И. В. Веженков, Л. И. Власов, Е. И. Орлов – ЦНИДИ, С.-Петербург
В. Б. Кубиков – ОАО «Стройтрансгаз», Москва
К. К. Ильковский, П. Е. Кычкин – ОАО АК «Якутскэнерго»

В статье рассмотрены основные принципы создания газогенераторных энергоустановок, в которых реализован метод газификации твердого топлива и адаптации дизельных двигателей к работе на генераторном газе.

Одним из наиболее эффективных и простых методов преобразования местных энергоресурсов (древесина, торф, низкосортные угли, органические сельскохозяйственные и промышленные отходы) в нужный вид топлива является газификация. Этот способ давно известен и широко использовался в нашей стране и за рубежом в периоды дефицита топлива, вызванного форс-мажорными обстоятельствами (война, прекращение поставок и т.п.), экономическими (резкий рост цен на традиционные энергоносители) или экологическими причинами (квотирование вредных выбросов).
Прогнозируя динамику влияния последних двух факторов, специалисты ЦНИДИ, ОАО «Стройтрансгаз» и АК «Якутскэнерго» разработали концепцию создания простых и надежных энергоустановок. В ней реализован метод газификации твердого топлива и адаптации дизельных двигателей к работе на генераторном газе. Комплектная автономная мини-ТЭЦ преобразует подаваемое в нее твердое топливо в электрическую и тепловую энергию. Чтобы обеспечить бесперебойное снабжение энергоустановки топливом, заказчику необходимо заранее согласовать с изготовителем разновидность топлива, его фракционный состав и влажность, а также способ загрузки в газогенератор.
Изготовлены первые промышленные образцы газогенераторных установок (ГГЭУ) электрической мощностью 60 и 100 кВт, проведены испытания на древесных отходах, низкосортном буром угле и на угле класса сапропелитов (богхед) Тиксовского месторождения.
Типовая технологическая схема установки представлена на рис. 1. Кроме того, разработан модельный ряд базовых ГГЭУ, который охватывает мощностной ряд типовых электроагрегатов от 16 до 630 кВт. Технические характеристики базовых типоразмеров газогенераторных установок представлены в таблице, варианты компоновки газогенераторных модулей и электроагрегатов – на рис. 2. Применительно к вошедшим в модельный ряд энергоустановкам разработаны ТУ 311690-00273425807-2006, проведены сертификационные испытания установок на древесном топливе на соответствие техническим указаниям и национальным стандартам.
Испытания подтвердили заявленные в ТЗ мощностные и экономические характеристики установки, показали соответствие параметров тока требованиям стандартов (в том числе при сбросах и набросах нагрузки), а также значительное снижение NOx и СН в отработавших газах.
В настоящее время ведутся работы по созданию специализированной механизированной линии (модуля) по переработке, подготовке и подаче древесного топлива, а также по созданию мини-ТЭЦ с четырьмя параллельно работающими электроагрегатами. Они предназначены для комплексного энергоснабжения населенных пунктов, находящихся преимущественно вне зоны централизованных электрических и тепловых сетей.
Рассмотрим основные принципы создания таких мини-ТЭЦ.
Модульный принцип строительства электростанции. В набор типовых входят следующие модули: газогенераторный; электрогенерации; теплогенерации; управления и синхронизации электроагрегатов; модуль подготовки твердого топлива; склад твердого топлива; склад жидкого топлива и масла; вспомогательный модуль (ЗИП, бытовки и др.). Количество модулей и их взаимное расположение (блокировка) определяются техническим заданием и проектом, согласованным с заказчиком.
При переоборудовании действующей электростанции (на базе нескольких параллельно работающих ДЭС) можно использовать существующую инфраструктуру и оборудование. Установленные дизельные двигатели на месте переводятся в газодизельный цикл, сохраняется склад и система подачи горюче-смазочных материалов, электрораспределительные устройства и др.
Соотношение электрической и тепловой энергии в зависимости от требований заказчика. Обычно соотношение электроэнергии, вырабатываемой электрогенератором с приводом от ДВС, и тепловой энергии, отбираемой в теплообменнике газогенератора и теплообменниках отработавших газов и охлаждающей жидкости двигателя (когенератора), составляет 1:(1,0…1,5). Необходимое для отопления соотношение пот-ребляемой электрической и тепловой энергии составляет порядка 1:(2…4).
Недостающая тепловая энергия для отопления и технологических нужд может быть получена за счет комплектации мини-ТЭЦ газовым котлом, работающем на том же генераторном газе. При этом необходимо учитывать, что при снижении выработки электроэнергии автоматически пропорционально снижается выработка тепла.
Комплектация оборудования с использованием оптимального количества единичных агрегатов – для обеспечения их регистрового включения/отключения при изменении нагрузки замкнутого потребителя. Это дает возможность поддерживать близкий к номинальному режим работы каждого агрегата, что обеспечивает максимальный КПД модуля. Кроме того, такой принцип позволяет более гибко реагировать на возможные аварийные ситуации на самой миниТЭЦ и в потребительской сети, а также с минимальными потерями для потребителя производить плановое обслуживание, ремонт или замену оборудования.
Параллельная работа входящих в состав мини-ТЭЦ агрегатов. В настоящее время разработаны системы синхронизации, которые обеспечивают параллельную работу газогенераторных модулей, а также газопоршневых и газодизельных двигателей.
Совместное применение газопоршневых и газодизельных двигателей в рамках единой мини-ТЭЦ с целью обеспечения максимальной экономичности, а также резервного энергоснабжения. Наряду с газопоршневыми двигателями с принудительным воспламенением, работающими только на генераторном газе, используются и газодизельные – с обязательным добавлением жидкого топлива, необходимого для процесса воспламенения. Доля дизельного топлива может варьироваться от 15 до 100 %, при этом газодизельный двигатель сохраняет способность работать только на дизельном топливе.
Этот вопрос должен тщательно прорабатываться при проектировании, с учетом требований потребителя по качеству тока и времени приема нагрузки (например, при работе на пилораму и т.п.). При этом на многоагрегатной миниТЭЦ можно установить большую часть агрегатов с газопоршневыми двигателями, работающими только на генератором газе, а один-два агрегата – с газодизельными. В этом случае сокращается общее потребление дизельного топлива и сохраняется возможность при необходимости (сбой в системе подготовки или подачи твердого топлива) вырабатывать некоторое количество энергии, определяемое суммарной мощностью газодизельных установок, за счет перевода их на 100%-е потребление дизельного топлива.
Механизация загрузки газогенераторного модуля и автоматизация систем управления. Технология загрузки и способ механизации определяются видом применяемого топлива (щепа, пеллеты, дрова, торф, швырок или их смеси) и согласуются с заказчиком. Наиболее удобным для механизации видом топлива являются пеллеты, которые обладают свойствами псевдожидкости и не требуют сушки (однако сегодня они часто «не по карману» отечественному потребителю), а также щепа, кусковой торф или его брикеты.
Разрабатываемая сейчас система автоматизации контроля и управления всеми процессами должна обеспечить управление мини-ТЭЦ с единого пульта.
Бесперебойная работа станции при проведении технического обслуживания оборудования. С этой целью предусмотрено байпасирование фильтров генераторного газа. Обеспечивается герметизация участков газовой трассы при периодической загрузке газогенератора топливом. Обеспечение мини-ТЭЦ оборудованием по складированию, измельчению, сушке (при необходимости) и подаче древесных отходов в газогенератор в случае отсутствия централизованной поставки топлива необходимого фракционного состава и влажности. Комплектация таким оборудованием определяется типом исходного древесного сырья и согласованной системой механизации.
Можно собрать все модули мини-ТЭЦ, а также легкосборные здания для размещения склада твердого топлива, оборудование для размельчения, сушки и подачи топлива и т.д. в виде единого комплекса, привязав его к конкретному месту расположения.
Сбор составных частей в единое целое после согласования всех вопросов с заказчиком и утверждения соответствующего технического задания должна вести специализированная проектная организация. Приоритет при ее выборе следует отдавать местным или региональным организациям, которые в силу своей близости к месту расположения проектируемого объекта могут оперативно согласовать проект с местными органами надзора.
Как указано выше, возможны два варианта удовлетворения запросов заказчика:
•    преобразование действующей ДЭС в газогенераторную энергоустановку;
•    строительство новой ГГЭУ, спроектированной на основе изложенных принципов.
По нашим оценкам, перевод дизельных электростанций на генераторный газ позволяет снизить стоимость отпускаемой электроэнергии в 2-4 раза (в зависимости от уровня загрузки электрогенераторов). При этом окупаемость проектов реконструкции ДЭС, потребляющей дизельное топливо, в газогенераторную установку составляет 1,5-2 года, а окупаемость строительства новой ГГЭУ – от 3,5 до 5 лет.