Jak si vyberete správné sady generátorů zemního plynu pro vaši aplikaci?

Soupravy generátorů zemního plynu se etablovaly jako jedno z komerčně a technicky nejvýznamnějších řešení pro výrobu energie dostupných v rezidenčních, komerčních, průmyslových a užitkových aplikacích. Tyto generátorové agregáty spalují zemní plyn spíše než naftu nebo těžký topný olej a dodávají elektrickou energii s nižšími emisemi, nižšími náklady na palivo na většině trhů a lepší spolehlivostí dodávek paliva prostřednictvím potrubní infrastruktury, která není předmětem logistiky kapalných paliv v oblasti skladování, přepravy a kontaminace. Pro provozy, které vyžadují pohotovostní napájení, nepřetržité napájení nebo kombinovanou výrobu tepla a elektřiny, nabízí generátor na zemní plyn přesvědčivou kombinaci výkonu a ekonomiky, které se alternativy nafty stále více nemohou vyrovnat, protože ceny paliv a emisní předpisy se neustále vyvíjejí.

Přímý závěr pro každého, kdo hodnotí sady generátorů zemního plynu, je tento: pro kontinuální nebo prvotřídní výrobu energie, kde je k dispozici dodávka zemního plynu, poskytují generátory zemního plynu nižší emise, nižší náklady na palivo na kilowatthodinu a nižší dlouhodobé náklady na údržbu než ekvivalentní dieselové sady, přičemž dosahují srovnatelné účinnosti elektrického výkonu v celém rozsahu výkonu od 20 kW do výrazně nad 10 megawattů na jednotku. U záložních aplikací závisí sady na zemní plyn na spolehlivosti infrastruktury dodávek plynu, která musí být posouzena pro konkrétní místo. Tam, kde je dodávka plynu spolehlivá, je generátor zemního plynu preferovanou specifikací pro většinu aplikací v trvalém pohotovostním režimu a nepřetržitém napájení. Tento článek pojednává o technologii, výkonových specifikacích, aplikacích a kritériích výběru pro sady generátorů zemního plynu v plné praktické hloubce.

Jak fungují generátory zemního plynu

A Sada generátorů zemního plynu kombinuje spalovací motor poháněný zemním plynem se synchronním střídavým generátorem (alternátorem) namontovaným na společném základním rámu se všemi nezbytnými pomocnými systémy pro startování, řízení, chlazení a úpravu výfukových plynů integrovaných do jediného rozmístitelného balíčku. Motor spaluje ve svých spalovacích komorách směs zemního plynu a vzduchu a přeměňuje chemickou energii plynu na mechanickou rotační energii, která pohání hřídel generátoru, který zase produkuje elektrický výkon. Celá sestava, včetně motoru, generátoru, ovládacího panelu, chladiče a krytu tlumiče hluku tam, kde je to specifikováno, tvoří sadu generátoru.

Typy motorů používané v sadách generátorů zemního plynu

Soupravy generátorů zemního plynu se vyrábějí se dvěma hlavními typy motorů a výběr mezi nimi má významný dopad na účinnost, výkon a vhodnost použití:

• Zážehové plynové motory (Otto cyklus): Standardní typ motoru pro soustrojí generátorů zemního plynu. Zemní plyn jako plynné palivo nelze zapálit kompresí jako naftu, protože se samovznícení při kompresních poměrech používaných v praktických plynových motorech. Místo toho je směs vzduchu a paliva zapálena zapalovací svíčkou v optimálním bodě kompresního zdvihu. Moderní zážehové plynové motory využívají technologii spalování chudé směsi, kde je poměr vzduchu a paliva výrazně vyšší než stechiometrický (typicky lambda 1,6 až 2,0 nebo vyšší), což snižuje špičkové teploty spalování, snižuje emise NOx a zlepšuje tepelnou účinnost. Prémiové plynové motory s chudým spalováním dosahují elektrické účinnosti 40 až 45 procent při plném zatížení ve výkonovém rozsahu 500 kW až 10 MW, což je přímo srovnatelné s moderními dieselovými motory a výrazně lepší než účinnost 30 až 35 procent typická pro starší stechiometrické plynové motory.
• Pilotní zážehové (dvoupalivové) motory: Velké motory na zemní plyn, zvláště v rozsahu megawattů, někdy používají malé množství motorové nafty (pilotní vstřik) k zapálení směsi převážně zemního plynu se vzduchem v každém válci. Dieselový pilot poskytuje spolehlivé a přesné časování zapalování ve válcích s velkým průměrem, kde je dosah zapalovací svíčky a spolehlivost náročnější než u menších motorů. Dvoupalivové motory nabízejí dodatečnou flexibilitu možnosti provozu pouze na naftu, pokud je dodávka plynu přerušena, za cenu větší mechanické složitosti a požadavku udržovat dodávku nafty vedle dodávky plynu.

Součást generátoru

Synchronní generátor střídavého proudu v sadě generátorů zemního plynu převádí mechanickou rotaci klikového hřídele motoru na třífázový střídavý elektrický výkon při napětí a frekvenci specifikovaných pro danou aplikaci (typicky 400 V nebo 11 kV při 50 Hz na evropských a asijských trzích a 480 V nebo 13,8 kV při 60 Hz na severoamerických trzích). Konstrukce generátoru, třída izolace a způsob chlazení jsou přizpůsobeny výkonu a použití soupravy. Bezkomutátorové generátory s vlastním buzením s digitálními regulátory napětí (AVR) udržují výstupní napětí v rozmezí ±1 procenta nastavené hodnoty v celém rozsahu zátěže a přechodných zátěžových událostech, což je specifikace požadovaná pro kompatibilitu s nejcitlivějšími elektronickými zátěžemi včetně serverů, motorů s frekvenčními měniči a lékařských zařízení.

Úvahy o dodávce paliva pro sady generátorů zemního plynu

Provozní spolehlivost soustrojí generátoru zemního plynu je zásadně závislá na spolehlivosti a kvalitě jeho dodávky paliva a systém přívodu paliva musí být správně navržen jako nedílná součást instalace soustrojí. Zemní plyn je dodáván do generátorových soustrojí prostřednictvím jednoho ze tří primárních zdrojů napájení, z nichž každý má různou spolehlivost, tlak a instalaci:

• Vedení zemního plynu: Nejběžnější zdroj dodávek pro trvalé instalace v oblastech obsluhovaných infrastrukturou distribuce plynu. Plyn v potrubí je dodáván s distribučním tlakem (typicky 20 až 200 mbar na hranici pozemku ve Spojeném království nebo 0,25 až 2 bary v průmyslových zásobovacích sítích) a vyžaduje stanici pro regulaci tlaku pro snížení a stabilizaci napájecího tlaku podle požadavků palivového systému motoru (typicky 20 až 100 mbar na vstupu paliva do motoru u zážehových motorů s chudou směsí). Zásobování plynovodem má na rozvinutých trzích velmi vysokou spolehlivost, s roční dostupností typicky nad 99,9 procenta v městských a příměstských oblastech.
• Stlačený zemní plyn (CNG): Pro místa bez přístupu k užitkovému potrubnímu plynu může být zemní plyn dodáván ve stlačené formě ve vysokotlakých lahvích nebo svazcích válců namontovaných na přívěsu při tlacích až 250 bar, což vyžaduje redukční tlakovou řadu, aby se plyn přivedl do podmínek vstupu paliva do motoru. Zásobování CNG je praktické pro střednědobé vzdálené instalace a poskytuje životaschopnou alternativu k naftě v místech, kde je logistika dodávek nafty náročná.
• Zkapalněný zemní plyn (LNG) a zkapalněný ropný plyn (LPG): LNG lze skladovat na místě v kryogenních nádržích a odpařovat pro zásobování agregátů generátorů v místech vzdálených od infrastruktury potrubí. LPG (propan nebo butan) poskytuje alternativní plynné palivo s podobnými charakteristikami spalování jako zemní plyn a lze jej použít ve vhodně upravených generátorových soustrojích tam, kde není k dispozici zemní plyn. LNG i LPG vyžadují speciální zařízení pro skladování, odpařování a regulaci tlaku.

Porovnání výkonu, emisí a účinnosti

Výkonnostní výhody sad generátorů zemního plynu oproti dieselovým alternativám jsou nejzřetelněji vidět při porovnání klíčových provozních metrik napříč ekvivalentními jmenovitými výkony. Následující tabulka uvádí srovnání typických hodnot výkonu pro moderní soustrojí na zemní plyn a naftu ve výkonovém rozsahu 500 kW až 2 MW.

Klíčové aplikace pro sady generátorů zemního plynu

Sada generátorů zemního plynus slouží širokému spektru aplikací na výrobu energie v různých sektorech a konkrétní požadovaná konfigurace, výkon a doplňkové systémy závisí na úloze, kterou má generátorová sada plnit:

• Systémy kombinované výroby tepla a elektřiny (CHP): Systémy CHP, známé také jako kogenerace, zachycují odpadní teplo z chladicího systému motoru generátoru a výfukových plynů za účelem výroby horké vody nebo páry pro vytápění prostor, procesní vytápění nebo absorpční chlazení. Celková účinnost využití energie dobře navržené kogenerační jednotky využívající generátor na zemní plyn dosahuje 80 až 90 procent ve srovnání s 38 až 44 procenty u samotné výroby elektřiny, což dramaticky snižuje náklady na energii v zařízeních, která současně vyžadují teplo a energii, jako jsou nemocnice, hotely, univerzity, závody na zpracování potravin a sítě dálkového vytápění.
• Nepřetržitá a primární výroba energie: V regionech nebo zařízeních, kde je připojení k síti nedostupné, nespolehlivé nebo příliš nákladné na zřízení, poskytují generátorové agregáty zemního plynu nepřetržitou energii průmyslovým zařízením, vzdáleným komunitám, těžebním operacím a místům těžby ropy a plynu, kde může být zemní plyn dostupný jako vedlejší produkt výroby. Soupravy primárních generátorů zemního plynu jsou určeny pro nepřetržitý provoz na nebo blízko plného jmenovitého výkonu 24 hodin denně, 365 dní v roce a jsou navrženy s robustní konstrukcí, chladicí kapacitou a intervaly údržby odpovídajícími tomuto účelu.
• Pohotovostní a nouzové napájení: Komerční budovy, datová centra, zdravotnická zařízení, úpravny vody a další kritická infrastruktura využívají generátory zemního plynu jako primární záložní zdroj energie pro přerušení dodávky sítě. Pohotovostní soupravy na zemní plyn nabízejí výhody bez nutnosti skladování paliva na místě (odstranění rizika požáru, předpisů o skladování a znehodnocení paliva spojené s pohotovostním režimem nafty) a zároveň poskytují startovací časy 10 až 30 sekund od pohotovostního režimu po přijetí plného zatížení, což splňuje požadavky na automatický přenos většiny norem pro nouzové napájení zařízení.
• Výroba energie ze skládkového plynu a bioplynu: Soupravy generátorů zemního plynu mohou být přizpůsobeny pro provoz na bioplyn ze skládek, anaerobních vyhnívacích nádrží na čištění odpadních vod, zemědělských vyhnívacích nádrží a průmyslových bioplynových procesů. Bioplyn obvykle obsahuje 45 až 65 procent objemu metanu, přičemž zbytek tvoří oxid uhličitý a stopové nečistoty. Generátorové sady konfigurované pro provoz na bioplyn používají motory s upravenými kompresními poměry, časováním zapalování a komponenty palivového systému optimalizované pro nižší výhřevnost a proměnlivé složení bioplynu a mohou zahrnovat zařízení pro úpravu plynu pro odstranění vlhkosti a sirovodíku, které by mohly poškodit součásti motoru v neupraveném bioplynu.

Výběr a specifikace sad generátorů zemního plynu

Výběr správného Sada generátorů zemního plynu pro konkrétní aplikaci vyžaduje systematické vyhodnocování několika vzájemně propojených technických a obchodních faktorů, které určují, zda vybraná sestava bude spolehlivě fungovat, splňovat regulační požadavky a poskytovat očekávanou ekonomickou návratnost po dobu své životnosti.

1. Jmenovitý výkon a klasifikace provozu: Výkon generátoru musí být specifikován pro správný provoz: jmenovitý výkon v pohotovostním režimu (SPR) pro soustrojí používaná pouze při výpadcích sítě; nejvyšší jmenovitý výkon (PPR) pro soupravy používané jako primární zdroj energie s neomezenou dobou provozu; a trvalý jmenovitý výkon (CPR) pro sady poskytující konstantní výkon základního zatížení. Jmenovitý výkon generátoru v pohotovostním režimu je obvykle o 10 až 15 procent vyšší než jeho hlavní jmenovitý výkon pro stejnou konfiguraci motoru, protože pohotovostní provoz omezuje soupravu na maximálně 500 hodin ročně při této jmenovité hodnotě, zatímco hlavní a nepřetržitý výkon musí být udržován po neomezenou dobu. Určení sady v pohotovostním režimu pro nepřetržitý provoz je běžnou a závažnou chybou, která vede k předčasnému opotřebení motoru a snížení životnosti.
2. Snížení nadmořské výšky a okolní teploty: Výkon plynového motoru klesá s rostoucí nadmořskou výškou (snížená hustota vzduchu) a rostoucí okolní teplotou (snížená hustota vzduchu a zvýšené nároky na chlazení). Výrobci motorů zveřejňují křivky snížení nadmořské výšky a teploty, které musí být aplikovány na jmenovitý jmenovitý výkon pro určení skutečného výkonu dostupného na místě instalace. U generátoru instalovaného v nadmořské výšce 1 500 metrů v klimatu, kde okolní teploty dosahují 40 stupňů Celsia, může být snížený výkon o 15 až 25 procent pod jmenovitým údajem na typovém štítku, a to je třeba vzít v úvahu při počátečním výpočtu velikosti.
3. Požadavky na splnění emisí: Instalace plynových motorů podléhají emisním limitům, které se liší podle jurisdikce, velikosti instalace a profilu provozních hodin. Evropská zařízení s výkonem nad 1 MW obvykle podléhají emisním limitům pro NOx, CO a celkový organický uhlík podle směrnice o středních spalovacích zařízeních (MCPD), zatímco zařízení v zónách čistého vzduchu nebo v blízkosti obytných oblastí mohou čelit přísnějším místním limitům. Výběr motoru musí potvrdit, že certifikovaná výkonnost motoru v oblasti emisí splňuje platné regulační požadavky pro konkrétní místo a provozní profil, včetně jakýchkoli požadavků na následné zpracování selektivní katalytickou redukcí (SCR) za účelem dosažení limitů NOx, které motor sám o sobě nemůže splnit.
4. Požadavky na hladinu hluku a akustický kryt: Soupravy generátorů zemního plynu produkují značný mechanický hluk a hluk spalování z motoru, chladicího ventilátoru a výfukového systému. Instalované hladiny hluku musí odpovídat místním plánovacím a ekologickým předpisům na hranici pozemku a na nejbližším receptoru citlivém na hluk. Dodavatel generátorového soustrojí může poskytnout soustrojí v akustickém krytu nebo v účelovém akustickém krytu, který tlumí hluk na požadovanou úroveň, přičemž návrh krytu musí řešit jak přímo vyzařovaný hluk z motoru, tak hluk přenášený konstrukcí, přenášený základy a konstrukcí budovy.

Soustavy generátorů zemního plynu představují jednu z nejúčinnějších a ekonomicky ospravedlnitelných investic do výroby energie dostupných na dnešním energetickém trhu, zejména pro aplikace, kde lze plně využít kombinaci nižších nákladů na palivo, nižších emisí, delších intervalů údržby a potenciálu pro rekuperaci tepla z CHP. Důkladné posouzení místa, správná klasifikace zatížení, soulad s emisními a hlukovými předpisy a sladění s infrastrukturou zásobování zemním plynem v místě jsou základem úspěšné specifikace generátorového agregátu, který poskytuje očekávaný výkon a hospodárnost po celou dobu životnosti agregátu.