Hvordan vælger du de rigtige naturgasgeneratorsæt til din applikation?

Naturgasgeneratorsæt har etableret sig som en af de mest kommercielt og teknisk betydningsfulde elproduktionsløsninger, der er tilgængelige på tværs af bolig-, kommerciel-, industri- og forsyningsskalaapplikationer. Disse generatorsæt, der brænder naturgas i stedet for diesel eller svær brændselsolie, leverer elektrisk strøm med lavere emissioner, lavere brændstofomkostninger på de fleste markeder og bedre brændstofforsyningssikkerhed gennem rørledningsinfrastruktur, der ikke er underlagt opbevarings-, transport- og forureningsudfordringerne ved logistik med flydende brændstof. Til operationer, der kræver standby-strøm, kontinuerlig strøm eller kombineret varme- og elproduktion, tilbyder et naturgasgeneratorsæt en overbevisende kombination af ydeevne og økonomi, som dieselalternativer i stigende grad ikke kan matche, efterhånden som brændstofpriser og emissionsbestemmelser fortsætter med at udvikle sig.

Den direkte konklusion for enhver, der vurderer naturgasgeneratorsæt, er denne: for kontinuerlig eller primær elproduktion, hvor en naturgasforsyning er tilgængelig, leverer naturgasgeneratorsæt lavere emissioner, lavere brændstofomkostninger pr. kilowatttime og lavere langsigtede vedligeholdelsesomkostninger end tilsvarende dieselsæt, samtidig med at de opnår en sammenlignelig elektrisk effekteffektivitet på tværs af effektområdet fra 20 kW til et godt stykke over 10 megawatt pr. For standby-applikationer afhænger naturgassæt af pålideligheden af ​​gasforsyningsinfrastrukturen, som skal vurderes for den specifikke placering. Hvor gasforsyningen er pålidelig, er naturgasgeneratorsættet den foretrukne specifikation til de fleste permanente standby- og kontinuerlige strømapplikationer. Denne artikel dækker teknologien, ydeevnespecifikationerne, applikationerne og udvælgelseskriterierne for naturgasgeneratorsæt i fuld praktisk dybde.

Sådan fungerer naturgasgeneratorsæt

A Naturgas generator sæt kombinerer en naturgasdrevet forbrændingsmotor med en synkron AC-generator (generator) monteret på en fælles basisramme, med alle nødvendige hjælpesystemer til start, kontrol, køling og udstødningsbehandling integreret i en enkelt deployerbar pakke. Motoren forbrænder en blanding af naturgas og luft i sine forbrændingskamre, og omdanner gassens kemiske energi til mekanisk rotationsenergi, der driver generatorakslen, som igen producerer det elektriske output. Hele samlingen, inklusive motor, generator, kontrolpanel, køleradiator og lyddæmpende kabinet, hvor det er specificeret, udgør generatorsætpakken.

Motortyper, der bruges i naturgasgeneratorsæt

Naturgasgeneratorsæt er produceret med to hovedmotortyper, og valget mellem dem har betydelige konsekvenser for effektivitet, effekt og anvendelsesegnethed:

• Gnistantændede (Otto-cyklus) gasmotorer: Standardmotortypen til naturgasgeneratorsæt. Naturgas, som er et gasformigt brændstof, kan ikke antændes ved kompression som diesel, fordi den ikke selvantænder ved de kompressionsforhold, der bruges i praktiske gasmotorer. I stedet antændes luftbrændstofblandingen af ​​et tændrør på det optimale punkt i kompressionsslaget. Moderne gnistantændede gasmotorer bruger lean burn forbrændingsteknologi, hvor luftbrændstofforholdet er væsentligt større end støkiometrisk (typisk lambda 1,6 til 2,0 eller derover), hvilket reducerer spidsforbrændingstemperaturer, sænker NOx-emissioner og forbedrer den termiske effektivitet. Førsteklasses magre gasmotorer opnår en elektrisk virkningsgrad på 40 til 45 procent ved fuld belastning i effektområdet på 500 kW til 10 MW, hvilket er direkte sammenligneligt med moderne dieselmotorer og væsentligt bedre end de 30 til 35 procents effektivitet typisk for ældre støkiometriske gasmotorer.
• Pilotantændte (dobbeltbrændstof) motorer: Store naturgasmotorer, især i megawatt-området, bruger nogle gange en lille mængde dieselbrændstof (pilotindsprøjtningen) til at antænde en overvejende naturgasluftblanding i hver cylinder. Dieselpiloten giver pålidelig, præcis tændingstidspunkt i cylindre med store boringer, hvor tændrørets rækkevidde og pålidelighed er mere udfordrende end i mindre motorer. Dobbeltbrændstofmotorer giver den ekstra fleksibilitet, at de kan køre på diesel alene, hvis gasforsyningen afbrydes, på bekostning af større mekanisk kompleksitet og kravet om at opretholde en dieselbrændstofforsyning sideløbende med gasforsyningen.

Generatorkomponenten

Den synkrone vekselstrømsgenerator i et naturgasgeneratorsæt konverterer den mekaniske rotation af motorens krumtapaksel til trefaset vekselstrøm ved den spænding og frekvens, der er specificeret til applikationen (typisk 400V eller 11kV ved 50Hz på europæiske og asiatiske markeder og 480V eller 13,8kV på det nordamerikanske marked). Generatorens design, isolationsklasse og kølemetode er afstemt efter apparatets effekt og anvendelse. Børsteløse, selvspændende generatorer med digitale spændingsregulatorer (AVR) opretholder udgangsspændingen inden for ±1 procent af sætpunktet over det fulde belastningsområde og transiente belastningshændelser, hvilket er den specifikation, der kræves for kompatibilitet med de fleste følsomme elektroniske belastninger, inklusive servere, motorer med variabel frekvens drev og medicinsk udstyr.

Overvejelser om brændstofforsyning til naturgasgeneratorsæt

Driftssikkerheden af et naturgasgeneratorsæt er grundlæggende afhængig af pålideligheden og kvaliteten af dets brændstofforsyning, og brændstofforsyningssystemet skal være korrekt konstrueret som en integreret del af generatorsættets installation. Naturgas leveres til generatorsæt gennem en af tre primære forsyningskilder, hver med forskellig pålidelighed, tryk og installationsimplikationer:

• Rørledning for naturgasforsyning: Den mest almindelige forsyningskilde til permanente installationer i områder, der betjenes af gasdistributionsinfrastruktur. Rørledningsgas leveres ved distributionstryk (typisk 20 til 200 mbar ved ejendomsgrænsen i Storbritannien, eller 0,25 til 2 bar i industrielle forsyningsnetværk) og kræver en trykreguleringsstation for at reducere og stabilisere forsyningstrykket til motorens brændstofsystembehov (typisk 20 til 100 mbar ved motorens brændstofindtag for gnistforbrændinger antændt). Rørledningsgasforsyning har meget høj pålidelighed på udviklede markeder, med en årlig tilgængelighed typisk over 99,9 procent i by- og forstæder.
• Komprimeret naturgas (CNG): For steder uden adgang til gas fra forsyningsledninger kan naturgas leveres i komprimeret form i højtrykscylindre eller trailermonterede cylinderbundter ved tryk op til 250 bar, hvilket kræver et trykreduktionstog for at bringe gassen til motorens brændstofindtagsforhold. CNG-forsyning er praktisk til fjerninstallationer på mellemlang sigt og giver et levedygtigt alternativ til diesel på steder, hvor dieselforsyningslogistik er udfordrende.
• Flydende naturgas (LNG) og flydende petroleumsgas (LPG): LNG kan opbevares på stedet i kryogentanke og fordampes for at forsyne generatorsæt på steder fjernt fra rørledningsinfrastrukturen. LPG (propan eller butan) giver et alternativt gasformigt brændstof med lignende forbrændingskarakteristika som naturgas og kan bruges i passende ombyggede generatorsæt, hvor naturgas ikke er tilgængelig. Både LNG og LPG kræver specialiseret udstyr til opbevaring, fordampning og trykregulering.

Sammenligning af ydeevne, emissioner og effektivitet

Ydeevnefordelene ved naturgasgeneratorsæt i forhold til dieselalternativer ses tydeligst, når man sammenligner de vigtigste operationelle målinger på tværs af tilsvarende effektklassificeringer. Følgende tabel viser en sammenligning af typiske ydelsestal for moderne naturgas- og dieselgeneratorsæt i effektområdet 500 kW til 2 MW.

Nøgleapplikationer til naturgasgeneratorsæt

Naturgas generator sæts betjener en bred vifte af strømproduktionsapplikationer på tværs af flere sektorer, og den specifikke konfiguration, udgangsklassificering og de nødvendige systemer afhænger af den rolle, generatorsættet er designet til at opfylde:

• Kombinerede varme- og kraftsystemer (CHP): Også kendt som kraftvarme, kraftvarmesystemer fanger spildvarmen fra generatorsættets motorkølesystem og udstødningsgas for at producere varmt vand eller damp til rumopvarmning, procesopvarmning eller absorptionskøling. Den samlede energiudnyttelseseffektivitet for en veldesignet kraftvarmeinstallation, der bruger et naturgasgeneratorsæt, når op på 80 til 90 procent sammenlignet med 38 til 44 procent for elproduktion alene, hvilket dramatisk reducerer energiomkostningerne for faciliteter, der har samtidig varme- og elbehov, såsom hospitaler, hoteller, universiteter, fødevareforarbejdningsanlæg og fjernvarmenetværk.
• Kontinuerlig og primær elproduktion: I regioner eller faciliteter, hvor netforbindelse er utilgængelig, upålidelig eller for dyr at etablere, leverer naturgasgeneratorsæt kontinuerlig strøm til industrianlæg, fjerntliggende samfund, minedrift og olie- og gasproduktionssteder, hvor naturgas kan være tilgængelig som et biprodukt af produktionen. Prime power naturgasgeneratorsæt er specificeret til kontinuerlig drift ved eller næsten fuld nominel effekt 24 timer i døgnet, 365 dage om året, og er designet med den robuste konstruktion, kølekapacitet og vedligeholdelsesintervaller, der er passende til denne pligt.
• Standby og nødstrøm: Kommercielle bygninger, datacentre, sundhedsfaciliteter, vandbehandlingsanlæg og anden kritisk infrastruktur bruger naturgasgeneratorsæt som den primære backup-strømkilde til netforsyningsafbrydelser. Naturgas-standby-sæt tilbyder fordelene ved, at der ikke er behov for brændstoflagring på stedet (hvilket eliminerer brandrisikoen, opbevaringsbestemmelser og brændstofnedbrydningsproblemer forbundet med diesel-standby), mens de giver starttider på 10 til 30 sekunder fra standby-tilstand til fuld belastningsaccept, som opfylder kravene til automatisk overførsel i de fleste nødstrømsstandarder for anlægget.
• Elproduktion af lossepladsgas og biogas: Naturgasgeneratorsæt kan tilpasses til at køre på biogas fra lossepladser, anaerobe rådnetanke til spildevandsbehandling, rådnetanke fra landbrugsaffald og industrielle biogasprocesser. Biogas indeholder typisk 45 til 65 volumenprocent metan, mens kuldioxid og sporforurenende stoffer udgør resten. Generatorsæt, der er konfigureret til biogasservice, bruger motorer med justeret kompressionsforhold, tændingstidspunkt og brændstofsystemkomponenter, der er optimeret til den lavere brændværdi og variabel sammensætning af biogas, og kan omfatte gaskonditioneringsudstyr til at fjerne fugt og svovlbrinte, som ville beskadige motorkomponenter i ubehandlet biogas.

Valg og specificering af naturgasgeneratorsæt

At vælge den rigtige Naturgas generator sæt for en specifik applikation kræver systematisk evaluering af flere indbyrdes forbundne tekniske og kommercielle faktorer, der bestemmer, om det valgte sæt vil fungere pålideligt, opfylde regulatoriske krav og give det forventede økonomiske afkast over dets levetid.

1. Effektudgangsklassificering og driftsklassificering: Udgangsværdien for et generatorsæt skal specificeres for den korrekte drift: Standby-effektmærkning (SPR) for sæt, der kun bruges under netudfald; prime power rating (PPR) for sæt, der bruges som den primære strømkilde med ubegrænsede driftstimer; og kontinuerlig effekt (CPR) for sæt, der giver konstant basisbelastningseffekt. Standby-effekten for et generatorsæt er typisk 10 til 15 procent højere end dens primære effekt for den samme motorkonfiguration, fordi standby-drift begrænser sættet til maksimalt 500 timer om året ved denne rating, hvorimod prime og kontinuerlige ratings skal opretholdes på ubestemt tid. At specificere et sæt på standby-klassificeringen til kontinuerlig drift er en almindelig og alvorlig fejl, der fører til for tidligt slid på motoren og reduceret levetid.
2. Stedshøjde og omgivende temperatur derating: Effekten af en gasmotor falder med stigende højde (reduceret lufttæthed) og stigende omgivelsestemperatur (reduceret lufttæthed og øget kølebehov). Motorproducenter offentliggør højde- og temperaturreduktionskurver, der skal anvendes på den nominelle nominelle ydelse for at bestemme den faktiske ydelse, der er tilgængelig på installationsstedet. For et generatorsæt installeret i 1.500 meter over havets overflade i et klima, hvor omgivelsestemperaturerne når 40 grader Celsius, kan den reducerede effekt være 15 til 25 procent under mærkepladens rating, og dette skal tages med i den indledende størrelsesberegning.
3. Emissionsoverholdelseskrav: Gasmotorinstallationer er underlagt emissionsgrænser, der varierer efter jurisdiktion, installationsstørrelse og driftstimeprofil. Europæiske anlæg over 1 MW er typisk underlagt emissionsgrænserne for emissionsgrænser for NOx, CO og totalt organisk kulstof i MCPD (Medium Combustion Plant Directive), mens anlæg i ren luftzoner eller nær boligområder kan stå over for strammere lokale grænser. Motorvalg skal bekræfte, at motorens certificerede emissionsydelse opfylder de gældende lovkrav for det specifikke sted og driftsprofil, herunder eventuelle krav til selektiv katalytisk reduktion (SCR) efterbehandling for at opnå NOx-grænser, som motoren alene ikke kan opfylde.
4. Krav til lydniveau og akustisk kabinet: Naturgasgeneratorsæt producerer betydelig mekanisk og forbrændingsstøj fra motoren, køleventilatoren og udstødningssystemet. Installerede lydniveauer skal overholde lokale plan- og miljøbestemmelser på grundgrænsen og ved nærmeste støjfølsomme modtager. Generatorsætleverandøren kan levere anlægget i en akustisk baldakin eller i en specialbygget akustisk indkapsling, der dæmper støjen til det påkrævede niveau, og indkapslingens udformning skal adressere både den direkte udstrålede støj fra motoren og den strukturbårne støj, der overføres gennem fundamenter og bygningskonstruktion.

Naturgasgeneratorsæt repræsenterer en af ​​de mest effektive og økonomisk forsvarlige elproduktionsinvesteringer, der er tilgængelige på dagens energimarked, især til applikationer, hvor kombinationen af ​​lavere brændstofomkostninger, lavere emissioner, længere vedligeholdelsesintervaller og potentialet for CHP-varmegenvinding kan realiseres fuldt ud. Grundig vurdering af stedet, korrekt pligtklassificering, overholdelse af emissions- og støjregler og tilpasning til lokalitetens naturgasforsyningsinfrastruktur er grundlaget for en vellykket generatorsætspecifikation, der leverer den forventede ydeevne og økonomi i hele sættets levetid.