Когенерационные установки

Когенерационная установка для одновременной выработки тепла и электроэнергии

Техническое описание

 Когенерационная установка состоит из следующих узлов:

1.Масляный бак дополнительный

2.Газовый тракт, включая

3.Лямбда-регулятор

4.Коллектор выхлопных газов (с водяным охлаждением)

5.Датчик измерения дымности

6.Температурный датчик

7.Предохранительный ограничитель температуры воды охлаждения двигателя

8.Удаление воздуха из воды охлаждения двигателя

9.Водяной насос охлаждения

10.Мембранный выключатель воды охлаждения двигателя

11.Корпус катализатора

12.Вентиляция картера

13.Лямбда-зонд

14.Теплообменник выхлопных газов

15.Автоматическое заполнение масляного поддона с магнитным клапаном (шаровой кран внутри)

16.Слив из масляного поддона (нижний шаровой кран внутри)

Газовый двигатель

Газовый двигатель является силовой установкой внутреннего сгорания, работающего на карбюраторном принципе, в которой в качестве топлива используется природный газ на основе метана. В карбюраторном двигателе по аналогии с 4-тактным принципом бензинового двигателя горючая смесь топлива и воздуха сжимается и воспламеняется от искры свечи зажигания.

В когенерационных установках используются промышленные газовые двигатели, которые конструктивно и термодинамической точки зрения адаптированы к использованию газообразного топлива и рассчитаны на эксплуатацию в течение 30 000 - 40 000 рабочих часов.

В зависимости от соотношения компонентов горючей смеси различают:

1.    двигатели с безнаддувным впуском лямбда =1 с присоединенным последовательно 3-ходовым катализатором,

2.    двигатели с безнаддувным впуском лямбда > 1  (двигатели, работающие на обедненной смеси)

3.    двигатели с наддувом (со сжатием горючей смеси турбокомпрессором).

Генератор

Агрегаты когенерационной установки работают с самовозбуждающимися бесщеточными синхронными генераторами с внутренними полюсами со встроенными возбудителями и внешним регулированием реактивного тока (регулирование cos ф). Генераторы имеют воздушное охлаждение. Благодаря использованию генераторов крупных типоразмеров с максимальным коэффициентом полезного действия в точке номинальной мощности модуля достигается максимальный электрический коэффициент полезного действия ГПУ. Двигатель и генератор соединены друг с другом упругой муфтой.

Образование газовой смеси

Карбюраторные двигатели оснащены устройствами внешнего образования топливной смеси. Горючий газ в смесителе по принципу Вентури засасывается в количестве, в зависимости от количества засасываемого воздуха. Точное соотношение компонентов горючей смеси устанавливается регулировочным клапаном в подаче газа. Лямбда-зонд в отводе выхлопных газов определяет содержание остаточного кислорода в выхлопных газах. Система лямбда-регулирования при отклонении от заданного значения выдает соответствующий сигнал на регулировочный клапан.

Система зажигания

На газовых карбюраторных двигателях топливовоздушная смесь воспламеняется внешним зажиганием. Это производится искрой высокого напряжения в свечах зажигания. На установках применяются системы зажигания с микропроцессорным управлением разрядки конденсаторов. Эти системы не имеют изнашивающихся деталей и в оптимальный момент времени выдают необходимое количество энергии для зажигания, что способствует снижению выброса вредных газов и увеличению срока службы свечей зажигания. С помощью инициатора на распределительном валу определяется положение цилиндров.

Зажигание с микропроцессорным управлением позволяет производить адаптацию к различным видам газа и компенсировать изменяющиеся свойства газа. Момент зажигания и энергия зажигания изменяются с помощью контроля детонации.

Теплообменник

Тепло, выделяемое двигателем, передается через несколько теплообменников в сетевую воду. Это  теплообменник охлаждения двигателя, масляный радиатор и теплообменник выхлопных газов.

Глушитель выхлопных газов

Первичный глушитель выхлопных газов из нержавеющей стали расположен в раме когенерационной установки. Фланцы выхода выхлопных газов располагаются на задней стороне модуля.

Система очистки выхлопных газов

Катализатор устанавливается на входе выхлопных газов в теплообменник. Замена катализатора возможна без трудоемких работ по разборке ГПУ. Для увеличения срока службы катализатора производится постоянный контроль выхлопных газов.

Тракт газового регулятора

Тракт газового регулятора состоит из газового фильтра тонкой очистки, клапана с двойным магнитом, регулятором нулевого давления, газового регулирующего клапана лямбда-регулирования, гибких шлангопроводов из нержавеющей стали и шарового крана с тепловым расцепителем отсечного устройства.

Система смазки

Когенерационная установка  оснащается устройством для контроля уровня смазочного масла. Уровень определяется по индикатору. Кроме этого, имеется электрический контроль уровня с сигнализационными контактами минимального и максимального уровня масла. Расход масла на угар покрывается из дополнительного масляного бака. Объем бак рассчитан на период между техническими обслуживаниями установки. Из этого бака при замене масла можно производить его заливку вручную с помощью переключающей арматуры. Под двигателем расположен масляный поддон. Приемный поддон, в виде которого образована нижняя часть когенерационной установки, по условиям безопасности вмещает в себя все содержимое масляного поддона и бака свежего масла. Для снижения расхода масла и поддержания его уровня в течение длительного времени необходимо применять двигательные масла рекомендованные производителем.

Стартер

На газопоршневом двигателе устанавливается система электрического запуска. Она состоит из электрического стартера, виброустойчивой аккумуляторной батареи высокой емкости, не требующей технического обслуживания и зарядного устройства.

Система управления

Система управления ГПУ выполнена в виде микропроцессорного управления с промышленным компактным персональным компьютером. В нее входит интегрированный дисплей для ввода команд и параметров, а также графического отображения рабочих параметров и сообщений.

Система регулирования частоты вращения и мощности

Изменение частоты вращения и мощности производится путем перемещения дроссельной заслонки. Регулирование частоты вращения активно только на стадии запуска до синхронизации и в аварийном режиме работы сети. Регулирование мощности производится по внутренней или внешней заданной мощности генератора.

При запуске двигателя в изолированном режиме работы система работает как регулятор частоты вращения. Фактическое значение частоты вращения определяется с помощью сенсора на ободе стартового маховика двигателя. Заданное значение составляет 1500 об/мин (со­ответствует частоте 50 Гц) при 4-полюсном генераторе. После подключения к сети система работает с регулированием по мощности. Фактическое значение мощности генератора регистрируется измерительным преобразователем.

Устройство синхронизации

При работе синхронных генераторов требуется устройство синхронизации, с помощью которого должны выполняться следующие условия подключения:

Разность напряжений: от 0,8 до 1,12

Разность частот: от 47,5 Гц до 50,2 Гц

Разность по фазовому углу ± 10°

Частота и напряжение сети и генератора регистрируются измерительным преобразователем и передаются на сетевой компьютер в качестве управляющих сигналов. Сетевой компьютер обрабатывает эти данные и выдает соответствующие сигналы для выравнивания заданных и фактических значений. Для значений в пределах условий подключения выдается импульс включения на переключатель генератора.

Распределительное устройство

Для подключения генераторной установки к сети предприятия используется самостоятельный коммутационный пункт с коммутационной способностью, соответствующей номинальному току генераторной установки.

Требования к звукоизоляции

При работе установки с одновременной выработкой тепла и мощности возникает воздушный и механический (корпусной) шум. Он передается от места установки через полы, потолок и стены в соседние помещения и через систему отвода выхлопных газов.

Следствием могут быть акустические нагрузки. Поэтому уже на стадии проектирования рекомендуется организовать совместную работу архитекторов, заказчика-застройщика, проектировщиков и других специалистов, а также разработчиков системы отопления.

Свойства сетевой воды

Низкое качество сетевой воды способствует образованию накипи и коррозии. Это может привести к нарушению работоспособности и образованию коррозии теплообменника. Поэтому перед заполнением отопительную систему необходимо тщательно промыть водопроводной водой.

Повреждения от коррозии возникают, когда в сетевую воду проникает большое количество кислорода, например, из-за недостаточности размеров или неисправности расширительного бака или в открытых системах. Если невозможно выполнить отопительную систему закрытого типа, требуется выполнить разделение системы с помощью теплообменника.

Свойства охлаждающей воды

Для первичного и дополнительного заполнения системы водяного охлаждения двигателя («внутренний контур охлаждения») необходимо использовать, смесь воды и гликоля. Для придания этой смеси необходимых качеств по коррозионной устойчивости, отсутствию кавитации и стойкости к замерзанию необходимо соблюдать заданное соотношение компонентов смеси. Концентрация подлежит постоянному периодическому контролю в процессе проведения работ по техническому обслуживанию: смесь для охлаждения двигателя необходимо периодически менять из-за старения.

Концепция регулирования

Система управления отслеживает и управляет всеми узлами, непосредственно связанными с модулем. Так, например, система управления осуществляет процедуры запуска и останова, синхронизации когенерационной установки, а также регулирование мощности.

Газопоршневые агрегаты могут регулироваться внешним сигналом в диапазоне электрической мощности от 30% до 100%. Возможно регулирование ГПУ системой регулирования вышестоящего уровня.

Регулирование по тепловой мощности

В этом режиме система управления ГПУ ориентируется на потребности в тепловой энергии. ГПУ работает, если имеется потребность в тепловой энергии. Одновременно вырабатываемая электрическая энергия потребляется, если в этом имеется потребность. Излишняя электрическая энергия передается в общие электрические сети.

Регулирование по электрической мощности

В этом режиме система управления ГПУ ориентируется на потребности здания в электрической энергии. Избыточная потребность в электрической энергии покрывается из сети общего пользования. Одновременно вырабатываемая тепловая энергия расходуется, если в этом имеется потребность. Излишняя тепловая энергия утилизируется системой охлаждения.

Регулирование потребления от сети по общему энергопотреблению («Регулирование нулевой мощности»)

Регулирование потребления от сети по общему энергопотреблению используется для предотвращения передачи в сеть общего пользования электроэнергии. Применение регулирования потребления сети по общему энергопотреблению может быть экономичным, так как выработанная электроэнергия почти исключительно потребляется автономно.

Величина мощности, потребляемой от сети, предоставляется форме измерительного сигнала 0-20 мА, соответствующего мощности 0- ...кВт. При превышении регулируемого количества сетевой энергии производится запрос модуля ГПУ. Когенерационная установка выводится на нагрузку, соответствующую регулируемому количеству сетевой нагрузки (нулевая нагрузка).

Покрытие пиковых нагрузок

Необходимость такого режима определяется сигналом от внешнего командного устройства, например, таймера, от реле контроля пиковых нагрузок энергоснабжающего предприятия или от системы централизованного управления. При этом запускается все установки ГПУ, и все агрегаты работают на полной мощности.

Регулирование по параметрам сети

Если управление установкой ГПУ производится с центрального узла управления несколькими установками, этот режим называется регулированием ГПУ по параметрам сети. Регулирование охватывает всю систему и учитывает выработку, необходимую для покрытия потребности, аккумулированную емкость и краевые условия экономичности. Регулирование по параметрам сети представляет собой, таким образом, реализацию идеи о виртуальной электростанции.

Режим параллельной работы

Как правило, когенерационные установки эксплуатируются параллельно с электросетями общего пользования. Это означает, что ГПУ, наряду с собственным энергоснабжением объекта электрической и тепловой энергией неиспользованное количество электроэнергии подает в сеть, а при необходимости покрытия дополнительной потребности забирает ее из сети.

Режим работы взамен сети

Если имеется определенная общая сеть, установка ГПУ работает параллельно с ней. При неполадках или исчезновении напряжения в сети сначала ГПУ отсоединяется от сети и переходит в изолированный режим работы. Режим работы взамен сети выбирают, когда при выходе сети из строя ГПУ должны вырабатывать электроэнергию.

Автономный режим работы

Если подключение к сети электроснабжения общего пользования отсутствует, блочные теплоэлектроцентрали могут эксплуатироваться в так называемом изолированном режиме. ГПУ обеспечивает объект электрической и тепловой энергией, при этом снабжение электроэнергией имеет приоритет.

Во избежание отключения установки вследствие перегрузки необходимо для расчета ее параметров точно знать характеристики подключаемых потребителей, например, потребность в реактивном токе, характеристики подключения и т. п. Устройство аварийного охлаждения должно быть предусмотрено для случаев, когда электроэнергия должна вырабатываться при отсутствии потребности в тепловой энергии.

Режим работы взамен сети/безопасный режим работы

ПУ работает нормально в параллельном режиме с регулированием по тепловой мощности. При выходе сети из строя он осуществляет энергоснабжение выбранных потребителей. Это предполагает наличие согласованного управления и наличия устройства аварийного охлаждения для случая, когда электроэнергия должна вырабатываться при отсутствии потребности в тепловой энергии, и буферный аккумулятор полон. Требования включают в себя обеспечение топливом, не зависящим от электросети (природный газ без электрических вспомогательных приводов), наличие мощной пусковой аккумуляторной батареи, устройства обратной синхронизации и аварийного охлаждающего устройства для отвода тепла для случая выработки электроэнергии без съема тепла.

Режим работы взамен сети

Установка электроснабжения, которая предназначена для обеспечения всех функций электрической установки или ее компонентов при прерывании обычного электроснабжения по причинам, отличным от безопасного электроснабжения. Требования к времени переключения, качеству напряжения, длительности снабжения, а также перечень обеспечиваемых установок определяется исключительно эксплуатирующей организацией.

Прочие функции регулирования

Контроль состояния сети

Задачей является быстрое отсоединения когенерационной установки от сети при возникновении неисправностей в сети, например, при превышении заданного напряжения или снижении его ниже заданного уровня, исчезновение или скачок фазы, недопустимая несимметричность нагрузки, ис­чезновение напряжения в сети, короткое замыкание или неисправность ГПУ.

Лямбда-регулятор

Для изменения состава смеси и, тем самым, значения Лямбда, служит клапан с шаговым двигателем, изменяющий при помощи дроссельной заслонки подачу газа. Лямбда-регулирование необходимо для обеспечения условий работы для последовательно подключенного трехходового катализатора и снижения значений вредных выбросов.

Опция дистанционного контроля

Для дистанционного контроля ГПУ в комплект поставки входит модем дистанционного контроля. Когенерационная установка с модемом дистанционного контроля автоматически сообщает о возникших неполадках нарушениях в пункт обслуживания на персональный компьютер, факс или мобильный телефон. Система располагает возможностью архивирования эксплуатационных сообщений и сообщений о неисправностях. Программное обеспечение содержат дополнительные функции обработки, а также соответствующие измерительные устройства.

Распределительный шкаф ГПУ

Распределительный шкаф ГПУ содержит следующие узлы, включая кабельную разводку внутри модуля:

Силовая часть генератора

•       блок преобразователя тока для контроля генератора встроен в генератор.

Контроллер сети

            Контроллер сети выполнен в виде независимого цифрового процессорного блока, изготовленного по модельному образцу и выполняет:

•       Контроль сети и синхронизацию

•       Интегрированный контроль и регулирование cos ф для синхронного генератора

•       Связь через шину Шина CAN-BUS с пультом управлении ГПУ для сохранения и оценки данных

•       Индикация сетевых данных на сенсорном экране блока управления ГПУ

•       Параметрирование по запросам сети

Блок управления, контроля и вспомогательных приводов

•       управление интегрированным управлением температуры подающей линии (опция)

•       управление газовым трактом

•       блок питания для подачи управляющего напряжения

•       зарядное устройство аккумуляторной батареи

•       розетка 230 В для технического обслуживания

•       освещение машинного отделения

•       Кнопка аварийного выключения

•       Выключатель с замком для разблокировки аварийного режима работы сети (опция)

Управление ГПУ

•       Мощный процессор 32-Bit

•       4-проводной резистивный сенсор

•       Интерфейсы USB, LAN, RS232, RS485, CANope

•       Фронтальная панель с защитой от брызг IP 65

•       Параметрирование с защитой паролем

Передача данных

•       Передача данных с помощью RS232 на DDC

Запоминающее устройство

•       Запоминающее устройство неисправностей для регистрации отказов и предупреждений

•       Электронный дневник эксплуатации

Телемеханические интерфейсы

•       Клеммы передачи для сигналов систему управления сухими контактами:

•       Включение генератора (работа ГПУ)

•       Режим аварийной работы (опция)

•       Выключатель подключения к сети включен

•       Выключатель подключения к сети выключен

•       Неисправность ГПУ

•       Предупреждение ГПУ

•       Готовность к работе ГПУ

•       Аварийное выключение

•       Сигнализация о появлении дыма

•       Внешний аналоговый сигнал задания нагрузки, гальваническое разделение с помощью интегрированного разделительного усилителя 0/4-20 мА или 0/2-10 В

Газовоздушный смеситель

Газ на газовоздушный смеситель подается через тракт защитного газового регулятора.

Тракт газового регулятора рассчитан для природного газа и предназначен для установленных значений давления подачи газа (давление истечения газа в начале тракта защитного газового регулятора.

Когенерационная установка должна эксплуатироваться при постоянном давлении и постоянной температуре газа.

Тракт защитного газового регулятора установлен в блоке генератора и двигателя на виброизолированном соединении и состоит из следующих деталей

- Газовый магнитный клапан, закрытый при отсутствии тока

- Отсечное устройство с термическим

- расцепителем и шаровым краном

- Манометр с запорным устройством

- Газовый фильтр тонкой очистки

- Реле давления минимального давления газа

- Двойной магнитный клапан

- Контроль герметичности для двойного магнитного клапана

- Регулятор нулевого давления

- Клапан лямбда регулятора

- Упругое соединение

- Газовоздушный смеситель

- Дроссельная заслонка для регулирования частоты вращения и мощности

Воздух для горения всасывается через сухой фильтр. Отводимый воздух из картера через маслоотделитель примешивается к воздуху для горения.

Функциональная схема когенерационной установки

Теплообменная система

Теплообменная система встраивается в раму когенерационной установки с теплообменниками для преобразования тепла охлаждающей воды двигателя, смазочного масла и выхлопных газов, также тепла от генератора в отопительное тепло.

Система водяного охлаждения в комплекте с насосом, с трехфазным двигателем 400 В, 50 Гц, с электрической системой контроля насоса, предохранительным клапаном в системе охлаждения двигателя, температурным контролем, расширительным баком, воздушниками, заправочной и сливной запорной арматурой в стандартном исполнении, а также с комплектными трубопроводами, снабженными тепловой изоляцией

Внутренний контур охлаждения двигателя проходит через блок цилиндров, теплообменник смазочного масла и коллектор выхлопных газов с водяным охлаждением. Тепло от двигателя передается через теплообменник охлаждающей воды (пластинчатый теплообменник) из первичного контура в отопительный контур (вторичный контур).

Постоянство температурных условий в первичном контуре обеспечивается регулированием мощности с устройством повышения температуры обратной линии. Сетевая вода подводится через трехходовой клапан и встроенный насос.

В начале сетевой воде передается используемое отходящее тепло от теплообменника водяного охлаждения двигателя в сетевую воду. Затем сетевая вода  догревается теплом выхлопных газов.

Теплообменник выхлопных газов это трубчатый теплообменник. На входе в теплообменник находится камера катализатора. В теплообменнике выхлопные газы охлаждаются до температуры около 110°C.

Трубопроводы отвода выхлопных газов

В 4-тактном газовом двигателе когенерационной установки топливо воспламеняется в цилиндрах. Поршневой двигатель выталкивает отработанные выхлопные газы в систему отвода выхлопных газов. Уровень возникающего при этом избыточного давления зависит от сопро­тивления в подключенной системе отвода выхлопных газов. Отвод выхлопных газов должен быть выполнен герметично и обладать устойчивостью к конденсату. Температура выхлопных газов от ГПУ может достигать 100°C. В целях защиты от прикосновений в области рук должна быть установлена защитная изоляция. Чтобы свести к минимуму выделение тепла в помещении для установки, необходимо полностью изолировать отвод выхлопных газов.

Для отвода отработанных газов необходимо всегда предусматривать отдельные трубопроводы. Они должны проходить по наикратчайшему расстоянию наружу. Вне зданий трубопроводы отвода выхлопных газов могут прокладываться по фасаду до крыши.

Если запроектированы один или несколько глушителей выхлопных газов, слив конденсата с сифонами или клапанами выполняется раздельно.

Расчет системы отвода выхлопных газов

Общее сопротивление системы образуется как сумма отдельных значений сопротивления в трубопроводе. Проектируемые дополнительные глушители (вторичный глушитель выхлопных газов, принадлежность) должны быть учтены. При расчете системы отвода выхлопных газов максимально допустимое противодавление нельзя использовать полностью. Если позволяют пространственные и строительно-технические условия, размеры поперечного сечения необходимо выбирать с запасом.

Образование конденсата

При сгорании углеводородного топлива водяной пар конденсируется в конденсационном теплообменнике и в системе отвода выхлопных газов. Количество образующегося конденсата на один киловатт-час определяется соотношением углеводорода и водорода в топливе. Количество конденсата зависит от температуры обратной линии, избытка воздуха при сгорании и нагрузки.

Требования к системе газоснабжения

Вся система газоснабжения ГПУ от главного газового ввода и до газового присоединения к когенерационной установке должна устанавливаться заказчиком в соответствии с техническим заданием, в частности, по техническим правилам монтажа газовых установок.

Природный газ должен быть технически чистым от наличия взвесей, пыли и жидкости, а также иметь постоянное значение метанового числа и теплотворной способности. Он не должен содержать коррозионных составляющих. Метановое число представляет собой степень склонности газа к детонации. Слишком низкое метановое число приводит к детонации сгорания и может иметь следствием серьезные повреждения двигателя.

Заметное снижение метанового числа происходит, в первую очередь, при подмешивании сжиженного газа (пропановой-бутановой смеси). В данном случае важно знать мнение по данному вопросу предприятия-изготовителя. При необходимости следует для каждого газопоршневого двигателя предусмотреть устройство контроля детонации. Следует обеспечить условия, чтобы температура всего тракта подачи газа не понижалась ниже точки росы. Рекомендуется выполнять присоединительные трубопроводы к ГПУ большего размера. Это позволяет компенсировать колебания давления при переключениях котлов.

Далее, следует предусмотреть реле максимального давления подачи газа и отсечное устройство перед каждым агрегатом. Если давление подачи газа не соответствует требованиям, заказчиком должны быть предусмотрены соответствующие устройства для повышения или понижения давления газа. При этом в общей схеме следует учитывать собственные времена регуляторов, включенных в тракты регулирования подачи газа к когенерационным установкам.

Для работы с трехходовым катализатором природный газ и воздух, используемый для его горения, не должны содержать фосфора или мышьяка, а также тяжелых металлов или галогенов.

Устройство контроля детонации для природного газа

Детонация возникает, когда горючий газ имеет низкое метановое число. Если метановое число ниже значения, допустимого для двигателя, термодинамические свойства газа приводят запаздыванию  зажигания, которое происходит вне обычной зоны сгорания. Таким образом, возникает неконтролируемое сгорание с несколькими фронтами пламени. При столкновении этих фронтов образуются сильные звуковые волны, которые воспринимаются на слух как стук. Такая детонация вызывает сильно повышенный износ и приводит к повреждению двигателя. Поэтому очень важно детонационных явлений избежать. Для этого служит устройство контроля детонации, которое в рамках модульного управления ГПУ обеспечивает надежному исключению детонации. Если, несмотря на это, детонация будет происходить, снижая мощность когенерационной установки, и эти мероприятия не помогают, необходимо выключить двигатель.

Опция коммуникации с шиной данных

Каждая когенерационная установка серийно оснащается интерфейсом RS232 или RS485. С помощью опции коммуникации с шиной данных можно связать ГПУ по различным протоколам BUS с вышестоящей системой управления.

C помощью коммуникации BUS можно считывать все имеющиеся в системе управления ГПУ данные, заданные и фактические значения параметров, индикацию о неисправностях и предупреждения, а также дистанционно управлять модулем.

По запросу можно получить для выбора из списка доступные точки данных для когенерационной установки для всех распространенных промышленных протоколов BUS. Необходимые пункты данных деблокируются в ГПУ для передачи и должны использоваться в системе управления зданием заказчика, как входящие данные. Пользование точками данных и включение их в систему управления зданием требует наличия на оборудовании заказчика соответствующего аппаратного и программного обеспечения, затраты на создание и опробование коммуникаций BUS довольно значительны.