Как выбрать подходящие генераторные установки на природном газе для вашего применения?

Генераторные установки природного газа зарекомендовали себя как одно из наиболее коммерчески и технически значимых решений по выработке электроэнергии, доступных для применения в жилых, коммерческих, промышленных и коммунальных масштабах. Сжигая природный газ, а не дизельное топливо или мазут, эти генераторные установки вырабатывают электроэнергию с меньшими выбросами, более низкой стоимостью топлива на большинстве рынков и более высокой надежностью поставок топлива через трубопроводную инфраструктуру, которая не подвержена проблемам хранения, транспортировки и загрязнения, связанным с логистикой жидкого топлива. Для операций, требующих резервной мощности, непрерывной мощности или комбинированного производства тепла и электроэнергии, генераторная установка на природном газе предлагает убедительное сочетание производительности и экономичности, с которым дизельные альтернативы все чаще не могут сравниться, поскольку цены на топливо и нормы выбросов продолжают развиваться.

Прямой вывод для любого, кто оценивает генераторные установки на природном газе, заключается в следующем: для непрерывного или основного производства электроэнергии там, где доступен природный газ, генераторные установки на природном газе обеспечивают более низкие выбросы, более низкую стоимость топлива на киловатт-час и более низкие долгосрочные затраты на техническое обслуживание, чем эквивалентные дизельные установки, достигая при этом сопоставимой электрической выходной эффективности во всем диапазоне мощности от 20 кВт до значительно выше 10 мегаватт на единицу. Для резервных приложений комплекты природного газа зависят от надежности инфраструктуры газоснабжения, которая должна оцениваться для конкретного местоположения. Там, где поставка газа надежна, генераторная установка на природном газе является предпочтительной спецификацией для большинства приложений постоянного резерва и непрерывного энергоснабжения. В этой статье подробно описаны технология, технические характеристики, области применения и критерии выбора генераторных установок на природном газе.

Как работают генераторные установки на природном газе

А Генераторная установка природного газа сочетает в себе двигатель внутреннего сгорания, работающий на природном газе, с синхронным генератором переменного тока (генератором переменного тока), установленным на общей несущей раме, со всеми необходимыми вспомогательными системами для запуска, управления, охлаждения и обработки выхлопных газов, объединенными в единый развертываемый агрегат. Двигатель сжигает смесь природного газа и воздуха в камерах сгорания, преобразуя химическую энергию газа в механическую энергию вращения, которая приводит в движение вал генератора, который, в свою очередь, производит электрическую мощность. Вся сборка, включая двигатель, генератор, панель управления, радиатор охлаждения и звукопоглощающий кожух, если указано, составляет комплект генераторной установки.

Типы двигателей, используемых в генераторных установках на природном газе

Генераторные установки на природном газе производятся с двумя основными типами двигателей, и выбор между ними имеет существенное значение для эффективности, выходной мощности и пригодности применения:

• Газовые двигатели с искровым зажиганием (цикл Отто): Стандартный тип двигателя для генераторных установок, работающих на природном газе. Природный газ, будучи газообразным топливом, не может воспламеняться от сжатия, как дизельное топливо, поскольку он не самовоспламеняется при степенях сжатия, используемых в практических газовых двигателях. Вместо этого топливовоздушная смесь воспламеняется свечой зажигания в оптимальной точке такта сжатия. В современных газовых двигателях с искровым зажиганием используется технология сжигания обедненной смеси, при которой соотношение воздух-топливо значительно превышает стехиометрическое (обычно лямбда от 1,6 до 2,0 или выше), что снижает пиковые температуры сгорания, снижает выбросы NOx и повышает термический КПД. Двигатели премиум-класса, работающие на бедной газовой смеси, достигают электрического КПД от 40 до 45 процентов при полной нагрузке в диапазоне мощностей от 500 кВт до 10 МВт, что напрямую сопоставимо с современными дизельными двигателями и значительно выше, чем КПД от 30 до 35 процентов, типичный для старых стехиометрических газовых двигателей.
• Двигатели с пилотным зажиганием (двухтопливные): Большие двигатели, работающие на природном газе, особенно в диапазоне мегаватт, иногда используют небольшое количество дизельного топлива (предварительный впрыск) для воспламенения преимущественно газовоздушной смеси в каждом цилиндре. Дизельный пилот обеспечивает надежный и точный момент зажигания в цилиндрах большого диаметра, где досягаемость свечи зажигания и надежность более сложны, чем в двигателях меньшего размера. Двухтопливные двигатели обеспечивают дополнительную гибкость, позволяя работать только на дизельном топливе, если подача газа прерывается, за счет большей механической сложности и необходимости поддерживать подачу дизельного топлива наряду с подачей газа.

Компонент генератора

Синхронный генератор переменного тока в генераторной установке на природном газе преобразует механическое вращение коленчатого вала двигателя в трехфазную электрическую энергию переменного тока с напряжением и частотой, указанными для конкретного применения (обычно 400 В или 11 кВ при 50 Гц на рынках Европы и Азии и 480 В или 13,8 кВ при 60 Гц на рынках Северной Америки). Конструкция генератора, класс изоляции и метод охлаждения соответствуют выходной мощности и применению установки. Бесщеточные самовозбуждающиеся генераторы с цифровыми регуляторами напряжения (AVR) поддерживают выходное напряжение в пределах ±1 процента от заданного значения во всем диапазоне нагрузки и при переходных нагрузках, что является спецификацией, необходимой для совместимости с большинством чувствительных электронных нагрузок, включая серверы, двигатели с частотно-регулируемыми приводами и медицинское оборудование.

Вопросы подачи топлива для генераторных установок, работающих на природном газе

Эксплуатационная надежность генераторной установки, работающей на природном газе, фундаментально зависит от надежности и качества ее подачи топлива, а система подачи топлива должна быть правильно спроектирована как неотъемлемая часть установки генераторной установки. Природный газ подается на генераторные установки через один из трех основных источников питания, каждый из которых имеет различную надежность, давление и особенности установки:

• Газопровод природного газа: Наиболее распространенный источник снабжения стационарных установок в районах, обслуживаемых газораспределительной инфраструктурой. Трубопроводный газ подается под давлением распределения (обычно от 20 до 200 мбар на границе собственности в Великобритании или от 0,25 до 2 бар в промышленных сетях снабжения) и требует станции регулирования давления для снижения и стабилизации давления подачи в соответствии с требованиями топливной системы двигателя (обычно от 20 до 100 мбар на входе топлива в двигатель для двигателей с искровым зажиганием, работающих на обедненной смеси). На развитых рынках трубопроводное газоснабжение имеет очень высокую надежность: годовая доступность обычно превышает 99,9 процента в городских и пригородных районах.
• Сжатый природный газ (СПГ): В места, где нет доступа к газопроводу, природный газ может поставляться в сжатом виде в баллонах высокого давления или смонтированных на прицепе связках баллонов под давлением до 250 бар, при этом требуется линия снижения давления для доведения газа до условий на входе в двигатель. Поставки КПГ практичны для среднесрочных удаленных установок и представляют собой жизнеспособную альтернативу дизельному топливу в местах, где логистика поставок дизельного топлива затруднена.
• Сжиженный природный газ (СПГ) и сжиженный нефтяной газ (СУГ): СПГ можно хранить на месте в криогенных резервуарах и испарять для снабжения генераторных установок в местах, удаленных от трубопроводной инфраструктуры. Сжиженный нефтяной газ (пропан или бутан) представляет собой альтернативное газообразное топливо с характеристиками сгорания, аналогичными природному газу, и может использоваться в соответствующим образом переоборудованных генераторных установках, где природный газ недоступен. И СПГ, и СНГ требуют специального оборудования для хранения, испарения и регулирования давления.

Сравнение производительности, выбросов и эффективности

Преимущества производительности генераторных установок, работающих на природном газе, по сравнению с дизельными альтернативами, наиболее четко видны при сравнении ключевых эксплуатационных показателей при эквивалентных номинальных мощностях. В следующей таблице представлено сравнение типичных показателей производительности современных газовых и дизельных генераторных установок мощностью от 500 кВт до 2 МВт.

Ключевые области применения генераторных установок на природном газе

Генераторная установка природного газаs обслуживают широкий спектр приложений по производству электроэнергии в различных секторах, а конкретная конфигурация, номинальная мощность и необходимые вспомогательные системы зависят от роли, для выполнения которой предназначена генераторная установка:

• Комбинированные теплоэнергетические системы (ТЭЦ): Аlso known as cogeneration, CHP systems capture the waste heat from the generator set's engine cooling system and exhaust gas to produce hot water or steam for space heating, process heating, or absorption cooling. The total energy utilization efficiency of a well designed CHP installation using a natural gas generator set reaches 80 to 90 percent, compared to 38 to 44 percent for electricity generation alone, dramatically reducing the energy cost of facilities that have simultaneous heat and power demands such as hospitals, hotels, universities, food processing plants, and district heating networks.
• Непрерывное и основное производство электроэнергии: В регионах или на объектах, где подключение к сети недоступно, ненадежно или слишком дорого в установке, генераторные установки на природном газе обеспечивают непрерывное электроснабжение промышленных объектов, отдаленных населенных пунктов, горнодобывающих предприятий и объектов добычи нефти и газа, где природный газ может быть доступен в качестве побочного продукта производства. Генераторные установки Prime Power, работающие на природном газе, рассчитаны на непрерывную работу с полной номинальной мощностью или близкой к ней 24 часа в сутки, 365 дней в году и имеют прочную конструкцию, охлаждающую способность и интервалы технического обслуживания, соответствующие этому режиму работы.
• Резервное и аварийное питание: Коммерческие здания, центры обработки данных, медицинские учреждения, водоочистные сооружения и другая критически важная инфраструктура используют генераторные установки на природном газе в качестве основного резервного источника питания на случай перебоев в энергоснабжении. Резервные установки на природном газе обладают преимуществами, заключающимися в отсутствии требований к хранению топлива на объекте (устраняя риск пожара, правила хранения и проблемы, связанные с ухудшением качества топлива, связанные с резервным дизельным топливом), обеспечивая при этом время запуска от 10 до 30 секунд от режима ожидания до приема полной нагрузки, что соответствует требованиям автоматического переключения большинства стандартов аварийного электроснабжения объектов.
• Производство электроэнергии из свалочного газа и биогаза: Генераторные установки, работающие на природном газе, могут быть адаптированы для работы на биогазе со свалок, в анаэробных варочных котлах для очистки сточных вод, в варочных котлах для сельскохозяйственных отходов и в промышленных биогазовых процессах. Биогаз обычно содержит от 45 до 65 процентов метана по объему, а баланс составляет углекислый газ и следовые примеси. Генераторные установки, сконфигурированные для работы на биогазе, используют двигатели с отрегулированной степенью сжатия, моментом зажигания и компонентами топливной системы, оптимизированными для более низкой теплотворной способности и переменного состава биогаза, и могут включать оборудование для подготовки газа для удаления влаги и сероводорода, которые могут повредить компоненты двигателя в необработанном биогазе.

Выбор и спецификация генераторных установок на природном газе

Выбор правильного Генераторная установка природного газа Для конкретного применения требуется систематическая оценка нескольких взаимосвязанных технических и коммерческих факторов, которые определяют, будет ли выбранный комплект работать надежно, соответствовать нормативным требованиям и обеспечивать ожидаемую экономическую отдачу в течение срока службы.

1. Номинальная выходная мощность и классификация режимов работы: Выходная мощность генераторной установки должна быть указана для правильного режима работы: номинальная мощность в режиме ожидания (SPR) для установок, используемых только во время отключений сети; номинальная мощность (PPR) для агрегатов, используемых в качестве основного источника питания с неограниченным количеством часов работы; и номинальная мощность в непрерывном режиме (CPR) для комплектов, обеспечивающих постоянную мощность базовой нагрузки. Номинальная мощность генераторной установки в режиме ожидания обычно на 10–15 процентов выше, чем ее номинальная мощность для той же конфигурации двигателя, поскольку работа в режиме ожидания ограничивает работу установки максимум 500 часами в год при этой мощности, тогда как основная и непрерывная номинальная мощность должны поддерживаться в течение неопределенного времени. Установка режима ожидания для непрерывной работы — распространенная и серьезная ошибка, которая приводит к преждевременному износу двигателя и сокращению срока его службы.
2. Высота над уровнем моря и температура окружающей среды снижают номинальные характеристики: Выходная мощность газового двигателя снижается с увеличением высоты (снижение плотности воздуха) и увеличением температуры окружающей среды (снижение плотности воздуха и увеличение требований к охлаждению). Производители двигателей публикуют кривые снижения характеристик по высоте и температуре, которые необходимо применять к номинальной мощности, чтобы определить фактическую мощность, доступную на месте установки. Для генераторной установки, установленной на высоте 1500 метров над уровнем моря в климате, где температура окружающей среды достигает 40 градусов Цельсия, пониженная мощность может быть на 15–25 процентов ниже номинальной мощности, указанной на паспортной табличке, и это необходимо учитывать при первоначальном расчете мощности.
3. Требования соответствия выбросам: На установки с газовыми двигателями распространяются ограничения на выбросы, которые зависят от юрисдикции, размера установки и режима работы. На европейские установки мощностью более 1 МВт обычно распространяются ограничения на выбросы NOx, CO и общего органического углерода, установленные Директивой по установкам среднего сжигания (MCPD), тогда как на установки в зонах с чистым воздухом или вблизи жилых районов могут действовать более жесткие местные ограничения. Выбор двигателя должен подтвердить, что сертифицированные показатели выбросов двигателя соответствуют применимым нормативным требованиям для конкретной площадки и режима эксплуатации, включая любые требования к селективной каталитической регенерации (SCR) для последующей обработки для достижения пределов NOx, которым не может соответствовать сам по себе двигатель.
4. Требования к уровню шума и звукоизоляции: Генераторные установки, работающие на природном газе, производят значительный механический шум и шум сгорания от двигателя, вентилятора охлаждения и выхлопной системы. Установленные уровни шума должны соответствовать местным нормам планирования и охраны окружающей среды на границе площадки и у ближайшего чувствительного к шуму объекта. Поставщик генераторной установки может предоставить установку в акустическом навесе или в специально построенном акустическом кожухе, который снижает шум до необходимого уровня, при этом конструкция кожуха должна учитывать как прямой шум, излучаемый двигателем, так и структурный шум, передаваемый через фундамент и конструкцию здания.

Генераторные установки на природном газе представляют собой одну из наиболее эффективных и экономически оправданных инвестиций в производство электроэнергии, доступных на современном энергетическом рынке, особенно для применений, где может быть полностью реализовано сочетание более низкой стоимости топлива, более низких выбросов, более длительных интервалов технического обслуживания и потенциала рекуперации тепла ТЭЦ. Тщательная оценка площадки, правильная классификация режимов работы, соблюдение норм по выбросам и шуму, а также соответствие инфраструктуре поставок природного газа на объекте являются основой успешной спецификации генераторной установки, которая обеспечивает ожидаемую производительность и экономичность на протяжении всего срока службы установки.