Làm thế nào để bạn chọn bộ máy tạo khí tự nhiên phù hợp cho ứng dụng của mình?

Bộ máy phát điện khí tự nhiên đã tự khẳng định mình là một trong những giải pháp sản xuất điện có ý nghĩa kỹ thuật và thương mại nhất hiện có trên các ứng dụng quy mô dân dụng, thương mại, công nghiệp và tiện ích. Đốt khí tự nhiên thay vì dầu diesel hoặc dầu nhiên liệu nặng, các tổ máy phát điện này cung cấp năng lượng điện với lượng khí thải thấp hơn, chi phí nhiên liệu thấp hơn ở hầu hết các thị trường và độ tin cậy cung cấp nhiên liệu tốt hơn thông qua cơ sở hạ tầng đường ống không phải chịu các thách thức về lưu trữ, vận chuyển và ô nhiễm của hậu cần nhiên liệu lỏng. Đối với các hoạt động cần nguồn điện dự phòng, nguồn điện liên tục hoặc phát điện và nhiệt kết hợp, bộ máy phát điện bằng khí tự nhiên mang đến sự kết hợp hấp dẫn giữa hiệu suất và tính kinh tế mà các giải pháp thay thế động cơ diesel ngày càng không thể sánh kịp khi giá nhiên liệu và các quy định về khí thải tiếp tục phát triển.

Kết luận trực tiếp dành cho bất kỳ ai đánh giá Bộ máy phát điện khí tự nhiên là: để phát điện liên tục hoặc nguồn điện chính khi có sẵn nguồn cung cấp khí đốt tự nhiên, các bộ máy phát điện khí tự nhiên mang lại lượng khí thải thấp hơn, chi phí nhiên liệu trên mỗi kilowatt giờ thấp hơn và chi phí bảo trì dài hạn thấp hơn so với các bộ động cơ diesel tương đương trong khi đạt được hiệu suất đầu ra điện tương đương trên phạm vi công suất từ ​​20 kW đến trên 10 megawatt mỗi đơn vị. Đối với các ứng dụng dự phòng, các tổ hợp khí đốt tự nhiên phụ thuộc vào độ tin cậy của cơ sở hạ tầng cung cấp khí đốt và phải được đánh giá cho vị trí cụ thể. Khi nguồn cung cấp khí đốt đáng tin cậy, bộ máy tạo khí tự nhiên là thông số kỹ thuật ưu tiên cho hầu hết các ứng dụng nguồn điện dự phòng và liên tục cố định. Bài viết này đề cập đến công nghệ, thông số kỹ thuật hiệu suất, ứng dụng và tiêu chí lựa chọn cho Bộ máy phát điện khí tự nhiên ở mức độ thực tế đầy đủ.

Bộ máy tạo khí tự nhiên hoạt động như thế nào

A Bộ tạo khí tự nhiên kết hợp động cơ đốt trong chạy bằng khí tự nhiên với máy phát điện xoay chiều đồng bộ (máy phát điện xoay chiều) được gắn trên khung đế chung, với tất cả các hệ thống phụ trợ cần thiết để khởi động, điều khiển, làm mát và xử lý khí thải được tích hợp vào một gói có thể triển khai duy nhất. Động cơ đốt cháy hỗn hợp khí tự nhiên và không khí trong buồng đốt, chuyển đổi năng lượng hóa học của khí thành năng lượng quay cơ học dẫn động trục máy phát điện, từ đó tạo ra công suất điện. Toàn bộ cụm lắp ráp, bao gồm động cơ, máy phát điện, bảng điều khiển, bộ tản nhiệt làm mát và vỏ giảm âm nếu được chỉ định, tạo thành gói bộ máy phát điện.

Các loại động cơ được sử dụng trong bộ máy phát điện khí tự nhiên

Bộ máy phát điện khí tự nhiên được sản xuất với hai loại động cơ chính và việc lựa chọn giữa chúng có ý nghĩa quan trọng đối với hiệu suất, công suất đầu ra và sự phù hợp của ứng dụng:

• Động cơ xăng đánh lửa bằng tia lửa điện (chu trình Otto): Loại động cơ tiêu chuẩn cho các tổ máy phát điện khí tự nhiên. Khí tự nhiên, là nhiên liệu khí, không thể bốc cháy do nén như động cơ diesel vì nó không tự bốc cháy ở tỷ số nén được sử dụng trong động cơ khí thực tế. Thay vào đó, hỗn hợp nhiên liệu không khí được đốt cháy bằng bugi ở điểm tối ưu trong hành trình nén. Động cơ khí đốt bằng tia lửa điện hiện đại sử dụng công nghệ đốt cháy nghèo, trong đó tỷ lệ nhiên liệu không khí lớn hơn đáng kể so với tỷ lệ cân bằng hóa học (thường là lambda 1,6 đến 2,0 hoặc cao hơn), giúp giảm nhiệt độ đốt cao nhất, giảm lượng khí thải NOx và cải thiện hiệu suất nhiệt. Động cơ khí đốt tinh khiết cao cấp đạt hiệu suất điện từ 40 đến 45 phần trăm khi đầy tải trong dải công suất 500 kW đến 10 MW, có thể so sánh trực tiếp với động cơ diesel hiện đại và tốt hơn đáng kể so với hiệu suất 30 đến 35 phần trăm điển hình của động cơ khí cân bằng hóa học cũ.
• Động cơ đốt cháy thí điểm (nhiên liệu kép): Động cơ khí đốt tự nhiên lớn, đặc biệt là ở phạm vi megawatt, đôi khi sử dụng một lượng nhỏ nhiên liệu diesel (kim phun thí điểm) để đốt cháy hỗn hợp không khí chủ yếu là khí tự nhiên trong mỗi xi-lanh. Phi công diesel cung cấp thời điểm đánh lửa chính xác, đáng tin cậy trong các xi lanh có lỗ khoan lớn, nơi khả năng tiếp cận và độ tin cậy của bugi khó khăn hơn so với các động cơ nhỏ hơn. Động cơ nhiên liệu kép mang lại sự linh hoạt bổ sung khi có thể hoạt động chỉ bằng động cơ diesel nếu nguồn cung cấp khí bị gián đoạn, với chi phí là độ phức tạp cơ học cao hơn và yêu cầu duy trì nguồn cung cấp nhiên liệu diesel cùng với nguồn cung cấp khí.

Thành phần máy phát điện

Máy phát điện xoay chiều đồng bộ trong Bộ tạo khí tự nhiên chuyển đổi vòng quay cơ học của trục khuỷu động cơ thành nguồn điện xoay chiều ba pha ở điện áp và tần số được chỉ định cho ứng dụng (thường là 400V hoặc 11kV ở tần số 50Hz ở thị trường châu Âu và châu Á và 480V hoặc 13,8kV ở 60Hz ở thị trường Bắc Mỹ). Thiết kế, lớp cách điện và phương pháp làm mát của máy phát điện phù hợp với công suất đầu ra và ứng dụng của bộ máy. Máy phát điện không chổi than, tự kích thích có bộ điều chỉnh điện áp kỹ thuật số (AVR) duy trì điện áp đầu ra trong phạm vi ±1 phần trăm điểm đặt trên toàn bộ phạm vi tải và các sự kiện tải nhất thời, đây là thông số kỹ thuật cần thiết để tương thích với hầu hết các tải điện tử nhạy cảm bao gồm máy chủ, động cơ có bộ truyền động tần số thay đổi và thiết bị y tế.

Những cân nhắc về việc cung cấp nhiên liệu cho các bộ máy phát điện khí tự nhiên

Độ tin cậy vận hành của Bộ máy phát điện khí tự nhiên về cơ bản phụ thuộc vào độ tin cậy và chất lượng cung cấp nhiên liệu của nó và hệ thống cung cấp nhiên liệu phải được thiết kế chính xác như một phần không thể thiếu trong quá trình lắp đặt bộ máy phát điện. Khí tự nhiên được cung cấp cho các tổ máy phát điện thông qua một trong ba nguồn cung cấp chính, mỗi nguồn có độ tin cậy, áp suất và ý nghĩa lắp đặt khác nhau:

• Đường ống tiện ích khí đốt tự nhiên: Nguồn cung cấp phổ biến nhất cho việc lắp đặt cố định tại các khu vực có cơ sở hạ tầng phân phối khí đốt. Khí đường ống được phân phối ở áp suất phân phối (thường là 20 đến 200 mbar tại ranh giới tài sản ở Anh, hoặc 0,25 đến 2 bar trong mạng lưới cung cấp công nghiệp) và yêu cầu trạm điều chỉnh áp suất để giảm và ổn định áp suất cung cấp theo yêu cầu hệ thống nhiên liệu của động cơ (thường là 20 đến 100 mbar ở đầu vào nhiên liệu động cơ đối với động cơ đốt cháy nạc đánh lửa bằng tia lửa điện). Việc cung cấp khí đốt qua đường ống có độ tin cậy rất cao ở các thị trường phát triển, với mức sẵn có hàng năm thường trên 99,9% ở khu vực thành thị và ngoại ô.
• Khí thiên nhiên nén (CNG): Đối với những vị trí không có đường ống dẫn khí tiện ích, khí đốt tự nhiên có thể được cung cấp ở dạng nén trong các xi lanh áp suất cao hoặc bó xi lanh gắn trên rơ-moóc ở áp suất lên tới 250 bar, cần một bộ giảm áp để đưa khí đến điều kiện đầu vào nhiên liệu động cơ. Việc cung cấp CNG rất thiết thực cho việc lắp đặt từ xa trong trung hạn và cung cấp giải pháp thay thế khả thi cho động cơ diesel ở những nơi mà hoạt động hậu cần cung cấp động cơ diesel đang gặp nhiều thách thức.
• Khí tự nhiên hóa lỏng (LNG) và khí dầu mỏ hóa lỏng (LPG): LNG có thể được lưu trữ tại chỗ trong các bể đông lạnh và được hóa hơi để cung cấp cho các tổ máy phát điện ở những địa điểm cách xa cơ sở hạ tầng đường ống. LPG (propan hoặc butan) cung cấp nhiên liệu khí thay thế có đặc tính đốt tương tự như khí tự nhiên và có thể được sử dụng trong các tổ máy phát điện được chuyển đổi phù hợp khi không có khí tự nhiên. Cả LNG và LPG đều yêu cầu thiết bị lưu trữ, hóa hơi và điều chỉnh áp suất chuyên dụng.

So sánh hiệu suất, khí thải và hiệu quả

Những lợi thế về hiệu suất của Bộ máy phát điện khí tự nhiên so với các lựa chọn thay thế động cơ diesel được thấy rõ nhất khi so sánh các chỉ số vận hành chính giữa các mức công suất tương đương. Bảng sau đây trình bày so sánh các số liệu hiệu suất điển hình của các tổ máy phát điện chạy bằng khí đốt tự nhiên và diesel hiện đại trong dải công suất 500 kW đến 2 MW.

Các ứng dụng chính cho bộ máy phát điện khí tự nhiên

Bộ tạo khí tự nhiêns phục vụ nhiều ứng dụng phát điện trên nhiều lĩnh vực và cấu hình cụ thể, định mức đầu ra và hệ thống phụ trợ được yêu cầu tùy thuộc vào vai trò mà tổ máy phát điện được thiết kế để thực hiện:

• Hệ thống nhiệt và điện kết hợp (CHP): Còn được gọi là đồng phát, hệ thống CHP thu nhiệt thải từ hệ thống làm mát động cơ của máy phát điện và khí thải để tạo ra nước nóng hoặc hơi nước để sưởi ấm không gian, sưởi ấm quy trình hoặc làm mát hấp thụ. Tổng hiệu suất sử dụng năng lượng của hệ thống CHP được thiết kế tốt sử dụng máy phát điện khí tự nhiên đạt 80 đến 90%, so với 38 đến 44% chỉ riêng cho phát điện, giúp giảm đáng kể chi phí năng lượng của các cơ sở có nhu cầu điện và nhiệt đồng thời như bệnh viện, khách sạn, trường đại học, nhà máy chế biến thực phẩm và mạng lưới sưởi ấm khu vực.
• Phát điện liên tục và chính: Ở những khu vực hoặc cơ sở không có kết nối lưới, không đáng tin cậy hoặc quá đắt để thiết lập, các tổ máy phát điện khí tự nhiên cung cấp năng lượng liên tục cho các cơ sở công nghiệp, cộng đồng vùng sâu vùng xa, hoạt động khai thác mỏ và các địa điểm sản xuất dầu khí nơi khí đốt tự nhiên có thể có sẵn như một sản phẩm phụ của quá trình sản xuất. Các bộ máy phát điện khí tự nhiên công suất cao được chỉ định để hoạt động liên tục ở mức hoặc gần hết công suất định mức 24 giờ mỗi ngày, 365 ngày mỗi năm và được thiết kế với kết cấu chắc chắn, công suất làm mát và khoảng thời gian bảo trì phù hợp cho nhiệm vụ này.
• Nguồn điện dự phòng và khẩn cấp: Các tòa nhà thương mại, trung tâm dữ liệu, cơ sở chăm sóc sức khỏe, nhà máy xử lý nước và cơ sở hạ tầng quan trọng khác sử dụng các tổ máy phát điện khí tự nhiên làm nguồn điện dự phòng chính khi nguồn điện lưới bị gián đoạn. Bộ dự phòng khí đốt tự nhiên có ưu điểm là không cần lưu trữ nhiên liệu tại chỗ (loại bỏ nguy cơ hỏa hoạn, quy định lưu trữ và mối lo ngại về suy thoái nhiên liệu liên quan đến chế độ dự phòng động cơ diesel) trong khi cung cấp thời gian khởi động từ 10 đến 30 giây từ chế độ chờ đến khi tiếp nhận toàn tải, đáp ứng các yêu cầu chuyển tự động của hầu hết các tiêu chuẩn điện khẩn cấp của cơ sở.
• Sản xuất điện từ khí bãi rác và khí sinh học: Các tổ máy tạo khí tự nhiên có thể được điều chỉnh để chạy bằng khí sinh học từ các bãi chôn lấp, bể xử lý kỵ khí xử lý nước thải, bể phân hủy chất thải nông nghiệp và các quy trình khí sinh học công nghiệp. Khí sinh học thường chứa 45 đến 65% thể tích khí mê-tan, với carbon dioxide và các chất gây ô nhiễm vi lượng tạo nên sự cân bằng. Các bộ máy phát điện được cấu hình cho dịch vụ khí sinh học sử dụng động cơ có tỷ số nén, thời điểm đánh lửa và các bộ phận của hệ thống nhiên liệu được điều chỉnh được tối ưu hóa để có nhiệt trị thấp hơn và thành phần thay đổi của khí sinh học, đồng thời có thể bao gồm thiết bị điều hòa khí để loại bỏ độ ẩm và hydro sunfua có thể làm hỏng các bộ phận động cơ trong khí sinh học chưa được xử lý.

Lựa chọn và chỉ định bộ máy tạo khí tự nhiên

Lựa chọn đúng Bộ tạo khí tự nhiên đối với một ứng dụng cụ thể, cần phải đánh giá một cách có hệ thống một số yếu tố kỹ thuật và thương mại có liên quan với nhau để xác định liệu bộ được chọn có hoạt động đáng tin cậy hay không, đáp ứng các yêu cầu quy định và mang lại lợi nhuận kinh tế dự kiến trong suốt thời gian sử dụng của nó.

1. Đánh giá sản lượng điện và phân loại nhiệm vụ: Công suất định mức đầu ra của tổ máy phát điện phải được xác định cho đúng chế độ làm việc: công suất định mức dự phòng (SPR) cho các tổ máy chỉ được sử dụng khi mất điện lưới; định mức công suất cơ bản (PPR) cho các tổ máy được sử dụng làm nguồn điện chính với số giờ hoạt động không giới hạn; và định mức công suất liên tục (CPR) cho các bộ cung cấp công suất tải cơ bản không đổi. Định mức công suất dự phòng của một tổ máy phát điện thường cao hơn từ 10 đến 15 phần trăm so với định mức công suất chính của nó cho cùng một cấu hình động cơ vì hoạt động ở chế độ chờ giới hạn bộ này ở mức tối đa 500 giờ mỗi năm ở mức định mức này, trong khi xếp hạng cơ bản và liên tục phải được duy trì vô thời hạn. Việc chỉ định một bộ ở mức dự phòng để hoạt động liên tục là một lỗi phổ biến và nghiêm trọng dẫn đến hao mòn động cơ sớm và giảm tuổi thọ sử dụng.
2. Độ cao của địa điểm và nhiệt độ môi trường giảm xuống: Công suất đầu ra của động cơ xăng giảm khi độ cao tăng (mật độ không khí giảm) và nhiệt độ môi trường tăng (mật độ không khí giảm và nhu cầu làm mát tăng). Các nhà sản xuất động cơ công bố các đường cong giảm độ cao và nhiệt độ phải được áp dụng cho công suất định mức danh nghĩa để xác định công suất thực tế có sẵn tại địa điểm lắp đặt. Đối với một tổ máy phát điện được lắp đặt ở độ cao 1.500 mét so với mực nước biển trong điều kiện khí hậu có nhiệt độ môi trường xung quanh lên tới 40 độ C, công suất đầu ra bị giảm có thể thấp hơn 15 đến 25% so với định mức trên bảng tên và điều này phải được tính đến trong tính toán kích thước ban đầu.
3. Yêu cầu tuân thủ phát thải: Việc lắp đặt động cơ khí phải tuân theo các giới hạn phát thải khác nhau tùy theo khu vực pháp lý, quy mô lắp đặt và hồ sơ giờ hoạt động. Các cơ sở lắp đặt ở Châu Âu có công suất trên 1 MW thường phải tuân theo các giới hạn phát thải của Chỉ thị Nhà máy đốt trung bình (MCPD) đối với NOx, CO và tổng lượng carbon hữu cơ, trong khi việc lắp đặt ở các vùng không khí sạch hoặc gần khu dân cư có thể phải đối mặt với các giới hạn cục bộ chặt chẽ hơn. Việc lựa chọn động cơ phải xác nhận rằng hiệu suất phát thải được chứng nhận của động cơ đáp ứng các yêu cầu quy định hiện hành cho địa điểm và hồ sơ vận hành cụ thể, bao gồm mọi yêu cầu về xử lý sau giảm xúc tác chọn lọc (SCR) để đạt được giới hạn NOx mà riêng động cơ không thể đáp ứng.
4. Yêu cầu về mức âm thanh và vỏ cách âm: Bộ máy phát điện khí tự nhiên tạo ra tiếng ồn cơ học và tiếng ồn đốt cháy đáng kể từ động cơ, quạt làm mát và hệ thống xả. Mức âm thanh được lắp đặt phải tuân thủ các quy định về môi trường và quy hoạch địa phương tại ranh giới khu vực và tại nơi nhạy cảm với tiếng ồn gần nhất. Nhà cung cấp bộ máy phát điện có thể cung cấp tổ máy này trong một vỏ cách âm hoặc trong một vỏ cách âm được thiết kế có mục đích làm giảm tiếng ồn đến mức yêu cầu và thiết kế của vỏ phải giải quyết được cả tiếng ồn bức xạ trực tiếp từ động cơ và tiếng ồn do kết cấu truyền qua nền móng và kết cấu tòa nhà.

Bộ máy phát điện khí tự nhiên là một trong những khoản đầu tư phát điện hiệu quả và hợp lý nhất về mặt kinh tế hiện có trên thị trường năng lượng ngày nay, đặc biệt đối với các ứng dụng có thể nhận ra đầy đủ sự kết hợp giữa chi phí nhiên liệu thấp hơn, lượng khí thải thấp hơn, khoảng thời gian bảo trì dài hơn và tiềm năng thu hồi nhiệt CHP. Đánh giá địa điểm kỹ lưỡng, phân loại nhiệm vụ chính xác, tuân thủ các quy định về phát thải và tiếng ồn cũng như sự phù hợp với cơ sở hạ tầng cung cấp khí đốt tự nhiên của địa điểm là nền tảng của thông số kỹ thuật tổ máy phát điện thành công mang lại hiệu suất và tính kinh tế như mong đợi trong suốt thời gian sử dụng của tổ máy.