Pienet, edulliset ja erittäin tehokkaat kaasuturbiinit tarjoavat yleishyödylliselle teollisuudelle neljännen sukupolven tekniikan, jolla on lukuisia etuja ja mahdollisia sovelluksia. Niitä ovat muun muassa kiinteä sähkönjakelu eristyksissä oleville yhteisöille, kaupallisille keskuksille ja teollisuudelle, huippujen säästäminen yleishyödyllisissä järjestelmissä lisäkuormitusten aiheuttamien lisäkustannusten vähentämiseksi, huippujen säästäminen suurissa kaupallisissa ja teollisissa laitoksissa kysyntämaksujen alentamiseksi sekä varavoima, varavoima ja keskeytymätön virransyöttö (UPS).
Turbiinien menestys
On tärkeää tunnustaa, etteivät pienten kaasuturbiinigeneraattoreiden käyttö ei ole mikään uusi tekniikka, vaan niitä kehitetään sähkövoimateollisuutta varten tekniikan avulla, joka on perustunut yli 25 vuotta kestäneeseen kokemukseen kentältä. Tässä artikkelissa käsiteltyjä generaattoreita kehittää International Power and Light yhdessä Allison Engine Co:n kanssa. (joka on Rolls Royce plc:n osasto) ja General Electric Co. Allison kehittää turbiinigeneraattorit, ja General Electric suunnittelee ohjauksen ja invertterin ja vastaa yksikön suunnittelusta, asennuksesta ja kenttähuollosta.
Allison kehitti alun perin 1960-luvulla pienet kaasuturbiinimoottorit maaliikennettä varten. Ensimmäinen suuri kenttäkokeilu alkoi vuonna 1971, kun Allisonin GT404-turbiinimoottorit asennettiin kuuteen Greyhoundin linja-autoon. Nämä 310 hevosvoiman turbiinimoottorit kuvattiin kaksivaiheisiksi moottoreiksi, joissa oli kaksoisregeneraattorijärjestelmä, joka kierrätti lämpöä kaasupolusta tulevan ilman esilämmitykseen ja jäähdytti pakokaasun enintään 500-600 F:n lämpötilaan. Voimayksikkö ei tarvinnut vesijäähdytysjärjestelmää, siinä oli puolet vähemmän liikkuvia osia kuin dieselmoottorissa ja sen käyttöikä oli yli 500 000 mailia peruskorjausten välillä.
Vuoteen 1978 mennessä näillä kuudella koeajossa olleella bussilla oli ajettu yli miljoona mailia, ja Greyhoundin johto piti turbiinimoottoria teknisenä läpimurtona kaukoliikenteen linja-autoliikenteessä.1
Vuonna 1976 Allison aloitti GT 404 -turbiinimoottorilla toimivan generaattorin kehitystyön Yhdysvaltain armeijan Patriot-ohjusjärjestelmän tutkalaitteen ja kytkentävalvonta-aseman virransyöttöä varten. Tämän ohjelman tärkeimpiin tavoitteisiin kuului kahden 150 kW:n generaattorikokonaisuuden sijoittaminen, jotka tarjosivat 100-prosenttisen varavoiman yhteen konttiin, joka oli kuljetettava armeijan 5 tonnin kuorma-autossa. Muihin tavoitteisiin kuului polttoaineen kulutuksen minimoiminen käyttämällä pyöriviä keraamisia levyregeneraattoreita ja kehittämällä luotettava monipolttoainekäyttöinen generaattori, jota ei tarvitse säätää. Vuonna 1978 Allison aloitti viiden sotilaskäyttöön tarkoitetun turbiinikäyttöisen generaattoriyhdistelmän suunnittelun, kehittämisen ja rakentamisen kenttätestausta varten. Valmiit generaattorikokonaisuudet testattiin Aberdeenin, Belvoirin, Elginin ja White Sandsin laitoksissa, ja niistä saatiin seuraavat tulokset:
z Polttoaineen kulutus väheni 48 gallonasta 16 gallonaan tunnissa verrattuna aiempiin generaattoreihin.
z Taajuusvakautus nimelliskuormituksella oli 0,1 prosenttia.
z Vapaa-akselikäynnistys miinus 50 F:n lämpötilaan onnistui ilman lämmittimiä.
z Monipolttoaineominaisuudet demonstroitiin dieselillä, JP:llä ja bensiinillä.
z Kaikki luotettavuusvaatimukset täyttyivät.
z Äänitasostandardit, jotka olivat alle 90 dBA:n, täyttyivät.
Joulukuussa 1981 Allison toimitti 200 generaattorikokonaisuudesta koostuvan alkutoimitustilauksen USA:n maavoimille. Tähän mennessä on toimitettu yli 2 000 tällaista generaattoria Patriot-järjestelmään, jota käytettiin Persianlahden sodan aikana. Nämä generaattorit ovat käyttäneet yli miljoona käyttötuntia ilman suurempia ongelmia.2
Micro-Turbiinin ominaisuudet
Turbiinissa on yksi pyörivä akseli, jossa generaattori, ilmakompressori ja turbiini on asennettu ilmalaakereihin, joten voitelua ei tarvita. Voimalaitos on ilmajäähdytteinen, ja ilma tuodaan sisääntulon kautta jäähdyttämään generaattoria. Tämän jälkeen ilma paineistetaan, ennen kuin se johdetaan regeneraattorin läpi polttokammioon. Regenerointilaite on keraaminen levy, joka pyörii hitaasti pakokaasun ja polttokammion tuloaukon edessä. Kuuma pakokaasu lämmittää levyä, mikä nostaa paineistetun tuloilman lämpötilaa, mikä parantaa polttoainetehokkuutta entisestään. Akselin pyörimisnopeus on noin 80 000 kierrosta minuutissa, ja generaattori tuottaa korkeataajuista vaihtovirtaa. Asennettu tehoelektroniikka muuntaa vaihtovirran tasajännitteeksi, ja tasajännitevaihtosuuntaaja tuottaa joko 480 V:n kolmivaiheista 60 Hz:n jännitettä tai 230/400 V:n kolmivaiheista 50 Hz:n jännitettä.
Taulukossa 1 esitettyjen kaasuturbiinigeneraattoreiden pienen koon ja pienen painon ansiosta energialaitokset pystyvät asentamaan tällaiset aggregaatit melkein mihin tahansa paikkaan. Huoltoa tai korjausta tarvitsevat yksiköt voidaan vaihtaa tuotantopaikalla ja tuoda keskitettyyn korjaamoon; jopa 250 kW:n kokoinen yksikkö voidaan kuljettaa lava-autolla. Vertailun vuoksi taulukossa 1 on esitetty tyypillisten 50 ja 250 kW:n dieselyksiköiden mitat ja painot. Taulukossa 2 esitetään näiden laitostyyppien osalta arvioidut hankinta- ja asennuskustannukset kilowattia kohti. Lisäksi käyttö on yksinkertaista, koska laitokset ovat täysin ohjattavissa keskitetystä käyttökeskuksesta minkä tahansa kaksisuuntaisen tietoliikenneyhteyden kautta tai niitä voidaan valvoa ja ohjata paikallisesti. Alhaiset huolto- ja kunnossapitokustannukset – alle 0,005 dollaria kilowattituntia kohti, mikä sisältää 30 000 käyttötunnin välein tai suunnilleen joka kolmas tai neljäs vuosi tehtävän peruskorjauksen – ovat muita mikroturbiinivoimalaitosten ominaisuuksia.
Laitesovellukset
Kaksi kiinteän tehon tapaustutkimusta, joissa käytetään tätä tekniikkaa, on laadittu. Tapaus 1 perustuu 250 kW:n kuormitukseen ja kuuteen 50 kW:n generaattoriin, ja tapaus 2 perustuu 750 kW:n kuormitukseen ja neljään 250 kW:n generaattoriin. Kummassakin tapauksessa vuotuiset kuormitusasteet ovat 52 ja 100 prosenttia. Taulukossa 3 esitetään yhteenveto arvioiduista vuotuisista kustannuksista ja kWh-kustannuksista. Maakaasulla toimivista useista aggregaateista tuotettu kiinteä sähkö, jonka hinta on alle 5 senttiä kilowattitunnilta, on luonnollisesti kilpailukykyinen verrattuna suurimpaan osaan keskusgeneraattoreiden tuottamasta sähköstä, joka toimitetaan perinteisten siirto- ja jakeluverkkojen kautta. Edellisissä tapauksissa sähkön hinta nousee hieman yli 0,09 dollariin kilowattitunnilta, kun dieselpolttoaineen hinta on 0,85 dollaria gallonalta, mikä on edelleen kilpailukykyistä monilla alueilla.
Pienten kaasuturbiinien hyötysuhde, jotka toimittavat vain kiinteää sähköä, lähestyy 30 prosenttia. Tämä hyötysuhde voidaan nostaa 75 prosenttiin yhteistuotantohankkeessa käyttämällä pakokaasun lämpöä veden lämmitykseen, absorptiojäähdytykseen tai -jäähdytykseen, tilojen lämmitykseen ja teolliseen jalostukseen. Yhteistuotantosovelluksena hanke voi olla taloudellisesti toteuttamiskelpoinen myös kalliimmilla polttoaineilla, kuten dieselillä.
Pienten kaasuturbiinigeneraattoreiden avulla energialaitokset voivat vähentää huipputehoa taloudellisesti ja tarjota samalla kapasiteettia hätätilanteita varten. Tämä voi lisätä järjestelmän kokonaistehokkuutta, mikä vähentää investointeja perinteiseen sähköntuotantoon sekä siirto- ja jakelulaitteisiin. Säästötoiminnot mahdollistavat myös sen, että laitos voi palvella kuorman kasvua alueilla, joilla on pulaa sähköasemien ja/tai jakeluverkkojen kapasiteetista. Taulukon 4 esimerkissä on arvio vuotuisista kustannuksista, jotka aiheutuvat 250 kW:n turbiinigeneraattorin asentamisesta ja polttoaineen hankkimisesta ja huollosta, jotta yksikkö toimisi päivittäin kolmen tunnin ajan.
Kustannuksia voidaan verrata kysynnänhallintaan (DSM). Taulukossa 5 esitetään yhteenveto erään suuren koillis-Englannin yleishyödyllisen laitoksen kokemuksista vuotuisista kustannuksista, jotka aiheutuvat DSM-järjestelmän asentamisesta ja käyttämisestä vedenlämmittimien, ilmastointilaitteiden ja tilojen lämmityksen ohjaamiseksi, ja niitä verrataan kaasuturbiinista aiheutuviin kustannuksiin, jotka aiheutuvat kulutushuippujen vähentämisestä.3
Pienten turbiinien avulla kulutushuippujen vähentäminen voidaan toteuttaa hintaan, joka on 30-50 prosenttia kustannuksista, jotka aiheutuvat DSM-järjestelmän kustannuksista, ja niiden avulla voidaan poistaa ongelmat, jotka liittyvät asiakaslaitteiden ohjaamiseen. Lisäksi pienet generaattorit lähellä kuormituskeskuksia voivat tarjota myös varavoimaa. Yleishyödyllisten laitosten on tutkittava, millaisia todellisia vaikutuksia hajautetulla sähköntuotannolla tapahtuvalla huippusähkön säästämisellä on järjestelmän toimintaan. Mahdolliset säästöt ovat kuitenkin varmasti riittävät perusteelliseen tutkimukseen.
Asiakasnäkökohdat
Jokainen yleishyödyllinen laitos perii kysyntämaksuja suurimmilta kaupallisilta ja teollisuusasiakkailtaan. Nämä asiakkaat voivat käyttää pienturbiinigeneraattoreita kysyntämaksujen alentamiseksi. Taulukossa 6 esitetään kustannukset asiakkaalle, jonka huippukuormitus on 250 kW, kahdella eri kysyntämaksulla. Pienet kaasuturbiinivoimalaitokset ovat ihanteellinen valinta UPS- ja varavoimakäyttöön, koska niiden alkukustannukset ovat alhaiset, huoltovaatimukset ovat vähäiset ja luotettavuus on korkea. Voimalaitokset voidaan asentaa yksittäisiksi generaattoreiksi tai ne voidaan järjestää useisiin kokoonpanoihin kuormien vaatiman tehon tuottamiseksi.
Varavoimakäytössä pieni turbiinivoimala voidaan liittää jakelupiireihin palvelemaan hätäkuormia, kuten sairaaloiden leikkaussaleja, tehohoitolaitoksia, hätävalaistusta, tietoliikenneverkkoja, jääkaappeja, pakastimia, hissejä, turvajärjestelmiä ja kassakoneita. Voimalaitoksen elektroninen ohjaus valvoo jatkuvasti päävirtalähteen syöttämää palvelua.
Jos palvelu keskeytyy, ohjaus aiheuttaa sen, että toissijaiset piirit irrotetaan päävirtalähteestä ja liitetään voimalaitokseen. Voimalaitos käynnistyy järjestelmän akun kautta, ja voimalaitos antaa virtaa toissijaisille piireille, kunnes keskushuoltovirta palautuu. z
Tekijä:
Walter G. Scott, P.E., suoritti sähkötekniikan kandidaatin ja maisterin tutkinnot Arizonan yliopistossa. Hän on Institute of Electrical and Electronics Engineersin (IEEE) vanhempi jäsen, National Society of Professional Engineersin jäsen ja rekisteröity ammatti-insinööri Arizonassa, Michiganissa, Missourissa ja Ohiossa. Tämä artikkeli esiteltiin alun perin vuoden 1997 IEEE Rural Electric -konferenssissa 20.-22. huhtikuuta Minneapolisissa, Minnesotassa.
1 R. Rose, ”Heavy-Duty Gas Turbine Upgrading and Commercialization: Gas Turbine Transit Bus Demonstration Program,” Symposium on Automotive Propulsion Systems, Dearborn, Mich., lokakuu 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,” Paperi 85-GT-125, Assosio of Mechanical Engineers Gas Turbine Expo, Houstonssa, Teksasissa 18.-21. 3. 5. 5. 6. 6. 6. 6. 6. 6. 6. 6. 6. 6. 6. 7. 7. 7. 2. 7. Lee Willis ja Rackliffe, G.B., ”Introduction to Integrated Resource T&D Planning”, julkaisija ABB Power T&D Co, 1984.
Oliko tämä artikkeli mielestäsi mielenkiintoinen?
Kyllä: Ympyrä 308 Ei: Ympyrä 309
Micro-size kaasuturbiinit luovat markkinamahdollisuuksia
By Walter G. Scott, International Power and Light
Voimalaitokset 25-250 kW:n kokoluokassa mahdollistavat yleishyödyllisten laitosten, integroitujen energiantuotantolaitosten ja energiapalveluiden tuottajien (ESCO) taloudellisen sähköntuotannon erilaisiin sovelluksiin
Pienten regeneratiivisen syklin turbiinimoottoreiden kehitti alunperin 1960luvulla maaliikenteen sovelluksia varten Allison Engine Co. Nykyään yhtiö kehittää yhdessä International Powerin ja General Electricin kanssa 50 ja 250 kW:n kaasuturbiineja sähköntuotantoon. Kuvassa Allisonin apulaisprojektipäällikkö Don Frazier (vasemmalla) ja työpäällikkö Duyane Parsons (oikealla) 40 kW:n luokan kaasuturbiinimoottorin autojohdannaisen kanssa.
