• Скачать в формате PDF

Д. В. Глушич, А. С. Горбачев – ЗАО «Интма»
П. И. Куруч – ООО «Кузбасская энергосетевая компания»
Д. А. Капралов – ООО «Турбомашины»

В феврале текущего года компания «Интма» запустила в работу модульную электростанцию мощностью 1 МВт в Кемеровской области – в Кузбассе, традиционном угольном регионе России. В качестве топлива используется метан, добываемый из угольных пластов. ГПЭС работает параллельно с энергосистемой, с выдачей всей мощности в сеть.

Электростанции на угольном метане
Утилизация угольного метана позволяет экономить природный газ и сокращает выбросы парниковых газов. Мировые запасы метана угольных пластов превышают запасы природного газа и оцениваются в 260 трлн м³. Это перспективный энергетический рынок будущего.
Работы по добыче угольного метана ведутся в США, Австралии, Китае, Канаде, Германии, Великобритании, Польше, на Украине. Компания GE и, в частности, ее подразделение GE Jenbacher имеют большой опыт эксплуатации энергоблоков на угольном метане (Турбины и Дизели. 2006, №6). Общая установленная электрическая мощность таких станций по всему миру свыше 400 МВт.
Опыт зарубежных стран показывает, что масштабная добыча угольного метана в США, Австралии, Китае началась после того, как государство стало стимулировать такие проекты, предоставив им значительные налоговые льготы. В России пока нет полноценной правовой базы для добычи метана, что тормозит привлечение инвестиций в данный бизнес.
Поскольку угольный метан не внесен в общероссийский классификатор продукции в качестве самостоятельного ископаемого, это не позволяет ввести для него специальный налоговый режим. В настоящее время на законодательном уровне угольный метан, добываемый ООО «Газпром добыча Кузнецк», рассматривается как природный газ, а цена на него устанавливается по формуле цены природного газа.
Первый в стране полигон по экспериментальной добыче угольного метана расположен на Талдинском месторождении, в 200 км от г. Кемерово. В этом году в Кузбассе планируется добыть 10 млн м³ газа. На Талдинской площадке действуют восемь скважин, которые уходят в середину угольных пластов на глубину около 1 км. По ним метан выкачивается на поверхность.
Пилотная установка по утилизации метана угольных пластов на базе газопоршневой электростанции JGC320 (производства GE Jenbacher) размещена на территории ООО «Газпром добыча Кузнецк» – дочернего подразделения ОАО «Газпром» (д. Жерново, Кемеровская обл.). ГПЭС эксплуатируется в тяжелых климатических условиях: расчетный вес снежного покрова для района составляет 240 кг/м², температура наружного воздуха – минус 39 °С, сейсмичность – 7 баллов. Реальная температура окружающего воздуха при запуске установки достигала минус 47 °С.
Заказчиком ГПЭС выступила Кузбасская энергосетевая компания, получившая под этот проект специальный кредит, организованный правительством Кемеровской обл. Губернатор области А.Г. Тулеев активно поддерживает мероприятия по утилизации угольного метана. Выступая на церемонии открытия 11 февраля 2011 г., он отметил, что технологии утилизации угольного метана позволяют сделать шахтерский труд более безопасным и дать угольным предприятиям дополнительный источник получения прибыли, решая при этом энергетические и экологические проблемы угольного региона.
Проектную документацию ГПЭС «Кемерово-1» электрической мощностью 1063 кВт подготовило ЗАО «Интма». Компания также поставила оборудование, выполнила инжиниринговые работы, монтаж, пусконаладку и ввод ГПЭС, обучение персонала станции. Заказчик – ООО «Кузбасская энергосетевая компания» выполнила строительные работы на площадке и проложила более 4 км линий электропередачи 6,3 кВ до ближайшей электрической подстанции.
Газопоршневая электростанция
ГПЭС включает в себя комплект контейнеров заводского изготовления – газопоршневую установку, трансформаторную подстанцию, помещение оператора. Основанием контейнера электростанции служат сборные железобетонные дорожные плиты по уплотненной щебеночной подготовке. Ограждающими конструкциями контейнера являются трехслойные сэндвич-панели с негорючим утеплителем по металлическому каркасу. Для кровли используются аналогичные панели с утеплителем по металлическим балкам.
Система газоснабжения
После системы газоподготовки – стабилизация концентрации метана на безопасном уровне (не менее 25 %), стабилизация давления, температуры и влажности, очистка от пыли – шахтный метан может применяться в газопоршневых двигателях как природный газ и многие другие виды горючих газов (табл. 1). Компания GE Jenbacher является мировым лидером в области утилизации сложных газов с применением газопоршневых агрегатов.
Подводящий газопровод среднего давления Ду100 к электростанции проложен на опорах высотой 1,0…2,5 м. Агрегат работает при давлении подводимого газа от 8 кПа. Газ к энергоблоку подается через газовую рампу, устанавливаемую внутри контейнера. Затем через гибкую вставку он поступает в газосмеситель двигателя, там перемешивается с воздухом и подается в турбонагнетатель. Воздух в газосмеситель поступает через фильтр со сменными фильтрующими патронами. Газовое оборудование, материалы и КИП соответствуют требованиям нормативно-технической документации, имеют сертификаты соответствия и разрешение Ростехнадзора к их применению.
Технологические решения
Конструктивно газопоршневой агрегат представляет собой один блок. Контейнер заводского изготовления с установленным в нем технологическим оборудованием имеет габариты 12,2х2,4х2,6 м. Это позволяет осуществлять его перевозку по автомобильным дорогам общего пользования. Проект обвязки энергоблока внутри контейнера и изготовление контейнерного агрегата выполнила компания GE Jenbacher. На весь контейнер в сборе полностью распространяется заводская гарантия. Сборка технологических элементов электростанции производилась на объекте.
В контейнере расположен газопоршневой двигатель J320 и генератор электрического тока 0,4 кВ, образующие единый агрегат. Двигатель-генератор JGC 320 GS-N.L установлен на общую раму через эластичные прокладки (Silomer). Сопряжение вала двигателя и генератора осуществляется упругой муфтой.
В контейнере энергоблока также находятся шкафы управления, газовая рампа, системы маслоснабжения, вентиляции, защиты и автоматики, технологические трубопроводы с запорно-регулирующей арматурой. На крыше энергоблока размещаются закрытые градирни системы охлаждения двигателя и системы поддержания температуры газовоздушной смеси, шумоглушитель выхлопных газов.
Газопоршневой привод
Двигатель внутреннего сгорания J320 – четырехтактный, 20-цилиндровый, высокоскоростной, с электроискровым зажиганием. В двигателе применена технология сжигания обедненной топливной смеси, позволяющая уменьшить содержание вредных веществ в выхлопных газах. Привод оснащен современной бесконтактной системой зажигания с электронным управлением и регулируемым временем воспламенения. Электронная система регулирования числа оборотов доводит их до заданного значения, обеспечивая постоянные обороты независимо от нагрузки генератора. Основные технические характеристики энергоблока представлены в табл. 2.
Для поддержания рабочей температуры в двигателе охлаждающая жидкость, заполняющая водяную рубашку, по трубопроводам циркулирует через аппарат воздушного охлаждения (АВО), установленный на крыше контейнера. АВО представляет собой радиатор с электроприводными вентиляторами.
Смазка элементов двигателя производится от единого масляного контура, который используется как для смазки движущихся деталей, так и для охлаждения поршней. Заправочный объем масла в двигателе – 342 литра. Механическим насосом масло забирается из масляной ванны и через систему охлаждения и очищающие фильтры подается в систему смазки, а также к форсункам охлаждения поршней двигателя. Смазка турбонагнетателя осуществляется от системы смазки двигателя через наружный трубопровод.
В контейнере агрегата размещаются два расходных маслобака по 300 л (свежего и рабочего масла), из которых автоматически пополняется уровень масла в двигателе в процессе его работы. Расход масла составляет примерно 0,3 г/кВт.ч. По специальному графику пробы масла отсылаются на анализ, и по его результатам оценивается состояние двигателя, определяются сроки замены масла.
Замкнутая система жидкостного охлаждения (рис.) предназначена для отвода тепла от блока цилиндров, газовоздушной смеси, турбонагнетателя и смазочного масла. Турбонагнетатель охлаждается тем же потоком жидкости, что и блок цилиндров. Смазочное масло охлаждается при прохождении жидкости через пластинчатый теплообменник (масло-вода), установленный на двигателе. В качестве охлаждающей жидкости используется смесь воды и антифриза.
Схема ГПЭС
Температура воздуха в помещении энергоблока поддерживается за счет использования приточной вентиляции. В отсеке управления контейнера находится шкаф вспомогательных систем (0,4 кВ) с зарядным устройством аккумуляторной батареи и шкаф управления.
Циркулирующий воздух в машинном помещении постоянно контролируется устройством предупреждения загазованности, не допуская опасной концентрации газов и взрывоопасности. Для предупреждения задымления используется система, оснащенная оптическим и электронным устройствами.
Для снижения уровня шума поток выхлопных газов проводится через шумоглушитель, установленный на крыше контейнера. Через встроенную в него выхлопную трубу газы выбрасываются в атмосферу.
Выдача электроэнергии в сеть
Электростанция синхронизирована с электрической сетью через подстанцию ЗАО «Усинское энергоуправление». Присоединение ГПЭС к энергосистеме выполнено через повышающий трансформатор 0,4/6,3 кВ к шинам 6 кВ подстанции «Восточная». Для подключения в параллельную работу с сетью применена система точной синхронизации.
ГПЭС подключается к сети при нулевой мощности, с постепенным ее наращиванием (темп набора мощности 0,2 % в секунду). Таким образом, система не «чувствует» подключения электростанции в параллель. В штатном режиме электростанция работает круглосуточно с номинальной нагрузкой, параллельно с сетью.
Система управления ГПЭС
GE Jenbacher поставляет полностью укомплектованную электростанцию с четвертым уровнем автоматизации, практически не требующую присутствия дежурного персонала. Система управления энергоустановкой и программное обеспечение координируют важнейшие параметры мини-ТЭС: число оборотов, мощность, состав топливной смеси, контроль процесса горения. Осуществляется непрерывный мониторинг состояния всех систем энергоустановки и анализ их изменений.
ГПЭС оснащена системой управления энергоблоком, обеспечивающей его запуск и останов в зависимости от нагрузки. Применение системы управления горением позволяет организовать устойчивую работу оборудования. Выбросы вредных веществ с отработавшими газами соответствуют нормам ГОСТ Р 51249-99: содержание NOx и СО при 5 %-м содержании О2 составляет не более 500 и 650 мг/м³ соответственно.
Рабочее место оператора находится в специальном отсеке в контейнере энергоблока. На экран оператора выводится функциональная сводка показаний рабочих параметров, высвечиваются все сообщения, в том числе аварийные. Обслуживание осуществляется через поля выбора экрана и функциональные клавиши.
Подсистема мониторинга и управления представлена программно-техническим комплексом GE Jenbacher DIA.NE Win. Она передает информацию по измерениям и состоянию всех узлов агрегата на рабочее место оператора.
Перспективы добычи угольного метана и расширение парка ГПЭС
Ввод газопоршневой электростанции существенно повысит надежность энергоснабжения потребителей. Планируется, что к 2020 году в Кузбассе будет пробурено 1200 скважин, а годовая добыча метана составит 4 млрд м³ – этот объем обеспечит потребности промышленности и домашних хозяйств области. Реализация проекта позволит повысить безопасность подземной добычи угля.
В ближайшие десять лет здесь планируется открыть 11 новых угольных предприятий – все они будут получать энергию от ГПЭС. Таким образом, применение газопоршневых электростанций на угольном метане устранит энергодефицит в самом крупном угольном районе Кузбасса – Ерунаковском и других районах этого региона.
Развивая направление утилизации угольного метана, группа компаний «Интма» заключила контракт на проектирование и поставку ГПЭС JGC 420 GS-N.L для первой в Казахстане электростанции, работающей на метане действующих угольных шахт. Станция будет построена на шахте им. Ленина компании «Арселор Миттал Темиртау».