Добавить в избранное
Меню

Газопоршневые электростанции с системами утилизации тепла

15.12.2005

Профессор Московского государственного
университета инженерной экологии,
д.т.н., профессор Сапожников В. Б.

Развитие и успешная деятельность любой сферы современного общества немыслимы без потребления энергии. По данным Федеральной службы государственной статистики Российской Федерации на конец 2003 года годовое потребление электроэнергии в развитых странах на душу населения составило от 7000 кВт*часов в Германии до 14000 кВт*часов в США. В России указанный показатель на тот же период был равен примерно 6500 кВт*часов. Около 30% от этой величины потребляет транспорт, 40% - различные отрасли промышленности и 30% расходуется для энергоснабжения жилых помещений, общественных зданий и других сооружений.

Иначе говоря, примерно 1/3 энергетического рынка составляют потребители, которым не нужны огромные, в десятки и сотни мегаватт мощности, а следовательно, не требующие обязательного централизованного энергоснабжения. Нетрудно подсчитать, что при средней отпускной стоимости 1 кВт*часа электроэнергии 1,2 руб. ежегодный объем этого сегмента российского рынка энергопотребления оценивается суммой порядка 40 млрд. долларов США или свыше 1 триллиона рублей.

В связи с этим в последние годы все более и более активно в данном сегменте рынка занимают свою нишу децентрализованные (автономные) источники энергоснабжения. Неоспоримыми преимуществами таких источников является их полная независимость от региональных энергосетей, в том числе и от роста тарифов на электроэнергию, высокое качество электроэнергии, надежность энергоснабжения, отсутствие затрат на строительство подводящих и распределительных сетей. Кроме этого, автономные источники электроэнергии позволяют минимизировать последствия масштабных энергетических кризисов, подобных тому, который произошел в мае 2005 года в Московском регионе.

Требования к энергоснабжению формируются просто: надежность, качество, непрерывность. И для многих становится ясно, что на сегодня единственный путь иметь энергию, удовлетворяющую этим требованиям – производить ее самостоятельно. Это хорошо известно военным – они так делают давно, однако в других сферах (малый и средний бизнес, индивидуальные (частные) потребители) преимущества владения собственными электрогенераторами начали осознавать только сейчас.

Основу автономных электростанций составляет двигатель, приводящий в действие электрогенератор. Поэтому первый вопрос, ответ на который должны получить те, кто решил обеспечивать энергоснабжение с помощью автономных электростанций – это вопрос о типе приводного двигателя. В настоящее время на российском рынке присутствуют несколько разновидностей автономных электростанций с различными типами приводных двигателей: поршневыми, газотурбинными, паротурбинными, которые могут использовать в качестве топлива природный газ, сжиженный газ (пропан-бутан), бензин, дизельное топливо, мазут.

Есть даже такие экзотические варианты, которые используют так называемый биогаз, то есть газ, получаемый в результате переработки органических отходов, или твердое топливо (уголь, отходы деревообрабатывающей промышленности и т.п.). Если не рассматривать бензиновые двигатели (они, как правило, не используются при потребной (требуемой) электрической мощности более 15 кВт), а также упомянутую выше экзотику, то выбор приходится делать между газотурбинными, газопоршневыми, паротурбинными и дизельными электростанциями. И здесь ответ на вопрос о типе приводного двигателя будет напрямую связан со стоимостью производимой с помощью такого двигателя электроэнергии.

При сравнении газопоршневых, газотурбинных и паротурбинных электростанций в диапазоне потребных электрических мощностей от 1 кВт до 40 МВт предпочтение следует отдавать газопоршневым двигателям. Причин такого решения несколько.

Во-первых, КПД газопоршневого двигателя (около 40%) заметно выше, чем у газотурбинного (не более 30%), но, самое главное, при падении нагрузки в 2 раза (от 100% до 50%) КПД газопоршневого двигателя падает не более чем на 20% (примерно до 35%), в то время как у газотурбинного снижается почти в 3 раза (до 10…12%).

Во-вторых, КПД газопоршневого двигателя практически не зависит от температуры окружающего воздуха. В диапазоне температур от -30 до +30 0С КПД газопоршневого двигателя сохраняется в пределах 39…38% и начинает заметно снижаться лишь при повышении температуры воздуха более +30 0С. КПД газотурбинного двигателя в этом же диапазоне температур меняется от 29% при температуре -30 0С до 25% при температуре +30 0С.

В-третьих, число циклов "пуск-останов" газопоршневого двигателя слабо сказывается на его ресурсе и почти не влияет на износ деталей. Напротив, каждый пуск газотурбинного двигателя после его остановки снижает запас ресурса на 5 часов. Одновременно с этим выход на режим газопоршневого двигателя после его остановки составляет всего 2-3 минуты по сравнению с 10-15 минутами для газотурбинного двигателя.

В-четвертых, средняя наработка на отказ у газопоршневых двигателей превышает 60 тыс. часов по сравнению с 20-30 тысячами часов газотурбинных двигателей. Кроме того, стоимость межремонтного обслуживания, среднего и капитального ремонта газотурбинных двигателей намного выше, чем у газопоршневого.

В-пятых, избыточное давление подачи газа в газотурбинный двигатель должно быть не менее 0,6-1,0 МПа (напомним, что давление в сети магистрального природного газа не более 0,4 МПа), что требует применения компрессорной станции. Газопоршневой двигатель может работать при избыточном давлении газа от 50 кПа.

Наконец, единовременные затраты на установку и ввод в эксплуатацию газотурбинных электростанций в диапазоне электрических мощностей от 1 до 40 МВт составляют соответственно от 1300 до 700 евро (1550 – 850 USD) за киловатт, а у газопоршневых электростанций, в этом же диапазоне мощностей, они меняются от 900 до 600 евро (1000 – 700 USD) за киловатт.

При сравнении паротурбинных электростанций, использующих в качестве топлива тот же природный газ, и газопоршневых электростанций в дополнение к уже отмеченным недостаткам газотурбинных электростанций, которые в той или иной степени свойственны и паротурбинным установкам, следует иметь в виду и то обстоятельство, что для производства 1 кВт*часа электроэнергии в паротурбинных станциях необходимо сжечь примерно на 75% больше газа, чем в газопоршневых.

Если же говорить о сравнении газопоршневых и дизельных электростанций, то основное преимущество газопоршневых двигателей перед дизельными заключается в более низкой стоимости газового топлива по сравнению с дизельным. Так, при сегодняшних ценах на топливо 1 кВт*час электроэнергии, произведенной за счет сжигания природного газа с системой утилизации тепла (стоимость примерно 1,5 руб/нм3), составит около 0,6 руб, а за счет сжигания дизельного топлива (стоимость не менее 16 рублей за литр) будет не ниже 1,6 руб, то есть почти в 3 раза больше.

Таким образом, можно с полным основанием утверждать, что газопоршневые электростанции по всем показателям (экономичность, надежность, стоимость, простота эксплуатации и т. д.) в диапазоне электрических мощностей от 1 кВт до 40 МВт, предпочтительнее любых других типов электростанций.

Вторым вопросом, ответ на который хотят получить покупатели автономных электростанций, является вопрос о выборе поставщика оборудования. Сегодня на отечественном рынке непосредственно или через своих российских представителей, присутствует множество компаний, производящих высокачественные, надежные и экономичные газопоршневые электростанции.
Однако по целому ряду показателей и, в первую очередь, по соотношению "цена/качество" одну из лидирующих позиций в области производства автономных газопоршневых электростанций занимает компания FG Wilson, которая признана мировым лидером в этой области.

Одной из особенностей продукции производства компании FG Wilson является использование в разработках компании новейших технологий преобразования энергии. К числу таких технологий без сомнения можно отнести технологию когенерации или, как ее принято называть на Западе, технологию CHP (Combined Heat and Power), то есть совместное производство тепловой и электрической энергии.

Исследования, разработки и проекты, реализованные в течение последних 25 лет во всем мире, результаты которых успешно применяются в продукции производства компании FG Wilson, позволяют утверждать, что это одна из наиболее эффективных технологий энергообеспечения огромной части потенциальных потребителей. Следует подчеркнуть, что технология CHP – не просто комбинированное производство электрической и тепловой энергии – это концепция, предусматривающая оптимизацию энергопотребления.

Реализованная в автономных газопоршневых электростанциях FG Wilson, концепция CHP позволяет повысить эффективность использования топлива с традиционных 38-40% до 85-90%. Такой эффект достигается за счет использования тепла продуктов сгорания газового топлива, которые образуются в процессе работы газопоршневого двигателя и в традиционных схемах просто выбрасываются через выхлопную трубу двигателя. Получаемая при этом тепловая энергия может использоваться для отопления, горячего водоснабжения и других целей.

Один из возможных вариантов практической реализации технологии CHP в конструкции газопоршневой автономной электростанции FG Wilson с системой утилизации тепла (УТ) представлен на схеме рис. 1. Указанная схема является демонстрационной и не претендует на исключительность. Она призвана, лишь пояснить основные принципы, заложенные в технологию CHP с системой утилизации тепла. Как уже отмечалось, основу любой автономной электростанции составляет приводной двигатель. Таким двигателем в электростанции FG Wilson является газопоршневой двигатель внутреннего сгорания, использующий в качестве топлива природный газ. Данный двигатель приводит в действие генератор переменного тока с частотой 50 Гц и напряжением 380-415 В. Комбинация двигателя и генератора (см. поз. 1 на рисунке 1) представляет собой собственно электростанцию. Для охлаждения газопоршневого двигателя используется замкнутый контур с охлаждающей жидкостью (антифризом), которая, отбирая тепло от двигателя, с помощью насоса (поз. 2) подается в теплообменник (поз. 3) модуля утилизации тепла (модуля когенерации) (поз. 4). Если температура охлаждающей двигатель жидкости в теплообменнике (поз. 3) в результате теплоотдачи снизилась до приемлемого уровня, эта жидкость с помощью термостата (поз. 5) направляется вновь в рубашку охлаждения двигателя. В том случае, когда температура охлаждающей жидкости снизилась недостаточно, термостат (поз. 5) направляет поток этой жидкости в радиатор воздушного охлаждения (поз. 6). Этот же радиатор (поз. 6) служит для охлаждения воздуха турбонаддува газопоршневого двигателя.

Таким образом, теплообменник (поз. 3) представляет собой первую часть системы утилизации тепла. Вторая часть состоит из теплообменника (поз. 7), в котором утилизируется тепло горячих (выхлопных) газов (продуктов сгорания) газопоршневого двигателя. В том случае, когда температура продуктов сгорания газопоршневого двигателя еще недостаточно высока (двигатель не вышел на режим), с помощью байпасного клапана (поз. 8), оснащенного индивидуальным приводом, выхлопные газы, минуя теплообменник (поз. 7), направляются в атмосферу.

Тепло, отбираемое в модуле когенерации (поз. 4) с помощью теплообменников 3 и 7, передается промежуточному теплоносителю (подготовленной воде). Подготовленная вода циркулирует в замкнутом контуре модуля когенерации (поз. 4) под действием насоса (поз. 9). Далее это тепло может использоваться либо для подогрева воды, либо для обогрева помещений, либо для любых других целей, в том числе и для обеспечения работы абсорбционной холодильной машины систем кондиционирования или других холодильных систем в летнее время года.

В результате работы блока когенерации (либо тригенерации, если снимаемое тепло используется, в том числе и для обеспечения работы абсорбционной холодильной машины) появляется, как уже отмечалось, возможность использовать до 90% энергии, содержащейся в первичном топливе (природном газе).

На практике это выглядит следующим образом. Рассмотрим одну из типовых моделей PG750B газопоршневой автономной электростанции FG Wilson, оборудованную системой утилизации тепла. Данная электростанция состоит из газопоршневого двигателя Perkins 4012TESI, генератора Leroy Somer LL7024P и рассчитана на генерацию трехфазного переменного тока частотой 50 Гц с напряжением 380-415 В при максимальной мощности 750 кВА (600 кВт).

При работе станции на номинальном режиме (расход газа 3,082 м3/мин) подводимая к ней вместе с газом располагаемая мощность составит 1783 кВт (теплотворная способность природного газа равна примерно 34,71 МДж/м3). Иначе говоря, КПД этой электростанции, относительно генерируемой электрической мощности (кВт) находится на уровне 34%. То есть большая часть подводимой мощности (а именно, 1183 кВт) при отсутствии системы утилизации тепла рассеивается в окружающую среду. Из этой величины 457 кВт тепловой мощности сбрасывается через выхлопную систему, 525 кВт – через систему охлаждения двигателя, 122 кВт – через систему охлаждения турбонаддува двигателя, 79 кВт - рассеиваются за счет теплового излучения самого блока двигателя и составных частей.

Таким образом, наличие системы утилизации тепла (модуля когенерации) позволяет предотвратить потери тепловой мощности через выхлопную систему и систему охлаждения двигателя. Эффективность работы системы утилизации тепла определяется интенсивностью процессов теплообмена в теплообменниках 3 и 7, и в общем случае с учетом существующих современных технических решений по интенсификации теплообменных процессов, которые используются компанией FG Wilson, может доходить до 89%. Иначе говоря, полезная тепловая мощность, отбираемая с помощью системы утилизации тепла, для рассматриваемого варианта электростанции будет составлять около 873 кВт.

В результате суммарная эффективность газопоршневой автономной электростанции PG750B производства компании FG Wilson, оборудованной системой утилизации тепла, повысится с 34 до 83% , то есть больше чем в два раза. На сегодня это один из лучших показателей для данного типа оборудования, обеспечивающий быструю (менее 1 года) окупаемость дополнительных затрат на оснащение автономных электростанций системами утилизации тепла.

Газопоршневая электростанция PG1250B
Модель станцииЧастота вращения, об/минМощностьДвигательГенераторРасход газа, м3/минГабариты, ДхШхВ, ммМасса*, кг
кВАкВтМаркаМодельМодель
PG1250B150012501000Perkins4016-E61TRSLL8124P4,4535700х2100х275013000

* с маслом и охлаждающей жидкостью

Энергетический баланс газопоршневой электростанции PG1250B


Вернуться к списку

Ближайший к Вам
офис Хайтед
129337, г. Москва, ул. Красная Сосна, д. 3, стр. 1
+7 (495) 789-38-00
350072, г. Краснодар, Ростовское шоссе, д. 14/2
+7 (861) 299-52-17
620142, г. Екатеринбург, ул. Щорса, д. 7
+7 (343) 221-01-31
443022, г. Самара, ул. 22-го Партсъезда, д. 7А
+7 (846) 203-85-05
630088, г. Новосибирск, Северный проезд, д. 7 (офисно-складкой комплекс Sakura)
+7 (383) 373-09-59
04074, г. Киев, ул. Новозабарская, д. 2/6, офис 321
+38 (044) 501-91-17
050050, г. Алматы, просп. Рыскулова, д. 72
+7 (727) 294-11-10
060000, г. Атырау, ул. Атамбаева, д. 12а, корп. 1, этаж 3
+7 (7122) 31-56-32
загрузка карты...
загрузка карты...