Hur man dimensionerar en naturgasturbingenerator för en varierande lastprofil

Dimensionera en naturgasdriven turbingenerator utifrån lastprofilen över tid, inte utifrån den högsta efterfrågan som registrerats på en enskild mätare. En enhet som endast väljs för maximal kW kan tillbringa större delen av sin driftstid vid en ogynnsam lastpunkt, förbruka mer bränsle än förväntat eller sakna tillräcklig snurrande reserv när en stor motor startar. Omvänt kan en alltför stor installerad kapacitet leda till dålig drift vid dellast och onödig kapitalbindning.

Börja med intervallmätdata i stället för en årlig förbrukningssumma. Samla in elektrisk belastning med kortast praktiskt möjliga intervall för representativa produktionstillstånd: normal drift, skiftbyten, batchövergångar, säsongsmässiga extremförhållanden, planerat underhåll och återhämtning efter störningar. Den resulterande profilen bör visa baslast, återkommande toppar, topparnas varaktighet, lastramp och frekvensen av starter och stopp. Dessa egenskaper avgör om ett turbingeneratoraggregat, flera mindre enheter eller en turbin i kombination med en annan flexibel resurs är det bättre valet.

Dela upp lasten i komponenter som beter sig olika

En föränderlig industrilast har sällan en enda orsak. Kontinuerliga hjälpsystem, processvärmare, pumpar, kompressorer, belysning och styrsystem skapar en relativt stabil baslast. Stora motorer, krossar, kylutrustning, elektriska ugnar och intermittent processutrustning ger stegvisa förändringar. En del av efterfrågan är förutsägbar utifrån produktionsplaneringen; annan efterfrågan följer processtörningar och kan inte behandlas som en fast topplast.

Klassificera varje väsentlig last utifrån dess elektriska beteende innan kapaciteten väljs:

• Basbehov är den effekt som förväntas under merparten av drifttimmarna. Det fastställer det driftområde som kommer att dominera bränsleförbrukningen och underhållsbelastningen.
• Samtidigt effektbehov är den realistiska totalen när stora laster är i drift samtidigt. Att summera varje ansluten märkskyltseffekt överskattar vanligtvis detta, medan antagandet att laster aldrig sammanfaller kan leda till att generatorn inte räcker till vid det sämsta tillfället.
• Start- och transientbehov måste granskas separat från kW vid stationärt tillstånd. En motorstart kan orsaka en kortvarig men kraftig störning av spänning och frekvens även när den kontinuerliga lasten ligger väl inom generatorns märkvärde.
• Variation i export eller import är viktig när anläggningen är ansluten till elnätet. En turbin som dimensioneras för ödrift styrs av en annan reservfilosofi än en som körs parallellt med en stabil elnätskälla.

Omvandla inte alla dessa till ett enda värde för ”topplast” för tidigt. Toppens varaktighet och form påverkar valet. En kort, styrbar topp kan hanteras genom sekvensering, en frekvensomriktare, batteristöd eller lagrad energi. En långvarig topp under produktionskritisk drift kräver vanligtvis säker produktionskapacitet.

Använd turbinens prestandakarta, inte enbart ISO-märkdata

Generatorns publicerade märkdata är ofta kopplade till definierade omgivningsförhållanden. Verklig effekt och värmetal varierar med inloppsluftens temperatur, höjd över havet, luftfuktighet, tryckfall vid inloppet, avgasernas mottryck, bränslesammansättning och degradering under drifttimmarna. Varmt väder kan vara särskilt viktigt eftersom samma period som ökar anläggningens kylbehov också kan minska gasturbinens effekt.

Begär prestandadata för projektets omgivningsförhållanden, inklusive det förväntade dimensionerande sommartillståndet och den lägsta praktiska driftlasten. Granskningen bör identifiera elektrisk nettoeffekt efter hjälpförbrukning, inte endast generatorns bruttoeffekt vid terminalerna. Inloppsfiltrering, bränngaskompression där detta krävs, smörjoljepumpar, ventilation, kylutrustning och anläggningens styrbelastningar påverkar alla den effekt som är tillgänglig för processbussen.

Verkningsgraden vid dellast förtjänar samma uppmärksamhet som värmetalet vid full last. Ett turbinaggregat som under längre perioder körs nära sitt föredragna område kan ha lägre bränslebelastning under livscykeln än en större enhet som upprepade gånger körs långt under sin effektiva driftpunkt. Detta är särskilt relevant när basbehovet är måttligt men de dagliga topparna är höga. Det rätta valet kan vara en mindre huvudenhet med en andra enhet för toppperioder, i stället för en stor maskin.

Definiera reserv i driftmässiga termer

Reservkapacitet uttrycks ofta som en procentandel, men den mer användbara frågan är vilken händelse reserven måste täcka. Om den största processmotorn startar medan anläggningen körs i ödrift måste tillgänglig reserv täcka det tillhörande elektriska laststeget utan att orsaka oacceptabel frekvenssänkning eller spänningskollaps. Om en andra generator är avsedd att starta efter händelsen skyddar dess starttid inte störningens första sekunder.

För anläggningar med flera enheter ska bortfall av den största driftsatta enheten och den minsta last som måste förbli spänningssatt bedömas. Svaret kan stödja en N+1-konfiguration, en mindre reservmaskin eller ett kontrollerat system för lastfrånkoppling. Dessa alternativ är inte utbytbara. Reservkapacitet skyddar försörjningen; lastfrånkoppling skyddar endast de laster som definierats som frånkopplingsbara, och dess effektivitet beror på en testad prioritetssekvens och tillförlitlig ställverkslogik.

Reserven bör även ta hänsyn till planerat underhåll. En enda enhet kan vara tekniskt tillräcklig under normal drift men ändå medföra produktionsbegränsningar när inspektion, arbete på varmgassektionen, generatorservice eller underhåll av hjälputrustning ska utföras. Kapacitetsplaneringen bör skilja mellan acceptabel drift med reducerad kapacitet och den effekt som måste vara tillgänglig utan avbrott.

Anpassa responsförmågan till hastigheten på lastförändringen

Genomsnittlig efterfrågan döljer snabba förändringar. En profil som ökar med flera megawatt under en timme innebär en annan utmaning än en jämförbar ökning som sker inom sekunder. Gasturbinens styrsystem, bränslesystemets respons, generatorns excitation, regulatorinställning och ansluten roterande tröghet avgör hur systemet reagerar. Generatorn och turbinen måste också samordnas med skyddsreläer, brytarinställningar, transformatorimpedans och startmetoden för stora motorer.

Lastramper bör diagramläggas med tidsstämplar. Identifiera om förändringen är avsiktlig, till exempel en planerad kompressorstart, eller processdriven. Avsiktliga ramper kan ofta sekvenseras utifrån turbinens driftstatus. Processdrivna förändringar kan kräva mer snurrande reserv, en snabbare kompletterande resurs eller automatisk begränsning av icke väsentliga laster.

När en nätansluten anläggning har elöverskott vid vissa tidpunkter och kraftig efterfrågan vid andra kan lagring förändra grunden för generatorns dimensionering.Lagring av luftenergi använder överskottsel för att komprimera luft, lagrar den återvunna värmen i ett termiskt medium såsom smält salt och expanderar senare återuppvärmd luft för att generera el. I en lämplig elnätsapplikation flyttar detta energi över tid; det eliminerar inte behovet av att kontrollera respons vid korta varaktigheter, dispatchlogik och den säkra kapacitet som krävs under ett längre avbrott.

Välj medvetet mellan en stor enhet och en modulär konfiguration

Modularitet medför egna kostnader och gränssnitt. Varje ytterligare enhet kräver fundament, kapslingar, bränsleavstängning, avgasdragning, elektriskt skydd, styrsystemsintegration, planering av reservdelar och samordning av underhåll. Värdet av flera enheter kommer från bättre driftstyrning och redundans endast när styrfilosofin är utformad för att använda dem korrekt. Dålig lastdelning kan medföra att en maskin körs ineffektivt medan en annan får alltför många driftcykler.

Verifiera randvillkoren innan märkvärdet fastställs

Bränslekvalitet och leveranstryck måste bekräftas tidigt. Variationer i värmevärde, föroreningar eller tryck kan påverka förbränningsinställningar, tillgänglig effekt och kraven på bränslebehandling. Turbinpaketet måste dimensioneras utifrån den faktiska bränsleförsörjningslösningen, inklusive eventuell tryckreduktion, uppvärmning, filtrering eller kompressionsutrustning. Ett nominellt uttalande om gasförsörjning utan minimitryck och sammansättningsintervall är inte tillräckligt för slutlig dimensionering.

Platsförhållanden påverkar också installationsvalen. Förluster i inlopps- och avgaskanaler, akustisk behandling, ventilering av kapslingar, kabeldragning, transformatorplacering och kranåtkomst kan verka sekundära i förhållande till turbinens märkvärde, men de kan förändra nettoeffekt, underhållsmässighet eller den praktiska möjligheten att senare öka kapaciteten. Reservera tomtyta och elektriska fack om utbyggnad är realistisk, men undvik att köpa omedelbar produktionskapacitet enbart för en odefinierad framtida last.

Före utfärdandet av en teknisk specifikation ska fyra dokument stämmas av: intervallastprofilen, det elektriska enlinjeschemat, processens driftschema och driftsfilosofin för nätbortfall, enhetsutlösningar och återställning. Konflikter mellan dessa dokument är vanliga. Ett processchema kan till exempel förutsätta samtidiga motorstarter medan den elektriska konstruktionen förutsätter sekventiella starter; ett turbinmärkvärde kan omfatta ett omgivningstillstånd som skiljer sig från prognosen för kylbelastning.

Ett välgrundat slutligt märkvärde anger erforderlig nettoeffekt vid specificerade omgivnings- och bränsleförhållanden, tillåtet driftområde, förväntningar på rampning och start, hjälplaster, redundansgrund och antaganden om framtida anslutningar. Den definitionen omvandlar ”toppefterfrågan” till en teknisk driftpunkt som kan utvärderas konsekvent mellan olika turbingeneratoralternativ.