Hur väljer du rätt naturgasgeneratorset för din applikation?

Generatoruppsättningar för naturgas har etablerat sig som en av de mest kommersiellt och tekniskt betydelsefulla kraftgenereringslösningar som finns tillgängliga för applikationer i bostads-, kommersiella, industriella och allmännyttiga skala. Dessa generatoraggregat förbränner naturgas snarare än diesel eller tjock eldningsolja och levererar elektrisk kraft med lägre utsläpp, lägre bränslekostnader på de flesta marknader och bättre bränsletillförlitlighet genom rörledningsinfrastruktur som inte är föremål för lagrings-, transport- och föroreningsutmaningarna för logistik med flytande bränsle. För verksamheter som kräver standby-kraft, kontinuerlig kraft eller kombinerad värme- och kraftgenerering erbjuder en naturgasgenerator en övertygande kombination av prestanda och ekonomi som dieselalternativen i allt högre grad inte kan matcha när bränslepriserna och utsläppsreglerna fortsätter att utvecklas.

Den direkta slutsatsen för alla som utvärderar naturgasgeneratorer är denna: för kontinuerlig eller primär kraftproduktion där naturgasförsörjning är tillgänglig, ger naturgasgeneratorer lägre utsläpp, lägre bränslekostnad per kilowattimme och lägre långsiktiga underhållskostnader än motsvarande dieselaggregat samtidigt som de uppnår jämförbar elektrisk effekteffektivitet över effektområdet från 20 kW till långt över 10 megawatt per enhet. För standby-tillämpningar beror naturgasuppsättningar på tillförlitligheten hos gasförsörjningsinfrastrukturen, som måste bedömas för den specifika platsen. Där gastillförseln är tillförlitlig är naturgasgeneratorset den föredragna specifikationen för de flesta permanenta standby- och kontinuerliga krafttillämpningar. Den här artikeln täcker tekniken, prestandaspecifikationerna, tillämpningarna och urvalskriterierna för naturgasgeneratorer i full praktisk djup.

Hur naturgasgeneratoraggregat fungerar

A Naturgasgeneratorset kombinerar en naturgasdriven förbränningsmotor med en synkron AC-generator (generator) monterad på en gemensam basram, med alla nödvändiga tilläggssystem för start, kontroll, kylning och avgasbehandling integrerade i ett enda utfällbart paket. Motorn förbränner en blandning av naturgas och luft i sina förbränningskammare och omvandlar gasens kemiska energi till mekanisk rotationsenergi som driver generatoraxeln, som i sin tur producerar den elektriska effekten. Hela aggregatet, inklusive motor, generator, kontrollpanel, kylare och ljuddämpande hölje där så anges, utgör generatorsetpaketet.

Motortyper som används i naturgasgeneratorer

Naturgasgeneratorer tillverkas med två huvudsakliga motortyper, och valet mellan dem har betydande konsekvenser för effektivitet, effekt och applikationslämplighet:

• Gnistantända (Otto-cykel) gasmotorer: Standardmotortypen för naturgasgeneratorer. Naturgas, som är ett gasformigt bränsle, kan inte kompressionsantändas som diesel eftersom den inte självantänder vid de kompressionsförhållanden som används i praktiska gasmotorer. Istället antänds luftbränsleblandningen av ett tändstift vid den optimala punkten i kompressionsslaget. Moderna gnisttända gasmotorer använder lean burn-förbränningsteknik, där luftbränsleförhållandet är betydligt större än stökiometriskt (vanligtvis lambda 1,6 till 2,0 eller högre), vilket minskar toppförbränningstemperaturerna, sänker NOx-utsläppen och förbättrar den termiska effektiviteten. Högklassiga lean burn gasmotorer uppnår elektrisk verkningsgrad på 40 till 45 procent vid full belastning i effektområdet 500 kW till 10 MW, vilket är direkt jämförbart med moderna dieselmotorer och betydligt bättre än den 30 till 35 procent verkningsgrad som är typisk för äldre stökiometriska gasmotorer.
• Pilottända (dubbelbränsle)motorer: Stora naturgasmotorer, särskilt i megawattområdet, använder ibland en liten mängd dieselbränsle (pilotinsprutningen) för att antända en övervägande naturgasluftblandning i varje cylinder. Dieselpiloten ger tillförlitlig, exakt tändning i cylindrar med stora hål där tändstiftsräckvidd och tillförlitlighet är mer utmanande än i mindre motorer. Dubbla bränslemotorer erbjuder den ytterligare flexibiliteten att kunna arbeta enbart på diesel om gastillförseln avbryts, till priset av större mekanisk komplexitet och kravet att upprätthålla en dieselbränsletillförsel vid sidan av gastillförseln.

Generatorkomponenten

Den synkrona växelströmsgeneratorn i ett naturgasgeneratorset omvandlar den mekaniska rotationen av motorns vevaxel till trefas växelström vid den spänning och frekvens som specificeras för applikationen (vanligtvis 400V eller 11kV vid 50Hz på europeiska och asiatiska marknader, och 480V eller 13,8kV på 60Hz i Nordamerika). Generatorns design, isoleringsklass och kylningsmetod är anpassade till aggregatets effekt och tillämpning. Borstlösa, självspännande generatorer med digitala spänningsregulatorer (AVR) bibehåller utspänningen inom ±1 procent av börvärdet över hela belastningsområdet och transienta belastningshändelser, vilket är specifikationen som krävs för kompatibilitet med de mest känsliga elektroniska belastningarna inklusive servrar, motorer med variabel frekvens och medicinsk utrustning.

Bränsletillförselöverväganden för naturgasgeneratorer

Driftsäkerheten hos en naturgasgenerator är i grunden beroende av tillförlitligheten och kvaliteten på dess bränsleförsörjning, och bränsleförsörjningssystemet måste vara korrekt konstruerat som en integrerad del av generatoraggregatets installation. Naturgas tillförs generatoraggregat genom en av tre primära försörjningskällor, var och en med olika tillförlitlighet, tryck och installationsimplikationer:

• Rörledning för naturgas: Den vanligaste försörjningskällan för permanenta installationer i områden som betjänas av gasdistributionsinfrastruktur. Rörledningsgas levereras vid distributionstryck (vanligtvis 20 till 200 mbar vid fastighetsgränsen i Storbritannien, eller 0,25 till 2 bar i industriella försörjningsnät) och kräver en tryckregleringsstation för att minska och stabilisera matningstrycket till motorns bränslesystembehov (vanligtvis 20 till 100 mbar vid motorns bränsleinlopp för gnistförbränning). Gasförsörjning i rörledningar har mycket hög tillförlitlighet på utvecklade marknader, med en årlig tillgänglighet vanligtvis över 99,9 procent i stads- och förortsområden.
• Komprimerad naturgas (CNG): För platser utan tillgång till gasledningsgas kan naturgas tillföras i komprimerad form i högtryckscylindrar eller släpvagnsmonterade cylinderbuntar vid tryck upp till 250 bar, vilket kräver ett tryckreduceringståg för att föra gasen till motorbränsleinloppsförhållandena. CNG-försörjning är praktiskt för fjärrinstallationer på medellång sikt och ger ett lönsamt alternativ till diesel på platser där dieselförsörjningslogistiken är utmanande.
• Flytande naturgas (LNG) och flytande petroleumgas (LPG): LNG kan lagras på plats i kryogena tankar och förångas för att försörja generatoraggregat på platser långt från rörledningsinfrastrukturen. LPG (propan eller butan) ger ett alternativt gasformigt bränsle med liknande förbränningsegenskaper som naturgas och kan användas i lämpligt ombyggda generatoraggregat där naturgas inte är tillgänglig. Både LNG och LPG kräver specialiserad utrustning för lagring, förångning och tryckreglering.

Jämförelse av prestanda, utsläpp och effektivitet

Prestandafördelarna med naturgasgeneratoraggregat jämfört med dieselalternativ syns tydligast när man jämför de viktigaste driftsmåtten över motsvarande effektklasser. Följande tabell presenterar en jämförelse av typiska prestandasiffror för moderna naturgas- och dieselgeneratorer i effektområdet 500 kW till 2 MW.

Nyckelapplikationer för naturgasgeneratorer

Naturgasgeneratorsets tjäna ett brett utbud av kraftgenereringstillämpningar inom flera sektorer, och den specifika konfigurationen, utgångsklassificeringen och anslutna system som krävs beror på vilken roll generatoraggregatet är utformat för att uppfylla:

• Kombinerade värme- och kraftsystem (CHP): Även känd som kraftvärme, kraftvärmesystem fångar upp spillvärmen från generatoraggregatets motorkylsystem och avgaser för att producera varmvatten eller ånga för uppvärmning av rum, processvärme eller absorptionskylning. Den totala energianvändningseffektiviteten för en väldesignad kraftvärmeanläggning som använder en naturgasgenerator uppgår till 80 till 90 procent, jämfört med 38 till 44 procent enbart för elproduktion, vilket dramatiskt minskar energikostnaden för anläggningar som har samtidiga värme- och kraftbehov som sjukhus, hotell, universitet, livsmedelsanläggningar och fjärrvärmenätverk.
• Kontinuerlig och primär kraftgenerering: I regioner eller anläggningar där nätanslutningen är otillgänglig, opålitlig eller för dyra att etablera, tillhandahåller naturgasgeneratorer kontinuerlig ström till industrianläggningar, avlägsna samhällen, gruvdrift och olje- och gasproduktionsplatser där naturgas kan vara tillgänglig som en biprodukt av produktionen. Naturgasgeneratorer med primär kraft är specificerade för kontinuerlig drift vid eller nära full nominell effekt 24 timmar per dag, 365 dagar per år, och är designade med den robusta konstruktionen, kylkapaciteten och underhållsintervallen som är lämpliga för denna uppgift.
• Standby och nödström: Kommersiella byggnader, datacenter, sjukvårdsinrättningar, vattenreningsverk och annan kritisk infrastruktur använder naturgasgeneratorer som den primära reservkraftkällan för avbrott i elnätet. Naturgasberedskapsset erbjuder fördelarna med att inga krav på bränslelagring på plats (eliminerar brandrisken, lagringsregler och bränsleförsämringsproblem förknippade med dieselberedskap) samtidigt som de ger starttider på 10 till 30 sekunder från beredskapsläge till full belastningsacceptans, vilket uppfyller kraven för automatisk överföring i de flesta anläggningens nödkraftsstandarder.
• Generering av deponigas och biogas: Generatoraggregat för naturgas kan anpassas för att drivas på biogas från deponier, anaeroba rötkammare för avloppsrening, rötkammare för jordbruksavfall och industriella biogasprocesser. Biogas innehåller vanligtvis 45 till 65 volymprocent metan, med koldioxid och spårföroreningar som utgör resten. Generatoruppsättningar konfigurerade för biogasservice använder motorer med justerade kompressionsförhållanden, tändningstid och bränslesystemkomponenter optimerade för biogasens lägre värmevärde och varierande sammansättning, och kan inkludera gaskonditioneringsutrustning för att avlägsna fukt och vätesulfid som skulle skada motorkomponenter i obehandlad biogas.

Välja och specificera naturgasgeneratoruppsättningar

Att välja rätt Naturgasgeneratorset för en specifik applikation kräver systematisk utvärdering av flera sammankopplade tekniska och kommersiella faktorer som avgör om den valda uppsättningen kommer att fungera tillförlitligt, uppfylla regulatoriska krav och ge den förväntade ekonomiska avkastningen under dess livslängd.

1. Effektklassificering och driftsklassificering: Uteffekten för ett generatoraggregat måste specificeras för korrekt drift: standbyeffekt (SPR) för apparater som endast används under nätavbrott; prime power rating (PPR) för apparater som används som primär strömkälla med obegränsade drifttimmar; och kontinuerlig effektklassning (CPR) för uppsättningar som ger konstant baslasteffekt. Standbyeffekten för en generatoruppsättning är vanligtvis 10 till 15 procent högre än dess primäreffekt för samma motorkonfiguration eftersom standbydrift begränsar apparaten till maximalt 500 timmar per år vid denna klass, medan prime och kontinuerliga värden måste bibehållas på obestämd tid. Att specificera ett set med dess standby-klassificering för kontinuerlig drift är ett vanligt och allvarligt fel som leder till för tidigt motorslitage och minskad livslängd.
2. Platshöjd och omgivningstemperaturnedstämpling: Effekten av en gasmotor minskar med ökande höjd (minskad luftdensitet) och ökande omgivningstemperatur (minskad luftdensitet och ökat kylbehov). Motortillverkare publicerar höjd- och temperaturnedsättningskurvor som måste tillämpas på den nominella märkeffekten för att bestämma den faktiska effekten som är tillgänglig på installationsplatsen. För ett generatoraggregat installerat på 1 500 meter över havet i ett klimat där omgivningstemperaturen når 40 grader Celsius, kan den nedställda effekten vara 15 till 25 procent under märkskyltens klassificering, och detta måste beaktas i den initiala storleksberäkningen.
3. Utsläppskrav: Gasmotorinstallationer är föremål för utsläppsgränser som varierar beroende på jurisdiktion, installationsstorlek och driftstimmarsprofil. Europeiska anläggningar över 1 MW omfattas vanligtvis av utsläppsgränserna för medelstora förbränningsanläggningsdirektivet (MCPD) för NOx, CO och totalt organiskt kol, medan installationer i ren luftzoner eller nära bostadsområden kan möta strängare lokala gränser. Motorval måste bekräfta att motorns certifierade utsläppsprestanda uppfyller de tillämpliga regulatoriska kraven för den specifika platsen och driftsprofilen, inklusive eventuella krav på selektiv katalytisk reduktion (SCR) efterbehandling för att uppnå NOx-gränser som motorn ensam inte kan uppfylla.
4. Krav på ljudnivå och akustisk kapsling: Naturgasgeneratorer producerar betydande mekaniskt ljud och förbränningsljud från motorn, kylfläkten och avgassystem. Installerade ljudnivåer ska överensstämma med lokala planerings- och miljöbestämmelser vid platsgränsen och vid närmaste ljudkänsliga mottagare. Leverantören av generatoraggregatet kan tillhandahålla aggregatet i en akustisk kapsel eller i en specialbyggd akustisk kapsling som dämpar buller till den nivå som krävs, och kapslingens utformning måste ta hänsyn till både det direkta utstrålade ljudet från motorn och det strukturburna ljudet som överförs genom fundamenten och byggnadskonstruktionen.

Naturgasgeneratorer representerar en av de mest effektiva och ekonomiskt försvarbara energiproduktionsinvesteringarna som finns på dagens energimarknad, särskilt för applikationer där kombinationen av lägre bränslekostnad, lägre utsläpp, längre underhållsintervall och potentialen för CHP-värmeåtervinning kan realiseras fullt ut. Noggrann platsbedömning, korrekt pliktklassificering, överensstämmelse med emissions- och bullerbestämmelser och anpassning till platsens naturgasförsörjningsinfrastruktur är grunden för en framgångsrik generatoruppsättningsspecifikation som ger förväntad prestanda och ekonomi under anläggningens livslängd.