産業用自家発電におけるガスタービンとガスエンジンの比較

ガスタービンは、電力需要が安定しており、高温のプロセス熱または蒸気を継続的に必要とする施設に適した有力な選択肢となることがよくあります。電気効率、変動する負荷、またはモジュール式の容量を重視する場合は、レシプロガスエンジンの方が適していることがあります。どちらを選ぶかは、機器の定格だけでは決まりません。年間を通じたプラント全体の運転状況によって答えは変わります。

まず、同じサイト条件のもとで供給される電力と利用可能な熱を比較します。タービンの排気は有用な熱源になり得ますが、それをプロセスで利用できる場合に限られます。エンジンの優れた電気性能も、施設が排熱回収システムで供給できる量を上回る高温熱を必要とする場合、その優位性が一部失われる可能性があります。

ピーク需要ではなく、負荷プロファイルから検討する

単一のピーク需要値だけでは、発電プラントが稼働期間を通じてどのように性能を発揮するかはほとんど分かりません。シフト、週末、季節変動、計画停止を考慮して、施設の電力負荷を把握します。継続的に維持される最低負荷と最大負荷を特定し、重要負荷と停止可能な設備を区別してください。

ガスタービンは一般に、長時間にわたる安定運転に適しています。部分負荷では電気効率が低下することがあるため、短時間のピークに合わせて選定したユニットが、年間の多くの時間、最適な運転範囲を外れて稼働する可能性があります。また、周囲温度はタービンの出力と効率に影響します。生産量が最も多い暑い日が、冷房需要のピークと利用可能な出力の低下と重なることもあります。

ガスエンジンは、需要が変動する場合に有用な柔軟性を発揮できます。複数のエンジンを備えたプラントでは、需要に合わせてユニットを起動・停止し、稼働中のユニットをより効率的な運転範囲に保つことができます。このモジュール性には、追加の設備や制御、保守の調整、場合によってはより広い設置スペースが必要です。複数の小型ユニットが自動的により経済的だと決めつけず、設置全体を比較してください。

どちらの技術についても、最低安定負荷、起動要件、負荷変化率、頻繁な起動に関する制約を含め、想定負荷範囲全体での性能をサプライヤーに確認してください。施設固有の条件を用い、施設で利用できる正味電力を比較する際には補機電力も含めてください。

熱回収をプロセスに適合させる

ガスタービンとガスエンジンの比較では、コージェネレーションによって結論が変わることがあります。重要なのは、機器からどれだけの熱が排出されるかだけではなく、プロセスが必要とする温度、圧力、タイミングでどれだけの熱を回収して利用できるかです。

ガスタービンは、高温の排気を大量に発生させます。これを排熱回収ボイラーに導くほか、プロセス条件が許せば、直接加熱や乾燥に利用できます。プラントにその熱への継続的な需要がある場合、タービンの魅力は高まります。生産が頻繁に停止したり、電力需要が高いまま蒸気需要が低下したりすると、熱利用によるメリットの一部が失われる可能性があります。

ガスエンジンでも熱回収が可能ですが、回収熱は排気、エンジン冷却回路、その他の熱源に分散しています。冷却水の熱は温水や比較的低温の用途に利用できる一方、排気熱はより高温の熱回収に利用できます。利用可能な蒸気量と温度は、エンジンおよび熱回収システムの設計によって異なります。回収可能な総熱量を、高圧プロセス蒸気と同等に扱わないでください。

可能であれば、時間ごとに熱需要を比較してください。熱損失、バイパス運転、追いだき、既存ボイラーの効率、予備蒸気源の必要性を考慮します。回収した熱が、施設で本来使用するはずだった燃料を代替する場合に限り、高い総合効率の数値に意味があります。

燃料供給によって最適な選択肢が変わる

どちらの技術も、機器サプライヤーの規定範囲内の燃料が必要ですが、該当する制限値や前処理要件は異なります。燃料組成、発熱量、圧力、不純物、時間経過に伴う変動は、燃焼、排出、保守、稼働率に影響する可能性があります。

タービンでは、運転条件によって供給ガスの圧力が不十分となり、燃料ガスの昇圧が必要になることがあります。これにより、電力消費、設備投資、保守負担が増え、稼働率が重要となる機器が一つ追加されます。エンジン設備では圧力や燃料品質の要件が異なる場合があるため、各提案の燃料供給系全体を比較してください。

バイオガスや組成が変動するその他の燃料を使用する場合は、通常運転時と予測可能な変化の両方を網羅した代表的な燃料分析を提示してください。いずれの機械も安定運転の前に、水分、腐食性化合物、その他の不純物を除去する処理が必要になる場合があります。燃料対応力は、技術の種類から推測するのではなく、提案されたユニットの仕様上の制限に照らして評価してください。

燃料の昇圧が必要な場合は、パッケージを発電プラントの圧力範囲、制御、運転スケジュールに合わせて調整する必要があります。SINO-QNPは、幅広いターボ機械事業の一環として、コンプレッサーユニットのターンキーソリューションを提供しています。適切な構成は、燃料供給条件と選定する発電設備によって異なります。

信頼性はプラント構成によって決まる

発電ユニットが1基のみの構成はシンプルですが、保守や予期せぬ停止によって、構内の発電能力がすべて失われる可能性があります。複数のエンジンを設置すれば、1基が使用できない場合でも、部分的な発電を継続できることがあります。複数のタービンを用いた構成でも冗長性を確保できますが、適切かどうかは必要容量と経済性によります。

冗長性の価値を判断する前に、必要な運転モードを定義してください。信頼性の高い電力網に接続された施設と、重要プロセスを独立して維持する必要がある施設では、発電機の停止を許容できる度合いが異なります。系統連系運転を行うだけでは、電力網の停電時に自動的に電力を供給できるわけではありません。単独運転機能、保護装置、制御、適切な起動用電源をシステムに組み込む必要があります。

保守計画には、定期点検、大規模オーバーホール、部品の入手性、サービス対応、停止による生産コストを含めてください。一般にエンジンでは定期保守作業の頻度が高く、タービンには独自の点検・オーバーホール要件があります。間隔は機器、燃料、起動回数、運転条件によって異なるため、同じ年間運転条件を前提にサプライヤーの保守スケジュールを比較してください。

排出と設置をシステム全体で評価する

許認可要件や施設の制限は、効率と同じくらい機器選定に影響することがあります。必要に応じて起動時や部分負荷時も含め、プラントが実際に使用する運転点で、窒素酸化物、一酸化炭素、その他該当する排出項目を比較してください。提示された数値が燃焼制御や排気後処理を前提としているか確認し、それに伴う消耗品、圧力損失、設置スペース、保守も含めて評価してください。

設置上の制約もプロジェクトによって異なります。吸気フィルター、排気経路、騒音対策、換気、冷却、基礎、防火設備、機器搬出入のためのアクセスを確認してください。発電機パッケージがコンパクトでも、周辺インフラに広いスペースが必要な場合があります。熱回収プロジェクトでは、蒸気の使用先や既存ボイラーの位置が、配管コストと熱損失に大きく影響することがあります。

同じ運転条件で比較する

最終提案を依頼する前に、共通の前提条件をまとめてください。具体的には、電力・熱負荷プロファイル、周囲条件、燃料の特性と圧力、運転時間、電力網との接続、排出規制値、必要な稼働率です。各サプライヤーに、提案に含まれる範囲と保証の前提条件を明示してもらってください。

ライフサイクル比較では、供給される正味電力量、燃料消費量、実際に利用される熱、定期保守、大規模整備、補機、予想停止時間を評価します。提案ユニットが需要全体を賄えない場合に、電力網やボイラーから補う必要がある量も含めてください。

施設に電力と高温熱の両方に対する安定した需要がある場合は、タービンをベースとしたコージェネレーション構成を有力な候補として検討してください。需要の変動が大きい場合、熱需要が限られる場合、または保守中の部分的な稼働に高い価値がある場合は、モジュール式エンジンプラントを詳しく比較してください。最適な選択肢は、単体仕様が最も優れているものではなく、現実的なライフサイクルコストで施設の運転要件を満たすものです。