Дизельные электростанции

Одним из успешных решений вопроса электроснабжения по-прежнему остаются дизельные электростанции (ДЭС). Установки, хорошо зарекомендовавшие себя ещё в эпоху советской энергетики, продолжают снабжать электрической энергией автономных потребителей. Нередко они выступают в качестве источника резервного питания важных социальных объектов, выполняя тем самым требования ПУЭ (Правил устройств электроустановок), предъявляемые к потребителям особой группы, а также первой и второй категорий электроснабжения.

Широкое распространение ДЭС обусловлено

• значительным количеством потребителей, неохваченных системой централизованного электроснабжения;
• желанием многих хозяйствующих субъектов быть независимыми от электросетевых и сбывающих электроэнергию компаний;
• необходимостью иметь аварийный или резервный источник питания.

Что собой представляет дизельная электростанция

Это силовой агрегат, что состоит из работающего на дизельном топливе двигателя внутреннего сгорания и вырабатывающего электрический ток генератора (иногда генераторов может быть несколько).

Физическая суть установки заключается в преобразовании: на первом этапе – внутри двигателя – внутренней химической энергии топлива в энергию механическую, на втором этапе – внутри электрогенератора – механической энергии вращения вала генератора в электрический ток. Для чего ДДВС (дизельный двигатель внутреннего сгорания) соединяют с ЭГ (электрогенератором) напрямую с помощью фланца, либо посредством использования демпферной (гасящей колебания) муфты. При фланцевом соединении применяется двухопорный (опирающийся на два подшипника) генератор, в случае соединения с помощью муфты, используется одноопорный генератор.

По мере оснащения оборудованием первоначальной конструкции, различают следующие термины и понятия:

• дизель-генератор – конструкция, что включает только эти два названных элемента;
• дизельэлектрический агрегат (модуль), в составе которого помимо дизель-генератора присутствуют рама, топливный бак, приборы контроля происходящих процессов;
• дизельная электростанция (ДЭС) – полностью завершённый и готовый к эксплуатации объект, передвижного или стационарного исполнения, смонтированный на базе агрегата (модуля) и оснащённый устройствами автоматики, управления, а также системой распределения электрической энергии.

Принцип работы ДЭС

В основу работу положены принципы действия дизельного двигателя и электрического генератора, сочетаемые с работой систем управления, автоматики, контроля и электрической схемы, предназначенной для питания потребителей.

Цилиндр двигателя заполняется воздухом. Здесь происходит его сжатие и разогрев до высоких температур. Туда же – в камеру сгорания под высоким давлением подаётся распылённое топливо. В результате происходит процесс самовоспламенения. Энергия образовавшихся при этом газов начинает перемещать поршень, что приводит в действие кривошипно-шатунный механизм, вращающий коленчатый вал.

Как было уже сказано, вал двигателя механически соединён с ротором электрического генератора. Поэтому вращение первого приводит и к вращению второго.

В результате внутри ЭГ появляется переменное электромагнитное поле, индуцирующее в обмотках генератора переменный ток. Вырабатываемая электрическая энергия через схему распределения поступает к подключенным к ДЭС потребителям.

При этом дизельный двигатель оснащается системами смазки, охлаждения, подачи воздуха и топлива. Все происходящие в электростанции процессы находятся в ведении оператора, осуществляющего свои функции через пульт управления. У него имеется возможность запускать и останавливать установку в ручном или автоматическом режимах.

Виды и варианты исполнения дизельных электростанций

Станции могут различаться по выходным электрическим параметрам: мощности, видам электрического тока (переменный однофазный или трёхфазный, постоянный), напряжению и частоте (50, 60 или 400 Гц). В зависимости от способа охлаждения ДДВС оснащаются системами воздушного или жидкостного охлаждения. Последнее приводит к значительному увеличению габаритов, оправдываемому большой мощностью силовых агрегатов.

Назначение бывает стационарное – электростанция входит в состав энергетического комплекса объекта (обычно она в открытом исполнении устанавливается в предназначенном для этих целей помещении) или передвижное (мобильное). Последнее получило распространение в силу быстрого перемещения ДЭС с места на место, оперативного запуска в работу и выработки электроэнергии в самых отдалённых и труднодоступных местах.

Изготавливаются такие станции в специальных контейнерах, предохраняющих технику от внешних неблагоприятных воздействий и обеспечивающих необходимый микроклимат. Иногда, что исключить шумовое воздействие их размещают в специальном кожухе. Востребованы изделия, оснащённые самоходными шасси, перемещаемые на значительные расстояния автотранспортными средствами.

Электростанции трёхфазного тока производят напряжение величиной до 1 кВ (низковольтные) и величиной более 1 кВ (высоковольтные). Для повышения низковольтного напряжения до 6,3 кВ или 10 кВ применяют трансформаторные подстанции. Это необходимо при значительном удалении объекта электроснабжения от ДЭС.

Выбор в качестве источника электрического тока асинхронного генератора оправдан в случае длительной эксплуатации, необходимости выдерживать межвитковые короткие замыкания и при наличии влаги и пыли. Синхронные генераторы более стабильны по своим выходным параметрам и не столь чувствительны к воздействию пусковых токов.

Одним из вариантов исполнения дизельной или бензиновой электростанции выступают установки, вырабатывающие переменный или постоянный ток низкого напряжения, предназначенный для электродуговой сварки. При этом они вполне способны кратковременно выдерживать режимы коротких замыканий.

Применение дизельных электростанций

В самом конце XIX-го века впервые в России было налажено производство дизельных двигателей на заводе «Русский дизель». Именно там, на бывшем Петербургском двигателестроительном заводе был изготовлен дизель, работающий на нефти с уровнем потребления топлива в 221 грамм на одну лошадиную силу-час. В 1903 году на Сормовском заводе был спущен на воду первый в мировой практике теплоход «Вандал», оснащённый установкой производства завода «Русский дизель», мощностью в 120 лошадиных сил.

Позже дизель-генераторные установки находят распространение в Русской армии и начинают использоваться для освещения городских улиц. Одним из инициаторов их использования в автомобилях становится созданный в 1916 году Ярославский моторный завод.

Однако создание первых передвижных дизельных электростанций во времена СССР пришлось на годы Великой Отечественной войны, когда остро ощущалась необходимость организации электроснабжения переброшенных в тыл предприятий или восстанавливаемых после освобождения территорий. По предложению Народного комиссариата электростанций СССР Мосэнерго использовал демонтируемое оборудование для изготовления тепловых электростанций. С этой целью ПКБ Мосэнерго были спроектированы первые передвижные дизельные электростанции. Первые электростанции-электропоезда мощностью в 500-1500 кВт, направляемые в различные регионы страны, собирались на производственной базе Фрунзенской ТЭЦ. Всего изготовлено 7 таких поездов, первый из которых, выпущенный 15 февраля 1943 года, был отправлен в Сталинград. С их помощью выработано 15,5 млн кВт∙ч электрической энергии. 

К настоящему моменту времени наиболее распространено использование дизельных электростанций в качестве основного источника питания. Это актуально там, где отсутствует централизованное электроснабжение, имеются проблемы с подачей электрической энергии, есть экономическая целесообразность приобретения энергетической независимости. Обычно это:

• отдалённые населённые пункты, расположенные за Полярным кругом или в иных труднодоступных местностях;
• сельскохозяйственные предприятия, производственные и гаражные кооперативы, дачные посёлки, садоводческие товарищества;
• места проведения геолого-разведывательных и изыскательских работ, объекты добычи полезных ископаемых (шахты, рудники, разрезы, скважины) и строительства новых сооружений, территории временной дислокации лиц, выполняющих свои служебные обязанности.

К их числу также относятся многие транспортные средства: легковые автомобили, грузовики, самосвалы, тяжёлая землеройная и горнодобывающая техника, тепловозы, морские и речные суда, подводные лодки.

Использование ДЭС в качестве резервного источника питания оправдано там, где установки выступают дополнением к основным средствам электроснабжения – централизованным сетям. Подобное может случаться или в часы максимума нагрузок или в случае проведения ремонтных работ.

В качестве аварийного источника питания дизельные электростанции применяются на социально значимых объектах энергетики (обеспечение собственных нужд ТЭЦ и АЭС), здравоохранения, гражданской обороны, систем передачи и обработки информации и на иных объектах стратегического назначения.

Достоинства и недостатки дизельных электростанций

Основными плюсами этих средств обеспечения электрической энергией выступают:

• малые габариты, обуславливающие портативность и мобильность;
• простота выполнения строительно-монтажных работ; 
• высокая степень надёжности (достаточно дорогих изделий, что изготовлены под маркой всемирно известных брендов, типа Cummins, NeuHaus, Wilson, Aks);
• экономичность, достигаемая за счёт высокого уровня КПД, меньшего расходования более дешёвого топлива, если сравнивать с агрегатами, работающими на бензине;
• адаптацией рынка, предоставляющего эксплуатирующим организациям широкий выбор запасных частей, комплектующих и расходных материалов.

Кроме того, есть и целый ряд дополнительных положительных факторов:

• Достигаемый за счёт комплектации установки износостойкими и долговечными изделиями, большой срок эксплуатации.
• Противопожарная безопасность.
• Возможность эксплуатации при любых погодных и климатических условиях практически на всех видах углеводородного органического топлива: нефти, продуктах её перегонки, природных маслах, скипидаре (но прибегать к этому следует в случае крайней необходимости).
• Снижение уровня звуковых воздействий посредством возведения шумовой изоляции.
• Бесперебойная работа в течение продолжительного времени, сопровождаемая стабильностью выходных параметров. 
• Комфортность применения и обслуживания.

Но столь значительный набор достоинств определяет и ряд весьма существенных недостатков:

• Высокая цена зарекомендовавших наилучшим образом изделий.
• Большой экологический вред, наносимый продуктами сгорания дизельного топлива.
• Необходимость регулярного высококачественного обслуживания со стороны профессионалов, сопровождаемая достаточно жёсткими требованиями к качеству горючего и смазочных материалов.

Техническое обслуживание и организация эксплуатации

Дизельные электростанции – устройства сложные и поэтому требующие высокого уровня эксплуатации. Заниматься их обслуживанием и эксплуатацией должны обученные и подготовленные лица, тщательно изучившие все требования Правил технической эксплуатации дизельных электростанций (ПТЭД) и инструкций по эксплуатации, применимых непосредственно к обслуживающим установкам.

В противном случае неисправностей, поломок, аварий и даже несчастных случаев не избежать. На их устранение потребуется много времени сопровождающееся простоем оборудования, что повлечёт значительный расход финансовых ресурсов.

Стандартные рекомендации по организации эксплуатации дизельных электростанций постоянно напоминают о необходимости:

• использования исключительно сертифицированного топлива;
• тщательной очистки его от посторонних примесей и воды посредством 10-суточного отстоя, сепарации и фильтрации;
• хранения горючих веществ в специально предназначенных для этого резервуарах, защищающих топливо от попадания загрязнителей;
• применять только рекомендованные моторные масла, категорически пресекая все попытки разбавить или смешать их с иными жидкостями, а также заменить другими охлаждающими веществами;
• организовать приток свежего воздуха для создания оптимальных условий сгорания топлива.

Процесс технической эксплуатации в обязательном порядке должен включать:

• Профилактические осмотры после 200-300 часов работы установки, сопровождаемые заменой масла и масляных фильтров.
• Регулярный слив конденсата, замену приводных ремней, форсунок и насосов, обслуживание панели управления, электрогенератора и остальных вспомогательных систем.
• Последовательную и корректную процедуру запуска, при повторном старте (в случае неудачи первого) и при подключении нагрузки, включающую в себя выдержку времени.
• Защиту двигателя от перегрузок.
• Предотвращение процессов резкого старта, останова и форсирования нагрузки.
• Защиту работающего персонала от нагретых элементов конструкции ДЭС и от её движущихся частей.
• Нахождение причин неисправностей и своевременного их устранения.

Только в случае соблюдения всех предъявляемых требований, можно гарантировать длительную и надёжную работу дизельной электростанции, сопровождающуюся стабильностью её выходных параметров.

Процесс изготовления ДЭС детально показан в следующем видеоматериале: