Газопоршневая установка принцип действия. Газопоршневые генераторы: виды электростанций, принцип работы, преимущества и области применения

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.

Возможности и преимущества газопоршневых установок в когенерационных автономных электростанциях

Одной из эффективных технологий, основанных на использовании газа для производства электрической энергии, являются газопоршневые электростанции на базе двигателей внутреннего сгорания (ГПЭС). В исследовании, проведенном научной группой кафедры ТЭС МЭИ, проводится полный анализ некоторых газопоршневых генераторных установок.

Одной из эффективных технологий, основанных на использовании газа для производства электрической энергии, являются электростанции на базе газопоршневых двигателей внутреннего сгорания (ГПЭС). Такие газовые электростанции имеют высокий КПД производства электроэнергии, достаточно низкий уровень выбросов вредных веществ, являются надежными в эксплуатации и способны длительное время работать при частичных нагрузках без ущерба для своего ресурса и практически без снижения КПД.

Табл.1. Сравнение технико-эксплуатационных показателей
газопоршневых генераторных установок Waukesha, Caterpillar, Jenbacher, Cummins.

Примечание: Э — электрический стартер; П — пневматический стартер.

В настоящее время электростанции на базе газопоршневых двигателей мощностью от 1 до 4 МВт являются наиболее востребованным источником постоянного энергоснабжения жилищно-коммунального сектора, промышленных предприятий, угледобывающих и нефтегазовых промыслов. У газопоршневых электростанций есть ряд преимуществ перед дизельными и газотурбинными установками.

Газопоршневые двигатели в диапазоне мощности до 4 МВт имеют более высокий КПД по сравнению с газовыми турбинами и приспособлены для работы на частичных нагрузках. Кроме того, они менее подвержены влиянию высокой температуры окружающего воздуха.

Использование для газопоршневых установок (ГПУ) различного газообразного топлива (природного, нефтяного или шахтного газа) влияет как на конструктивные характеристики, так и на основные параметры, в том числе на степень сжатия, среднее эффективное давление и, как следствие, на агрегатную мощность. Целью данных исследований являлся сравнительный анализ характеристик разных типов газопоршневых установок и разработка рекомендаций по выбору энергоустановки, наиболее оптимально подходящей для каждого потребителя.

Табл. 2.

Производитель

Диапазон мощности, МВт

FG Wilson (Engineering) Ltd.

MAN Nutzfahrzeuge AG

3 , r=0,7 кг/нм 3 ), обеспечивающие электроэнергией потребителей коммунально-бытового сектора;

2 категория — ГПЭС на традиционном «легком» природном газе (Q_нр=31,8 МДж/м 3 , r=0,7 кг/нм 3 ), обеспечивающие электроэнергией потребителей городского промышленного сектора;

3 категория — ГПЭС на особом «тяжелом» нефтяном попутном газе (НПГ, Q_нр=59,25 МДж/м 3 , r=1,22 кг/нм 3 ), обеспечивающие электроэнергией потребителей нефтяных компаний;

Рис. 1. Основные критерии сравнения ГПУ

4 категория — ГПЭС на особом «тяжелом» шахтном газе (Q_нр=16,41 МДж/м 3 , r=1,11 кг/нм 3 ), обеспечивающие электроэнергией потребителей угледобывающих компаний.

При выполнении расчетов учитывались плановые остановы оборудования на регламентные работы, которые были отнесены на период минимальных электрических нагрузок ГПЭС. В итоге условно было принято число часов работы на номинальной мощности для категории 1 — 7500 ч/год, для категории 2 — 8000 ч/год, для категорий 3, 4 — 7000 ч/год.

На рис.1 представлены основные критерии, характеризующие наиболее важные технические, эксплуатационные и экономические показатели ГПЭС, на основе которых выполнялось сравнение ГПУ в пределах каждой категории.

Технические и конструктивные характеристики газопоршневых установок

• Электрический КПД на клеммах генератора (КПД_эл), % — максимальное значение которого характеризует технические и термодинамические преимущества конструкции двигателя ГПУ;
• Метановое число (метановый индекс), б/р — минимальное значение которого показывает возможность работы ГПУ без снижения электрической мощности на различных видах газа;
• Экологические показатели по NO_x, мг/нм 3 (при 5% О₂) — минимальное значение эмиссии оксидов азота. Определяет снижение экологической нагрузки ГПЭС на окружающую природную среду;
• Удельная масса ГПУ (отношение сухой массы/N_эл), кг/кВт — характеризует техническое совершенство энергоустановок, исходя из их массо-габаритных показателей (критерий применим только в пределах группы ГПУ с одинаковым количеством оборотов);
• Ресурсные показатели (продолжительность эксплуатации ГПУ до капитального ремонта и полный назначенный ресурс), часы — максимальная продолжительность этих периодов определяет техническое совершенство конструкции ГПУ, а также минимизирует эксплуатационные издержки в процессе работы ГПЭС (критерий применим только в пределах группы ГПУ с одинаковым количеством оборотов).

Эксплуатационные показатели

• Диапазон регулирования мощности (отношение минимальной электрической мощности, при которой двигатель ГПУ устойчиво работает в течение продолжительного периода времени, к номинальной мощности энергоустановки), % — минимальное значение характеризует возможность устойчивой работы ГПУ в области графиков электрических нагрузок с ярко выраженными максимумами и минимумами энергопотребления;
• Скорость нагружения и разгружения (отношение разрешенной производителем величины шага набора/сброса электрической мощности к номинальной мощности ГПУ), % — максимальное значение характеризует возможность устойчивой работы ГПУ в области резкопеременных графиков электрических нагрузок (промышленные предприятия, нефтедобыча и угледобыча — пуски приводных электродвигателей насосов, вентиляторов, дробилок, конвейеров, подъемников и других механизмов с мощными асинхронными электродвигателями);

Рис. 2. Результаты ранжирования ГПУ
по техническим критериям для категорий 1, 2

• Средневзвешенная стоимость технического обслуживания (ТО), включая затраты на расходные материалы и ЗИП (за период до 1–го капитального ремонта), руб./кВт*ч — минимальное значение отвечает минимуму эксплуатационных издержек на сервисное обслуживание за указанный период. В эту стоимость входят затраты на смазочное масло, составляющие до 1/3 суммарных затрат на ТО и определяемые исходя из удельного суммарного годового расхода масла (на угар и плановую замену) на 1 кВт*ч электроэнергии, выработанной за этот период, л/кВт*ч. Минимальное значение данного критерия характеризует не только преимущества конструкции двигателя ГПУ, но также минимизирует эксплуатационные издержки на дорогое синтетическое смазочное масло в процессе работы ГПЭС.

Экономические критерии

• Внутренняя норма рентабельности проекта (основной критерий ранжирования) — должна быть не меньше принятой ставки дисконтирования. Чем выше, тем больше доходность проекта;
• Чистый дисконтируемый доход — должен быть больше 0, максимальное значение соответствует суммарному максимальному доходу за весь расчетный период;
• Индекс прибыльности демонстрирует относительную величину доходности проекта, определяет сумму прибыли на единицу инвестированных средств. Обязательное условие реализации проекта — индекс прибыльности должен быть больше 1.

В целях определения наиболее оптимального варианта ГПУ, базируясь на вышеуказанных критериях, была проведена подробная оценка технико–экономических характеристик агрегатов, которые отвечают условиям работы ГПЭС при обеспечении электрической нагрузки рассматриваемых категорий потребителей.

Для сравнения вариантов используется общепринятый критериальный метод, состоящий из двух этапов. На первом этапе для вышеуказанных критериев определяются весовые коэффициенты значимости каждого из рассматриваемых параметров (характеристик) ГПА и составляется матрица характеристик.

Рис. 3. Результаты ранжирования ГПУ
по техническим критериям для категории 3

На втором этапе после определения весовых коэффициентов для каждого исследуемого показателя определяется значение критериев применительно к типу исследуемой ГПУ, на основании которого и будет проводиться ранжирование агрегатов. Максимальный суммарный балл (K) соответствует наиболее эффективному типу ГПУ.

Результаты сравнительного анализа свидетельствуют об эффективности использования газопоршневых установок, работающих как на природном газе, так и на попутном нефтяном и шахтном газе, при энергообеспечении потребителей рассматриваемых категорий.

Установлено, что в ГПЭС на природном газе (потребители 1–й и 2–й категорий, рис. 2) целесообразно использование высокооборотных ГПД, из которых можно выделить следующие: Waukesha серии APG, Cummins серий 1750 и 1160, Jenbacher серий 620 и 320. Данные ГПУ при сравнительно невысокой удельной стоимости имеют довольно высокий электрический КПД и обеспечивают быстрое нагружение/разгружение.

В рассматриваемых категориях к высокооборотным ГПУ вплотную приближаются и среднеоборотные энергоустановки Waukesha серий ATGL и VHP (рис. 2), что обусловлено возможностью быстрого набора и сброса мощности этими энергоустановками.

Рис. 4. Результаты ранжирования ГПУ
по техническим критериям для категории 4

При проведении исследований для ГПЭС, обеспечивающих нагрузку потребителей 3–ей категории, был принят НПГ с усредненным значением метанового индекса — 44,6. Как видно из данных табл. 2, для значительной части ГПУ этот индекс превышает заданное значение (>50). Следовательно, такие агрегаты не смогут работать на НПГ при номинальной мощности без дополнительных мероприятий и они были исключены из рассмотрения в этой категории.

Для энергообъектов, работающих на попутном нефтяном газе, целесообразно использование среднеоборотных ГПД с частотой вращения вала 1000 об/мин, обеспечивающих устойчивую работу на НПГ. Надежная работа ГПУ данного типа обеспечивается как за счет большего объема камеры сгорания, так и за счет низкого среднеэффективного давления, при которых двигатель работает в менее напряженном режиме.

Преимуществом данных ГПУ также являются низкие эксплуатационные затраты. Это связано с расширенными интервалами технического обслуживания и высоким назначенным ресурсом энергоустановок.

Из исследованных вариантов ГПУ наиболее полно данным преимуществам отвечают установки фирмы Waukesha серий ATGL и VHP и фирмы Cummins серии 1160 (рис. 3).

При использовании НПГ и шахтного газа в качестве топлива ГПЭС улучшается такой немаловажный аспект работы станции, как экологичность. До недавнего времени значительная часть попутного нефтяного газа сжигалась в факелах. Его использование в качестве топлива позволяет компаниям существенно сократить «экологические» штрафы, а также получить дополнительный доход от продажи квот в соответствии с условиями Киотского протокола.

Рис. 5. Результаты ранжирования
по экономическим критериям для категорий 1, 2

Проведенные исследования показали, что при работе на шахтном газе, также как и на НПГ, по совокупности факторов лучшие показатели имеют среднеоборотные ГПУ с частотой вращения 1000 об/мин (рис. 4). Несмотря на то что они уступают другим типам ГПУ по показателям тепловой экономичности, этот критерий для данной группы потребителей оказывается не настолько весомым, поскольку НПГ и шахтный газ являются побочным, «условно» бесплатным топливом. Здесь гораздо большую значимость приобретают такие критерии, как полный ресурс (у VHP9500GSI до 400000 часов) и увеличенные интервалы технического обслуживания, что в конечном итоге и повлияло на ранжирование агрегатов.

Из всех рассматриваемых энергоустановок с частотой вращения 1000 об/мин в 4–й категории при работе на шахтном газе лучшими показателями обладают ГПУ типа Waukesha серий ATGL и VHP. Хорошие показатели также имеют и ГПУ фирмы Cummins серий 1750 и 1160, что обусловлено их возможностью работать при переменных нагрузках (быстрое прохождение сброса/наброса нагрузки) и относительно невысокой стоимостью.

Для окончательного вывода и формирования заключения в работе проведен также и финансово-экономический анализ.

Рис. 6. Результаты ранжирования
по экономическим критериям для категории 3

Расчеты выполнены в прогнозных ценах по «Сценарным условиям развития электроэнергетики Российской Федерации на 2009–2020 годы» в среде Project Expert 7.19. Горизонт расчета принимался равным максимальному сроку службы ГПУ (400000 ч), для агрегатов с меньшим сроком службы были учтены затраты на реновацию оборудования.

Оценка суммарных капиталовложений в варианты ГПЭС выполнена на основе данных, представленных производителями оборудования, а также на основе экспертных оценок и проектов-аналогов.

Поскольку рассматриваемые варианты не выровнены по количеству отпускаемой продукции, то сравнение по чистому дисконтируемому доходу (NPV) не является корректным.

В качестве основного критерия ранжирования была принята внутренняя норма рентабельности (IRR), которая не должна быть ниже принятой ставки дисконтирования (13 %). Результаты ранжирования по финансово-экономическим критериям представлены на рис. 5–7.

Рис. 7. Результаты ранжирования
по экономическим критериям для категорий 1, 2

Для категорий 1 и 2 учитывалась стоимость топлива, поэтому значительное влияние имеет техническое совершенство ГПУ, а именно — КПД. Независимо от числа оборотов мощные энергоустановки с высокими значениями КПД стали лидерами (Waukesha APG3000, Jenbacher J620GS и Caterpillar G3616LE DM5009). При этом ГПУ более низкой мощности обладают худшими показателями по сравнению с ГПУ большей мощности.

Стоимость НПГ и шахтного газа принята равной «нулю» руб./нм 3 , что снизило эксплуатационные издержки — отсутствуют затраты, связанные с покупкой топлива и влиянием тепловой экономичности агрегатов. Наилучшими показателями в категории 3 обладают мощные высоко- и среднеоборотные ГПУ типа Waukesha и Cummins серии 1750; в категории 4 — также наиболее мощные ГПУ Waukesha и Jenbacher J620GS.

Выводы:

Исходя из результатов выполненного сравнительного анализа для всех 4-х рассматриваемых категорий потребителей, независимо от вида используемого топлива, наиболее предпочтительным вариантом основного оборудования ГПЭС являются среднеоборотные ГПУ компании Waukesha серий ATGL и VHP.

Основными преимуществами среднеоборотных установок являются:

• Возможность работы ГПУ с частотой вращения 1000 об/мин на всех видах топлива (природный газ, НПГ и шахтный метан).
• Надежная работа ГПУ за счет большего объема камеры сгорания.
• При низком среднеэффективном давлении работа ГПД происходит в менее напряженном режиме.
• Низкие эксплуатационные затраты за счет расширенных интервалов обслуживания (замена масла через 3000-4000 часов).
• Высокий ресурс энергоустановок — 72000 часов до первого капитального ремонта, назначенный ресурс — до 360000 – 400000 часов.

С момента проведения данного исследования прошло несколько лет и на сегодняшний день лучшими газопоршневыми установками, по техническим параметрам, надежности и соотношению цена/качество, считаются немецкие MWM, входящие в концерн Caterpillar.

Исследование проводили:

В. Д. Буров, А. А. Дудолин, В. В. Макаревич, Е. В. Макаревич

Московский энергетический институт (Технический университет)

Газопоршневые электростанции: принцип работы, особенности и преимущества

1. Виды газопоршневых генераторов
2. Особенности ГПЭС
3. Принцип работы
4. Описание конструкции
5. Преимущества использования ГПЭС
6. Область применения

Газопоршневая электростанция представляет собой систему генерации, вырабатывающую электричество в автономном режиме. Есть модели, обеспечивающие выработку не только электрической, но и тепловой энергии.

Виды газопоршневых генераторов

В зависимости от режима работы и вырабатываемой энергии газогенераторы разделяются на два основных вида:

• Когенерационная система. Данный тип вырабатывает два вида энергии: электричество и тепло. Общий КПД на выходе достигает 90%. Такие газогенераторы самые распространенные.
• Тригенерационная установка. При работе оборудования этого типа генерируется 3 вида энергии, направленных на выработку электричества, тепла и холода. Такой генератор может работать в холодный период на обогрев помещения, в жаркие дни обеспечивать работу вентиляционных систем.

Газовые электростанции с поршневым двигателем отличаются по виду используемого топлива. Для работы может использоваться:

• Газ с высокой теплотворной способностью (бутан, факельный, пропан).
• Сжиженный или магистральный природный газ.
• Газ с низкой степенью детонации и невысоким содержанием метана.
• Попутный газ нефтяных продуктов.
• Промышленный (коксовый, пиролизный, производные сточных вод, шахтный и т.д.).

Для бесперебойной работы установки не требуется большого количества топлива, при этом достигается высокий КПД.

Особенности ГПЭС

Газопоршневые электростанции имеют относительно небольшие размеры и вес. Благодаря минимальному уровню производимого шума и вибрации ее можно устанавливать на территории предприятия или в городских районах без дополнительных зон отчуждения.

Вне зависимости от типа генерации энергии и его дальнейшего использования все газопоршневые электростанции имеют базовый принцип выработки энергии. По расчетам специалистов, выработка тепла на типовых газогенераторах позволяет генерировать порядка 40% электроэнергии. Остальное тепло уходит в окружающую среду.

Иными словами, только половина вырабатываемой энергии идет на получение электричества. Но конструкция электростанции такова, что позволяет эффективно расходовать тепло на обогрев помещений. При этом каждый вид станции разрабатывается с учетом предполагаемых графиков нагрузки потребителя.

Принцип работы

Электрогенераторы с поршневой системой работают по следующему принципу:

• В камере с помощью свечи зажигания воспламеняется газовое топливо.
• В процессе сгорания выделяется энергия, которая приводит в движение коленчатый вал двигателя.
• Коленвал приводит в движение генератор электрического тока, вырабатывающий энергию.

Установка способна работать на природном газе, пропане, бутане, промышленных и попутных нефтяных газах.

Когенерационные станции – самый распространенный тип ГПУ: наряду с генерацией электричества вырабатывается теплоэнергия, которая может быть использована для нагрева воды и образования пара. Принцип работы этого типа станции:

• Холодная вода, циркулирующая по закрытому контуру, охлаждает двигатель, при этом происходит ее нагрев.
• После прохождения по системе жидкость направляется в теплообменник.
• На последней стадии теплоноситель попадает в котел.

Данный тип устройств нередко используется в жилых комплексах, обеспечивая население электричеством, горячей водой и теплом.

Тригенерационные комплексы способны вырабатывать холод. Принцип работы тригенерационной установки основан на той же схеме утилизации тепловой энергии, только в больших объемах. Для сбора холодных потоков и их дальнейшего распределения по системе используют компрессорные кондиционеры. При этом в чиллерах для охлаждения воды применяют уже отработанную теплую воду и пар.

Описание конструкции

Устройство состоит из следующих элементов:

• Газопоршневой двигатель.
• Синхронный генератор. Он соединен с мотором пальцевой муфтой.
• Вентилятор. Привод работает от коленвала посредством клиноременной передачи.
• Радиатор.
• Вспомогательные элементы (фильтры очистки воздуха, контрольные датчики, и т.д.).

Система зажигания обеспечивает воспламенение горючего в цилиндрах. Для этого используются свечи. Они располагаются в центральной части блока. Такое расположение обеспечивает лучшие условия сгорания топлива. Двигатель работает на батарейной системе зажигания. Она состоит из:

• Свечей.
• Электрических проводов.
• Источника питания.
• Прерывателя-распределителя.

Преимущества использования ГПЭС

В настоящее время газовые электростанции широко востребованы предприятиями жилищно-коммунального хозяйства, эффективны в промышленном производстве, сырьевой, угледобывающей сфере. Их эксплуатационные характеристики обеспечивают выполнение работы с высоким КПД.

Такая популярность станций с газопоршневым двигателем достигается благодаря множеству преимуществ:

• Устройство имеет высокий показатель выработки тепловой энергии в сравнении с турбинами и дизельными системами, предназначенными для работы с малыми мощностями.
• Оборудование устойчиво к температурным перепадам и неблагоприятным условиям окружающей среды.
• Есть возможность использовать разные варианты топлива, что делает станции универсальными.

• Низкий уровень выброса вредных веществ.

• Высокий коэффициент эффективности при работе без сопутствующих энергопотерь.
• Автоматизированная система защиты от перегрева.
• Различные проектные возможности, позволяющие создать модель, идеально подходящую под запросы клиента.
• Длительный срок эксплуатации.
• Возможность снижения затрат на энергопотребление.
• Лучшее соотношение технических параметров и цены.

Небольшие размеры ГПЭС позволяют удобно располагать ее на территории предприятия или в непосредственной близости к нему. При этом отпадает необходимость проведения дорогостоящих линий электропередач и установки трансформаторного оборудования. Это позволяет снизить расходы и создать надежный автономный источник энергии для предприятия.

Область применения

Электростанции на газопоршневом двигателе активно используются там, где необходима бесперебойная выработка энергии. Благодаря способности к автономной работе данные установки можно устанавливать в отдаленных районах, где сложно провести коммуникационные системы.

Широкий диапазон используемого сырья для топлива, высокие эксплуатационные характеристики позволяют использовать газовые генераторы в:

• Нефтегазовой и угольной промышленности (буровые платформы и скважины).
• Металлургии.
• Животноводстве, растениеводстве.
• Котельных, насосных станциях.
• Жилищно-коммунальной сфере.
• В качестве резервного или вспомогательного оборудования медицинских учреждений, аэропортов, системах жизнеобеспечения.

Использование метана в качестве сырья позволяет эффективно работать предприятиям, добывающим каменный уголь. Для уменьшения вредных выбросов углекислого газа используют газопоршневые системы в местах скопления мусора.

Многие коммерческие предприятия, офисные и торговые центры, государственные учреждения стараются уменьшить свои затраты на электричество за счет установки газогенератора с комбинированной системой выработки тепла и электроэнергии.

Газопоршневые электростанции широко распространены по всей территории страны, способствуя плодотворной работе различных предприятий и комфортной жизни людей.

Разбираем вместе особенности газовых электростанций

Задумывались ли вы над тем, как сделать свой дом полностью автономным? Рано или поздно такая мысль приходит в голову каждому владельцу загородного жилья. И тогда он начинает искать варианты воплощения ее в жизнь. Устав от постоянных перебоев в электросети, многие решаются на приобретение собственной мини-электростанции.

Причем, она должна иметь невысокую стоимость, но в то же время обладать высокой надежностью и максимальным моторесурсом. Но существуют ли такие модели? Ответ — да, и одной из них является газовая электростанция, потому что этот вид топлива является одним из самых доступных и дешевых. Кроме того, подключив такой генератор к газопроводу единожды, вы будете избавлены от необходимости его постоянной дозаправки, а также создания запасов горючего.

Устройство электростанций на природном газе

Основными узлами такой силовой установки являются:

• Двигатель, для работы которого необходим природный газ;
• Синхронного генератора, благодаря которому топливо превращается в электричество.

Кроме этого в состав газовой электростанции входят камера сгорания, с которой происходит сжигание топлива, и поршневая группа в которую поступает вырабатываемая энергия. Дальнейшая ее передача генератору осуществляется при помощи коленвала.

Все узлы газовой электростанции заключены в стальной герметичный корпус, который имеет антикоррозийное покрытие. Он предназначен для защиты оборудования от механического воздействия, а также влияния окружающей среды. Кроме того, корпус поглощая электростатические и магнитные поля делает возможным установку такого оборудования на открытом воздухе.

Принцип действия газопоршневой MWM

Работает такое оборудование следующим образом. Вырабатываемый двигателем внутреннего сгорания ток поступает в преобразователь. Здесь происходит его стабилизация и преобразование из постоянного в переменный. Именно такой ток и используют все бытовые приборы.

И хотя принцип действия газовых электростанций по сути такой же, как и у других видов электростанций, но отличие имеется. Оно состоит в том, что это оборудование является когенерационным и способно одновременно воспроизводить два вида энергии:

Область применения

Одно из самых дешевых видов топлива и особенности в работе привели к широкому распространению газовых электростанций. И это несмотря на их более высокую, чем у дизельных генераторов стоимость. Объясняется такой феномен тем, что себестоимость вырабатываемой энергии у газовых установок в 2, а то и 3 раза меньше, чем у других видов оборудования. Поэтому использование газовых электростанций экономически выгодно.

Смотрим видео, область применения оборудования:

Применяются такие агрегаты не только в жилом секторе, но и на производстве. Особенно широко их используют на нефтяных месторождениях. Ведь там вместе с добычей нефти происходит выделение попутных газов, которые могут сжигаться в газопоршневых генераторах.

Большой популярностью пользуются газовые электростанции промышленные и на небольших производствах. Их использование позволяет удешевить затраты на изготовление продукции, снизив ее стоимость и увеличив конкурентоспособность.

Преимущества и недостатки

Среди положительных черт этого оборудования не только дешевизна топлива, но и экологичность. По этому показателю газовые электростанции для дома значительно превосходят все другие модели, так как практически не выделяют в окружающую среду вредных веществ. Кроме этого они имеют ряд других достоинств:

• Требуют минимальных финансовых затрат;
• Выпускаются в двух модификациях (одно- и трех фазные);
• Имеют широкий диапазон мощностей (до 2500 кВт);
• Отличаются низким уровнем шума;
• Универсальны, могут эксплуатироваться при любых погодных условиях и даже под открытым небом;
• Корпус газопоршневой электростанции MWM оборудования не загрязняется копотью в процессе использования;
• Могут работать как от природного, так и баллонного газа;
• Просты в управлении;
• Надежны;
• Износостойки.

Как видите, перечень положительных качеств весьма внушительный. А если учесть еще один аспект, такой как компьютерное управление расходом топлива, за счет чего удается достичь минимального выброса в атмосферу угарного газа, то такие газопоршневые электростанции смело можно назвать и одними из самых безопасных в применении. К тому же они быстро окупаются, а некоторые модели способны еще и обеспечивать потребителей горячей водой.

Но нельзя сказать, что газопоршневые электростанции MWM являются идеальными. Оно имеет и свои минусы. И одним из самых главных является сложность доставки топлива, особенно если рядом с вашим домом не проходит газовая магистраль. Поскольку это вещество относится к разряду особо опасных, то для его транспортировки необходимы специальные автомобили. Чаще всего это цистерны, способные выдерживать давление до 200 атмосфер.

Но даже если в вашем доме имеется магистральный газ, подключиться к ней не так и легко. Для этого потребуется получить разрешение на врезку, а это часто стоит намного дороже, чем сам генератор. Кроме того, выполнить эти работы могут только профессионалы, так как газ – это взрывоопасное вещество.

Как правильно выбирать оборудование

Несмотря на то, что приобретение такого оборудования является выгодным решением как для постоянного источника питания, так и резервного, подходить к его выбору следует основательно. Первое с чего следует начинать – это мощность. Только при правильно проведенных расчетах двигатель газовой электростанции сможет проработать достаточно долго.

Допустим, что вам необходим генератор для питания погружного насоса и осветительных приборов, мощность которых будет составлять соответственно 2,1 кВт и 500 Вт, в сумме это составит 2,6 кВт. Но покупая газовую электростанцию нужно учитывать, что в момент включения насоса возможно возникновение пусковых токов, они также должны быть учтены при проведении расчетов. Следовательно, выполнять вычисления нужно по следующей формуле:

P = (2,1 х 2,5+0,5) х 1,1, где:

2,5 – коэффициент с учетом величины пусковых токов;

1,1 – резерв мощности (чтобы исключить перегрузки).

В итоге расчетная мощность будет равна 6,3 кВт. Ее и следует брать за основу выбирая агрегат.

Поскольку на рынке сегодня газовые силовое оборудование представлены различными моделями, которые могут подключаться как к одно, так и трехфазной сети, то приходится учитывать и напряжение питания.

Обычно для бытовой техники оно составляет 220 В, в то время как для подключения производственного оборудования потребуется 380 В. Но в продаже имеются и универсальные модели газопоршневых электростанций, которые могут быть подключены к любой сети. Если предполагается частая смена фазности нагрузки, то стоит выбирать именно такой генератор.

Запуск газовых электростанций может осуществляться двумя способами:

Первый – это шнур, который необходимо дергать с определенным усилием. Чаще всего этот способ используется на маломощных установках. В остальных моделях газовых электростанций применяется электрический запуск, осуществляемый по нажатию кнопки или поворотом ключа. Но в то же время от зависит от исправности элементов питания и поэтому менее надежен. Самыми удобными считаются модели, оснащенные автоматикой. У них пуск и остановка осуществляются без участия человека.

Для газовых электростанций важен и еще один аспект – это вид используемого топлива. Поскольку газ может быть сжиженным или природным. Если предполагается частая транспортировка оборудования, то удобнее приобретать модели, укомплектованные баллоном. Обычно топлива в нем хватает на несколько рабочих смен.

Для стационарной эксплуатации обычно выбирают газопоршневые электростанции, подключаемые к магистральной сети. К тому же такой газ дешевле сжиженного, что делает эксплуатацию электростанции наиболее выгодной.

Однако существуют и универсальные модели газовых электростанций, способные работать на различных видах топлива, например, на газе и бензине. Они имеют более высокую стоимость, но в то же время имеют более широкую сферу использования.

Обзор популярных моделей газовых генераторов

Рассматривая различные марки оборудования стоит обращать внимание на их технические характеристики. Ведь исходя из этих параметров газовые модели могут использоваться:

1. Для дачи;
2. Загородного коттеджа;
3. Большого хозяйства.

В первом случае можно остановиться на газопоршневых электростанциях китайских, российских или вьетнамских производителей. Как правило такое оборудование предназначено для кратковременного использования. Оно имеет невысокую стоимость, но и не отличается высоким качеством. Однако для использования на даче вполне подойдет.

Диапазон мощностей у таких газовых электростанций составляет от 1 до 6 кВт, а время непрерывной работы не превышает 6 часов. Моторесурс оборудования также невелик и составляет около 2 тысяч моточасов при цене от 20 до 90 тысяч рублей. Самыми популярными в этой категории считаются газопоршневые электростанции Caterpillar, а также следующих марок:

• Green Power (Китай);
• REG (Россия);
• Honda (Вьетнам).

Для частных домовладений обычно используют более качественное оборудование. Этот класс газовых электростанций весьма немногочисленный и составляет золотую серединку. Такие электростанции способны обеспечивать коттедж электроэнергией до 200 часов. Они имеют диапазон мощностей до 18 кВт при моторесурсе до 8 тысяч часов, но и цена на газогенераторные электростанции для дома начинается от 180 тысяч рублей.

К электростанциям этого класса относятся следующие марки:

Если же вас интересует самое надежное и мощное оборудование, то стоит выбирать с жидкостным охлаждением, которые обычно поставляются заключенными во всепогодный кожух. Они могут иметь мощность более 20 кВт и моторесурс до 50 тысяч часов. Однако стоимость агрегатов превышает 400 тысяч рублей. Они выпускаются ведущими производителями такого оборудования:

• FG Wilson (Великобритания);
• Yanmar (Япония).

Итоги

Выбирая газопоршневую электростанцию важно понимать, что каждая модель разрабатывалась под конкретные задачи и обладает определенными возможностями. Поэтому определите функции для электростанции заранее – это поможет купить необходимый прибор.

Газопоршневые двигатели – конструкция и принцип работы

Газопоршневый двигатель – это двигатель внутреннего сгорания с системой внешнего образования топливно-воздушной смеси и искровым зажиганием. В качестве топлива использует природный магистральный газ и др. виды газового топлива, что обеспечивает экономичность, высокий ресурс работы и минимальный уровень шума. В данной статье мы рассмотрим, что представляет собой газопоршневый двигатель, принцип работы и его особенности.

Основные элементы и принцип работы газопоршневого двигателя

Как и у любого ДВС, у газопоршневого двигателя принцип действия основан на сгорании топливовоздушной смеси и поступательном движении поршней за счет энергии расширяющихся газов. С помощью кривошипно-шатунного механизма поступательное движение поршней преобразуется во вращательный выходного вала двигателя.В схеме подачи газа в газопоршневых двигателях основную роль играет газораспределительный механизм, подача газа осуществляется из магистрали или баллонного оборудования.

Чаще всего данный вид двигателей применяется в качестве основного элемента электрогенератора. Так, современные газопоршневые электростанции, характеристики потребления топлива которых делают их наиболее выгодными из всех решений автономного энергообеспечения. Дополнительным преимуществом является возможность выработки тепла или холода для хозяйственных нужд – когенерации и тригенерации. Современный газопоршневой двигатель, принцип работы которого позволяет обеспечить и одновременную тригенерацию, делает оптимальным его применение в приводе холодильной установки. Также применяются они в насосном оборудовании, морском судостроении и др. сферах деятельности.

Особенности газопоршневого двигателя

Наибольшие значения мощности газопоршневых двигателей достигают десятков мегаватт, что достаточно для обеспечения работы мощного оборудования и автономного энергообеспечения производственных и строительных объектов. Важным преимуществом является высокий ресурс работы, достигающий 250 тысяч часов при 80-100 тыс. часов межремонтного интервала (между капитальными ремонтами).

Подача газа в газопоршневых двигателях может быть баллонной или магистральной, а в качестве топлива, помимо метана, применяется:

• пропан;
• бутан;
• коксовый и другие сопутствующие промышленные газы;
• древесный газ;
• газы нефтяной промышленности и многие другие виды.

При этом схема подачи газа в газопоршневых двигателях не требует наличия дожимного компрессора благодаря малому потребному давлению. Благодаря большому выбору вариантов можно гибко использовать оборудование на различных объектах, оперативно адаптировать систему к изменению технических или экономических условий. Перенастройка системы подачи топлива занимает минимум времени, газопоршневый двигатель можно свободно настроить на эксплуатацию на попутном газе, биогазе и др. топливе.

К основным особенностям газопоршневых двигателей можно отнести:

• Небольшую зависимость КПД от окружающей температуры.
• Незначительные колебания КПД при снижении нагрузки на 50% и, соответственно, эффективное использование двигателя при любых нагрузках.
• Малые затраты на эксплуатацию.
• Неограниченное количество запусков мотора.
• Возможность параллельного подключения нескольких двигателей и, соответственно, возможность значительного повышения и рационального использования мощности системы.

С каждым годом газопоршневые двигатели получают всё большее применение в различных сферах, в т. ч. в качестве основного элемента газоэлектростанций для коттеджных поселков. Их экономичность и эксплуатационные обеспечивают им солидные преимущества в сравнении с другими вариантами автономного, резервного или аварийного электроснабжения различных объектов.

Принцип работы газового генератора

Срок возврата инвестиций 1,5 – 2 года

Электроэнергия от 1,6 руб/кВт

Бесплатное тепло при когенерации

Экономия от 500 000 руб./месяц

Высокий КПД наших установок

Короткие сроки строительства

Телефон отдела продаж:

Газогенераторные установки предназначены для электрификации различных объектов. В качестве топлива применяется газ, подаваемый в двигатель внутреннего сгорания. Параллельно электроэнергии, оборудование вырабатывает тепловую энергию, которая применяется для нагрева воды.

Работа газопоршневой электростанции основана на введении в действие каждой из основных частей оборудования:

• вырабатывающего энергию двигателя,
• электрогенератора,
• системы охлаждения,
• теплообменников,
• труб для подачи и циркуляции жидкости,
• систем управления и контроля.

Принцип действия газопоршневой установки (ГПУ) включает: подачу газа к двигателю, его переработку в электричество (при помощи электромагнитной индукции), распределение по системе энергоснабжения или передачу другим потребителям для последующей реализации.

Тепло, выделяемое двигателем, нагревает воду, которую в дальнейшем можно использовать для различных целей (например, отопления объекта). Некоторые модели ГПУ оснащаются функцией тригенерации, поэтому они дополнительно вырабатывают холод (например, для работы холодильного оборудования).

Более подробно узнать о принципе работы газового генератора или заказать оборудование с доставкой по России и СНГ вы можете по номеру 8 (800) 775-91-70 или адресу электронной почты sales@powerlinkworld.ru.

Реализованные проекты

Газопоршневая электростанция PowerLink GXE50-NG, электрической мощностью 50 кВт, для коммерческого предприятия

Электростанция выполнена в открытом исполнении, для размещения в помещении. Газовый оригинальный двигатель PowerLink GX5S-LE01G с навесным оборудованием; Режим работы постоянный – 24/7. Топливо – природный магистральный газ. Рабочее давление газа 5 кПА.

Реализованные проекты

Две газопоршневые электростанции PowerLink по 250 кВт – в едином контейнере!

Специально для нашего Заказчика был изготовлен энергомодуль, состоящий из двух газопоршневых электростанций PowerLink GXE250-NG. Каждая газовая электростанция вырабатывает по 250 кВт. Общая электрическая мощность такой контейнерной электростанции составляет 500 кВт. Электростанции выполнены на базе оригинальных газопоршневых двигателей PowerLink GX13K-LE02G.

Реализованные проекты

Газопоршневая электростанция (ГПГУ) PowerLink 200 кВт в кожухе, для майнинг-фермы.

PowerLink изготовил газопоршневую электрогенераторную установку в шумозащитном кожухе GXE200S-NG, специально для майнинг фермы. Установка работает на низком давлении (

Реализованные проекты

Газопоршневая когенерационная электрогенераторная установка (CHP) PowerLink 400 кВт, двигатель MAN, в блок-контейнере

PowerLink изготовил газопоршневую мини-ТЭЦ CG400-NG. Данная установка имеет два контура отбора тепла с выхлопных газов и с рубашки охлаждения двигателя, т.е. помимо выработки электроэнергии, также вырабатывается тепловая энергия, которую можно использовать для собственных нужд на отопление, горячую воду и т.д.

Реализованные проекты

Газопоршневая электростанция (ГПУ) PowerLink 200 кВт для коммунального предприятия

Изготовлена и отгружена газопоршневая электростанция PowerLink GXE200-NG, постоянной электрической мощностью 200 кВт, предназначена для электроснабжения потребителей трехфазным переменным электрическим током напряжением 400 В, частотой 50 Гц. ГПУ отгружена в г. Волгоград. Электростанция изготовлена для работы на давлении газа менее 5 кПА (низкое), топливо – магистральный природный газ.

Реализованные проекты

Когенерационные электрогенераторные установки PowerLink 400, 250 и 200 кВт, двигатели MAN, в кожухах, для тепловых сетей

Завод PowerLink изготовил под проект три когенерационные газопоршневые установки, электрической мощностью 200, 250 и 400 кВт в шумопогодозащитных кожухах. Для установок были подготовлены специальные помещения. Каждая установка вырабатывает не только электричество, но и тепло. Тепло снимается по контуру антифриза и с уходящих выхлопных газов двигателя.