Многотопливные и газопоршневые двигатели как резервные источники электроснабжения

Версия для печати

ДОКЛАД

для конференции «Альтернативные источники электроснабжения, экономия энергоресурсов в современном городе. Энергоэффективные здания вместо ветхого жилищного фонда.»

Многотопливные и газопоршневые двигатели как резервные источники электроснабжения.

В последнее десятилетие в европейской части России наметился процесс создания предприятиями и организациями независимых от РАО ЕЭС России автономных источников энергооснабжения. Вызвано это активным строительством крупных потребителей электрической и тепловой энергии, таких как: торговые центры, спортивные и культурно-развлекательные учреждения, объекты производства и переработки сельскохозяйственной продукции, небольшие промышленные предприятия, объекты жилищно-коммунального хозяйства.

При этом наблюдается как недостаток генерирующих мощностей централизованных сетей энергоснабжения, так и ненадежность централизованного электроснабжения, связанная с изношенностью оборудования. Также необходимо учитывать угрозу перебоев в энергоснабжении вследствие аварий, стихийных бедствий и техногенных катастроф.

Сбои в работе централизованных сетей энергоснабжения случаются часто. Скачки напряжения, периодические отключения и аварии могут стать причиной выхода из строя чувствительного и дорогостоящего оборудования, сбоям в работе информационных систем и систем безопасности.

Рост тарифов на электроэнергию, все более жесткие лимиты и нормативы потребления электроэнергии, проблемы с подключением к городским и поселковым инженерным сетям заставляет потребителей искать альтернативные источники электрической и тепловой энергии. В связи с этим прогнозируется увеличение к 2030 г. доли местных и индивидуальных источников энергии до 25÷30%.

В этой связи наблюдается устойчивый рост запросов на автономные энергоисточники единичной мощностью до 500 кВт. Много запросов поступает из центральных регионов России, в т.ч. Московской и Рязанской областей.

В настоящее время на рынке малой энергетики в мощностном диапазоне до 500 кВт предлагаются в основном два типа двигателей для электростанций – это дизельные двигатели и газопоршневые двигатели.

Рассмотрим преимущества и недостатки этих двигателей:

1.     Дизельные двигатели

Преимущества:

  • Простота подключения и эксплуатации;
  • Высокий моторесурс;
  • Высокая скорость приема нагрузки.

Недостатки:

  • Высокая стоимость дизельного топлива и, соответственно стоимость вырабатываемой электроэнергии, которая существенно выше, чем стоимость сетевой электроэнергии;

Электростанции на базе дизельных двигателей экономически рентабельно использовать лишь в качестве резервных источников электроснабжения периодического использования.

2.     Газовые моторы

Преимущества:

  • Низкая себестоимость вырабатываемой электроэнергии;

Недостатки:

  • Низкая скорость приемки нагрузки;
  • Неспособность работы на резкопеременные нагрузки;
  • Ограничение по величине мощности единичных подключаемых источников потребителя;
  • Реальная максимальная мощность двигателя существенно зависит от качества используемого газа и может быть меньше заявленной;
  • Необходимость получения разрешения на подключение к газовой магистрали, обоснование и безусловное использование квот на расход газа, что затрудняет их использование в качестве резервных источников электроэнергии.

Электростанции на базе газопоршневых двигателей экономически рентабельно использовать лишь в качестве постоянных источников электроснабжения на плавно изменяемую внешнюю нагрузку.

Используя накопленный опыт, ООО "Конвер" разработало и готово предложить компромиссный вариант электростанций, построенных на базе многотопливных двигателей:

1) Газодизель (двухтопливный двигатель), использующий в качестве основного топлива природный (попутный, сжиженный и т.д.) газ, а в качестве запального (10÷20%) – жидкое топливо;

2) Дизель, использующий вместо дизельного топлива более дешевое печное топливо, которое подается в топливную систему двигателя после подготовки в специальной установке.

Применение в электростанциях многотопливных двигателей позволяет значительно снизить себестоимость вырабатываемой электроэнергии при сохранении всех преимуществ дизельных двигателей по работе на резкопеременные нагрузки.

В качестве двигателя многотопливных электростанций в диапазоне мощности до 500 кВт были выбраны двигатели, производимые ОАО «Ярославский моторный завод» (далее ЯМЗ), имеющие необходимый ряд единичных мощностей от 100 кВт до 315 кВт.

Основными причинами выбора двигателей ЯМЗ стали следующие:

  1. Большая распространенность в России;
  2. Существенно меньшая стоимость по сравнению с аналогичными импортными двигателями;
  3. Простота конструкции и низкая стоимость обслуживания;
  4. Широкая сеть магазинов запчастей и сервисов технического обслуживания.
  5. Возможность модернизации в многотопливный двигатель.

Для опробования решений по переводу двигателей ЯМЗ на альтернативное топливо, в рамках опытно-конструкторских работ специалистами ООО «Конвер» были проведены испытания адаптированного дизельного двигателя ЯМЗ-238Д при использовании в качестве топлива “сырой” нефти. В результате испытаний были подобраны и уточнены основные регулировки двигателя, доработана штатная схема топливоподачи, разработана и реализована комбинированная система подачи дизельного топлива и «сырой» нефти, проведены сравнительные испытания моторных масел.

По результатам испытаний были сделаны следующие выводы:

  • Работа дизельного двигателей ЯМЗ-238 при использовании в качестве топлива «сырой» нефти возможна без внесения кардинальных изменений в его конструкцию;
  • Характеристики работы двигателя ЯМЗ-238 при работе на дизельном топливе и «сырой» нефти существенно не отличаются;
  • Для работы двигателей ЯМЗ-238 на «сырой» нефти в обязательном порядке необходимо использовать блок подготовки нефти;
  • Работа двигателя ЯМЗ-238 на «сырой» нефти требует применения моторных масел с повышенным щелочным запасом.

Использование «сырой» нефти в качестве топлива актуально в нефтедобывающих регионах. Для центрального региона России заменой нефти может служить темное печное топливо или легкие сорта мазутов, которые более чем в два раза дешевле дизельного топлива.

Для подготовки альтернативных топлив таких как "сырая" нефть и печное топливо разработан блок подготовки топлива, в котором осуществляется доведение технологических параметров топлива до требуемых топливными системами двигателей ЯМЗ. Блок подготовки топлива разработан с учетом опыта эксплуатации установок подготовки нефти, показавших высокую надежность в тяжелых условиях эксплуатации в удаленных районах Сибири и Якутии.

Печное топливо, прошедшее подготовку в блоке подготовки топлива, может быть также использовано для питания мини-котельных работающих на жидком топливе. Тонкость фильтрации в блоке подготовки позволяет использовать очищенное печное топливо для горелок мощностью менее 1 МВт у которых имеются жесткие требования по максимальному размеру механических примесей, содержащихся в топливе.

Далее приводится сравнительный расчет стоимости электроэнергии, вырабатываемой электростанциями, в которых в качестве двигателей используются как традиционные – дизельные двигатели и газопоршневые двигатели, так и многотопливные двигатели, переоборудованные по технологии ООО «Конвер».

Расчет производился из условий непрерывной годовой эксплуатации электростанций (наработка в год – 7008 часов) с коэффициентом использования мощности – 0,85 с учетом эксплуатационных затрат на техническое обслуживание и ремонт оборудования. В расчете не учтены затраты на обслуживающий персонал электростанций.

Сравнительный расчет стоимости электроэнергии и сроков окупаемости электростанций, использующих для работы различные топлива, выполнен на примере электростанций 200 кВт в контейнерном исполнении. Это наиболее дорогой вариант исполнения, полной заводской готовности, позволяющий с минимальными затратами на месте установки запустить электростанцию.

По результатам расчета можно сделать выводы:

1) текущая стоимость энергоносителей такова, что использование дизельного топлива экономически оправдано только в том случае, когда на объекте нет газообразного топлива, а электростанция используется в качестве аварийного источника электроснабжения или для покрытия кратковременных пиков потребляемой мощности.

2) замена дизельного топлива печным топливом позволяет существенно сократить расходы на эксплуатацию дизельной электростанции, несмотря на необходимость дополнительных расходов по адаптации двигателя и приобретения блока подготовки топлива.

3) в тех случаях, когда имеется газ, но вместе с тем есть жесткие требования по работе в условиях резкопеременных нагрузок, с большими колебаниями мощности, решением проблемы может стать многотопливный двигатель.

Для удовлетворения потребностей в автономных источниках электроснабжения ООО "Конвер" предлагает:

1. Поставить новые электростанции в различных вариантах исполнения (контейнерном, капотном, в имеющемся или вновь возводимом легком здании), использующие в качестве топлива:

– дизельное топливо;

– газообразное топливо;

– печное топливо, прошедшее подготовку в блоке подготовки топлива;

– газообразное топливо + запальная доза жидкого топлива (дизельное или печное);

2. Переоборудовать дизельные электростанции, имеющееся у Заказчика, для работы на печном топливе или для работы в газо-жидкостном цикле.
3. Поставить блок подготовки топлива для работы двигателя на печном топливе
4. Сопровождение поставленной продукции на всех этапах внедрения и эксплуатации:

– пуско-наладочные работы;

– шеф-монтаж поставленного оборудования;

– обучение обслуживающего персонала;

– техническое обслуживание и ремонт поставленного оборудования;

– поставка запасных частей;

– организация сервисного обслуживания;

Для покрытия потребности в тепловой энергии электростанции могут быть укомплектованы системой утилизации технологического тепла, которая в режиме когенерации может вырабатывать тепловую энергию, а в режиме тригенерации холод. Системы утилизации тепла позволяют увеличить КПД двигатель-генератора по использованию химической энергии топлива с 30÷40% (электрическая энергия) до 70÷85% (электрическая и тепловая энергия).

Габаритные размеры и масса единичных электростанций в контейнерном исполнении, без системы утилизации тепла, ДхШхВ:

– серии ЭК-100 (мощностью 100 кВт): 4500x2350x2500 мм; Масса 4850 кг.

– серии ЭК-200 (мощностью 200 кВт): 4500x2350x2500 мм; Масса 5850 кг.

– серии ЭК-315 (мощностью 315 кВт): 5000x2350x2500 мм; Масса 7450 кг.

Габаритные размеры и масса блока подготовки топлива, ДхШхВ:

– в контейнерном исполнении 2700х1800х2500 мм. Масса 1740 кг;

– в капотном исполнении 2500x800x1500 мм. Масса 600 кг.

Для мини-котельных работающих на жидком топливе предлагается блок подготовки тотлива, позволяющий заменить дизельное топливо значительно более дешевым печным топливом.