Cách xác định công suất tổ máy phát tuabin khí tự nhiên cho biểu đồ phụ tải thay đổi

Hãy chọn công suất máy phát tuabin khí tự nhiên theo biểu đồ phụ tải theo thời gian, thay vì theo nhu cầu cao nhất được ghi nhận trên một đồng hồ đo duy nhất. Một tổ máy chỉ được chọn theo kW cực đại có thể hoạt động phần lớn thời gian vận hành tại điểm tải bất lợi, tiêu thụ nhiều nhiên liệu hơn dự kiến hoặc không có đủ dự phòng quay khi một động cơ lớn khởi động. Ngược lại, công suất lắp đặt quá mức có thể dẫn đến vận hành non tải kém hiệu quả và làm tăng chi phí vốn không cần thiết.

Hãy bắt đầu bằng dữ liệu theo khoảng thời gian thay vì tổng mức tiêu thụ hằng năm. Thu thập nhu cầu điện ở khoảng thời gian ngắn nhất khả thi trong các trạng thái sản xuất đại diện: vận hành bình thường, thay ca, chuyển đổi mẻ, điều kiện cực đoan theo mùa, bảo trì theo kế hoạch và khôi phục sau sự cố. Biểu đồ thu được cần thể hiện tải nền, các đỉnh lặp lại, thời lượng đỉnh, tốc độ tăng giảm tải và tần suất khởi động, dừng máy. Những đặc tính này quyết định liệu một tổ máy phát tuabin, nhiều tổ máy nhỏ hơn hay tuabin kết hợp với một nguồn linh hoạt khác là phương án phù hợp hơn.

Phân tách phụ tải thành các thành phần có đặc tính vận hành khác nhau

Một phụ tải công nghiệp biến động hiếm khi chỉ có một nguyên nhân. Các phụ tải phụ trợ vận hành liên tục, thiết bị gia nhiệt quy trình, bơm, máy nén, chiếu sáng và hệ thống điều khiển tạo thành tải nền tương đối ổn định. Động cơ lớn, máy nghiền, thiết bị làm lạnh, lò điện và thiết bị quy trình vận hành gián đoạn tạo ra các thay đổi tải theo bậc. Một số nhu cầu có thể dự đoán từ kế hoạch sản xuất; các nhu cầu khác phát sinh do biến động của quy trình và không thể được coi là đỉnh tải cố định.

Phân loại từng phụ tải quan trọng theo đặc tính điện của nó trước khi chọn công suất:

• Nhu cầu nền là công suất dự kiến trong phần lớn số giờ vận hành. Nó xác lập dải vận hành sẽ chi phối mức tiêu thụ nhiên liệu và mức độ hao mòn bảo trì.
• Nhu cầu đồng thời là tổng nhu cầu thực tế khi các phụ tải lớn cùng hoạt động. Cộng tất cả công suất định mức của các thiết bị được kết nối thường sẽ cho kết quả cao hơn thực tế, trong khi giả định các phụ tải không bao giờ đồng thời có thể khiến máy phát thiếu công suất vào thời điểm bất lợi nhất.
• Nhu cầu khởi động và quá độ phải được đánh giá riêng với kW ở trạng thái ổn định. Việc khởi động động cơ có thể gây ra nhiễu loạn điện áp và tần số ngắn nhưng nghiêm trọng, ngay cả khi tải liên tục vẫn nằm trong giới hạn định mức máy phát.
• Biến thiên xuất hoặc nhập điện có ý nghĩa tại các cơ sở được kết nối lưới. Một tuabin được chọn công suất cho vận hành độc lập áp dụng triết lý dự phòng khác với tuabin vận hành song song cùng nguồn điện lưới ổn định.

Không nên chuyển tất cả các yếu tố này thành một giá trị “phụ tải đỉnh” duy nhất quá sớm. Thời lượng và hình dạng của đỉnh tải ảnh hưởng đến việc lựa chọn. Đỉnh tải ngắn, có thể kiểm soát có thể được xử lý bằng trình tự vận hành, bộ truyền động biến tần, hỗ trợ từ pin hoặc năng lượng lưu trữ. Đỉnh tải kéo dài trong quá trình vận hành then chốt đối với sản xuất thường đòi hỏi công suất phát chắc chắn.

Sử dụng bản đồ hiệu suất tuabin, không chỉ dựa vào định mức nhãn ISO

Định mức công bố của máy phát thường gắn với các điều kiện môi trường xác định. Công suất thực tế và suất tiêu hao nhiệt thay đổi theo nhiệt độ không khí đầu vào, độ cao, độ ẩm, tổn thất áp suất đầu vào, áp suất ngược khí xả, thành phần nhiên liệu và sự suy giảm theo số giờ vận hành. Thời tiết nóng có thể đặc biệt quan trọng vì cùng thời kỳ làm tăng tải làm mát tại cơ sở cũng có thể làm giảm công suất tuabin khí.

Yêu cầu dữ liệu hiệu suất theo phạm vi điều kiện môi trường của dự án, bao gồm điều kiện thiết kế mùa hè dự kiến và mức tải vận hành thực tế thấp nhất. Việc xem xét cần xác định công suất điện ròng sau khi trừ mức tiêu thụ của các thiết bị phụ trợ, không chỉ công suất tổng tại đầu cực máy phát. Hệ thống lọc khí đầu vào, nén khí nhiên liệu khi cần thiết, bơm dầu bôi trơn, thông gió, thiết bị làm mát và tải điều khiển của nhà máy đều ảnh hưởng đến công suất khả dụng cho thanh cái quy trình.

Hiệu suất ở tải một phần cần được chú ý tương đương với suất tiêu hao nhiệt ở đầy tải. Một tổ tuabin vận hành gần dải ưu tiên trong thời gian dài có thể có gánh nặng nhiên liệu vòng đời thấp hơn so với một tổ máy lớn hơn liên tục vận hành thấp hơn nhiều so với điểm hiệu suất tối ưu. Điều này đặc biệt liên quan khi nhu cầu nền ở mức vừa phải nhưng các đỉnh hằng ngày cao. Lựa chọn phù hợp có thể là một tổ máy chính nhỏ hơn kết hợp với tổ máy thứ hai cho các giai đoạn đỉnh tải, thay vì một máy lớn duy nhất.

Xác định dự phòng theo điều kiện vận hành

Công suất dự phòng thường được biểu thị bằng tỷ lệ phần trăm, nhưng câu hỏi hữu ích hơn là dự phòng phải đáp ứng sự kiện nào. Nếu động cơ quy trình lớn nhất khởi động khi cơ sở đang vận hành độc lập, dự phòng khả dụng phải đáp ứng được bước tăng tải điện liên quan mà không gây sụt tần số hoặc sụp đổ điện áp không thể chấp nhận. Nếu máy phát thứ hai được dự định khởi động sau sự kiện, thời gian khởi động của nó không bảo vệ được những giây đầu tiên của nhiễu loạn.

Đối với nhà máy nhiều tổ máy, hãy đánh giá việc mất tổ máy đang vận hành lớn nhất và mức tải tối thiểu phải tiếp tục được cấp điện. Kết quả có thể ủng hộ cấu hình N+1, một máy dự phòng nhỏ hơn hoặc phương án cắt tải có kiểm soát. Các phương án này không thể thay thế cho nhau. Công suất dự phòng bảo vệ nguồn cung; cắt tải chỉ bảo vệ các phụ tải được xác định là có thể ngắt, và hiệu quả của nó phụ thuộc vào trình tự ưu tiên đã được thử nghiệm cùng logic thiết bị đóng cắt đáng tin cậy.

Dự phòng cũng cần tính đến bảo trì theo kế hoạch. Một tổ máy có thể đáp ứng đầy đủ về mặt kỹ thuật trong điều kiện vận hành bình thường nhưng lại gây hạn chế sản xuất khi đến kỳ kiểm tra, bảo dưỡng phần nóng, bảo dưỡng máy phát hoặc bảo trì thiết bị phụ trợ. Quy hoạch công suất cần phân biệt giữa vận hành giảm tải có thể chấp nhận được và công suất phải luôn sẵn có không gián đoạn.

Phù hợp khả năng đáp ứng với tốc độ thay đổi phụ tải

Nhu cầu trung bình che giấu các thay đổi nhanh. Một biểu đồ tăng vài megawatt trong một giờ đặt ra thách thức khác với mức tăng tương đương diễn ra trong vài giây. Hệ thống điều khiển tuabin khí, khả năng đáp ứng của hệ thống nhiên liệu, kích từ máy phát, hiệu chỉnh bộ điều tốc và quán tính quay của các thiết bị kết nối quyết định cách hệ thống phản ứng. Máy phát và tuabin cũng phải được phối hợp với rơle bảo vệ, cài đặt máy cắt, trở kháng máy biến áp và phương thức khởi động của động cơ lớn.

Các dốc tăng giảm tải cần được thể hiện cùng dấu thời gian. Xác định xem thay đổi đó có chủ ý, chẳng hạn như khởi động máy nén theo lịch, hay do quy trình gây ra. Các dốc tải có chủ ý thường có thể được sắp xếp theo trạng thái vận hành của tuabin. Các thay đổi do quy trình gây ra có thể đòi hỏi dự phòng quay lớn hơn, một nguồn bổ sung đáp ứng nhanh hơn hoặc tự động cắt giảm các phụ tải không thiết yếu.

Khi một cơ sở kết nối lưới có điện dư vào một số thời điểm và nhu cầu tăng cao đột ngột vào các thời điểm khác, lưu trữ năng lượng có thể làm thay đổi cơ sở chọn công suất máy phát.Lưu trữ năng lượng bằng khí nén sử dụng điện năng dư thừa để nén không khí, lưu trữ nhiệt thu hồi trong môi chất nhiệt như muối nóng chảy, sau đó giãn nở không khí được gia nhiệt lại để phát điện. Trong một ứng dụng lưới điện phù hợp, giải pháp này chuyển dịch năng lượng theo thời gian; nó không loại bỏ nhu cầu xác minh khả năng đáp ứng trong thời gian ngắn, logic điều độ và công suất chắc chắn cần thiết trong thời gian mất điện kéo dài.

Chủ động lựa chọn một tổ máy lớn hoặc cấu hình mô-đun

Tính mô-đun đi kèm các chi phí và giao diện riêng. Mỗi tổ máy bổ sung đều cần móng, vỏ bao che, cô lập nhiên liệu, tuyến ống xả, bảo vệ điện, tích hợp điều khiển, kế hoạch phụ tùng thay thế và điều phối bảo trì. Giá trị của nhiều tổ máy đến từ khả năng điều độ tốt hơn và dự phòng chỉ khi triết lý điều khiển được thiết kế để sử dụng chúng đúng cách. Chia sẻ tải kém có thể khiến một máy vận hành không hiệu quả trong khi máy khác đóng cắt quá thường xuyên.

Xác minh các điều kiện biên trước khi chốt định mức

Chất lượng nhiên liệu và áp suất cấp cần được xác nhận sớm. Biến động về nhiệt trị, tạp chất hoặc áp suất có thể ảnh hưởng đến cài đặt đốt cháy, công suất khả dụng và yêu cầu xử lý nhiên liệu. Gói tuabin phải được chọn kích thước theo cấu hình cấp nhiên liệu thực tế, bao gồm mọi thiết bị giảm áp, gia nhiệt, lọc hoặc nén. Một thông báo danh nghĩa về nguồn cấp khí mà không có áp suất tối thiểu và dải thành phần là không đủ cho việc chọn công suất cuối cùng.

Điều kiện tại địa điểm cũng ảnh hưởng đến lựa chọn lắp đặt. Tổn thất ống dẫn khí nạp và khí xả, xử lý âm học, thông gió vỏ bao che, tuyến cáp, vị trí máy biến áp và khả năng tiếp cận của cần cẩu có thể có vẻ thứ yếu so với định mức tuabin, nhưng chúng có thể thay đổi công suất ròng, khả năng bảo trì hoặc khả năng thực tế để bổ sung công suất sau này. Dành quỹ đất và ngăn tủ điện dự phòng nếu việc mở rộng là khả thi, nhưng tránh mua ngay công suất phát chỉ vì một phụ tải tương lai chưa được xác định.

Trước khi ban hành đặc tả kỹ thuật, hãy đối chiếu bốn tài liệu: biểu đồ phụ tải theo khoảng thời gian, sơ đồ điện một sợi, lịch vận hành quy trình và triết lý vận hành khi mất lưới, tổ máy ngừng do sự cố và khôi phục. Mâu thuẫn giữa các tài liệu này thường xảy ra. Ví dụ, lịch quy trình có thể giả định các động cơ khởi động đồng thời trong khi thiết kế điện giả định khởi động tuần tự; định mức tuabin có thể bao gồm điều kiện môi trường khác với dự báo tải làm mát.

Một định mức cuối cùng hợp lý nêu rõ công suất ròng yêu cầu tại các điều kiện môi trường và nhiên liệu xác định, dải vận hành cho phép, yêu cầu về dốc tải và khởi động, tải phụ trợ, cơ sở dự phòng và các giả định về đấu nối trong tương lai. Định nghĩa đó chuyển “nhu cầu đỉnh” thành một điểm làm việc kỹ thuật có thể được đánh giá nhất quán giữa các phương án máy phát tuabin.