CC BY
33
УДК 621.311.182 DOI 10.18635/2071-2219-2016-2-31-34
Газовая турбина и газопоршневой двигатель в системах электроснабжения агропромышленных предприятий
А. А. Виноградов,
Энергетический институт БГТУ им. В. Г. Шухова, кандидат технических наук, профессор, г. Белгород
В. В. Недосеков,
ПАО «МРСК Центра» - «Белгородэнерго», начальник управления корпоративных и технологических автоматизированных систем
А. Ю. Мамонтов,
Энергетический институт БГТУ им. В. Г. Шухова, г. Белгород
Н. О. Шаршуков,
Энергетический институт БГТУ им. В. Г. Шухова, г. Белгород
Предлагаются некоторые принципы построения систем надежного энергоснабжения предприятий агропромышленного сектора, обосновано применение установки комбинированной генерации в системе электроснабжения животноводческой фермы в комплексе с биостанцией. Сравниваются характеристики газотурбинных установок и газопоршневых двигателей применительно к таким системам, предложены варианты исполнения установки комбинированной генерации и однолинейная схема электропитания фермы с участием когенерационной установки.
Ключевые слова: электроснабжение, надежность, резервирование, энергоэффективность.
При общем развитии агропромышленного комплекса и обновлении актуальных требований к современному оборудованию надежность электроснабжения сельскохозяйственных потребителей, таких как молочно-товарные фермы, в настоящее время находится на низком уровне. Анализ аварийности показывает частые отключения электроприемников 2-3 категории надежности. Среди причин аварийности - повреждения опор ЛЭП, аварийные отказы силового оборудования из-за недостаточного контроля его состояния, несвоевременная реконструкция, а также ошибки в действиях персонала, обслуживающего электроустановки.
Для обеспечения надежности в энергосистеме сельскохозяйственных потребителей необходимо придерживаться комплекса мероприятий, в которых задействованы как сотрудники компании, обслуживающей распределительные сети, так и локальные специалисты-энергетики, обслуживающие электроприводное оборудование и инженерные сети. Комплекс мероприятий по повышению надежности электроснабжения в сельскохозяйственной деятельности можно представить в виде блок-схемы (рис. 1).
Одним из способов повышения надежности является применение резервных источников электропитания и установок комбинированной генерации. Установки комбинированной генерации являются наиболее актуальным выбором для сельскохозяйственных потребителей, поскольку использование
таких установок для резервирования электропитания при включении потребителей через АВР позволяет оперативно восстанавливать неисправности в сетях без технологического простоя, избегая значительных материальных затрат.
Сравнение газопоршневого двигателя и газотурбинной установки как резервного источника питания для комплекса с биостанцией
Биогаз, значительными объемами которого располагают животноводческие фермы, может использоваться в качестве топлива, например в газопоршневом двигателе когенерационной установки. Двигатель установки приводит в движение генератор, тепло от охлаждения двигателя и выхлопных газов отбирается системой теплообменников и подается потребителю в виде пара или горячей воды. На 100 кВт электрической мощности потребитель получает порядка 100 кВт тепловой мощности для отопления и горячего водоснабжения [2].
Способ получения электрической энергии из биогаза с использованием газопоршневых генераторов на базе двигателей внутреннего сгорания распространен широко. В этом случае с выходным валом двигателя соединен электрический генератор переменного тока частотой 50 Гц и напряжением 400 В. Частота вращения электрогенератора в 50 Гц обеспечивается электронной системой управления двигателя внутреннего сгорания, регулирующей подачу
Повышение надежности электроснабжения агропромышленного комплекса
Задачи Задачи Задачи
Своевременная реконструкция и ремонт энергетических объектов Технологическое оснащение объектов Контроль энергооборудования в осенне-зимний период
Решения Решения Решения
1. Устранение аварийных отказов и предотвращение повторных. 2. Замена устаревшего оборудования. 3. Проведение текущих и капитальных ремонтов 1. Установка автоматизированных средств контроля и управления. 2.Обеспечение дополнительного резервирования 1. Осмотр и контроль силового оборудования, средств релейной защиты и телемеханики, опор и ЛЭП
Реализация Реализация Реализация
Рис. 1. Мероприятия по повышению надежности электроснабжения в сельскохозяйственном секторе
топлива в зависимости от скорости вращения выходного вала. Эта система также может синхронизировать частоту вращения вала с частотой в сети, к которой подключен генератор. Установка комбинированной генерации позволяет использовать то тепло, которое обычно теряется, что сокращает годовые расходы на энергообеспечение примерно на 100 $/кВт [3].
Другим способом получения электрической энергии из биогаза в когенерационной установке является использование газотурбинного двигателя. Частота вращения вала турбины в газотурбинном двигателе значительно выше, чем частота вращения вала поршневого двигателя внутреннего сгорания. Из-за большого момента инерции турбины невозможно резко менять частоту ее вращения, поэтому обычно турбина вращает генератор постоянного тока, который проходит через инвертор, и на выходе формируется ток заданного напряжения и частоты. Кроме того, в газотурбинных генераторах применяются аккумуляторные батареи, которые демпфируют неравномерность потребления электрического тока переменной нагрузкой у потребителя. Однако стоимость аккумуляторов высока и возрастает с ростом мощности установки, поэтому удельная стоимость одного киловатта электрической мощности газопоршневого генератора существенно ниже, чем газотурбинного. Но при этом стоимость технического обслуживания газопоршневых генераторов существенно выше, а срок службы до капитального ремонта - меньше.
Газопоршневые двигатели чувствительны к примесям, содержащимся в биогазе; остатки таких агрессивных газов, как аммиак или сероводород, вызывают коррозию металлических поверхностей
цилиндра, поршня и выхлопных труб, окисляют масло, циркулирующее в системе смазки, из-за чего оно теряет свои свойства. От содержания углекислого газа в биогазе зависят детонационные свойства горючей смеси воздуха с биогазом, соответственно, усложняется система регулирования угла опережения зажигания, нарушается оптимальное соотношение степени сжатия и объема камеры сгорания и т. д. Хотя режим работы на газообразном топливе является более щадящим для поршневых двигателей внутреннего сгорания, чем режим работы на жидком топливе, вышеописанные факторы заметно ограничивают моторесурс газопоршневых генераторов, работающих на биогазе. Для промышленных устройств моторесурс обычно не превышает пяти лет непрерывной работы, предусматривающей лишь остановки для проведения обслуживания и регламентных работ (замена масла, свечей, прокладок и т. п.). Маломощные генераторы имеют моторесурс не более одного года и обычно не рассчитаны на непрерывную работу.
Когенераторы, функционирующие на базе микротурбинного оборудования, в настоящее время относятся к ряду самых перспективных проектов [4]. Интерес к подобным установкам вызван их уникальными свойствами, например возможностью работы без газоподготовки на разных типах топлива. Микротурбинное оборудование, функционирующее в когенерационном режиме, позволяет почти на четверть увеличить эффективность использования топлива и вдвое снизить эксплуатационные затраты по сравнению с традиционными газопоршневыми устройствами.
Есть ряд параметров, по которым турбина имеет преимущества: более низкий уровень шума, более
ЭНЕРГОБЕЗОПАСНОСТЬ И ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ I www.endi.ru
№2 (68)2016, март-апрель
чистый выхлоп, возможность установки на крыше здания за счет меньшей вибрации, возможность длительное время работать на частичных нагрузках и холостом ходу, высокое качество производимой электроэнергии. Кроме того, турбина имеет воздушную систему охлаждения, а котел-утилизатор размещен в габаритах энергоблока. Эти особенности позволяют применять турбины на объектах с невысоким энергопотреблением и неравномерным графиком потребления, где главной задачей автономного энергоцентра является не экономия ресурсов, а наличие энергоснабжения как такового, а также на объектах, где за счет высокой стоимости присоединения к энергосетям подключение к ним экономически нецелесообразно. Использование турбин может быть финансово оправдано в диапазоне мощностей до 200 кВт и при условии, когда их ключевые преимущества имеют принципиальное значение.
Газопоршневые установки, в свою очередь, представлены в диапазоне единичных мощностей от 250 кВт до 6 МВт. Набором таких силовых агрегатов можно получить мощность газовой электростанции до 40-50 МВт. Газопоршневые установки остаются наиболее надежными, доступными и энергоэффективными силовыми агрегатами для большинства автономных газовых электростанций.
Еще более перспективной и экономически выгодной следует признать выработку электричества из биогаза с использованием топливных элементов. В данном случае обеспечивается прямое преобразование газа в электроэнергию, не требующее его сжигания. Помимо экологичности процесса достигается более высокий его КПД. Однако до конца задача эффективного использования биогаза в топливных элементах пока не решена, поскольку их мембраны подвержены разрушению ввиду воздействия содержащихся в биогазе агрессивных веществ [4]. Работы, связанные с поиском материалов для выполнения мембран, по данным [4], находятся в завершающей стадии, в частности установлено, что малую восприимчивость к загрязнению имеют высокотемпературные материалы.
Надежность системы электроснабжения животноводческого комплекса
Электроснабжение ферм проектируется на стадии разработки и рассчитывается исходя из количества и мощности потребителей. Использование автоматических секционных переключателей не всегда экономически оправдано для небольшого агропромышленного хозяйства; монтаж,
Рис. 2. Система электроснабжения животноводческого комплекса
наладка и обслуживание дополнительной линии электропередачи с другой подстанции чрезвычайно дорогостоящи. В то же время при выводе оборудования в ремонт останется без электроснабжения ряд потребителей, отключение которых понесет за собой не только массовые простои, но и угрозу безопасности фермы. Аварийное освещение, охранная сигнализация, видеонаблюдение не допускают перебоев в энергоснабжении, поэтому для них лучше использовать отдельные источники бесперебойного питания.
Согласно ПУЭ, 2-я категория надежности электроснабжения характеризуется питанием от двух взаимозаменяемых источников и возможным отключением электроэнергии на срок не более одной рабочей смены (8 часов) до полного восстановления. На рис. 2 предложена система электроснабжения фермы с учетом вышеизложенных параметров. Особенности предлагаемой системы -применение источника установки комбинированной генерации в качестве основного источника питания и удерживание линии комплектной трансформаторной подстанции в резерве. Это повышает
надежность энергоснабжения, а наличие на биостанции крупного газгольдера позволяет системе работать некоторое время даже без поступления сырья в реактор биостанции. Небольшая нагрузка (аварийное освещение, сигнализация, видеонаблюдение) может работать через буфер источника бесперебойного питания [1, 5].
Предложенный подход к проектированию сельскохозяйственных предприятий с учетом совмещения их с биоэнергетическими станциями позволяет добиться экономии трудовых и энергоресурсов. Резервирование электропитания повышает надежность электроснабжения агропромышленного сектора, так как источник питания когенерационной установки способен снабжать электроэнергией комплексы до полного восстановления централизованного энергоснабжения.
Предложенная система служит повышению надежности электроснабжения приоритетных потребителей. Результаты исследования отвечают стандарту энергоменеджмента ISO 50001-2012, а описанная технология получения электроэнергии является энергоэффективной.
Литература
1. Мамонтов А. Ю., Виноградов А. А., Мулява Г. С., Идельчик В. И. Математическая модель системы «Животноводческий комплекс - биостанция» / / Энергобезопасность и энергосбережение. - 2015. - № 5. -С. 30-34.
2. Когенерация. Устройство когенерационных установок [Электронный ресурс]. Код доступа: www.manbw.ru/analitycs/cogeneration.html.
3. Микротурбины против газопоршневых установок [Электронный ресурс]. Код доступа: www.manbw.ru/analitycs/gazoporshnevye_mikroturbiny_otzyvy_sravnenie_ustanovok.html.
4. Электроэнергия из биогаза и применение биогазовой технологии [Электронный ресурс]. Код доступа: www.biogaz-russia.ru/ehlektroehnergiya-iz-biogaza.
5. Положение ОАО «Россети» о единой технической политике в электросетевом комплексе. Утверждено Советом директоров ОАО «Россети» (протокол № 138 от 23.10.2013).
Gas turbine and gas reciprocating engines in farm electrical supply A. A. Vinogradov,
Belgorod State Technological University, Energy Institute, PhD, associate professor V. V. Nedosekov,
Belgorodenergo, Head of the Department of corporate and industrial automated systems A. Yu. Mamontov,
Belgorod State Technological University, Energy Institute, postgraduate student N. O. Sharshukov,
Belgorod State Technological University, Energy Institute
Agricultural rural power supply can be more reliable with suggested principles of their arrangement including combined-cycle generation assembly and biogas stations. Power supply systems with gas turbine and gas reciprocating engines are compared in terms of their effectiveness for the mentioned purpose. The authors also suggest different cogeneration installation schemes as well as a one-line farm power supply system with power backup options.
Keywords: power supply, reliability, backup, energy efficiency.
ЭНЕРГОБЕЗОПАСНОСТЪ И ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ / www.endi.ru
№2 (68)2016, март-апрель
