Små, billige, højeffektive gasturbiner giver forsyningsindustrien en fjerdegenerationsteknologi med mange fordele og anvendelsesmuligheder. Disse omfatter fast strømforsyning til isolerede samfund, kommercielle centre og industrier; peak shaving for forsyningssystemer for at reducere de inkrementelle omkostninger ved yderligere belastninger; peak shaving for store kommercielle og industrielle virksomheder for at reducere efterspørgselsafgifterne samt standby, nødstrøm og uafbrydelig strømforsyning (UPS).
Turbine track record
Det er vigtigt at erkende, at små gasturbinegeneratorer ikke er en ny teknologi, men at de udvikles til elforsyningsindustrien på grundlag af teknologi, der understøttes af mere end 25 års erfaring i marken. De generatorer, der omtales i denne artikel, er ved at blive udviklet af International Power and Light i samarbejde med Allison Engine Co. (en afdeling af Rolls Royce plc) og General Electric Co. Allison vil udvikle turbinegeneratorerne, og General Electric vil designe styringen og inverteren og vil være ansvarlig for konstruktion, installation og vedligeholdelse af enheden på stedet.
Små gasturbine-motorer blev oprindeligt udviklet af Allison i 1960’erne til landtransport. Den første større feltforsøg blev indledt i 1971 med installation af Allison GT404-turbinemotorer i seks Greyhound-busser. Turbinemotorer med 310 hk blev beskrevet som totrinsmotorer med et dobbelt regeneratorsystem, der genanvendte varmen fra gasvejen til at forvarme den indkommende luft og samtidig afkøle udstødningen til højst 500 til 600 F. Kraftmaskinen krævede intet vandkølesystem, havde halvdelen af de bevægelige dele af en dieselmotor og havde en levetid på mere end 500.000 miles mellem eftersynene.
I 1978 havde disse seks testbusser tilbagelagt mere end 1 million miles, og turbinemotoren blev af Greyhound-ledelsen betragtet som et teknisk gennembrud for intercitybustransport.1
I 1976 påbegyndte Allison udviklingen af en generator drevet af GT 404-turbinen til at levere strøm til radarsættet og engagementskontrolstationen i U.S. Army Patriot Missile System. De vigtigste mål for dette program omfattede placering af to 150 kW generatorsæt, der leverede 100 % backup, i en enkelt container, der skulle transporteres på en 5-tons lastbil fra hæren. Andre mål omfattede minimering af brændstofforbruget ved brug af dobbelte, roterende regeneratorer med keramiske skiver og udvikling af en pålidelig, multifuel kapacitet uden justering. I 1978 påbegyndte Allison design, udvikling og konstruktion af fem turbinedrevne generatorsæt efter militære specifikationer med henblik på afprøvning i marken. De færdige generatorsæt blev afprøvet på Aberdeen-, Belvoir-, Elgin- og White Sands-anlæggene med følgende resultater:
z Brændstofforbruget blev reduceret fra 48 til 16 gallon pr. time sammenlignet med tidligere generatorer.
z Der blev opnået en frekvensstabilitet på 0,1 % ved nominel belastning.
z Fri akselstart til minus 50 F blev opnået uden varmelegeme.
z Multifuelkapacitet blev demonstreret på diesel, JP og benzin.
z Alle pålidelighedskrav blev opfyldt.
z Lydniveaustandarder på mindre end 90 dBA blev opfyldt.
>I december 1981 leverede Allison en første ordre på 200 generatorsæt til den amerikanske hær. Der er til dato blevet leveret mere end 2.000 sådanne generatorsæt til Patriot-systemet, som blev anvendt under Golfkrigen. Disse generatorer har logget mere end 1 million driftstimer uden større problemer.2
Mikroturbinens egenskaber
Turbinen har en enkelt roterende aksel med generator, luftkompressor og turbine monteret på luftlejer, så der er ikke behov for smøring. Kraftværket er luftkølet, hvor luft føres ind gennem et indtag for at køle generatoren. Luften komprimeres derefter, inden den ledes gennem regeneratoren ind i forbrændingskammeret. Regeneratoren er en keramisk skive, som roterer langsomt foran udstødningen og indløbet til forbrændingskammeret. Skiven opvarmes af den varme udstødningsgas, hvilket øger temperaturen på den komprimerede indgangsluft og dermed forbedrer brændstofeffektiviteten yderligere. Akselhastigheden er ca. 80.000 omdrejninger pr. minut, og generatoren leverer højfrekvent vekselstrøm. Den installerede effektelektronik konverterer vekselstrøm til jævnstrøm, og en jævnstrømsinverter leverer enten 480 V, trefaset, 60 Hz eller 230/400 V, trefaset, 50 Hz.
Den lille størrelse og vægt af de gasturbinegeneratorer, der er vist i tabel 1, gør det muligt for en forsyningsvirksomhed at installere sådanne enheder på næsten ethvert sted. Enheder, der har brug for vedligeholdelse eller reparation, kan udskiftes på produktionsstedet og bringes til et centralt værksted; selv en enhed på 250 kW kan transporteres i en pickup truck. Til sammenligning er dimensioner og vægte for typiske 50- og 250 kW-dieselenheder anført i tabel 1. For disse typer anlæg er der i tabel 2 angivet anslåede anskaffelses- og installationsomkostninger pr. kW. Desuden er driften enkel, da anlæggene er fuldt disponerbare fra et centralt driftscenter via en hvilken som helst tovejskommunikationsforbindelse, eller de kan overvåges og styres lokalt. Lave vedligeholdelses- og eftersynsudgifter – mindre end 0,005 USD pr. kWh, hvilket omfatter et større eftersyn hver 30.000 timer eller ca. hvert tredje til fjerde år – er andre egenskaber ved mikroturbinekraftværker.
Anvendelse af udstyr
Der er udarbejdet to casestudier om fast effekt med denne teknologi. Case 1 er baseret på en belastning på 250 kW med seks generatorer på 50 kW, og Case 2 er baseret på en belastning på 750 kW med fire generatorer på 250 kW. I hvert tilfælde er de årlige belastningsfaktorer 52 og 100 %. De anslåede årlige omkostninger og omkostningerne pr. kWh er opsummeret i tabel 3. Fast strøm til under 5 cent pr. kWh fra flere aggregater drevet af naturgas er naturligvis konkurrencedygtig med den meste strøm fra centrale generatorer leveret via traditionelle transmissions- og distributionsfaciliteter. Strømomkostningerne for de foregående tilfælde stiger til lidt over 0,09 $ pr. kWh med dieselolie til 0,85 $ pr. gallon – hvilket stadig er konkurrencedygtigt i mange områder.
Effektiviteten af små gasturbiner, der kun leverer fast strøm, nærmer sig 30 %. Denne effektivitet kan øges til 75 % som et kraftvarmeprojekt ved at bruge udstødningsvarmen til opvarmning af vand, absorptionskøling eller -køling, rumopvarmning og industriel forarbejdning. Som kraftvarmeapplikation kan projektet være økonomisk gennemførligt, selv med dyrere brændstoffer som f.eks. diesel.
Små gasturbinegeneratorer gør det muligt for forsyningsselskaberne at afbøde spidsbelastningsspidserne økonomisk og samtidig stille kapacitet til rådighed i nødsituationer. Dette kan øge den samlede systemeffektivitet, hvilket vil reducere investeringerne i traditionelle produktions-, massetransmissions- og distributionsanlæg. Ved hjælp af disse kraftvarmeværker kan et forsyningsselskab også betjene den stigende vækst i belastningen i områder, hvor der er mangel på kapacitet på understationer og/eller distributionsledninger. Eksemplet i tabel 4 giver et skøn over de årlige omkostninger ved at installere en 250 kW turbinegenerator og sørge for brændstof og vedligeholdelse til at drive enheden dagligt i tre timer.
Disse omkostninger kan sammenlignes med efterspørgselsstyring (DSM). De årlige omkostningserfaringer for et større forsyningsselskab i nordøst for at installere og drive et DSM-system til styring af vandvarmere, aircondition og rumopvarmning er opsummeret i tabel 5 og sammenlignet med omkostningerne til peak shaving af en gasturbine.3
Små turbiner kan give peak shaving for 30 til 50 procent af omkostningerne ved DSM og fjerne problemerne i forbindelse med styring af kundernes apparater. Desuden kan små generatorer i nærheden af belastningscentre også levere nødstrøm. Forsyningsvirksomhederne er nødt til at undersøge den reelle indvirkning på driften af systemet, hvis spidsbelastningsspidserne reduceres med distribueret produktion. De potentielle besparelser er dog helt sikkert tilstrækkelige til at retfærdiggøre en grundig undersøgelse.
Kundeovervejelser
Alle forsyningsselskaber har efterspørgselsafgifter for deres store erhvervs- og industrikunder. Små turbinegeneratorer kan anvendes af eller til disse kunder for at reducere efterspørgselsafgifterne. Tabel 6 viser omkostningerne for en kunde med en spidsbelastning på 250 kW ved to forskellige efterspørgselsafgifter. Små gasturbinekraftværker er ideelle valg til UPS- og nødstrømsanlæg på grund af deres lave startomkostninger, minimale vedligeholdelseskrav og høje pålidelighedsniveau. Kraftværkerne kan installeres som individuelle generatorer eller kan opstilles i flere aggregater for at levere den effekt, som belastningerne kræver.
Når de anvendes som standby-anlæg, kan et lille turbineanlæg tilsluttes distributionskredsløb for at betjene nødbelastninger som f.eks. operationsstuer på hospitaler, faciliteter til kritisk pleje, nødbelysning, kommunikationsudstyr, køleskabe, frysere, elevatorer, sikkerhedssystemer og kasseapparater. Den elektroniske styring af kraftværket overvåger konstant den service, der leveres af hovedstrømkilden.
Hvis servicen afbrydes, bevirker styringen, at de sekundære kredsløb frakobles fra hovedstrømkilden og tilsluttes kraftværket. Kraftværket startes via systembatteriet, og kraftværket leverer strøm til de sekundære kredsløb, indtil den centrale strømforsyning er genoprettet. z
Author:
Walter G. Scott, P.E., fik sin bachelor of science og master of science i elektroteknik fra University of Arizona. Han er seniormedlem af Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE), medlem af National Society of Professional Engineers og registreret som professionel ingeniør i Arizona, Michigan, Missouri og Ohio. Denne artikel blev oprindeligt præsenteret på IEEE Rural Electric Conference 1997, den 20.-22. april i Minneapolis, Minn.
1 R. Rose, “Heavy-Duty Gas Turbine Upgrading and Commercialization: Gas Turbine Transit Bus Demonstration Program”, Symposium on Automotive Propulsion Systems, Dearborn, Mich., oktober 1980.
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, 18.-21. marts 1985.
3 H. Lee Willis og Rackliffe, G.B., “Introduction to Integrated Resource T&D Planning,” udgivet af ABB Power T&D Co, 1984.
Fandt du denne artikel interessant?
Ja: Cirkel 308 Nej: Cirkel 309
Mikrostore gasturbiner skaber markedsmuligheder
Af Walter G. Scott, International Power and Light
Kraftværker i størrelsesordenen 25 til 250 kW vil gøre det muligt for forsyningsselskaber, IPP’er og ESCO’er at levere økonomisk strøm til en række forskellige applikationer
Små turbinemotorer med regenerativ cyklus blev oprindeligt udviklet af Allison Engine Co. i 1960’erne til applikationer inden for landtransport. I dag samarbejder virksomheden med International Power og General Electric om at udvikle gasturbiner på 50 og 250 kW til elproduktion. På billedet ses Don Frazier (til venstre), Allisons stedfortrædende projektleder, og Duyane Parsons (til højre), værkfører, med en 40 kW-klasse af en gasturbinemotor til bilindustrien.
