Принцип работы газопоршневой электростанции: от топлива до электроэнергии

Газопоршневая установка похожа на крупный двигатель на раме. Внутри скрыт весь путь от газа до напряжения на клеммах генератора.

«Разбираем принцип работы установки не по рекламным брошюрам, а по тому, как она ведет себя на реальном объекте», отмечает инженерная команда компании «Оптэнергосбыт», официального дилера Weichai Power.

Что такое газопоршневая электростанция

Газопоршневая электростанция, это автономный источник энергии на базе газового двигателя внутреннего сгорания и генератора переменного тока на одном валу. По устройству такая станция ближе к крупному промышленному оборудованию на раме, чем к компактному бытовому генератору. Мощность модуля по отраслевой практике обычно лежит от сотен киловатт до нескольких мегаватт, несколько модулей объединяют в энергоцентр на десятки мегаватт.

Из каких узлов состоит газопоршневая установка

Базовый комплект ГПЭС, это двигатель и электрогенератор на одном валу и общей раме, плюс вспомогательное оборудование жизнеобеспечения установки. Двигатель дает механическую энергию, генератор преобразует вращение в электрический ток. Вокруг этой пары работает набор вспомогательных систем.

газовый двигатель внутреннего сгорания;
электрогенератор на общем валу с двигателем;
система охлаждения двигателя и масла;
система утилизации тепла: теплообменники и контур отвода тепла выхлопных газов;
распределительное устройство нужного класса напряжения;
блок автоматики, контроля и синхронизации.

Двигатель и генератор

Газопоршневой двигатель, это силовой агрегат, который переводит энергию сгорания топлива в механическую работу на валу. Генератор сидит на том же валу или соединен с ним через муфту: ротор создает вращающееся магнитное поле, в обмотках статора наводится переменный ток.

Вспомогательные системы установки

Система охлаждения отводит избыточное тепло от двигателя и масла. Система утилизации тепла забирает тепловую энергию выхлопных газов и контуров охлаждения, превращая её из потерь в тепловой ресурс для отопления или технологических нужд объекта. Распределительное устройство разводит электроэнергию по потребителям, а автоматика следит за давлением газа и масла, температурой по цилиндрам и детонацией.

Принцип работы ГПУ шаг за шагом

Путь энергии в ГПУ строится в четыре шага: подача топлива, работа двигателя, передача механической энергии на вал и преобразование в генераторе. Разберем каждый шаг отдельно.

От топлива до вращения вала

В цилиндры двигателя подается газовоздушная смесь. Она воспламеняется и создает давление, которое толкает поршень вниз. Поршни через шатуны вращают коленчатый вал, это вращение и становится источником механической энергии установки. В основе процесса лежит классический четырехтактный цикл ДВС: впуск и сжатие за один оборот коленвала, рабочий ход и выпуск, за второй. У газового двигателя смесеобразование и зажигание имеют свои нюансы у каждого производителя.

От вала до электроэнергии

Коленчатый вал двигателя напрямую соединен с валом генератора, который превращает энергию вращения в электрическую энергию стандартных параметров частоты и напряжения. Электрический КПД современных ГПУ по разным оценкам лежит в диапазоне от 35 до 46%, точное значение для конкретной модели указано в техническом паспорте. В параллельном режиме частота и напряжение генератора должны совпадать с параметрами внешней сети, иначе синхронизация невозможна.

На каком топливе работает газопоршневая установка

Основное топливо для ГПУ, природный газ. Допускаются и альтернативные варианты: попутный нефтяной газ, биогаз, свалочный и шахтный газ. Требования к качеству топлива, метановому числу, примесям, задает производитель двигателя индивидуально под модель. На попутном нефтяном газе устойчивый режим иногда возможен только при нагрузке от 60 до 70% номинальной мощности: ближе к номиналу несоответствие качества газа вызывает детонацию. Поэтому перед выбором модели мы запрашиваем у заказчика состав газа.

В каких режимах может работать электростанция

У ГПЭС два базовых режима: автономный (островной), когда станция обеспечивает объект без внешней сети, и параллельный (синхронный), когда она подключена к сети для резервирования или наращивания мощности. При аварийном отделении участка сети небаланс мощности проявляется изменением частоты, автоматика восстанавливает баланс изменением генерации и нагрузки. Для энергоцентров на ГПУ практика часто опирается на резервирование N+1, один агрегат сверх рабочих, поскольку каждая установка требует регламентного и ремонтного обслуживания и периодически выводится из работы.

В проекте в Курской области агрохолдинг нарастил энергоцентр с двух агрегатов SW330 до связки SW330 и SW550 на контроллере SmartGen HGM9560, до 760 кВт, без остановки производства: новый агрегат подключили в параллельном режиме к уже работающим.

Как ГПУ утилизирует тепло и зачем это нужно

Утилизация тепла превращает ГПУ в источник когенерации: станция одновременно выдает электроэнергию и тепловую энергию для отопления или технологических нужд объекта. Теплообменники снимают тепло с контура охлаждения двигателя и с выхлопных газов, которые иначе ушли бы в атмосферу без пользы. Объем тепла зависит от электрической нагрузки: снижается нагрузка, снижается и доступное тепло, и наоборот.

Электрический КПД ГПУ у разных производителей колеблется в диапазоне от 35 до 46%, а суммарный КПД в режиме когенерации достигает от 70 до 85%, по отдельным оценкам даже выше: соотношение тепловой и электрической энергии у таких систем обычно составляет от 0,8 до 2,4. Эти цифры удобны для сравнения технологий, но не для техзадания: точные значения КПД у каждой модели зафиксированы производителем в паспорте установки, мы сверяем расчеты именно по этому документу, а не по усредненным диапазонам.

Какое бывает исполнение газопоршневых установок

Исполнение электростанции, открытое, в шумозащитном кожухе или контейнерное (блочно-модульное), определяется условиями размещения, а не видом станции, и влияет на итоговую стоимость проекта. Особенность конструкции контейнерного исполнения в том, что завод собирает и испытывает установку на своей площадке: на объект оборудование приходит готовым блоком с системами вентиляции и сигнализации. Модели с автоматическим запуском нуждаются в отапливаемом помещении или контейнере с подогревом. Остаточный шум выхлопа после глушителя у ГПУ держится на уровне менее 55 дБ.

В проекте в Республике Мордовия мы выполнили шеф-монтаж и пусконаладку ГПУ WPG312B8NG мощностью 200 кВт в контейнерном исполнении с дополнительным оборудованием, без капитального строительства отдельного здания.

Преимущества и ограничения газопоршневых электростанций

Главное преимущество ГПУ, экономика топлива: природный газ дешевле дизельного топлива, а когенерация добавляет выгоду за счет использования тепла. Такое оборудование окупается быстрее там, где нагрузка объекта близка к постоянной, а не аварийно-резервная. Станция на газе выбрасывает заметно меньше вредных веществ, чем источники на угле или мазуте. Ограничение обратное преимуществу: установка зависит от наличия и качества газа, несоответствие которого требованиям производителя вызывает детонацию и может привести к аварийной остановке на нагрузке, близкой к номинальной. Отдельная статья расходов, технологическое присоединение к газовым сетям: его стоимость иногда сопоставима с ценой самой установки, этот фактор мы считаем на этапе технико-экономического обоснования.

Где применяют газопоршневые электростанции

Область применения газопоршневых электростанций, промышленные предприятия с доступом к магистральному газу: пищевая переработка с сезонными колебаниями нагрузки, молочные и мясоперерабатывающие производства, нефтегазовый сектор для утилизации попутного газа, индустриальные парки и коммерческая недвижимость. Гибкость станции к переменному потреблению делает её удобным оборудованием там, где нагрузка меняется в течение суток или сезона.

В Курской области мы построили энергоцентр под ключ для производственного предприятия: три установки WPG312L8NG по 200 кВт каждая, полный цикл строительства энергоцентра под ключ, от проектирования до пусконаладки. Три агрегата вместо одного крупного дали заказчику запас по резервированию и возможность обслуживать машины по очереди, без остановки производства.

Когда выгоднее выбрать ГПУ, а не ДГУ

ГПУ выигрывает у дизельной установки там, где есть доступ к магистральному газу и нагрузка объекта постоянная, а не аварийно-резервная: за счет дешевого топлива и когенерации экономика газа почти всегда перекрывает экономику дизеля на длинном горизонте эксплуатации. ДГУ остается оправданным решением там, где газа на площадке нет вообще или станция нужна только как аварийный резерв на редкие провалы в сети.

Материал подготовлен инженерной командой официального дилера Weichai Power, компании «Оптэнергосбыт», которая проектирует, строит и обслуживает энергоцентры на базе газопоршневых установок по всей России, от Мордовии до Курской области, и ведет их сервисную поддержку в режиме 24/7.