Современные дизельные электростанции ОАО «ЗВЕЗДА-ЭНЕРГЕТИКА», «Турбины и дизели» №4

Ю. В. Кромин, А. Н. Страшевская — ОАО «Звезда-Энергетика»

На сегодня в России энергоёмкость валового внутреннего продукта в 3 раза выше, чем в странах Западной Европы, и в 4 раза — чем в США. Доля энергозатрат в себестоимости промышленной продукции составляет в среднем 18%, а в ряде отраслей до 70%. По оценкам Минэнерго РФ, потенциал энергосбережения составляет от 35% до 45% всего объёма потребляемой энергии. Для производства такого количества энергии ежегодно затрачивается около $20 млрд.

В таких экономических условиях эффективным решением топливно-энергетических проблем страны становится малая энергетика. Климатические условия и огромные территории России обусловливают необходимость строительства автономных источников электроэнергии. В настоящее время и дизельные, и газопоршневые электростанции находят самое широкое применение в качестве постоянных источников электроэнергии в районах децентрализованного энергоснабжения. Нефтяники и газовики используют автономные электростанции для запуска и работы в постоянном режиме буровых установок. И если в районах нефте- и газодобычи предпочтительно применение газовых двигателей, то при отсутствии природного или попутного газа (в начале цикла разведывательных, буровых работ в нефтегазовой отрасли или в отдаленных населенных пунктах) необходимы дизельные электростанции. Они незаменимы также в качестве резервных источников. Когенерационные установки на базе дизельных двигателей являются зачастую единственным вариантом энергоснабжения удаленных городов и поселков.

Одним из ключевых направлений деятельности ОАО «Звезда-Энергетика» является изготовление дизельных электростанций единичной мощностью от 50 до 5300 кВт с 1-й, 2-й и 3-й степенью автоматизации. Они могут иметь стационарное и контейнерное исполнение. При производстве современных электростанций компания использует дизели и дизельные электроагрегаты как отечественного, так и зарубежного производства — ОАО «Звезда», ОАО «Волжский дизель им. Маминых», Cummins, Wartsila, Perkins, MTU.

Двигатели, применяемые для комплектации дизель-генераторов (ДГ), должны обеспечивать:

• стабильную частоту вращения, необходимую для выработки на клеммах генератора тока частотой 50 Гц (или, в ряде случаев, 60 Гц);
• оптимальное соответствие параметров дизеля и назначенных параметров генератора для конкретных условий работы дизель-генератора по нагрузочной характеристике при минимальных совокупных затратах;
• стабильную работу в различных условиях эксплуатации, в том числе на переменных режимах, с сохранением заданных параметров тока.

При производстве двигателей внутреннего сгорания предприятия, как правило, ориентируются на крупные заказы (серию), что предполагает создание оптимальных модификаций двигателей.

Все типы двигателей, кроме высокооборотных, могут применяться для привода генераторов без значительных изменений параметров, прежде всего по частоте вращения. Высокооборотные дизели, спроектированные и изготовленные для судовой, автомобильной или горнодобывающей техники, имеют частоту вращения до 2000 об/мин и более. Использование таких двигателей в составе дизель-генераторных энергоустановк ведёт к значительному снижению частоты вращения и, как следствие, к изменению всех параметров.

В качестве примера рассмотрим высокооборотные дизели фирмы Cummins, которые используются ОАО «Звезда-Энергетика» для комплектации электростанций.

Современный типоразмерный ряд дизелей фирмы Cummins начал создаваться в конце 1960-х годов — они разрабатывались в основном для строительно-дорожных машин и автомобилей, что и определяло их конструктивные особенности. Так, для 6- цилиндровых дизелей типа ЧН 15,9/15,9 с частотой вращения 2100 об/мин, при средней скорости поршня Vm = 11,13 м/с мощность составляет 448 кВт, для 12-цилиндровых — 783 кВт, удельный расход топлива 222… 225 г/кВт•ч. Для Ч и ЧН 10,2/12 с частотой 2800 об/мин, при Vm = 11,2 м/с агрегатная мощность — 36…187 кВт, удельный расход топлива 217…233 г/кВт•ч. Двигатели имеют малые габариты и массу, повышенную надёжность — с учётом работы в тяжелых условиях и на переменных режимах.

Мощностной ряд дизелей представлен высокооборотными двигателями малой и средней мощности. Двигатели малой мощности выполнены с непосредственным впрыском топлива в цилиндры, что по сравнению с предкамерной системой обеспечивает снижение удельного расхода топлива на 15 — 20%. Величина среднего эффективного давления составляет от 0,7 МПа (безнаддувного двигателя) до 1,77 МПа (для наиболее форсированного). Отношение величины хода поршня к диаметру цилиндра S/d находится в пределах 1,09…1,21.

Для двигателей с наддувом и охлаждением наддувочного воздуха удельный расход топлива в условиях эксплуатации be=194…231 г/кВт•ч (в зависимости от величины наддува). Для безнаддувного двигателя 4 В3.9 G, 4Ч 10,2/12 расход топлива — 245 г/кВт•ч.

Для двигателя с наддувом 4 ВТА3.9 G1, 4ЧН 10,2/12 при Рme = 1,32 МПа величина be составляет 201 г/кВт•ч., для M 11 G2, 6ЧН 12,5/14,7 при Рme = 1,76 МПа — 194 г/кВт•ч

Следствием работы на «генераторной» частоте вращения является пониженное значение средней скорости поршня. В связи с более низкой скоростью (по сравнению с допустимой) и коэффициентом загрузки двигателя ≈0,85, наработка до капитального ремонта составит 14…20 тыс.ч. При переменных нагрузках она должна быть снижена.

Двигатели Cummins малой мощности поставляются в 4- и 6-цилиндровом исполнении. В ряде случаев при наборе необходимого мощностного ряда требуется увеличить количество используемых моделей двигателей, а это усложняет проведение профилактических и ремонтных работ.

К высокооборотным дизелям требования по обеспечению ресурса и надёжности предъявляются в соответствии со спецификой их применения. Двигатели, использующиеся в передвижных электростанциях, должны иметь повышенную энергоёмкость, минимальные массогабаритные размеры, высокий уровень унификации и ремонтопригодности и, кроме того, способность развивать номинальную мощность в условиях высокогорья.

Для дизель-генераторов различного назначения высокооборотные двигатели изготавливаются с частотой вращения коленвала 1500 об/мин. Особенностью работы на «генераторной» частоте вращения является пониженное значение средней скорости поршня — от 5,75 до 7,35 м/с, в то время как она должна составлять 9,5…10 м/с. Такая скорость поршня 9…9,5 м/с при частоте 1500 об/мин может быть достигнута только за счёт увеличения хода поршня, что, в свою очередь, позволит повысить величину наддува и полнее использовать энергию газов.

Удельный расход топлива снижается при увеличении среднего эффективного давления, охлаждении наддувочного воздуха и увеличении хода поршня.

У двигателей Cummins существуют определённые возможности по увеличению хода поршня: у 6-цилиндрового M 11 G 2 ход поршня 147 мм, а у двигателя с равным диаметром цилиндров LTA 10 G 3 — 136 мм. В результате повышена агрегатная мощность и снижен удельный расход топлива с 202 до 194 г/кВт•ч.

Одним из способов получения на выходе ДГ частоты тока 50 Гц является применение регулятора частоты тока. Это позволяет комплектовать установки серийными двигателями без увеличения хода поршня и при сохранении частоты вращения выше «генераторной». Но в этом случае не решается проблема повышения топливной экономичности дизелей.

При комплектации электростанций иногда целесообразно применять для обеспечения равной мощности двигатели меньшей размерности, но повышенного форсирования, особенно при использовании их в качестве резервных или аварийных.
Разработанный типоразмерный ряд дизелей типа Quantom с увеличенным ходом поршня обеспечивает повышение агрегатной мощности без увеличения диаметра поршня (табл.). Максимальная мощность двигателей — 2570 кВт. В связи со снижением удельного расхода топлива и увеличением межремонтных периодов сокращаются эксплуатационные расходы.

Основные параметры двигателей Cummins

Марка двигателя	Мощность, кВт	Среднее эффективное давление, МПа	Отношение ход поршня/диаметр, S/d	Удельный расход топлива, г/кВт·ч
LTA  10 G 3, 6ЧН 12,5/13,6 QSM 11 - G1, 6ЧН 12,5/14,7	202 234…292	1,76 1,76…2,19	1,01 1,17	203…218 194…197
QSX 15 - G4, 6ЧН 13,7/16,9 NTA 855 - G4, 6ЧН 14/15,2 VTA28 - G5, 12ЧН 14/15,2 QST 30 - G1-4, 12ЧН 14/16,5	366…444 272…309 548 634…880	1,98…2,04 1,58…1,79 1,59 1,69…2,15	1,23 1,08 1,08 1,17	200…211 204…210 198 196…198
QSK 23 - G1-4, 6ЧН 17 / 17	574…701	2,04…2,4	1,0	197…199
KTA19 - G3,4, 6ЧН 15,9/15,9 KTA38 - G3,5, 12ЧН15,9/15,9 QSK 45 - G2-6,12ЧН 15,9/19	384…429 786…860 1080…1295	1,65…1,84 1,69…1,85 1,95…2,34	1,0 1,0 1,19	203…204 202…203 195…200
KTA50 - G3-8,16ЧН 15,9/15,9 QSK 60 - G2-4,16ЧН 15,9/19	1070…1153 1455…1730	1,73…1,86 1,97…2,34	1,0 1,19	202…205 190…193
QSK 78 - G,18ЧН 17/19	2570	2,68	1,11	189

Таблица составлена Ю. В. Кроминым

С целью постоянного контроля реально израсходованного ресурса двигателей разработаны автоматизированные бортовые системы диагностирования, которые контролируют исправность, работоспособность и функционирование энергоустановки.

Для прогноза технического состояния установки в конкретных условиях эксплуатации должна быть накоплена информация по предыдущей работе, представляющая процесс изменения технических характеристик. Это позволит при определении закономерностей их изменения планировать дальнейшее использование установки.

Система мониторинга обеспечивает на всех режимах необходимый набор величин текущих параметров дизель-генератора для выполнения контроля и управления энергоустановкой.

Серийные модули контроля и управления установки обеспечивают в целом:

• контроль основных параметров — с предупреждением о достижении параметрами предельных величин, неисправностях, причинах отказов;
• передачу данных по локальной системе связи на местный пост управления с отображением текущего состояния дизель-генератора на мониторе;
• передачу данных по текущему состоянию ДГ на удалённый информационный пост с использованием интерфейсов, телефонной сети.

Во всех случаях данные могут передаваться на компьютер для анализа работы энергетической установки и корректировки режимов дальнейшей эксплуатации дизель-генератора.

По генератору в режиме реального времени контролируются следующие параметры: величина напряжения, сила и частота тока, реальная мощность, коэффициент мощности, количество выработанной энергии и количество нагружений. По дизелю- частота вращения, температура воды и масла, давление масла, температура выхлопных газов, время работы, а также отклонение параметров от норм.

Имеющиеся системы контроля и управления дизель-генераторами Сummins могут быть доукомплектованы программируемыми контроллерами — для расчёта сроков наработки до смены смазочного масла согласно инструкциям, а также определения реально израсходованного и остаточного ресурса основных деталей и дизеля в целом (в зависимости от нагрузок, количества пусков, изменения режимов). По разработанным программам в контроллере выполняется первичная обработка параметров. Ориентировочно раз в месяц обработанные контроллером данные снимаются на стандартную дискету, передаются на центральный пульт для расчёта реально израсходованного и остаточного ресурса на ЭВМ с соответствующей автоматизированной программой. При эксплуатации двигателей в реальных условиях, как показывает опыт, межремонтный ресурс может быть увеличен на 15 — 20%.

После запуска двигателя и достижения дизель-генератором номинальных значений напряжения и частоты он готов к вводу в параллельную работу с общей шиной. Ввод ДГ в параллельную работу осуществляется независимо друг от друга путем синхронизации с общей шиной.

Блок управления и контроля (PCC) контролирует напряжение и частоту на общей шине и осуществляет подстройку параметров дизель-генератора под эти значения. Синхронизация подстройки фазы осуществляется полностью автоматически. После полной синхронизации РСС получает сигнал о готовности к закрытию автоматического выключателя и выдает сигнал на его закрытие.

С вводом ДГ в параллельную работу значения его напряжения и частоты зависят от параметров общей шины, и система контроля переключается на контроль распределения нагрузки. Каждый ДГ имеет собственную систему контроля. Поскольку между дизель-генераторами отсутствует связь (не считая системы защиты), необходимое обслуживание можно проводить без прекращения работы всей системы.

После того как система контроля определила, что ДГ достиг необходимых значений напряжения и частоты, нагрузка с сети перебрасывается на него.

Комплектация дизельных блочно-контейнерных электростанций

С развитием малой энергетики компания «Звезда-Энергетика» перешла к созданию электростанций на базе модулей контейнерного исполнения, а также стационарных станций мощностью до 50 МВт, размещаемых в легко возводимых конструкциях (с общей с готовностью «под ключ»). Практика показала, что разработка, изготовление и монтаж модульных электростанций, по сравнению со стационарными, требует на 10–20% меньше временных и финансовых затрат.

Блочно-контейнерные электростанции изготавливаются в двух вариантах:

• с отдельным расположением модулей на площадке (без объединения их в единую конструкцию) и едиными общими функциональными связями между ними;
• с объединением отдельных модулей в единую законченную конструкцию с общими функциональными связями.

Климатическое исполнение модулей для электростанций — УХЛ, категория размещения 1 по ГОСТ 15150–69. Конструкция модулей обеспечивает эксплуатацию установленного оборудования в диапазоне температур наружного воздуха от плюс 40 °С до минус 60 °С.

В состав электростанций входят следующие основные модули:

• дизельные или газопоршневые электроагрегаты различной единичной мощности в контейнерном исполнении;
• резервные дизельные электроагрегаты;
• операторная, автоматизированная система управления электростанцией;
• низковольтный распределительный щит напряжением 0,4 кВ;
• закрытое распределительное устройство напряжением 6,3 кВ (10,5кВ) с трансформаторами собственных нужд;
• модули, включающие помещения ремонтных мастерских, топливо- и маслоподготовки, насосные, а также бытовые помещения.

За шесть лет профессиональный деятельности предприятие приобрело большой опыт в части проектирования, строительства и обслуживания дизельных электростанций в модульном исполнении.

• электростанция для СП «Сахалин Энерджи» из 12 энергоблоков общей электрической мощностью 19 200 кВт и тепловой — 8 000 кВт;
• ДЭС для ОАО «Сахаэнерго» из 8 энергоблоков общей электрической мощностью 12 800 кВт и тепловой — 10 000 кВт;
• ДЭС для золоторудной компании ЗАО «Многовершинное» из 4 энергоблоков общей электрической мощностью 6400 кВт;
• ДЭС для ОАО «Нарьянмарнефтегаз» из 4 энергоблоков общей электрической мощностью 7200 кВт.

На сегодня крупнейшим проектом компании «Звезда-Энергетика» является электростанция в п. Пригородное на Сахалине, которая построена под ключ в 2004 г. для ЗАО ИК «Трансстрой». В состав станции типа ЭБМ-19,2/6,3 КТ входят 12 блочно-контейнерных дизельных установок единичной мощностью 1600 кВт, котельная мощностью 8 МВт, высоковольтные распределительные устройства, АСУ ТП, топливохоранилище, административно-хозяйственный блок. При проектировании учитывались возможные сейсмические нагрузки на уровне 9 баллов. Станция эксплуатируется при непосредственном участии специалистов ОАО «Звезда-Энергетика», постоянно находящихся на объекте.

В настоящее время среди перспективных направлений деятельности компании «Звезда-Энергетика» — проектирование электростанций, работающих на сырой нефти, а также с использованием двухтопливной системы. Кроме того, ведется работа по адаптации электростанций для энергообеспечения буровых установок.