Turbina gazowa a silnik gazowy do lokalnego zasilania obiektów przemysłowych

Turbina gazowa często jest dobrym wyborem dla zakładu o stałym zapotrzebowaniu na energię elektryczną i ciągłej potrzebie wysokotemperaturowego ciepła procesowego lub pary. Silnik gazowy tłokowy może lepiej sprawdzić się tam, gdzie większe znaczenie mają sprawność elektryczna, zmienne obciążenie lub modułowa moc. Żadnego z tych rozwiązań nie należy wybierać wyłącznie na podstawie mocy znamionowej urządzenia: decyzja zależy od sposobu pracy całej instalacji w ciągu roku.

Zacznij od porównania ilości dostarczanej energii elektrycznej i użytecznego ciepła w tych samych warunkach lokalizacji. Spaliny z turbiny mogą mieć dużą wartość, ale tylko wtedy, gdy proces technologiczny może je wykorzystać. Korzystna sprawność elektryczna silnika może stracić część swojej przewagi, jeśli zakład potrzebuje więcej ciepła wysokotemperaturowego, niż może dostarczyć jego układ odzysku ciepła.

Zacznij od profilu obciążenia, a nie od szczytowego zapotrzebowania

Pojedyncza wartość szczytowego zapotrzebowania niewiele mówi o tym, jak elektrownia będzie pracować przez cały okres eksploatacji. Sporządź mapę obciążenia elektrycznego zakładu z uwzględnieniem zmian, weekendów, wahań sezonowych i planowanych przestojów. Określ zarówno minimalne obciążenie utrzymywane przez dłuższy czas, jak i maksymalne, a także rozróżnij obciążenia krytyczne od urządzeń, które można czasowo wyłączyć.

Turbiny gazowe zazwyczaj sprawdzają się przy długotrwałej, stabilnej pracy. Ich sprawność elektryczna może spadać przy częściowym obciążeniu, dlatego jednostka dobrana do krótkotrwałego szczytu może przez większą część roku pracować poza optymalnym zakresem. Temperatura otoczenia również wpływa na moc i sprawność turbiny; najgorętsze dni produkcyjne mogą zbiegać się z największym zapotrzebowaniem na chłodzenie i najniższą dostępną mocą.

Silniki gazowe mogą zapewnić przydatną elastyczność przy zmiennym zapotrzebowaniu. W instalacji z kilkoma silnikami można uruchamiać lub wyłączać poszczególne jednostki, aby dostosować ich pracę do zapotrzebowania i utrzymać te pracujące bliżej ich sprawnego zakresu. Modułowość ta wiąże się z dodatkowymi urządzeniami i układami sterowania, koniecznością koordynacji obsługi serwisowej oraz potencjalnie większym zapotrzebowaniem na przestrzeń. Porównuj kompletne instalacje, zamiast zakładać, że kilka mniejszych jednostek jest automatycznie bardziej ekonomicznych.

W przypadku obu technologii poproś dostawców o dane dotyczące pracy w całym przewidywanym zakresie obciążeń, w tym minimalnego stabilnego obciążenia, wymagań rozruchowych, szybkości zmian obciążenia i ograniczeń związanych z częstymi rozruchami. Do porównania mocy netto dostępnej dla zakładu użyj warunków charakterystycznych dla lokalizacji i uwzględnij zużycie energii przez urządzenia pomocnicze.

Dopasuj odzysk ciepła do procesu

Kogeneracja może zmienić wynik porównania turbiny gazowej z silnikiem gazowym. Pytanie nie brzmi po prostu, ile ciepła opuszcza urządzenie, lecz ile można odzyskać przy temperaturze, ciśnieniu i w czasie wymaganych przez proces.

Turbina gazowa wytwarza znaczny strumień gorących spalin. Można je skierować do kotła odzyskowego lub, jeśli pozwala na to proces, wykorzystać bezpośrednio do ogrzewania albo suszenia. Turbina jest bardziej atrakcyjnym rozwiązaniem, gdy zakład stale potrzebuje takiego ciepła. Jeśli produkcja często się zatrzymuje lub zapotrzebowanie na parę spada, a zapotrzebowanie na energię elektryczną pozostaje wysokie, część potencjalnych korzyści z odzysku ciepła może zniknąć.

Silniki gazowe również umożliwiają odzysk ciepła, które pochodzi jednak z różnych źródeł: spalin, obiegów chłodzenia silnika i innych układów. Ciepło z wody chłodzącej może być przydatne do podgrzewania wody lub w zastosowaniach wymagających niższej temperatury, a ciepło spalin może służyć do odzysku w wyższej temperaturze. Ilość wytwarzanej użytecznej pary i jej temperatura zależą od konstrukcji silnika oraz układu odzysku ciepła; całkowitej ilości ciepła możliwego do odzyskania nie należy utożsamiać z ilością pary procesowej wysokiego ciśnienia.

W miarę możliwości porównuj zapotrzebowanie na ciepło w ujęciu godzinowym. Uwzględnij straty ciepła, pracę z obejściem, dodatkowe spalanie, sprawność istniejącego kotła oraz potrzebę zapewnienia rezerwowego źródła pary. Wysoki wskaźnik łącznej sprawności ma znaczenie tylko wtedy, gdy odzyskane ciepło zastępuje paliwo, które zakład zużywałby w przeciwnym razie.

Dostępność paliwa może przesądzić o wyborze

Obie technologie wymagają paliwa spełniającego limity określone przez dostawcę urządzeń, ale obowiązujące limity i wymagania dotyczące przygotowania paliwa są różne. Skład paliwa, wartość opałowa, ciśnienie, zanieczyszczenia i zmienność w czasie mogą wpływać na spalanie, emisje, obsługę serwisową i dostępność instalacji.

W przypadku turbiny ciśnienie gazu na wlocie może być niewystarczające w niektórych warunkach pracy, co oznacza konieczność sprężania gazu paliwowego. Zwiększa to zużycie energii elektrycznej i nakłady inwestycyjne, generuje koszty utrzymania oraz wprowadza dodatkowe urządzenie, którego dostępność ma znaczenie. Instalacja z silnikiem może podlegać innym wymaganiom dotyczącym ciśnienia i jakości paliwa, dlatego porównuj kompletny układ zasilania paliwem dla każdej oferty.

Jeśli zakład wykorzystuje biogaz lub inne paliwo o zmiennym składzie, przedstaw reprezentatywne analizy paliwa obejmujące normalne warunki pracy i przewidywalne zmiany. Przed niezawodną eksploatacją każdej z maszyn może być konieczne usunięcie wilgoci, związków korozyjnych lub innych zanieczyszczeń. Elastyczność paliwową należy oceniać w odniesieniu do określonych limitów proponowanej jednostki, a nie zakładać ją na podstawie samej kategorii technologii.

Jeśli wymagane jest sprężanie paliwa, jego układ należy skoordynować z zakresem ciśnienia, układami sterowania i harmonogramem pracy elektrowni. SINO-QNP oferuje rozwiązania „pod klucz” dla jednostek sprężarkowych w ramach swojej szerszej działalności związanej z maszynami wirnikowymi. Odpowiednia konfiguracja zależy od źródła paliwa i wybranego urządzenia wytwórczego.

Niezawodność zależy od konfiguracji instalacji

Konfiguracja z jedną jednostką wytwórczą jest prosta, ale jej planowany serwis lub nieplanowane wyłączenie może pozbawić zakład całej lokalnej mocy wytwórczej. Kilka silników może umożliwić dalszą częściową produkcję energii, gdy jedna jednostka jest niedostępna. Układ z kilkoma turbinami również może zapewnić redundancję, choć jego przydatność zależy od wymaganej mocy i opłacalności.

Zdefiniuj wymagany tryb pracy, zanim przypiszesz wartość redundancji. Zakład podłączony do niezawodnej sieci może inaczej tolerować awarię generatora niż zakład, który musi niezależnie podtrzymywać krytyczne procesy. Praca równoległa z siecią nie zapewnia automatycznie zasilania podczas awarii sieci: możliwość pracy wyspowej, zabezpieczenia, układy sterowania i odpowiednie źródło energii rozruchowej należy uwzględnić na etapie projektowania systemu.

Planowanie obsługi serwisowej powinno uwzględniać przeglądy okresowe, remonty główne, dostępność części, czas reakcji serwisu oraz koszt przestojów dla produkcji. Silniki zazwyczaj wymagają częstszych rutynowych czynności konserwacyjnych, a turbiny mają własne wymagania dotyczące przeglądów i remontów. Częstotliwość zależy od urządzenia, paliwa, liczby rozruchów i warunków pracy, dlatego porównuj harmonogramy serwisowe dostawców dla takiego samego rocznego czasu eksploatacji.

Oceń emisje i instalację jako kompletne systemy

Wymagania dotyczące pozwoleń i limity obowiązujące w danej lokalizacji mogą wpływać na wybór urządzeń w takim samym stopniu jak ich sprawność. Porównaj emisje tlenków azotu, tlenku węgla i innych substancji objętych wymaganiami dla punktów pracy, które będą faktycznie wykorzystywane, w tym — w stosownych przypadkach — podczas rozruchu i pracy przy częściowym obciążeniu. Sprawdź, czy podane wartości zależą od układów sterowania spalaniem lub oczyszczania spalin, i uwzględnij związane z nimi materiały eksploatacyjne, straty ciśnienia, wymaganą przestrzeń i obsługę serwisową.

Ograniczenia instalacyjne różnią się również w zależności od projektu. Przeanalizuj filtrację powietrza wlotowego, układ odprowadzania spalin, ograniczanie hałasu, wentylację, chłodzenie, fundamenty, ochronę przeciwpożarową oraz dostęp umożliwiający demontaż urządzeń. Nawet kompaktowy zespół prądotwórczy może wymagać rozbudowanej infrastruktury wokół niego. W projektach odzysku ciepła położenie odbiorników pary i istniejących kotłów może znacząco wpływać na koszty rurociągów i straty ciepła.

Porównuj na tych samych zasadach eksploatacji

Przed wystąpieniem o ostateczne oferty przygotuj wspólny zestaw założeń: profile obciążenia elektrycznego i cieplnego, warunki otoczenia, właściwości i ciśnienie paliwa, godziny pracy, połączenie z siecią, limity emisji oraz wymaganą dyspozycyjność. Poproś każdego dostawcę o wyszczególnienie zakresu oferty i wskazanie warunków, na których opierają się gwarancje.

Porównanie kosztów w całym cyklu życia oprzyj na ilości energii elektrycznej netto dostarczanej do zakładu, zużyciu paliwa, rzeczywiście wykorzystywanym cieple, rutynowej obsłudze serwisowej, remontach głównych, urządzeniach pomocniczych i przewidywanych przestojach. Uwzględnij pozostałe zapotrzebowanie na energię elektryczną z sieci lub parę z kotłów, jeśli proponowana jednostka nie jest w stanie pokryć całego zapotrzebowania.

Jeśli zakład ma stałe zapotrzebowanie zarówno na energię elektryczną, jak i ciepło wysokotemperaturowe, poważnie rozważ układ kogeneracyjny oparty na turbinie. Jeśli zapotrzebowanie znacznie się zmienia, potrzeby cieplne są ograniczone lub wysoka wartość ma możliwość utrzymania częściowej mocy podczas serwisu, dokładnie porównaj modułową instalację silnikową. Najlepsze rozwiązanie to takie, które spełnia wymagania eksploatacyjne zakładu przy najniższych wiarygodnych kosztach w całym cyklu życia, a nie to, które ma najlepsze parametry samodzielnie.