
Принцип работы газопоршневой электростанции
Рассмотрим более детально принцип работы газопоршневой электростанции. Природный Газ или другой горючий газ соответствующего качества смешивается с воздухом подается на поршневой двигатель. По мере того, как топливо (газовоздушная смесь) сгорает, образуется механическая энергия. Она передается от коленчатого вала двигателя на генератор переменного тока, где преобразуется в электроэнергию. Полученный ресурс по кабельным линиям поступает на распределительное устройство нужного напряжения (генераторную ячейку), а затем распространяется по энергосистемам предприятия заказчика.
Во время работы ГПУ выделяется значительное количество тепла (от рубашки двигателя, системы смазки и отработанных выхлопных газов), которое отводится с помощью пластинчатых теплообменников и котлов-утилизаторов для достижения максимального КПД. Сгенерированная теплоэнергия направляется в тепловую сеть предприятия. При отсутствии возможности утилизации тепла от ГПУ, неиспользуемый ресурс выводится в атмосферу сухими градирнями (Dry cooler).
Что может быть использовано в качестве топлива
Работа ГПУ осуществляется на различных видах газообразного топлива. Наиболее популярный и дающий наибольший эффект вариант — природный газ.
Другие возможные виды топлива:
• свалочный газ;
• биогаз;
• ПНГ (попутный нефтяной газ);
• синтез-газ;
• коксовый газ.
• шахтный газ
Также работа ГПУ возможна и на сжиженном газе (пропан, СПГ и других). При применении спецгазов требуется предварительный анализ их состава и характеристик для проверки соответствия требованиям завода-изготовителя.
Режимы работы электростанции
В зависимости от условий эксплуатации газопоршневая электростанция может функционировать в двух режимах относительно внешней энергосистемы:
• Островной (автономный) — электроснабжение полностью обеспечивается ГПЭС, так как необходимая мощность внешней сети отсутствует или нет технических условий для её присоединения.
• Параллельный — электростанция работает одновременно с внешней сетью, обеспечивая питание нагрузки потребителей и от генератора, и от сети, без выдачи электроэнергии в сеть. Это наиболее надежный и распространенный принцип работы. Для параллельной работы генератор синхронизируется с сетью по частоте и напряжению.
Система утилизации тепловой энергии
Данная система позволяет извлекать тепло, выделяемое двигателем и системой выхлопа, с помощью теплообменников и котлов-утилизаторов. В ходе процесса можно получить теплоэнергию в виде:
• Горячей воды. Стандартные показатели составляют 70–90°С. Для этого применяются пластинчатые теплообменники и кожухо-трубные котлы-утилизаторы выхлопных газов. При необходимости температура может быть увеличена посредством применения пиковых водогрейных котлов.
• Насыщенного пара. Стандартные параметры достигаются при использовании паровых котлов-утилизаторов. При необходимости пар можно перегреть до 500°С, применив специальные устройства — пароперегреватели.
Помимо когенерации, при которой единовременно вырабатываются два энергоресурса, на ГПУ с помощью специального оборудования [абсорбционная холодильная машина (АБХМ)] можно получить режим тригенерации, обеспечивающий одновременное производство электричества, тепла и холода.
Способы монтажа и преимущества газопоршневых электростанций
Размещение ГПУ на открытом воздухе не предусмотрено. В зависимости от требований и условий на территории предприятия существует два стандартных варианта исполнения газопоршневой установки:
1. Блочно-модульный (контейнерный). ГПУ вместе с вспомогательным оборудованием размещается внутри контейнера, а система охлаждения и утилизации выхлопных газов на крыше.
2. Стационарный. ГПУ и вспомогательное оборудование размещается внутри энергоцентра (машинного зала).
Блочно-модульная конструкция позволяет в разы сократить сроки ввода объекта в эксплуатацию (мини-ТЭС мощностью 2 МВт может быть установлена и запущена всего за несколько недель) и уменьшить затраты на реализацию проекта. Этот вариант также может быть демонтирован, перемещен и установлен на другом месте эксплуатации, с возможностью пуска в течение нескольких недель.
Кроме того, благодаря блочно-модульной конструкции, можно быстро нарастить мощность электростанции путем добавления новых блоков.
Реализация и строительство газопоршневых электростанций
При разработке основное внимание уделяется качеству и комплексности услуг. Как правило, такие проекты выполняются инжиниринговыми компаниями, обеспечивающими полный цикл работ — от проектирования и исследований до запуска и последующего обслуживания объекта, EPC контракт (Engineering, procurement and construction).
Каждый этап процесса важен и требует высокой квалификации. Очевидно, что выполнение всех работ одной компанией снизит общую стоимость проекта, так как не будет разделения этапов между несколькими подрядчиками и субподрядчиками. Кроме того, единый исполнитель может гарантировать лучший контроль качества на всех стадиях, в отличие от ситуации с несколькими подрядчиками, каждый из которых несет ответственность только за свою часть работы, а не за весь проект.
При обращении в специализированную организацию выполнение комплекса работ предполагает следующие этапы:
• Проектирование. Разработка основных технических решений, создание и согласование проекта, а также визуализация готовой к эксплуатации станции.
• Поставка оборудования. Доставка генератора после утверждения спецификаций.
• Производство (комплектация). Генератор интегрируется с дополнительными системами, изготавливаются опорные и защитные конструкции, а также технические узлы, не входящие в основной комплект станции.
• Строительно-монтажные работы. Возведение фундамента, строительство здания, установка стационарного или блочного оборудования, прокладка коммуникаций, монтаж ограждений, создание подъездных путей и благоустройство территории.
• Шеф-монтажные и пусконаладочные работы. Проведение индивидуального и комплексного опробования, ввод в промышленную эксплуатацию, гарантийное обслуживание и дальнейшее сервисное сопровождение.
Также специализированные компании могут предложить удаленную диспетчеризацию и мониторинг ГПЭС, что позволяет отслеживать работу агрегатов в реальном времени. Это повышает надежность электростанции и дает возможность оперативно реагировать на сбои.
За техническое обслуживание ГПУ должны отвечать специалисты, имеющие соответствующую квалификацию и прошедшие необходимый уровень обучения по программе завода-изготовителя. Поэтому сервис передают в руки сотрудников специализированных компаний. Также владельцы мини-ТЭС стараются заключить сервисный договор с официальным дистрибьютором завода-изготовителя ГПУ для получения ЗИП по выгодной цене и более быстрой доставки.
Достоинства и недостатки ГПУ
Газопоршневые электростанции (ГПЭС)» представляют собой независимую альтернативу центральному энергоснабжению. Они постоянно совершенствуются и модернизируются, что делает эксплуатацию мини-ТЭС более выгодной по сравнению с приобретением энергоресурсов от сетей.
Плюсы использования газопоршневой установки:
• Независимость от централизованного энергоснабжения. Централизованное энергоснабжение не всегда стабильно и часто поставляет некачественную электроэнергию. ГПУ обеспечивает стабильное и качественное энергоснабжение.
• Обеспечение бесперебойного потребления энергии. Газопоршневая установка позволяет обеспечивать непрерывную работу энергозависимого оборудования. Это важно, если предприятие по тем или иным причинам не может подключиться к городским электросетям или линия электропередачи находится слишком далеко.
• Экономия средств. ГПУ позволяет избежать затрат на техническое присоединение к централизованным электро- и теплосетям. Нет необходимости организовывать подход к таким коммуникациям.
• Снижение ежемесячных платежей. Себестоимость автономно произведенного электричества в разы ниже, чем у сетевых компаний. Это позволяет сократить ежемесячные платежи за электроэнергию.
Еще одним преимуществом газопоршневых установок является возможность работы в режиме когенерации и тригенерации. В зависимости от комплектации ГПУ позволяет полезно использовать тепло, что экономически более выгодно, чем покупка тепловой энергии у сторонней организации.
Среди недостатков мини-ТЭС можно выделить капитальные затраты (CAPEX) при строительстве. Однако такая инвестиция окупается за срок от 9 месяцев после ввода в эксплуатацию.
Экономика газопоршневых электростанций
Главным фактором в пользу выбора такого способа производства энергии является снижение затрат на энергообеспечение. Экономическая выгода от работы газопоршневой электростанции заключается в том, что она размещается в непосредственной близости к потребителям, что позволяет поставлять энергию по себестоимости выработки, которая в большинстве случаев ниже рыночной цены.
В связи с этим проекты по внедрению ГПЭС сегодня предлагают весьма привлекательные сроки окупаемости для предприятий-потребителей — до 2 лет. При этом их реализация обычно занимает не более года, в то время как подключение крупного производства к внешним электрическим сетям может занять несколько лет, особенно если требуется строительство новых линий и распределительных подстанций.
Распределительные сети, к которым подключаются новые объекты, часто инертны и медлительны в вопросах модернизации или расширения своих мощностей. Нередко крупным потребителям приходится оплачивать значительные суммы за подключение, компенсируя затраты сетевым компаниям. В этом контексте реализация проекта ГПЭС становится не только доступным, но и очевидно выгодным и рациональным решением.
Стоимость газопоршневых электростанций
Преимущества газопоршневых электростанций для получателей электроэнергии очевидны, но любой предприниматель внимательно относится к своему бюджету, поэтому вопрос стоимости подобных проектов всегда ставится в приоритет. По средним оценкам инжиниринговых компаний, занимающихся внедрением мини-ТЭС, строительство такой станции под ключ обойдется в сумму около 50 000 рублей за 1 кВт мощности.
Безопасность и экологичность
Обеспечение безопасности и экологичности — ключевая задача при работе газопоршневых электростанций. Рассмотрим, что делается для того, чтобы работа станций не приносила сильного вреда природе.
Рассеивание загрязняющих веществ
Генерирующее оборудование ГПЭС является источником загрязняющих веществ. При работе ГПУ выбросы природного газа (NOx) в атмосферу составляют менее 500 мг/м3.
Уровень рассеивания вредных веществ определяется расчетным методом исходя из заданных условий и главного обязательного требования — срез дымовой трубы электростанции должен быть выше на три метра, чем подпор ближайшего здания.
Шумовое загрязнение
Оборудование ГПЭС, производящее шум, — это ДВС ГПУ, устройства системы приточно-вытяжной вентиляции и вентиляторы сухих градирен. При блочно-модульной реализации двигатель помещается внутри блок-модуля, имеющих шумопоглощающие характеристики около 80 дБА. Этот звук считается довольно низким и сравним с тихим разговором или шепотом на расстоянии нескольких метров).
Такой уровень шумопоглощения говорит о том, что приточно-вытяжные камеры с системой шумоглушения, эффективно снижают звук работающего двигателя газопоршневой установки, делая его практически неслышным за пределами конструкции.
Расчет шумового загрязнения и звукового давления производятся согласно ГОСТ 31295.2-2005 / ISO 9613-2:1996. При необходимости могут использоваться иные средства защиты от физического воздействия газопоршневой электростанции.
