Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого

Двигатели внутреннего сгорания

Широкое распространение при строительстве мини-ТЭЦ получили агрегаты на основе поршневых двигателей внутреннего сгорания.

В РФ на востоке страны и на северных территориях использовались около 47 тыс. электростанций на основе дизель-генераторных установок, работающих как в основном режиме, так и в качестве резервных агрегатов. Дизельный двигатель работает по циклу Дизеля (адиабатное расширение и сжатие, изобарный подвод и отвод теплоты). Процесс подвода теплоты происходит при самопроизвольном воспламенении топливо-воздушной смеси в процессе ее сжатия. Топливо – дизельное разных марок: арктическое, зимнее, летнее (отличие в вязкости при низких температурах).

Выработанная дизель-генератором электроэнергия весьма дорогая, но в тех регионах, где нет централизованного электроснабжения и местных видов топлива, других вариантов пока нет. Можно улучшить эти показатели за счет производства тепловой энергии, но в большинстве случаев тепловая нагрузка либо отсутствует, либо незначительная.

В последние 20 лет чрезвычайно широкое применение получили газопоршневые агрегаты (ГПА) с утилизацией тепловой энергии. Двигатели ГПА являются двигателями внутреннего сгорания, работающими, как правило, по циклу Отто (адиабатное расширение и сжатие, изобарный отвод тепла, изохорный подвод тепла). Зажигание топливовоздушной смеси производится с помощью искры электрической свечи.

У ГПА имеется множество плюсов.

  1. Высокий к.п.д. простого цикла – от 30 до 48,6%.
  2. При утилизации тепловой энергии разных систем агрегата коэффициент использования топлива находится на уровне 80-90%.
  3. Эти агрегаты имеют высокий ресурс до капремонта порядка 40000-80000 часов, общий моторесурс достигает 300000 часов. Особенно высокий ресурс у малооборотных двигателей со скоростью вращения 500 и 750 об/мин.
  4. Единичная мощность агрегатов от 20 кВт до 18,3 МВт, хотя большинство производителей выпускает агрегаты в сотни кВт и до 2 МВт.
  5. Агрегаты небольшой мощности могут размещаться в контейнерах (блочных укрытиях с необходимыми инженерными системами), имеющих габариты, которые позволяют осуществлять их перевозки автомобильным и железнодорожным транспортом в собранном виде.
  6. При изменении температуры наружного воздуха к.п.д. простого цикла меняется менее сильно, чем для ГТУ.
  7. ГПА могут работать на разных газах: пропан-бутановых смесях; природном газе (сжиженный, сжатый, магистральный); попутном газе нефтяных скважин; промышленном газе (пиролизный, коксовый), шахтном метане, биогазе и т.д.
  8. Для работы ГПА достаточно давления газа на входе 0,3 МПа, то есть, обычно отсутствует необходимость в дожимной компрессорной станции.

В то же время у ГПА есть и минусы.

  1. Значительное количество разных систем утилизации тепловой энергии с разными температурами теплоносителя: отвод теплоты от рубашки двигателя, от системы маслоснабжения, от системы турбонаддува (он применяется для агрегатов значительной мощности), от уходящих газов усложняет компоновку станции и ее эксплуатацию.
  2. При временном отсутствии или снижении мощности теплового потребителя первых трех систем необходимо предусматривать отвод теплоты с помощью отдельных теплообменных аппаратов, выполняющих роль аварийных охладителей. В результате имеется большой парк различного теплообменного оборудования, появляется необходимость применения незамерзающего теплоносителя (антифриза) с введением промежуточных контуров охлаждения.
  3. В связи с отсутствием выбора отечественной техники, применяются ГПА зарубежного производства, для их работы используется дорогостоящее масло. Особенность работы ДВС состоит в том, что большое количество масла выгорает, требуется его пополнение.
  4. В итоге, значительные затраты при работе ГПА имеют место на масло, замену свечей зажигания, колец поршней, масляных и воздушных фильтров, антифриза, на сервис при заключении сервисного договора.
  5. Довольно значительное содержание NOx и CO в выхлопных газах, в связи с этим нужно делать высокие дымовые трубы, либо вообще отказываться от этих технологий, если фоновые концентрации уже превышают предельно допустимые значения вредных веществ в атмосферном воздухе.
  6. Один из самых главных недостатков ГПА – это требование большинства производителей по длительной работе на мощности не менее 50% номинальной мощности агрегата. Это означает, что при переменном графике работы предприятия по потребляемой электрической мощности необходимо устанавливать агрегаты либо для базовой части нагрузки, либо нужно ставить часть агрегатов малой мощности, что приводит к удорожанию мини-ТЭЦ и к созданию системы управления работой нескольких агрегатов.
  7. При автономной работе агрегата имеются жесткие ограничения по динамике набора и сброса нагрузки.

На рисунках приведены типичные тепловые схемы ГПА (вариант 1 и вариант 2), ДГ.

Схема ГПА, вариант 1.Схема ГПА, вариант 2.Схема ДГ

На чертежах приведены установки контейнерной компоновки ГПА простого цикла и с утилизацией тепла ОАО «Волжский дизель им. Маминых» Охладители находятся на крыше здания.

Контейнерная компоновка применяется, в основном, в северных и восточных районах при строительстве станции вдали от жилой застройки.

В городах обычно ГПА размещаются в машзалах. Нередко энергоисточник на базе ГПА содержит в своем составе пиковые котлы, которые обеспечивают недостающую тепловую мощность для отпуска тепловой нагрузки энергоисточника завода или муниципального предприятия. Иногда ГПА интегрируют в тепловую схему существующей котельной. Тепловая энергия утилизации ГПА используется для подогрева обратной сетевой воды или приготовления нагрузки ГВС, редко – для выработки технологического пара или сушки каких-либо материалов.

Пример такого размещения ГПА и вспомогательного оборудования показан на чертежах фирмы Wartsila.

Типовая компоновка здания электростанцииплан, разрез.

Каталог продукции 2012 г.

Брошюра Wartsila Gas Power plants.

Так как ГПА и ГТУ являются конкурентами в борьбе за заказчика, то между ними ведется устойчивая и длительная борьба с подробным описанием взаимных недостатков и обвинениями в сокрытии реального положения дел противоположной стороной. Пример такого соперничества. Совершенно очевидно, что можно использовать и ту и другую технику, но при проектировании необходимо отчетливо представлять плюсы и минусы и условия ее применения на проектируемом объекте. Владельцы станций могут в подробностях рассказать о плюсах и минусах, но большинство из них вряд ли сожалеет о том, что выбрали конкретный вид оборудования.

Производители ГПА

Отечественные заводы

ОАО «РУМО» (Русские моторы, г. Нижний Новгород).

Технические характеристики выпускаемых агрегатов приведены в таблице.
Параметры Марка электроагрегата
Электроагрегат: 6ДГ22Г2 8ДГ22Г2 6ДГ22Г1 8ДГ22Г1
Мощность, кВт 630 800 800 1000
Частота вращения, об/мин 750 1000
Род тока Переменный трехфазный
Частота тока, Гц 50
Напряжение, В 400 или 6300  400, 6300 или 10500
Сухая масса, т 21,0 25,0 21,0 25,0
Двигатель:
Тип двигателя
6Г22Г2  8Г22Г2 6Г22Г1 8Г22Г1 
Четырёхтактный, рядный, вертикальный, тронковый, нереверсивный газовый двигатель с форкамерно-факельным электронным зажиганием, газотурбинным наддувом и охлаждением наддувочного воздуха
Номинальная мощность, кВт 663 842 842 1052
Максимальная мощность, кВт 693 872 872 1157
Число цилиндров 6 8 6 8
Диаметр цилиндра, мм 220 220 220 220
Ход поршня, мм 280 280 280 280
Частота вращения, об/мин 750 750 1000 1000
Средняя скорость поршня, м/сек 7,0 7,0 9,3 9,3
Степень сжатия 10,5 10,5 10,5 10,5
Топливо Природный газ ГОСТ5542-87 с теплотворной способностью 7500…8600ккал/нм3
Номинальное давление топливного газа, не менее, МПа (кгс/см2) 0,3 (3,0) 0,3 (3,0) 0,3 (3,0) 0,3 (3,0)
Часовой расход топлива на номинальной нагрузке, нм3/час** 173 220 220 274
*Удельный расход масла на угар, г/кВтч 0,9 0,9 0,9 0,9
Сухая масса, т 14,0 17,5 14,0 17,5
Ресурс до кап. ремонта, тыс. час 70 70 60 60

Каталог ОАО «РУМО» 2009 г.

ООО “Конвер” (г. Коломна) – 7ГМГ – мощностью 800 кВт (минимум при длительной работе 120 кВт), 8ГМГ – мощностью 1180 кВт (минимум при длительной работе 300 кВт). Ресурс – до капремонта 80000 часов.

Технические характеристики газовых мотор-генераторов ООО «Конвер».

Справка по находящимся в работе дизель-генераторам ООО «Конвер».

Отсюда видно, что в качестве топлива используются нефть, дизтопливо, смесь жидкого топлива с попутным нефтяным газом, либо с природным газом, природный газ.

Барнаултрансмаш

Агрегаты единичной мощностью 100 кВт, 200 кВт, 250 кВт к.п.д. на уровне 30%, коэффициент использования топлива – на уровне 60 %, ресурс до капремонта 20000 часов, полный ресурс 40000-60000  часов.

Газопоршневая электростанция Барнаултрансмаш МТП-100/150.

Газопоршневая электростанция Барнаултрансмаш МТП-315/400.

«АЛТАЙ-ДИЗЕЛЬЭНЕРГО» – производитель газовых электростанций и когенерационных установок (тепло, излучаемое двигателем утилизируется — общий КПД более 80%) из Алтайского края.

ГЭУ-100, ГЭУ-200 аналоги агрегатов Барнаултрансмаша.

БЭМЗ (ЗАО «Баранчинский электромеханический завод)» – производитель газовых электростанций и когенерационных установок (тепло, излучаемое двигателем утилизируется — общий КПД более 80%) из Свердловской области.

В 2003 году Баранчинский электромеханический завод приступил к производству мини–теплоэлектростанций (МТЭС), которые относятся к классу когенерационных установок.

МТЭС-100/150; 100 кВт(э), 150 кВт(т).

ВДМ (ОАО «Волжский дизель им. Маминых») – производитель газовых электростанций и когенерационных установок (тепло, излучаемое двигателем утилизируется — общий КПД более 80%) из Саратовской области.

Выпускают собственные агрегаты мощностью 500, 600 кВт и агрегаты на базе немецких MTU и Detroit Diesel 1000 и 1500 кВт, американских ГПА Waukesha — четыре типоразмерных ряда от 65 кВт до 3250 кВт. длительный срок эксплуатации (гарантированный ресурс до 1-ой переборки — 40 000 часов, до капремонта – не менее 180000 часов, полный — 300 000 часов);

ВЗКО (ЗАО «Верхнепышминский завод компрессорного оборудования») – производитель газовых электростанций и когенерационных установок (тепло, излучаемое двигателем утилизируется — общий КПД более 80%) из Свердловской области. 100 кВт(э), 150 кВт(т).

ЗАО ФПК «Рыбинсккомплекс» – производитель газовых электростанций.

Используются как основной и резервный источник электроснабжения. Устанавливаются в закрытых помещениях, или быстровозводимых зданиях на бетонный фундамент. В качестве двигателя применяется газовые двигатели, в том числе производства Ярославского моторного завода с форкамерно-факельным искровым зажиганием.

Газопоршневые электростанции работают на природном газе, а также на попутном газе с минимальным содержанием метана 70%, наибольшая массовая доля содержания сероводорода до 0,2%.

Мощностной ряд АГП-30….АГП-350 от 30 кВт(э) до 350 кВт(э).

ОАО “Сатурн-Газовые турбины” – выполняет пэкиджи на базе Енбахер, МТУ, Катерпиллар блочные установки от 0,5 до 4,3 МВт.

Двигатели MTU:

mtu-tablica-ru

Двигатели MWM:

mwm-tablica-ru

Двигатели Caterpillar:

caterpillar-tablica-ru

Когенерационная генераторная установка с газовым двигателем G3520C.

ООО АРЗ «Синтур-НТ» – производитель газовых электростанций и когенерационных установок (тепло, излучаемое двигателем утилизируется — общий КПД более 80%) из Свердловской области.

Газопоршневые электростанции ООО АРЗ «Синтур-НТ» выпускаются в трех модификациях:

Мощность от 75 до 300 кВт(э).

Практические рекомендации ООО АРЗ «Синтур-НТ».

УДМЗ (ООО «Уральский дизель-моторный завод») – производитель газовых электростанций и когенерационных установок (тепло, излучаемое двигателем утилизируется — общий КПД более 80%) из Свердловской области.

Агрегаты мощностью от 100 до 200 кВт.

Зарубежные производители

Гораздо более широкая номенклатура ГПА с более высокими характеристиками производится  зарубежными фирмами.

На нашем рынке известна следующая продукция.

  1. Газопоршневые электростанции Buderus (50-238 кВт)
  2. Газопоршневые электростанции Caterpillar (64-3860 кВт)
  3. Газопоршневые электростанции Cummins (16-2000 кВт)
  4. Газопоршневые электростанции EC Power (4-15,2 кВт)
  5. Газопоршневые электростанции Elteco (3,8-3916 кВт)
  6. Газопоршневые электростанции FG Wilson (10-1000 кВт)
  7. Газопоршневые электростанции GE Jenbacher (312-4034 кВт)
  8. Газопоршневые электростанции Generac Power Systems (44,8-160 кВт)
  9. Газопоршневые электростанции Guascor (142,8-1204 кВт)
  10. Газопоршневые электростанции Kawasaki (5200-7800 кВт)
  11. Газопоршневые электростанции Kohler Power Systems (6,3-668 кВт)
  12. Газопоршневые электростанции KORNUM (118-3200 кВт)
  13. Газопоршневые электростанции MaK (6520 кВт)
  14. Газопоршневые электростанции MAN (47-8100 кВт)
  15. Газопоршневые электростанции Mitsubishi (3800-5750 кВт)
  16. Газопоршневые электростанции Motorgas (36-3200 кВт)
  17. Газопоршневые электростанции MTU (116-1948 кВт)
  18. Газопоршневые электростанции MWM (Deutz Power Systems) (400-4300 кВт)
  19. Газопоршневые электростанции Perkins (307-1008 кВт)
  20. Газопоршневые электростанции Rolls-Royce (2425-8500 кВт)
  21. Газопоршневые электростанции Tedom (23-5900 кВт)
  22. Газопоршневые электростанции Viessmann (18-402 кВт)
  23. Газопоршневые электростанции Wartsila (4040-8730 кВт)
  24. Газопоршневые электростанции Waukesha (75-3250 кВт)
  25. Газопоршневые электростанции Yanmar (5-25 кВт)

У отечественных ГПА расход масла на угар порядка 1 г на выработанный кВт∙ч, у западных – около 0.3 г/(кВт∙ч). Ресурс агрегатов российских производителей существенно меньше.

Применяются также двухтопливные двигатели – газодизельные. Порядка 20% по калорийности используется дизельное топливо в качестве запального, иногда сырая нефть, остальные 80% — топливный газ.

Двухтопливные электростанции (импорт)

  1. Двухтопливные электростанции Niigata Power Systems (825-5255 кВт)
  2. Двухтопливные электростанции Wartsila (6080-16621 кВт)

Двухтопливные электростанции (Россия)

  1. Двухтопливные электростанции ВДМ (520 кВт)
  2. Двухтопливные электростанции ОАО «Коломенский завод» (1000-1650 кВт)
  3. Двухтопливные электростанции РУМО (800-1000 кВт)
  4. Двухтопливные электростанции Синтур-НТ (75-140 кВт)

В комплект поставки может быть включено вспомогательное оборудование, обеспечивающее работу силового агрегата, в том числе отдельные модули воздушного охлаждения или утилизации тепла, установки подготовки нефти, отдельные модули управления, бытовые модули и др. Для обеспечения выработки тепловой энергии силовые агрегаты могут комплектоваться котлами-утилизаторами тепла отработавших газов, а также оборудованием утилизации тепла теплоносителей первичного двигателя. В результате общий КПД использования топлива может составлять 80-85%.