Malé, nízkonákladové a vysoce účinné plynové turbíny poskytují průmyslu veřejných služeb technologii čtvrté generace, která má řadu výhod a potenciálních aplikací. Patří mezi ně pevná dodávka energie pro izolované obce, obchodní centra a průmyslová odvětví; snižování špiček pro systémy veřejných služeb, aby se snížily přírůstkové náklady na další zatížení; snižování špiček pro velké obchodní a průmyslové podniky, aby se snížily poplatky za odběr, a také pohotovostní a nouzové napájení a nepřerušitelné napájení (UPS).
Dosavadní zkušenosti s turbínami
Je důležité si uvědomit, že malé generátory s plynovými turbínami nejsou novou technologií, ale jsou vyvíjeny pro odvětví veřejných služeb na základě technologie, která je podložena více než 25 lety zkušeností z provozu. Generátory, o nichž pojednává tento článek, vyvíjí společnost International Power and Light ve spolupráci se společností Allison Engine Co. (divize Rolls Royce plc) a General Electric Co. Allison bude vyvíjet turbogenerátory a General Electric navrhne řídicí jednotky a měnič a bude zodpovědný za projektování jednotek, jejich instalaci a provozní údržbu.
Malé plynové turbíny byly původně vyvinuty společností Allison v 60. letech 20. století pro pozemní dopravu. První velké provozní zkoušky byly zahájeny v roce 1971 instalací turbínových motorů Allison GT404 do šesti autobusů Greyhound. Turbínové motory o výkonu 310 k byly popsány jako dvoustupňový typ se systémem dvojitého regenerátoru, který recykloval teplo z plynové cesty k předehřátí přiváděného vzduchu a zároveň ochlazoval výfukové plyny na teplotu nejvýše 500 až 600 F. Pohonná jednotka nevyžadovala žádný systém vodního chlazení, měla polovinu pohyblivých částí vznětového motoru a její životnost mezi generálními opravami přesahovala 500 000 mil.
Do roku 1978 ujelo těchto šest zkušebních autobusů více než 1 milion mil a vedení společnosti Greyhound považovalo turbínový motor za technický průlom v meziměstské autobusové dopravě.1
V roce 1976 zahájila společnost Allison vývoj generátoru poháněného turbínou GT 404, který měl napájet radarovou soupravu a stanici řízení zásahu raketového systému Patriot americké armády. Mezi hlavní cíle tohoto programu patřilo umístění dvou generátorových souprav o výkonu 150 kW, které poskytovaly stoprocentní zálohu, do jediného kontejneru, který měl být přepravován na pětitunovém armádním nákladním automobilu. K dalším cílům patřila minimalizace spotřeby paliva použitím dvojitých, rotujících regenerátorů s keramickými disky a vývoj spolehlivé, vícepalivové schopnosti bez nutnosti seřizování. V roce 1978 zahájila společnost Allison návrh, vývoj a konstrukci pěti generátorových souprav poháněných turbínou podle vojenských specifikací, které byly určeny k testování v terénu. Dokončené generátorové soupravy byly testovány v zařízeních Aberdeen, Belvoir, Elgin a White Sands s těmito výsledky:
z Spotřeba paliva byla ve srovnání s předchozími generátory snížena ze 48 na 16 galonů za hodinu.
z Bylo dosaženo 0,1% stability frekvence při jmenovitém zatížení.
z Bez ohřívačů bylo dosaženo volného rozběhu na mínus 50 F.
z Byla předvedena schopnost použití více druhů paliv – nafty, JP a benzínu.
z Byly splněny všechny požadavky na spolehlivost.
z Byly splněny normy hladiny hluku nižší než 90 dBA.
V prosinci 1981 dodala společnost Allison první objednávku 200 generátorů pro americkou armádu. Do dnešního dne bylo dodáno více než 2 000 těchto generátorových souprav pro systém Patriot, který byl nasazen během války v Perském zálivu. Tyto generátory mají za sebou více než 1 milion provozních hodin bez větších problémů.2
Vlastnosti mikroturbíny
Turbína má jediný rotující hřídel s generátorem, vzduchovým kompresorem a turbínou uloženými na vzduchových ložiskách, takže není nutné mazání. Elektrárna je chlazena vzduchem, přičemž vzduch je přiváděn přívodem k chlazení generátoru. Vzduch je poté stlačován, než je veden přes regenerátor do spalovací komory. Regenerátor je keramický disk, který se pomalu otáčí před výfukem a vstupem do spalovací komory. Disk je zahříván horkými výfukovými plyny, což zvyšuje teplotu stlačeného vstupního vzduchu a dále zlepšuje účinnost paliva. Otáčky hřídele jsou přibližně 80 000 ot/min, přičemž generátor poskytuje vysokofrekvenční střídavý proud. Instalovaná výkonová elektronika převádí střídavý proud na stejnosměrný, přičemž stejnosměrný střídač poskytuje buď 480 V, třífázový, 60 Hz, nebo 230/400 V, třífázový, 50 Hz.
Malé rozměry a hmotnost plynových turbogenerátorů uvedených v tabulce 1 umožňují energetickým společnostem instalovat tyto jednotky téměř na jakémkoli místě. Všechny jednotky, které potřebují údržbu nebo opravu, lze vyměnit v místě výroby a přivézt do centrální prodejny; dokonce i jednotku o velikosti 250 kW lze přepravit v nákladním automobilu. Pro účely srovnání jsou v tabulce 1 uvedeny rozměry a hmotnost typických dieselových jednotek o výkonu 50 a 250 kW. Pro tyto typy zařízení jsou v tabulce 2 uvedeny odhadované pořizovací a instalované náklady na kW. Provoz je navíc jednoduchý, protože elektrárny jsou plně dispečersky řízeny z centrálního operačního střediska prostřednictvím libovolného obousměrného komunikačního spojení nebo mohou být monitorovány a řízeny lokálně. Nízké náklady na údržbu a generální opravy – méně než 0,005 USD na kWh, což zahrnuje generální opravu každých 30 000 hodin nebo zhruba každé tři až čtyři roky – jsou dalšími vlastnostmi mikroturbínové elektrárny.
Použití zařízení
Byly vypracovány dvě případové studie firemního výkonu s touto technologií. Případ 1 je založen na zátěži 250 kW se šesti generátory o výkonu 50 kW a případ 2 je založen na zátěži 750 kW se čtyřmi generátory o výkonu 250 kW. V obou případech jsou roční faktory zatížení 52 % a 100 %. Odhadované roční náklady a náklady na kWh jsou shrnuty v tabulce 3. Pevná energie za méně než 5 centů za kWh z více sestav poháněných zemním plynem je zjevně konkurenceschopná s většinou energie z generátorů v centrálních stanicích dodávané přes tradiční přenosová a distribuční zařízení. Náklady na energii v předchozích případech stoupají na něco málo přes 0,09 dolaru za kWh, přičemž cena nafty činí 0,85 dolaru za galon – což je v mnoha oblastech stále konkurenceschopné.
Účinnost malých plynových turbín dodávajících pouze pevnou energii se blíží 30 procentům. Tuto účinnost lze v rámci kogeneračního projektu zvýšit až na 75 procent využitím odpadního tepla pro ohřev vody, absorpční chlazení nebo chlazení, vytápění prostor a průmyslové zpracování. Jako aplikace kogenerace může být projekt ekonomicky proveditelný i s dražšími palivy, jako je nafta.
Malé generátory s plynovou turbínou umožňují energetickým společnostem ekonomicky zkrátit špičky a zároveň zajistit kapacitu pro mimořádné situace. To může zvýšit celkovou účinnost systému, což sníží investice do tradičních výrobních, přenosových a distribučních zařízení. Shaving také umožňuje energetickým společnostem obsluhovat přírůstek zatížení v oblastech, kde je nedostatek kapacity rozvoden a/nebo distribučních napáječů. Příklad v tabulce 4 uvádí odhad ročních nákladů na instalaci turbogenerátoru o výkonu 250 kW a zajištění paliva a údržby pro provoz jednotky denně po dobu tří hodin.
Tyto náklady lze porovnat s řízením poptávky (DSM). Zkušenosti s ročními náklady velké severovýchodní energetické společnosti na instalaci a provoz systému DSM pro řízení ohřívačů vody, klimatizace a vytápění prostor jsou shrnuty v tabulce 5 a porovnány s náklady na snižování špiček plynovou turbínou.3
Malé turbíny mohou zajistit snižování špiček za 30 až 50 % nákladů na DSM a eliminovat problémy spojené s řízením spotřebičů zákazníků. Malé generátory v blízkosti zátěžových center mohou navíc poskytovat i nouzové napájení. Energetické společnosti musí prozkoumat skutečný dopad úspory špiček pomocí distribuované výroby na provoz soustavy. Potenciální úspory jsou však jistě dostatečné, aby ospravedlnily hloubkovou studii.
Uvažování o zákaznících
Každá energetická společnost má poplatky za odběr pro své velké komerční a průmyslové zákazníky. Malé turbogenerátory mohou být těmito zákazníky nebo pro tyto zákazníky použity ke snížení poplatků za odběr. Tabulka 6 uvádí náklady pro zákazníka s 250 kW špičkového zatížení při dvou různých poplatcích za odběr. Malé elektrárny s plynovou turbínou jsou ideální volbou pro UPS a pohotovostní nouzové napájení, protože mají nízké počáteční náklady, minimální požadavky na údržbu a vysokou úroveň spolehlivosti. Tyto elektrárny lze instalovat jako samostatné generátory nebo je lze uspořádat do více sestav tak, aby poskytovaly úroveň výkonu požadovanou zátěží.
Při použití pro pohotovostní službu lze malou turbínovou elektrárnu připojit k distribučním obvodům pro obsluhu nouzových zátěží, jako jsou nemocniční operační sály, zařízení kritické péče, nouzové osvětlení, komunikace, chladničky, mrazničky, výtahy, bezpečnostní systémy a pokladny. Elektronické řízení elektrárny neustále monitoruje službu dodávanou hlavním zdrojem.
Pokud je služba přerušena, řízení způsobí odpojení sekundárních obvodů od hlavního zdroje a jejich připojení k elektrárně. Elektrocentrála je spuštěna prostřednictvím systémové baterie a elektrocentrála zajišťuje napájení sekundárních obvodů až do obnovení centrálního servisního napájení. z
Autor:
Walter G. Scott, P.E., získal bakalářský a magisterský titul v oboru elektrotechniky na Arizonské univerzitě. Je starším členem Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE); členem National Society of Professional Engineers; a registrovaným profesionálním inženýrem v Arizoně, Michiganu, Missouri a Ohiu. Tento příspěvek byl původně přednesen na konferenci IEEE Rural Electric Conference 1997, která se konala 20.-22. dubna v Minneapolisu ve státě Minn.
1 R. Rose, „Heavy-Duty Gas Turbine Upgrading and Commercialization:
2 S.C. Laux, Allison Gas Turbine Division & R.N. Ware, U.S. Army, „Application of a Vehicular Designed, Heavy-Duty Gas Turbine Engine to a Military Generator Set“, Paper 85-GT-125, Association of Mechanical Engineers Gas Turbine Expo, Houston, Texas, March 18-21,1985.
3 H. Lee Willis a Rackliffe, G.B., „Introduction to Integrated Resource T&D Planning“, vydala společnost ABB Power T&D Co, 1984.
Zajímal vás tento článek?
Ano: Zakroužkujte 308 Ne: Zakroužkujte 309
Plynové turbíny mikrorozměrů vytvářejí tržní příležitosti
Od Waltera G. Scott, International Power and Light
Elektrárny o velikosti 25 až 250 kW umožní energetickým společnostem, IPP a ESCO poskytovat ekonomickou energii pro různé aplikace
Malé turbíny s regenerativním cyklem byly původně vyvinuty společností Allison Engine Co. v 60. letech 20. století pro aplikace v pozemní dopravě. Dnes společnost spolupracuje se společnostmi International Power a General Electric na vývoji plynových turbín o výkonu 50 a 250 kW pro výrobu elektrické energie. Na snímku jsou Don Frazier (vlevo), zástupce projektového manažera společnosti Allison, a Duyane Parsons (vpravo), dílenský mistr, s derivátem plynového turbínového motoru třídy 40 kW pro automobilový průmysl.
