Своя энергия ближе к делу

Три в одной
Принцип работы ГПЭС достаточно прост. В основе электростанции – газовый (газопоршневый) или газодизельный двигатель с внешним смесеобразованием. Энергия сгорания передается через поршневую группу на вал синхронного электрогенератора. Современные двигатели используют компьютерные системы контроля газовоздушной смеси, которые позволяют регулировать ее состав для варьирования выходной электрической и тепловой мощности.
Стандартное потребление природного газа лучшими двигателями - около 3 м³ на 10 кВт•ч электроэнергии. Также требуется долив моторного масла и, в случае необходимости, дизельного топлива (если оно используется в качестве запального).
При использовании тепла сгоревших газов (их температура достигает 400°С) они подаются на водогрейный котел-утилизатор отопительного контура - таким образом реализует когенерационный цикл выработки энергии.
«Также в случае неравномерности нагрузки у потребителя, а это бывает в большинстве случаев, устанавливаются пиковые котлы, которые в том числе могут быть двухтопливными и обеспечивать резервирование энергоисточника по топливу, - полагает Григорий Кузьмич, директор инженерно-консалтинговой компании «ЭНЭКА» (Минск). - Мини-ТЭЦ комплектуется также вспомогательным оборудованием: системой химводоподготовки, деаэратором, насосным оборудованием. Очень важные части, которые должны быть детально проработаны в проекте – это электрическая часть  и решения по вентиляции машинного зала».
«Мини-ТЭЦ, работающие в тригенерационном цикле, наряду с электричеством и теплом вырабатывают еще и холод, - говорит Мария Прокофьева, начальник отдела маркетинга ЗАО «НГ-Энерго». - Такие установки широко используются, например, при строительстве торгово-развлекательных комплексов, логистических центров, крупных супермаркетов. Еще одно из новшеств – это когда наряду с электричеством и теплом используются еще и выхлопные газы (CO2). Такие установки широко применяются за рубежом, в тепличных хозяйствах, где углекислота необходима для выращивания растений. У нас же в стране строительство подобных электростанций только набирает силу».



Газопоршневые агрегаты ведущих производителей: интервал электрической мощности (кВт)

«В настоящий момент улучшение КПД ГПЭС и их эксплуатационных характеристик происходит в основном за счет использования новых материалов, оптимизации системы охлаждения, топливной системы, включения в конструкцию электронных компонентов с обратной связью, - считает исполнительный директор компании «Энерготех» Кирилл Крючков. - Проблемы увеличения КПД, снижения уровня выбросов и удельной стоимости газопоршневых электростанций в развитых странах имеют статус национальных программ, в которых участвуют не только производители оборудования, научные и исследовательские центры, но и государственные институты. Так, финансирование американской программы ARES, направленной на разработку эффективных газопоршневых генераторных установок, ведет Департамент энергетики США. В проекте задействованы крупнейшие производители энергетического оборудования (Waukesha, Caterpillar и Cummins), Технологический университет Массачусетса, Государственный университет Колорадо, ряд коммерческих компаний. Финансирование проекта ведет Департамент энергетики США. Главной задачей программы стоит создание агрегата с  КПД 50% в простом цикле и более 90% - в когенерационном. Уровень эмиссии NOX не должен превышать 0,134 г/кВт•ч».
Чтобы мини-ТЭЦ заработала на предприятии, достаточно подвести магистральный или сжиженный газ (через редуктор) к двигателю, подключить трубопровод отопительной системы ко вторичному контуру станции (при этом также исключается независимый контур охлаждения двигателя), обеспечить вывод электрической мощности через соединительную шину силового распределителя, организовать вывод выхлопных газов, подключить вентиляцию, настроить пусковой механизм двигателя и газораспределительный пункт. Контейнерное исполнение мини-ТЭЦ еще более упрощает этот процесс.
В итоге газопоршневая мини-ТЭЦ тригенерационного цикла – это собственное автономное электропитание мощностью 150 кВт – 8,5 МВт, трехфазным переменным током напряжением 0,4; 6,3 или 10,5 кВ и частотой 50 Гц, с электрическим КПД до 43% по цене значительно меньшей, чем на Федеральном оптовом рынке электроэнергии и мощности (ФОРЭМ), плюс отопление/охлаждение производственных и офисных помещений.



 1. Регулировка клапанного механизма контейнерной мини-ТЭЦ на базе двигатель-генератора Волжского завода им. Маминых (в состав механизма входят основные и газовые клапаны). Выставляются тепловые зазоры по механизму привода клапанов, чтобы их не заклинило при нагреве, а также не возникло стуков при охлаждении, что приводит к преждевременному износу агрегата. 2. Настройка пускового устройства (это элемент газового оборудования, состоящий из электрической и пневматической частей). Настройка заключается в ревизии оборудования после простоя, очистке и опрессовке, проверке на срабатывание и согласование обеих составляющих пускового устройства. 3. Настройка газо-распределительного пункта (ГРП). Выставляется рабочее давление газа, затем ГРП продувается и проверяется на срабатывание. 4. Запуск в эксплуатацию (фото ЗАО «Волгодизельмаш-Урал»)

Мария Прокофьева полагает, что «преимущества мини-ТЭЦ - низкая стоимость вырабатываемой тепловой и электроэнергии (общий КПД достигает 95-98% за счет комбинированной выработки), короткие сроки строительства и быстрая окупаемость».
Но есть и контраргументы. Объективный – отсутствие подвода газового топлива с минимально необходимым содержанием метана или сложность доставки сжиженного газа. Субъективный – стоимость начальных инвестиций в 1,5 раза выше, чем в установку дизельной электростанции, хотя срок окупаемости ГПЭС в 2-3 раза меньше вследствие низкой стоимости газа.
«Для оценки целесообразности перехода на электро- и теплоснабжение посредством собственной ГПЭС желательно разработать полноценное технико-экономическое обоснование, - считает Григорий Кузьмич. - В первую очередь рассмотреть характер нагрузок в разрезе суток, недели и года. Затем необходимо оценить затраты на создание всей инфраструктуры: газовые сети, электрическое хозяйство (выдача мощности), включая релейную защиту, и т.д. После чего можно рассчитать себестоимость производства собственных тепло- и электроэнергии и оценить целесообразность строительства энергоисточника.
Могут быть реализованы различные способы утилизации тепла продуктов горения в зависимости от потребности. Среди основных способов можно отметить: выработка горячей воды, пара, холода (до +5˚С), использование уходящих газов для осушки чего-либо, производство дополнительной электроэнергии - например, с помощью бутанового контура».

Утилизируй это
Проблема утилизации попутного нефтяного газа (ПНГ), в связи с введением в 2012 году увеличенных штрафов за его сжигание на факелах, стимулирует нефтедобывающие компании использовать ПНГ в качестве бесплатного топлива непосредственно на месте добычи. При этом, однако, газ нуждается в специальной подготовке, поскольку ПНГ часто имеет низкий метановый индекс (число) – иначе говоря, высокое содержание тяжелых углеводородов.
«На ГПЭС, работающих на попутном нефтяном газе, должна быть предусмотрена эффективная система его подготовки (очистки и осушки), а также желательно устанавливать специализированные двигатели, - полагает Григорий Кузьмич. - У большинства производителей двигатели могут работать как на природном, так и на других газах: попутном, биогазе, свалочном и т.д. Единственное, что при работе на других газах электрическая мощность двигателей снижается в сравнении с заявленной на природном».
«Большинство ведущих производителей выпускает агрегаты, как рассчитанные на природный газ, так и адаптированные или специально разработанные для работы на ПНГ, - говорит Александр Котенко, ведущий инженер отдела технической экспертизы ЗАО «ГРАСИС» (Москва). - При этом для большинства машин нижнее допустимое значение метанового числа составляет 48-52 (для отдельных моделей в специальном исполнении – не менее 38). При этом мощность не менее 90% от номинальной большинство генераторов может выдавать при значении метанового числа не менее 60-65, а требуемое значение низшей теплотворной способности (LHV) должно находиться в диапазоне 34-40 (42) МДж/м³. С другой стороны, ПНГ первой ступени сепарации крайне редко имеет метановое число выше 50, а его LHV может достигать 48-52 МДж/м³. Кроме того, непосредственно после сепарации газ может содержать значительное количество капельной жидкости (вода, углеводороды). Следовательно, в подавляющем большинстве случаев требуется предварительная подготовка ПНГ для использования в энергетических целях.
Существуют методы (в частности, низкотемпературная конденсация) позволяющие подготовить ПНГ до любых требований. Их основной недостаток – невозможность использования на удаленных объектах с неразвитой инфраструктурой. Для подготовки газа до требований топливного непосредственно в местах его получения на сегодня возможно использование ряда методов:
- сепарационные, в том числе мини-НТС (низкотемпературная сепарация, - прим. EnergyLand.info): предусматривают только удаление образовавшегося при определенном давлении и температуре конденсата. Относительно эффективны только для очень тяжелых газов, в которых после сжатия и дальнейшего охлаждения происходит значительное выпадение конденсата. Для газов с высоким содержанием этана, пропана, бутанов и углекислого газа значимого улучшения свойств достичь принципиально невозможно;
- газодинамические аппараты (как правило, основанные на эффекте Ранка-Хилша): по сравнению с сепарационными методами менее материало- и энергоемки. Позволяют улучшить топливные свойства газа, однако получить на них газ, полностью удовлетворяющий требованиям спецификации на топливо, практически невозможно, а при высоком содержании неконденсирующихся компонентов (или сероводорода) они вообще неэффективны;
- газоразделительные мембранные установки: позволяют подготовить газ до необходимых требований вне зависимости от его исходного состава, в том числе с содержанием сероводорода до 2,0% об. Отличаются небольшими эксплуатационными затратами и малыми габаритами.
Выбор метода очистки должен определяться как свойствами используемого ПНГ (в частности, присутствует ли в нем сероводород), так и требованиями к топливному газу для конкретной ГПЭС, а также удаленностью месторождения и наличием инфраструктуры».
Предварительная подготовка ПНГ обеспечивает оптимальный режим работы ГПЭС и достижение максимального КПД электростанции, развернутой на нефтепромысле.



Газопоршневая генераторная установка MTU (фото автора)

Надежность важнее цены
Газопоршневые электростанции в России строят (выпускают) компании: «Президент-Нева», АДД, «Энерготех», «НГ-Энерго», «Звезда-Энергетика», Промышленная группа «АСК», «Новая Генерация», Холдинг «Электросистемы», «Восточная техника», «Вапор», «Доминанта-Энерджи». Среди производителей газопоршневых агрегатов для мини-ТЭЦ преобладают зарубежные – Cummins, Jenbacher, MTU, Rolls-Royce, Waukesha,Wartsila, Guascor, Perkins, Tedom, Caterpillar, из российских можно отметить ОАО «Волжский дизель им. Маминых», РУМО и «Звезду».
«Все наши проекты проходят технико-экономическое обоснование, в рамках которого выбирается оптимальное оборудование, - говорит Марина Прибытько, директор по маркетингу Группы компаний «А.Д.Д.». - Наиболее часто используем оборудование GE Jenbacher, Cummins, Caterpillar, Rolls Royce, FG Wilson. В нефтегазодобывающей отрасли применяется оборудование, которое может работать на попутном нефтяном газе, что налагает более жесткие требования. В качестве примера можно назвать Caterpillar, Wartsila, Waukesha».
«Если неправильно подобрать мощность мини-ТЭЦ с самого начала, то потом на всех этапах осуществления проекта будет масса сложностей, а возможно, на каком-то этапе придется начинать все сначала, - предостерегает Григорий Кузьмич. - Лучше привлечь для этого специализированную инжиниринговую организацию. При выборе оборудования конкретного производителя критически важный аспект - наличие сервисного центра».
По мнению Кирилла Крючкова, «производство конкурентоспособных газопоршневых агрегатов в России еще не освоено. Из зарубежных производителей стоит выделить представителей США – Waukesha, Caterpillar, Cummins, и европейских – Jenbacher и Wartsila (занимает отдельную нишу, выпуская агрегаты мощностью 4-17 МВт). Почти никто из производителей не выпускает генераторы для своих установок, предпочитая пакетировать их синхронными генераторами сторонних компаний (Leroy-Somer, Kato и других)».
«В настоящий момент спектр используемого генерирующего оборудования существенно расширяется, - уверена Марина Прибытько. - Это связано с реализацией более разнообразных и сложных проектов. Как показывает практика, в сложный экономический период промышленные предприятия останавливают свой выбор не на более дешевом, а на более надежном и долговечном оборудовании. А экономить предпочитают за счет эффективных инжиниринговых решений, позволяющих использование самого экономичного топлива».
Григорий Кузьмич отмечает несколько тенденций, присущих рынку ГПЭС: увеличения электрического КПД; поиск вариантов максимально эффективной утилизации тепла; переход на нетрадиционные газы: попутный, биогаз, свалочный и т.д.; создание типовых проектов, более мобильных в строительстве.



Энергоцентр Верх-Тарского месторождения (заказчик – «Новосибирснефтегаз», TNK-BP) на базе Waukesha серии VHP (фото компании «Энерготех»)

Есть газ? Будет энергия
Программы развития малой энергетики уже несколько лет реализуются в ряде регионов России, причем не только удаленных от развитой энергетической инфраструктуры.
«Пилотным регионом стала Москва, - рассказывает Марина Прибытько. – Еще в 2003 году а рамках постановления «О  Концепции внедрения энергоэффективных технологий в городское хозяйство» было принято решение об использовании когенерационных установок на базе газопоршневых электростанций. Компания «А.Д.Д.» реализовала первый проект строительства мини-ТЭЦ для обеспечения жилого микрорайона электрической и тепловой энергией в Измайлово. Электрическая мощность составила 3 МВт (три газопоршневые установки PG 1250 производства FG Wilson,) тепловая – 8,5 МВт. В процессе реализации проекта разработана технология  размещения теплоэлектростанции на базе ГПУ в здании существующей котельной в условиях плотной жилой застройки. В целом ряде случаев применение малых обособленных генерирующих мощностей (часто мобильных) экономически в разы более оправдано, чем организация энергоснабжения от крупных источников».
«Программы развития малой энергетики сосредоточенны в местах, удаленных от централизованных энергосистем, - уточняет Мария Прокофьева. - Это Чукотка, п-в Ямал, Якутия, Томская область и т.д. Изначально эта потребность «закрывалась» дизельными электростанциями. Причины очевидны - газотранспортная система в этих регионах не развита, поэтому удобней завозить дизельное топливо. Но сейчас ситуация меняется. Повсеместно вводятся программы энергосбережения, не обошло это стороной и программы развития малой энергетики. Так, например, ОАО «Сахаэнерго» сейчас внедряет программы замещения дорогостоящего привозного дизельного топлива более дешевыми местными энергоресурсами - «сырой» нефтью и природным газом. Не в последнюю очередь это связано с тем, что в регионе начались разработки нефтяных и газовых месторождений (Талаканское, Алинское, Средневилюйское). В Кобяйских электросетях, находящихся в непосредственной близости к источникам газового месторождения, завершается широкомасштабное строительство газопоршневых (и газодизельных) электростанций.
Во всем мире, из-за высоких цен на нефть и газ, угрозы истощения их запасов внедряются альтернативные источники топлива. Не остался в стороне и рынок ГПЭС. Сегодня и у нас в стране начинают строить мини-ТЭЦ, работающие на шахтном газе, биогазе, опилках и т.д. Причем, эти когенерационные электростанции могут быть двухтопливного типа – например, работать и на природном, и на биогазе, что удобно в случае неравномерного поступления биогаза».

ГПЭС на базе газопоршневых двигателей Cummins, работающая на ПНГ, мощностью 5,48 МВт - установлена на Восточно-Сургутском месторождении для ОАО «Сургутнефтегаз» (фото ЗАО «НГ-Энерго»)

«В ряде регионов «Энерготех», как инжиниринговая компания, принимает активное участие в программах развития малой энергетики и энергосбережения, - говорит Кирилл Крючков. - Газопоршневые установки хороши тем, что они имеют относительно невысокий уровень первоначальных инвестиций, меньший расход топлива, более высокий КПД, короткие сроки изготовления и менее подвержены климатическим условиям эксплуатации, но при этом обладают невысокой единичной мощностью в рамках ограниченных массогабаритных показателей и не столь «всеядны», как газотурбинные установки. В противостоянии ГПЭС – ГТЭС многое определяется не особенностью технологии, а специфическими особенностями объекта, количеством и качеством топлива, местом инсталляции, другими критериями».
«Доля малой энергетики в вырабатываемой мощности сейчас составляет 1%, в то время как в Европе и США – от 8 до 20%, – утверждает Владимир Шилов, исполнительный директор Свердловского Областного Союза Промышленников и Предпринимателей. - А это показатель устойчивости предприятий и надежности их электроснабжения».
Строительство объектов малой энергетики заложено в программы развития многих удаленных от развитой энергетической инфраструктуры российских регионов, и газопоршневые мини-ТЭЦ на основе отечественных и зарубежных газовых двигателей становятся важной частью их реализации.
«Понятно, что в текущих условиях кризиса количество проектов малой энергетики вообще и с использованием газопоршневых агрегатов, в частности, сократилось, - подытоживает Кирилл Крючков. - Однако заметно, что без активной государственной поддержки развитие малой энергетики все же идет не столь быстрыми темпами. Хотя на наш взгляд, развитие малой энергетики позволило бы повысить эффективность большой. Приведу лишь один пример – так называемый «peak shaving», или «срезание пиков», где малая энергетика вполне могла бы дополнить большую. Но тем не менее мы оцениваем потенциал рынка как высокий. И если после кризиса темпы развития рынка восстановятся, малая энергетика продолжит свое активное наступление».


Олег Никитин, EnergyLand.info
На первой фото (ООО «Торговое предприятие «Энергорезерв»): электростанция АГ 30 Т400

Ссылки по теме:
«Нет» - тарифам на электроэнергию
Электростанции VibroPower 
Парогазовые технологии в теплоэнергетике