Ю.В. Кромин – ОАО «Звезда-Энергетика»

В настоящее время электростанции на базе газопоршневых двигателей являются востребованным источником постоянного энергоснабжения нефтегазовых промыслов. У них есть ряд преимуществ перед дизельными и газотурбинными приводами. В частности, устраняется необходимость доставки дизельного топлива в удаленные районы нефте- и газодобычи. Газопоршневые двигатели в диапазоне мощности до 3 МВт имеют более высокий КПД по сравнению с газовыми турбинами, приспособлены для работы на частичных нагрузках. Кроме того, они менее подвержены влиянию высокой температуры окружающего воздуха, и их проектный срок службы в 2 раза больше, чем у газовых турбин.
Газопоршневые, двигатели производит ряд компаний в России и за рубежом – Коломенский завод, УДМЗ, Волжский дизель им. Маминых, Звезда, Cummins, Waukesha, Wartsila, GE Energy Jenbacher gas engines и др.
ОАО «Звезда-Энергетика» изготавливает автономные электростанции на основе газопоршневых двигателей Cummins. Двигатели стандартного исполнения QSV81/91 проектировались и создавались специально для работы на газовом топливе. Они работают со среднеэффективным давлением 1,4 МПа. Время наработки до первой переборки составляет 60 тыс. часов.
Без потери мощности двигатели работают с минимальным метановым индексом 52. При значении метанового индекса 39 мощность двигателя QSV91G снижается до 1000 кВт.

Конструктивные особенности газопоршневых двигателей

При работе двигателя на газовом топливе необходима установка специальной системы подготовки и подачи топлива, которое проходит через фильтры и регулятор давления. На выходе давление газа составляет 15...22,5 кПа. Далее в смесителе газ в необходимой пропорции смешивается с воздухом, поступает в турбонагнетатели и распределяется по цилиндрам.
Двигатель-генератор оснащен электронной системой управления и контроля. В панели управления генератора блок контроля Power Command (PCS) регулирует напряжение и ток. При параллельной работе с сетью он выполняет такие функции, как синхронизация, распределение мощности реактивной нагрузки, управление нагрузкой при работе одной или нескольких установок, аварийное отключение и т.д.
Интерфейс человек-машина (HMI) контролирует генераторную установку. Программируемый логический контроллер определяет режим работы двигателя – запуск, аварийную остановку или контролируемое отключение, а также управляет вспомогательными системами.
Блок МСМ700 управляет двигателем и контролирует систему «топливо-воздух» и систему зажигания. Модуль CENSE измеряет температуру отработавших газов.

Параметры дизелей и газопоршневых двигателей

При использовании в поршневых двигателях различных видов топлива – жидкого и газообразного – необходимо вносить в конструкцию двигателя соответствующие изменения. Перевод дизеля на газовое топливо влияет на его основные параметры, в том числе на степень сжатия, среднее эффективное давление и, как следствие, на агрегатную мощность. В газопоршневом двигателе величина степени сжатия зависит от содержания в топливном газе метана, который обладает наилучшими антидетонационными свойствами. Малое значение метанового индекса ограничивает величину степени сжатия. Попутный (нефтяной) газ, как правило, требует дополнительной очистки.
Двигатели Cummins при теплотворной способности топлива 30 МДж/м3 и значениях метанового индекса от максимального до 70 выпускаются со степенью сжатия 14,5; при значениях от 69 до 60 – 11,4; от 59 до 52 – 10,5. Величина агрегатной мощности при степени сжатия 10,5 – снижается. Для ряда модификаций дизелей существуют варианты со степенью сжатия до 8,5.
За счет повышения параметров рабочего процесса конструкция дизелей обеспечивает высокие значения среднего эффективного давления (наддув, высокая степень сжатия, хорошее смесеобразование). При конвертировании дизелей в газопоршневые двигатели при сохранении размерности (диаметр, ход поршня) агрегатная мощность снижается.

Применение двухтопливной системы

Использование газового топлива для двигателей внутреннего сгорания обеспечивает значительное сокращение расходов на топливо и, следовательно, эксплуатационных расходов.
Необходимо отметить, что переоборудование дизелей в газодизели, в которых жидкое топливо используется только как запальное, сопровождается изменениями основных параметров в связи с особенностями горения топливных газов.
В этом случае должны быть две системы хранения и подачи топлива, топливоподготовки (с необходимыми трубопроводами, фильтрами), топливоподачи в цилиндры. Дизельное топливо может использоваться вместе с газовым в различных пропорциях.
Компанией Altronic разработана двухтопливная система, которая позволяет без конструктивных изменений в дизеле дополнить топливную систему комплектующими для применения газового топлива. При этом необходима согласованная работа топливных систем.
Совместное применение дизельного и газового топлива возможно только в пределах мощностного диапазона 0,3...0,75. Чтобы сохранить величину агрегатной мощности равной мощности дизеля при нагрузке свыше 0,75 от номинальной, двигатель работает на дизельном топливе. На малых нагрузках – от 0,3 и менее – для обеспечения работоспособности двигателя также используется дизельное топливо. Система управления автоматизирована и обеспечивает своевременный контроль и возможность аварийного отключения. Выполняется функция учета времени работы в двухтопливном режиме.
В связи с оборудованием двойной системой топливоподачи надежность газодизельных двигателей ниже, чем дизельных и газопоршневых. Следует учитывать также, что проведение ремонтных работ требует привлечения специалистов как по газотопливной аппаратуре, так и по дизельной. Кроме того, стоимость такого двигателя в сравнении с дизельным такой же агрегатной мощности – выше на 10...15%.
Выбор типа энергетической установки электростанции, оборудованной двухтопливной системой топливоподачи, должен выполняться с учетом конкретных условий эксплуатации.
Компанией Wartsila разработана система «топливных долей», позволяющая в автоматическом режиме регулировать подачу жидкого и газового топлива. Система испытана на среднеоборотных двигателях типа 16V32LNGD.

Двигатели с системой когенерации

Создание и производство когенерационных установок, обеспечивающих выработку энергии и утилизацию отводимого тепла для теплоснабжения или привода паровой турбины, является одним из главных способов повышения эффективности энергоустановок. Общий КПД когенерационной установки с учетом использования отводимого тепла может достигать 90%.
Температура выхлопных газов после турбонагнетателя, в зависимости от степени форсирования двигателя, составляет 330...380 °С. В производстве ОАО «ОРМА» находятся паровые котлы-утилизаторы с доукомплектованием паросиловой установкой.

Использование попутного нефтяного газа

Одним из перспективных направлений деятельности компании «Звезда-Энергетика» является создание установок, работающих на попутном газе. Попутный газ применяется для работы газопоршневых двигателей после предварительной подготовки – очистки его от механических примесей, аэрозольных составляющих. В ряде случаев требуется повышение метанового индекса.
На Ярайнерском месторождении была применена система тонкой очистки Dollinger. Использовались также блоки очистки производства предприятия «Нефтемаш» [1]. На одном и том же месторождении значение метанового индекса попутного газа может изменяться. При метановом индексе 45 мощность снижается с 1500 до 1315 кВт, при индексе 39 – до 1000 кВт.
Работа газопоршневых двигателей рассчитывается с указанием величины метанового индекса топливного газа – таким образом, определяется минимальное содержание метана для нормальной работы. При использовании метана для полного его сгорания в цилиндре необходимо определенное количество воздуха. Наличие в топливном газе примесей пропана и более тяжелых углеводородов требует для полного сгорания увеличения подачи воздуха в цилиндры двигателя.
Начиная с определенного уровня концентрации тяжелых углеводородов турбонагнетатели не обеспечивают подачи воздуха для полного сгорания топливного газа. Следствие неполного сгорания – закоксование ряда деталей и газовыхлопа. Для полного сгорания необходим определенный временной интервал. Установленный ход поршня дает возможность топливному газу с нормативными параметрами выгореть полностью. Для тяжелых углеводородов требуется больше времени, что также вызывает неполное сгорание с соответствующими последствиями.
Применение топливного газа в газопоршневых двигателях с содержанием тяжелых углеводородов свыше допустимых норм приведет к сокращению межремонтных интервалов и преждевременному выходу двигателя из строя. Компания «Монолит» разработала концепцию утилизации попутного газа с использованием продуктов его переработки. В качестве конечных продуктов рассматриваются: пропан-бутан, стабильный газовый бензин и «сухой» метан. Переработку попутного нефтяного газа предлагается осуществлять с помощью технологии низкотемпературного газоразделения.
Необходимо отметить перспективы использования других газов в качестве топлива для газопоршневых электростанций, например сжиженного природного газа. Разработка и совершенствование малогабаритных установок сжижения попутного и природного газа позволит использовать в местах газодобычи топливный газ с высоким метановым индексом. Крайне важен экономический и экологический аспект добычи и использования шахтного газа. Одним из самых перспективных энергоносителей является биогаз, синтезированный из органических продуктов и отходов (жидкий навоз, зерновые остатки, масличные и сахаросодержащие культуры), промышленных и бытовых отходов, древесины и т.д.

Надежность двигателей

Стандартные мощности энергоблоков определяются согласно ISO 8528: длительная (СОР), первичная и ограниченная по времени мощность. СОР – это мощность, которую газопоршневая установка способна вырабатывать постоянно в течение неограниченного количества часов в год между интервалами обслуживания.
При стандартной мощности для газопоршневых двигателей Cummins плановые осмотры и ремонты выполняются через определенное количество моточасов: 1500, 3000, 6000, 15000, 30000 и 60000 часов (капитальный ремонт).
Газопоршневые двигатели, по сравнению с дизелями, имеют большую наработку между плановыми осмотрами и ремонтами как за счет снижения уровня форсирования, так и за счет применения топливного газа.
На длительность межремонтной наработки влияют такие факторы, как отличие реального спектра нагрузок от стандартного, качество топливного газа (особенно величина метанового индекса), режимы работы, а также условия окружающей среды. С учетом их влияния межремонтные интервалы могут быть изменены. Разработаны способы расчета реально израсходованных и остаточных ресурсов ГПД в зависимости от особенностей эксплуатации.
В 2001 г. в США разработана и запущена в действие программа ARES (Advanced Reciprocating Engine Systems), участниками которой являются три ведущих производителя газопоршневых двигателей – компании Cummins, Caterpillar и Waukesha.
Поддержку программы осуществляет ряд университетов и государственных научно-исследовательских лабораторий США. Конечной целью программы к 2010 году является вывод на рынок энергетических установок на базе газопоршневых двигателей с КПД 50% в простом цикле и более 90% – в когенерационном [2].

ГПЭС компании «Звезда-Энергетика»

Компания осуществляет полный комплекс услуг по возведению энергообъектов любой степени сложности. Одно из ключевых направлений деятельности – проектирование, поставка и строительство под ключ электростанций, работающих на природном и попутном нефтяном газе. ОАО «Звезда-Энергетика» производит и строит газопоршневые установки следующих типов:
•    блочно-контейнерные электростанции. Массогабаритные характеристики позволяют транспортировать станции практически любым видом транспорта, а конструктивное исполнение дает возможность использовать их как на Крайнем Севере, так и в пустыне. Блочно-контейнерные ГПЭС готовы к эксплуатации и требуют лишь возведения фундамента упрощенной конструкции. Каждая станция оснащена системами пожарной сигнализации и автоматического пожаротушения. Системы автоматики, которыми оснащается станция, позволяют сократить количество обслуживающего персонала до минимума.
•    модульные электростанции и мини-ТЭС. Они выполнены на базе блочно-контейнерных ГПЭС с добавлением модулей различного назначения – закрытых распределительных устройств, диспетчерских помещений, тепловых пунктов, котельных и т.д. Мини-ТЭС оснащены системой когенерации и обеспечивают потребителей одновременно электрической и тепловой энергией. Это существенно сокращает срок окупаемости энергообъекта, позволяя сэкономить значительные материальные ресурсы.
•    стационарные электростанции и мини-ТЭС. Обычно они располагаются в зданиях из легкосборных конструкций. Имеют широкий диапазон использования – от независимого электро- и теплоснабжения жилых микрорайонов, торговых центров, спортивных сооружений до электроснабжения нефтепромыслов.
Компания «Звезда-Энергетика» успешно реализовала ряд крупных проектов по строительству газопоршневых установок для нефтегазодобывающей отрасли и промышленных предприятий, в том числе оснащенных системами когенерации. Суммарная электрическая мощность ГПЭС, построенных за время деятельности, составляет около 95 МВт, из них 50 МВт – мощность станций, работающих на попутном газе:
•    многоагрегатная модульная электростанция общей мощностью 12 МВт для нужд Кирско-Коттынского месторождения, Башнефть. Электростанция сдана в эксплуатацию в августе 2007 года. В ее состав вошли 8 газопоршневых энергоблоков Звезда-ГП-1500ВК-02М3 мощностью по 1,5 МВт.
•    электростанция мощностью 7,5 МВт для Средне-Хулымского месторождения (ОАО «РИТЭК»). Газопоршневая электростанция состоит из пяти энергоблоков Звезда-ГП-1500ВК, работающих на попутном газе с метановым индексом 53. В рамках расширения энергоснабжения месторождения компания приступила к строительству еще одной газопоршневой электростанции такой же мощности, которая будет иметь контейнерное исполнение. В качестве привода применены двигатели QSV91G компании Cummins. Топливом является попутный нефтяной газ, добываемый на месторождении (метановый индекс 52).
•    газопоршневая электростанция на КС «Жирновская» для ОАО «Газпром» электрической мощностью 3,9 МВт и тепловой – 4,5 МВт. Для реализации этого проекта поставлены три энергоблока Звезда-ГП-1300ВК-02М3 общей мощностью 3900 кВт и аварийная дизельная электростанция на 630 кВт. Энергоблоки созданы на базе двигателей Cummins QSK 60G и оснащены системой утилизации тепла, что позволяет дополнительно к электрической получать 4,5 МВт тепловой энергии. ГПЭС обеспечивает энергией инфраструктуру компрессорной станции.

Использованная литература

1.    Е.А. Демин, А.В. Олимпиев, Л.А.Пономарев, В.И. Михайлов. Выбор привода для электростанций, использующих попутный нефтяной газ/ Турбины и дизели. 2006, №2.
2.    А.А. Троицкий. Программа ARES – завершен первый этап/Турбины и дизели. 2006, №2.