И. В. Жаров – ЗАО «ВАДО Интернейшенел СНГ»
A.С. Веселков, А.А. Кигель – ОАО «Кировский ордена Отечественной войны I степени комбинат искусственных кож»
B.А. Матанцев – ОАО «НИПИ БиотИн» (г. Киров)

Недостаток генерирующих мощностей в Кировской области, рост тарифов и ограничения в часы максимумов вызвали необходимость установки на Кировском комбинате искусственных кож собственной газопоршневой ТЭС.

Главными задачами проекта являлись повышение экономичности комбината и надежности электроснабжения в часы максимальных нагрузок (в дневное время – на уровне 6,5 МВт).
Энергосистема последние два года постоянно увеличивала тарифы на электроэнергию. В Кировской области вырабатывается незначительное количество энергии – практически вся она покупная, и электроснабжение комбината, учитывая объемы его производства, в любой момент могло быть ограничено. В результате ввода агрегата в эксплуатацию снизилась зависимость от лимитирования потребления электроэнергии – за счет возможности сглаживать пики нагрузок. Это улучшило ритмичность производства, повысилась энергобезопасность предприятия. Приближение источника тепловой энергии к потребителям позволило существенно снизить потери в теплотрассах.
С введением нового энергоблока повысилась также и надежность энергосистемы: в случае аварии на Кировской ТЭЦ-1 агрегат может быть использован для аварийного запуска станции.
Реализация проекта началась в конце 2005 года. Заказчик отдал предпочтение оборудованию производства компании Deutz Power Systems – благодаря более высокому КПД, низкому расходу масла на угар, высокому уровню автоматизации, низкому удельному весу и традиционно высокому немецкому качеству.
Стоимость станции составила около 30 млн рублей, из них порядка 60% – стоимость газопоршневого оборудования и 40% – затраты на вспомогательное оборудование, проектирование, строительство. Под данный проект комбинат выиграл конкурс на получение целевого кредита от областной администрации, который проводился в рамках программы по внедрению энергосберегающих технологий на предприятиях области. Администрация Кировской области рассматривала станцию как пилотный проект, по результатам работы которой можно решать вопрос об оснащении муниципальных организаций газопоршневыми ТЭС.
Проектирование станции выполнил НИПИ «БиотИн» (Научно-исследовательский и проектный институт биотехнологической продукции). Проект был выполнен в полном объеме – технологическая, архитектурно-строительная части: водопровод и канализация, автоматизация технологических процессов, отопление и вентиляция, пожарная сигнализация и др.
НИПИ «БиотИн» впервые проектировал газопоршневую электростанцию, специализируясь в основном на проектировании станций на базе дизельных агрегатов и противодавленческих турбин. Подробнейшая документация, а также заинтересованное отношение всех участников этого пилотного для Кировской области проекта позволили оперативно решать все возникающие вопросы. Институт планирует и в дальнейшем активно участвовать в IPP-проектах, особенно с применением биогаза различного происхождения, поскольку у потенциальных строителей мини-ТЭС будут возникать серьезные трудности из-за планируемого роста цен на природный газ.
Предприятие выполнило монтаж своими силами, с привлечением специалистов НИПИ «БиотИн». Отсутствие специализированных монтажных организаций в регионе, относительно жесткие требования производителя к монтажу (качеству труб, сварки, прокладки кабелей и т.д.) создавали определенные трудности при строительстве станции. Но все проблемы были разрешены в ходе шефмонтажных работ, проведенных специалистами сервисной службы ЗАО «ВАДО Интернейшенел СНГ».
Исполнение станции – стационарное, она расположена в пристройке к зданию цеха. ТЭС создана на базе агрегата Deutz TBG620V16K электрической мощностью 1353 кВт и тепловой – 1550 кВт. Синхронный генератор – AVK DIG 120 i/4, выходное напряжение 6,3 кВ. Объем поставки включал автоматику для параллельной работы с внешней сетью.
В основе агрегата TBG620V16K – современный 4-тактный 16-цилиндровый V-образный двигатель с водяным охлаждением и турбонаддувом газовоздушной смеси, работающий на обедненной смеси по циклу Отто.
Двигатель имеет цельнометаллический чугунный картер с вентиляцией через масляный сепаратор. Индивидуальные головки цилиндров (с 4 клапанами на цилиндр) изготовлены из специального чугуна. Конфигурация камеры сгорания имеет специальную конструкцию для оптимального смесеобразования.
Высоковольтная система зажигания оснащена микропроцессорным управлением и низковольтным распределителем. На каждый цилиндр установлено по одной катушке зажигания, без подвижных контактов и трущихся частей. Момент зажигания – варьируемый, его распределение происходит с помощью процессора (коммутатора). В двигателе применены высокоресурсные свечи зажигания, разработанные специально для промышленных приводов.
Система управления осуществляет контроль над детонационными сенсорами каждого цилиндра. Обеспечен бездетонационный режим работы при максимально высокой мощности, с высоким КПД при стабилизации граничных значений содержания вредных веществ в выхлопе.
Воздух в газосмеситель подается через фильтр, газ – через газовую рампу, затем в газосмесителе регулируется соотношение количества газа и воздуха. Турбонагнетатель с приводом от выхлопных газов обеспечивает необходимое давление газовоздушной смеси. Охлаждение газовоздушной смеси осуществляется в 2-ступенчатом охладителе.
Система смазки двигателя – циркуляционная, под давлением, с помощью шестеренчатого насоса. Теплообменник смазочного масла встроен в систему охлаждения двигателя. Смазочное масло автоматически добавляется в масляный поддон картера по сигналу от датчика уровня масла, расположенного в картере двигателя, посредством управления электромагнитными клапанами и насосом свежего масла. Резервуары для масла также оснащены датчиками для контроля уровня масла (min/max). Замена масла осуществляется по программе, полностью в автоматическом режиме.
Двигатель и генератор установлены на профилированную и жесткую основную раму, которая смонтирована на фундаменте, на демпфирующих виброизоляционных опорах. Агрегат стоит на изолированном фундаменте на подкладке из специальной строительной мастики, благодаря чему он имеет очень низкий уровень вибрации (от работающего на полной нагрузке агрегата вибрации практически не ощущается). При этом отсутствует необходимость крепления виброизоляционных опор к фундаменту.
Эластичная упругая фланцевая муфта соединяет двигатель и генератор. Дисковидный резиновый вкладыш в значительной степени демпфирует крутильные колебания.
Система управления ТЕМ EVO (Total Elektronik Management) обеспечивает контроль и управление всеми функциями двигателя, а также регулирует и оптимизирует процесс сгорания газа в цилиндрах. Интегрированные функции регулирования поддерживают оптимальные показатели работы агрегата на всех этапах эксплуатации.
Для генератора в системе ТЕМ EVO предусмотрен вспомогательный шкаф управления, имеющий устройство синхронизации, защиту «генератор-сеть» и измеритель полезной мощности. Шкаф управления агрегатом установлен в технологическом помещении в непосредственной близости от агрегата. Соответствующие сигналы замеряются во вспомогательном шкафу управления. Передача данных в систему управления агрегатом происходит по CAN-шине с высокой защитой от помех.
Устройство визуализации размещено отдельно от основного оборудования, на щите управления. Система ТЕМ EVO способна наблюдать и различать одновременно свыше 600 различных параметров. Это позволяет проводить быстрый и детальный анализ эксплуатации агрегата, включая функции, управляемые системой ТЕМ EVO. Благодаря высокому уровню автоматизации станция работает без обслуживающего персонала.
Тепло, производимое агрегатом (охлаждающая жидкость, смазочное масло и выхлопные газы), утилизируется с высоким КПД в виде горячей воды (75/90°С). Теплообменник выхлопных газов – кожухотрубный. Горячая вода по трубам через разделительный теплообменник передается в теплосети завода и используется для отопления производственных и административных зданий (общая площадь комбината – 21 га).
Для газовоздушной смеси, нагревающейся в результате ее сжатия после турбонагнетателя, предусмотрено охлаждение посредством сухой градирни. За счет сухой градирни и системы аварийного охлаждения, которая включаюет пластинчатый теплообменник, установленный на линии обратной воды, происходит выброс избыточного тепла в окружающую среду.
Первичный глушитель выхлопных газов, изготовленный из высококачественной стали, – комбинированный, абсорбционный, рефлексионный; с осевым входом/выходом выхлопных газов. Уровень шума на удалении 10 м от среза выхлопной трубы не превышает 65 дБА.
Оксидационный катализатор для снижения СО и НСНО-влажной эмиссии двигателя встроен в шумоглушитель. Остаточное содержание NOx и СО в выхлопных газах не превышает 500 и 300 мг/м³ (при 5% О₂) соответственно, что отвечает требованиям ГОСТ Р 51249-99 и европейскому стандарту ТА Luft-2. В выхлопной трубе установлен датчик-зонд, имеющий обратную связь с системой управления, при помощи чего регулируется уровень выбросов. После него установлен катализатор, работа которого также зависит от этого датчика. Сухое исполнение градирен систем аварийного охлаждения и охлаждения газовоздушной смеси также исключают воздействие на окружающую среду.
Градирни и выхлопная труба вынесены через пожарный проезд на расстояние 20 м от здания. Выхлопная труба имеет высоту 21 м для лучшего рассеивания выхлопных газов. Градирни установлены на эстакаде высотой 3 м.
Байпас выхлопных газов с исполнительным сервоприводом предназначен для отвода газов, минуя теплообменник выхлопных газов. Дроссельный байпас, имеющий противоударный корпус с ребрами жесткости и обеспечивающий плотность закрытия 99,2%, предназначен для выхлопных газов максимальной температурой до 550°С.
Комбинат получает электроэнергию и тепло от ТЭЦ-1 – Кировского филиала ТГК-5. Электрическая энергия от нее подводится посредством 6 фидеров. В ходе реализации проекта были получены технические условия на присоединение к ТЭЦ-1 и параллельную работу газопоршневого агрегата (до 2 МВт) по 44-му фидеру при условии исключения передачи электроэнергии в энергосистему. При установке газопоршневого агрегата проведена оптимизация электрической схемы, в результате чего был разгружен перегруженный 69-й фидер.
Агрегат работает в номинальном режиме в параллель с внешней сетью, с потреблением предприятием от сети недостающей электроэнергии. В случае понижения нагрузки ниже номинальной мощности агрегата, станция плавно снижает свою мощность. Пуски мощных потребителей – резиносмесители (мощностью до 1000 кВт), вальцы, насосы, компрессоры – отрабатываются газопоршневым агрегатом совместно с внешней сетью.
Комбинат производит электроэнергию по себестоимости, которая в 2 раза ниже, чем существующие тарифы, даже с учетом того, что газ приобретается по коммерческой цене. ТЭС покрывает 25% потребности комбината в электрической энергии и 30% – в тепловой.
В перспективе планируется установить теплообменник выхлопных газов, который будет применяться в летний период для нагрева высокотемпературного масла для вулканизационных прессов. Таким образом, можно будет использовать неутилизируемое тепло и сократить объемы сжигаемого природного газа в газовом маслогенераторе, а также обеспечить резерв для нагрева масла в случае выхода из строя маслогенератора.
Запланирована также установка абсорбционного чиллера, работающего от нагрева горячей водой, чтобы оптимизировать охлаждение оборотной воды для технологического оборудования. Это, в свою очередь, позволит повысить качество продукции.
В связи с тем, что ТЭЦ является первой станцией в регионе, реализованной на базе газопоршневых агрегатов, к ней проявляют интерес и руководители соседних предприятий.
Вопрос внедрения собственных источников энергии актуален для многих предприятий. При этом важно привлечь специализированные организации уже на стадии формирования концепции собственного энергоснабжения, так как ее правильный выбор начинается с анализа технологического процесса на конкретном предприятии.
Проведенный энергетический аудит показывает, что, как правило, при существующей схеме энергообеспечения электроэнергия довольно часто расходуется нерационально. В этом плане очень важно иметь качественную оценку энергобаланса предприятия и, следовательно, понимания внедряемых технических решений.