Kleine, goedkope, hoogefficiënte gasturbines bieden de nutssector een technologie van de vierde generatie die talrijke voordelen en potentiële toepassingen biedt. Deze omvatten vaste stroom voor geïsoleerde gemeenschappen, commerciële centra en industrieën; piekafschakeling voor nutsbedrijven om de incrementele kosten van extra belastingen te verlagen; piekafschakeling voor grote commerciële en industriële bedrijven om de vraagkosten te verlagen, evenals stand-by, noodstroom en ononderbreekbare stroomvoorziening (UPS).
Turbine track record
Het is belangrijk om te erkennen dat kleine gasturbinegeneratoren geen nieuwe technologie zijn, maar worden ontwikkeld voor de elektrische nutssector op basis van technologie die wordt ondersteund door meer dan 25 jaar praktijkervaring. De generatoren die in dit artikel worden besproken, worden ontwikkeld door International Power and Light in samenwerking met Allison Engine Co. (een divisie van Rolls Royce plc) en General Electric Co. Allison zal de turbinegeneratoren ontwikkelen, en General Electric zal de besturing en de omvormer ontwerpen en verantwoordelijk zijn voor de engineering van de eenheid ter plaatse, de installatie en het veldonderhoud.
Kleine gasturbine-motoren werden aanvankelijk in de jaren zestig door Allison ontwikkeld voor grondtransport. De eerste grote veldproef begon in 1971 met de installatie van Allison GT404-turbinemotoren in zes Greyhound-bussen. De 310 pk sterke turbinemotoren werden beschreven als een tweetraps type, met een dubbel regeneratorsysteem dat de warmte van het gastraject recycleerde om de inkomende lucht voor te verwarmen, terwijl de uitlaatgassen werden gekoeld tot niet meer dan 500 tot 600 F. De krachtbron had geen waterkoelsysteem nodig, had de helft van de bewegende delen van een dieselmotor en had een levensduur van meer dan 500.000 mijl tussen revisies.
In 1978 hadden deze zes testbussen meer dan 1 miljoen mijl afgelegd, en de turbinemotor werd door het management van Greyhound gezien als een technische doorbraak voor intercity busvervoer.1
In 1976 begon Allison met de ontwikkeling van een generator aangedreven door de GT 404 turbine om de radarset en het controlestation van het U.S. Army Patriot Missile System van stroom te voorzien. De belangrijkste doelstellingen van dit programma waren onder andere de plaatsing van twee 150 kW generatorsets die 100 procent back-up leverden in een enkele container die op een 5-tons legertruck kon worden vervoerd. Andere doelstellingen waren het minimaliseren van het brandstofverbruik door het gebruik van dubbele, roterende regeneratoren met keramische schijven en het ontwikkelen van een betrouwbaar, multi-brandstof vermogen zonder afstelling. In 1978 begon Allison met het ontwerp, de ontwikkeling en de bouw van vijf op militaire specificaties gebouwde turbine-aangedreven generatorsets voor veldproeven. De voltooide generatorsets werden getest in de Aberdeen, Belvoir, Elgin en White Sands faciliteiten met de volgende resultaten:
z Het brandstofverbruik werd teruggebracht van 48 tot 16 gallons per uur in vergelijking met vorige generatoren.
z Er werd een frequentiestabiliteit van 0,1 procent bij nominale belasting verkregen.
z Starten met vrije as tot min 50 F werd bereikt zonder verwarmingselementen.
z Multifuel capability werd gedemonstreerd op diesel, JP en benzine.
z Aan alle betrouwbaarheidseisen werd voldaan.
z Aan geluidsniveaunormen van minder dan 90 dBA werd voldaan.
In december 1981, leverde Allison een eerste order van 200 generatorsets aan het Amerikaanse leger. Tot op heden zijn meer dan 2.000 van dergelijke generatorsets geleverd voor het Patriot-systeem, dat tijdens de Golfoorlog werd ingezet. Deze generatoren hebben meer dan 1 miljoen bedrijfsuren gedraaid zonder grote problemen.2
Micro-Turbine kenmerken
De turbine heeft een enkele roterende as met de generator, luchtcompressor en turbine gemonteerd op luchtlagers, zodat geen smering nodig is. De krachtcentrale is luchtgekoeld, waarbij lucht via een inlaat wordt aangevoerd om de generator te koelen. De lucht wordt vervolgens samengeperst voordat hij door de regenerator in de verbrandingskamer wordt geleid. De regenerator is een keramische schijf die langzaam ronddraait voor de uitlaat en de inlaat van de verbrandingskamer. De schijf wordt verwarmd door heet uitlaatgas, waardoor de temperatuur van de samengeperste inlaatlucht stijgt, wat de brandstofefficiëntie nog verbetert. Het toerental van de as is ongeveer 80.000 omw/min, waarbij de generator hoogfrequent wisselstroom levert. De geïnstalleerde vermogenselektronica zet wisselstroom om in gelijkstroom, waarbij een gelijkstroomomvormer hetzij 480 V, driefasig, 60 Hz, hetzij 230/400 V, driefasig, 50 Hz levert.
De geringe afmetingen en het geringe gewicht van de in tabel 1 getoonde gasturbinegeneratoren stellen een nutsbedrijf in staat dergelijke eenheden op vrijwel elke plaats te installeren. Eenheden die onderhoud of reparatie behoeven kunnen op de plaats van opwekking worden vervangen en naar een centrale werkplaats worden gebracht; zelfs de eenheid van 250 kW kan in een pick-up truck worden vervoerd. Ter vergelijking zijn de afmetingen en het gewicht van typische dieselaggregaten van 50 en 250 kW opgenomen in tabel 1. Voor dit type installaties zijn in tabel 2 de geraamde aankoop- en installatiekosten per kW vermeld. Bovendien is de bediening eenvoudig, aangezien de centrales volledig kunnen worden aangestuurd vanuit een centraal bedieningscentrum via een tweewegcommunicatieverbinding, of ze kunnen ter plaatse worden bewaakt en bediend. Lage onderhouds- en revisiekosten – minder dan $ 0,005 per kWh, inclusief een grote revisie elke 30.000 uur of ongeveer elke drie tot vier jaar – zijn andere kenmerken van Micro-Turbine centrales.
Apparatuurtoepassingen
Twee casestudies van vaste vermogens met deze technologie zijn ontwikkeld. Situatie 1 is gebaseerd op een belasting van 250 kW met zes generatoren van 50 kW, en situatie 2 op een belasting van 750 kW met vier generatoren van 250 kW. In elk geval zijn de jaarlijkse belastingsfactoren 52 en 100 procent. De geraamde jaarlijkse kosten en de kosten per kWh zijn samengevat in tabel 3. Vaste stroom voor minder dan 5 cent per kWh uit meervoudige aggregaten op aardgas is duidelijk concurrerend met de meeste stroom van centrale opwekkers die via traditionele transmissie- en distributiefaciliteiten wordt geleverd. De stroomkosten voor de voorgaande gevallen lopen op tot iets meer dan 0,09 dollar per kWh, met dieselbrandstof van 0,85 dollar per gallon, wat in veel gebieden nog steeds concurrerend is.
Het rendement van kleine gasturbines die alleen vaste stroom leveren benadert 30 procent. Dit rendement kan worden verhoogd tot 75 procent als een warmtekrachtkoppelingsproject door de uitlaatwarmte te gebruiken voor het verwarmen van water, absorptiekoeling of -koeling, ruimteverwarming en industriële verwerking. Als warmtekrachtkoppelingstoepassing kan het project economisch haalbaar zijn, zelfs met duurdere brandstoffen zoals diesel.
Kleine gasturbinegeneratoren stellen nutsbedrijven in staat pieken economisch af te vlakken en tegelijkertijd capaciteit te leveren voor noodgevallen. Dit kan de algehele systeemefficiëntie verhogen, waardoor de investeringen in traditionele opwekkings-, bulktransmissie- en distributiefaciliteiten zullen dalen. Het afvangen van pieken stelt een nutsbedrijf ook in staat de groei van de belasting op te vangen in gebieden waar een tekort aan onderstation- en/of distributiecapaciteit bestaat. Het voorbeeld in tabel 4 geeft een raming van de jaarlijkse kosten voor de installatie van een turbinegenerator van 250 kW en de brandstof en het onderhoud om de eenheid dagelijks drie uur te laten draaien.
Deze kosten kunnen worden vergeleken met het beheer aan de vraagzijde (demand-side management, DSM). De jaarlijkse kostenervaringen van een groot nutsbedrijf in het noordoosten voor het installeren en exploiteren van een DSM-systeem voor het regelen van warmwaterboilers, airconditioning en ruimteverwarming zijn samengevat in tabel 5 en vergeleken met de piekbesparingskosten van een gasturbine.3
Kleine turbines kunnen piekbesparingen bieden voor 30 tot 50 procent van de kosten van DSM en problemen elimineren die gepaard gaan met het regelen van apparaten van klanten. Bovendien kunnen kleine generatoren in de buurt van belastingscentra ook noodstroom leveren. Nutsbedrijven moeten het werkelijke effect op de werking van het systeem bestuderen van het afvangen van pieken met decentrale opwekking. De potentiële besparingen zijn echter zeker voldoende om een diepgaande studie te rechtvaardigen.
Overwegingen met betrekking tot de klant
Elk nutsbedrijf heeft vraagheffingen voor zijn grote commerciële en industriële klanten. Kleine turbinegeneratoren kunnen door of voor deze klanten worden toegepast om de vraagkosten te verlagen. Tabel 6 geeft de kosten voor een klant met 250 kW piekbelasting bij twee verschillende vraagheffingen. Kleine gasturbinecentrales zijn ideale keuzes voor UPS en stand-by noodstroomvoorziening vanwege hun lage initiële kosten, minimale onderhoudsvereisten en hoge mate van betrouwbaarheid. De centrales kunnen worden geïnstalleerd als afzonderlijke generatoren of kunnen worden gerangschikt in meervoudige assemblages om het door de belastingen vereiste vermogensniveau te leveren.
Wanneer een kleine turbinecentrale wordt gebruikt voor standby-diensten, kan deze worden aangesloten op distributiecircuits om noodbelastingen te bedienen, zoals operatiekamers in ziekenhuizen, kritieke zorgfaciliteiten, noodverlichting, communicatie, koelkasten, vriezers, liften, beveiligingssystemen en kassa’s. De elektronische besturing van de centrale controleert voortdurend de door de hoofdkrachtbron geleverde dienst.
Als de dienst wordt onderbroken, zorgt de besturing ervoor dat de secundaire circuits worden losgekoppeld van de hoofdkrachtbron en worden aangesloten op de centrale. De centrale wordt gestart via de systeemaccu, en de centrale levert stroom aan de secundaire circuits totdat de centrale dienstspanning is hersteld. z
Auteur:
Walter G. Scott, P.E., behaalde zijn bachelor of science en master of science graden in elektrotechniek aan de Universiteit van Arizona. Hij is senior lid van het Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE); lid van de National Society of Professional Engineers; en geregistreerd beroepsingenieur in Arizona, Michigan, Missouri en Ohio. Dit document werd oorspronkelijk gepresenteerd op de 1997 IEEE Rural Electric Conference, 20-22 april, in 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 maart 1985.
3 H. Lee Willis and Rackliffe, G.B., “Introduction to Integrated Resource T&D Planning,” gepubliceerd door ABB Power T&D Co, 1984.
Vond u dit artikel interessant?
Ja: Cirkel 308 Nee: Cirkel 309
Micro-grootte gasturbines creëren marktkansen
Door Walter G. Scott, International Power and Light
Krachtcentrales van 25 tot 250 kW zullen nutsbedrijven, IPP’s en ESCO’s in staat stellen om economische stroom te leveren voor een verscheidenheid aan toepassingen
Kleine regeneratieve-cyclusturbinemotoren werden aanvankelijk ontwikkeld door Allison Engine Co. in de jaren zestig voor toepassingen in het grondtransport. Tegenwoordig werkt het bedrijf samen met International Power en General Electric aan de ontwikkeling van gasturbines van 50 en 250 kW voor energieopwekking. Op de foto Don Frazier (links), plaatsvervangend projectmanager bij Allison, en Duyane Parsons (rechts), voorman in de werkplaats, met een 40 kW-klasse automotive afgeleide van een gasturbinemotor.
