Что такое газопоршневые электростанции?

Содержание:

• Устройство газопоршневой электростанции
• Принцип работы
• Режим работы электростанции
• Топливо для газопоршневых установок
• Система утилизации тепла газопоршневых установок
• Исполнение газопоршневых электростанций
• Преимущества блочно-модульного исполнения ГПЭС
• Преимущества ГПУ
• Реализация проектов газопоршневых электростанций
  • Проектирование
  • Поставка оборудования
  • Производство
  • Строительно-монтажные работы
  • Пусконаладочные работы
  • Диспетчеризация и мониторинг
  • Сервисное обслуживание
• Экономика
• Стоимость
• Безопасность и экологичность
• Кому стоит доверить энергоснабжение от ГПЭС?
  • Полностью автономное энергоснабжение месторождения
  • Энергоснабжение заказчика с собственной внутренней энергосетью
  • Энергоснабжение Первоуральского новотрубного и Челябинского трубопрокатного заводов
  • Энергоснабжение нефтяного месторождения в ХМАО

В современном мире важность надежных и эффективных источников электроэнергии неоспорима, одним из таких решений может быть организация  газопоршневых электростанций (ГПЭС) состоящих из газопоршневых генераторов (установок или ГПУ) и мини ТЭЦ, которые можно организовать на базе ГПУ. Такое решение занимает важное место в сегменте малой и индивидуальной промышленной генерации, обеспечивающей качественное электроснабжение.

Устройство газопоршневой электростанции

Суть ГПЭС в её основных компонентах. Что именно делает такую станцию «‎газопоршневой»? Все просто: ключевую роль играет газовый двигатель в ГПУ, который является сердцем всей системы.

Основные компоненты ГПУ:

• Газовый двигатель. Здесь происходит сгорание газа, что приводит к движению поршней. Именно благодаря этому процессу возможно преобразование химической энергии сгорания топлива в механическую.
• Генератор. Преобразует механическую энергию, полученную от газового двигателя, в электрическую. Это та часть системы, которая обеспечивает выработку электроэнергии.
• Система охлаждения. Служит для поддержания оптимальной температуры работы оборудования. Охлаждение необходимо для предотвращения перегрева и обеспечения надежной работы двигателя.
• Устройство управления. Это «‎мозг» всей электростанции. С его помощью происходит контроль и регулирование работы всех систем, а также мониторинг состояния оборудования.

Принцип работы

Давайте разберемся с основами их функционирования.

1. Сгорание топлива. Начальный этап работы ГПУ связан с подачей газообразного топлива в камеры сгорания  двигателя. В них происходит воспламенение этого топлива под воздействием искры, идущей от свечи зажигания. Как результат, происходит “микровзрыв” с резким увеличением объема продуктов сгорания топливовоздушной смеси.
2. Движение поршней. Расширяющийся газ создает высокое давление внутри цилиндра, которое действует на поршень, приводя его в движение. Этот процесс полностью аналогичен принципу работы  обычного бензинового автомобильного двигателя, только вместо бензина используется газ.
3. Преобразование механической энергии в электрическую. Движение поршней приводит во вращение коленчатый вал, который передает механическую энергию на генератор. В генераторе механическая энергия преобразуется в электрическую благодаря взаимодействию магнитного поля и проводников. Таким образом, генератор начинает вырабатывать электроэнергию.
4. Стабилизация и контроль. Современные ГПЭС оснащены системами управления и мониторинга, которые обеспечивают стабильную и безопасную работу. Эти системы контролируют весь процесс сгорания, подачу топлива, температуру и многие другие параметры, гарантируя высокую эффективность и надежность работы.

Режим работы электростанции

При выборе режима работы учитываются как текущие потребности потребителей, так и прогнозируемые нагрузки. Рассмотрим основные режимы работы ГПЭС подробнее:

1. Постоянный режим. В этом режиме ГПЭС функционирует на постоянной основе, обеспечивая непрерывную подачу электроэнергии. Такой режим характерен для регионов или предприятий со стабильным потреблением электроэнергии. Он обеспечивает максимальную надежность электроснабжения и минимизирует риски перебоев.
2. Режим пиковой нагрузки. ГПЭС, работающие в этом режиме, включаются в определенные часы, когда наблюдается наибольший спрос на электроэнергию. Это может быть связано с особенностями производственной деятельности, климатическими условиями или повседневной активностью населения. После пика потребления станция может быть либо отключена, либо переведена в режим пониженной мощности.

Основное преимущество ГПЭС заключается в их способности быстро адаптироваться к изменяющимся условиям эксплуатации. Благодаря современным системам управления и автоматизации, электростанции могут в реальном времени реагировать на колебания потребления, подстраивая свою работу под текущие потребности.

Топливо для газопоршневых установок

Правильный выбор топлива может существенно повлиять на экономическую эффективность и экологичность работы станции. Давайте рассмотрим, на каких видах топлива могут работать газопоршневые установки.

1. Природный газ. Это самый распространенный и предпочтительный вид топлива для ГПЭС. Природный газ содержит меньше загрязнителей по сравнению с другими видами топлива, что приводит к меньшим выбросам и более высокой эффективности сгорания. Кроме того, его широкое распространение и развитая инфраструктура обеспечивают стабильное снабжение. Подвидом природного газа является ПНГ (попутный нефтяной газ), где помимо метана - основного компонента природного газа, содержатся т.н. высшие углеводороды, влияющие на разницу в теплотворной способности ПНГ и природного газа.
2. Биогаз. Экологически чистый вид топлива, получаемый в результате ферментации органических отходов. Использование биогаза не только снижает зависимость от невозобновляемых источников, но и помогает решить проблему утилизации отходов, превращая их в ценный энергетический ресурс.
3. Сжиженный природный газ (СПГ). СПГ — это природный газ, который был охлажден до очень низких температур для хранения и транспортировки в сжиженном состоянии. При возврате к газообразному состоянию он может использоваться как топливо для ГПЭС. СПГ активно используется в регионах с ограниченным доступом к трубопроводному газу.
4. Другие газообразные топлива. К ним относятся, например, газы, полученные при переработке угля или нефти. Хотя они менее экологичны по сравнению с природным газом или биогазом, их использование может быть оправдано в определенных условиях, особенно если речь идет о регионах с ограниченными ресурсами природного газа.

Система утилизации тепла газопоршневых установок

При работе газопоршневых электростанций значительная часть энергии топлива превращается не только в электричество, но и в тепло. Это тепло, при отсутствии его утилизации, отводится в атмосферу системой охлаждения, что оставляет  общую эффективность станции на достаточно низком уровне (КПД ≤ 38%). Однако с помощью современных систем утилизации тепла можно добиться максимального использования этой энергии.

1. Котлы-утилизаторы. Это основной элемент системы утилизации тепла. Они обеспечивают передачу тепловой энергии отработанных газов воде (или иному подходящему теплоносителю), которая циркулирует в контуре теплообменника. В зависимости от температуры и давления этот теплоноситель может затем использоваться для различных целей.
2. Тепловые сети. Утилизированное тепло может направляться в тепловые сети для обогрева промышленных объектов, жилых зданий или других сооружений. Это позволяет значительно снизить расходы на отопление и горячее водоснабжение.
3. Производство горячей воды. В некоторых случаях утилизированное тепло используется для подогрева воды, которая может использоваться в промышленных процессах или для горячего водоснабжения.
4. Комбинированное производство электроэнергии и тепла (КПЭТ). Этот подход предполагает одновременное производство электричества и тепла на одной станции, что позволяет максимально эффективно использовать топливо.
5. Использование в холодильных системах. С помощью специальных абсорбционных холодильных машин тепло можно использовать для производства холода, что особенно актуально в жаркие периоды года.

Применение системы утилизации тепла значительно повышает общую эффективность газопоршневых электростанций, позволяя не только снижать затраты на топливо, но и добиваться экологических преимуществ благодаря уменьшению выбросов.

Эффективное использование тепла делает ГПЭС особенно привлекательными с точки зрения энергетической эффективности.

1. Как это работает? В процессе сгорания газа в газопоршневом двигателе генерируется тепло. Традиционно это тепло просто уходило в атмосферу, но современные системы утилизации тепла позволяют захватить и использовать его для других нужд.
2. Отопление. Одним из наиболее очевидных применений утилизированного тепла является отопление. Вместо использования дополнительного топлива для генерации тепла, ГПЭС может напрямую отапливать помещения, используя тепло, выделяющееся при работе двигателя.
3. Горячее водоснабжение. В дополнение к отоплению, утилизированное тепло может быть использовано для подогрева воды в системах горячего водоснабжения, что также способствует снижению затрат на топливо.
4. Когенерация. Термин «‎когенерация» относится к одновременной генерации электричества и тепла. Газопоршневые электростанции, использующие системы утилизации тепла, по сути, являются когенерационными установками.
5. Экономическая выгода. Эффективное использование тепла не только повышает общую производительность ГПЭС, но и приводит к снижению затрат на топливо, уменьшению выбросов и снижению экологического воздействия.
6. Технологическая интеграция. Для интеграции системы утилизации тепла требуются специализированные компоненты, такие как теплообменники и системы управления, чтобы обеспечивать надежную и эффективную передачу тепла.

Исполнение газопоршневых электростанций

При выборе исполнения ГПЭС учитываются конкретные потребности и особенности проекта, а также местные условия.

1. Стационарные обычно строятся на определенном месте с целью долгосрочной эксплуатации. Они могут быть частью больших энергетических комплексов или обслуживать отдельные промышленные объекты, города или даже регионы. Стационарные ГПЭС отличаются большими мощностями, высокой надежностью и долгим сроком службы. Для их строительства часто требуются крупномасштабные земельные работы, укладка коммуникаций и создание инфраструктуры.
2. Мобильные особенно ценны в условиях, когда требуется гибкость в обеспечении электроэнергией. Мобильные ГПЭС устанавливаются на специализированных платформах или прицепах, что обеспечивает возможность быстрого перевоза и установки на новом месте. Они часто используются при проведении мероприятий, на временных объектах строительства, в удаленных районах или при стихийных бедствиях, когда необходимо быстро восстановить электроснабжение.
3. Модульные - компромисс между мобильностью и стационарностью. Они состоят из нескольких стандартизированных модулей, которые можно комбинировать в зависимости от нужд. Это обеспечивает гибкость в выборе мощности и функционала станции. Каждый модуль может быть транспортирован отдельно и быстро собран на месте.

Преимущества блочно-модульного исполнения ГПЭС

Блочно-модульное исполнение газопоршневых электростанций (ГПЭС) особенно актуально для объектов с переменными потребностями в электроэнергии и для регионов с ограниченной инфраструктурой. Рассмотрим ключевые преимущества блочно-модульного исполнения ГПЭС:

1. Быстрая установка. Благодаря предварительной сборке и настройке на производстве, установка блочно-модульной ГПЭС на объекте занимает минимальное время. Это позволяет быстро запускать новые объекты и удовлетворять срочные потребности в электроэнергии.
2. Мобильность. Модульная конструкция позволяет легко транспортировать ГПЭС между различными объектами или местами. Это делает их идеальным решением для проектов с условно небольшим сроком “жизни”..
3. Масштабируемость. Блочно-модульные ГПЭС предоставляют возможность наращивания мощности путем добавления дополнительных модулей. Это обеспечивает гибкость в удовлетворении растущих потребностей без необходимости строительства новой станции.
4. Оптимизация занимаемой площади. Компактные размеры и эффективное пространственное размещение элементов обеспечивают минимальное занимаемое пространство, что особенно ценно в условиях ограниченных территорий.
5. Надежность. Блочно-модульное исполнение ГПЭС разработано с учетом требований к высокой надежности и долговечности. Предварительная настройка и испытания на производстве обеспечивают стабильную работу на объекте.
6. Экономия ресурсов. За счет готовых решений и уменьшения времени на монтажные работы экономятся как временные, так и материальные ресурсы.

Преимущества ГПУ

Газопоршневые установки (ГПУ) стали широко распространенными в современной энергетике благодаря ряду их значительных преимуществ. Однако, как и любое технологическое решение, ГПУ имеют свои недостатки.

Преимущества:

1. Сравнительно высокая эффективность. Способны преобразовывать большỳю долю энергии топлива в полезную электрическую энергию, что обеспечивает высокую экономическую выгоду.
2. Гибкость. Газопоршневые установки способны быстро реагировать на изменения нагрузки, что делает их идеальными для работы в сложных условиях с переменной потребностью в энергии. 
3. Экологичность. При правильной настройке и работе на качественном топливе ГПУ выделяют минимальное количество вредных выбросов.
4. Малые габариты. Занимают меньше места по сравнению с традиционными электростанциями, что позволяет оптимизировать занимаемое пространство.
5. Быстрый старт и остановка. Могут быстро запускаться и останавливаться, что обеспечивает дополнительную оперативность при изменении условий эксплуатации.
6. Надежность. Понятное обслуживание, диагностика и глубокая ремонтопригодность в течение всего жизненного цикла. Отсутствует дефицит кадров для обслуживания, возможна самостоятельная подготовка качественных специалистов.

Реализация проектов газопоршневых электростанций

Реализация проекта ГПЭС — это сложный и многогранный процесс, который начинается с идеи и заканчивается вводом электростанции в эксплуатацию. Рассмотрим каждый этап этого процесса в деталях.

Проектирование

Здесь учитывается множество факторов, начиная от экологических и заканчивая экономическими.

1. Определение местоположения. Выбор места для ГПЭС зависит от ряда критериев. К ним относятся близость к источникам топлива, расстояние до основных потребителей электроэнергии, а также экологические и социальные аспекты . Кроме того, учитываются климатические условия и инфраструктура региона.
2. Определение мощности. Мощность станции определяется на основе анализа потребностей региона в электроэнергии, прогнозируемого роста потребления, возможных пиковых нагрузок и режима работы объекта, в том числе с учетом других источников электроэнергии .
3. Выбор типа топлива. В зависимости от доступности и экономической целесообразности может быть выбран природный газ, попутный нефтяной, сжиженный, компримированный, биогаз или другие типы газообразного топлива.
4. Другие параметры. К таковым относятся системы охлаждения, утилизации тепла, а также безопасности и автоматизации работы станции.

В результате этапа проектирования формируется комплексная документация, отражающая все аспекты будущей станции, что позволяет перейти к следующим этапам реализации проекта.

Поставка оборудования

После тщательного планирования и утверждения проекта начинается этап поставки оборудования – фундаментальный момент, от которого зависит качество и эффективность работы ГПЭС.

1. Выбор поставщика. Осуществляется анализ рынка и выбираются надежные производители, предлагающие оборудование, соответствующее требованиям проекта.
2. Логистика. Организация транспортировки и доставки оборудования – сложный процесс, требующий четкой координации и контроля.
3. Приемка оборудования. После доставки проводится тщательная проверка оборудования на соответствие техническим характеристикам и отсутствие дефектов.
4. Хранение. При необходимости оборудование временно размещается на складах до начала этапа монтажа.

Производство

Производство является одним из самых критических этапов в жизненном цикле газопоршневой электростанции (ГПЭС). На данном этапе создаются основные компоненты станции, от качества которых напрямую зависит производительность, надежность и долговечность всего объекта.

1. Выбор материалов. Отбор материалов производится на основе их прочности, стойкости к коррозии, теплопроводности и других характеристик. Это обеспечивает надежность и долговечность компонентов.
2. Технологический процесс. Современные технологии позволяют достигать высокой точности изготовления, что обеспечивает максимальную эффективность работы ГПЭС.
3. Контроль качества. На каждом этапе производства проводится строгий контроль качества для обеспечения соответствия заявленным характеристикам и стандартам.
4. Тестирование. Готовые компоненты проходят испытания на прочность, эффективность и безопасность.

Строительно-монтажные работы

После завершения производственного этапа начинаются строительно-монтажные работы, которые включают в себя установку и интеграцию всех компонентов на объекте.

1. Подготовка площадки. Перед началом работ проводится очистка и подготовка территории, учитывая особенности местности и инфраструктуры.
2. Монтаж основного оборудования. Газопоршневые двигатели, генераторы и другие крупногабаритные компоненты устанавливаются на заранее подготовленные фундаменты.
3. Соединение систем. Проводятся работы по соединению систем электроснабжения, охлаждения, утилизации тепла и безопасности.
4. Пусконаладочные работы. После монтажа оборудования проводятся тестовые запуски, настройка систем и корректировка работы компонентов для достижения оптимальной производительности.

Пусконаладочные работы

Пусконаладочные работы представляют собой финальный этап перед вводом ГПЭС в эксплуатацию.

1. Тестирование систем. Проверяются все элементы на наличие дефектов, а также их совместимость и корректное функционирование.
2. Запуск оборудования. Первичное включение оборудования позволяет оценить его работоспособность и производительность.
3. Корректировка параметров. По результатам тестирования производится оптимизация настроек для достижения максимальной эффективности.

Диспетчеризация и мониторинг

Для эффективного управления и контроля за работой ГПЭС используются системы диспетчеризации и мониторинга.

1. Сбор данных. С помощью сенсоров и датчиков собирается информация о состоянии и работе оборудования.
2. Анализ и оптимизация. По полученным данным производится анализ работы станции, и при необходимости корректируются ее параметры.
3. Быстрое реагирование. В случае нештатных ситуаций система оповещает операторов для принятия мер.

Сервисное обслуживание

Сервисное обслуживание ГПЭС направлено на поддержание оборудования в рабочем состоянии и продление его срока службы.

1. Плановые проверки. Проводятся регулярные осмотры и диагностика оборудования.
2. Замена изношенных деталей. Во избежание поломок и сбоев своевременно меняются изношенные или поврежденные компоненты.
3. Корректировка настроек. С учетом эксплуатационного опыта проводится оптимизация работы станции.

Экономика

Экономика ГПЭС детерминируется рядом факторов, которые в совокупности определяют их конкурентоспособность на рынке электроэнергии.

1. Операционная эффективность. Благодаря высокому КПД и способности быстро реагировать на колебания в нагрузке, ГПЭС могут работать с высокой экономической эффективностью.
2. Гибкость топливного выбора. Возможность использования различных типов газообразного топлива, включая биогаз или СПГ, может снизить операционные затраты.
3. Снижение капитальных вложений. Блочно-модульное исполнение и мобильность установок позволяют экономить на инфраструктурных затратах.

Стоимость

Стоимость ГПЭС может варьироваться в зависимости от ряда параметров.

1. Срок проекта.
2. Объем необходимых инвестиций в оборудование, подготовку газа, площадку..
3. Возможности заказчика разделить с поставщиком услуги по выработке электроэнергии объем СМР.
4. Параллельная работа с другими источниками электроэнергии, например с Единой энергосистемой РФ.
5. Удаленность и автономия влияющая на стоимость транспортировки оборудования, персонала.
6. Техническое оснащение. Наличие дополнительных систем, таких как системы утилизации тепла, может увеличить стоимость ГПЭС.
7. Производитель. Цена также может зависеть от выбранного производителя и страны происхождения оборудования.

Безопасность и экологичность

Безопасность и экологическая чистота ГПЭС — ключевые моменты их эксплуатации.

1. Безопасность эксплуатации. ГПЭС разрабатываются с учетом стандартов безопасности, чтобы минимизировать риски для персонала и окружающей среды.
2. Низкие выбросы. Благодаря высокому КПД и оптимизированному процессу сгорания, ГПЭС характеризуются сниженным уровнем вредных выбросов в атмосферу.
3. Утилизация тепла. Использование выделяющегося тепла для отопления или получения горячей воды дополнительно снижает экологический отпечаток ГПЭС и улучшает их энергетическую эффективность.

Кому стоит доверить энергоснабжение от ГПЭС?

Компания Аггреко Евразия — лидер в области предоставления временных энергетических решений. Следующие примеры проектов иллюстрируют наш опыт и профессионализм:

Полностью автономное энергоснабжение месторождения

• Ситуация. В 2016 году «РН-Ванкор» столкнулась с проблемой дефицита мощности при готовящемся запуске Сузунского месторождения.
• Решение Аггреко. Был создан временный энергоцентр на основе ПНГ, что позволило предприятию эффективно использовать ресурсы и обеспечить нужды в энергоснабжении.

Энергоснабжение заказчика с собственной внутренней энергосетью

• Ситуация. Нефтедобывающее предприятие в Западной Сибири испытывало дефицит мощности.
• Решение Аггреко. Инженеры компании проектировали и строили электростанцию на базе ГПУ, а также подстанцию для выдачи мощности, что позволило снизить затраты заказчика и улучшить эффективность использования ПНГ.

Энергоснабжение Первоуральского новотрубного и Челябинского трубопрокатного заводов

• Ситуация. Оба завода зависели от закупок электроэнергии у сторонних поставщиков.
• Решение Аггреко . Предложили проекты электростанций для собственных нужд, работающих на природном газе. Это позволило предприятиям обеспечить себя качественной электроэнергией и теплом, снизив при этом экологический отпечаток.

Энергоснабжение нефтяного месторождения в ХМАО

• Ситуация. Нефтяные компании искали пути оптимизации затрат, учитывая, что энергия составляет значительную часть их расходов.
• Решение Аггреко. Был создан энергокомплекс, работающий на скидке от сетевого тарифа, обеспечивающий дешевую и надежную электроэнергию, а также решающий проблему утилизации АПГ.

Учитывая вышеуказанные проекты, можно с уверенностью сказать, что Аггреко обладает обширным опытом и компетенциями для реализации сложных энергетических решений в различных условиях.