چگونه مجموعه های ژنراتور گاز طبیعی مناسب را برای برنامه خود انتخاب می کنید؟

مجموعه ژنراتورهای گاز طبیعی خود را به عنوان یکی از مهم‌ترین راه‌حل‌های تولید برق از لحاظ تجاری و فنی که در مقیاس‌های مسکونی، تجاری، صنعتی و کاربردی در دسترس است، تثبیت کرده‌اند. این مجموعه ژنراتورها با سوزاندن گاز طبیعی به جای گازوئیل یا نفت‌سوخت سنگین، نیروی الکتریکی را با انتشار کمتر، هزینه سوخت کمتر در بیشتر بازارها و قابلیت اطمینان تامین سوخت بهتر از طریق زیرساخت‌های خط لوله ارائه می‌کنند که در معرض چالش‌های ذخیره‌سازی، حمل و نقل و آلودگی لجستیک سوخت مایع نیست. برای عملیاتی که نیاز به نیروی آماده به کار، توان پیوسته یا تولید ترکیبی گرما و برق دارد، یک مجموعه ژنراتور گاز طبیعی ترکیبی قانع‌کننده از عملکرد و اقتصاد را ارائه می‌دهد که جایگزین‌های دیزلی به طور فزاینده‌ای با آن مطابقت ندارند زیرا قیمت سوخت و مقررات انتشار گازهای گلخانه‌ای همچنان در حال تکامل هستند.

نتیجه گیری مستقیم برای هر کسی که مجموعه ژنراتورهای گاز طبیعی را ارزیابی می کند این است: برای تولید برق پیوسته یا اولیه که منبع گاز طبیعی در دسترس است، مجموعه ژنراتورهای گاز طبیعی آلایندگی کمتر، هزینه سوخت کمتر در هر کیلووات ساعت و هزینه تعمیر و نگهداری طولانی مدت کمتری نسبت به مجموعه های دیزلی معادل دارند در حالی که بازده خروجی الکتریکی قابل مقایسه در محدوده توان 10 کیلووات در واحد توان تا 10 کیلووات در واحد توان بالاتر از 20 را به دست می آورند. برای کاربردهای آماده به کار، مجموعه گاز طبیعی به قابلیت اطمینان زیرساخت تامین گاز بستگی دارد که باید برای مکان خاص ارزیابی شود. در مواردی که منبع گاز قابل اطمینان است، مجموعه ژنراتور گاز طبیعی مشخصات ارجح برای اکثر برنامه های آماده به کار دائمی و برق مداوم است. این مقاله فناوری، مشخصات عملکرد، کاربردها و معیارهای انتخاب مجموعه ژنراتورهای گاز طبیعی را در عمق عملی کامل پوشش می دهد.

نحوه عملکرد مجموعه ژنراتورهای گاز طبیعی

الف مجموعه ژنراتور گاز طبیعی ترکیبی از یک موتور احتراق داخلی با سوخت گاز طبیعی با یک ژنراتور AC سنکرون (آلترناتور) نصب شده بر روی یک قاب پایه مشترک، با تمام سیستم‌های جانبی لازم برای راه‌اندازی، کنترل، خنک‌کردن و تصفیه اگزوز که در یک بسته منفرد قابل استقرار یکپارچه شده‌اند. موتور مخلوطی از گاز طبیعی و هوا را در محفظه های احتراق خود می سوزاند و انرژی شیمیایی گاز را به انرژی چرخشی مکانیکی تبدیل می کند که محور ژنراتور را به حرکت در می آورد که به نوبه خود خروجی الکتریکی تولید می کند. کل مجموعه، از جمله موتور، ژنراتور، پانل کنترل، رادیاتور خنک کننده، و محفظه تضعیف صدا در صورت مشخص شدن، مجموعه ژنراتور را تشکیل می دهد.

انواع موتورهای مورد استفاده در مجموعه ژنراتورهای گاز طبیعی

مجموعه ژنراتورهای گاز طبیعی با دو نوع موتور اصلی تولید می شوند و انتخاب بین آنها پیامدهای قابل توجهی برای راندمان، توان خروجی و مناسب بودن کاربرد دارد:

• موتورهای گازی با جرقه (چرخه اتو): نوع موتور استاندارد برای مجموعه ژنراتورهای گاز طبیعی. گاز طبیعی، که یک سوخت گازی است، نمی‌تواند مانند گازوئیل با تراکم مشتعل شود، زیرا با نسبت تراکم مورد استفاده در موتورهای گازی عملی، خود اشتعال نمی‌یابد. در عوض، مخلوط سوخت هوا توسط یک شمع در نقطه بهینه در سکته فشرده سازی مشتعل می شود. موتورهای گاز سوز جرقه ای مدرن از فناوری احتراق بدون سوخت استفاده می کنند که در آن نسبت سوخت هوا به طور قابل توجهی بیشتر از استوکیومتری است (معمولاً لامبدا 1.6 تا 2.0 یا بالاتر)، که دمای اوج احتراق را کاهش می دهد، انتشار NOx را کاهش می دهد و راندمان حرارتی را بهبود می بخشد. موتورهای گازسوز بدون سوخت پریمیوم به بازده الکتریکی 40 تا 45 درصد در بار کامل در محدوده توان 500 کیلووات تا 10 مگاوات دست می‌یابند که مستقیماً با موتورهای دیزلی مدرن قابل مقایسه است و به طور قابل‌توجهی بهتر از راندمان 30 تا 35 درصدی معمول موتورهای گازی استوکیومتری قدیمی‌تر است.
• موتورهای مشتعل (دوگانه سوز) خلبان: موتورهای گاز طبیعی بزرگ، به ویژه در محدوده مگاوات، گاهی اوقات از مقدار کمی سوخت دیزل (تزریق آزمایشی) برای مشتعل کردن یک مخلوط هوای عمدتا گاز طبیعی در هر سیلندر استفاده می کنند. پایلوت دیزل زمان جرقه زنی قابل اعتماد و دقیق را در سیلندرهای با سوراخ بزرگ ارائه می دهد که در آن دسترسی و قابلیت اطمینان شمع بیشتر از موتورهای کوچکتر چالش برانگیز است. موتورهای دوگانه سوز انعطاف بیشتری را ارائه می دهند که می توانند در صورت قطع شدن گاز به تنهایی با گازوئیل کار کنند، به قیمت پیچیدگی مکانیکی بیشتر و نیاز به حفظ منبع سوخت دیزل در کنار تامین گاز.

مولفه ژنراتور

ژنراتور AC سنکرون در یک مجموعه ژنراتور گاز طبیعی، چرخش مکانیکی میل لنگ موتور را به توان الکتریکی AC سه فاز در ولتاژ و فرکانس مشخص شده برای کاربرد (معمولاً 400 ولت یا 11 کیلو ولت در 50 هرتز در بازارهای اروپا و آسیا و 480 ولت هرتز در بازارهای آمریکای شمالی 608 ولت ولت 13) تبدیل می کند. طراحی ژنراتور، کلاس عایق و روش خنک کننده با توان خروجی و کاربرد مجموعه مطابقت دارد. ژنراتورهای بدون جاروبک و خود هیجان‌انگیز با تنظیم‌کننده‌های ولتاژ دیجیتال (AVR) ولتاژ خروجی را در محدوده ± 1 درصد از نقطه تنظیم در سراسر محدوده بار کامل و رویدادهای بار گذرا حفظ می‌کنند، که مشخصات مورد نیاز برای سازگاری با اکثر بارهای الکترونیکی حساس از جمله سرورها، موتورها با درایوهای فرکانس متغیر و تجهیزات پزشکی است.

ملاحظات تامین سوخت برای مجموعه ژنراتورهای گاز طبیعی

قابلیت اطمینان عملیاتی یک مجموعه ژنراتور گاز طبیعی اساساً به قابلیت اطمینان و کیفیت تأمین سوخت آن بستگی دارد و سیستم تأمین سوخت باید به‌عنوان بخشی جدایی ناپذیر از نصب مجموعه ژنراتور به درستی مهندسی شود. گاز طبیعی از طریق یکی از سه منبع تامین اولیه به مجموعه ژنراتورها عرضه می شود که هر کدام دارای قابلیت اطمینان، فشار و پیامدهای نصب متفاوت هستند:

• خط لوله گاز طبیعی: رایج ترین منبع تامین برای تاسیسات دائمی در مناطقی که زیرساخت های توزیع گاز به آنها خدمات رسانی می کند. گاز خط لوله در فشار توزیع (معمولا 20 تا 200 میلی بار در مرز ملک در انگلستان، یا 0.25 تا 2 بار در شبکه های تامین صنعتی) تحویل داده می شود و به یک ایستگاه تنظیم فشار برای کاهش و تثبیت فشار عرضه به سیستم سوخت مورد نیاز موتور نیاز دارد (معمولاً 20 تا 100 میلی بار در ورودی سوخت موتور که برای جرقه سوختن کمتر است). عرضه گاز خط لوله در بازارهای توسعه یافته از قابلیت اطمینان بسیار بالایی برخوردار است، به طوری که در مناطق شهری و حومه شهر معمولاً بیش از 99.9 درصد در دسترس است.
• گاز طبیعی فشرده (CNG): برای مکان‌هایی که به گاز خط لوله برق دسترسی ندارند، گاز طبیعی را می‌توان به شکل فشرده در سیلندرهای فشار قوی یا بسته‌های سیلندر نصب‌شده در تریلر با فشار تا ۲۵۰ بار عرضه کرد، که به قطار کاهش فشار برای رساندن گاز به شرایط ورودی سوخت موتور نیاز دارد. تامین CNG برای تاسیسات از راه دور میان مدت عملی است و جایگزین مناسبی برای گازوئیل در مکان هایی است که تدارکات تامین دیزل چالش برانگیز است.
• گاز طبیعی مایع (LNG) و گاز مایع (LPG): LNG را می توان در محل در مخازن برودتی ذخیره کرد و برای تامین مجموعه ژنراتورها در مکان های دور از زیرساخت خط لوله تبخیر کرد. LPG (پروپان یا بوتان) یک سوخت گازی جایگزین با ویژگی‌های احتراق مشابه با گاز طبیعی فراهم می‌کند و می‌تواند در مجموعه‌های ژنراتور تبدیل مناسبی که گاز طبیعی در دسترس نیست استفاده شود. هر دو LNG و LPG به تجهیزات ذخیره سازی، تبخیر و تنظیم فشار تخصصی نیاز دارند.

مقایسه عملکرد، انتشار و کارایی

مزایای عملکرد مجموعه‌های ژنراتور گاز طبیعی نسبت به جایگزین‌های دیزلی به وضوح هنگام مقایسه معیارهای عملیاتی کلیدی در رتبه‌بندی‌های توان معادل مشاهده می‌شود. جدول زیر مقایسه ای از ارقام عملکرد معمولی برای مجموعه های مدرن گاز طبیعی و دیزل ژنراتور در محدوده توان 500 کیلووات تا 2 مگاوات را ارائه می دهد.

کاربردهای کلیدی برای مجموعه ژنراتورهای گاز طبیعی

مجموعه ژنراتور گاز طبیعیs طیف وسیعی از کاربردهای تولید برق را در چندین بخش ارائه می‌کند و پیکربندی خاص، رتبه‌بندی خروجی و سیستم‌های جانبی مورد نیاز به نقشی که مجموعه ژنراتور برای انجام آن طراحی شده است بستگی دارد:

• سیستم های ترکیبی حرارت و برق (CHP): الفlso known as cogeneration, CHP systems capture the waste heat from the generator set's engine cooling system and exhaust gas to produce hot water or steam for space heating, process heating, or absorption cooling. The total energy utilization efficiency of a well designed CHP installation using a natural gas generator set reaches 80 to 90 percent, compared to 38 to 44 percent for electricity generation alone, dramatically reducing the energy cost of facilities that have simultaneous heat and power demands such as hospitals, hotels, universities, food processing plants, and district heating networks.
• تولید برق پیوسته و اولیه: در مناطق یا تأسیساتی که اتصال به شبکه در دسترس نیست، غیرقابل اطمینان یا بسیار گران است، مجموعه‌های ژنراتور گاز طبیعی برق مستمری را برای تأسیسات صنعتی، جوامع دورافتاده، عملیات معدنی، و سایت‌های تولید نفت و گاز که ممکن است گاز طبیعی به عنوان محصول فرعی تولید در دسترس باشد، تأمین می‌کند. مجموعه ژنراتورهای گاز طبیعی پاور پرایم برای کارکرد مداوم با خروجی نامی کامل یا نزدیک به 24 ساعت در روز، 365 روز در سال مشخص شده اند و با ساخت و ساز قوی، ظرفیت خنک کننده و فواصل نگهداری مناسب برای این وظیفه طراحی شده اند.
• استندبای و برق اضطراری: ساختمان‌های تجاری، مراکز داده، تأسیسات مراقبت‌های بهداشتی، تصفیه‌خانه‌های آب و سایر زیرساخت‌های حیاتی از مجموعه‌های ژنراتور گاز طبیعی به عنوان منبع برق پشتیبان اولیه برای قطع‌های تامین شبکه استفاده می‌کنند. مجموعه های آماده به کار گاز طبیعی مزایای عدم نیاز به ذخیره سوخت در محل را ارائه می دهند (حذف خطر آتش سوزی، مقررات ذخیره سازی، و نگرانی های مربوط به تخریب سوخت مرتبط با آماده به کار دیزل) در حالی که زمان شروع 10 تا 30 ثانیه را از حالت آماده به کار تا پذیرش کامل بار ارائه می دهند، که الزامات انتقال خودکار اکثر استانداردهای برق اضطراری تأسیسات را برآورده می کند.
• تولید برق گاز و بیوگاز محل دفن زباله: مجموعه‌های مولد گاز طبیعی را می‌توان برای کار بر روی بیوگاز از محل‌های دفن زباله، هاضم‌های بی‌هوازی تصفیه فاضلاب، هاضم‌های زباله کشاورزی و فرآیندهای بیوگاز صنعتی سازگار کرد. بیوگاز معمولاً حاوی 45 تا 65 درصد حجمی متان است که دی اکسید کربن و آلاینده های کمیاب تعادل را تشکیل می دهند. مجموعه ژنراتورهای پیکربندی شده برای موتورهای خدمات بیوگاز با نسبت تراکم تنظیم شده، زمان احتراق و اجزای سیستم سوخت بهینه شده برای ارزش حرارتی پایین و ترکیب متغیر بیوگاز، و ممکن است شامل تجهیزات تهویه گاز برای حذف رطوبت و سولفید هیدروژن باشد که به اجزای موتور در بیوگاز تصفیه نشده آسیب می رساند.

انتخاب و تعیین مجموعه ژنراتورهای گاز طبیعی

انتخاب صحیح مجموعه ژنراتور گاز طبیعی برای یک برنامه خاص نیاز به ارزیابی سیستماتیک چندین عامل فنی و تجاری به هم پیوسته دارد که تعیین می کند آیا مجموعه انتخاب شده به طور قابل اعتماد عمل می کند، الزامات نظارتی را برآورده می کند و بازده اقتصادی مورد انتظار را در طول عمر مفید آن ارائه می دهد.

1. رتبه بندی توان خروجی و طبقه بندی وظیفه: رتبه‌بندی خروجی یک مجموعه ژنراتور باید برای کار درست مشخص شود: رتبه‌بندی توان آماده به کار (SPR) برای مجموعه‌هایی که فقط در هنگام قطع شبکه استفاده می‌شوند. رتبه بندی توان اولیه (PPR) برای مجموعه هایی که به عنوان منبع برق اولیه با ساعات کار نامحدود استفاده می شوند. و رتبه توان پیوسته (CPR) برای مجموعه هایی که توان بار پایه ثابت را ارائه می دهند. رتبه قدرت آماده به کار یک مجموعه ژنراتور معمولاً 10 تا 15 درصد بیشتر از توان اولیه آن برای همان پیکربندی موتور است، زیرا عملکرد آماده به کار مجموعه را به حداکثر 500 ساعت در سال در این رتبه بندی محدود می کند، در حالی که درجه های اولیه و پیوسته باید به طور نامحدود حفظ شوند. تعیین یک مجموعه در حالت آماده به کار برای کار مداوم یک خطای رایج و جدی است که منجر به سایش زودرس موتور و کاهش عمر مفید می شود.
2. کاهش ارتفاع سایت و دمای محیط: توان خروجی یک موتور گازی با افزایش ارتفاع (کاهش تراکم هوا) و افزایش دمای محیط (کاهش تراکم هوا و افزایش تقاضای خنک کننده) کاهش می یابد. سازندگان موتور منحنی‌های کاهش ارتفاع و دما را منتشر می‌کنند که باید روی خروجی نامی نامی اعمال شود تا خروجی واقعی موجود در محل نصب مشخص شود. برای یک مجموعه ژنراتور که در ارتفاع 1500 متری از سطح دریا در آب و هوایی که دمای محیط به 40 درجه سانتیگراد می رسد نصب شده است، خروجی کاهش یافته ممکن است 15 تا 25 درصد کمتر از رتبه پلاک باشد و این باید در محاسبه اندازه اولیه در نظر گرفته شود.
3. الزامات انطباق با انتشار: تاسیسات موتورهای گازی مشمول محدودیت‌های انتشار هستند که بسته به حوزه قضایی، اندازه نصب و مشخصات ساعات کار متفاوت است. تأسیسات اروپایی بالاتر از 1 مگاوات معمولاً مشمول محدودیت‌های انتشار دستورالعمل کارخانه احتراق متوسط ​​(MCPD) برای NOx، CO و کل کربن آلی هستند، در حالی که تأسیسات در مناطق هوای پاک یا نزدیک مناطق مسکونی ممکن است با محدودیت‌های محلی سخت‌تر مواجه شوند. انتخاب موتور باید تأیید کند که عملکرد انتشار تایید شده موتور با الزامات قانونی قابل اعمال برای مکان خاص و مشخصات عملیاتی، از جمله هرگونه الزامات برای پس‌درمان کاهش کاتالیزوری انتخابی (SCR) برای دستیابی به محدودیت‌های NOx که موتور به تنهایی نمی‌تواند برآورده کند، مطابقت دارد.
4. سطح صدا و الزامات محفظه آکوستیک: مجموعه ژنراتورهای گاز طبیعی صدای مکانیکی و احتراق قابل توجهی از موتور، فن خنک کننده و سیستم اگزوز تولید می کنند. ترازهای صوتی نصب شده باید با برنامه ریزی محلی و مقررات محیطی در مرز سایت و در نزدیکترین گیرنده حساس به نویز مطابقت داشته باشد. تامین‌کننده مجموعه ژنراتور می‌تواند مجموعه را در یک سایبان صوتی یا در یک محفظه آکوستیک ساخته شده ارائه دهد که نویز را تا حد مورد نیاز کاهش می‌دهد، و طراحی محفظه باید هم نویز تابشی مستقیم از موتور و هم نویز متحمل شده از سازه را که از طریق پایه‌ها و سازه ساختمان منتقل می‌شود، بررسی کند.

مجموعه‌های ژنراتور گاز طبیعی یکی از موثرترین و توجیه‌پذیرترین سرمایه‌گذاری‌های تولید برق موجود در بازار انرژی امروزی است، به‌ویژه برای کاربردهایی که ترکیبی از هزینه سوخت کمتر، انتشار کمتر، فواصل نگهداری طولانی‌تر و پتانسیل بازیابی حرارت CHP را می‌توان به طور کامل محقق کرد. ارزیابی کامل سایت، طبقه بندی صحیح وظایف، رعایت مقررات انتشار و صدا و همسویی با زیرساخت های تامین گاز طبیعی محل، پایه های یک مجموعه ژنراتور موفق است که عملکرد و اقتصادی مورد انتظار را در طول عمر مجموعه ارائه می دهد.