Газопоршневая электростанция (ГПЭС)

2024-05-21 18:16

Газопоршневая электростанция (ГПЭС) - это система производства электроэнергии, построенная с использованием газопоршневого двигателя (ГПД).

Промышленные объекты все чаще прибегают к нецентрализованному производству электроэнергии. Среди такого оборудования выделяются газопоршневые электростанции. Рассмотрим принцип их работы, используемое топливо, систему утилизации тепла, варианты исполнения, а также их преимущества, недостатки, экономические и экологические аспекты. Также затронем этапы строительства такой электростанции.

Что такое газопоршневые электростанции?

Для краткого обозначения поршневой электрической станции на газе применяется аббревиатура ГПЭС. Это самостоятельное устройство в компактном исполнении, генерирующее электричество и тепло. Если ГПЭС производит и электричество, и тепло, процесс называется когенерацией. В некоторых случаях она также может быть источником хладагента в виде охлажденной воды, что называется тригенерацией.

Газопоршневая электростанция: Основные Компоненты и Принципы Действия

Газопоршневая электростанция (ГПЭС) базируется на газопоршневом ДВС. Вместе с ним находится электрическая машина, создающая переменный ток из механической энергии. Это комплектное устройство, также известное как ГПУ, объединяет в себе вспомогательные системы:

топливоснабжение,
дымоудаление,
маслоподачу,
вентиляцию,
связь,
охрану,
утилизацию тепла,
противопожарные меры
электронику.

Газопоршневая электростанции: принцип работы

Принцип работы газопоршневой электростанции аналогичен функционированию внутреннего сгорания двигателя. Вначале газопоршневый двигатель получает газообразное топливо с нужными характеристиками. При сгорании топлива происходит выработка механической энергии. Так как газопоршневой двигатель и генератор находятся на одном валу, энергия передается на генератор, который затем преобразует её в электроэнергию.

В структуре газопоршневого двигателя присутствует внешняя система подачи газовоздушной смеси. Эта система предназначена для смешивания воздуха с газообразным топливом в нужных пропорциях. Процесс осуществляется с использованием газосмесительного устройства с трубками Вентури.

Сгенерированная электроэнергия передается на распределительное устройство генераторного напряжения, откуда далее распределяется по энергосистеме промышленного предприятия. Электроэнергия направляется на последующее распределительное устройство.

Значительно влияет месторасположение существующих коммуникаций на объекте на процесс подключения газопоршневой электростанции к системам газоснабжения, электроснабжения и теплоснабжения предприятия.

Режим работы электростанции

С учетом внешней энергетической системы, газопоршневая электростанция может функционировать в автономном или параллельном режиме, в зависимости от потребностей и особенностей работы промышленного предприятия. В автономном режиме станция работает независимо от внешних сетей, что может даже исключить необходимость подключения к ним. В параллельном режиме энергия поступает на предприятие как от газопоршневой электростанции, так и от внешних сетей, что обеспечивает более надежное энергоснабжение.

При запуске в параллельном режиме происходит согласование электрической станции с эталонными параметрами внешней сети. При таком режиме работы необходимо тщательно контролировать процесс производства энергии и предотвращать обратный поток. Это требуется от всех владельцев внешних сетей при подключении мини-электростанций.

Топливо для газопоршневых установок

В качестве топлива для газопоршневого двигателя могут использоваться различные виды горючих газов, преимущественно высокого качества. Чаще всего применяется природный газ, который является углеводородным газообразным сырьем. Кроме того, в электростанции могут сжигаться:

биогаз;
свалочное газовое топливо;
шахтный газ;
пропан или другие газообразные топлива в жидком состоянии;
коксовальный газ;
метан из угольных пластов;
очистное или попутное нефтяное газовое топливо.

При использовании не природного газа предварительно проводится анализ альтернативного варианта. Проверяются его характеристики и состав, чтобы удостовериться, что они соответствуют требованиям производителя газопоршневой электростанции.

Тепловая утилизационная система газопоршневых установок

В процессе производства электроэнергии газопоршневая электростанция выделяет значительное количество тепла, которое образуется за счет:

отработавших газов;
охлаждающей системы двигателя внутреннего сгорания;
нагретого масла.

Для эффективного извлечения этой теплоэнергии используются теплообменные устройства и утилизирующие котельные агрегаты. После извлечения тепло направляется в промышленные тепловые сети. В противном случае, тепло может быть выброшено в атмосферу.

Благодаря системе утилизации тепла газопоршневой электростанции удается получить тепловую энергию с необходимыми параметрами. Одним из примеров такого тепла является горячая вода, которая производится за счет работы теплообменников и утилизирующих котельных агрегатов. Температура этой воды обычно находится в стандартном диапазоне 90/70 °C. В случае необходимости более высоких параметров используются пиковые котельные агрегаты.

Исполнение газопоршневых электростанций

Газопоршневые электростанции выпускаются в двух основных вариантах исполнения, которые определяют их вид и расположение на промышленном объекте. При этом не предусматривается установка электростанции на открытом воздухе. Производители предлагают газопоршневые электростанции в следующих исполнениях:

Блочно-модульный вариант - все дополнительные системы вместе с газопоршневой установкой размещаются в контейнере модульного типа. Это быстровозводимое компактное здание собирается как конструктор. Каждый модуль содержит определенную систему ГПУ и саму установку.
Стационарный вариант - газопоршневая установка вместе с дополнительными системами размещается в капитальном строении.

Выбор между этими вариантами зависит от размеров территории, на которой планируется установка. При ограниченных размерах территории предпочтение отдается блочному исполнению. Этот вариант позволяет сократить сроки ввода газопоршневой электростанции в эксплуатацию и связанные с этим расходы. Благодаря быстрому демонтажу, перемещению и повторному монтажу станции в блочном исполнении можно быстро начать ее эксплуатацию.

Преимущества блочно-модульного исполнения ГПЭС

Газопоршневая электрическая станция в блочно-модульном исполнении обладает следующими преимуществами:

Минимальное время запуска в работу.
Оптимальный уровень расходов — благодаря сборке блочной конструкции модульного типа значительно снижается стоимость проекта.
Быстрое увеличение мощности — добавление дополнительных модулей позволяет быстро увеличить мощность электрической станции.
Легкий ремонт — блочная конструкция легко и быстро демонтируется в случае необходимости ремонта.
Простая транспортировка — блоки упаковываются для быстрого и экономичного транспортирования на любых видов транспорта.
Мобильность — модульное исполнение обеспечивает возможность оперативно переместить мини-ТЭС на другое место.

Эффективность газопоршневых электростанций

Использование газа в качестве топлива для газопоршневых электростанций представляет собой экономически эффективный способ производства энергии. Этот метод оказывается более выгодным для многих энергозависимых промышленных объектов, поскольку расходы на топливо часто составляют до 50% от общей себестоимости производства электро- и теплоэнергии.

Эффективность производства электричества зависит от химического состава используемого газа при работе газопоршневых станций. Поэтому для обеспечения прибыльности проекта особое внимание уделяется следующим параметрам газообразного топлива:

Степень детонации;
Процентное содержание серы;
Концентрация метана;
Удельная теплотворность.

У конструктивно простых, но надежных газопоршневых установок выше КПД, чем у других видов электростанций. Во время производства электричества с использованием природного газа коэффициент полезного действия таких установок может достигать 45%.

При работе газопоршневых электростанций (ГПЭС) достигается когенерация или тригенерация благодаря нагреву выходных выхлопных газов до 400°C. Это позволяет дополнительно получить 1 МВт тепловой энергии на каждый 1 МВт электричества, что приводит к двукратному повышению коэффициента полезного действия (КПД).

Монтаж и эксплуатация ГПЭС являются выгодным инвестированием капитала. Газопоршневые электростанции применяются не только на промышленных предприятиях, но и на различных объектах, таких как:

газовые котельные;
аэровокзалы, порты и другие транспортные узлы;
населенные пункты с небольшим населением;
вахтовые городки;
и другие.

Для обеспечения бесперебойной и эффективной работы газопоршневой электростанции необходимо учитывать количество сгораемого газа и разработать логистику его доставки. Расход топлива указывается производителем в характеристиках ГПЭС. Также важно учитывать режим эксплуатации станции, который может быть непрерывным или ограниченным определенными временными интервалами.

Для оценки расхода газообразного топлива для газопоршневых электростанций можно ориентироваться на потребление от 3 до 4 миллионов кубических метров в год при непрерывной работе станции.

Плюсы и минусы ГПУ

У газопоршневых установок и двигателей внутреннего сгорания (ДВС) схожие преимущества и недостатки, поскольку газопоршневая установка является одним из типов ДВС.

Газопоршневые установки представляют собой альтернативный автономный вариант централизованного энергоснабжения. Благодаря постоянному усовершенствованию оборудования централизованное производство энергии становится менее выгодным. Применение мини-ТЭС становится предпочтительнее по сравнению с централизованным энергоснабжением.

Использование газопоршневых установок позволяет:

обеспечить независимость от нестабильного централизованного энергоснабжения;
обеспечить непрерывное потребление энергии и стабильную работу энергозависимого оборудования, даже в случае невозможности подключения предприятия к городским сетям;
сэкономить на затратах на подключение к централизованным сетям и на строительстве соответствующих коммуникаций;
снизить ежемесячные расходы, так как себестоимость самостоятельно произведенной электроэнергии ниже, чем у сетевых компаний.

Дополнительным преимуществом газопоршневых установок является возможность работы в режиме когенерации и тригенерации, что позволяет эффективно использовать попутное тепло. Экономическая эффективность такого использования превышает стоимость приобретения тепловой энергии у сторонних поставщиков.

Недостаток мини-ТЭС заключается в высокой стоимости строительства газопоршневых установок. Однако эта инвестиция быстро окупается за счет высокой прибыльности оборудования.

Осуществление проектов газопоршневых электростанций

Проекты газопоршневых электростанций обычно реализуют специализированные инжиниринговые компании, предоставляющие услуги «под ключ» с полным циклом работ, начиная с проектирования и заканчивая пусконаладкой. Компания GasOilGenix специализируется на реализации таких проектов, обеспечивая профессиональное и качественное выполнение работ с глубоким пониманием процесса.

Реализация проекта газопоршневой электростанции всегда проходит последовательно, с соблюдением технологической цепочки строительства генератора. Нарушение этой последовательности может привести к невозможности выполнения последующих этапов работ.

Наилучший результат достигается, когда проект ГПЭС реализуется единой компанией «под ключ». Это позволяет снизить общую стоимость проекта за счет оптимизации процесса и координации работ на всех этапах. Кроме того, единый подрядчик обеспечивает контроль качества выполнения работ на всех этапах проекта.

Преимущества газопоршневых электростанций

Максимальные преимущества от применения мини-ТЭС достигаются при комплексном строительстве электростанции. Поэтому чаще всего обращаются за помощью к специализированным компаниям, предлагающим услуги «под ключ», включая поставку оборудования прямо с завода известного производителя.

Газопоршневые электростанции от ведущих производителей имеют ряд преимуществ:

Высокий коэффициент полезного действия (КПД) до 45-48%;
Производство дополнительной энергии в виде попутного тепла, практически бесплатной;
Низкая цена и себестоимость производства электричества;
Длительный период работы до технического обслуживания и капитального ремонта;
Широкий выбор мощностей;
Компактные размеры и возможность контейнерного исполнения;
Оптимальные расходы на обслуживание и эксплуатацию;
Высокий уровень безопасности и соответствие европейским экологическим стандартам;
Короткие сроки окупаемости проекта генерации энергии.

Безопасность и экологичность газопоршневых электростанций

Работающая газопоршневая электростанция оказывает воздействие на окружающую среду. При сжигании природного газа в атмосферу выбрасываются оксиды азота (NOx). При использовании генератора MWM предельное значение выбросов загрязнений составляет не более 500 мг/м3. Для определения уровня распространения загрязнений производится расчет с учетом конкретных условий эксплуатации, включая характеристики дымовой трубы электростанции, которая должна быть выше на 300 мм от соседних зданий.

Газопоршневая электростанция также создает шум из-за работы двигателя внутреннего сгорания и вентиляционного оборудования. В случае использования блочной газопоршневой электростанции, двигатель размещается в отдельном контейнере, обеспечивающем шумопоглощение на уровне около 31-32 дБА. Этот подход позволяет существенно снизить уровень шума, что особенно важно, если рядом находятся другие здания. При необходимости могут использоваться дополнительные методы защиты от шума и других физических воздействий со стороны газопоршневой электростанции.