Jak dimenzovat turbínový generátor na zemní plyn pro proměnlivý profil zatížení

Plynový turbínový generátor dimenzujte podle profilu zatížení v čase, nikoli podle nejvyšší poptávky zaznamenané jediným měřidlem. Jednotka zvolená pouze podle špičkového výkonu v kW může většinu provozní životnosti pracovat v nevýhodném bodě zatížení, spotřebovávat více paliva, než se očekávalo, nebo postrádat dostatečnou točivou rezervu při spuštění velkého motoru. Naopak nadměrně instalovaný výkon může vést ke špatnému provozu při částečném zatížení a zbytečně vysokým kapitálovým nákladům.

Začněte s intervalovými daty, nikoli s ročním souhrnem spotřeby. Shromažďujte elektrickou poptávku v nejkratším prakticky možném intervalu napříč reprezentativními výrobními stavy: běžný provoz, změny směn, přechody mezi dávkami, sezónní extrémy, plánovaná údržba a obnovování provozu po poruchách. Výsledný profil by měl ukazovat základní zatížení, opakující se špičky, dobu trvání špiček, rychlost změny zatížení a četnost spouštění a zastavování. Tyto charakteristiky určují, zda je vhodnější jedna souprava turbíny s generátorem, několik menších jednotek nebo turbína kombinovaná s jiným flexibilním zdrojem.

Rozdělte zatížení na složky s odlišným chováním

Proměnlivé průmyslové zatížení má zřídka jedinou příčinu. Nepřetržitě provozovaná pomocná zařízení, procesní ohřívače, čerpadla, kompresory, osvětlení a řídicí systémy vytvářejí relativně stabilní základní zatížení. Velké motory, drtiče, chladicí zařízení, elektrické pece a přerušovaně pracující procesní zařízení způsobují skokové změny. Část poptávky je předvídatelná podle výrobního plánu; jiná část vyplývá z poruch procesů a nelze ji považovat za pevně stanovenou špičku.

Před volbou výkonu klasifikujte každé významné zatížení podle jeho elektrického chování:

• Základní poptávka je výkon očekávaný po většinu provozních hodin. Určuje provozní rozsah, který bude mít dominantní vliv na spotřebu paliva a nároky na údržbu.
• Souběžná poptávka je reálný celkový výkon, když hlavní zátěže pracují současně. Sečtení všech připojených jmenovitých výkonů obvykle vede k nadhodnocení, zatímco předpoklad, že se zátěže nikdy nekryjí, může způsobit nedostatečný výkon generátoru v nejkritičtějším okamžiku.
• Spouštěcí a přechodová poptávka musí být posouzena odděleně od ustáleného výkonu v kW. Spuštění motoru může způsobit krátké, ale výrazné kolísání napětí a frekvence, i když je trvalé zatížení výrazně pod jmenovitým výkonem generátoru.
• Změny vývozu nebo odběru energie jsou důležité tam, kde je areál připojen k síti. Turbína dimenzovaná pro ostrovní provoz se řídí jinou filozofií rezervy než turbína pracující paralelně se stabilním zdrojem z veřejné sítě.

Nepřevádějte všechny tyto faktory příliš brzy na jedinou hodnotu „špičkového zatížení“. Doba trvání a tvar špičky ovlivňují volbu. Krátkou, řiditelnou špičku lze řešit sekvenčním řízením, pohonem s proměnnými otáčkami, podporou z baterie nebo akumulovanou energií. Trvalá špička během provozu kritického pro výrobu obvykle vyžaduje spolehlivý výrobní výkon.

Používejte výkonnostní mapu turbíny, nikoli pouze jmenovitý výkon podle ISO

Publikovaný výkon generátoru je často vázán na stanovené okolní podmínky. Skutečný výkon a měrná spotřeba tepla se mění podle teploty nasávaného vzduchu, nadmořské výšky, vlhkosti, tlakové ztráty na vstupu, protitlaku na výfuku, složení paliva a degradace během provozních hodin. Horké počasí může být obzvlášť významné, protože stejné období, které zvyšuje zatížení chlazení v areálu, může také snížit výkon plynové turbíny.

Vyžádejte si výkonnostní údaje pro rozsah okolních podmínek projektu, včetně očekávaného letního návrhového stavu a nejnižšího praktického provozního zatížení. Posouzení by mělo určit čistý elektrický výkon po odečtení vlastní spotřeby, nikoli pouze hrubý výstup na svorkách generátoru. Vstupní filtrace, komprese palivového plynu, pokud je požadována, čerpadla mazacího oleje, ventilace, chladicí zařízení a zatížení řídicích systémů elektrárny ovlivňují výkon dostupný pro procesní sběrnici.

Účinnost při částečném zatížení si zaslouží stejnou pozornost jako měrná spotřeba tepla při plném zatížení. Turbínová souprava, která pracuje po dlouhou dobu blízko svého preferovaného rozsahu, může mít nižší celoživotní spotřebu paliva než větší jednotka, která opakovaně pracuje daleko pod svým účinným bodem. To je zvláště důležité, když je základní poptávka mírná, ale denní špičky jsou vysoké. Správnou volbou může být menší hlavní jednotka s druhou jednotkou pro špičková období namísto jednoho velkého stroje.

Definujte rezervu z provozního hlediska

Rezervní výkon se často vyjadřuje v procentech, ale užitečnější otázkou je, jakou událost musí rezerva pokrýt. Pokud se při ostrovním provozu areálu spustí největší procesní motor, dostupná rezerva musí pokrýt související skokovou změnu elektrického zatížení, aniž by došlo k nepřijatelnému poklesu frekvence nebo zhroucení napětí. Má-li se druhý generátor spustit až po události, jeho doba spuštění nechrání první sekundy poruchy.

U elektráren s více jednotkami posuďte výpadek největší provozované jednotky a minimální zatížení, které musí zůstat pod napětím. Výsledek může podpořit uspořádání N+1, menší záložní stroj nebo řízené schéma odlehčování zátěže. Tyto alternativy nejsou zaměnitelné. Záložní výkon chrání dodávku; odlehčování zátěže chrání pouze zátěže definované jako odpojitelné a jeho účinnost závisí na ověřené prioritní posloupnosti a spolehlivé logice spínacího zařízení.

Rezerva by měla zohlednit také plánovanou údržbu. Jedna jednotka může být během běžného provozu technicky dostačující, ale při nutnosti inspekce, údržby horké části, servisu generátoru nebo údržby pomocných zařízení může omezit výrobu. Plánování výkonu by mělo rozlišovat mezi přijatelným omezeným provozem a výkonem, který musí zůstat dostupný bez přerušení.

Přizpůsobte schopnost reakce rychlosti změny zatížení

Průměrná poptávka skrývá rychlé změny. Profil, který během hodiny vzroste o několik megawattů, představuje jinou výzvu než srovnatelný nárůst probíhající během sekund. Reakce systému závisí na řízení plynové turbíny, odezvě palivového systému, buzení generátoru, nastavení regulátoru otáček a připojené rotační setrvačnosti. Generátor a turbína musí být rovněž koordinovány s ochrannými relé, nastavením vypínačů, impedancí transformátoru a metodou spouštění velkých motorů.

Změny zatížení by měly být zaznamenány do grafu s časovými značkami. Určete, zda je změna záměrná, například plánované spuštění kompresoru, nebo vyvolaná procesem. Záměrné změny lze často sekvenčně řídit s ohledem na provozní stav turbíny. Změny vyvolané procesem mohou vyžadovat větší točivou rezervu, rychlejší doplňkový zdroj nebo automatické omezení nepodstatných zátěží.

Pokud má zařízení připojené k síti v některých obdobích přebytek elektrické energie a jindy prudkou poptávku, může akumulace změnit základ pro dimenzování generátoru.Akumulace energie ve vzduchu využívá přebytečnou elektrickou energii ke stlačování vzduchu, ukládá získané teplo do tepelného média, například roztavené soli, a později rozpíná znovu ohřátý vzduch za účelem výroby energie. Ve vhodné aplikaci elektrické sítě se tím energie přesouvá v čase; neodstraňuje to potřebu ověřit krátkodobou odezvu, logiku dispečerského řízení a spolehlivý výkon požadovaný během dlouhodobého výpadku.

Záměrně volte jednu velkou jednotku nebo modulární uspořádání

Modularita přináší vlastní náklady a rozhraní. Každá další jednotka vyžaduje základy, kryty, izolaci paliva, vedení výfuku, elektrickou ochranu, integraci řízení, plánování náhradních dílů a koordinaci údržby. Hodnota více jednotek vyplývá z lepšího dispečerského řízení a redundance pouze tehdy, když je filozofie řízení navržena tak, aby je správně využívala. Špatné sdílení zátěže může vést k neefektivnímu provozu jednoho stroje, zatímco druhý nadměrně cykluje.

Před konečným stanovením jmenovitého výkonu ověřte okrajové podmínky

Kvalitu paliva a dodávací tlak je nutné potvrdit včas. Změny výhřevnosti, obsahu nečistot nebo tlaku mohou ovlivnit nastavení spalování, dostupný výkon a požadavky na úpravu paliva. Turbínový celek musí být dimenzován podle skutečného uspořádání dodávky paliva, včetně zařízení pro redukci tlaku, ohřev, filtraci nebo kompresi. Jmenovitý údaj o dodávce plynu bez minimálního tlaku a rozsahu složení není pro konečné dimenzování dostačující.

Podmínky v místě rovněž ovlivňují volbu instalace. Tlakové ztráty sacího a výfukového potrubí, akustická opatření, ventilace krytu, vedení kabelů, umístění transformátoru a přístup jeřábu se mohou jevit jako druhořadé vůči výkonu turbíny, přesto mohou změnit čistý výkon, udržovatelnost nebo praktickou možnost pozdějšího navýšení výkonu. Pokud je rozšíření reálné, rezervujte prostor na pozemku a elektrické pole, ale nepořizujte okamžitý výrobní výkon pouze pro nedefinované budoucí zatížení.

Před vydáním technické specifikace uveďte do souladu čtyři dokumenty: intervalový profil zatížení, jednopólové elektrické schéma, provozní harmonogram procesu a provozní filozofii pro výpadek sítě, odstavení jednotek a obnovení provozu. Rozpory mezi těmito dokumenty jsou běžné. Například provozní harmonogram může předpokládat současné spouštění motorů, zatímco elektrický návrh předpokládá jejich sekvenční spouštění; jmenovitý výkon turbíny může zahrnovat okolní podmínku odlišnou od prognózy zatížení chlazení.

Správně stanovený konečný výkon uvádí požadovaný čistý výkon při specifikovaných okolních a palivových podmínkách, povolený provozní rozsah, očekávání týkající se změn zatížení a spouštění, vlastní spotřebu, základ redundance a předpoklady budoucího připojení. Tato definice mění „špičkovou poptávku“ na projektový pracovní bod, který lze konzistentně vyhodnocovat napříč variantami turbínových generátorů.