Сравнение и технико-экономический анализ газопоршневых установок

Газопоршневые агрегаты относятся к когенерационным установкам (КГУ), работающими на природном газе (ПГ) и предназначенными для комбинированного производства тепловой и электрической энергии. Они находят широкое применение в системах автономного энергоснабжения отдельных зданий, спортивных и торгово-развлекательных комплексов, а также промышленных площадок небольших предприятий. Методика расчёта теплотехнических характеристик КГУ, исходными данными для которой служат результаты предварительного теплового расчёта, известна.

Энергетическое обследование (ЭО) предприятий и отдельных объектов, энергоснабжение которых осуществляется от собственных мини-ТЭЦ с КГУ, сводится к оценке эффективности использования топливно-энергетических ресурсов (ТЭР) в система энергоснабжения (СЭ) [1]. Эта оценка предствляет собой результат сопоставления нормативного и фактического потребления ТЭР в конкретных условиях эксплуатации СЭ. Исходными данными для оценки нормативного потребления ТЭР служат результаты очередных режимно-наладочных испытаний КГУ, приведённые в их режимных картах (РК).

Рассмотрим несколько вариантов газопоршневых установок, сделаем сравнительную часть и выберем наиболее выгодный в плане экономики и технических характеристик.

Газопоршевая установка Caterpillar G3516B, мощностной ряд которой начинается от 5 кВт и заканчивается на 5700 кВт [2]. Силовые агрегаты изготовлены из высококачественных сплавов и сталей. Работают данные электростанции как на природном газе, так и на дизельном топливе, в зависимости от потребителя. За счёт низкой эмиссии данный тип установок можно устанавливать как в городе, так и за его пределами, потому что они не наносят вред окружающей среде. Генераторные установки Cat оборудуются системами теплоутилизации — когенерации для одновременного приобретения электроэнергии и тепла. Установки экономят около 45% топлива в сопоставлении с раздельной выработкой тепловой и электрической энергии. Это положительно сказывается на срок окупаемости для потребителей. Газовый двигатель, созданный по конструкции дизельного двигателя, обеспечивает длительный срок службы и низкие эксплутационные расходы при работе на природной газе, поступающий из газопровода. Система с открытой камерой сгорания обеспечивает надежность и позволяет использовать различные виды газообразного топлива. В системах зажигания и регулирования соотношения количества воздуха и топлива в топливной смеси снижает выбросывредных веществ и повышает КПД двигателя. Всеми основными функциями системы двигателя, зажиганием, числом оборотов, регулированием соотношения количества воздуха и топлива и системой защиты двигателя, управляет единый электронный блок. Предлагаемая модель газопоршневой системы, для установки на Мелеузовский завод, Caterpillar G3516B вырабатывает электрическую мощность 1160кВт. У двигателя диаметр цилиндра 170 мм и ход поршня 190 мм. Рабочий объём двигателя 69 л. Номинальная частота вращения 1500 оборотов за минуту. 4] В системе охлаждения, при температуре окружающего воздуха равным 25єС, максимальная температура рубашки охлаждения равна 99 єС. Температура выхлопных газов 486 єС. Электрический КПД 39,1%.

Следующим примером газопоршневой установки является система Английского производства Cummins 1160 GQKA [3]. Электрическая мощность варьируется от 150 до 2700 кВт. Могут работать как на природном, так и при особой подготовке, на попутном газе. Двигатели Cummins проектировались и создавались специально для работы на газовом топливе с низким рабочим давлением, от 0,2 бар. В газопоршневых системах такого типа, также как и в предыдущем примере используется камера сгорания открытого типа. Двигатель работает на обедненной газовой смеси, при соотношении массы воздуха к массе топлива 1,7, что позволяет достичь низкого выброса вредных веществ. Содержание окислов азота в выхлопных газах не более 350 мг/м3. Частота вращения коленчатого вала достигает 1800 оборотов в минуту. Также, компанией Cummins разработано несколько модификаций двигателей с различной степенью сжатия для работы на газах с разными метановыми числами. Работа происходит без существенного снижения мощности на топливном газе с метановым числом от 52, со снижением номинальной мощности. Для непрерывного контроля основных параметров, температуры, давления подачи газа и объёма нагнетаемого воздуха, на двигателях датчики установлены на каждом цилиндре. Контроллер, автоматически регулируя поток газа, подачу воздуха и момент зажигания, выводит процесс горения из зоны детонации. Система управления позволяет принимать единовременно до 50% нагрузки с сохранением значений частоты и напряжения в допустимых пределах. Электронный блок контроля распределения активной и реактивной нагрузок, управляя двигателем и системой возбуждения генератора, минимизирует потери мощности при параллельной работе нескольких газопоршневых установок. Система зажигания оснащена отдельной катушкой и свечой зажигания на каждом цилиндре. Расход топлива при 100%-ной нагрузке 320 м3/час. Электрический КПД равен 39%.

Газовый мотор-генератор 11ГД100. 5] Данный энергоблок представляет собой комплекс, состоящий из газопоршневого мотор-генератора 11ГД100, водогрейного котла-утилизатора, оборудования и систем, обеспечивающих их работу и безопасность эксплуатации.

Основные установки данного энергоблока:

• 1. газопоршневой мотор-генератор;
• 2. вспомогательное оборудование;
• 3. водогрейный котёл-утилизатор.

Управление мотор-генераторами производится со щита дистанционного управления, на который вынесены все приборы контроля и управления работой агрегатов и общих систем. 11ГД100 не требуют постоянного обслуживающего персонала непосредственно у агрегата.

Принцип действия. Выхлопные газы от мотор-генератора направляются в котёл-утилизатор с температурой 325 єС, охлаждаясь в испарителе до 190 єС, попадают в экономайзер и далее на выходе из котла с температурой 160 єС отводятся в атмосферу.

Питательная вода через узел питания поступает в водяной экономайзер. Далее, подогретая в водяном экономайзере, поступает в нижний коллектор испарителя, а откуда — в испарительную поверхность нагрева, где образуется пароводяная смесь. Из испарительной поверхности нагрева пароводяная смесь попадает в верхний коллектор испарителя, откуда по пароотводящим трубам поступает в паровой сепаратор, где происходит разделение пароводяной смеси на воду и пар. Вода направляется в водоподготовительную установку и далее возвращается обратно в цикл, а пар — потребителю. газопоршневый когенерационный оборудование Сравнительные технические и экономические показатели. 6]На Российском рынке газопоршневые мотор-генераторы 11ГД100 мощностью 1000кВт работают на электростанциях собственных нужд магистральных газопроводов уже с 1960 года. Проведя технико-экономический анализ (табл.1) характеристик нашего двигателя и импортных аналогов, я сделал вывод: несмотря на то, что КПД наших машин ниже заявленных показателей импортных производителей (что спорно), все остальные минусы импортных машин им не свойственны: стоимость двигателя и соответственно электростанции на его базе ниже на 20…30%; моторное масло меняется реже, применяется самое распространённое, доступное и дешёвоетипа М14В2; сервисное обслуживание, ремонт, запасные части и детали для двигателей серии Д100 производятся предприятиями на территории России, соответственно, затраты на техническое обслуживание и капитальный ремонт двигателя в 2…3 раза ниже.

Таблица 1 Сравнительные технические характеристики различных ГПА.

Примечание. Тип стартера: Э — электрический, П — пневматический;

1 — Caterpillar G3516 LE, 2 — Cummins 1160 GQKA, 3 — 11ГД100.

В заключении отметим, что выгоднее будет приобрести газопоршневую электростанцию Российского производства, т.к. технические показатели практически идентичны зарубежным аналогам, а экономический показателей значительно отличается в лучшую сторону.

Библиографический список.

• 1. Каримов З. Ф. Оценка нормативных характеристик газопоршневых агрегатов мини-ТЭЦ // Каримов З. Ф. Промышленная энергетика № 4 2006.
• 2. Газопоршневые электростанции Caterpillar [Электронный ресурс] // URL: http://www.manbw.ru/analitycs/caterpillar.html (дата обращения: 03.02.2016).
• 3. Газопоршневые электростанции Cummins [Электронный ресурс] // URL: http://www.ngenergo.ru (дата обращения: 16.04.2016).
• 4. Технические данные Caterpillar G3516A мощностью 1100 кВт [Электронный ресурс] // URL: http://www.cogeneration.ru/caterpillar/generation/g3516a.html (дата обращения: 20.04.2016).
• 5. Газопоршневые электростанции 11ГД100 [Электронный ресурс] // URL: http://it-energetics.ru/news/ (дата обращения: 10.04.2016).
• 6. Сравнительные технические и экономические показатели газопоршневых установок [Электронный ресурс] // URL: http://it-energetics.ru/news/ (дата обращения: 10.04.2016).