Газопоршневая установка: принцип работы и состав основного оборудования

Газопоршневая установка: принцип работы и состав основного оборудования

Газопоршневая установка (ГПУ) — это вид энергетического оборудования, предназначенного для нецентрализованного производства электрической энергии. В зависимости от комплектации ГПУ дополнительными устройствами агрегат также может служить источником дополнительных энергоресурсов:

  • тепловой энергии в виде горячей воды и/или пара;
  • охлаждённой воды как хладагента.

Основу газопоршневой установки составляет приводной двигатель внутреннего сгорания (ДВС), работающий на природном газе. На одной раме с ним установлен синхронный электрический генератор.

Двигатели внутреннего сгорания, использующие в качестве топлива газ, называют газопоршневыми двигателями (ГПД).

Принцип работы двигателя газопоршневой установки

Газопоршневой двигатель, используемый в ГПУ, является конструктивной разновидностью двигателя внутреннего сгорания. По этой причине плюсы и минусы ГПУ имеют общие черты с другими установками, использующими ДВС. Источником энергии, вырабатываемой ГПД, служит теплота сгорания газообразного топлива.

Двигатели газопоршневых установок оборудованы внешней системой образования рабочей газо-воздушной смеси. В функции системы входит подготовка смеси воздуха с горючим газом в требуемой пропорции. Эта работа осуществляется газовым смесителем с трубками Вентури.

В газопоршневых установках производства компании MTU применяются двигатели, оборудованные системой турбонаддува. Вращение турбины происходит за счёт использования энергии выхлопных газов двигателя. Турбина служит приводом компрессора, создающего избыточное давление для нагнетания топливной смеси в цилиндры. Такая схема топливоподачи в сочетании с использованием обеднённой топливной смеси обеспечивает уменьшение удельного расхода топлива в расчёте на 1 кВт вырабатываемой мощности. Для воспламенения топлива применяется искровое высоковольтное зажигание.

Газопоршневые установки MTU оснащены двигателями с V-образным расположением цилиндров, количество которых в зависимости от мощности агрегата может быть от 8 до 20.

Генератор газопоршневой установки

Газопоршневая электростанция — это совместная работа ГПД и синхронного генератора переменного тока. Конструктивно синхронный генератор состоит из следующих элементов:

  • неподвижного статора, содержащего обмотку переменного тока;
  • вращающегося ротора, находящегося внутри статора.

На роторе расположена обмотка постоянного тока, которая питается от внешнего источника и называется обмоткой возбуждения.

Принцип работы газопоршневой электростанции с синхронным генератором заключается в следующем:

  • приводной двигатель вращает вал ротора генератора;
  • ток, протекающий в обмотке возбуждения, создаёт вращающееся электромагнитное поле;
  • поле обмотки ротора индуцирует переменное синусоидальное напряжение в обмотке статора, которое используется для питания нагрузки электростанции.

Особенностью синхронного генератора является совпадение частоты вращения ротора с частотой вращения электрического поля обмотки возбуждения. Неотъемлемая часть синхронного генератора — контактный щёточно-коллекторный механизм. Его наличие связано с необходимостью подачи питания на обмотку возбуждения, вращающуюся вместе с ротором.

Генератор крепится на рамном основании ГПУ в непосредственной близости от ГПД. Валы генератора и двигателя сопряжены соосно.

Основные системы ГПУ

Газопоршневая установка — это не только двигатель и генератор, собранные на одной раме, но и большое количество вспомогательного оборудования. Рассмотрим его подробнее на примере ГПУ GB2145N5/ 20V4000L33 производства MTU Onsite Energy (Германия).

газопоршневая электростанция принцип работы

Мотор без вспомогательных агрегатов

  • Картер мотора из серого чугуна с монтажными отверстиями, картер маховика SAE 00, маховик 21, масляная ванна из серого чугуна.
  • Кованый коленчатый вал.
  • Кованый шатун.
  • Отдельные четырех-клапанные цилиндрические головки, армированные клапаны с устройством вращения клапана Rotocap.
  • Цельный поршень (из легкого сплава) с упрочняющей вставкой для кольца; канал для охлаждения; охлаждение поршня через заправочные жиклеры.

Смесеобразование

  • Всасывание воздуха через установленные на моторе воздухоочистители с сухим фильтрующим элементом.
  • Газовый смеситель с трубками Вентури; подача газа через электрически регулируемый клапан-дозатор.

Наддув

  • Сжатие смеси турбокомпрессором, работающим на отработавших газах.
  • Двухступенчатый смесительный охладитель.
  • Дроссельные клапаны между смесительным охладителем и трубопроводами распределения смеси.

Система отработавшего газа

  • Неохлаждаемые, изолированные выпускные коллекторы в пространстве V-образного ДВС.

Система зажигания

  • Система зажигания высокого напряжения управляется микропроцессором, вкл. распределение низкого напряжения, без движущихся деталей, не изнашивается.
  • Автоматическая регулировка энергии зажигания.
  • Различные моменты зажигания.
  • Датчики на маховике и распределительном вале.
  • Катушки зажигания для каждого цилиндра.
  • Промышленные свечи зажигания.

Система смазки двигателя

Данная система предназначена для обеспечения двигателя смазочным маслом и включает:

  • насос смазочного масла с предохранительным клапаном для циркуляционной смазки под давлением и охлаждения поршней,
  • установленный на моторе водомасляный теплообменник,
  • бумажный масляный фильтр со сменным фильтрующим элементом,
  • система контроля уровня масла (установлена на моторе),
  • указатель уровня масла,
  • охлаждение кривошипной камеры через маслоотделитель в контуре смеси перед турбокомпрессором,
  • соединительные разъемы для заливки и слива масла.

Система пуска, зарядное устройство, аккумулятор

Система пуска двигателя — электро-стартерная. Она состоит из следующих основных компонентов:

  • Стартер — электрический стартер (24 В пост. тока).
  • Аккумуляторы стартера — комплект свинцово-кислотных аккумуляторов на напряжение 24В (согласно DIN 72311), укомплектованных крышками, клеммами и аккумуляторным пробником для контроля плотности.
  • Устройство контроля напряжения аккумулятора.
  • Оборудование для зарядки аккумулятора предназначено для зарядки стартерных батарей с I/U характеристикой и питания всех подключенных потребителей постоянного тока DC.

Генератор 6,3 кВ

Синхронный генератор с внутренними полюсами, саморегулируемый, встроенный бесщеточный возбудитель, регулировка напряжения и cos ϕ. Исполнение согласно VDE0530, степень помех радиоприему N, конструкция с малым количеством гармоник.

1.1 Газовая рампа 200 мбар

газопоршневая установка принцип работы

Газовая рампа низкого давления состоит из предварительно смонтированной на заводе-изготовителе газовой рампы со следующим установленным оборудованием:

  • механический фильтр,
  • регулятор давления газа,
  • блок отсечных клапанов,
  • устройство контроля герметичности,
  • реле давления,
  • гибкий шланг для соединения с двигателем.

1.2 Блок системы охлаждения двигателя (тепловой модуль IEC)

Система охлаждения двигателя предназначена для полезного использования тепловой энергии охлаждения воды рубашки двигателя, охлаждения масла и топливной смеси. Отбор тепловой энергии осуществляется в виде горячей воды с температурой 70/850С с помощью соответствующих теплообменников.

газопоршневая электростанция принцип работы

Блок системы охлаждения двигателя (тепловой модуль IEC) поставляется смонтированным на отдельной раме, которая устанавливается рядом с двигателем, и включает следующее оборудование:

  • пластинчатый теплообменник для подключения к тепловой сети (теплообменник пластинчатого типа, предназначен для подогрева сетевой воды горячей водой двигателя),
  • расширительный бак контура охлаждения двигателя,
  • расширительный бак контура охлаждения топливной смеси,
  • запорную и предохранительную арматуру, КИП,
  • 3-х ходовой клапан контура воды рубашки,
  • 3-х ходовой клапан контура охлаждения смеси,
  • 3-х ходовой клапан контура аварийного охлаждения,
  • насос контура охлаждения двигателя,
  • насос контура охлаждения 2-ой ступени топливной смеси,
  • двигателя,
  • насос сетевой воды,
  • необходимые компенсаторы и гибкие шланги,
  • трубная обвязка блока системы охлаждения двигателя,
  • несущая рама блока системы охлаждения двигателя.

1.3 Радиатор аварийного охлаждения

Система аварийного охлаждения

Данная система предназначена для сброса тепла системы охлаждения двигателя и обеспечения бесперебойной работы когенерационного модуля на режимах как с частичной тепловой нагрузкой, так и без нее через радиатор. Радиатор разработан для температуры окружающей среды 32°С.

газопоршневая установка принцип работы

Система состоит из радиатора (воздушный теплообменник).

1.4 Радиатор охлаждения 2-ой ступени топливной смеси

Система охлаждения 2-ой ступени топливной смеси

Данная система предназначена для сброса тепла из второй ступени промежуточного охладителя топливной смеси через радиатор. Радиатор разработан для температуры окружающей среды 32°C.

газопоршневая электростанция принцип работы

1.5 Блок системы утилизации тепла (тепловой модуль IEC)

газопоршневая установка принцип работы

Блок системы утилизации тепла (тепловой модуль IEC) поставляется смонтированным на отдельной раме, которая устанавливается рядом с двигателем, и включает следующее оборудование:

  • водогрейный котел-утилизатор дымовых газов (80/90),
  • байпас выхлопных газов,
  • глушитель выхлопных газов (65 дБА в 10 м),
  • 3-х ходовой регулирующий клапан контура сетевой воды,
  • запорная и предохранительная арматура, КИП,
  • трубная обвязка блока системы утилизации тепла,
  • несущая рама блока системы утилизации тепла.

Водогрейный котел-утилизатор дымовых газов кожухо-трубного типа устанавливается по ходу выхлопных газов после глушителя выхлопных газов. Предназначен для полезного использования тепла выхлопных газов и нагрева горячей воды до требуемой температуры. Комплектуется системой управления теплообменником, которая интегрируется с систему управления установкой или комплектуется в отдельной панели управления.

Байпас выхлопных газов состоит из двух механически связанных клапанов с одним электроприводом, подключаемых к системе управления двигателя. Основная функция — распределение расхода выхлопных газов между системой утилизации тепла выхлопных газов и байпасным газоходом, в зависимости от режима работы установки. Байпас выхлопных газов активизируется в случае, когда выхлопные газы используются частично или вовсе не используются. Объем поставки:

  • 2 клапана на выхлопе,
  • привод электродвигателя,
  • контроль клапана — ON/OFF.

Глушитель выхлопных газов предназначен для снижения шума выхлопа двигателя. Разработан для остаточного уровня звукового давления 65 дБ(А) в 10 м (как уровня зоны измерения по DIN 45635), измеряемом в выхлопной трубе.

Материал: углеродистая сталь

Состоит из: глушителя выхлопных газов, фланцев, уплотнений, креплений

Изоляция: тепловая изоляция для глушителя выхлопных газов не включена в объем поставки глушителя и должна обеспечиваться по месту.

3-х ходовой регулирующий клапан контура сетевой воды предназначен для исключения резкого снижения температуры сетевой/горячей воды на входе в теплообменник системы охлаждения двигателя, и, соответственно, в теплообменник выхлопные газы/вода, состоит из следующего оборудования:

  • 3-х ходовой регулирующий клапан — 1 шт.
  • датчик температуры — 1 шт.

Комплект запорной, предохранительной и защитной арматуры, КИП блока системы утилизации тепла, необходимый для его нормальной работы, включает:

  • запорный клапан — 2 шт.
  • предохранительный клапан — 1 шт.
  • термометр биметаллический стрелочный — 1 шт.
  • реле максимальной температуры — 1 шт.
  • реле минимальной температуры — 1 шт.
  • манометр стрелочный — 1 шт.
  • реле максимального давления — 1 шт.
  • реле минимального давления — 1 шт.
  • реле минимального потока — 1 шт.
  • преобразователь давления — 1 шт.

1.6 Система вентиляции машинного зала двигателя

газопоршневая электростанция принцип работы

Система вентиляции предназначена для работы при температурах наружного воздуха в диапазоне от –25°C до +30°C. Уровень шума на расстоянии 1 м от машинного зала с учетом работы системы вентиляции 65–75 dB(A).

Функции:

  • Обеспечение требуемым количеством воздуха для процесса горения.
  • Удаление теплоизбытков мотора и генератора (вспомогательного оборудования).

Система забора воздуха поставляется готовым смонтированным блоком и включает:

  • Металлические жалюзи.
  • Воздушный фильтр.
  • Шумоглушитель.
  • Электродвигатель.
  • Нагнетающий вентилятор.
  • Частотный преобразователь электродвигателя вентилятора.

Расчетные параметры системы забора воздуха:

  • Производительность (при нормальных условиях) не менее 66 000 нм3/ч.
  • Напор вентиляторов в рабочей точке не менее 100 кПа.

Система отвода воздуха включает:

  • Шумоглушитель.
  • Металлические жалюзи.

Расчетные параметры системы отвода воздуха:

  • Производительность (при нормальных условиях) — не менее 55 000 нм3/ч.

Шкаф питания и управления системой вентиляции — силовой низковольтный щит, обеспечивающий следующие функции:

  • Питание вентилятора(ов) системы забора воздуха (предусмотрено частотное регулирование с установкой частотного преобразователя).
  • Автоматический запуск/остановка системы вентиляции по сигналу от системы управления двигателя.
  • Автоматическое регулирование производительности вентиляторов в зависимости от температуры воздуха внутри машинного зала.

1.7 Система маслохозяйства

Данная система предназначена для хранения расходного объема чистого масла, автоматического пополнения картеров двигателей, проведения замены масла в картерах.

газопоршневая установка принцип работы

Включает следующее оборудование:

  • бак чистого масла емкостью 750 л,
  • электрический насос заполнения / слива / подачи масла,
  • резервный ручной насос заполнения / слива / подачи масла,
  • датчик уровня бака чистого масла,
  • комплект необходимой запорной арматуры,
  • несущая рама системы маслохозяйства,
  • трубная обвязка системы маслохозяйства,
  • шкаф управления системой маслохозяйства.

Возможны следующие функции:

  • Заполнение бака чистого масла из цистерны.
  • Заполнение маслобака из цистерны.
  • Опустошение картера двигателя в цистерну.

1.8 Система управления двигателем

Каждая установка MTU Onsite Energy комплектуется системой управления. Она обеспечивает подачу питания, управление и сбор информации от оборудования двигателя, генератора и всего вспомогательного оборудования, поставляемого не смонтированным, комплектно с установкой.

газопоршневая электростанция принцип работы

Основные функции системы управления:

  • управление и визуализация,
  • настройка вспомогательных электроприводов (BHKW / внешн.),
  • подключение генератора к сети / отключение генератора от сети,
  • управление защитой генератора:
    • перегрузка/короткое замыкание,
    • повышение напряжения,
    • понижение напряжения,
    • асимметричность напряжения,
    • превышение частоты,
    • понижение частоты,
  • регулировка скорости вращения,
  • регулировка смеси по универсальным характеристикам,
  • операции пуска и выключения мотора операции аварийной остановки,
  • контроль мотора (температура, давление, скорость и т. д.),
  • контроль отработавших газов по каждому цилиндру,
  • подготовка работы интерфейса CANOPEN,
  • долив масла,
  • контроль минимальной нагрузки,
  • электронное устройство зажигания,
  • настройка момента зажигания,
  • контроль скорости вращения,
  • акустическая система контроля стука,
  • настройка момента зажигания по цилиндрам.

Система управления серии 4000 состоит из шкафов управления MMC (MTU — модуль управления) и MIP (MTU — интерфейсная панель). Шкаф управления MMC поставляется отдельно и устанавливается обычно вне машинного зала. Панель MIP смонтирована на раме агрегатов, образуя функциональный узел.

MMC служит в основном для:

  • Управления и индикации.
  • Управления вспомогательными приводами.

MIP служит в основном для:

  • Связи с регулятором двигателя ECU и устройством контроля работы двигателя EMU.
  • Синхронизации и включения генератора в сеть.
  • Управления вспомогательными приводами на блоке ТЭЦ.
  • Функций генератора и защиты сети.

MTU интерфейсная панель (MIP)

MIP включает в себя следующие основные компоненты:

  • Органы управления (аварийный выключатель, главный выключатель).
  • Центральный блок ПЛК (программируемый модуль управления компьютером с различными интерфейсами и модулями ввода / вывода).
  • EMM (энергоизмерительный модуль — устройство защиты генератора и сети, устройство синхронизации). Соответствует нормам BDEW (Союза энергетиков).
  • Связь с регулятором двигателя ECU и устройством контроля работы двигателя EMU осуществляется через аппаратные сигналы и шину CAN.
  • Интерфейсы для присоединения к внешним системам (беспотенциальные контакты).
  • Управление вспомогательными приводами, установленными на агрегате.

газопоршневая установка принцип работы

Фактическая программа управления работает самостоятельно в центральном блоке ПЛК. Таким образом, в случае выхода из строя ППК (промышленного компьютера) можно и дальше эксплуатировать систему с ранее установленными параметрами.

MIP (MTU Interface Panel) — интерфейсная панель

Основной орган управления ГПУ, является связующим звеном между панелью управления MMC и двигателем.

MIP включает в себя следующие основные компоненты:

  • Органы управления (аварийный выключатель, главный выключатель).
  • Центральный блок ПЛК (программируемый модуль управления компьютером с различными интерфейсами и модулями ввода / вывода).
  • EMM (энергоизмерительный модуль — устройство защиты генератора и сети, устройство синхронизации). Соответствует нормам BDEW (Союза энергетиков).
  • Связь с регулятором двигателя ECU и устройством контроля работы двигателя EMU осуществляется через аппаратные сигналы и шину CAN.
  • Интерфейсы для присоединения к внешним системам (беспотенциальные контакты).
  • Управление вспомогательными приводами, установленными на агрегате.

Фактическая программа управления работает самостоятельно в центральном блоке ПЛК. Таким образом, в случае выхода из строя ППК (промышленного компьютера) можно и дальше эксплуатировать систему с ранее установленными параметрами.

AUX (Auxiliaries supply) — шкаф питания вспомогательного оборудования двигателя

Система обеспечивает подачу питания на основные панели управления и вспомогательное оборудование двигателя.

Силовой низковольтный щит, обеспечивающий подачу питания на следующее вспомогательное оборудования двигателя:

  • Циркуляционный насос контура охлаждения двигателя.
  • Циркуляционный насос контура охлаждения 2-ой ступени топливной смеси.
  • Циркуляционный сетевой насос.
  • Электродвигатели вентиляторов радиатора аварийного охлаждения (предусмотрено частотное регулирование с установкой частотного преобразователя).
  • Электродвигатели вентиляторов радиатора охлаждения 2-ой ступени топливной смеси (предусмотрено частотное регулирование с установкой частотного преобразователя).
  • Привода 3-х ходовых клапанов.
газопоршневая электростанция принцип работы

MMC (MTU Modul Control) — модуль управления

Модуль обеспечивает управление и сбор информации от оборудования двигателя, генератора и всего вспомогательного оборудования.

Щит MMC включает в себя следующие компоненты:

газопоршневая установка принцип работы
  • Промышленный ПК (IPC) с сенсорным экраном.
  • Устройства управления (замок-выключатель, кнопочный выключатель, кнопка аварийной остановки).
  • Дополнительные модули ПЛК-управления с цифровыми и аналоговыми входами и выходами.
  • Интерфейсы для присоединения к внешним системам (беспотенциальные контакты). Опционально возможна передача информации в систему верхнего уровня по интерфейсам Modbus. Profibus.
  • Контроль периферийных приводов через беспотенциальные контакты или силовые узлы.

Функции MMC:

  • Визуализация системы управления.
  • Управление вспомогательным оборудованием контуров аварийного охлаждения и охлаждения 2-ой ступени топливной смеси (электродвигатели радиаторов, электродвигатели насосов, трехходовые клапана, датчики температуры и давления).
  • Управление вспомогательным оборудованием теплообменника выхлопные газы/вода (опционально).
газопоршневая установка принцип работы

1.9 Панель с генераторным выключателем 

Распределительное устройство 

Для подключения генераторов и распределения электрической энергии переменного трёхфазного тока промышленной частоты 50 Гц напряжением. РУ выполнено по схеме простой системы сборных шин, с вакуумным/элегазовым выключателем. Комплектация генераторного выключателя в соответствии с требованием завода-изготовителя газовых двигателей MTU Onsite Energy.

газопоршневая электростанция принцип работы

Состав РУ:

  • ввод линии генератора — 1 шт.
  • выключатель ввода генератора — 1 шт.
  • ввод линии от сети — 1 шт.
  • трансформатора напряжения (ТН)  — 2 шт.

В объем поставки входят следующие микропроцессорные устройства защиты, устанавливаемые в релейных отсеках ячеек:

  • защиты генератора;
  • защиты трансформаторов напряжения шин РУ.

В релейных отсеках ячеек размещены все необходимые электроизмерительные приборы, на лицевой части выполнены активные мнемосхемы. В релейном отсеке ячейки ввода генераторов предусмотрено место для установки расчётных электронных счётчиков электрической энергии и клеммные колодки с возможностью опломбировки. Комплектация ячеек распределительного устройства в соответствии с электрической схемой.

Генераторный выключатель соответствует следующим основным требованиям:

  • Тип выключателя — вакуумный/элегазовый.
  • Генераторный выключатель пригоден для работы в режиме синхронизации с электрической сетью.
  • Максимальное время включения 70 мсек после подачи сигнала включения.
  • Максимальное время отключения 60 мсек после подачи сигнала выключения.
  • Оснащение катушками включения, выключения и катушкой минимального напряжения.
  • Не менее 6 пар блок-контактов типа (нормально открытый — НО) и (нормально закрытый — НЗ).
  • Механический ресурс не менее 10 000 операций (МЭК 56).
  • Коммутационный ресурс не менее 40 операций при 12,5-кА (МЭК 56) или не менее 10 000 операций при Iном.

Купить газопоршневую электростанцию c нужными характеристиками вы можете в компании IEC Energy. Все интересующие вас вопросы задавайте по телефону +7 495 799 74 64.