Газопоршневая электростанция для высокотехнологичного производства компании AMD

Американская компания AMD (American Micro Devices) построила в Дрездене новый завод по производству компьютерных процессоров. На его территории в 2005 году создан Центр энергоснабжения, который в течение 15 лет будет осуществлять электро- тепло- и холодоснабжение предприятия с соблюдением высоких параметров качества энергии.

На производственной площади дрезденского завода AMD (Fab 36) изготавливаются 64-битные высокопроизводительные микропроцессоры Х86 на базе ЗОО-мм кремниевых пластин. Процесс изготовления кремниевых кристаллов осуществляется в сотни технологических этапов и занимает несколько недель. Всё оборудование для их производства имеет компьютерное управление, особо чувствительное к малейшим колебаниям напряжения. Поэтому качество и надежность энергоснабжения должны быть безупречны. Скачок напряжения продолжительностью всего долю секунды может привести к сбою или даже аварийному отключению оборудования. Следствием этого неизбежно будут многомиллионные убытки.
Генераторы газопоршневых агрегатов должны не только безотказно вырабатывать электроэнергию, но и поддерживать отклонения от заданных значений частоты и напряжения в очень жёстких пределах.
Газопоршневые агрегаты для Центра энергоснабжения (EVC II), который расположен на территории завода Fab 36, поставила компания DEUTZ Power Systems GmbH & Co. KG (г. Мангейм). Генераторы разработаны и изготовлены концерном AVK. С апреля 2005 года все агрегаты, созданные на базе 16-цилиндровых двигателей TCG2032V16, находятся в режиме непрерывной эксплуатации.
В здании электростанции установлено шесть агрегатов общей электрической мощностью 24 МВт.
В режиме базовой нагрузки работают только четыре агрегата. Пятый агрегат автоматически запускается при пиковых нагрузках, шестой является резервным (для проведения техобслуживания и регламентных работ на одном из агрегатов).
Заказчиком были выдвинуты три основных требования для обеспечения энергоснабжения завода: электро-, тепло- и холодоснабжение с соблюдением очень высоких параметров качества энергии.
Согласно техническому заданию, отклонение напряжения от номинального значения не должно превышать 8%, отклонение по частоте – не более 1%, сбои в электроснабжении полностью исключены. Это требование обеспечивается за счет применения двух секций с номинальным напряжением 20 кВ и распределительного устройства.
Через секцию HQ-SS потребитель непосредственно снабжается электроэнергией, которую вырабатывают газопоршневые энергоблоки. Через внешнюю секцию NS-SS поставляется электроэнергия из общей сети электроснабжения. Между двумя секциями установлены четыре динамических источника бесперебойного питания (ИБП) компании RWE Piller GmbH, в которых применено устройство сохранения кинетической энергии Piller Powerbridge. Накопленная маховиком кинетическая энергия используется для компенсации при «пропадании» напряжения или при недопустимых отклонениях характеристик входной электросети.
Устройство Powerbridge способно аккумулировать до 16,5 МВт энергии и обеспечить автономную работу оборудования при полной нагрузке в интервале до 57 секунд. Этого времени достаточно для устранения перебоев в электропитании.
При нормальном режиме работы системы электрическая машина ИБП раскручивается входящим в ее состав электродвигателем, работающим от внешней электросети. Оборудование запитывается от электрогенератора ИБП через соединительный дроссель.
С высокими параметрами качества должна быть не только производимая электроэнергия – тепловая энергия, утилизируемая газопоршневыми агрегатами в виде горячей воды, также не должна иметь отклонений от заданной температуры более чем на 2 °С.
Тепловая энергия от выхлопных газов и от охлаждения двигателей используется для выработки горячей воды и пара. Горячая вода подается на одноступенчатую абсорбционную холодильную установку и проходит через теплообменник. Вода на выходе из теплообменника, имеющая температуру 80 °С, используется для обогрева помещения, а также для нагревания очищенной воды.
Теплая вода (32 °С) используется для подогрева поданного снаружи воздуха, осушается он при помощи холодной воды температурой 5 °С. Холодная вода с температурой 11 °С используется для охлаждения воздуха в камере очистки.
Пар приводит в работу двухступенчатую абсорбционную холодильную установку. При необходимости производится дополнительное количество пара с помощью газовых котлов (изготовленных фирмой Loos Deutschland GmbH). Дополнительное производство холода осуществляется четырьмя компрессорными холодильными установками (поставлены компанией York Deutschland GmbH). Все установки могут подключаться к 5-и или 11-градусному контуру холодной воды. Чтобы повысить общую эффективность энергетического цикла, для производства теплой воды температурой 32 °С дополнительно используется энергия охлажденной воды холодильной установки, циркулирующей по замкнутому циклу.

Современные двигатели Deutz

Принцип работы двигателя Deutz серии TCG2032 основан на цикле Миллера. В результате перехода от цикла Отто к циклу Миллера удалось достигнуть электрического КПД выше 42%. Целью этого цикла является в основном получение более благоприятных температурных характеристик для сжатия топливовоздушной смеси.
За счет этого улучшается тепловой баланс цилиндра и обеспечивается возможность получения более высоких степеней сжатия, что непосредственно ведет к повышению КПД.
При работе по циклу Миллера впускные клапаны закрываются перед достижением поршня нижней мертвой точки, вызывая при этом расширение топливовоздушной смеси внутри цилиндра до того как он перейдет в ход сжатия. При расширении топливной смеси температура газов снижается, и смесь охлаждается, отбирая также тепло от наиболее горячих частей камеры сгорания.
Поскольку сжатие начинается при более низкой температуре, возможен переход к более высокой степени сжатия, что непосредственно ведет к повышению КПД.
Необходимо отметить некоторые технические особенности и ноу-хау газопоршневых агрегатов Deutz:
1.    Технически усовершенствована антидетонационная система.
Как и система зажигания Altronic Deutz, она работает индивидуально для каждого цилиндра, момент зажигания которого устанавливается также индивидуально. Это является необычным для энергоустановок подобного типа. При работе на специальных газах, например на газе угольных шахт, когда с метаном в больших объемах в систему попадает воздух, предусмотрено автоматическое регулирование притока воздуха в газосмесителе Vario Deutz. При использовании этого смесителя не имеет значения, всасывается ли воздух для горения через воздушные фильтры или поступает с газом. Другими словами, независимо от того, содержит шахтный газ воздух или примеси других газов, соотношение компонентов топливовоздушной смеси остается неизменным.
2.    Свечи зажигания обеспечивают надежное зажигание обедненных смесей.
В их конструкции сохранены преимущества форкамерной технологии, но исключены ее недостатки. Смесь попадает в капсульный конец свечи и загорается там даже при относительно низкой температуре воспламенения. Возникающий плазменный факел вырывается из капсулы через пять отверстий, обеспечивающих надежный и равномерный фронт горения в камере сгорания.
Открытая камера сгорания, в отличие от форкамерной системы, проста в обслуживании и имеет значительно меньший термический износ. Она обеспечивает меньшие выбросы NOx благодаря более низким температурам горения и лучшему распространению пламени. Срок службы свечей зажигания увеличился до 6-8 тыс. часов работы. Свечи зажигания оснащены интегрированным кабелем, что исключает проблемы в штекерном соединении.
3.    Система управления TEM-Evo оперативно реагирует на изменения в составе газа. Она измеряет в каждом цилиндре температуру горения топливовоздушной смеси, которая является одним из основных термодинамических параметров и непосредственно воздействует на соотношение компонентов топливной смеси.
Такие параметры для управления двигателем, как давление наддува, температура или состав выхлопных газов, используемые другими производителям, дают только косвенные сведения о процессе горения. Поэтому определение температуры горения непосредственно в цилиндре, а также управление каждым отдельным цилиндром в двигателях Deutz является важным достижением в технологии производства газовых двигателей.
В системе управления TEM-Evo реализованы все функции регулирования, контроля и визуализации работы газопоршневого агрегата и всех непосредственно связанных с ним систем. С помощью устройства визуализации, оснащенного полноцветным сенсорным графическим дисплеем диагональю около 25 см, обеспечивается доступ ко всем функциям. Тщательно продуманная концепция управления энергоблоком, в которой задействовано только 12 функциональных клавиш, ориентирована на пользователя.
Обеспечивается регистрация до 84 измеряемых значений, при этом существует возможность просмотра параметров работы агрегата как в табулярном, так и в графическом виде, с одновременным выводом до 18 кривых на одном графике. Система TEM-Evo осуществляет архивирование в трех режимах:
•    по рабочему циклу: мгновенная регистрация значений в каждом рабочем цикле (1 рабочий цикл – 2 оборота коленвала);
•    за шесть минут: мгновенная регистрация значений ежесекундно;
•    за сорок часов: регистрация средних значении каждые шесть минут.
АСУ ТП верхнего уровня позволяет таким образом эксплуатировать оборудование в автоматическом режиме при минимальном количестве обслуживающего персонала.
Двигатели, на базе которых созданы агрегаты серии TCG 2032, имеют на 30% меньше деталей, чем конкурентные модели, что сокращает время и затраты на техническое обслуживание. Электрический КПД агрегатов достигает 42%, удельный расход синтетического масла снижен до 0,2 г/кВт•ч. Отсутствие фор-камер позволяет работать на низком давлении газа – 5...20 кПа, что исключает затраты на вторую газовую магистраль для каждого двигателя. Нет также необходимости в компрессорном оборудовании и ресиверах.
Современная концепция технического обслуживания – головка, вкладыш, система охлаждения, поршень и шатун собраны в едином блоке – гарантирует простоту замены и обслуживания. Капитальный ремонт двигателя производится после 64 тыс. часов эксплуатации.
Агрегат имеет компактные габаритные размеры, пониженный уровень шума, высокую удельную мощность на единицу веса. Уровень содержания вредных веществ в выхлопе удовлетворяет европейским стандартам ТА Luft-2002 (Германия) и Environmental Protection (Великобритания), допускающим уровень выбросов NOx не более 200 мг/м3. Для этого в системе выхлопа применяется система каталитического подавления выбросов вредных веществ.
К 2008 году фирма DEUTZ планирует реализовать ещё несколько подобных проектов в г. Дрездене как для энергоснабжения самого города, так и для очередных производств компании AMD. Турбины и Дизели