ГАЗОПОРШНЕВЫЕ УСТАНОВКИ

Газопоршневые двигатели внутреннего сгорания в последние годы на слуху. Они устанавливаются на легковые автомобили, грузовики и автобусы в рамках внедрения газомоторного топлива. В 2023 году их моторы в России сожгли более 2 млрд. м³ только природного газа. А есть еще сжиженный углеводородный газ, который используется с начала 2000-х годов. Тот самый пропан – бутан, на котором также работает немалое число транспортных средств.

Рис.1 Газопрошневая электростанция TEDOM

Другое направление для применения газопоршневых установок - выработка электроэнергии. Они работают на электростанциях малой и средней мощности, использующих в качестве топлива природный газ (рис.1). В сфере высоких мощностей безраздельно господствуют газотурбинные установки, о которых написано ранее.

Про когенерацию и тригенерацию

В большинстве случаев газопоршневые двигатели электростанций работают в режиме когенерации или даже тригенерации. Когенерация (комбинированная генерация) – совместное производство тепловой и электрической энергии. Оборудование сначала вырабатывает электроэнергию, а затем утилизирует оставшееся полезное тепло.

Рис.2 Автозаводская ТЭЦ

Способ комбинированного производства электричества и тепла давно используется на ТЭЦ - теплоэлектроцентралях, являющихся основным источником энергоснабжения многих крупных городов России. Например, в Нижнем Новгороде помимо большого числа коммунальных котельных работают две ТЭЦ: Сормовская и Автозаводская. Последняя имеет электрическую мощность 505 МВт и обеспечивает теплом 350 тыс. жителей Автозаводского и Ленинского районов (рис.2). Со времен СССР подобный способ энергоснабжения именовался теплофикация. И в этом Россия впереди планеты всей. Климат таков, что объем потребления тепла у нас в два раза больше, чем электричества. Мощность централизованных систем теплоснабжения опережает весь остальной мир, вместе взятый.

Рис.3 КПД когенерационной установки

Суть когенерации в максимальном использовании энергии топлива. Вырабатываемое при производстве электричества тепло не выбрасывается в атмосферу, а подается на производственные объекты, общественные здания и жилые дома. Коэффициент полезного действия составляет 78–82 % (рис.3), в то время как на тепловых электростанция (ТЭС), вырабатывающих только электроэнергию, редко превышает 35 %.

Но летом тепла надо намного меньше, только для горячего водоснабжения или технологических нужд отдельных производств. В этом случае необходимо рассеивать избыточное тепло, вырабатываемое газопоршневым двигателем, что требует установки специальных теплообменников. Логичным развитием идеи когенерации является тригенерация, когда часть тепла также используется для получения холода. Например, для систем кондиционирования воздуха или технологических нужд (холодильники).

Рис.4 Абсорбционная холодильная машина

Тригенерационный комплекс представляет собой комбинацию когенератора и абсорбционной бромистолитиевой холодильной машины (рис.4). Она вырабатывает холод, потребляя тепловую энергию и незначительное количество электричества.

Кстати, абсорбционные холодильники изобретены давно и производились, в том числе в СССР. Работали они на газовом топливе. Первый бытовой абсорбционный холодильник полезным объемом 45 литров был изготовлен в 1950 г. на Московском заводе «Газоаппарат». А в 1958 году в магазинах «Хозторга» уже можно было приобрести холодильник «Север-2», находившийся в массовом производстве.

Рис.5 Автохолодильник

 На сегодняшний день газовые холодильники редко применяются в жилых домах. Гораздо чаще их можно видеть в автомобилях. Абсорбционный холодильник (рис.5) работает от сети транспорта 12 Вольт от прикуривателя или от 220 Вольт сети переменного тока, в обоих случаях потребляя 90 Вт. Может автономно охлаждать, используя энергию газового баллона с пропаном-бутаном. При этом расход газа в сутки составит 0,15 кг.

Устройство газопоршневого когенератора

Основа когенератора – двигатель внутреннего сгорания, работающий на природном газе. При его работе выделяется большое количество теплоты, которое утилизируется с помощью специального оборудования. Основными источниками попутного тепла при работе газопоршневой электростанции являются:

• тепло охлаждающей воды двигателя;

• тепло дымовых (уходящих) газов.

Рис.6 Принцип работы газопоршневого когенератора

Система охлаждения двигателя внутреннего сгорания обеспечивает отвод тепла от деталей двигателя. Температура сгорания в цилиндрах достигает 2000 ⁰C. Без охлаждения стенки камеры сгорания могут разогреться до температуры в несколько сот градусов. При этом конструкционные материалы значительно теряют прочность, а моторные масла испаряются и сгорают.

В газопоршневых двигателях электростанций используется жидкостное охлаждение (рис.6). В режиме когенерации охлаждающая жидкость с температурой около 100 ⁰С поступает в пластинчатый теплообменник, где нагревает теплоноситель из обратного трубопровода системы отоплении. На втором этапе подогретая вода идет в котел-утилизатор, где дополнительно прогревается дымовыми газами, имеющими температуру около 500 ⁰С. Система оснащена подмешивающим клапаном, который обеспечивает приемлемую для системы отопления температуру в пределах 50 - 90 ⁰С.

Газопоршневые когенераторы могут иметь открытое исполнение, при котором все узлы агрегата расположены на раме, или закрытое в шумозащитном кожухе. Их производят ряд предприятий в России и за рубежом. Так как основу составляет двигатель внутреннего сгорания, изготовителями являются такие известные бренды как Caterpillar, MAN и даже Rolls-Royce. Где изысканные кабриолеты для обеспеченных господ, и где скромные работяги – электростанции. А вот поди ж ты. Их объединяет одно – предприятие производит двигатели.

Рис.7 Газопоршневая электростанция

 Автор статьи: Вершилович Владислав Адамович

- Место работы - ООО «Газпром газораспределение Нижний Новгород»

- Автор популярных книг и учебных пособий по устройству и эксплуатации газового оборудования

Пройдите курсы по промышленной безопасности
И получите удостоверение

Подробности здесь