Sådan dimensionerer du en naturgas-turbinegenerator til en varierende belastningsprofil

Dimensionér en naturgasturbinegenerator efter belastningsprofilen over tid, ikke efter den højeste efterspørgsel, der er registreret på en enkelt måler. En enhed, der kun vælges efter maksimal kW, kan tilbringe størstedelen af sin driftstid ved et ugunstigt belastningspunkt, forbruge mere brændstof end forventet eller mangle tilstrækkelig roterende reserve, når en stor motor starter. Omvendt kan for stor installeret kapacitet medføre dårlig drift ved dellast og unødig kapitalbinding.

Start med intervaldata frem for et årligt forbrugstal. Indsaml elektrisk effektbehov med det kortest praktisk mulige interval på tværs af repræsentative produktionstilstande: normal drift, skiftændringer, batchovergange, sæsonmæssige ekstremer, planlagt vedligeholdelse og genopretning efter driftsforstyrrelser. Den resulterende profil bør vise grundbelastningen, tilbagevendende spidsbelastninger, spidsbelastningernes varighed, rampningshastighed samt hyppigheden af starter og stop. Disse karakteristika afgør, om ét turbine-generatorsæt, flere mindre enheder eller en turbine kombineret med et andet fleksibelt aktiv er den bedste løsning.

Opdel belastningen i komponenter, der opfører sig forskelligt

En varierende industriel belastning har sjældent én enkelt årsag. Kontinuerlige hjælpeanlæg, procesvarmere, pumper, kompressorer, belysning og styresystemer skaber en relativt stabil grundbelastning. Store motorer, knusere, køleudstyr, elektriske ovne og periodisk procesudstyr skaber trinvise ændringer. Noget effektbehov kan forudsiges ud fra produktionsplanlægningen; andet følger procesforstyrrelser og kan ikke behandles som en fast spidsbelastning.

Klassificér hver væsentlig belastning efter dens elektriske adfærd, før kapaciteten vælges:

• Grundbelastning er den effekt, der forventes i størstedelen af driftstimerne. Den fastlægger det driftsområde, som vil dominere brændstofforbrug og vedligeholdelsesbelastning.
• Samtidig belastning er det realistiske samlede niveau, når store belastninger er i drift samtidig. At lægge alle tilsluttede mærkeeffekter sammen overvurderer normalt belastningen, mens antagelsen om, at belastninger aldrig forekommer samtidig, kan efterlade generatoren med utilstrækkelig kapacitet på det værst tænkelige tidspunkt.
• Start- og transientbelastning skal vurderes separat fra stationær kW. En motorstart kan give en kortvarig, men alvorlig spændings- og frekvensforstyrrelse, selv når den kontinuerlige belastning ligger klart inden for generatorens mærkeeffekt.
• Variation i eksport eller import er vigtig, hvor anlægget er nettilsluttet. En turbine dimensioneret til ø-drift styres af en anden reservefilosofi end en, der drives parallelt med en stabil forsyning fra elnettet.

Omsæt ikke alle disse forhold til én enkelt værdi for “spidsbelastning” for tidligt. Varigheden og formen af en spidsbelastning påvirker valget. En kort, styrbar spidsbelastning kan håndteres gennem sekvensering, et frekvensomformeranlæg, batteristøtte eller lagret energi. En vedvarende spidsbelastning under produktionskritisk drift kræver normalt sikker produktionskapacitet.

Brug turbinens ydelseskort, ikke kun ISO-mærkepladen

Den offentliggjorte generatorrating er ofte knyttet til definerede omgivelsesforhold. Den faktiske effekt og varmehastighed ændrer sig med indsugningsluftens temperatur, højde over havet, luftfugtighed, tryktab i indsugningen, modtryk i udstødningen, brændstofsammensætning og degradering over driftstimer. Varmt vejr kan være særligt vigtigt, fordi den samme periode, der øger anlæggets kølebelastning, også kan reducere gasturbinens effekt.

Anmod om ydelsesdata for projektets omgivelsesområde, herunder den forventede sommerdimensioneringstilstand og den laveste praktisk mulige driftsbelastning. Gennemgangen bør identificere nettoelektrisk effekt efter hjælpeforbrug, ikke kun generatorens bruttoeffekt ved klemmerne. Indtagsfiltrering, komprimering af brændstofgas, hvor det er nødvendigt, smøreoliepumper, ventilation, køleudstyr og anlæggets styrebelastninger påvirker alle den effekt, der er til rådighed for procesbussen.

Virkningsgraden ved dellast fortjener samme opmærksomhed som varmehastigheden ved fuld last. Et turbinesæt, der i længere perioder drives nær sit foretrukne område, kan have en lavere livscyklusbelastning fra brændstof end en større enhed, der gentagne gange drives langt under sit effektive punkt. Dette er især relevant, når grundbelastningen er beskeden, men de daglige spidsbelastninger er høje. Det rette valg kan være en mindre hovedenhed med en anden enhed til spidsbelastningsperioder frem for én stor maskine.

Definér reserve i driftsmæssige termer

Reservekapacitet udtrykkes ofte som en procentdel, men det mere nyttige spørgsmål er, hvilken hændelse reserven skal dække. Hvis den største procesmotor starter, mens anlægget kører i ø-drift, skal den tilgængelige reserve kunne dække det tilhørende elektriske spring uden at tillade et uacceptabelt frekvensfald eller spændingskollaps. Hvis en anden generator er beregnet til at starte efter hændelsen, beskytter dens opstartstid ikke de første sekunder af forstyrrelsen.

For anlæg med flere enheder skal tabet af den største driftsenhed og den mindste belastning, der skal forblive forsynet, vurderes. Svaret kan understøtte en N+1-konfiguration, en mindre standby-maskine eller en styret plan for belastningsafkobling. Disse alternativer kan ikke udskiftes med hinanden. Standbykapacitet beskytter forsyningen; belastningsafkobling beskytter kun de belastninger, der er defineret som afbrydelige, og dens effektivitet afhænger af en afprøvet prioritetssekvens og pålidelig koblingsanlægslogik.

Reserven bør også tage højde for planlagt vedligeholdelse. En enkelt enhed kan være teknisk tilstrækkelig under normal drift, men alligevel medføre produktionsbegrænsninger, når inspektion, arbejde på den varme sektion, generatorservice eller vedligeholdelse af hjælpeudstyr skal udføres. Kapacitetsplanlægningen bør skelne mellem acceptabel drift med reduceret kapacitet og den effekt, der skal forblive tilgængelig uden afbrydelse.

Tilpas reaktionskapaciteten til hastigheden af belastningsændringen

Gennemsnitligt effektbehov skjuler hurtige ændringer. En profil, der stiger med flere megawatt over en time, udgør en anden udfordring end en tilsvarende stigning, der sker inden for sekunder. Gasturbinestyringer, brændstofsystemets respons, generatorens excitation, regulatorindstilling og den tilsluttede roterende inerti bestemmer, hvordan systemet reagerer. Generatoren og turbinen skal også koordineres med beskyttelsesrelæer, afbryderindstillinger, transformatorimpedans og startmetoden for store motorer.

Belastningsramper bør afbildes med tidsstempler. Identificér, om ændringen er tilsigtet, såsom en planlagt opstart af en kompressor, eller procesdrevet. Tilsigtede ramper kan ofte sekvenseres i forhold til turbinens driftstilstand. Procesdrevne ændringer kan kræve mere roterende reserve, en hurtigere komplementær ressource eller automatisk begrænsning af ikkevæsentlige belastninger.

Hvor et nettilsluttet anlæg har overskydende elektricitet på visse tidspunkter og kraftig efterspørgsel på andre, kan lagring ændre grundlaget for dimensionering af generatoren.Luftenergilagring bruger overskydende elektrisk energi til at komprimere luft, lagrer den genvundne varme i et termisk medium såsom smeltet salt og udvider senere genopvarmet luft for at producere elektricitet. I en egnet elnetanvendelse flytter dette energi over tid; det fjerner ikke behovet for at verificere kortvarig respons, disponeringslogik og den sikre kapacitet, der kræves under et længerevarende udfald.

Vælg bevidst mellem én stor enhed og en modulær konfiguration

Modularitet medfører sine egne omkostninger og grænseflader. Hver yderligere enhed kræver fundamenter, indkapslinger, brændstofisolering, udstødningsføring, elektrisk beskyttelse, integration af styringer, planlægning af reservedele og koordinering af vedligeholdelse. Værdien af flere enheder kommer fra bedre disponering og redundans, men kun når styrefilosofien er udformet til at anvende dem korrekt. Dårlig belastningsdeling kan medføre, at én maskine drives ineffektivt, mens en anden cykler for meget.

Kontrollér randbetingelserne, før ratingen fastlåses

Brændstofkvalitet og leveringstryk skal bekræftes tidligt. Variation i brændværdi, forurenende stoffer eller tryk kan påvirke forbrændingsindstillinger, tilgængelig effekt og krav til brændstofbehandling. Turbinepakken skal dimensioneres efter den faktiske brændstofforsyningskonfiguration, herunder eventuelt udstyr til trykreduktion, opvarmning, filtrering eller komprimering. En nominelt angivet gasforsyning uden minimumstryk og sammensætningsområde er ikke tilstrækkelig til endelig dimensionering.

Forholdene på stedet påvirker også installationsvalgene. Tab i indsugnings- og udstødningskanaler, akustisk behandling, ventilation af indkapslingen, kabelføring, transformatorplacering og kranadgang kan forekomme sekundære i forhold til turbinens rating, men de kan ændre nettoeffekten, vedligeholdelsesvenligheden eller den praktiske mulighed for senere at tilføje kapacitet. Reservér plads på grunden og elektriske felter, hvis udvidelse er sandsynlig, men undgå at købe øjeblikkelig produktionskapacitet alene til en udefineret fremtidig belastning.

Før der udstedes en teknisk specifikation, skal fire dokumenter afstemmes: intervalbelastningsprofilen, det elektriske enlinjediagram, procesdriftsplanen og driftsfilosofien for nettab, enhedsudfald og genetablering. Konflikter mellem disse dokumenter er almindelige. En procesplan kan eksempelvis forudsætte samtidige motorstarter, mens det elektriske design forudsætter sekventielle starter; en turbinerating kan omfatte en omgivelsestilstand, der afviger fra prognosen for kølebelastningen.

En solid endelig rating angiver den krævede nettoeffekt ved specificerede omgivelses- og brændstofforhold, det tilladte driftsområde, forventninger til rampning og start, hjælpebelastninger, redundansgrundlag og antagelser om fremtidig tilslutning. Denne definition omdanner “spidsbelastning” til et teknisk driftspunkt, der kan evalueres ensartet på tværs af turbine-generatorløsninger.