Как подобрать газотурбинный генератор на природном газе для изменяющегося профиля нагрузки

Выбирайте мощность газотурбинного генератора с учетом профиля нагрузки во времени, а не по наибольшему потреблению, зафиксированному одним счетчиком. Агрегат, выбранный только по пиковому значению кВт, может большую часть срока службы работать в неблагоприятной точке нагрузки, потреблять больше топлива, чем ожидалось, или не иметь достаточного вращающегося резерва при пуске крупного электродвигателя. И наоборот, избыточная установленная мощность может привести к неэффективной работе при частичной нагрузке и неоправданным капитальным затратам.

Начинайте с интервальных данных, а не с общего годового потребления. Собирайте данные об электрической нагрузке с минимально практически возможным интервалом для репрезентативных производственных режимов: нормальной эксплуатации, смены смен, переходов между партиями, сезонных экстремумов, планового технического обслуживания и восстановления после нештатных ситуаций. Полученный профиль должен показывать базовую нагрузку, повторяющиеся пики, продолжительность пиков, скорость набора нагрузки, а также частоту пусков и остановов. Эти характеристики определяют, что будет более подходящим решением: один турбогенераторный агрегат, несколько меньших агрегатов или турбина в сочетании с другим гибким источником мощности.

Разделите нагрузку на компоненты с различным характером работы

Изменяющаяся промышленная нагрузка редко имеет одну причину. Постоянно работающие вспомогательные механизмы, технологические нагреватели, насосы, компрессоры, освещение и системы управления формируют относительно стабильную базовую нагрузку. Крупные электродвигатели, дробилки, холодильное оборудование, электрические печи и периодически работающее технологическое оборудование вызывают скачкообразные изменения. Часть спроса можно прогнозировать по производственному графику; другая часть зависит от технологических возмущений и не может рассматриваться как фиксированный пик.

Классифицируйте каждую значимую нагрузку по ее электрическому поведению до выбора мощности:

• Базовая нагрузка — это мощность, ожидаемая в течение большей части рабочих часов. Она определяет диапазон эксплуатации, который будет оказывать основное влияние на расход топлива и объем технического обслуживания.
• Совпадающая нагрузка — это реалистичная суммарная нагрузка при одновременной работе основных потребителей. Сложение всех номинальных мощностей подключенного оборудования обычно завышает ее, тогда как предположение, что нагрузки никогда не совпадают, может привести к недостаточной мощности генератора в наиболее критический момент.
• Пусковая и переходная нагрузка должна оцениваться отдельно от установившейся мощности в кВт. Пуск электродвигателя может вызвать кратковременное, но значительное нарушение напряжения и частоты, даже если постоянная нагрузка находится в пределах номинальной мощности генератора.
• Изменение экспорта или импорта мощности важно для объектов, подключенных к электросети. Турбина, рассчитанная на изолированную работу, требует иной концепции резерва, чем агрегат, работающий параллельно со стабильной внешней сетью.

Не сводите все эти факторы слишком рано к единому значению «пиковой нагрузки». На выбор влияют продолжительность и форма пика. Кратковременным управляемым пиком можно управлять посредством последовательности включения, частотно-регулируемого привода, поддержки от аккумуляторной батареи или накопленной энергии. Устойчивый пик в период критически важной производственной работы обычно требует гарантированной генерирующей мощности.

Используйте карту характеристик турбины, а не только паспортную мощность по ISO

Заявленная номинальная мощность генератора часто привязана к определенным условиям окружающей среды. Фактическая выходная мощность и удельный расход тепла изменяются в зависимости от температуры воздуха на входе, высоты над уровнем моря, влажности, потерь давления на входе, противодавления выхлопа, состава топлива и деградации в течение наработки. Жаркая погода может быть особенно важна, поскольку в тот же период, когда возрастает нагрузка на охлаждение объекта, может также снижаться мощность газовой турбины.

Запрашивайте эксплуатационные данные для диапазона климатических условий проекта, включая расчетное летнее условие и минимальную практически возможную рабочую нагрузку. Проверка должна определять чистую электрическую мощность после потребления собственными нуждами, а не только валовую мощность на выводах генератора. Входная фильтрация, компримирование топливного газа при необходимости, насосы смазочного масла, вентиляция, оборудование охлаждения и нагрузки системы управления установкой влияют на мощность, доступную для технологической шины.

Эффективность при частичной нагрузке заслуживает такого же внимания, как и удельный расход тепла при полной нагрузке. Турбоагрегат, работающий в предпочтительном диапазоне в течение продолжительных периодов, может иметь меньший расход топлива за жизненный цикл, чем более крупный агрегат, который неоднократно работает значительно ниже своей эффективной точки. Это особенно актуально, когда базовая нагрузка умеренная, но ежедневные пики высоки. Правильным выбором может стать меньший ведущий агрегат со вторым агрегатом для пиковых периодов, а не одна крупная машина.

Определяйте резерв в эксплуатационных терминах

Резервную мощность часто выражают в процентах, но более полезный вопрос заключается в том, какое событие должен покрывать резерв. Если крупнейший технологический электродвигатель запускается при изолированной работе объекта, доступный резерв должен покрыть соответствующий скачок электрической нагрузки без недопустимого провала частоты или снижения напряжения. Если второй генератор предполагается запустить после события, время его запуска не защищает систему в первые секунды возмущения.

Для многоагрегатных электростанций оцените отключение крупнейшего работающего агрегата и минимальную нагрузку, которая должна оставаться под напряжением. Результат может обосновать схему N+1, меньшую резервную машину или схему управляемого сброса нагрузки. Эти альтернативы не являются взаимозаменяемыми. Резервная мощность защищает электроснабжение; сброс нагрузки защищает только нагрузки, определенные как отключаемые, а его эффективность зависит от проверенной последовательности приоритетов и надежной логики распределительного устройства.

Резерв также должен учитывать плановое техническое обслуживание. Один агрегат может быть технически достаточным при нормальной эксплуатации, но создавать ограничения для производства, когда требуется инспекция, обслуживание горячей части, генератора или вспомогательного оборудования. Планирование мощности должно различать допустимую эксплуатацию с ограничениями и мощность, которая должна оставаться доступной без перерыва.

Согласуйте возможности реагирования со скоростью изменения нагрузки

Средняя нагрузка скрывает быстрые изменения. Профиль, который возрастает на несколько мегаватт в течение часа, представляет другую задачу по сравнению с сопоставимым ростом за несколько секунд. Системы управления газовой турбиной, реакция топливной системы, возбуждение генератора, настройка регулятора и подключенная вращающаяся инерция определяют реакцию системы. Генератор и турбина также должны быть согласованы с защитными реле, настройками выключателей, сопротивлением трансформатора и способом пуска крупных электродвигателей.

Графики набора нагрузки должны строиться с временными метками. Определите, является ли изменение преднамеренным, например плановым запуском компрессора, или обусловлено технологическим процессом. Преднамеренные изменения нагрузки часто можно организовать с учетом рабочего состояния турбины. Изменения, вызванные технологическим процессом, могут требовать большего вращающегося резерва, более быстрого дополнительного ресурса или автоматического ограничения несущественных нагрузок.

Если объект, подключенный к сети, в отдельные периоды имеет избыток электроэнергии, а в другие — резкий спрос, накопление энергии может изменить основу для выбора мощности генератора.Накопление энергии сжатого воздуха использует избыточную электроэнергию для сжатия воздуха, сохраняет рекуперированное тепло в тепловой среде, такой как расплавленная соль, а затем расширяет повторно нагретый воздух для выработки электроэнергии. В подходящем применении в электросети это переносит энергию во времени; это не отменяет необходимости проверить кратковременную реакцию, логику диспетчеризации и гарантированную мощность, необходимую при длительном отключении.

Осознанно выбирайте один крупный агрегат или модульную компоновку

Модульность влечет собственные затраты и точки сопряжения. Каждый дополнительный агрегат требует фундаментов, кожухов, отсечной арматуры топлива, прокладки выхлопных систем, электрической защиты, интеграции систем управления, планирования запасных частей и координации технического обслуживания. Ценность нескольких агрегатов заключается в более эффективной диспетчеризации и резервировании только тогда, когда концепция управления разработана для их правильного использования. Неэффективное распределение нагрузки может привести к тому, что одна машина будет работать неэффективно, в то время как другая будет чрезмерно часто включаться и выключаться.

Проверьте граничные условия до окончательного утверждения номинальной мощности

Качество топлива и давление его подачи требуют раннего подтверждения. Изменения теплотворной способности, содержания загрязняющих веществ или давления могут влиять на настройки горения, доступную выходную мощность и требования к подготовке топлива. Турбинная установка должна быть рассчитана с учетом фактической схемы подачи топлива, включая любое оборудование для снижения давления, подогрева, фильтрации или компримирования. Номинальное заявление о подаче газа без минимального давления и диапазона состава недостаточно для окончательного выбора мощности.

Условия площадки также влияют на решения по монтажу. Потери в воздухозаборных и выхлопных каналах, акустическая обработка, вентиляция кожуха, прокладка кабелей, расположение трансформатора и доступ для крана могут показаться второстепенными по сравнению с номинальной мощностью турбины, однако они способны изменить чистую выходную мощность, ремонтопригодность или практическую возможность последующего наращивания мощности. Резервируйте место на площадке и электрические ячейки, если расширение вероятно, но не приобретайте немедленно генерирующую мощность исключительно под неопределенную будущую нагрузку.

Перед выпуском технической спецификации согласуйте четыре документа: интервальный профиль нагрузки, однолинейную электрическую схему, график работы технологического процесса и эксплуатационную концепцию на случай потери сети, отключений агрегата и восстановления работы. Противоречия между этими документами встречаются часто. Например, график технологического процесса может предусматривать одновременный пуск электродвигателей, тогда как электрический проект предполагает последовательный пуск; номинальная мощность турбины может включать условия окружающей среды, отличающиеся от прогноза нагрузки на охлаждение.

Корректно определенная окончательная номинальная мощность указывает требуемую чистую выходную мощность при заданных условиях окружающей среды и топлива, допустимый рабочий диапазон, требования к набору нагрузки и пуску, нагрузки собственных нужд, основу резервирования и допущения для будущих подключений. Такое определение превращает «пиковый спрос» в расчетную рабочую точку, которую можно последовательно оценивать для различных вариантов турбогенераторов.