Газопоршневая электростанция  – оборудование для автономного производства электрической и тепловой энергии из внутренней энергии газового топлива. ГПУ может служить  основным или дополнительным источником энергообеспечения на предприятиях различных отраслей.

Сфера применения: нефтегазовая и угольная промышленность, металлургия, ЖКХ, медицина и транспорт (в качестве резервных источников энергообеспечения), а также котельные и насосные станции, офисные и торговые центы.

Схема работы газопоршневой установки

Принцип работы газопоршневой электростанции

Газовое топливо поступает на газопоршневой двигатель. Во время горения вырабатывается механическая энергия, которая передается через единый вал на генератор. Так она преобразуется в электрическую энергию стандартных параметров качества. Полученная электроэнергия по кабельным линиям передается на генераторное распределительное устройство.  Помимо этого, в процессе функционирования ГПУ высвобождается много тепла, которое снимается теплообменниками и котлами-утилизаторами. Вырабатываемая тепловая энергия подается в тепловую сеть предприятия.

Режимы работы газовой установки

Исходя из возможностей и требований заказчика, электростанции могут работать независимо или вместе с  внешней энергосистемой.

Топливо: природный газ и не только

В России популярным топливом для ГПЭС является природный газ. Он легкодоступен и эффективен, в своей основе имеет CH4 – простейший углеводород.
Альтернативные виды топлива для газовых установок:
• биогаз – результат анаэробного брожения органических веществ;
• свалочный газ мусорных полигонов;
• попутный нефтяной газ, полученный в результате переработки нефти на НПЗ;
• коксовый газ, образуется при нагревании каменного угля без воздуха до 1000 °С;
• сжиженный газ – природный газ, сжиженный при охлаждении до минус 160 °C;
• рудничный газ – бесцветный газ из каменноугольных или металлических рудников.

Способы установки оборудования

Выделяют два вида исполнения газопоршневых установок на предприятии.
1) Стационарное исполнение — ГПУ и сопутствующее оборудование размещается в капитальном здании.
2) Блочно-модульное исполнение – оборудование ГПЭС со всеми вспомогающими системами монтируется в компактном строении блочного типа с модульным расположением функциональных блоков. Данный вариант сокращает финансовые и временные затраты для запуска электростанции. Делает оборудование более мобильным.

Пример ГПУ блочно-модульного типа компании ЦЭСР

Строение газопоршневой установки

Базовыми комплектующими ГПУ являются:  двигатель и электрогенератор, соединённые через муфту и закрепленные на стальной раме. Однако для полноценной работы газопоршневой электростанции необходим ряд функциональных систем

1) Газовый двигатель и комплектующие

Газопоршневой двигатель – двигатель внутреннего сгорания, использующий в качестве топлива природный газ. Позволяет вырабатывать тепловую энергию. КПД двигателя при полной нагрузке может достигать 93,7%. Компания ЦЭСР проектирует ГПЭС  на базе оборудования компании МАN.

Комплектующие двигателя:
• система смазки циркуляционного типа: маслобак с арматурой и маслофильтр;
• система охлаждения: центробежный насос с электроприводом и мембранный расширительный бак;
• пусковое устройство: стартер с пучковым реле и аккумуляторные батареи;
• система подачи газа: газовый предохранительный фильтр, термозапорный клапан, отключающие шаровые краны, электромагнитный клапан, регуляторы давления газа, газовый счетчик с корректором расхода, сильфонный компенсатор, трубопроводы;
• система зажигания: катушки зажигания, электронный распределитель, датчик числа оборотов, кабели, свечи зажигания и штекеры.

2) Генератор

Трехфазный синхронный бесщеточный генератор – устройство, преобразующее тепловую и механическую энергию в электрическую. Через муфту вращающийся момент двигателя передается ротору генератора.  При его вращении в статоре осуществляется выработка электроэнергии, которая и используется предприятиями.

3) Стальная рама

Опорная рама с амортизаторами – жесткая конструктивная деталь, несущая нагрузку от  двигателя, генератора, насоса системы охлаждения, расширительного бака ОЖ, теплообменника и остальных деталей.

4) Система утилизации тепла

Существуют разные варианты комплектации. Наиболее распространена система из двух теплообменников (типа жидкость-жидкость и газ-жидкость), калорифера для отвода тепла от системы охлаждения двигателя, соединительной арматуры, трубопровода, датчиков и прочих деталей.

5) Система выхлопа и очистки выхлопных газов

Данный отдел ГПУ состоит из стальных шумоглушителей и СО-катализаторов, закрепленных на линии выхлопных газов после двигателя.  В ряде случаев предусмотрен монтаж дымовой трубы.

6) Вентиляция и охлаждение

Главная цель системы – поддержание стабильной температуры воздуха  в контейнерной электростанции для функционирования двигателя и обеспечение заданной кратности воздухообмена. Включает: вентилятор двигателя, воздуховоды и вытяжные вентиляторы.

7) Распределительное устройство и силовой пульт управления

Пульт управления,  расположенный в контейнере, соединен по локальной сети с контроллерами электростанций. Информация о состоянии сети поступает на него с приборов, установленных в распределительном устройстве, по последовательному интерфейсу. Пульт управления  – многофункциональное устройство обеспечивающее:
• автоматический заряд аккумуляторных батарей;
• питание датчиков и исполнительных устройств, установленных на двигателе;
• автоматическую синхронизацию и устойчивую параллельную работу электростанции с другими агрегатами или электрической сетью;
• автоматическую автономную работу на изменяющуюся нагрузку;
• автоматический пуск и остановку электростанции;
• аварийную автоматическую сигнализацию и защиту двигателя и генератора.

Распределительное устройство состоит из коммутационных аппаратов и устройства релейной защиты.

8) Система питания собственных нужд установки для выработки электроэнергии

Система питания состоит из электрического шкафа настенного типа, контейнера, кабелей,  кабельных лотков и конструкций, выводов из электрощитов, маркировки проводов.

9) Освещение

Система состоит из двух частей: основное освещение от внешних сетей и аварийное от аккумуляторных батарей. Для освещения применяются светильники дневного света, лампы мощностью 40 ВТ, выключатели, розетки для портативного освещения и сервисных работ.

10) Охранная и пожарная сигнализация

Оборудование, обеспечивающее безопасность на когенерационной газопоршневой установке: прибор приемно-контрольный пожарный, датчики температуры и задымления, а также датчики вскрытия дверей, световая и звуковая сигнализация.

11) Система пожаротушения

Включает автоматическую систему пожаротушения порошкового типа и два ручных огнетушителя углекислотных с креплением на внутренней стенке контейнера.

12) Система заземления

Защитное заземление выполнено по требованиям ПУЭ. Двери и поворотные панели внутри отсеков ГПУ подключены к шине заземления с помощью многожильного медного кабеля сечением от 4 мм².

Основные характеристики газопоршневых электростанций

В России широкий ассортимент газопоршневых установок представляет  группа компаний ЦЭСР. В зависимости от энергетических потребностей предприятия можно выбрать газопоршневую установку  мощностью от 200 кВт/ч до 1000 кВт/ч. Заказчик газопоршневого оборудования должен знать, что большинство моделей ГПУ способны работать в когенерационном режиме, производя   электрическую и тепловую энергии.
На выходе из силовых агрегатов температура выхлопных газов поднимается до 390-400ºС. Соотношение между произведёнными электричеством и теплом равно примерно 1:1. Так из 2 МВт установленной электрической мощности получается 2 МВт тепловой энергии.

• Средний коэффициент насыщенного пара у ГПЭС ≈ 0,65.
• Средний уровень расхода моторного масла ≈ 0,5 кг/ч на 1 МВт производимой мощности ГПЭС.
• Расходы на моторное масло минимальны ≈ 7 копеек на 1 кВт.
• Срок строительства газовой станции от полугода.
• Полный ресурс МИНИ-ТЭС от 20 до 25 лет.
• Ресурс до ремонта ≈ 80 тыс. часов.

Плюсы и минусы газовых энергетических установок

Экономическая выгода предприятия

Цены на энергоресурсы регулярно растут, а на природный газ нет! Дешевое топливо – главная причина строительства предпринимателями ГПУ на производстве. Инвестировав один раз в газопоршневую электростанцию,  следующие 25 лет можно экономить на электрической энергии и получать тепловую энергию бесплатно. Срок окупаемости оборудования от 3 до 5 лет.

В 2020 году стоимость 1 кВт электроэнергии от сетей превышает 5 рублей. Выработанная энергия на газопоршневой электростанции обойдется в 2 рубля.

Сократив расходы на энергообеспечение, предприятие может снизить цены на производимые товары и занять  конкурентоспособное место на рынке. Это особенно актуально в связи с нестабильной финансовой ситуацией и падением потребительского спроса в 2020 году.

Собственная ГПЭС увеличивает капитализацию предприятия и делает его привлекательнее для инвесторов. Также больше не придется тратиться на транспортировку электроэнергии, ведь она будут производиться уже на месте.