Generator Diesla - Diesel generator

Generator Diesla firmy Cummins o mocy 150 kVA tymczasowo zaparkowany w ośrodku turystycznym w Egipcie .
A 200 kW Caterpillar prądotwórczy diesel w solidnej obudowie osłabiony wykorzystywane jako zapasowe awaryjne na stacji oczyszczania ścieków w Atlancie , USA .

Generator z silnikiem wysokoprężnym (dg) (znany także jako agregatu napędowego) jest połączenie silnika wysokoprężnego z generatorem elektrycznym (często alternatora ) w celu wytworzenia energii elektrycznej . To specyficzny przypadek silnika-generatora . Silnik wysokoprężny o zapłonie samoczynnym jest zwykle przeznaczony do pracy na oleju napędowym , ale niektóre typy są przystosowane do innych paliw płynnych lub gazu ziemnego .

Agregaty prądotwórcze na olej napędowy są używane w miejscach bez podłączenia do sieci energetycznej lub jako zasilanie awaryjne w przypadku awarii sieci, a także w bardziej złożonych zastosowaniach, takich jak obcinanie szczytów, obsługa sieci i eksport do sieci energetycznej.

Właściwe dobranie generatorów diesla ma kluczowe znaczenie dla uniknięcia niskiego obciążenia lub niedoboru mocy. Dobór komplikuje charakterystyka nowoczesnej elektroniki , w szczególności obciążenia nieliniowe. W zakresie wielkości około 50 MW i powyżej, turbina gazowa o otwartym cyklu jest bardziej wydajna przy pełnym obciążeniu niż szereg silników Diesla i znacznie bardziej kompaktowa, przy porównywalnych kosztach kapitałowych; ale przy regularnym obciążeniu częściowym, nawet przy tych poziomach mocy, matryce wysokoprężne są czasami preferowane od turbin gazowych o otwartym cyklu, ze względu na ich wyższą sprawność.

Zestaw generatora diesla

Generator Diesla na tankowcu.

Kompaktowa kombinacja silnika wysokoprężnego , generatora i różnych urządzeń pomocniczych (takich jak podstawa, osłona, systemy tłumienia dźwięku, systemy sterowania , wyłączniki , podgrzewacze wody płaszczowej i układ rozruchowy) jest określana jako „zestaw prądotwórczy” lub „zespół prądotwórczy”. w skrócie.

Rozmiary zestawów wahają się od 8 do 30 kW (również 8 do 30 kVA jednofazowy ) dla domów, małych sklepów i biur z większymi generatorami przemysłowymi od 8 kW (11 kVA) do 2000 kW (2500 kVA trójfazowy) używanymi w dużym biurze kompleksy, fabryki i inne obiekty przemysłowe. Zestaw o mocy 2000 kW może być umieszczony w 40-stopowym (12-metrowym) kontenerze ISO ze zbiornikiem paliwa, elementami sterującymi, urządzeniami do dystrybucji energii i wszystkimi innymi urządzeniami potrzebnymi do pracy jako samodzielna elektrownia lub jako rezerwowe zasilanie sieciowe. Jednostki te, określane jako moduły mocy, to zespoły prądotwórcze na dużych przyczepach trzyosiowych o wadze 85 000 funtów (38 555 kg) lub więcej. Kombinacja tych modułów jest wykorzystywana w małych elektrowniach i mogą one wykorzystywać od jednej do 20 jednostek na sekcję mocy, a sekcje te można łączyć, tworząc setki modułów mocy. W tych większych rozmiarach moduł mocy (silnik i generator) są dostarczane na miejsce na przyczepach oddzielnie i są łączone razem za pomocą dużych kabli i kabla sterującego, tworząc kompletną zsynchronizowaną elektrownię . Istnieje również szereg opcji umożliwiających dostosowanie do konkretnych potrzeb, w tym panele sterowania do automatycznego startu i równoległego zasilania, osłony akustyczne do zastosowań stacjonarnych lub mobilnych, urządzenia wentylacyjne, systemy zasilania paliwem, układy wydechowe itp.

Generatory diesla służą nie tylko do zasilania awaryjnego, ale mogą również pełnić drugorzędną funkcję dostarczania energii do sieci energetycznych w okresach szczytu lub w okresach, gdy brakuje dużych generatorów mocy. W Wielkiej Brytanii program ten jest prowadzony przez sieć krajową i nazywa się STOR.

Na statkach często stosuje się również generatory diesla, czasami nie tylko do zasilania pomocniczego świateł, wentylatorów, wciągarek itp., ale także pośrednio do napędu głównego . Dzięki napędowi elektrycznemu generatory można umieścić w dogodnej pozycji, aby umożliwić przewóz większej ilości ładunku. Napędy elektryczne do statków zostały opracowane przed I wojną światową . Napędy elektryczne zostały określone w wielu okrętach wojennych zbudowanych podczas II wojny światowej, ponieważ zdolności produkcyjne dużych przekładni redukcyjnych były niewystarczające w porównaniu do zdolności produkcyjnych urządzeń elektrycznych. Taki układ dieslowo-elektryczny jest również stosowany w niektórych bardzo dużych pojazdach lądowych, takich jak lokomotywy kolejowe .

Rozmiar generatora

Zespoły prądotwórcze dobierane są w oparciu o obciążenie elektryczne , które mają zasilać, charakterystykę obciążenia elektrycznego, taką jak kW , kVA , var , zawartość harmonicznych , prądy udarowe (np. prąd rozruchowy silnika) oraz obciążenia nieliniowe . Należy również wziąć pod uwagę przewidywane obciążenie (takie jak zasilanie awaryjne, podstawowe lub ciągłe), a także warunki środowiskowe (takie jak wysokość , temperatura i przepisy dotyczące emisji spalin ).

Większość większych producentów agregatów prądotwórczych oferuje oprogramowanie , które wykona skomplikowane obliczenia doboru , po prostu wprowadzając warunki na miejscu i charakterystykę podłączonego obciążenia elektrycznego .

Elektrownie – tryb elektryczny „wyspowy”

Jeden lub więcej generatorów diesla działających bez połączenia z siecią elektryczną określa się jako pracujących w trybie wyspowym . Równoległe działanie generatorów zapewnia zaletę redundancji i może zapewnić lepszą wydajność przy częściowych obciążeniach. Zakład włącza agregaty prądotwórcze w tryb online i wyłącza je w zależności od wymagań systemu w danym czasie. Elektrownia wyspowa przeznaczona jako główne źródło zasilania w odizolowanym osiedlu często będzie miała co najmniej trzy generatory diesla, z których dowolne dwa są przystosowane do przenoszenia wymaganego obciążenia. Grupy do 20 nie są rzadkością.

Generatory mogą być ze sobą połączone elektrycznie w procesie synchronizacji . Synchronizacja polega na dopasowaniu napięcia , częstotliwości i fazy przed podłączeniem generatora do systemu. Brak synchronizacji przed podłączeniem może spowodować wysoki prąd zwarciowy lub zużycie generatora lub jego rozdzielnicy . Proces synchronizacji może odbywać się automatycznie przez moduł autosynchronizatora lub ręcznie przez poinstruowanego operatora. Autosynchronizator odczytuje napięcie, częstotliwość i parametry fazowe z napięcia generatora i szynoprzewodów , regulując prędkość za pomocą regulatora silnika lub modułu ECM (Engine Control Module).

Obciążenie może być dzielone między równolegle działające generatory poprzez podział obciążenia. Podział obciążenia można osiągnąć za pomocą sterowania prędkością spadku kontrolowanego przez częstotliwość generatora, podczas gdy stale dostosowuje sterowanie paliwem silnika, aby przenosić obciążenie do i z pozostałych źródeł zasilania. Generator wysokoprężny przyjmie większe obciążenie, gdy dopływ paliwa do jego układu spalania zostanie zwiększony, natomiast obciążenie zostanie uwolnione, gdy dopływ paliwa zostanie zmniejszony.

Wspieranie głównych sieci energetycznych

Oprócz dobrze znanej roli zasilaczy podczas awarii zasilania, agregaty prądotwórcze diesla rutynowo obsługują główne sieci energetyczne na całym świecie na dwa różne sposoby:

Obsługa sieci

Generatory wysokoprężne w trybie awaryjnym, takie jak te stosowane w szpitalach i elektrowniach wodnych, są, jako funkcja drugorzędna, szeroko stosowane w USA, a w niedawnej przeszłości w Wielkiej Brytanii, aby czasami z różnych powodów wspierać odpowiednie sieci krajowe . W Wielkiej Brytanii przetargi znane jako krótkoterminowa rezerwa operacyjna charakteryzowały się dość zmiennymi cenami, a od 2012 r. wielkość udziału strony popytowej, która obejmuje głównie korzystanie z diesli na miejscu, spadła wraz ze spadkiem cen ofertowych. Czasami około 0,5 GWe diesli było wykorzystywane do obsługi sieci National Grid , której szczytowe obciążenie wynosi około 60 GW. Są to zestawy w zakresie wielkości od 200 kW do 2 MW. Zwykle ma to miejsce podczas, na przykład, nagłej utraty dużej konwencjonalnej elektrowni o mocy 660 MW lub nagłego nieoczekiwanego wzrostu zapotrzebowania na moc, powodującego erozję normalnej dostępnej rezerwy wirowania.

Jest to korzystne dla obu stron – diesle zostały już zakupione z innych powodów; ale aby były niezawodne, muszą być w pełni przetestowane pod kątem obciążenia. Równoległość siatki jest wygodnym sposobem na zrobienie tego. Ta metoda działania jest zwykle podejmowana przez agregatora będącego stroną trzecią, który zarządza działaniem generatorów i interakcją z operatorem systemu.

Te diesle mogą w niektórych przypadkach działać równolegle już w ciągu dwóch minut, bez wpływu na miejsce (biuro lub fabryka nie muszą być zamknięte). Jest to o wiele szybsze niż w przypadku elektrowni przy podstawowym obciążeniu, która może zająć 12 godzin od zimna, i szybciej niż turbina gazowa, która może zająć kilka minut. Chociaż silniki wysokoprężne są bardzo drogie pod względem paliwa, są używane tylko przez kilkaset godzin rocznie w tej pracy, a ich dostępność może zapobiec potrzebie nieefektywnej pracy stacji ładowania podstawowego przy częściowym obciążeniu w sposób ciągły. Stosowany olej napędowy to paliwo, które i tak zostałoby użyte w testach.

W Wielkiej Brytanii National Grid może generalnie polegać na zmniejszeniu zapotrzebowania klientów o około 2 GW dzięki samodzielnym dostawom zapasowych silników wysokoprężnych przez około 10 do 40 godzin rocznie w okresach spodziewanego szczytowego zapotrzebowania krajowego. National Grid nie kontroluje tych diesli - są one obsługiwane przez klientów, aby uniknąć korzystania z sieci przesyłowej „triady” z opłat systemowych (TNUoS), które są nakładane tylko na zużycie w każdym miejscu, w ciągu trzech pół godziny szczytowego zapotrzebowania krajowego. Nie wiadomo z góry, kiedy nastąpią trzy półgodziny szczytowego popytu krajowego (okresy „triady”), więc klient musi eksploatować swoje diesle przez znacznie więcej pół godziny w roku niż tylko trzy.

Szacuje się, że całkowita moc niezawodnie działającego generatora w trybie gotowości w Wielkiej Brytanii wynosi około 20 GW, z czego prawie wszystkie są napędzane silnikami wysokoprężnymi. Odpowiada to prawie 29% szczytu w brytyjskim systemie, chociaż tylko bardzo mała część będzie generowana w tym samym czasie. Większość instalacji jest przeznaczona dla dużych biurowców, szpitali, supermarketów i różnych instalacji, w których ciągłość zasilania jest ważna, takich jak lotniska. Dlatego większość znajduje się na obszarach miejskich, zwłaszcza w centrach miejskich i handlowych. Szacuje się, że około 10% elektrowni przekracza 1 MW, około 50% mieści się w zakresie 200 kW-1 MW, a pozostałe 40% to poniżej 200 kW. Chociaż rośnie, uważa się, że tylko bardzo niewielka część jest wykorzystywana regularnie w celu odbicia szczytowego, a zdecydowana większość służy tylko do generowania w trybie gotowości. Informacje zawarte w tym akapicie pochodzą z sekcji 6.9 raportu rządowego: „Przezwyciężanie barier w planowaniu wbudowanej generacji w celu obsługi sieci dystrybucyjnych”

W Wielkiej Brytanii coraz częściej stosuje się zespoły generatorów diesla (znanych jako „farmy diesla”), aby zrównoważyć wahania produkcji z odnawialnych źródeł energii, takich jak farmy wiatrowe .

Podobny system do brytyjskiej krótkoterminowej rezerwy operacyjnej działa we Francji. Jest znany jako EJP; w okresach obciążenia sieci taryfy specjalne mogą zmobilizować co najmniej 5 GW agregatów prądotwórczych na olej napędowy, aby stały się dostępne. W tym przypadku główną funkcją silników wysokoprężnych jest dostarczanie energii do sieci.

Podczas normalnej pracy w synchronizacji z siecią elektryczną, elektrownie są regulowane z pięcioprocentową kontrolą prędkości spadku . Oznacza to, że prędkość pełnego obciążenia wynosi 100%, a prędkość bez obciążenia 105%. Jest to wymagane do stabilnej pracy sieci bez polowań i przerw w elektrowniach. Zwykle zmiany prędkości są niewielkie. Regulacji mocy wyjściowej dokonuje się poprzez powolne podnoszenie krzywej spadku poprzez zwiększanie nacisku sprężyny na regulator odśrodkowy . Generalnie jest to podstawowy wymóg systemowy dla wszystkich elektrowni, ponieważ starsze i nowsze elektrownie muszą być kompatybilne w odpowiedzi na chwilowe zmiany częstotliwości bez uzależnienia od komunikacji zewnętrznej.

Koszt wytwarzania energii elektrycznej

Typowe koszty operacyjne

Zużycie paliwa jest główną częścią kosztów posiadania i eksploatacji elektrowni diesla w zastosowaniach energetycznych, podczas gdy koszt kapitału jest głównym problemem w przypadku generatorów zapasowych. Jednostkowe zużycie jest różne, ale nowoczesna elektrownia dieslowska przy niemal optymalnym obciążeniu 65-70% wygeneruje co najmniej 3 kWh na litr ( wskaźnik efektywności paliwowej ok. 30% ).

Dobór i ocena generatora

Ocena

Generatory muszą dostarczać przewidywaną wymaganą moc niezawodnie i bez uszkodzeń, co jest osiągane przez producenta, który nadaje jedną lub więcej wartości znamionowych określonemu modelowi agregatu prądotwórczego. Określony model generatora pracującego jako generator rezerwowy może wymagać pracy tylko przez kilka godzin w roku, ale ten sam model pracujący jako główny generator mocy musi działać nieprzerwanie. Podczas pracy generator rezerwowy może pracować z określonym - np. 10% przeciążeniem, które może być tolerowane przez oczekiwany krótki czas pracy. Ten sam model generatora będzie miał wyższą wartość znamionową do pracy w trybie gotowości niż do pracy ciągłej. Producenci przyznają każdemu zestawowi ocenę opartą na międzynarodowo uzgodnionych definicjach.

Te standardowe definicje oceny mają na celu umożliwienie prawidłowych porównań między producentami, zapobieganie błędnym ocenom ich maszyn przez producentów oraz udzielanie wskazówek projektantom.

Definicje oceny generatora

Wartość znamionowa czuwania na podstawie Dotyczy zasilania awaryjnego na czas normalnej przerwy w zasilaniu. Dla tej oceny nie jest dostępna zdolność do długotrwałego przeciążenia. (Odpowiada mocy zatrzymania paliwa zgodnie z ISO3046, AS2789, DIN6271 i BS5514). Znamionowo.

Typowe zastosowanie - elektrownie awaryjne w szpitalach, biurach, fabrykach itp. Nie podłączona do sieci.

Ocena Prime (nieograniczony czas pracy): Nie należy stosować w zastosowaniach Construction Power. Wyjście dostępne ze zmiennym obciążeniem przez nieograniczony czas. Typowe zapotrzebowanie szczytowe 100% znamionowej mocy ekW z 10% przeciążalnością w przypadku użycia awaryjnego przez maksymalnie 1 godzinę na 12. Przeciążalność 10% jest dostępna przez ograniczony czas. (Odpowiada mocy początkowej zgodnie z ISO8528 i mocy przeciążeniowej zgodnie z ISO3046, AS2789, DIN6271 i BS5514). Ta ocena nie dotyczy wszystkich modeli agregatów prądotwórczych.

Typowe zastosowanie - gdzie generator jest jedynym źródłem energii np. na odległym terenie wydobywczym lub budowlanym, wesołym miasteczku, festiwalu itp.

Obciążenie podstawowe (ciągłe) Wartość znamionowa na podstawie: Dotyczy ciągłego zasilania stałego obciążenia do pełnej mocy znamionowej przez nieograniczoną liczbę godzin. Dla tej oceny nie jest dostępna zdolność do długotrwałego przeciążenia. Skonsultuj się z autoryzowanym dystrybutorem w celu uzyskania oceny. (Odpowiada mocy ciągłej zgodnie z ISO8528, ISO3046, AS2789, DIN6271 i BS5514). Ta ocena nie dotyczy wszystkich modeli agregatów prądotwórczych

Typowe zastosowanie - generator pracujący z ciągłym, niezmiennym obciążeniem lub równolegle z siecią zasilającą i nieprzerwanie dostarczającym moc na maksymalnym dopuszczalnym poziomie 8760 godzin rocznie. Dotyczy to również zestawów używanych do obsługi szczytowego golenia / siatki, nawet jeśli może to nastąpić tylko przez powiedzmy 200 godzin rocznie.

Na przykład, jeśli w konkretnym zestawie wartość znamionowa w trybie czuwania wynosiła 1000 kW, wówczas moc znamionowa główna może wynosić 850 kW, a znamionowa ciągła 800 kW. Jednak te oceny różnią się w zależności od producenta i należy je pobrać z arkusza danych producenta.

Często zestaw może mieć wszystkie trzy oceny wybite na tabliczce znamionowej, ale czasami może mieć tylko ocenę gotowości lub tylko ocenę główną.

Rozmiary

Zazwyczaj jednak to wielkość maksymalnego obciążenia, które musi być podłączone, i dopuszczalny maksymalny spadek napięcia, które określają ustawiony rozmiar, a nie same wartości znamionowe. Jeśli zestaw jest wymagany do uruchomienia silników, to zestaw musi być co najmniej trzykrotnie większy od największego silnika, który normalnie jest uruchamiany jako pierwszy. Oznacza to, że jest mało prawdopodobne, aby działał w pobliżu ocen wybranego zestawu.

Wielu producentów agregatów prądotwórczych posiada oprogramowanie, które umożliwia prawidłowy dobór zestawu dla dowolnej kombinacji obciążeń. Dobór jest oparty na warunkach na miejscu oraz rodzaju urządzeń, wyposażenia i urządzeń, które będą zasilane przez agregat prądotwórczy.

Paliwa

Olej napędowy nosi nazwę silników Diesla, a nie odwrotnie; silniki wysokoprężne są po prostu silnikami wysokoprężnymi i mogą pracować na wielu różnych paliwach, w zależności od konfiguracji i lokalizacji. Tam, gdzie dostępne jest połączenie z siecią gazową, często używany jest gaz, ponieważ sieć gazowa pozostanie pod ciśnieniem podczas prawie wszystkich przerw w dostawie prądu. Realizuje się to poprzez wprowadzenie gazu z powietrzem wlotowym i użycie niewielkiej ilości oleju napędowego do zapłonu. Konwersja do 100% oleju napędowego może być osiągnięta natychmiast.

W bardziej wiejskich sytuacjach lub w przypadku instalacji o niskim współczynniku obciążenia, olej napędowy pochodzący z ropy naftowej jest powszechnym paliwem; jest mniej podatny na zamarzanie niż cięższe oleje. Wytrzymałość będzie ograniczona wielkością czołgu. Silniki Diesla mogą pracować z pełnym spektrum destylatów ropy naftowej, od gazu ziemnego, alkoholi, benzyny, gazu drzewnego do olejów opałowych od oleju napędowego do tańszych paliw resztkowych, które są jak smalec w temperaturze pokojowej i muszą być podgrzewane, aby umożliwić im spływać w dół przewodu paliwowego.

Większe silniki (od około 3 MWe do 30 MWe) czasami wykorzystują oleje ciężkie, głównie smoły, pochodzące z końca procesu rafinacji. Niewielka dodatkowa złożoność utrzymywania podgrzanego oleju opałowego w celu umożliwienia jego przepływu, przy jednoczesnym łagodzeniu ryzyka pożaru wynikającego z przegrzania paliwa, sprawia, że ​​paliwa te są niepopularne dla mniejszych, często bezzałogowych elektrowni.

Inne możliwe paliwa to: biodiesel , czysty olej roślinny , tłuszcze zwierzęce i łój , gliceryna oraz gnojowica wodno-węglowa . Należy ich używać ostrożnie: ze względu na swój skład zwykle mają szkodliwy wpływ na żywotność silnika.

Zobacz też

Bibliografia