Jak dobrać generator turbinowy na gaz ziemny do zmiennego profilu obciążenia

Dobierz generator turbinowy na gaz ziemny do profilu obciążenia w czasie, a nie do najwyższego zapotrzebowania zarejestrowanego na pojedynczym liczniku. Jednostka dobrana wyłącznie pod kątem szczytowej mocy kW może przez większość okresu eksploatacji pracować w niekorzystnym punkcie obciążenia, zużywać więcej paliwa niż oczekiwano lub nie mieć wystarczającej rezerwy wirującej przy rozruchu dużego silnika. Z kolei nadmierna moc zainstalowana może powodować nieefektywną pracę przy częściowym obciążeniu i niepotrzebne zaangażowanie kapitału.

Zacznij od danych interwałowych, a nie od rocznej sumy zużycia. Zbieraj dane dotyczące zapotrzebowania elektrycznego w najkrótszych praktycznych interwałach dla reprezentatywnych stanów produkcji: normalnej pracy, zmian zmianowych, przejść między partiami, ekstremów sezonowych, planowanej konserwacji i powrotu do pracy po zakłóceniach. Otrzymany profil powinien przedstawiać obciążenie podstawowe, powtarzające się szczyty, czas trwania szczytów, szybkość narastania obciążenia oraz częstotliwość uruchomień i zatrzymań. Te cechy określają, czy lepszym rozwiązaniem będzie jeden zespół turbogeneratora, kilka mniejszych jednostek czy turbina połączona z innym elastycznym zasobem.

Rozdziel obciążenie na komponenty zachowujące się odmiennie

Zmienne obciążenie przemysłowe rzadko ma jedną przyczynę. Urządzenia pomocnicze pracujące w sposób ciągły, nagrzewnice procesowe, pompy, sprężarki, oświetlenie i systemy sterowania tworzą względnie stabilną podstawę. Duże silniki, kruszarki, urządzenia chłodnicze, piece elektryczne i okresowo pracujące urządzenia procesowe powodują skokowe zmiany. Część zapotrzebowania można przewidzieć na podstawie harmonogramu produkcji; inne wynika z zakłóceń procesu i nie może być traktowane jako stałe obciążenie szczytowe.

Przed wyborem mocy sklasyfikuj każde istotne obciążenie według jego zachowania elektrycznego:

• Zapotrzebowanie podstawowe to moc oczekiwana przez większość godzin pracy. Wyznacza ono zakres pracy, który będzie dominował w zużyciu paliwa i obciążeniu konserwacyjnym.
• Zapotrzebowanie jednoczesne to realistyczna wartość całkowita, gdy główne obciążenia pracują równocześnie. Sumowanie wszystkich podłączonych mocy znamionowych z tabliczek znamionowych zwykle je zawyża, podczas gdy założenie, że obciążenia nigdy nie występują jednocześnie, może doprowadzić do niedoboru mocy generatora w najgorszym momencie.
• Zapotrzebowanie rozruchowe i przejściowe należy analizować oddzielnie od ustalonej mocy kW. Rozruch silnika może wywołać krótkotrwałe, lecz poważne zakłócenie napięcia i częstotliwości, nawet gdy obciążenie ciągłe mieści się znacznie poniżej mocy znamionowej generatora.
• Zmiany eksportu lub importu energii mają znaczenie w przypadku obiektów podłączonych do sieci. Turbina dobrana do pracy wyspowej podlega innej filozofii rezerwy niż jednostka pracująca równolegle ze stabilnym źródłem sieciowym.

Nie przekształcaj zbyt wcześnie wszystkich tych wartości w jedno „obciążenie szczytowe”. Czas trwania i kształt szczytu wpływają na wybór. Krótki, kontrolowany szczyt można obsłużyć poprzez sekwencjonowanie, napęd o zmiennej prędkości, wsparcie bateryjne lub magazynowanie energii. Utrzymujący się szczyt podczas pracy krytycznej dla produkcji zwykle wymaga pewnej mocy wytwórczej.

Korzystaj z mapy osiągów turbiny, a nie tylko z tabliczki znamionowej ISO

Publikowana moc znamionowa generatora jest często powiązana z określonymi warunkami otoczenia. Rzeczywista moc wyjściowa i jednostkowe zużycie ciepła zmieniają się wraz z temperaturą powietrza wlotowego, wysokością nad poziomem morza, wilgotnością, stratą ciśnienia na wlocie, przeciwciśnieniem na wylocie, składem paliwa oraz degradacją w czasie pracy. Gorąca pogoda może mieć szczególne znaczenie, ponieważ ten sam okres, który zwiększa obciążenie chłodnicze obiektu, może również zmniejszać moc turbiny gazowej.

Poproś o dane eksploatacyjne dla zakresu warunków otoczenia właściwego dla projektu, w tym dla oczekiwanych letnich warunków projektowych i najniższego praktycznego obciążenia roboczego. Analiza powinna określać moc elektryczną netto po uwzględnieniu zużycia przez urządzenia pomocnicze, a nie tylko moc brutto na zaciskach generatora. Filtracja powietrza wlotowego, sprężanie gazu paliwowego tam, gdzie jest wymagane, pompy oleju smarowego, wentylacja, urządzenia chłodzące i obciążenia systemu sterowania instalacji wpływają na moc dostępną dla szyn procesowych.

Sprawność przy częściowym obciążeniu zasługuje na taką samą uwagę jak jednostkowe zużycie ciepła przy pełnym obciążeniu. Zespół turbinowy pracujący przez dłuższy czas blisko preferowanego zakresu może charakteryzować się niższym zużyciem paliwa w całym cyklu życia niż większa jednostka, która wielokrotnie pracuje znacznie poniżej swojego efektywnego punktu. Jest to szczególnie istotne, gdy obciążenie podstawowe jest umiarkowane, ale dzienne szczyty są wysokie. Właściwym wyborem może być mniejsza jednostka podstawowa z drugą jednostką na okresy szczytowe, zamiast jednej dużej maszyny.

Określ rezerwę w kategoriach operacyjnych

Moc rezerwowa jest często wyrażana procentowo, lecz bardziej użyteczne jest pytanie, jakie zdarzenie ma pokryć rezerwa. Jeżeli największy silnik procesowy uruchamia się podczas pracy wyspowej obiektu, dostępna rezerwa musi pokryć związany z tym skok obciążenia elektrycznego bez dopuszczenia do niedopuszczalnego spadku częstotliwości lub zaniku napięcia. Jeżeli drugi generator ma zostać uruchomiony po zdarzeniu, jego czas rozruchu nie zabezpiecza pierwszych sekund zakłócenia.

W instalacjach wielojednostkowych oceń utratę największej pracującej jednostki oraz minimalne obciążenie, które musi pozostać zasilane. Odpowiedź może uzasadniać układ N+1, mniejszą maszynę rezerwową lub sterowany system odciążania. Rozwiązania te nie są wzajemnie zamienne. Moc rezerwowa chroni zasilanie; odciążanie chroni jedynie obciążenia określone jako możliwe do przerwania, a jego skuteczność zależy od przetestowanej sekwencji priorytetów i niezawodnej logiki rozdzielnicy.

Rezerwa powinna również uwzględniać planowaną konserwację. Pojedyncza jednostka może być technicznie wystarczająca podczas normalnej pracy, a mimo to wymuszać ograniczenia produkcji, gdy konieczna jest inspekcja, prace w sekcji gorącej, serwis generatora lub konserwacja urządzeń pomocniczych. Planowanie mocy powinno rozróżniać dopuszczalną pracę ograniczoną od mocy, która musi pozostawać dostępna bez przerwy.

Dopasuj zdolność reakcji do szybkości zmiany obciążenia

Średnie zapotrzebowanie ukrywa szybkie zmiany. Profil, który wzrasta o kilka megawatów w ciągu godziny, stanowi inne wyzwanie niż porównywalny wzrost następujący w ciągu kilku sekund. Układy sterowania turbiną gazową, reakcja układu paliwowego, wzbudzenie generatora, nastawy regulatora oraz podłączona bezwładność wirująca określają reakcję systemu. Generator i turbina muszą być także skoordynowane z przekaźnikami zabezpieczeniowymi, nastawami wyłączników, impedancją transformatora i metodą rozruchu dużych silników.

Narastanie obciążenia należy przedstawiać na wykresach ze znacznikami czasu. Należy określić, czy zmiana jest zamierzona, jak na przykład zaplanowany rozruch sprężarki, czy wynika z procesu. Zamierzone zmiany można często sekwencjonować zgodnie ze stanem pracy turbiny. Zmiany wynikające z procesu mogą wymagać większej rezerwy wirującej, szybszego zasobu uzupełniającego lub automatycznego ograniczania obciążeń niekrytycznych.

Jeżeli obiekt podłączony do sieci ma czasami nadwyżkę energii elektrycznej, a w innych okresach gwałtowne zapotrzebowanie, magazynowanie energii może zmienić podstawę doboru mocy generatora.Magazynowanie energii w sprężonym powietrzu wykorzystuje nadwyżkę energii elektrycznej do sprężania powietrza, magazynuje odzyskane ciepło w medium termicznym, takim jak stopiona sól, a następnie rozpręża podgrzane powietrze w celu wytworzenia energii. W odpowiednim zastosowaniu w sieci elektroenergetycznej rozwiązanie to przenosi energię w czasie; nie eliminuje potrzeby weryfikacji reakcji krótkotrwałej, logiki dyspozycji oraz pewnej mocy wymaganej podczas przedłużającej się awarii.

Świadomie wybierz jedną dużą jednostkę lub układ modułowy

Modułowość wprowadza własne koszty i interfejsy. Każda dodatkowa jednostka wymaga fundamentów, obudów, odcięcia paliwa, prowadzenia układu wydechowego, zabezpieczeń elektrycznych, integracji sterowania, planowania części zamiennych i koordynacji konserwacji. Wartość wielu jednostek wynika z lepszego dysponowania mocą i redundancji tylko wtedy, gdy filozofia sterowania została zaprojektowana tak, aby właściwie je wykorzystywać. Niewłaściwy podział obciążenia może sprawić, że jedna maszyna będzie pracować nieefektywnie, podczas gdy druga będzie podlegać nadmiernym cyklom pracy.

Zweryfikuj warunki brzegowe przed ostatecznym ustaleniem mocy znamionowej

Jakość paliwa i ciśnienie dostawy wymagają wczesnego potwierdzenia. Zmienność wartości opałowej, zanieczyszczeń lub ciśnienia może wpływać na nastawy spalania, dostępną moc wyjściową i wymagania dotyczące uzdatniania paliwa. Zespół turbiny musi być dobrany z uwzględnieniem rzeczywistego układu dostawy paliwa, w tym wszelkich urządzeń do redukcji ciśnienia, podgrzewania, filtracji lub sprężania. Deklaracja nominalnego zasilania gazem bez minimalnego ciśnienia i zakresu składu nie jest wystarczająca do ostatecznego doboru.

Warunki lokalizacji również wpływają na wybory instalacyjne. Straty w kanałach wlotowych i wydechowych, obróbka akustyczna, wentylacja obudowy, prowadzenie kabli, lokalizacja transformatora i dostęp dźwigu mogą wydawać się drugorzędne wobec mocy znamionowej turbiny, jednak mogą zmienić moc netto, łatwość konserwacji lub praktyczną możliwość późniejszego zwiększenia mocy. Zarezerwuj miejsce na działce i pola elektryczne, jeśli rozbudowa jest wiarygodna, ale unikaj zakupu natychmiastowej mocy wytwórczej wyłącznie na potrzeby nieokreślonego przyszłego obciążenia.

Przed wydaniem specyfikacji technicznej uzgodnij cztery dokumenty: profil obciążenia interwałowego, jednokreskowy schemat elektryczny, harmonogram pracy procesu oraz filozofię eksploatacji na wypadek utraty sieci, wyłączeń jednostek i przywracania pracy. Konflikty między tymi dokumentami są powszechne. Na przykład harmonogram procesu może zakładać jednoczesne rozruchy silników, podczas gdy projekt elektryczny zakłada rozruchy sekwencyjne; moc znamionowa turbiny może uwzględniać warunki otoczenia różniące się od prognozy obciążenia chłodniczego.

Prawidłowa ostateczna moc znamionowa określa wymaganą moc netto przy wyszczególnionych warunkach otoczenia i paliwa, dopuszczalny zakres pracy, oczekiwania dotyczące narastania obciążenia i rozruchu, obciążenia pomocnicze, podstawę redundancji oraz założenia dotyczące przyszłych przyłączeń. Taka definicja przekształca „zapotrzebowanie szczytowe” w inżynierski punkt pracy, który można konsekwentnie oceniać dla różnych opcji zespołów turbogeneratorów.