A kis méretű, alacsony költségű, nagy hatásfokú gázturbinák a közműipar számára egy negyedik generációs technológiát biztosítanak, amely számos előnnyel és alkalmazási lehetőséggel rendelkezik. Ezek közé tartozik az elszigetelt települések, kereskedelmi központok és iparágak biztos energiaellátása; a közüzemi rendszerek csúcsidő-csökkentése a további terhelések járulékos költségeinek csökkentése érdekében; a nagy kereskedelmi és ipari létesítmények csúcsidő-csökkentése a keresleti díjak csökkentése érdekében, valamint a készenléti, vészhelyzeti és szünetmentes áramellátás (UPS).
Turbinák eredményei
A kis gázturbinás generátorok nem új technológia, hanem olyan technológia alapján fejlesztik ki őket az elektromos közműipar számára, amelyet több mint 25 éves gyakorlati tapasztalat támaszt alá. Az ebben a cikkben tárgyalt generátorokat az International Power and Light az Allison Engine Co. (a Rolls Royce plc egyik részlege) és a General Electric Co. Az Allison fejleszti a turbógenerátorokat, a General Electric pedig a vezérlést és az invertert tervezi, és felelős az egység helyszíni tervezéséért, telepítéséért és helyszíni karbantartásáért.
A kis gázturbinás motorokat eredetileg az Allison fejlesztette ki az 1960-as években a földi közlekedés számára. Az első nagyobb terepkísérlet 1971-ben kezdődött az Allison GT404-es turbinamotorok hat Greyhound-buszba történő beépítésével. A 310 lóerős turbinamotorokat kétlépcsős típusként írták le, két regenerátoros rendszerrel, amely a gáz útjából visszanyerte a hőt a bejövő levegő előmelegítésére, miközben a kipufogógázt legfeljebb 500-600 F-ra hűtötte. Az erőforrás nem igényelt vízhűtő rendszert, feleannyi mozgó alkatrészből állt, mint egy dízelmotor, és a nagyjavítások között több mint 500 000 mérföldes élettartamot biztosított.
1978-ra ez a hat tesztbusz több mint 1 millió mérföldet tett meg, és a Greyhound vezetősége a turbinamotort a távolsági buszközlekedés technikai áttörésének tekintette.1
1976-ban az Allison megkezdte a GT 404 turbinával hajtott generátor fejlesztését, amely az amerikai hadsereg Patriot rakétarendszerének radarkészülékét és bevetésvezérlő állomását látta el energiával. A program fő célkitűzései közé tartozott két 150 kW-os generátoregység elhelyezése, amelyek 100 százalékos tartalékot biztosítottak egyetlen konténerben, amelyet a hadsereg 5 tonnás teherautóján lehetett szállítani. További célok közé tartozott az üzemanyag-fogyasztás minimalizálása iker, forgó kerámiatárcsás regenerátorok alkalmazásával, valamint a megbízható, több üzemanyaggal működő, beállítás nélküli képesség kifejlesztése. 1978-ban az Allison megkezdte öt katonai specifikációjú, turbinával működő generátorkészlet tervezését, fejlesztését és építését terepi tesztelésre. Az elkészült generátor-készleteket az Aberdeen, Belvoir, Elgin és White Sands létesítményekben tesztelték a következő eredményekkel:
z Az üzemanyag-fogyasztás a korábbi generátorokhoz képest 48 gallonról 16 gallonra csökkent óránként.
z 0,1 százalékos frekvenciastabilitást értek el névleges terhelés mellett.
z A mínusz 50 F-os hőmérsékleten történő szabadindítást fűtőberendezés nélkül sikerült megvalósítani.
z A többféle üzemanyaggal való üzemeltethetőséget dízel, JP és benzin üzemanyaggal bizonyították.
z Minden megbízhatósági követelményt teljesítettek.
z A 90 dBA alatti zajszint szabványokat teljesítették.
1981 decemberében az Allison leszállított egy 200 darabos első generátorrendelést az amerikai hadseregnek. Eddig több mint 2000 ilyen generátorkészletet szállítottak le a Patriot rendszerhez, amelyet az Öböl-háborúban alkalmaztak. Ezek a generátorok több mint 1 millió üzemórát töltöttek el nagyobb problémák nélkül.2
Mikro-turbina jellemzői
A turbina egyetlen forgó tengellyel rendelkezik, a generátor, a légkompresszor és a turbina légcsapágyakon van felszerelve, így nincs szükség kenésre. Az erőmű léghűtéses, a generátor hűtésére egy bemeneti nyíláson keresztül levegőt vezetnek be. A levegőt ezután sűrítik, mielőtt a regenerátoron keresztül az égéstérbe vezetnék. A regenerátor egy kerámia tárcsa, amely lassan forog a kipufogó és az égéstér beömlőnyílása előtt. A lemezt a forró kipufogógáz melegíti, ami növeli a sűrített belépő levegő hőmérsékletét, tovább javítva ezzel az üzemanyag-hatékonyságot. A tengely fordulatszáma körülbelül 80 000 fordulat/perc, a generátor nagyfrekvenciás váltakozó áramot biztosít. A beépített teljesítményelektronika a váltakozó áramot egyenárammá alakítja, és egy egyenáramú inverter 480 V-os, háromfázisú, 60 Hz-es vagy 230/400 V-os, háromfázisú, 50 Hz-es feszültséget biztosít.
Az 1. táblázatban bemutatott gázturbinás generátorok kis mérete és súlya lehetővé teszi, hogy a közművek szinte bármilyen helyre telepítsenek ilyen egységeket. A karbantartásra vagy javításra szoruló egységeket a termelés helyszínén ki lehet cserélni és be lehet vinni egy központi műhelybe; még a 250 kW-os méretű egység is szállítható egy kisteherautóval. Az összehasonlítás kedvéért az 1. táblázat tartalmazza a tipikus 50 és 250 kW-os dízelegységek méreteit és súlyát. Az ilyen típusú erőművek esetében a 2. táblázat a becsült beszerzési és telepítési költségeket tartalmazza kW-onként. Ezenkívül az üzemeltetés egyszerű, mivel az erőművek egy központi üzemeltetési központból bármely kétirányú kommunikációs kapcsolaton keresztül teljes mértékben irányíthatók, vagy helyben felügyelhetők és vezérelhetők. Az alacsony karbantartási és nagyjavítási költségek – kevesebb, mint 0,005 $/kWh, ami magában foglalja a 30 000 óránként vagy nagyjából három-négyévente elvégzett nagyjavítást – további jellemzői a mikroturbinás erőműveknek.
A berendezések alkalmazásai
Két, ezt a technológiát alkalmazó vállalati energiatermelési esettanulmányt dolgoztak ki. Az 1. eset egy 250 kW-os terhelésen alapul hat 50 kW-os generátorral, a 2. eset pedig egy 750 kW-os terhelésen alapul négy 250 kW-os generátorral. Mindkét esetben az éves terhelési tényező 52 és 100 százalék. A becsült éves költségeket és a kWh-kénti költségeket a 3. táblázat foglalja össze. A több földgázüzemű aggregátumokból származó, kevesebb mint 5 cent/kWh áron kínált állandó áram nyilvánvalóan versenyképes a hagyományos átviteli és elosztó létesítményeken keresztül szállított, központi erőművi generátorokból származó legtöbb energiával szemben. Az előző esetekben a villamosenergia-költség valamivel több mint 0,09 dollár/kWh-ra emelkedik, a gázolaj ára 0,85 dollár/gallon – ami sok területen még mindig versenyképes.
A kizárólag szilárd energiát szolgáltató kis gázturbinák hatásfoka megközelíti a 30 százalékot. Ez a hatásfok kapcsolt energiatermelési projektként 75 százalékra növelhető a kipufogógáz hőjének vízmelegítésre, abszorpciós hűtésre vagy hűtésre, helyiségek fűtésére és ipari feldolgozásra történő felhasználásával. A projekt kapcsolt energiatermelési alkalmazásként gazdaságosan megvalósítható, még drágább tüzelőanyagokkal, például gázolajjal is.
A kis gázturbinás generátorok lehetővé teszik a közművek számára, hogy gazdaságosan csökkentsék a csúcsidőszakokat, és ugyanakkor kapacitást biztosítsanak vészhelyzetekre. Ez növelheti a rendszer teljes hatékonyságát, ami csökkenti a hagyományos termelésbe, a tömeges átviteli és elosztó létesítményekbe történő beruházásokat. Az energiatakarékosság azt is lehetővé teszi, hogy a közművek kiszolgálják a növekvő terhelést azokon a területeken, ahol az alállomások és/vagy elosztóvezetékek kapacitáshiányban szenvednek. A 4. táblázatban szereplő példa egy 250 kW-os turbógenerátor telepítésének, valamint az egység napi háromórás működtetéséhez szükséges üzemanyag és karbantartás éves költségének becslését tartalmazza.
Ez a költség összehasonlítható a keresletoldali menedzsmenttel (DSM). Egy nagy északkeleti közműszolgáltatónak a vízmelegítők, légkondicionálók és helyiségek fűtésének szabályozására szolgáló DSM-rendszer telepítésének és működtetésének éves költségtapasztalatait az 5. táblázat foglalja össze, és hasonlítja össze a gázturbina csúcsidő-csökkentési költségeivel.3
A kis turbinák a DSM költségeinek 30-50 százalékáért képesek csúcsidő-csökkentést biztosítani, és kiküszöbölik a fogyasztói készülékek szabályozásával kapcsolatos problémákat. Ezen túlmenően a kis generátorok a terhelési központok közelében vészhelyzeti áramellátást is biztosíthatnak. A közműveknek meg kell vizsgálniuk, hogy az elosztott termeléssel történő csúcsidő-csökkentésnek milyen valós hatása van a rendszer működésére. A potenciális megtakarítás azonban minden bizonnyal elegendő ahhoz, hogy indokolja az alapos vizsgálatot.
Vevői megfontolások
Minden közműszolgáltatónak vannak keresleti díjai a nagyobb kereskedelmi és ipari ügyfelei számára. A kisturbinás generátorokat ezek az ügyfelek alkalmazhatják, vagy ezek számára alkalmazhatják, hogy csökkentsék a keresleti díjakat. A 6. táblázat egy 250 kW csúcsterhelésű fogyasztó költségeit mutatja be két különböző igénybevételi díj mellett. A kis gázturbinás erőművek alacsony kezdeti költségük, minimális karbantartási követelményeik és nagyfokú megbízhatóságuk miatt ideális választás UPS és készenléti vészhelyzeti áramellátás céljára. Az erőművek önálló generátorként telepíthetők, vagy több egységben is elhelyezhetők, hogy a terhelések által igényelt teljesítményszintet biztosítsák.
Készenléti üzemben a kisturbinás erőművet az elosztó áramkörökhöz lehet csatlakoztatni a vészhelyzeti terhelések, például kórházi műtők, intenzív ellátást nyújtó létesítmények, vészvilágítás, kommunikáció, hűtőszekrények, fagyasztók, liftek, biztonsági rendszerek és pénztárgépek kiszolgálására. Az erőmű elektronikus vezérlése folyamatosan ellenőrzi a fő áramforrás által nyújtott szolgáltatást.
A szolgáltatás megszakadása esetén a vezérlés a másodlagos áramköröket leválasztja a fő áramforrásról és az erőműhöz csatlakoztatja. Az erőmű a rendszer akkumulátorán keresztül elindul, és az erőmű biztosítja a másodlagos áramkörök áramellátását, amíg a központi szolgáltatási áramellátás helyre nem áll. z
A szerző:
Walter G. Scott, P.E., az Arizonai Egyetemen szerzett villamosmérnöki diplomát (Bachelor of Science és Master of Science). Az Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) rangidős tagja; a National Society of Professional Engineers tagja; valamint Arizona, Michigan, Missouri és Ohio államban bejegyzett hivatásos mérnök. Ezt a tanulmányt eredetileg az IEEE Rural Electric Conference 1997-es konferenciáján mutatták be, április 20-22-én, Minneapolisban, Minnesota államban.
1 R. Rose, “Heavy-Duty Gas Turbine Upgrading and Commercialization: Gas Turbine Transit Bus Demonstration Program,” Symposium on Automotive Propulsion Systems, Dearborn, Mich., 1980. október.
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. R. Rose, 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 és Rackliffe, G.B., “Introduction to Integrated Resource T&D Planning”, kiadó: ABB Power T&D Co, 1984.
A cikket érdekesnek találta?
Igen: Kör 308 Nem: Kör 309
Mikro méretű gázturbinák piaci lehetőségeket teremtenek
By Walter G. Scott, International Power and Light
A 25 és 250 kW közötti nagyságrendű erőművek lehetővé teszik a közművek, az IPP-k és az ESCO-k számára, hogy gazdaságos energiát biztosítsanak különböző alkalmazásokhoz
A kis regeneratív ciklusú turbinamotorokat eredetileg az Allison Engine Co. fejlesztette ki az 1960-as években földi közlekedési alkalmazásokhoz. Ma a vállalat az International Power és a General Electric cégekkel együttműködve 50 és 250 kW-os gázturbinákat fejleszt áramtermelésre. A képen Don Frazier (balra), az Allison projektvezető-helyettese és Duyane Parsons (jobbra), műhelyvezető, a gázturbinamotor 40 kW-os autóipari származékával.
