А. А. Фомичев, Я. С. Гончаренко – ОАО «Звезда-Энергетика»

При добыче угля в шахтах, в связи с высоким содержанием взрывоопасного метана в угольных пластах, особое внимание уделяется проветриванию горных выработок и удалению метана. Вакуумные насосные станции (ВНС) удаляют до 18000 м³ метановоздушной смеси при концентрации метана от 25 до 75 %. Уровень концентрации метана и его значительное массовое содержание в смеси позволяют использовать газ при его утилизации в газопоршневых машинах с одновременной выработкой тепловой и электрической энергии.

Для повышения экономической эффективности и снижения опасности технологии процессов на предприятиях горнорудной промышленности российское стратегическое предприятие – ОАО «Воркутауголь» построило две газопоршневые теплоэлектростанции (далее ГПЭС) мощностью 6 и 12 МВт на территории шахты «Северная». Генеральным проектировщиком и подрядчиком по поставке оборудования и строительству станций выступило С.-Петербургское машиностроительное предприятие «Звезда-Энергетика», в ключевые компетенции которого входит реализация EPC-контрактов.
Компания «Звезда-Энергетика» реализовала масштабный проект по проектированию, производству, поставке, строительству и вводу в эксплуатацию двух модульных газопоршневых электростанций с утилизацией тепла. Энергоблоки используют в качестве топлива шахтный метан. Также реконструированы две подстанции: ПС 110/6,6/6,3 кВ «Северная-2» мощностью 10000 кВА и ПС 35/6 кВ «Cеверная» – 16000 кВА. Работы выполнены по заказу компании «Комиэнерго» – филиала «МРСК Северо-Запада».
Электростанции размещаются на территории действующей шахты «Северная» в северовосточной части Воркутинского месторождения Печорского угольного бассейна и предназначены для теплоэлектроснабжения потребителей шахты. Подстанции являются важным связующим звеном между газопоршневой электростанцией и действующей сетью, поэтому реконструкция ПС – необходимое условие для подключения ГПЭС к сети и бесперебойного обеспечения потребителя электроэнергией. В ходе работ по реконструкции подстанций устаревшее, не соответствующее современным техническим требованиям оборудование было заменено современным.
Проект строительства ГПЭС такой мощности стал пилотным для ОАО «Звезда-Энергетика» и инновационным для угольной отрасли страны. Его уникальность в том, что газопоршневые электростанции работают на метане действующей шахты при относительно невысокой и подверженной значительным колебаниям концентрации метана в смеси – от 25 до 70 %. Режим работы – в параллель с сетью, с выдачей мощности в сеть.
ГПЭС способны ежегодно вырабатывать 110,5 МВт·ч электрической энергии и более 56700 Гкал/ч – тепловой. Утилизация метана позволяет существенно улучшить экологическую обстановку в регионе, получить значительный экономический эффект при достаточно малых сроках окупаемости проекта.
Разработка проектной документации, прохождение государственной экспертизы и изготовление модулей электростанции, а также испытания выполнены силами компании «Звезда-Энергетика» на собственном производстве, что позволило значительно минимизировать затраты по проекту.
Была также разработана документация и выполнена реконструкция подстанций «Северная-2» и «Северная», подключены электростанции к сетям «Комиэнерго».
Предприятие изготовило оборудование для двух ГПЭС модульного исполнения на базе электроагрегатов MWM единичной мощностью 2 МВт. В комплект поставки каждой электростанции вошли модули ЗРУ 6,3 кВ, ГРЩ 0,4 кВ, теплового пункта, АСУ ТП. Были спроектированы системы подготовки топливного газа. Компания разработала проект и выполнила реконструкцию теплового пункта шахты, вакуум-насосных станций.
По оценкам экспертов, ГПЭС покроют около 80 % потребности шахты «Северная» в электроэнергии. В режиме сниженного потребления энергии избыток выдается в сеть МРСК. Предприятие также получает около половины необходимой тепловой энергии. Строительство электростанций называют одним из самых важных инвестиционных проектов для компании «Воркутауголь» в области повышения энергоэффективности. По предварительным расчетам, экономия электроэнергии составит 12 %, тепла – 8 %.
Тепло, вырабатываемое ГПЭС, используется для собственных нужд шахты – прогрева воздуха, подаваемого в горные выработки, технологических процессов, а также для обеспечения административно-бытовых зданий. Возможность потреблять электроэнергию есть и у наземных, и у подземных объектов шахты.

Технические решения
Полная электрическая мощность двух ГПЭС составляет 17,4 МВт, тепловая – 17,9 МВт при 100 %-й нагрузке. Электроагрегаты выполнены на базе газопоршневых двигателей TCG2020V20 компании MWM и генератора переменного тока MJB 560 LA4 фирмы Marelli Motori. В состав ГПЭС-1 входят шесть газопоршневых агрегатов мощностью по 1932 кВт, ГПЭС-2 – три агрегата.
Электроагрегаты каждой станции объединены общестанционным распределительным устройством 6,3 кВ. В комплект ГПЭС входит главный распределительный щит 0,4 кВ, теплообменники выхлопных газов (котлы-утилизаторы) и теплообменники высокотемпературных контуров охлаждения двигателей. Генераторное напряжение ТЭС – 6,3 кВ.
Топливом для электростанций является метановоздушная смесь (МВС), поступающая с вакуум-насосных станций шахты. Для обеспечения работы газопоршневых двигателей на МВС на площадках ГПЭС установлено оборудование и специальные системы подготовки топливного газа. Модули полной заводской готовности, поставленные на площадку, были собраны в единое здание. Все блоки находятся на ростверке, поднятом над поверхностью земли на 1,5 м.
Подача газа на ГПЭС-1 осуществляется от ВНС-3, на ГПЭС-2 – от ВНС-1. Единичная мощность агрегата TCG2020V20 при работе на шахтном газе с концентрацией метана 35–45 % составляет 1932 кВт, при концентрации 28–35 % и 45–60 % двигатели работают со снижением мощности. Диапазон номинальной мощности при концентрации метана 35–45 % обусловлен требованием перемещения двигателей с одной площадки на другую без замены топливной аппаратуры.
Концентрация метана на ВНС-1 составляет 60–71 %, на ВНС-3 – 25–34 %. Концентрация метана на ВНС-3 увеличена путем переключения на нее системы дегазации газообильных участков. Снижение концентрации метана на ВНС-1 обеспечено за счет включения в работу дополнительных вакуум-насосов. Таким образом, организация данных мероприятий позволила выравнять концентрацию метана на обеих площадках до 35–45 %.
От ЗРУ-6,3 кВ каждой ГПЭС по двум отходящим линиям электроэнергия передается на подстанции шахты «Северная». Электропитание потребителей собственных нужд станции осуществляется от ГРЩ 0,4 кВ. Снимаемая с вторичных контуров теплообменников горячая вода используется для выдачи тепла потребителям. Тепло систем утилизации передается в полном объеме в сети теплоснабжения основной промплощадки и вентиляционного ствола №2 через существующие тепловые пункты. При этом была выполнена их частичная реконструкция.
За счет утилизации тепла ГПЭС-1 обеспечивает подачу тепловой энергии до 11,9 МВт, а ГПЭС-2 – до 6 МВт при 100 %-й нагрузке и тепловом графике 115/70 °С. Количество получаемого тепла прямо пропорционально вырабатываемой электрической энергии. При недостаточном уровне тепловых нагрузок охлаждение собственных контуров энергоблока осуществляется через воздушные вентиляторы аварийного охлаждения, тепло от котла-утилизатора отводится на воздушный охладитель.
В межотопительный период выполняется байпасирование продуктов сгорания в обход котла-утилизатора. Теплоноситель к системам утилизации тепла и сетевым разделительным теплообменникам (промежуточный контур) подается циркуляционными насосами теплового пункта ГПЭС. Подача воды к сетевым разделительным теплообменникам также осуществляется сетевыми насосами, установленными в тепловом пункте каждой станции.
От качества и надежности работы системы подготовки газа зависит эффективность работы и срок службы газопоршневых двигателей. Газоподготовка на каждой станции определяется типом оборудования дегазации. На ВНС-1 выкачивается газ со 100 %-й влажностью, загрязненный угольной пылью и неорганическими элементами, содержащимися в подпиточном контуре (карбонаты, железо, колонии сульфаторедуцирующих бактерий). На ВНС-3 добывается газ влажностью до 90 %, тоже загрязненный угольной пылью, но в значительно меньшей степени. Это связано с предварительной очисткой газа в сепараторах/циклонах на входе ротационных вакуум-насосов.
Для подготовки газа установлено специальное технологическое оборудование, последовательно обеспечивающее охлаждение газа, очистку от механических примесей, подогрев и дополнительную стабилизацию давления. Для газа ВНС-1 повышается давление метановоздушной смеси до 0,08 МПа, применены системы фильтрации, двухстадийной сепарации, подогрев проточными электроподогревателями. В результате относительная влажность снижается менее чем до 80 %. Все оборудование газоподготовки максимально скомпоновано и размещено в непосредственной близости к контейнерам электроагрегатов.
Для газа ВНС-3 применяется система фильтрации, сепарации. Влажность газа снижается за счет последовательного охлаждения потока МВС в аппарате воздушного охлаждения, а затем нагрева в теплообменнике «газ–газ». Для подогрева используется тепло отходящего потока смеси на выходе насосов. Оборудование газоподготовки размещается в блоке на территории ГПЭС №1.

Вакуум-насосные станции
В связи с использованием на вакуум-насосных станциях разных типов насосов, доработана система подготовки оборотной технологической воды. Так как на ВНС-1 используются водокольцевые насосы, технологически были применены две станции дозирования реагентов во взрывобезопасном исполнении. Станция дозирования «А» обеспечивает пополнение оборотной воды ингибиторами коррозии, а станция «Б» насыщает воду бактерицидом – реагентом, подавляющим рост сульфаторедуцирующих бактерий. Таким образом, комплексная подготовка воды обеспечивает повышенную стойкость трубопроводов оборотной технологической воды.
Чтобы обеспечить требуемые технологические характеристики ГПЭС и эксплуатационную независимость ВНС от утилизации шахтного газа, вакуум-насосные станции были модернизированы. Установлена автоматизированная система клапанов, которая позволяет регулировать и стабилизировать давление газа на выходе станции, обеспечен своевременный перепуск газа на сбросную свечу ВНС в случае отключения станции или возникновения нештатной ситуации.
Регулирование заданного давления газа на выходе ВНС осуществляется клапаном с электроприводом, управляемым АСУ ТП станции. Для аварийного сброса газа используются пружинные предохранительные сбросные клапаны. Количество и параметры клапанов рассчитаны таким образом, что полная остановка всех агрегатов ГПЭС не вызовет аварийного нарастания давления и отключения оборудования ВНС. Оснащение станций дозирования датчиками позволяет дистанционно, с рабочего места оператора ВНС, контролировать ход технологического процесса и своевременно предпринимать необходимые действия.

Системы управления
Управление электроагрегатами, инженерными системами и устройствами осуществляют локальные системы автоматического управления и автоматизированные системы управления технологическими процессами электростанций. АСУ ТП управляет пуском, остановом, режимом работы и т.д. каждой электростанции в целом, а также обеспечивает контроль работы отдельных систем электростанций, в том числе систем безопасной эксплуатации.
Применение АСУ ТП для вакуум-насосных станций позволяет эффективно управлять процессом стабилизации давления с АРМ оператора как в ручном, так и в автоматическом режиме, а наличие архива, отображающего основные технологические параметры и графики состояния технологического оборудования, – оперативно решать возникающие проблемы. Также автоматизированное рабочее место оператора ГПЭС позволяет оперативно управлять и производить количественный и качественный анализ текущих или прошедших технологических процессов для их дальнейшей оптимизации.

Выводы
Благодаря реализованному проекту снизились выбросы парниковых газов от сжигания ископаемого топлива. Это обусловлено главным образом тем, что предприятие уменьшило выбросы дегазационного метана в атмосферу. При этом метан – газ с высоким потенциалом глобального потепления (GWP = 21) – сжигается в газопоршневых двигателях с переходом в CO₂ (GWP = 1) и водяной пар.
Электрическая энергия собственных ГПЭС замещает часть энергии из сети, а вырабатываемая тепловая энергия позволила сократить потребление тепла от внешнего источника – Воркутинской ТЭЦ-2 (ТГК-9). На сетевых электростанциях снизилось сжигание ископаемого топлива, а на Воркутинской ТЭЦ – каменного угля.