 |
Возможности и преимущества газопоршневых установок в когенерационных автономных электростанцияхОдной 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 
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.
На мировом рынке представлено достаточно большое количество крупных компаний, занимающихся производством газопоршневых установок. Наиболее крупными фирмами, выпускающими ГПУ средней мощности в диапазоне 1-4 МВт на базе газопоршневых двигателей (ГПД) собственного производства, включая ГПД, выпускаемые на основе лицензий, являются: Caterpillar (США), Cummins (США), Deutz – MWM (Германия), GE Jenbacher AG (Австрия), MTU Friedrichshafen (Германия), Mitsubishi (Япония), Rolls-Royce (Великобритания), Pielstick S.E.M.T. (Франция) и Waukesha Engine Division (США) (табл. 1). Остальные компании выпускают ГПУ в диапазонах малой мощности (менее 1 МВт) и большой мощности (более 4 МВт) или комплектуют газопоршневые установки ГПД от других производителей. На российском рынке энергетики в сегменте от 1 до 4 МВт в основном представлены следующие фирмы-производители: Caterpillar, Cummins, GE Jenbacher AG и Waukesha Engine Dresser. Основные технические и конструктивные характеристики ГПУ этих производителей приведены в табл.2. ГПУ других производителей в данной работе не рассматривались по причине их недостаточно широкого распространения в России. В зависимости от вида топлива газопоршневых электростанций (ГПЭС), графиков и характера электрических нагрузок потребителей электроэнергии в работе рассматриваются четыре основные категории:1 категория — ГПЭС на традиционном «легком» природном газе (Qнр=31,8 МДж/м3, r=0,7 кг/нм3), обеспечивающие электроэнергией потребителей коммунально-бытового сектора; 2 категория — ГПЭС на традиционном «легком» природном газе (Qнр=31,8 МДж/м3, r=0,7 кг/нм3), обеспечивающие электроэнергией потребителей городского промышленного сектора; 3 категория — ГПЭС на особом «тяжелом» нефтяном попутном газе (НПГ, Qнр=59,25 МДж/м3, r=1,22 кг/нм3), обеспечивающие электроэнергией потребителей нефтяных компаний; Рис. 1. Основные критерии сравнения ГПУ  4 категория — ГПЭС на особом «тяжелом» шахтном газе (Qнр=16,41 МДж/м3, r=1,11 кг/нм3), 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
Эксплуатационные показатели
Рис. 2. Результаты ранжирования ГПУ  Экономические критерии
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  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  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  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  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  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./нм3, 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:
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)
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Навигация
Статистика сайта |
