Автономная электростанция для культурно-развлекательного центра «Сорочаны»

А.С. Назаров, Г.В. Фомичев – ООО «Мособлгазсервис»

Автономная газопоршневая теплоэлектростанция обеспечит надежное энергоснабжение культурно-развлекательного центра, который, в связи со значительным скоплением людей, является ответственным потребителем (первой категории).

Компания «Мособлгазсервис» реализует проект по обеспечению электрической и тепловой энергией культурно-развлекательного центра «Сорочаны», расположенного в деревне Шустино Дмитровского р-на Московской обл. С этой целью строится мини-ТЭС электрической мощностью около 1 МВт и тепловой – 2,6 МВт. Заказчиком проекта является ООО «Новые коммунальные системы».
На объекте установлено шесть газопоршневых когенерационных установок Cento T160S фирмы TEDOM (Чехия) электрической мощнос¬ью по 160 кВт и тепловой – по 207 кВт (0,178 Гкал/ч), а также водогрейный котел Logano SK725 фирмы Buderus (Германия) тепловой мощностью 1,32 МВт (1,135 Гкал/ч). Установки Cento T160S имеют достаточно продолжительный моторесурс – 50 тыс. часов до капитального ремонта и 200 тыс. часов общий срок эксплуатации. Все оборудование имеет сертификаты Госстандарта России и разрешение Ростехнадзора на его применение. Газопоршневые установки соответствуют международным требованиям по содержанию вредных веществ в продуктах сгорания (ТА-Luft).
Главным преимуществом когенерационной технологии является высокий коэффициент эффективности производства двух видов энергии и значительной экономии топлива по сравнению с отдельным производством электроэнергии и тепла, что имеет немаловажное значение для экологии и экономики проекта.
При выборе оборудования учитывалась неравномерность графика распределения электрической нагрузки в течение суток, которая выражается в «пиковых» утренних и вечерних часах и «ночных провалах». Это обеспечивает гибкость работы системы в целом. В ночное время планируется отключать пять установок. Подключение к централизованной энергосистеме проектом не предусмотрено, но в перспективе это будет возможно.
Запуск и отключение установок при повышении или снижении электрической нагрузки осуществляется в автоматическом режиме. В зависимости от температуры окружающей среды, в автоматическом режиме производится регулирование температуры теплоносителя, подаваемого в систему теплоснабжения в соответствии с температурным графиком.
Контейнерное исполнение когенерационных установок (КГУ), в отличие от стандартного (модульного), позволяет размещать оборудование на открытой площадке – там, где нет возможности сооружения котельной и нет соответствующего помещения. Кроме того, оборудование можно размещать на небольших участках.
На площадке установлены два контейнера с габаритами (ДхШхВ) 13,5x2,6x2,4 м. В каждом контейнере находится по три газопоршневые установки. Водогрейный котел будет смонтирован в отдельном контейнере. Высота дымовых труб, определенная на основании оценки воздействия  на окружающую среду, составила 10 метров, что обеспечивает необходимое рассеивание дымовых газов.
В связи с тем, что заказчик в дальнейшем планирует увеличение мощности станции, на строительной площадке дополнительно предусмотрено свободное место под фундаменты для двух аналогичных контейнеров с газопоршневыми установками.

Особенности проекта

В самом начале строительства мини-ТЭС компания «Мособлгазсервис» столкнулась с рядом сложностей. Прежде всего, это было связано с тем, что объект размещен на участке с довольно сложным рельефом, характеризующимся очень крутым уклоном и сыпучими грунтами. Вопрос планировки рельефа решен следующим образом: по периметру строительной площадки были установлены подпорные стены, состоящие из четырех одинаковых секций по 11 метров каждая. Секции соединены между собой деформационными швами, которые обеспечивают «эластичность» и прочность конструкции при движении грунтов.
Кроме того, при согласовании места строительства ТЭС территориальное управление Роспотребнадзора запретило размещение склада жидкого топлива на данном участке, так как объект находится в водоохраной зоне. Поэтому в качестве резервного топлива решено было использовать сжиженный углеводородный газ (СУГ). В качестве основного вида топлива предусматривается природный газ. Надо отметить, что до начала строительства данного объекта компания не имела опыта использования сжиженного газа в качестве резервного топлива.
В связи со сжатыми сроками ввода электростанции в эксплуатацию было принято решение о проведении пусконаладочных работ и запуске станции на сжиженном газе до окончания оформления топливного режима и строительства подводящего газопровода. После перехода на природный газ СУГ будет использоваться как резервное топливо.
Для применения в качестве резервного топлива предпочтение было отдано пропан-бутановой смеси. Учитывались ее ценовые и потребительские характеристики, а также неограниченный срок хранения топливной смеси в емкостях (в отличие от сжиженного метана). Большим преимуществом является и высокая теплотворная способность пропан-бутана. Кроме того, такой вариант требует минимальных изменений в схеме мини-ТЭС при переводе станции на природный газ. Немаловажно и то обстоятельство, что существует низкая вероятность прекращения поставок топлива, что обусловлено большим выбором поставщиков, а также возможностью хранения сжиженного газа. На территории станции строится хранилище топливной смеси, емкости которого достаточно для работы стан-ции в течение трех суток.
Экологическая чистота СУГ по сравнению с фракциями нефтяного топлива – очевидна. Прежде всего, это отсутствие загрязнения при транспортировке и разгрузке, а также существенно меньший выброс вредных веществ при сжигании. Процентное содержание СО при сжигании пропан-бутана в выбросах лишь на 10…15% выше, чем при сжигании самого чистого топлива – природного газа, а количество окислов серы минимально, чего нельзя сказать о нефтяных видах топлива.
Бесспорно, что при больших мощностях генерирующего оборудования и, следовательно, более значительном потреблении газа, использование сжиженного углеводородного газа менее эффективно, но при мощности до 3 МВт такое решение является оптимальным.

Оборудование теплоэлектростанции

Оборудование когенерационной установки смонтировано в звукоизолирующем контейнере, предназначенном для эксплуатации на открытой площадке. Контейнер представляет собой сварную конструкцию с акустической изоляцией (толщиной 80 мм) стен и потолка. Это обеспечивает высокую звукоизоляцию, позволяя размещать газопоршневые установки контейнерного исполнения в районах с плотной застройкой. Контейнер оснащен системой принудительной вентиляции с акустическими глушителями на входе и выходе.
Силовая часть обеспечивает вывод электрической мощности из КГУ, защиту генератора и питание оборудования внутри установки. Она организована, прежде всего, с учетом защиты от короткого замыкания. Здесь находится главный защитный элемент и токовая защита. Кабели выведены через каналы в нижней части пола. Составной частью силовой защиты является и универсальная защита сети.
В контейнере установлены распределительные устройства, которые состоят из управляющей и силовой части. Они размещаются в двух частях общего шкафа (габаритами 300x800x1500 мм), расположенного на стене контейнера.
Главным элементом когенерационных установок TEDOM серии Cento является газопоршневой двигатель внутреннего сгорания, который приводит в движение генератор электрического тока.
Двигатель TG 168 GV TW 86 производства TEDOM – шестицилиндровый, с рядным расположением цилиндров. Он является как приводом электрогенератора, так и источником вырабатываемого тепла. Привод имеет водяное охлаждение.
Система зажигания двигателя обеспечивает воспламенение топливной смеси на электродах свечей зажигания. Система является бесконтактной, высоковольтной, без распределителя, с электронным управлением – индивидуально на каждую свечу. Применяются специальные, предназначенные для газовых двигателей свечи зажигания. Сигналы управления поступают из активного счетчика. Он снимает количество оборотов маркировочного диска, который вращается с половинными оборотами двигателя (вращение диска соответствует оборотам кулачкового вала).
Корпуса двигателя и генератора жестко соединены в один блок, а их оси соединяются через жесткую муфту. В установке серии Cento применяются одноподшипниковые синхронные генераторы. Вырабатываемый электрический ток поступает в силовой распределитель, а тепло, получаемое при охлаждении двигателя, и тепло отработавших газов отводится через систему теплообменников в трубопровод вторичного контура.
Блок агрегата установлен на фундаментной раме с использованием упругих прокладок. Рама ГПУ представляет собой пространственную конструкцию из стальных профилей, что обеспечивает установке максимальную жесткость. В верхней части рамы на упругих прокладках расположен моноблок «двигатель-генератор». Перед торцом двигателя находится теплообменник «вода-вода», где происходит передача тепла из первичного контура во вторичный. В нижней части рамы расположен теплообменник «продукты сгорания-вода», глушитель выхлопа и изолированные трубопроводы системы. В данном теплообменнике осуществляется передача тепла выхлопных газов во вторичный контур. К раме прикреплены несущие профили верхней части модуля, на которых установлено оборудование.
Выхлопные газы, пройдя через катализатор и отдав тепло в теплообменнике «продукты сгорания-вода», направляются через глушитель выхлопа на отводящий фланец продуктов сгорания. В установках Cento Т160 оставшаяся часть используемой тепловой мощности отводится технологическим контуром, где происходит охлаждение топливовоздушной смеси двигателя, внутренняя часть которого подключена к присоединительному трубопроводу когенерационной установки. Глушитель выпуска вместе с теплообменником продуктов сгорания расположен внутри рамы установки.
Неиспользованное тепло, выделяемое горячими частями, отводится принудительной вентиляцией. Вентиляционный воздух отводится от установки через акустический канал, расположенный на крыше звукоизолирующего контейнера, где к фланцу можно подсоединить вентиляционный трубопровод. Это решение обеспечивает низкий уровень шума КГУ. Для подключения к газопроводу в установке предусмотрено резьбовое соединение, а также штуцер для обеспечения продувки газовой трассы.
Первичный контур – внутренний, замкнутый, полностью самостоятельный контур когенерационной установки. Он выполняет две функции: обеспечивает охлаждение двигателя и переносит полученную тепловую энергию от двигателя и других источников тепла во вторичный контур.
Охлаждающая жидкость подается циркуляционным насосом в систему охлаждения двигателя, где принимает тепло от ДВС. Затем она направляется через охлаждающую часть газоприемника продуктов сгорания в камеры термостата и далее, через пластинчатый теплообменник «вода-вода» первичного контура, обратно на всасывание насоса первичного контура. Конструкция первичного контура позволяет осуществлять его автономную эксплуатацию без участия обслуживающего персонала в течение всего периода работы до очередного технического осмотра. Контроль работы контура осуществляется посредством датчиков, подключенных к распределителю установки.
Вторичный контур является главным тепловым контуром оборудования (КГУ), внутри которого происходит передача тепловой энергии от установки в отопительную систему потребителя. В данном контуре используется тепло, полученное при охлаждении двигателя и смазочного масла, а также тепло отработавших газов двигателя. В состав вторичного контура входят два изолированных теплообменника – «вода-вода» и «продукты сгорания-вода». Первый теплообменник является пластинчатым, второй – трубчатым.
Все части тепловых контуров с целью макси¬мального снижения потерь соединены между собой теплоизолированными трубопроводами. Неиспользованное тепло отводится от газопоршневых установок и сбрасывается в атмосферу через сухие градирни систем аварийного охлаждения и охлаждения газовоздушной смеси.
Технологический контур применяется в КГУ серии Cento мощностью от 150 кВт. Движущим механизмом установки Cento Т160 является газопоршневой двигатель с турбонаддувом. Сжатая топливовоздушная смесь эффективно охлаждается – это необходимо для достижения оптимального рабочего режима двигателя и всей установки. Источником тепла здесь является промежуточный охладитель топливовоздушной смеси. Особенность данного контура заключается в том, что он работает с низкими температурами теплоносителя. Если это тепло не используется потребителем для подогрева воды в низкотемпературных системах, то его необходимо отводить через внешний охладитель.
Генератор электрического тока Leroy-Somer LSA 46.2 L6 J(C)6/4 – синхронный, одноподшипниковый, с выходным напряжением 0,4 кВ. В системе возбуждения генератора электронный автоматический стабилизатор напряжения получает питание по двум вспомогательным обмоткам, независимым от схемы определения напряжения. Напряжение от источника питания перед подачей на управляющий транзистор стабилизатора выпрямляется и фильтруется. Система возбуждения обеспечивает возможность работы при коротком замыкании с перегрузкой по току три ампера в течение 10 секунд и хорошую устойчивость к возмущениям, вносимым нагрузкой генератора. Блок AVR контролирует и корректирует выходное напряжение генератора путем настройки тока возбуждения.
Система управления и контроля InteliGen управляет рабочими процессами оборудования, а также обеспечивает его автоматическую эксплуатацию. Осуществлять управление установкой можно вручную и автоматически, на месте и дистанционно. САУ управляет мощностью привода и регулирует состав топливовоздушной смеси с учетом требуемого уровня эмиссий.
Звуковая и световая сигнализация предупреждает о включении одной или нескольких защит установки. Контроллеры фиксируют отклонения параметров, и через систему управления распределителя принимаются соответствующие меры для предупреждения возникновения нештатных ситуаций.
Защиты разделены на электрические и технологические. Электрическая защита предохраняет сеть от воздействия оборудования и, наоборот, генератор – от воздействия сети. Осуществляется защита от избыточного и низкого напряжения, избыточной и недостаточной частоты, векторная защита, ведется наблюдение за фазами. Технологическая защита осуществляет контроль и управление технологическими процессами когенерационной установки.
Информация о состоянии основных параметров поступает от аналоговых и бинарных датчиков. Аналоговые датчики измеряют температуру воды в первичном контуре за двигателем, во вторичном контуре за теплообменником «продукты сгорания-вода» и перед/за катализатором, а также давление масла в двигателе. Плавное изменение сигнала, поступающего от датчика, изображается на дисплее.
Бинарные датчики контролируют уровень воды в расширительном баке первичного контура и масла в запасном баке, давление масла в двигателе, загрязнение воздушного фильтра, температуру воздуха в КГУ и утечку газа внутри контейнера. Сигнал заключается в переключении контактов, и положение датчика изображается на панели управления в виде светящегося или погасшего диода.
Подвод и регулирование подачи газа (внутренняя газовая трасса) представляет собой конструкцию из сопряженных защитных быстродействующих электромагнитных клапанов с промежуточным инверсионным клапаном. Он обеспечивает моментальное отключение подачи газа и продувку трубопровода между клапанами при каждой остановке двигателя. Для соблюдения требований безопасности клапаны расположены вне кожуха установки.
Из системы подачи газ направляется в нулевой регулятор, который поддерживает постоянное давление перед входом газа в смеситель. Затем через активное звено регуляции обогащения смеси по металлическому шлангу, обеспечивающему упругое соединение со смесителем, газ поступает в расположенный на двигателе смеситель. Здесь он смешивается с воздухом, образуя топливовоздушную смесь. В состав системы входит датчик загазованности (установлен на стене внутри контейнера), который регистрирует наличие газа, а при обнаружении утечек отключает его подачу в КГУ.
Отработавшие газы из выпускной системы, где часть своей тепловой энергии передают в первичный контур, поступают через трубчатый компенсатор в катализатор, а затем – в теплообменник «продукты сгорания-вода». Далее они поступают в первичный глушитель выхлопа, проходят под кожухом и выводятся на фланец или через дымоход в дымовую трубу. Трубопровод продуктов сгорания на участке от выхода из охлаждаемого выхлопного трубопровода до выхода из КГУ изготовлен из высококачественной нержавеющей стали. Из такой же стали изготовлен теплообменник и глушитель выхлопа. В связи с повышенными требованиями к уровню шума энергоблоки укомплектованы специальными внешними глушителями.
Система вентиляции контейнера осуществляет подачу воздуха, чтобы не допустить чрезмерного повышения температуры внутри установки, а также подводит необходимое количество воздуха для сжигания в двигателях. Каждая КГУ оснащена самостоятельным аксиальным вентилятором, который непрерывно работает одновременно с энергоблоком, а также некоторое время после его выключения – для обеспечения дополнительного охлаждения оборудования. Из внутреннего пространства звукоизолирующего контейнера воздух выводится вентилятором, расположенным на его крыше, через акустический канал, который используется и как глушитель шума установки.
Маслосистема обеспечивает автоматическое поступление моторного масла в двигатель из запасного бака, расположенного на крыше контейнера. Пополнение масла осуществляется с помощью поплавкового клапана, который оснащен переключателем, сигнализирующим о понижении уровня масла в двигателе. Запас масла обеспечивает непрерывную работу когенерационной установки в период между текущими техническими осмотрами.
Ввод автономной электростанции в эксплуатацию на резервном топливе планируется во втором квартале 2008 года. Благодаря своевременному обеспечению объекта электрической и тепловой энергией, исключается необходимость эксплуатации дизельной электростанции на период отсутствия газопровода. Это позволит заказчику существенно сократить сроки окупаемости проекта. Турбины и Дизели