Глава 10. Электрогенераторные установки

По всей России 8 800 500-92-62 Москва +7 (495) 120-07-78 Санкт-Петербург +7 (812) 318-75-80
Горючие газы. Режимы потребления, нормы расхода

Глава 10. Электрогенераторные установки

10.1. ОснОВные сВеденИя О ПРИнцИПаХ РеЗеРВнОГО ЭлекТРОснабженИя

К сожалению, износ электрораспределительных сетей и возрастающие нагрузки все чаще вызывают перебои в электроснабжении. Именно поэтому вопрос приобретения автономного источника в нынешней ситуации актуален, особенно в условиях загородного строительства с ограниченной инженерной инфраструктурой.

Причин перебоев электроснабжения может быть множество, от простого обрыва ЛЭП до аварий, вызванных износом генерирующих мощностей

Рис. 10.1. Причин перебоев
электроснабжения может быть
множество, от простого обрыва
ЛЭП до аварий, вызванных
износом генерирующих
мощностей

Причин перебоев электроснабжения может быть множество, от простого обрыва ЛЭП до аварий, вызванных износом генерирующих мощностей
Бензиновые электрогенераторы сравнительно недороги и компактны, но не рассчитаны на длительную непрерывную работу
Рис. 10.2. Бензиновые
электрогенераторы сравнительно
недороги и компактны, но
не рассчитаны на длительную
непрерывную работу

Современные дизельные двигатели
Рис. 10.3. Современные дизельные
двигатели представляют собой
высокотехнологичные агрегаты,
избавившиеся от недостатков,
присущих классическим моделям
20-летней давности

Для индивидуального застройщика самым оптимальным будет приобретение компактного устройства резервного электропитания (генератора), и сделать это лучше всего на этапе строительства. Сегодня наиболее популярным решением стал генератор с двигателем внутреннего сгорания, работающий на жидком или газообразном топливе: бензиновым, дизельным или газовым.

Бензиновые генераторы удобны в эксплуатации, легки, компактны и относительно недороги, однако при этом обладают сравнительно небольшим моторесурсом, сильно зависящим от конструкции. Так, генератор с алюминиевым блоком и боковым расположением клапанов обладает моторесурсом около 500 часов, а ресурс его аналога с чугунными гильзами в цилиндрах – в три раза больше. Также к недостаткам бензиновых генераторов можно отнести и небольшое допустимое время непрерывной работы. Обычно оно не превышает 10% от общего моторесурса.

Достоинства дизель-генераторов являются продолжением преимуществ дизельных двигателей в целом. Это и повышенный до 40% КПД (а с применением турбонаддува и промежуточного охлаждения – и до 50%), и нечувствительность к типу топлива, и высокий крутящий момент на низких оборотах, что позволяет эффективней мощность двигателя, а также низкая пожароопасность.

В современных дизельных двигателях в значительной мере устранены недостатки, присущие классическим агрегатам с механически управляемым вспрыском. Большинство новых двигателей снабжено системой «commonrail», осуществляющей впрыск топлива электрически управляемыми форсунками. Подачу управляющего электрического импульса осуществляет электронный блок управления, получающий сигналы от набора датчиков. Датчики же отслеживают различные параметры двигателя, влияющие на длительность и момент подачи топливного импульса. Также стандартом в конструкциях дизелей стало наличие турбонагнетателя с интеркулером, устройством, охлаждающим сжатый турбонагнетателем воздух. Нагнетатель позволил поднять удельные мощностные характеристики, позволяя пропустить за рабочий цикл большее количество воздуха через цилиндры.

Достоинства дизель-генераторов
Рис. 10.4. Достоинства дизель-генераторов
(повышенный до 40% КПД, нечувствительность
к типу топлива, высокий крутящий момент
на низких оборотах, низкая пожароопасность)
обеспечили их широкое распространение

Дизель-электрический агрегат включает в себя дизельный двигатель, генератор и вспомогательные устройства: раму, приборы контроля, топливный бак. Если же в комплектацию добавлены устройства для распределения электроэнергии, устройства автоматики, пульт управления, комплекты ЗИП, то речь идет уже о дизельной электростанции, законченном решении для организации резервного или постоянного электроснабжения. Устройства с газопоршневыми двигателями конструируются по тем же принципам, что и дизельные электростанции: генератор переменного тока и двигатель внутреннего сгорания установлены на единой стальной раме, в комплекте с системами контроля и управления установкой. Двигатель и генератор соединяются либо напрямую фланцем (т.н. привод direct drive), либо через демпфирующую муфту/клиноременную передачу. В первом случае используется 2-опорный генератор, то есть генератор, имеющий два опорных подшипника, а во втором — с одним опорным подшипником (1-опорный).

В зависимости от конструктивных особенностей электростанции различаются по следующим параметрам:

  • по характеристикам тока: выходной электрической мощности, виду тока (переменный 3/1-фазный, постоянный), выходному напряжению, частоте тока (например, 50, 60, 400 Гц);
  • по типу охлаждения двигателя: воздушные (сравнительно небольшой мощности) и жидкостные (агрегаты больших мощностей и размеров);
  • по назначению: портативные (бытовые, переносные) — электростанции с двигателем воздушного охлаждения, стационарные (промышленные) — с двигателем жидкостного охлаждения;
  • по конструктивному исполнению: открытые (в базовом исполнении, предназначенные для размещения в специально оборудованном помещении), в шумозащитном кожухе (для установки в помещениях при наличии требований к снижению шума), во всепогодном шумозащитном кожухе (для установки на улице при наличии требований к снижению шума), контейнерные (монтаж в блок-контейнер для эксплуатации установки в тяжелых климатических условиях), мобильные (установленные в фургон, машину или на мобильное шасси).
Ассортимент выпускаемых генераторных установок исключительно широк
Ассортимент выпускаемых генераторных установок исключительно широк
Рис. 10.5. Ассортимент выпускаемых генераторных
установок исключительно широк. Потребители могут
найти модели любой мощности в разных
исполнениях, включая и разработанные знаменитыми
дизайнерскими студиями

Для правильного подбора мощности генератора необходимо оценить, какова доля так называемых активных и реактивных нагрузок. Активные нагрузки – самые простые, в которых вся потребляемая энергия преобразуется в тепло (освещение, электроплиты, электронагреватели и др.). В этом случае расчет прост: для их питания достаточно агрегата с мощностью, равной суммарной мощности нагрузки.

Сложнее с реактивными нагрузками, которые в свою очередь, подразделяются на индуктивные (катушка, дрель, пила, насос, компрессор, холодильник, электродвигатель, принтер) и емкостные (блоки питания с балластным конденсатором на входе). У реактивных потребителей часть энергии расходуется на образование электромагнитных полей. Показателем меры этой части расходуемой энергии является так называемый коэффициент мощности φ. Мощность, деленная на φ, даст «реальное» (то есть равное геометрической сумме активной и реактивной мощностей) потребление мощности. Например, если на электроустановке-потребителе указаны мощность 500 Вт и φ = 0,6, это означает, что на самом деле инструмент будет потреблять от генератора

500:0,6=833 Вт.

Также надо иметь в виду, что и генератор имеет собственный φ, который обязательно нужно учитывать. Так, если он равен 0,8, то для работы вышеназванной электроустановки потребуется 833 Вт/0,8 = 1041 ВА. Кстати, именно по этой причине грамотное обозначение выдаваемой электростанцией мощности – ВА (вольт-ампер), а не Вт (ватт).

Проблема высоких пусковых токов связана с тем, что любой электродвигатель в момент включения потребляет энергии в несколько раз больше, чем в штатном режиме. Стартовая перегрузка по времени не превышает долей секунды, поэтому главное – чтобы электростанция смогла ее выдержать, не отключаясь (автоматом защиты) и тем более не выходя из строя. Обязательно необходимо знать, какие стартовые перегрузки способен выдержать тот или иной агрегат.

Альтернаторы – «сердце» автономной электростанции
Рис. 10.6. Альтернаторы – «сердце»
автономной электростанции

Генератор (другое его название – альтернатор) вырабатывает электрический ток. В зависимости от типа электрогенератора электростанция лучше справляется с теми или иными задачами. С точки зрения классификации, генераторы бывают синхронными и асинхронными. Синхронный генератор конструктивно сложнее: к примеру, у него на роторе находятся катушки индуктивности. Асинхронный генератор устроен гораздо проще: его ротор напоминает обычный маховик. Как следствие такой генератор защищен от попадания влаги и грязи (имеет «закрытую» конструкцию).

Синхронный и асинхронный генераторы отличаются своими возможностями. Синхронные генераторы справляются с энергоснабжением электроинструментов и электродвигателей с реактивной нагрузкой до 65% от своего номинала. Они легче переносят пусковые нагрузки, способны кратковременно (не более 1 секунды) выдавать ток в 3-4 раза выше номинального и вырабатывают более стабильный ток. Рекомендуются для питания электродвигателей, насосов, компрессоров и другого электроинструмента, а также (в некоторых случаях) для подключения сварочных аппаратов.

В силу простоты конструкции асинхронные электрогенераторы более устойчивы к короткому замыканию и перегрузкам, выходное напряжение имеет меньше нелинейных искажений (очень плавная синусоидальная волна); за счет этого обеспечивают поддержание напряжения с высокой точностью. Применение асинхронного генератора позволяет «запитывать» от агрегата не только промышленные устройства, не критичные к форме входного напряжения, но и аппаратуру, чувствительную к перепадам напряжения (медицинское оборудование, электронную технику).

Асинхронный генератор – идеальный источник тока для подключения активной, или омической, нагрузки: ламп накаливания, бытовых электроплит, электронагревателей и других соответствующих потребителей, позволяя подключать электроинструменты и электродвигатели с реактивной мощностью до 30% от номинала. При подключении индуктивных нагрузок необходим запас по мощности в 3-4 раза. Являясь внутриполюсной, саморегулируемой машиной без щеток и контактных колец, генератор имеет степень защиты IР-54 и не требует серьезного технического обслуживания.

На стабильность напряжения оказывает влияние класс двигателя и его способность поддерживать постоянные обороты (как правило, около 3000 об/мин) при изменениях в потреблении тока. Качество выдаваемого электричества может быть также повышено специальными системами стабилизации (автоматический регулятор напряжения). Это очень важная опция: превышение номинального напряжения приводит к сокращению срока службы электроприборов, а уменьшение – снижает производительность и экономичность их работы.

Степень защиты обозначается кодом вида IРXX, где IP – аббревиатура от термина Ingress Protection (международный знак защиты). Первая цифра обозначает степень защиты от проникновения твердых механических предметов, вторая – степень защиты от воздействия жидкости.

  • 0 – защита отсутствует;
  • 1 – защита от твердых предметов размером более 50 мм; вторая цифра – защита от капель воды, падающих вертикально.
  • 2 – защита от твердых предметов размером более 12 мм; вторая цифра – защита от капель воды, падающих под углом от вертикали.
  • 3 – защита от твердых предметов размером более 2,5 мм; вторая цифра – защищенность от дождя.
  • 4 – защита от твердых предметов размером более 1 мм; вторая цифра – защита от водных брызг.
  • 5 – защита от пыли; вторая цифра – защита от водяных струй.
  • 6 – полная пылезащищенность; вторая цифра – защищенность от волн и струй под давлением.

Синхронные генераторы чаще соответствуют классу IР23, асинхронные – IР54. Впрочем, в последнее время практически у всех ведущих производителей появились модели синхронных генераторов класса IР54.

Альтернаторы Mecc Alte

Альтернаторы серий ECO и ECP фирмы Mecc Alte разработаны с учетом многолетнего опыта эксплуатации генерирующего оборудования в самых разных условиях. В конструкции применены новейшие технические решения и материалы.

Альтернаторы могут поставлять в самых различных исполнениях: 2-полюсные в диапазоне вырабатываемых мощностей от 8 до 114 кВА, 4-полюсные мощностью от 6,5 до 3000 кВА, 1-опорные и 2-опорные с двойной поддержкой. Широта представляемого ассортимента позволяет выбрать наиболее подходящие модели с учетом конкретных условий эксплуатации.

Альтернаторы сертифицированы по нормам CEI 2-3, IEC 34-1, EN 60034-1, VDE 0530, BS 4999-5000, CAN/CSAC22.2 No14-95-No100-95.

Альтернаторы Mecc Alte
Модель альтернатора ECP 28 VL/4
Тип и характеристики синхронный
бесщеточный
4-полюсный 2-опорный
Рабочие обороты
генератора, об/мин
3000
Количество фаз 3
Номинальное напряжение, В 380
Номинальная сила тока, А 62,5
Номинальная частота, Гц 50
Класс изоляции H
Размерная схема альтернатора Mecc Alte ECP 28-VL/4
Рис. 10.7. Размерная схема альтернатора Mecc Alte ECP 28-VL/4

При выборе электростанции необходимо обратить особое внимание на число фаз. К однофазным генераторам, вырабатывающим переменный ток напряжением 220 В и частотой 50 Гц, можно подключать только однофазные нагрузки, тогда как к трехфазным (380/220 В, 50 Гц) – и те, и другие (на приборной панели имеются соответствующие розетки, количество которых у агрегатов разных производителей различное). Трехфазные электростанции на 380 В применяются как в промышленных целях, так и для коттеджей с трехфазной разводкой сети. Между нулем и фазой снимается 220 В, а между двумя фазами – 380 В. При использовании трехфазных электростанций необходимо соблюдать условие примерного равенства мощности потребителей, находящихся на различных фазах. Для нормальной работы генератора разница электрических мощностей на разных фазах не должна превышать 20-25%.

Выходная мощность – один из самых главных параметров; именно на него прежде всего обращает внимание покупатель. Здесь есть две важные особенности: многие производители в каталогах приводят так называемую максимальную выходную мощность. Между тем этот параметр предусматривает кратковременную работу агрегата (интервал колеблется от нескольких секунд до нескольких минут). Реальная номинальная мощность обычно на несколько (иногда на десятки) процентов ниже. Генератор, как и любой другой прибор, обладает собственным . Одни производители при указании выходной мощности его учитывают, а другие – нет. Во втором случае пользователю придется самому подсчитать реальную номинальную мощность.

Размерная схема альтернатора ECO 32-3S/4
Рис. 10.8. Размерная схема альтернатора ECO 32-3S/4
Модель альтернатора EC0 32 3S/4
Тип и характеристики синхронный
бесщеточный
4-полюсный 2-опорный
Рабочие обороты
генератора, об/мин
1500
Количество фаз 3
Номинальное напряжение, В 380
Номинальная сила тока, А 85
Номинальная частота, Гц 50
Класс изоляции H

Для синхронных генераторов мощность рассчитывается из следующих соотношений: для активных потребителей нужно просуммировать мощность всех одновременно подключаемых приборов, прибавить примерно 15-20% запаса по мощности, и получится необходимая мощность генератора. А индуктивные потребители нуждаются в момент пуска в большей мощности, поэтому их суммарную мощность необходимо увеличить в 2,5-3 раза для обеспечения работоспособности станции.

Как и любой агрегат с двигателем, мини-электростанция создает шум. И чем он больше, тем менее комфортно чувствует себя пользователи. Для решения проблемы выпускаются мини-электростанции в шумопоглощающих кожухах, что значительно увеличивает цену агрегата. Для сравнения шумовых характеристик различных моделей следует иметь в виду, что разные производители приводят данные по шуму на различном расстоянии (наиболее распространено 7 м), а также для различной загрузки мини-электростанции (обычно речь идет о номинальной мощности).

10.2. Микротурбинные установки

Микротурбинные установки
Рис. 10.9. Микротурбинные установки – решение
сравнительно дорогое и доступное
больше корпоративным заказчикам

Возможность получать сравнительно недорогую электрическую и тепловую энергию из газа заставила производителей искать новые технологические принципы для создания генерирующих агрегатов. И если такие перспективные разработки, как двигатели Стирлинга или топливные ячейки – дело неблизкого будущего, то микротурбины (МТУ) вполне готовы уже сегодня конкурировать с традиционными решениями.

Для удешевления конструкторы микротурбинных установок решили убрать редуктор – узел, связывающий собственно турбину и генератор. Помимо упрощения и снижения цены, такое решение позволило исключить простои, связанные с обслуживанием механизма (профилактическим осмотром и заменой масла). Но здесь возникают сложности, связанные с неравномерностью вращения ротора. На такой высокой скорости – порядка 70-100 тыс. об/мин и, самое главное, переменной частоте вращения невозможно получить напряжение частотой 50 или 60 Гц. По этой причине производители вынуждены осуществлять двойное преобразование электрической энергии: сначала высокочастотное напряжение – в постоянное, а затем – в переменное частотой 50 или 60 Гц. Технически эта цепочка выглядит следующим образом: «высокочастотный генератор переменного тока, выдающий напряжение с переменной частотой и синусоидой, отличной от ГОСТ, – выпрямитель – инвертор – фильтр».

Дополнительные узлы, повышая качество вырабатываемой электроэнергии, значительно увеличивают стоимость агрегата и снижают его надежность. Опыт показывает, что наибольший процент отказов приходится на инвертор. При этом производители МТУ вынуждены ограничить комплектацию только низковольтными (400 В) генераторами.

У микротурбинных установок с переменной скоростью развиваемая мощность зависит от скорости вращения ротора. Для поддержания на выходе стабильного напряжения при значительных колебаниях нагрузки используются массивные буферные аккумуляторные батареи (АКБ), помогающие компенсировать недостающую электрическую мощность во время разгона турбины. Приняв наброс нагрузки, установка затем должна отдать часть вырабатываемой мощности для восстановления заряда АКБ. Так, у микротурбин производства фирмы Capstone (США) скорость набора мощности составляет порядка 1 кВт/с, то есть до номинального значения микротурбина разгонится только через 1-2 минуты. Для парирования недостаточной мощности и нужны батареи, выполняющие роль буфера между генератором МТУ и потребителем.

Очевидно, что для этого требуются АКБ повышенной емкости. Например, блок аккумуляторных батарей для микротурбины Capstone C30 мощностью 30 кВт весит около 180 кг, а для 60-киловаттной С60 – 400 кг! Это ключевой узел, малейшая неисправность которого ведет к остановке всей системы. При этом постоянная нагрузка на АКБ приводит к сокращению их срока службы с заявляемых 16 до 12 тыс. ч, а в реальности – и до 8-9 тыс. ч! А ведь АКБ, кроме буферной функции, выполняет еще и роль стартера на этапе пуска, и это еще более сокращает срок эксплуатации.

В блоках аккумуляторы соединены последовательно, то есть выход из строя хотя бы одной батареи весь АКБ (и вся установка) теряют работоспособность. В случае длительного хранения аккумуляторов необходимо производить их подзарядку внешним источником. Кроме того, аккумуляторные батареи чувствительны к температуре окружающей среды, поэтому производители настоятельно рекомендуют строить для них специальные отапливаемые помещения со стабильной температурой +40°С.

Большая частота вращения турбин определяет фактически единственный тип подшипников – лепестковый газодинамический (ЛГП), в которых несущий газовый слой создается за счет вращения цапфы (другие типы газовых опор применить практически невозможно из-за значительных тепловых деформаций). При всех своих преимуществах лепестковые подшипники при пуске (до всплытия ротора) работают в режиме «сухого трения». Специальные антифрикционные покрытия, весьма дорогие, решают проблему лишь частично. Таким образом, при эксплуатации с переменными нагрузками реальный ресурс микротурбины, определяемый выходом из строя радиально-упорного подшипника горячей зоны, может значительно уменьшиться в сравнении с заявленным в документации производителя.

Для замены подшипника, во-первых, требуется запасной, во-вторых, сборка разрезного лепесткового газового подшипника – сложная технологическая операция, в рамках которой необходимо обеспечить точную балансировку высокоскоростного ротора, соосности опор и т.д., которые невозможно обеспечить без опыта и наличия специального инструмента.

Микротурбины далеко не так «всеядны», в отличие от своих полноразмерных собратьев. Есть ряд ограничений, накладываемых на состав топливного газа. Так, для уже упомянутых микротурбин Capstone С60 доля тяжелых углеводородов (С4 и выше) в составе топливного газа не должна превышать 5% (попутный нефтяной газ, как правило, содержит до 15% тяжелых фракций). Это значит, что желание применить микротурбинные установки натолкнется на необходимость сооружения системы газоподготовки с обязательным узлом осушки, стоимость которой может превысить цену самой МТУ.

Также важно иметь в виду, что реальная работа сокращает заявленный моторесурс как минимум на 20-30%, до 40 тыс. моточасов! Таким образом, при нормативном количестве капитальных ремонтов – 2 – общий ресурс микротурбинной установки составляет 120 тыс. часов эксплуатации (около 15 лет). Для сравнения: аналогичный параметр для газопоршневой установки — до четырех раз больше (при нормативном количестве капитальных ремонтов – 3)! При этом стоимость капитального ремонта агрегата мощностью 100 кВт составляет не менее 80% от стоимости нового МТУ. Фактически капремонт – это покупка новой турбины, ни больше ни меньше, каждые пять-шесть лет работы.

Устройство парка микротурбинных<br>генераторных установок

Устройство парка микротурбинных<br>генераторных установок

Устройство парка микротурбинных<br>генераторных установок
Рис. 10.10. Устройство парка микротурбинных
генераторных установок требует объемных
подготовительных работ и
квалифицированного обслуживания

Регламентное обслуживание микротурбинных установок – процедура, которую тоже не следует сбрасывать со счетов. Производителями настойчиво рекомендуется раз в три месяца проводить осмотр и в случае необходимости менять топливную арматуру, воздушные и топливные фильтры. Через год уже не обойтись без замены инжектора, воспламенителя, датчика термопары камеры сгорания (если микротурбина работает на жидком топливе). Второй год эксплуатации (или даже ранее, исходя из практики) станет последним для блока АКБ.

По оценкам специалистов, стоимость обслуживания в составе стоимости 1 кВт•час выработанной электроэнергии приближается к $0,03-0,05. В эту сумму входит стоимость импортных ЗИП, налоговые и таможенные сборы, маржа компании-поставщика и собственно, оплата труда квалифицированного персонала. Причем следует иметь в виду, что данные расчеты справедливы только для первого года эксплуатации, когда замене подлежат лишь фильтрующие элементы, термопары и воспламенители.

Потребитель, рассчитывающий получить дополнительные 100-200 кВт дешевой электроэнергии с помощью микротурбинных установок, вряд ли имеет непосредственный доступ к газовой магистрали высокого давления. Какой же выход предлагают производители? До необходимых 5 бар давление будет поднимать мощный дожимной газовый компрессор, который, естественно, «съест» часть произведенной электроэнергии. Он размещается непосредственно внутри модуля, и этот факт вызывает серьезные опасения: согласно отечественным нормативам (ПБ 12-529-03 п.8.1.21) дожимные компрессоры должны устанавливаться в отдельном помещении или здании категории А. Следовательно, если строго придерживаться буквы закона, то МТУ, имеющие компрессоры топливного газа в конструкции, не могут использоваться в России.

Мало того, что компрессор в МТУ является «персоной нон грата», так он еще и сокращает сервисные интервалы. Дело в том, что для нагнетания газа применяются винтовые маслозаполненные компрессоры, требующие замены масла и масляных фильтров каждые 1500-2000 ч эксплуатации. Таким образом, не может быть и речи об увеличенных до 6000-8000 часов межсервисных интервалах, декларируемых поставщиками МТУ.

Трудно удержаться от сравнения с газопоршневыми агрегатами. Далеко не все из них требуют высокого давления. Так, например, генераторы Waukesha VGF способны работать на давлении всего в 200 мбар, а модели Kohler-SDMO так и вообще работают под давлением 50 мбар.

В пору всеобщей тяги к энергоэффективности значение КПД выходит на первое место, определяя, сколько топлива надо сжечь, чтобы получить 1 кВт•час. Оказывается, что микротурбинные установки занимаются «самоедством», причем точно известно, насколько – на 66%! Именно такую часть механической мощности забирает компрессор, нагнетающий воздух в камеру сгорания. Даже у самых «продвинутых» МТУ электрический КПД не превышает 32-33% в номинальном режиме, а средний КПД вообще ограничен 28%. В то же время газопоршневые агрегаты с КПД меньшим 40% считаются явными аутсайдерами, обреченными на коммерческий провал. Приведем пример: для выработки 1000 кВт•ч газопоршневая установка израсходует около 250 нм3/час, а МТУ — 400 нм3/час! Разница составит более 1,2 млн. м3 газа за год. Не забудем и про дожимной компрессор, буферную АКБ, силовую электронику преобразователя и системы управления, также активно потребляющие энергию и снижающие фактический КПД еще на 5%. Еще хуже обстоит дело, когда условия работы отличаются от номинальных. Например, в режимах с нагрузкой около 25% от номинала КПД МТУ падает до 19% (а с учетом дожимного компрессора – до 14-15%). Негативно влияет на эффективность работы и повышение температуры воздуха.

Тем не менее, есть ряд параметров, по которым МТУ все-таки опережает своих оппонентов. В частности, меньший уровень шума, более чистый выхлоп, возможность установки на крышах зданий за счет меньшей вибрации, возможность длительное время работать на частичных нагрузках и холостом ходу (но все-таки это свойство АКБ, а не собственно микротурбины), высокое качество производимой электроэнергии. Кроме того, микротурбина не требует внешних систем охлаждения, а котел-утилизатор размещен в пределах кожуха МТУ.

Эти особенности позволяют применять МТУ на объектах с невысокой потребностью в электрической и тепловой энергии с неравномерным графиком потребления, где главной задачей автономного энергоцентра является не экономия на тарифах, а наличие энергоснабжения в принципе.

Использование микротурбин экономически оправдано в диапазоне мощностей до 250 кВт и при условии, когда их ключевые преимущества имеют принципиальное значение.

10.3. ГАЗОПОРШНЕВЫЕ ДВИГАТЕЛИ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНиЯ

6-литровая V-образная «восьмерка» фирмы General Motors Powertrain работает как на природном газе, так и на пропан-бутановой смеси
Рис. 10.11. 6-литровая V-образная «восьмерка»
фирмы General Motors Powertrain работает как на
природном газе, так и на пропан-бутановой смеси.
Такие двигатели применяются в генераторных
установках производства SDMO-Kohler

Применение серийных бензиновых двигателей, переоборудованных для работы на газе
Рис. 10.12. Применение серийных бензиновых
двигателей, переоборудованных для работы
на газе, позволяет снизить стоимость
газогенераторных установок

Газовый двигатель — это обычный двигатель внутреннего сгорания, использующий в качестве топлива сжиженные углеводородные газы (пропан-бутан) или природный газ (метан) и работающий по тепловому циклу Отто, когда теплота подводится к рабочему телу при постоянном объеме. Главное отличие от бензиновых двигателей, работающих по этому циклу — более высокая степень сжатия (≈17), объясняемая высоким октановым числом газового топлива.

Как правило, газовые двигатели редко выпускаются серийно, за исключением применения их для специализированных задач в науке и технике. Чаще всего газовые двигатели, переоборудованные из традиционных бензиновых, а с недавнего времени — и дизельных, используются для работы на транспорте. Однако в последнее десятилетие газовые двигатели активно применяются и в качестве силовых установок электрогенераторных установок, как переносных, так и стационарных.

Дизельные двигатели по причине более высокой степени сжатия полнее раскрывают потенциал газового двигателя по сравнению с бензиновыми моторами, однако их переоборудование имеет свои особенности. Так как газ не воспламеняется, подобно дизельному топливу, при увеличении давления в цилиндре на такте сжатия, необходимо дооборудование дизелей системой зажигания, либо использование в топливо-воздушной смеси части дизельного топлива в виде так называемой «запальной дозы» (30-50% от всего количества топлива).

Отбор газа осуществляется посредством специальной газовой аппаратуры, обеспечивающей стабильное поступление паровой фазы и предотвращающую утечки. В ее состав входят:

  • скоростной клапан в расходной магистрали, перекрывающий подачу газа при превышении его расходом некоторого порогового значения. Порог подобран так, чтобы клапан закрывался только при разрыве расходной магистрали (предотвращая, таким образом, сильную утечку газа), и оставался открытым при обычном уровне расхода газа.
  • обратный клапан в заправочной магистрали, предотвращающий вытекание газа через нее.

Также в состав комплекта могут входить предохранительные и сбросные клапаны, стравливающие газ при избытке давления, например при перегреве баллона), дополнительные клапаны отбора паровой фазы при запуске холодного двигателя.

Комплект газораспределительной арматуры для питания газовых двигателей внутреннего сгорания
Рис. 10.13. Комплект газораспределительной арматуры для питания
газовых двигателей внутреннего сгорания
Узел ввода газовой магистрали генераторной установки производства ООО «Фасэнергомаш»
Рис. 10.14. Узел ввода газовой
магистрали генераторной установки
производства ООО «Фасэнергомаш»

В качестве узла ввода чаще всего применяется регулятор давления мембранного типа, обеспечивающий стабильное давление во входной магистрали. Далее газ поступает в смеситель (или в карбюратор-смеситель), в котором происходит смешивание двух газов. Его конструкция существенно проще, чем конструкция бензиновых карбюраторов (в них смешиваются разные фазы — жидкая бензиновая и газообразная воздушная).

Среди преимуществ газа при использовании его в качестве топлива – экономия топлива, определяемая октановым числом топлива и пределом воспламенения топливовоздушной смеси. Октановое число – показатель детонационной стойкости топлива, которая ограничивает возможность применения топлива в мощных и экономичных двигателях с высокой степенью сжатия. В современной технике октановое число является главным показателем сортности топлива: чем оно выше, тем качественнее и дороже топливо. СПБТ (смесь пропанобутановая техническая) имеет значение октанового числа от 100 до 110 единиц, поэтому ни на одном режиме работы двигателя не возникает детонация. Хотя все газы превосходят бензин по теплотворной способности, в смеси с воздухом их энергетические показатели снижаются, и мощность двигателя падает на 5-7%. Двигатель при работе на сжатом (компримированном) метане теряет до 20% мощности.

Удельные расходы топлива двигателем тем меньше, чем беднее топливовоздушная смесь, на которой работает двигатель, то есть чем меньше топлива приходится на 1 кг воздуха, поступающего в двигатель. Однако очень бедные смеси, где топлива слишком мало, просто не воспламеняются от искры. Это и ставит предел повышению топливной экономичности. В смесях бензина с воздухом предельное содержание топлива в 1 кг воздуха, при котором воспламенение возможно, составляет 54 г. В предельно бедной газо-воздушной смеси это содержание составляет только 40 г. Поэтому на режимах, когда не требуется развивать максимальную мощность двигатель, работающий на природном газе значительно экономичнее, чем бензиновый.

Экологический аспект использования газового топлива нужно рассматривать в сравнении с традиционными энергоносителями. Так, бензиновые двигатели в силу высокого значения предела обеднения (54 г/кг) вынужденно регулируются на богатые смеси, что приводит к недостатку кислорода в смеси и неполному сгоранию топлива. В результате в выхлопе такого двигателя может содержаться значительное количество угарного газа (СО), который всегда образуется при недостатке кислорода. В случае же, когда кислорода достаточно, в двигателе при сгорании развивается высокая температура (более 1800°), при которой происходит окисление азота воздуха избыточным кислородом с образованием окислов азота, токсичность которых в 41 раз превосходит токсичность СО.

В выхлопе бензиновых двигателей также содержатся углеводороды и продукты их неполного окисления, которые образуются в пристеночном слое камеры сгорания, где охлаждаемые водой стенки не позволяют жидкому топливу испариться за короткое время рабочего цикла двигателя и ограничивают доступ кислорода к топливу.

В случае применения газового топлива все указанные факторы действуют значительно слабее. Продукты неполного сгорания практически не образуются, так как всегда есть избыток кислорода. Окислы азота образуются в меньшем количестве, так как при обедненных смесях температура сгорания значительно ниже. Пристеночный слой камеры сгорания содержит меньше топлива при бедных газовоздушных смесях, чем при более богатых бензино-воздушных. Таким образом, при правильно отрегулированном газовом двигателе выбросы в атмосферу угарного газа оказываются в 5-10 раз меньше, чем у бензинового, окислов азота – в 1,5-2,0 раза меньше и углеводородов – в 2-3 раза меньше.

Износостойкость двигателя связана с взаимодействием топлива и моторного масла. Одно из неприятных явлений в бензиновых двигателях – смывание бензином масляной пленки с внутренней поверхности цилиндров двигателя при холодном запуске, когда топливо поступает в цилиндры не испарившись. Далее бензин в жидком виде попадает в масло, растворяется в нем и разжижает его, ухудшая смазочные свойства. Оба эффекта ускоряют износ двигателя. Газовое топливо, независимо от температуры двигателя, всегда остается в газовой фазе, что полностью исключает отмеченные факторы. Головка блока и блок цилиндров меньше изнашиваются, что увеличивает срок службы двигателя. Эксплуатация газового двигателя приносит существенную экономию. По своим характеристикам к бензину наиболее близка смесь пропана и бутана, и для ее использования двигатель не требует капитальных переделок.

Перевод двигателя на газовое топливо увеличивает ресурс его работы в 1,5-2 раза. Улучшается работа системы зажигания, срок службы свечей возрастает на 40%, происходит более полное сгорание газовоздушной смеси, чем при работе на бензине. Уменьшается нагарообразование в камере сгорания, головке блока цилиндров и на поршнях, поскольку сокращается количество углеродистых осадков.

10.4. ОСОБЕННОСТИ ГазопоршневыХ установОк

Отличительные особенность современных электростанций
Рис. 10.15. Отличительная особенность современных
электростанций – наличие интеллектуальных устройств
мониторинга и управления процессом выработки
электроэнергии, переключения нагрузки, синхронизации
генераторов с сетью и между собой

Газопоршневые электростанции — системы генерации, созданные на основе поршневого двигателя внутреннего сгорания, работающего на природном или другом горючем газе. Они представлены большим числом моделей в диапазоне мощностей от 250 кВт до 6 МВт и остаются наиболее рациональным и эффективным решением для большинства типовых задач автономного тепло и электроснабжения. Получили распространение агрегаты, позволяющие вырабатывать, кроме электричества, еще и тепловую энергию (т.н. когенерация), а в случае применения абсорбционных охладителей – и холод для систем вентиляции и промышленного охлаждения (т.н. тригенерация).

Газопоршневой двигатель – ДВС с внешним смесеобразованием и искровым зажиганием горючей смеси в камере сгорания, использующий в качестве топлива газ и работающий по циклу Отто. Энергия, выделившаяся при сгорании топлива, в газовом двигателе производит механическую работу на валу, которая используется для выработки электроэнергии генератором электрического тока.

Газовые двигатели могут использовать различные виды топлива: природный газ, газы с низкой теплотворной способностью, невысоким содержанием метана и низкой степенью детонации или газы с высокой теплотворной способностью (факельный, пропан, бутан). Кроме того, имеется возможность применения двутопливных двигателей, работающих одновременно на жидком и газообразном видах топлива:

  • пропан-бутановые смеси;
  • природный газ (сжиженный, сжатый, магистральный);
  • попутный нефтяной газ;
  • промышленный газ (пиролизный, коксовый, биогаз, шахтный и т.д.).

ГПД могут работать как на сжиженном, так и на сжатом газе. Это позволяет использовать газовые двигатели не только при подключении к газовой магистрали. При небольшой мощности ~ 1 кВт, достаточно подключить баллон со сжиженным газом через газовый редуктор.

Несомненным преимуществом газопоршневых установок является большой моторесурс. Например, у агрегатов серии Waukesha ATGL первый капремонт проводится после 80 тыс. часов эксплуатации, у Wärtsilä 20V34SG — после 120 тыс. часов!

Отличительными особенностями современных электростанций являются экономичность, компактные размеры, различные конструктивные решения шумоподавления, наличие интеллектуальных устройств мониторинга и управления процессом выработки электроэнергии, переключения нагрузки, синхронизации генераторов с сетью и между собой.

Однофазная газогенераторная установка ФАС-10-OZP-1/V мощностью 10 кВт
Рис. 10.16. Однофазная газогенераторная установка
ФАС-10-OZP-1/V мощностью 10 кВт

Типичным образцом современной компактной генераторной установки начального класса является однофазный газовый генератор ФАС11-OZP1/V мощностью (номинальная) 11 кВт производства компании «Фасэнергомаш» (Санкт-Петербург). Агрегат выполнен на базе 4-тактного 4-цилиндрового двигателя ВАЗ 21083 объемом 1500 см3 с жидкостным охлаждением и электронным управлением оборотами. Холостой ход – 950±50 мин-1, рабочее количество оборотов – 2500 мин-1, максимальный крутящий момент – 106 Нм при 2700 мин-1, зажигание – индуктивное, последовательность зажигания – 1-3-4-2.

Генератор может работать в качестве основного или резервного источника электричества, без ограничений по продолжительности работы при любых погодных условиях и по длительности каждого сеанса работы. Допускается 10% перегрузка от номинальной мощности в течение 1 часа каждые 12 часов работы.

Двутопливная система позволяет использовать в качестве топлива сжиженный газ (пропан-бутан) (давление газа – 2,0-3,5 кПа) или природный (1,0-2,7 кПа). Потребление топлива при номинальной нагрузке – не более 3,8 м3/час (природный газ) или 3,6 кг/час (СУГ).

В установке применен синхронный 4-полюсный бесщеточный 2-опорный альтернатор с рабочей частотой 1500 мин-1. Номинальное вырабатываемое напряжение 220 В, сила тока – 45,5 А, класс изоляции – H. Генератор снабжен узлом автоматического запуска в случае отключения основной электросети и аккумулятором на 45 А•ч (12 В). Генератор монтируется в закрытом шумопоглощающем корпусе со степенью защиты IP22, уровень шума – не более 68 дБ. Габаритные размеры – 1300×820×990 мм, «сухая» масса – 365 кг.

10.5. МНОГОАГРЕГАТНЫЕ СИСТЕМЫ

Продолжительная работа на минимальной нагрузке (25% номинальной мощности и менее) вызывает нестабильность рабочего режима и сложность регулировки, а также быстрый износ, снижение моторесурса, неоправданное увеличение расхода топлива. Надежность газовой электростанции существенно повышается объединением нескольких агрегатов в одну систему. Такое решение увеличивает общую пиковую мощность и позволяет проводить профилактику и ремонт отдельных агрегатов без значительной потери общей вырабатываемой мощности.

При подключении на общую шину суммарная пиковая мощность системы может быть существенно увеличена, что даст возможность компенсировать недостаточную мощность от основной электросети. Многоагрегатные системы повышают надежность системы электроснабжения в целом. Если возможен неудачный запуск генераторного двигателя (а это может привести к тяжелым для потребителя последствиям), то в действие вступают параллельные генераторы. Появляется возможность техобслуживания установок без остановки системы в целом. В целом применение многоагрегатных систем при значительных колебаниях нагрузки снижает эксплуатационные затраты на 25–35% в сравнении с простыми генераторами.

Практическое использование синхронизированных электрогенераторных установок

Характеристика объекта: небольшая база отдыха в Карелии с пиковой потребностью 30 кВт. Потребление непостоянно и колеблется в зависимости от времени суток и дня недели. База удалена от инженерных сетей и линий электропередачи. База оборудована системой автономного газоснабжения.

Энергоснабжение объекта производится двумя синхронизированными газовыми генераторами ФАС-OZP 15 мощностью по 15 кВт. Постоянно работает один агрегат. При повышении нагрузки до 75% от максимальной мощности и выше в автоматическом режиме подключается второй генератор. Нагрузка распределяется равнозначно.

Если нагрузка снижается до 40% от максимальной, один из генераторов отключается, а второй продолжает работать. Кроме того, генераторы еженедельно меняются функциями «основной-дополнительный». Такой алгоритм значительно увеличивает моторесурс газогенераторных установок и срок их службы. По такому принципу можно развернуть в кластер из 10 генераторов суммарной пиковой мощностью свыше 200 кВт, конструктивно исполняемое в виде контейнерной установки.

два парных однотипных генератораконтрольно-коммутационный блок, рассчитанный на управление 4-агрегатным кластером

Рис. 10.17. Слева – два парных однотипных генератора существенно расширяют возможности электрогенерирующего участка; Справа – контрольно-коммутационный блок, рассчитанный на управление 4-агрегатным кластером

Многоагрегатные генерирующие системы предоставляют ряд технических, эксплуатационных и экономических преимуществ. В полной мере реализовать их позволяют узлы управления – контроллеры, основные функции которых:

  • «интеллектуальный» перевод системы в различные режимы (изолированный одиночный, изолированный параллельный, параллельный с сетью одного или нескольких агрегатов и т.д.);
  • работа в режиме «горячего» резерва;
  • ограничение пиковых нагрузок,;
  • распределение вырабатываемых энергомощностей с реализацией режимов совместной или распределенной генерации.
Мощный компьютеризованный контроллер фирмы Kohler Power Systems (США) способен управлять энергогенерирующим кластером из 32 агрегатов
Рис. 10.18. Мощный компьютеризованный контроллер
фирмы Kohler Power Systems (США) способен управлять
энергогенерирующим кластером из 32 агрегатов

Конфигурирование, определение функций мониторинга и управления, коммутация входных и выходных линий осуществляется программными средствами. Контроллеры работают со всеми стандартными сетевыми и коммуникационными интерфейсами (CAN, RS-232, RS-485, Modbus RTU и др.) и гарантируют простую интеграцию в глобальные системы управления – от одного двигателя до целого завода. Контроллеры снабжаются жидкокристаллическими сенсорными дисплеями, позволяющими получать исчерпывающую информацию о текущем состоянии системы и управлять следующими функциями:

  • управление режимами работы: «Авто», «Стоп», «Ручной режим», «Тестовый режим (с нагрузкой и без нагрузки)»;
  • управление контакторами: синхронизация фаз с нулевым потенциалом, переключение с размыканием и «внахлест», мониторинг контакторов;
  • переключение нагрузки: переключение с размыканием/внахлест, с перетоком мощности, плавная загрузка и разгрузка, работа параллельно с сетью;
  • управление логикой запуска/останова: по нагрузке, «горячий» или системный резерв, с фиксированным или динамическим приоритетом;
  • разделение активной и реактивной нагрузки между агрегатами;
  • удаленное управление через интерфейс и дискретные/аналоговые входы для установки скорости, частоты, напряжения, активной и реактивной мощностей и коэффициента мощности;
  • управление функциями полной встроенной защиты двигателя и генератора, мониторинг питающей сети;
  • конфигурирование различных задач управления для тепловых контуров (для применений с совместной генерацией тепла и электроэнергии), поддержания уровня охлаждающей жидкости, топлива, давления и других параметров процессов.

Практически все контроллеры многоагрегатных систем сопрягаются со стандартными блоками управления двигателей (ECU) таких производителей, как Scania, MTU, Volvo, Deutz, MAN, SISU, Woodward и др. Доступ к функциям управления защищен многоуровневой парольной защитой как при непосредственном доступе к контроллеру, так и при удаленном соединении.

10.6. Контейнерные установки

Достаточно часто корпоративным потребителям приходится сталкиваться с энергетическими ограничениями, часто сводящими на нет возможности расширения. В этом случае оптимально использование модульных энергоблоков, не требующих серьезных вложений в капитальное строительство. Чаще всего такие энергоблоки поставляются в виде контейнерных установок высокой степени готовности, обеспечивая кратчайшие сроки проектирования, производства и ввода в эксплуатацию.

Блочно-модульные электростанции легко транспортируются и монтируются на самых различных площадках
Блочно-модульные электростанции легко транспортируются и монтируются на самых различных площадках
Рис. 10.19. Блочно-модульные электростанции
легко транспортируются и монтируются
на самых различных площадках.

Модульный принцип построения позволяет при сравнительно низких капиталовложениях реконфигурировать энергоблок, увеличив или уменьшив вырабатываемую мощность. Блок-модули могут быть легко демонтированы и при необходимости опять собраны.

Изменения в конфигурацию установки могут вноситься практически на любом этапе работ. Установки, помимо базового комплекта оборудования, могут дооснащаться компрессором и устройством осушения газа (при необходимости), дополнительной запорно-контрольной арматурой.

Монтаж установки осуществляется в доработанном стальном контейнере усиленной конструкции с гладкими стенными сегментами, обеспечивающими теплои звукоизоляцию. Контейнер снабжен приспособлениями для крепления подъемных механизмов, направляющими в днище контейнера и полностью открывающейся передней дверью для быстрого демонтажа оборудования. Днище контейнера при необходимости может служить масляным поддоном.

Система вентиляции и узел управления рециркуляцией воздуха обеспечивают оптимальную температуру всасываемого воздуха, в том числе и при очень высоких или низких внешних температурах. За счет повышенного давления в контейнере низкая пылевая нагрузка.

Контейнер обеспечивает полную влагонепроницаемость. Теплоизоляция негорючая и рассчитана для работы в диапазоне температур окружающего воздуха от -45° до +50°С. Конструкция контейнера обеспечивает отсутствие изморози или наледи на внутренних поверхностях при закрытой двери и работающей системе отопления контейнера.

Собранные на заводе-изготовителе компоненты гарантируют быстрый и простой монтаж на месте. Унифицированная конструкция отдельных модулей позволяет гибко изменять производительность установки.

Блок-контейнер, помимо штатных систем жизнеобеспечения (автоматический обогрев, приточно-вытяжная вентиляция, охранно-пожарная сигнализация, рабочее и аварийное освещение), может быть оснащена дополнительным электрощитовым оборудованием, системами шумоизоляции, узлами автоматического пожаротушения и другими нестандартными системами и оборудованием.

Контейнерная газовая электростанция ООО «Фасэнергомаш»

Контейнерная газовая электростанция ООО «Фасэнергомаш»

  • Утепленный контейнер 40 футов
  • 9 установок ФАС-OZP
  • Щит синхронизации и АВР
  • Система пожаротушения
    и освещения
  • Автоматическая вентиляция
  • Отведение выхлопных газов
    с дополнительным глушителем

Контейнерная электростанция предназначена для эксплуатации в диапазоне температур от -50 до +50°С при отсутствии электрических сетей, либо для резервного энергоснабжения потребителей.

Контейнерная газовая электростанция включает в себя 9 генераторных установок. Блок-контейнер может работать как единое целое на максимальную мощность, либо, в зависимости от потребления, в сепаратном режиме. Все контейнерные установки оснащены безопасной магистралью используемого газа с контролем загазованности помещения внутри блока, а также системой автоматического пожаротушения. Для эксплуатации при низких температурах предусмотрен подогрев двигателей, утепленный контейнер с подогревом.

© 1997 — 2017 «ГазТехника»