Cum alegeți seturile electrogene pe gaz natural potrivite pentru aplicația dvs.?

Grupuri electrogene pe gaz natural s-au impus ca una dintre cele mai importante soluții de generare a energiei din punct de vedere comercial și tehnic, disponibile în aplicațiile rezidențiale, comerciale, industriale și la scară de utilitate. Arzând gaze naturale mai degrabă decât motorină sau păcură grea, aceste grupuri electrogene oferă energie electrică cu emisii mai mici, costuri mai mici ale combustibilului pe majoritatea piețelor și o fiabilitate mai bună a aprovizionării cu combustibil prin infrastructura de conducte care nu este supusă provocărilor de stocare, transport și contaminare ale logisticii combustibilului lichid. Pentru operațiunile care necesită energie în așteptare, putere continuă sau generare combinată de căldură și energie, un grup electrogen pe gaz natural oferă o combinație convingătoare de performanță și economie pe care alternativele la motorină nu o pot egala din ce în ce mai mult pe măsură ce prețurile combustibililor și reglementările privind emisiile continuă să evolueze.

Concluzia directă pentru oricine care evaluează grupurile electrogene pe gaz natural este următoarea: pentru generarea de energie continuă sau primară, unde este disponibilă o sursă de gaz natural, seturile electrogene pe gaz natural oferă emisii mai mici, costuri mai mici ale combustibilului pe kilowatt oră și costuri mai mici de întreținere pe termen lung decât seturile diesel echivalente, obținând în același timp o eficiență electrică comparabilă în intervalul de putere de la 20 kW până la mult peste 10 megawați pe unitate. Pentru aplicațiile de rezervă, seturile de gaze naturale depind de fiabilitatea infrastructurii de alimentare cu gaz, care trebuie evaluată pentru locația specifică. Acolo unde alimentarea cu gaz este fiabilă, setul generator cu gaz natural este specificația preferată pentru majoritatea aplicațiilor de alimentare continuă și de așteptare permanentă. Acest articol acoperă tehnologia, specificațiile de performanță, aplicațiile și criteriile de selecție pentru grupurile electrogene pe gaz natural în deplină profunzime practică.

Cum funcționează grupurile electrogene pe gaz natural

A Set generator pe gaz natural combină un motor cu ardere internă alimentat cu gaz natural cu un generator de curent alternativ (alternator) sincron montat pe un cadru de bază comun, cu toate sistemele auxiliare necesare pentru pornire, control, răcire și tratarea evacuarii integrate într-un singur pachet deployabil. Motorul arde un amestec de gaz natural și aer în camerele sale de ardere, transformând energia chimică a gazului în energie mecanică de rotație care antrenează arborele generatorului, care la rândul său produce puterea electrică. Întregul ansamblu, inclusiv motorul, generatorul, panoul de comandă, radiatorul de răcire și carcasa de atenuare a sunetului, acolo unde este specificat, constituie pachetul generatorului.

Tipuri de motoare utilizate în grupurile electrogene pe gaz natural

Seturile de generatoare pe gaz natural sunt produse cu două tipuri principale de motoare, iar alegerea dintre ele are implicații semnificative pentru eficiență, putere și adecvarea aplicațiilor:

• Motoare pe gaz cu aprindere prin scânteie (ciclu Otto): Tipul de motor standard pentru grupuri electrogene pe gaz natural. Gazul natural, fiind un combustibil gazos, nu poate fi aprins prin compresie ca motorina deoarece nu se autoaprinde la rapoartele de compresie folosite la motoarele pe gaz practice. În schimb, amestecul de aer combustibil este aprins de o bujie în punctul optim al cursei de compresie. Motoarele moderne pe gaz cu aprindere prin scânteie folosesc tehnologia de ardere slabă, în care raportul aer-combustibil este semnificativ mai mare decât stoichiometric (de obicei lambda 1,6 până la 2,0 sau mai mult), ceea ce reduce temperaturile maxime de ardere, scade emisiile de NOx și îmbunătățește eficiența termică. Motoarele cu gaz premium cu ardere slabă realizează eficiențe electrice de 40 până la 45% la sarcină maximă în intervalul de putere de 500 kW până la 10 MW, ceea ce este direct comparabil cu motoarele diesel moderne și semnificativ mai bun decât eficiența de 30 până la 35% tipică motoarelor cu gaz stoichiometrice mai vechi.
• Motoare cu aprindere pilot (combustibil dublu): Motoarele mari pe gaz natural, în special în gama de megawați, folosesc uneori o cantitate mică de combustibil diesel (injecția pilot) pentru a aprinde un amestec predominant de gaz natural în fiecare cilindru. Pilotul diesel oferă o sincronizare fiabilă și precisă a aprinderii în cilindrii cu diametru mare, unde raza bujiilor și fiabilitatea sunt mai dificile decât la motoarele mai mici. Motoarele cu combustibil dublu oferă flexibilitatea suplimentară de a putea funcționa numai cu motorină dacă alimentarea cu gaz este întreruptă, cu prețul unei complexități mecanice mai mari și al cerinței de a menține o alimentare cu motorină alături de alimentarea cu gaz.

Componenta generatorului

Generatorul sincron de curent alternativ dintr-un set generator cu gaz natural transformă rotația mecanică a arborelui cotit al motorului în energie electrică trifazată de curent alternativ la tensiunea și frecvența specificate pentru aplicație (de obicei 400 V sau 11 kV la 50 Hz pe piețele europene și asiatice și 480 V sau 13,8 kV la 60 Hz pe piețele nord-americane). Designul generatorului, clasa de izolație și metoda de răcire sunt potrivite cu puterea de ieșire și aplicarea setului. Generatoarele fără perii, autoexcitante, cu regulatoare digitale de tensiune (AVR) mențin tensiunea de ieșire cu ±1 la sută din punctul de referință pe întreaga gamă de sarcină și evenimente tranzitorii de sarcină, care este specificația necesară pentru compatibilitatea cu cele mai sensibile sarcini electronice, inclusiv servere, motoare cu variatoare de frecvență și echipamente medicale.

Considerații privind alimentarea cu combustibil pentru grupurile electrogene pe gaz natural

Fiabilitatea operațională a unui grup electrogen pe gaz natural depinde în mod fundamental de fiabilitatea și calitatea alimentării sale cu combustibil, iar sistemul de alimentare cu combustibil trebuie să fie proiectat corect ca parte integrantă a instalării grupului electrogen. Gazul natural este furnizat grupurilor electrogene prin una dintre cele trei surse primare de alimentare, fiecare cu implicații diferite de fiabilitate, presiune și instalare:

• Conducta de gaze naturale: Cea mai comună sursă de alimentare pentru instalațiile permanente din zonele deservite de infrastructura de distribuție a gazelor. Gazul din conducte este livrat la presiunea de distribuție (de obicei, 20 până la 200 mbar la limita proprietății în Marea Britanie, sau 0,25 până la 2 bari în rețelele industriale de alimentare) și necesită o stație de reglare a presiunii pentru a reduce și a stabiliza presiunea de alimentare la necesarul sistemului de alimentare al motorului (de obicei, 20 până la 100 mbar la admisia de combustibil a motorului aprins cu scânteie). Furnizarea de gaze prin conducte are o fiabilitate foarte mare pe piețele dezvoltate, cu o disponibilitate anuală de obicei peste 99,9% în zonele urbane și suburbane.
• Gaz natural comprimat (GNC): Pentru locații fără acces la gazul din conducte de utilități, gazul natural poate fi furnizat sub formă comprimată în cilindri de înaltă presiune sau în pachete de cilindri montate pe remorcă la presiuni de până la 250 bari, necesitând un tren de reducere a presiunii pentru a aduce gazul în condițiile de admisie a combustibilului din motor. Alimentarea cu GNC este practică pentru instalațiile la distanță pe termen mediu și oferă o alternativă viabilă la motorină în locații în care logistica aprovizionării cu motorină este dificilă.
• Gaze naturale lichefiate (GNL) și gaze petroliere lichefiate (GPL): GNL poate fi stocat la fața locului în rezervoare criogenice și vaporizat pentru a furniza grupuri electrogene în locații îndepărtate de infrastructura conductelor. GPL (propan sau butan) oferă un combustibil gazos alternativ cu caracteristici de ardere asemănătoare cu gazul natural și poate fi utilizat în grupuri electrogene transformate corespunzător, unde gazul natural nu este disponibil. Atât GNL, cât și GPL necesită echipamente specializate de stocare, vaporizare și reglare a presiunii.

Comparație de performanță, emisii și eficiență

Avantajele de performanță ale grupurilor electrogene pe gaz natural față de alternativele diesel sunt văzute cel mai clar atunci când se compară valorile operaționale cheie între puteri echivalente. Următorul tabel prezintă o comparație a cifrelor de performanță tipice pentru grupurile electrogene moderne pe gaz natural și diesel în intervalul de putere de la 500 kW la 2 MW.

Aplicații cheie pentru grupuri electrogene pe gaz natural

Set generator pe gaz naturals deservesc o gamă largă de aplicații de generare a energiei în mai multe sectoare, iar configurația specifică, puterea nominală și sistemele auxiliare necesare depind de rolul pe care este proiectat să-l îndeplinească setul generator:

• Sisteme combinate de căldură și energie (CHP): Cunoscute și sub numele de cogenerare, sistemele de cogenerare captează căldura reziduală din sistemul de răcire a motorului grupului generator și gazele de eșapament pentru a produce apă caldă sau abur pentru încălzirea spațiului, încălzirea procesului sau răcirea prin absorbție. Eficiența totală de utilizare a energiei a unei instalații de cogenerare bine proiectată care utilizează un grup electrogen pe gaz natural ajunge la 80 până la 90%, comparativ cu 38 până la 44% doar pentru generarea de energie electrică, reducând dramatic costul energiei instalațiilor care au cerințe simultane de căldură și energie, cum ar fi spitale, hoteluri, universități, fabrici de procesare a alimentelor și rețele de termoficare.
• Generare continuă și de primă putere: În regiunile sau instalațiile în care conexiunea la rețea este indisponibilă, nefiabilă sau prea costisitoare pentru a fi stabilită, grupurile electrogene cu gaz natural furnizează energie continuă instalațiilor industriale, comunităților îndepărtate, operațiunilor miniere și site-urilor de producție de petrol și gaze unde gazul natural poate fi disponibil ca produs secundar al producției. Seturile generatoare cu gaz natural de primă putere sunt specificate pentru funcționare continuă la sau aproape de puterea maximă nominală 24 de ore pe zi, 365 de zile pe an și sunt proiectate cu construcția robustă, capacitatea de răcire și intervalele de întreținere adecvate pentru această sarcină.
• Putere de așteptare și de urgență: Clădirile comerciale, centrele de date, unitățile de asistență medicală, stațiile de tratare a apei și alte infrastructuri critice folosesc seturi de generatoare cu gaz natural ca sursă principală de energie de rezervă pentru întreruperile alimentării rețelei. Seturile de rezervă pentru gaze naturale oferă avantajele lipsei de cerință de stocare a combustibilului la fața locului (eliminând riscul de incendiu, reglementările de depozitare și preocupările legate de degradarea combustibilului asociate cu modul de așteptare pentru motorină), oferind în același timp timpi de pornire de 10 până la 30 de secunde de la modul de așteptare până la acceptarea sarcinii complete, ceea ce îndeplinește cerințele de transfer automat ale majorității standardelor de alimentare de urgență a instalației.
• Producerea de energie a gazelor de depozit și a biogazului: Seturile de generatoare cu gaz natural pot fi adaptate pentru a funcționa cu biogaz de la depozitele de gunoi, digestoarele anaerobe de tratare a apelor uzate, digestoarele de deșeuri agricole și procesele industriale de biogaz. Biogazul conține de obicei 45 până la 65 la sută metan în volum, cu dioxid de carbon și urme de contaminanți constituind echilibrul. Seturile de generatoare configurate pentru serviciul biogaz utilizează motoare cu rapoarte de compresie ajustate, sincronizare a aprinderii și componente ale sistemului de combustibil optimizate pentru puterea calorică mai mică și compoziția variabilă a biogazului și pot include echipamente de condiționare a gazului pentru a îndepărta umezeala și hidrogenul sulfurat care ar deteriora componentele motorului din biogazul netratat.

Selectarea și specificarea grupurilor electrogene pe gaz natural

Selectarea corectă Set generator pe gaz natural pentru o aplicație specifică necesită evaluarea sistematică a mai multor factori tehnici și comerciali interconectați care determină dacă setul selectat va funcționa fiabil, va îndeplini cerințele de reglementare și va oferi rentabilitatea economică așteptată pe durata de viață a acestuia.

1. Puterea nominală și clasificarea sarcinii: Puterea nominală de ieșire a unui grup electrogen trebuie specificată pentru funcționarea corectă: puterea nominală de așteptare (SPR) pentru seturile utilizate numai în timpul întreruperii rețelei; putere nominală (PPR) pentru seturile utilizate ca sursă de alimentare primară cu ore de funcționare nelimitate; și putere nominală continuă (CPR) pentru seturile care furnizează putere constantă de sarcină de bază. Puterea nominală de așteptare a unui grup electrogen este de obicei cu 10 până la 15% mai mare decât puterea nominală maximă pentru aceeași configurație a motorului, deoarece funcționarea în așteptare limitează setul la maximum 500 de ore pe an la această capacitate, în timp ce valorile nominale de primă și continuă trebuie menținute pe termen nelimitat. Specificarea unui set la valoarea sa de așteptare pentru funcționare continuă este o eroare comună și gravă care duce la uzura prematură a motorului și durata de viață redusă.
2. Reducerea altitudinii site-ului și a temperaturii ambientale: Puterea de ieșire a unui motor pe gaz scade odată cu creșterea altitudinii (densitate redusă a aerului) și creșterea temperaturii ambientale (densitate redusă a aerului și cerințe crescute de răcire). Producătorii de motoare publică curbele de derating de altitudine și temperatură care trebuie aplicate la puterea nominală nominală pentru a determina puterea reală disponibilă la locul de instalare. Pentru un grup electrogen instalat la 1.500 de metri deasupra nivelului mării într-un climat în care temperaturile ambientale ajung la 40 de grade Celsius, puterea redusă poate fi cu 15 până la 25 la sută sub valoarea nominală de pe plăcuță, iar acest lucru trebuie luat în considerare în calculul inițial al dimensionării.
3. Cerințe de conformitate cu emisiile: Instalațiile de motoare pe gaz sunt supuse unor limite de emisii care variază în funcție de jurisdicție, dimensiunea instalării și profilul orelor de funcționare. Instalațiile europene de peste 1 MW sunt de obicei supuse limitelor de emisie ale Directivei privind instalațiile de ardere medie (MCPD) pentru NOx, CO și carbon organic total, în timp ce instalațiile din zonele cu aer curat sau din apropierea zonelor rezidențiale se pot confrunta cu limite locale mai stricte. Selecția motorului trebuie să confirme că performanța certificată a motorului în materie de emisii îndeplinește cerințele de reglementare aplicabile pentru locul specific și profilul de operare, inclusiv orice cerințe pentru posttratarea de reducere catalitică selectivă (SCR) pentru a atinge limitele de NOx pe care motorul singur nu le poate îndeplini.
4. Nivelul sonor și cerințele de incintă acustică: Seturile generatoare pe gaz natural produc zgomot mecanic și de combustie semnificativ de la motor, ventilator de răcire și sistemul de evacuare. Nivelurile de zgomot instalate trebuie să respecte reglementările locale de planificare și de mediu la limita amplasamentului și la cel mai apropiat receptor sensibil la zgomot. Furnizorul de grup electrogen poate furniza setul într-un copertina acustică sau într-o incintă acustică construită special, care atenuează zgomotul la nivelul cerut, iar proiectarea incintei trebuie să abordeze atât zgomotul radiat direct de la motor, cât și zgomotul suportat de structură transmis prin fundații și structura clădirii.

Seturile de generatoare cu gaz natural reprezintă una dintre cele mai eficiente și mai justificabile investiții în generarea de energie disponibile pe piața de energie actuală, în special pentru aplicațiile în care combinația dintre costul mai mic al combustibilului, emisii mai mici, intervale de întreținere mai lungi și potențialul de recuperare a căldurii CHP poate fi pe deplin realizată. Evaluarea amănunțită a amplasamentului, clasificarea corectă a sarcinilor, conformitatea cu reglementările privind emisiile și zgomotul și alinierea la infrastructura de alimentare cu gaze naturale a locației sunt bazele unei specificații de succes a grupului electrogen care oferă performanța așteptată și economia pe toată durata de viață a setului..