Kako odabrati prave generatore prirodnog plina za svoju primjenu?

Generatorski setovi prirodnog plina etablirali su se kao jedno od komercijalno i tehnički najznačajnijih rješenja za proizvodnju električne energije dostupnih u stambenim, komercijalnim, industrijskim i komunalnim aplikacijama. Sagorijevanjem prirodnog plina umjesto dizela ili loživog ulja, ovi generatorski setovi isporučuju električnu energiju s nižim emisijama, nižom cijenom goriva na većini tržišta i boljom pouzdanošću opskrbe gorivom kroz infrastrukturu cjevovoda koja nije podložna izazovima skladištenja, transporta i kontaminacije logistike tekućeg goriva. Za operacije koje zahtijevaju napajanje u stanju pripravnosti, kontinuirano napajanje ili kombiniranu proizvodnju topline i energije, generator prirodnog plina nudi uvjerljivu kombinaciju performansi i ekonomičnosti koju dizelske alternative sve više ne mogu mjeriti kako se cijene goriva i propisi o emisijama i dalje razvijaju.

Izravan zaključak za svakoga tko procjenjuje generatore prirodnog plina je sljedeći: za kontinuiranu ili glavnu proizvodnju električne energije gdje je dostupna opskrba prirodnim plinom, generatori prirodnog plina isporučuju niže emisije, nižu cijenu goriva po kilovatsatu i niže dugoročne troškove održavanja od ekvivalentnih dizelskih sklopova dok postižu usporedivu učinkovitost električne energije u rasponu snage od 20 kW do znatno iznad 10 megavata po jedinici. Za pripravne primjene, setovi prirodnog plina ovise o pouzdanosti infrastrukture opskrbe plinom, koja se mora ocijeniti za određenu lokaciju. Tamo gdje je opskrba plinom pouzdana, generator prirodnog plina je poželjna specifikacija za većinu trajnih pripravnih i kontinuiranih primjena napajanja. Ovaj članak pokriva tehnologiju, specifikacije izvedbe, primjene i kriterije odabira za generatore prirodnog plina u punoj praktičnoj dubini.

Kako rade generatori prirodnog plina

A Generatorski set prirodnog plina kombinira motor s unutarnjim izgaranjem na prirodni plin sa sinkronim izmjeničnim generatorom (alternatorom) montiranim na zajedničkom osnovnom okviru, sa svim potrebnim pomoćnim sustavima za pokretanje, kontrolu, hlađenje i obradu ispušnih plinova integriranih u jedan paket koji se može postaviti. Motor sagorijeva mješavinu prirodnog plina i zraka u svojim komorama za izgaranje, pretvarajući kemijsku energiju plina u mehaničku rotacijsku energiju koja pokreće osovinu generatora, koja zauzvrat proizvodi električnu snagu. Cijeli sklop, uključujući motor, generator, upravljačku ploču, hladnjak za hlađenje i kućište za prigušivanje zvuka gdje je navedeno, čini paket generatorskog agregata.

Vrste motora koji se koriste u generatorima prirodnog plina

Generatorski setovi prirodnog plina proizvode se s dvije glavne vrste motora, a izbor između njih ima značajne implikacije na učinkovitost, izlaznu snagu i prikladnost primjene:

• Plinski motori sa paljenjem svjećicom (Otto ciklus): Standardni tip motora za generatore prirodnog plina. Prirodni plin, budući da je plinovito gorivo, ne može se zapaliti kompresijom poput dizela jer se ne pali sam pri omjerima kompresije koji se koriste u praktičnim plinskim motorima. Umjesto toga, smjesa zraka i goriva se pali svjećicom u optimalnoj točki takta kompresije. Moderni plinski motori sa paljenjem svjećicom koriste tehnologiju izgaranja sa siromašnom izgaranjem, gdje je omjer zraka i goriva znatno veći od stehiometrijskog (obično lambda 1,6 do 2,0 ili više), što smanjuje vršne temperature izgaranja, emisije NOx i poboljšava toplinsku učinkovitost. Premium plinski motori s siromašnom izgaranjem postižu električnu učinkovitost od 40 do 45 posto pri punom opterećenju u rasponu snage od 500 kW do 10 MW, što je izravno usporedivo s modernim dizelskim motorima i znatno bolje od učinkovitosti od 30 do 35 posto tipične za starije stehiometrijske plinske motore.
• Motori s pilot paljenjem (dvostruko gorivo): Veliki motori na prirodni plin, posebno u megavatskom rasponu, ponekad koriste malu količinu dizelskog goriva (pilot ubrizgavanje) za paljenje mješavine pretežno prirodnog plina i zraka u svakom cilindru. Dizelski pilot osigurava pouzdano, precizno vrijeme paljenja u cilindrima velikog promjera gdje su doseg svjećice i pouzdanost izazovniji nego u manjim motorima. Motori s dva goriva nude dodatnu fleksibilnost rada samo na dizel u slučaju prekida opskrbe plinom, po cijenu veće mehaničke složenosti i potrebe da se održava opskrba dizel gorivom uz opskrbu plinom.

Komponenta generatora

Sinkroni generator izmjenične struje u generatorskom setu prirodnog plina pretvara mehaničku rotaciju radilice motora u trofaznu izmjeničnu struju na naponu i frekvenciji specificiranoj za aplikaciju (obično 400 V ili 11 kV na 50 Hz na europskim i azijskim tržištima, i 480 V ili 13,8 kV na 60 Hz na tržištima Sjeverne Amerike). Dizajn generatora, klasa izolacije i metoda hlađenja usklađeni su s izlaznom snagom i primjenom kompleta. Samopobuđujući generatori bez četkica s digitalnim regulatorima napona (AVR) održavaju izlazni napon unutar ±1 posto zadane vrijednosti u cijelom rasponu opterećenja i prolaznim događajima opterećenja, što je specifikacija potrebna za kompatibilnost s najosjetljivijim elektroničkim opterećenjima uključujući poslužitelje, motore s pogonima promjenjive frekvencije i medicinsku opremu.

Razmatranja opskrbe gorivom za generatore prirodnog plina

Pouzdanost rada generatora prirodnog plina temeljno ovisi o pouzdanosti i kvaliteti njegove opskrbe gorivom, a sustav opskrbe gorivom mora biti pravilno projektiran kao sastavni dio instalacije generatora. Prirodni plin se opskrbljuje generatorskim setovima kroz jedan od tri primarna izvora opskrbe, od kojih svaki ima različitu pouzdanost, tlak i implikacije instalacije:

• Komunalni plinovod: Najčešći izvor opskrbe za stalne instalacije u područjima opskrbljenim infrastrukturom za distribuciju plina. Plin iz cjevovoda isporučuje se pod distribucijskim tlakom (obično 20 do 200 mbar na granici posjeda u Ujedinjenom Kraljevstvu ili 0,25 do 2 bara u industrijskim opskrbnim mrežama) i zahtijeva stanicu za regulaciju tlaka kako bi se smanjio i stabilizirao dovodni tlak prema zahtjevima sustava goriva motora (obično 20 do 100 mbar na ulazu goriva u motor za motore sa paljenjem svjećicom na siromašnu gorivo). Cjevovodna opskrba plinom ima vrlo visoku pouzdanost na razvijenim tržištima, s godišnjom dostupnošću obično iznad 99,9 posto u gradskim i prigradskim područjima.
• Komprimirani prirodni plin (CNG): Za lokacije bez pristupa plinu iz komunalnih cjevovoda, prirodni plin može se isporučivati u komprimiranom obliku u visokotlačnim cilindrima ili snopovima cilindra postavljenih na prikolicu pod tlakom do 250 bara, zahtijevajući niz za smanjenje tlaka kako bi se plin doveo do uvjeta ulaza goriva u motor. Opskrba CNG-om praktična je za srednjoročne udaljene instalacije i pruža održivu alternativu dizelu na lokacijama gdje je logistika opskrbe dizelskim gorivom izazovna.
• Ukapljeni prirodni plin (LNG) i ukapljeni naftni plin (LPG): LNG se može skladištiti na licu mjesta u kriogenim spremnicima i ispariti za opskrbu generatorskih setova na lokacijama udaljenim od infrastrukture cjevovoda. LPG (propan ili butan) pruža alternativno plinovito gorivo sa sličnim karakteristikama izgaranja kao prirodni plin i može se koristiti u prikladno preinačenim generatorima gdje prirodni plin nije dostupan. I LNG i LPG zahtijevaju specijaliziranu opremu za skladištenje, isparavanje i regulaciju tlaka.

Usporedba performansi, emisija i učinkovitosti

Prednosti izvedbe generatora prirodnog plina u odnosu na dizelske alternative najjasnije se vide kada se usporede ključne radne metrike preko ekvivalentnih snaga. Sljedeća tablica predstavlja usporedbu tipičnih podataka o učinku za moderne generatore na prirodni plin i dizel u rasponu snage od 500 kW do 2 MW.

Ključne primjene za generatore prirodnog plina

Generatorski set prirodnog plinas služe širokom rasponu aplikacija za proizvodnju električne energije u više sektora, a specifična konfiguracija, izlazna snaga i pomoćni sustavi koji su potrebni ovise o ulozi koju generatorski set treba ispuniti:

• Sustavi kombinirane topline i električne energije (CHP): Poznati i kao kogeneracija, CHP sustavi hvataju otpadnu toplinu iz sustava za hlađenje motora agregata i ispušnih plinova za proizvodnju tople vode ili pare za grijanje prostora, procesno grijanje ili apsorpcijsko hlađenje. Ukupna učinkovitost iskorištenja energije dobro dizajnirane CHP instalacije koja koristi generatorski set prirodnog plina doseže 80 do 90 posto, u usporedbi s 38 do 44 posto samo za proizvodnju električne energije, dramatično smanjujući troškove energije objekata koji imaju istodobne zahtjeve za toplinom i energijom, kao što su bolnice, hoteli, sveučilišta, postrojenja za preradu hrane i mreže daljinskog grijanja.
• Kontinuirana i glavna proizvodnja električne energije: U regijama ili postrojenjima gdje je priključak na mrežu nedostupan, nepouzdan ili preskup za uspostavu, setovi generatora prirodnog plina osiguravaju kontinuiranu energiju industrijskim postrojenjima, udaljenim zajednicama, rudarskim operacijama i lokacijama za proizvodnju nafte i plina gdje prirodni plin može biti dostupan kao nusprodukt proizvodnje. Generatori prirodnog plina za primarnu snagu specificirani su za kontinuirani rad pri ili blizu pune nazivne snage 24 sata na dan, 365 dana u godini, i dizajnirani su s robusnom konstrukcijom, kapacitetom hlađenja i intervalima održavanja koji odgovaraju ovoj dužnosti.
• Napajanje u stanju pripravnosti i nuždi: Komercijalne zgrade, podatkovni centri, zdravstvene ustanove, postrojenja za pročišćavanje vode i druga kritična infrastruktura koriste generatore prirodnog plina kao primarni rezervni izvor napajanja za prekide u opskrbi mrežom. Pripravni setovi prirodnog plina nude prednosti nepotrebnog skladištenja goriva na licu mjesta (eliminiraju rizik od požara, propise o skladištenju i brige o degradaciji goriva povezane s pripravnim stanjem dizela), dok osiguravaju vremena početka od 10 do 30 sekundi od stanja pripravnosti do prihvaćanja punog opterećenja, što ispunjava zahtjeve za automatskim prijenosom većine standarda za napajanje postrojenja u hitnim slučajevima.
• Proizvodnja električne energije iz deponijskog plina i bioplina: Generatori prirodnog plina mogu se prilagoditi za rad na bioplin s odlagališta, anaerobnih digestora za pročišćavanje otpadnih voda, digestora poljoprivrednog otpada i industrijskih procesa bioplina. Bioplin obično sadrži 45 do 65 posto metana po volumenu, s ugljičnim dioksidom i zagađivačima u tragovima koji čine ravnotežu. Generatorski setovi konfigurirani za bioplin koriste motore s prilagođenim omjerima kompresije, vremenom paljenja i komponentama sustava goriva optimiziranim za nižu kaloričnu vrijednost i promjenjivi sastav bioplina, a mogu uključivati ​​opremu za kondicioniranje plina za uklanjanje vlage i sumporovodika koji bi oštetili komponente motora u neobrađenom bioplinu.

Odabir i specifikacija generatora prirodnog plina

Odabir ispravnog Generatorski set prirodnog plina za specifičnu primjenu zahtijeva sustavnu procjenu nekoliko međusobno povezanih tehničkih i komercijalnih čimbenika koji određuju hoće li odabrani set raditi pouzdano, zadovoljiti regulatorne zahtjeve i pružiti očekivani ekonomski povrat tijekom svog radnog vijeka.

1. Izlazna snaga i klasifikacija dužnosti: Izlazna snaga generatorskog seta mora biti navedena za ispravan rad: snaga pripravnosti (SPR) za setove koji se koriste samo tijekom prekida mreže; glavna snaga (PPR) za setove koji se koriste kao primarni izvor napajanja s neograničenim radnim satima; i kontinuiranu ocjenu snage (CPR) za setove koji pružaju konstantnu snagu osnovnog opterećenja. Oznaka snage pripravnosti generatorskog agregata obično je 10 do 15 posto veća od njegove osnovne snage za istu konfiguraciju motora jer rad u stanju pripravnosti ograničava set na najviše 500 sati godišnje pri ovoj snazi, dok se primarne i kontinuirane snage moraju održavati neograničeno dugo. Određivanje skupa na njegovu ocjenu pripravnosti za kontinuirani rad uobičajena je i ozbiljna pogreška koja dovodi do preranog trošenja motora i smanjenog vijeka trajanja.
2. Nadmorska visina mjesta i smanjenje temperature okoline: Izlazna snaga plinskog motora opada s povećanjem nadmorske visine (smanjena gustoća zraka) i povećanjem temperature okoline (smanjena gustoća zraka i povećani zahtjevi za hlađenjem). Proizvođači motora objavljuju krivulje smanjenja nadmorske visine i temperature koje se moraju primijeniti na nominalni nazivni učinak kako bi se odredio stvarni učinak dostupan na mjestu ugradnje. Za generatorski set instaliran na 1500 metara nadmorske visine u klimi u kojoj temperature okoline dosežu 40 stupnjeva Celzijusa, smanjeni učinak može biti 15 do 25 posto ispod nazivne vrijednosti s natpisne pločice, a to se mora uzeti u obzir u početnom izračunu veličine.
3. Zahtjevi usklađenosti emisija: Instalacije plinskih motora podliježu ograničenjima emisija koja se razlikuju ovisno o jurisdikciji, veličini instalacije i profilu radnih sati. Europska postrojenja iznad 1 MW obično podliježu ograničenjima emisija iz Direktive o postrojenjima za izgaranje (MCPD) za NOx, CO i ukupni organski ugljik, dok se instalacije u zonama čistog zraka ili u blizini stambenih područja mogu suočiti sa strožim lokalnim ograničenjima. Odabir motora mora potvrditi da certificirana emisijska izvedba motora zadovoljava primjenjive regulatorne zahtjeve za određeno mjesto i radni profil, uključujući sve zahtjeve za naknadnu obradu selektivnom katalitičkom redukcijom (SCR) kako bi se postigla ograničenja NOx koja sam motor ne može zadovoljiti.
4. Zahtjevi za razinu buke i akustično kućište: Generatori prirodnog plina proizvode značajnu mehaničku buku i buku izgaranja iz motora, ventilatora za hlađenje i ispušnog sustava. Instalirane razine zvuka moraju biti u skladu s lokalnim planiranjem i ekološkim propisima na granici lokacije i na najbližem receptoru osjetljivom na buku. Dobavljač generatorskog agregata može osigurati set u akustičnoj nadstrešnici ili u namjenski izgrađenom akustičkom kućištu koje prigušuje buku na potrebnu razinu, a dizajn kućišta mora se baviti i izravnom bukom odašiljanom od motora i bukom koju prenosi struktura koja se prenosi kroz temelje i konstrukciju zgrade.

Generatorski setovi prirodnog plina predstavljaju jedno od najučinkovitijih i ekonomski opravdanih ulaganja u proizvodnju električne energije dostupnih na današnjem energetskom tržištu, posebno za primjene gdje se kombinacija niže cijene goriva, nižih emisija, dužih intervala održavanja i potencijala za CHP povrat topline može u potpunosti ostvariti. Temeljita procjena lokacije, ispravna klasifikacija dužnosti, usklađenost s propisima o emisiji i buci te usklađivanje s infrastrukturom za opskrbu prirodnim plinom na lokaciji temelji su uspješne specifikacije generatorskog agregata koja pruža očekivanu izvedbu i ekonomičnost tijekom radnog vijeka seta.