что такое гпу в энергетике
Газопоршневая установка: описание, принцип работы и особенности установки
Принцип когенерации выработки позволяет обеспечивать потребителей несколькими видами энергии при минимальных затратах. На таких платформах работают станции, снабжающие предприятия теплом, холодом, паром и электричеством. Объемы выработки и способы распространения энергии зависят от конструкции и местного инженерного обеспечения. Типовой реализацией данной концепции является газопоршневая установка (ГПУ), в состав которой входит двигатель внутреннего сгорания. Несмотря на традиционный способ конструкционного исполнения, такие агрегаты являются эффективными, функциональными и долговечными. Впрочем, они не избавлены и от недостатков.
Устройство ГПУ
Конструкция базируется на массивном ДВС, в котором предусмотрена камера сгорания и вспомогательная инфраструктура для осуществления процессов смесеобразования и зажигания. Остальная техническая часть определяется тем, какие конкретно типы энергии нужно получить в ходе прохождения циклов сгорания. Например, распространено подключение вала, благодаря механической работе которого генерируется электрическая энергия. Механическое действие вал совершает за счет ДВС. Непосредственно тепловая энергия, которая вырабатывается уже в первом цикле, может распространяться или аккумулироваться в бойлерах с контурами. Это же касается и пара, который будет передавать потребителям тригенерационная газопоршневая установка. Устройство современных ГПУ не обходится без систем обеспечения безопасности, в числе которых датчики температуры, регуляторы детонации, панели контроля и управления. В то же время не всегда такие генераторы выступают в качестве самостоятельных объектов выработки энергии. Нередко их уже на этапе строительства интегрируют в инженерную инфраструктуру крупных предприятий. В этом случае они выступают лишь компонентом газовых компрессоров, приводов насосов или холодильных установок. Разумеется, речь идет об индустриальном оборудовании, требующем подключения больших потоков энергии.
Общий принцип работы
Независимо от алгоритма генерации, преобразования и дальнейшего распространения энергии, на базовом уровне ГПУ вырабатывают энергетический потенциал в процессе сжигания газового топлива. По расчетам специалистов, тепловая энергия на таких станциях позволяет генерировать электроэнергию с КПД порядка 40 %. Иными словами, большая часть генерируемого тепла уходит в окружающую среду, а почти половина – аккумулируется и направляется потребителями. И в этом контексте можно вспомнить о концепции, встроенной в инженерную структуру предприятия станции, – данная схема позволит эффективнее расходовать и уходящую «местную» тепловую энергию на обогрев помещений и т. д. Кроме того, активно распространяются многофункциональные газопоршневые установки, принцип работы которых ориентирован на сегментированную выработку энергии разного типа в отдельных блоках. Это когенерационные и тригенерационные станции, которые позволяют использовать первичную вырабатываемую энергию с КПД порядка 90 %. Их стоит рассмотреть отдельно.
Принцип когенерации
Для начала стоит подчеркнуть, что выработка электроэнергии на многих установках производится «по умолчанию». Это наиболее распространенный вид целевого продукта станций ГПУ. Но, кроме него, тепловая энергия может преобразовываться в средство нагрева воды и пар. Охлаждение ДВС реализуется по закрытому контуру, в котором циркулирует холодная вода. Она отбирает тепловую энергию у двигателя, после чего отправляется в теплообменник. На завершающем цикле теплоноситель поступает в котел, утилизирующий тепло. Данная инфраструктура позволяет использовать газопоршневые когенерационные установки в комплекте с быстровозводимыми модульными зданиями или в готовых контейнерах. Они располагаются в самих предприятиях или вблизи. Когенерационный принцип работы обеспечивает снабжение потребителей электроэнергией, горячей водой или паром.
Принцип тригенерации
Тригенерация подразумевает расширение функциональности обычных ГПУ за счет добавления задачи выработки холода. Данная функция тоже довольно широко востребована среди предприятий из разных отраслей. Технически тригенерация достигается в процессе той же процедуры утилизации тепла, но в больших объемах. Для непосредственной аккумуляции холодных потоков и их распределения используются абсорбционные или компрессорные кондиционеры. Причем охладительные чиллеры на основе абсорбции используют уже выработанную горячую воду или пар от ГПУ. Газопоршневая установка с компрессорным кондиционированием, в свою очередь, работает за счет готовой электроэнергии. То есть в любом случае охлаждающие установки требуют для своей функции вторичный продукт переработки.
Топливный материал
Существенной особенностью ГПУ, которая отличает ее от других энергетических станций, является работа за счет сгорания газа. Специфика применения данного топлива обусловлена и повышенными требованиями к безопасности установки, и жесткими экологическими нормативами. Чаще всего для питания таких объектов используют природный газ, бутан, пропан, пиролизный, древесный и коксовый газы. В некоторых случаях ради удешевления процессов генерации ДВС заправляют попутным газом нефтяной переработки, а также газами сточных вод и мусорных свалок. Качественные характеристики топлива определяются по параметрам серосодержания, степени детонации, коэффициента содержания метана, теплоты сгорания и т. д.
Особенности монтажа установки
Станции в разобранном виде доставляются на место установки с помощью спецтехники. К этому моменту на рабочей площадке должен быть подготовлен фундамент, соответствующий размерам и массе ГПУ. На следующей стадии производится агрегатная сборка – компонуются в единую структуру элементы ДВС, кулеры, воздухозаборники, резервуары, бойлеры и прочие части рабочей инфраструктуры. Затем выполняется обвязка с местными инженерными коммуникациями, то есть сетями, с которыми будет взаимодействовать станция в процессе эксплуатации. По этим каналам будет осуществляться распространение тепла, горячей воды, электричества, пара и т. д. В отдельном порядке организуется система, через которую управляется газопоршневая установка. Монтаж в этой части заключается в организации внутриплощадочных электросетей снабжения, установке пунктов диспетчеризации и автоматизации, устройстве молниезащиты и заземления. Наиболее ответственны работы с модульными конструкциями, которые могут интегрироваться в состав предприятия как строительного сооружения. В данном случае изначально разрабатывается проект установки станции, ее подключения к коммуникациям и системы энергообеспечения.
Техническое обслуживание станций
Сразу после монтажных работ производится первое тестирование с наладкой оборудования. В перечень пусконаладочных мероприятий входит проверка функциональных компонентов, сетей, контуров, измерительных приборов и датчиков. В дальнейшем подобные операции могут выполняться после реконструкции или модернизации станции. Что касается ремонтных мероприятий, то газопоршневая установка может подвергаться плановой и капитальной ревизии, по результатам которой главный инженер разработает проект технической поддержки. В регулярном порядке обслуживающий персонал должен своевременно менять расходные части компонентов станции, обновлять рабочие жидкости и отслеживать температурные параметры.
Установки Caterpillar
Фирма Caterpillar является одним из крупнейших производителей инженерно-промышленного оборудования в мире. Сегмент газопоршневых агрегатов представлен моделями, мощность которых варьируется в диапазоне от 20 до 10 000 кВт. Наибольший спрос отмечается в спектре от 360 до 2 000 кВт. Что касается конструкционного исполнения, то компания предлагает и готовые к эксплуатации контейнерные блоки, и модульно-разборные крупные станции, размеры которых могут достигать 1400х340х340 см. Пользователи установок данной марки отмечают их высокий рабочий ресурс, производительность (в среднем КПД 90%) и долговечность. Типовая газопоршневая установка Caterpillar электрической мощностью в 1 000 кВт способна работать без потребности в капитальном ремонте порядка 50 000 моточасов. К этому же стоит добавить расширенные возможности инженерно-коммуникационного подключения и малошумность.
Установки MWM
Менее известная марка, выпускающая газопоршневые станции, но и она находит своих клиентов в самых разных областях. Прежде всего модели MWM выигрывают за счет прогрессивной системы управления. Особенность ее заключается в том, что контролю и мониторингу подвергаются не только все компоненты станции от двигателя до смежных бойлеров и воздухозаборников, но и взаимодействующие элементы комплекса. Это позволяет держать под контролем каналы передачи электричества, воды и пара. Отличается газопоршневая установка MWM и способностью работать на специализированных газах. Для заправки, кроме привычных газов, доступен биогаз, шахтные и пиролизные смеси. Специально для российских условий эксплуатации компания также предлагает модернизированные установки, в которых предусмотрена возможность подогрева воздуха, отправляющегося в камеру горения. В зимний период это решение позволяет экономить на топливе в среднем 10%.
Установки GE Jenbacher
Производитель Jenbacher специализируется на среднем сегменте ГПУ, которые работают на тяжелом топливе. Средний мощностный потенциал такого оборудования составляет 300-4 000 кВт. Среди технологических особенностей таких станций отмечают уникальную систему сжигания топлива LEANOX. Благодаря ней газовые двигатели получили возможность нивелировать содержание метана, исключая при этом падение мощности. Заботятся инженеры фирмы и о системе управления, что позволяет им выпускать функциональные и эргономичные газопоршневые установки. Цена таких моделей составляет в среднем 1-1,5 млн руб. Но это касается небольших по мощности агрегатов, которые подходят для использования на мелких предприятиях.
Плюсы и минусы ГПУ
Преимущества газопоршневого оборудования очевидны – они заключаются в дешевизне топлива и в скромных финансовых затратах на обслуживание станций. Также в работе они достаточно просты, малошумны и стабильны. Однако даже при условии магистрального снабжения газопоршневые генераторные установки остаются наиболее опасным средством выработки энергии. Опасности, связанные с транспортировкой и использованием газовых смесей, в первую очередь, выражаются рисками возгорания и взрыва. Кроме того, остаются экологические нюансы и вопросы токсической безопасности, поскольку широкий спектр используемых смесей вреден для человека, если их должным образом не изолировать в контурах станции.
Расчет газопоршневой установки
Перед выбором конкретной модели установки следует произвести некоторые расчеты. В первую очередь учитывают затраты на газовую смесь. Если мощность агрегата составляет примерно 1 000 кВт, то при полной загрузке в 278 нм3 за час выйдет приблизительно 1 руб. на 1 кВт*ч. При тех же данных конструкции и мощности объем масла будет составлять порядка 230 л, что добавит к расходам еще примерно 0,04 руб. на 1 кВт*ч. Также не стоит забывать о расходниках и запасных частях. С учетом, что ближайший серьезный ремонт может наступить примерно через 40-50 тыс. моточасов, то на 1 кВт*ч. газопоршневая установка со средними характеристиками будет требовать порядка 0,37 руб.
Заключение
Станции на базе газопоршневого двигателя являются оптимальным решением для предприятий, которые стремятся к энергетической независимости. Использование газа в качестве основного топлива позволяет сокращать расходы на энергоснабжение, а особенности конструкции и принципа работы дают возможность генерировать сразу несколько видов энергии. При этом стоимость газопоршневой установки, которая в среднем составляет 1-2 млн, вполне подъемна для среднего предприятия. Крупные производственные комплексы и вовсе используют мощные установки, цена которых может превышать и 5 млн. Это уже многофункциональные тригенерационные станции, в перечень задач которых входит также и охлаждение целевого объекта.
В мини-электростанциях могут использоваться силовые агрегаты разных типов. Если речь идет о газовых ТЭС, их оснащают турбинными и поршневыми установками. Чем они отличаются, и что лучше выбрать?
Особенности конструкции
Газопоршневые и газотурбинные электростанции различаются по конструкции и принципу работы. ГПУ (газопоршневые установки) имеют внешнее смесеобразование, камеру сгорания и искровое зажигание. По сути, это двигатель внутреннего сгорания, работающий на газе.
ГТУ (газотурбинные установки) состоят из турбины, компрессора и камеры сгорания. Газ смешивается с воздухом и поджигается, тем самым приводит в движение другие элементы конструкции.
Преимущества ГПУ
Преимущества ГТУ
Как выбрать установку для электростанции?
В частности, имеет значение сложность ремонта. Газопоршневую установку приходится ремонтировать, как правило, чаще: у нее больше подвижных деталей, ее конструкция сложнее, и риск поломки выше. Но при этом ремонт можно провести непосредственно на объекте. Большая часть проблемы решается установкой новой детали или комплекта деталей.
Газотурбинные электростанции выходят из строя реже в силу более простой конструкции. Однако при этом ремонт силовой установки на месте провести нельзя: нужны заводские условия. А значит, придется либо вывести станцию из эксплуатации, либо установить (хотя бы на время ремонта) новый силовой агрегат.
Большую роль играет КПД. Газотурбинная электростанция расходует больше топлива на кВт, но этот недостаток можно устранить за счет установки дополнительного оборудования.
Выбор в пользу ГПУ или ГТУ необходимо делать, ориентируясь на условия эксплуатации.
Поделитесь ссылкой со своими друзьями:
Что такое гпу в энергетике
Газопоршневая электростанция – оборудование для автономного производства электрической и тепловой энергии из внутренней энергии газового топлива. ГПУ может служить основным или дополнительным источником энергообеспечения на предприятиях различных отраслей.
Сфера применения: нефтегазовая и угольная промышленность, металлургия, ЖКХ, медицина и транспорт (в качестве резервных источников энергообеспечения), а также котельные и насосные станции, офисные и торговые центы.
Схема работы газопоршневой установки
Принцип работы газопоршневой электростанции
Газовое топливо поступает на газопоршневой двигатель. Во время горения вырабатывается механическая энергия, которая передается через единый вал на генератор. Так она преобразуется в электрическую энергию стандартных параметров качества. Полученная электроэнергия по кабельным линиям передается на генераторное распределительное устройство. Помимо этого, в процессе функционирования ГПУ высвобождается много тепла, которое снимается теплообменниками и котлами-утилизаторами. Вырабатываемая тепловая энергия подается в тепловую сеть предприятия.
Режимы работы газовой установки
Исходя из возможностей и требований заказчика, электростанции могут работать независимо или вместе с внешней энергосистемой.
Топливо: природный газ и не только
В России популярным топливом для ГПЭС является природный газ. Он легкодоступен и эффективен, в своей основе имеет CH4 – простейший углеводород.
Альтернативные виды топлива для газовых установок:
• биогаз – результат анаэробного брожения органических веществ;
• свалочный газ мусорных полигонов;
• попутный нефтяной газ, полученный в результате переработки нефти на НПЗ;
• коксовый газ, образуется при нагревании каменного угля без воздуха до 1000 °С;
• сжиженный газ – природный газ, сжиженный при охлаждении до минус 160 °C;
• рудничный газ – бесцветный газ из каменноугольных или металлических рудников.
Способы установки оборудования
Выделяют два вида исполнения газопоршневых установок на предприятии.
1) Стационарное исполнение — ГПУ и сопутствующее оборудование размещается в капитальном здании.
2) Блочно-модульное исполнение – оборудование ГПЭС со всеми вспомогающими системами монтируется в компактном строении блочного типа с модульным расположением функциональных блоков. Данный вариант сокращает финансовые и временные затраты для запуска электростанции. Делает оборудование более мобильным.
Пример ГПУ блочно-модульного типа компании ЦЭСР
Строение газопоршневой установки
Базовыми комплектующими ГПУ являются: двигатель и электрогенератор, соединённые через муфту и закрепленные на стальной раме. Однако для полноценной работы газопоршневой электростанции необходим ряд функциональных систем
1) Газовый двигатель и комплектующие
Газопоршневой двигатель – двигатель внутреннего сгорания, использующий в качестве топлива природный газ. Позволяет вырабатывать тепловую энергию. КПД двигателя при полной нагрузке может достигать 93,7%. Компания ЦЭСР проектирует ГПЭС на базе оборудования компании МАN.
Комплектующие двигателя:
• система смазки циркуляционного типа: маслобак с арматурой и маслофильтр;
• система охлаждения: центробежный насос с электроприводом и мембранный расширительный бак;
• пусковое устройство: стартер с пучковым реле и аккумуляторные батареи;
• система подачи газа: газовый предохранительный фильтр, термозапорный клапан, отключающие шаровые краны, электромагнитный клапан, регуляторы давления газа, газовый счетчик с корректором расхода, сильфонный компенсатор, трубопроводы;
• система зажигания: катушки зажигания, электронный распределитель, датчик числа оборотов, кабели, свечи зажигания и штекеры.
2) Генератор
Трехфазный синхронный бесщеточный генератор – устройство, преобразующее тепловую и механическую энергию в электрическую. Через муфту вращающийся момент двигателя передается ротору генератора. При его вращении в статоре осуществляется выработка электроэнергии, которая и используется предприятиями.
3) Стальная рама
Опорная рама с амортизаторами – жесткая конструктивная деталь, несущая нагрузку от двигателя, генератора, насоса системы охлаждения, расширительного бака ОЖ, теплообменника и остальных деталей.
4) Система утилизации тепла
Существуют разные варианты комплектации. Наиболее распространена система из двух теплообменников (типа жидкость-жидкость и газ-жидкость), калорифера для отвода тепла от системы охлаждения двигателя, соединительной арматуры, трубопровода, датчиков и прочих деталей.
5) Система выхлопа и очистки выхлопных газов
Данный отдел ГПУ состоит из стальных шумоглушителей и СО-катализаторов, закрепленных на линии выхлопных газов после двигателя. В ряде случаев предусмотрен монтаж дымовой трубы.
6) Вентиляция и охлаждение
Главная цель системы – поддержание стабильной температуры воздуха в контейнерной электростанции для функционирования двигателя и обеспечение заданной кратности воздухообмена. Включает: вентилятор двигателя, воздуховоды и вытяжные вентиляторы.
7) Распределительное устройство и силовой пульт управления
Пульт управления, расположенный в контейнере, соединен по локальной сети с контроллерами электростанций. Информация о состоянии сети поступает на него с приборов, установленных в распределительном устройстве, по последовательному интерфейсу. Пульт управления – многофункциональное устройство обеспечивающее:
• автоматический заряд аккумуляторных батарей;
• питание датчиков и исполнительных устройств, установленных на двигателе;
• автоматическую синхронизацию и устойчивую параллельную работу электростанции с другими агрегатами или электрической сетью;
• автоматическую автономную работу на изменяющуюся нагрузку;
• автоматический пуск и остановку электростанции;
• аварийную автоматическую сигнализацию и защиту двигателя и генератора.
Распределительное устройство состоит из коммутационных аппаратов и устройства релейной защиты.
8) Система питания собственных нужд установки для выработки электроэнергии
Система питания состоит из электрического шкафа настенного типа, контейнера, кабелей, кабельных лотков и конструкций, выводов из электрощитов, маркировки проводов.
9) Освещение
Система состоит из двух частей: основное освещение от внешних сетей и аварийное от аккумуляторных батарей. Для освещения применяются светильники дневного света, лампы мощностью 40 ВТ, выключатели, розетки для портативного освещения и сервисных работ.
10) Охранная и пожарная сигнализация
Оборудование, обеспечивающее безопасность на когенерационной газопоршневой установке: прибор приемно-контрольный пожарный, датчики температуры и задымления, а также датчики вскрытия дверей, световая и звуковая сигнализация.
11) Система пожаротушения
Включает автоматическую систему пожаротушения порошкового типа и два ручных огнетушителя углекислотных с креплением на внутренней стенке контейнера.
12) Система заземления
Основные характеристики газопоршневых электростанций
В России широкий ассортимент газопоршневых установок представляет группа компаний ЦЭСР. В зависимости от энергетических потребностей предприятия можно выбрать газопоршневую установку мощностью от 200 кВт/ч до 1000 кВт/ч. Заказчик газопоршневого оборудования должен знать, что большинство моделей ГПУ способны работать в когенерационном режиме, производя электрическую и тепловую энергии.
На выходе из силовых агрегатов температура выхлопных газов поднимается до 390-400ºС. Соотношение между произведёнными электричеством и теплом равно примерно 1:1. Так из 2 МВт установленной электрической мощности получается 2 МВт тепловой энергии.
• Средний коэффициент насыщенного пара у ГПЭС ≈ 0,65.
• Средний уровень расхода моторного масла ≈ 0,5 кг/ч на 1 МВт производимой мощности ГПЭС.
• Расходы на моторное масло минимальны ≈ 7 копеек на 1 кВт.
• Срок строительства газовой станции от полугода.
• Полный ресурс МИНИ-ТЭС от 20 до 25 лет.
• Ресурс до ремонта ≈ 80 тыс. часов.
Плюсы и минусы газовых энергетических установок
Достоинства ГПУ
Недостатки ГПУ
Экономическая выгода предприятия
Цены на энергоресурсы регулярно растут, а на природный газ нет! Дешевое топливо – главная причина строительства предпринимателями ГПУ на производстве. Инвестировав один раз в газопоршневую электростанцию, следующие 25 лет можно экономить на электрической энергии и получать тепловую энергию бесплатно. Срок окупаемости оборудования от 3 до 5 лет.
В 2020 году стоимость 1 кВт электроэнергии от сетей превышает 5 рублей. Выработанная энергия на газопоршневой электростанции обойдется в 2 рубля.
Сократив расходы на энергообеспечение, предприятие может снизить цены на производимые товары и занять конкурентоспособное место на рынке. Это особенно актуально в связи с нестабильной финансовой ситуацией и падением потребительского спроса в 2020 году.
Собственная ГПЭС увеличивает капитализацию предприятия и делает его привлекательнее для инвесторов. Также больше не придется тратиться на транспортировку электроэнергии, ведь она будут производиться уже на месте.