Turbinele cu gaz mici, cu costuri reduse și foarte eficiente oferă industriei de utilități o tehnologie de a patra generație care prezintă numeroase beneficii și aplicații potențiale. Printre acestea se numără alimentarea fermă a comunităților izolate, a centrelor comerciale și a industriilor; reducerea vârfurilor de consum pentru sistemele de utilități pentru a reduce costul incremental al sarcinilor suplimentare; reducerea vârfurilor de consum pentru marile unități comerciale și industriale pentru a reduce tarifele de cerere, precum și alimentarea de rezervă, de urgență și alimentarea neîntreruptă (UPS).
Experiența turbinelor
Este important să recunoaștem că micile generatoare cu turbine cu gaz nu sunt o tehnologie nouă, ci sunt dezvoltate pentru industria utilităților electrice pe baza unei tehnologii susținute de peste 25 de ani de experiență pe teren. Generatoarele discutate în acest articol sunt în curs de dezvoltare de către International Power and Light în asociere cu Allison Engine Co. (o divizie a Rolls Royce plc) și General Electric Co. Allison va dezvolta generatoarele cu turbină, iar General Electric va proiecta comenzile și invertorul și va fi responsabilă pentru ingineria, instalarea și întreținerea pe teren a unității.
Motorii mici cu turbină cu gaz au fost inițial dezvoltați de Allison în anii 1960 pentru transportul terestru. Prima încercare majoră pe teren a început în 1971 cu instalarea motoarelor cu turbină Allison GT404 în șase autobuze Greyhound. Motoarele cu turbină de 310 CP au fost descrise ca fiind de tip cu două trepte, cu un sistem de regenerare dublă care recicla căldura din traseul gazului pentru a preîncălzi aerul de intrare, în timp ce răcea gazele de eșapament la cel mult 500-600 F. Unitatea de propulsie nu necesita un sistem de răcire cu apă, avea jumătate din piesele mobile ale unui motor diesel și avea o durată de viață de peste 500.000 de mile între revizii.
Până în 1978, aceste șase autobuze de testare parcurseseră mai mult de 1 milion de mile, iar motorul cu turbină a fost considerat de conducerea Greyhound ca fiind un progres tehnic pentru transportul interurban cu autocarul.1
În 1976, Allison a început dezvoltarea unui generator acționat de turbina GT 404 pentru a alimenta cu energie setul radar și stația de control al angajamentului sistemului de rachete Patriot al armatei americane. Obiectivele majore ale acestui program au inclus plasarea a două grupuri electrogene de 150 kW care asigurau 100% rezervă într-un singur container care să fie transportat pe un camion de 5 tone al armatei. Alte obiective au inclus reducerea la minimum a consumului de combustibil prin utilizarea regeneratoarelor duble, cu discuri ceramice rotative și dezvoltarea unei capacități fiabile, multicombustibil, fără ajustări. În 1978, Allison a început proiectarea, dezvoltarea și construcția a cinci grupuri electrogene cu turbină cu specificații militare pentru testarea pe teren. Grupurile generatoare finalizate au fost testate la instalațiile de la Aberdeen, Belvoir, Elgin și White Sands cu următoarele rezultate:
z Consumul de combustibil a fost redus de la 48 la 16 galoane pe oră în comparație cu generatoarele anterioare.
z S-a obținut o stabilitate a frecvenței de 0,1 la sută la sarcină nominală.
z Pornirea cu arbore liber până la minus 50 F a fost realizată fără încălzitoare.
z A fost demonstrată capacitatea multicombustibil pe motorină, JP și benzină.
z Au fost îndeplinite toate cerințele de fiabilitate.
z Au fost îndeplinite standardele de nivel sonor de mai puțin de 90 dBA.
În decembrie 1981, Allison a livrat o comandă inițială de 200 de grupuri electrogene către armata americană. Mai mult de 2.000 de astfel de grupuri electrogene au fost livrate până în prezent pentru sistemul Patriot, care a fost utilizat în timpul Războiului din Golf. Aceste generatoare au înregistrat mai mult de 1 milion de ore de funcționare fără probleme majore.2
Caracteristicile microturbinei
Turbina are un singur arbore rotativ cu generatorul, compresorul de aer și turbina montate pe rulmenți cu aer, astfel încât nu este necesară lubrifierea. Centrala electrică este răcită cu aer, cu aer adus printr-o intrare pentru a răci generatorul. Aerul este apoi comprimat înainte de a fi dirijat prin regenerator în camera de combustie. Regeneratorul este un disc ceramic care se rotește încet în fața evacuării și a intrării în camera de combustie. Discul este încălzit de gazele de eșapament fierbinți, ceea ce crește temperatura aerului comprimat la intrare, îmbunătățind și mai mult eficiența combustibilului. Turația arborelui este de aproximativ 80.000 rpm, iar generatorul furnizează curent alternativ de înaltă frecvență. Sistemul electronic de putere instalat convertește curentul alternativ în curent continuu, cu un invertor de curent continuu care furnizează fie 480 V, trifazat, 60 Hz, fie 230/400 V, trifazat, 50 Hz.
Dimensiunile mici și greutatea redusă a generatoarelor cu turbină cu gaz prezentate în tabelul 1 permit unei companii de utilități să instaleze astfel de unități în aproape orice locație. Orice unitate care are nevoie de întreținere sau reparații poate fi înlocuită la locul de generare și adusă într-un atelier central; chiar și unitatea de 250 kW poate fi transportată într-o camionetă. Pentru comparație, dimensiunile și greutățile unităților diesel tipice de 50 și 250 kW sunt incluse în tabelul 1. Pentru aceste tipuri de centrale, tabelul 2 prezintă costurile estimate de achiziție și de instalare per kW. În plus, operațiunile sunt simple, deoarece centralele sunt complet dispecerizabile de la un centru de operare central prin orice legătură de comunicare bidirecțională, sau pot fi monitorizate și controlate local. Cheltuielile reduse de întreținere și revizie – mai puțin de 0,005 dolari pe kWh, ceea ce include o revizie majoră la fiecare 30.000 de ore sau aproximativ la fiecare trei-patru ani – sunt alte caracteristici ale centralelor electrice cu microturbine.
Aplicații ale echipamentelor
Au fost elaborate două studii de caz de putere fermă care prezintă această tehnologie. Cazul 1 se bazează pe o sarcină de 250 kW cu șase generatoare de 50 kW, iar cazul 2 se bazează pe o sarcină de 750 kW cu patru generatoare de 250 kW. În fiecare caz, factorii de sarcină anuală sunt de 52 și 100 %. Costurile anuale estimate și costurile pe kWh sunt rezumate în tabelul 3. Energia fermă la mai puțin de 5 cenți pe kWh de la ansambluri multiple alimentate cu gaze naturale este, în mod evident, competitivă față de cea mai mare parte a energiei de la generatoarele de la stațiile centrale livrate prin instalații tradiționale de transport și distribuție. Costul energiei electrice pentru cazurile anterioare se ridică la puțin peste 0,09 dolari pe kWh, cu motorină la 0,85 dolari pe galon – ceea ce este încă competitiv în multe zone.
Eficiența turbinelor mici cu gaz care furnizează doar energie fermă se apropie de 30 la sută. Această eficiență poate fi crescută la 75 la sută în cadrul unui proiect de cogenerare prin utilizarea căldurii de evacuare pentru încălzirea apei, refrigerare sau răcire prin absorbție, încălzirea spațiilor și procesare industrială. Ca aplicație de cogenerare, proiectul poate fi fezabil din punct de vedere economic, chiar și cu combustibili mai scumpi, cum ar fi motorina.
Generatoarele mici cu turbine cu gaz permit companiilor de utilități să elimine vârfurile de consum în mod economic și, în același timp, să asigure capacitate pentru situații de urgență. Acest lucru poate crește eficiența generală a sistemului, ceea ce va reduce investițiile în instalații tradiționale de generare, de transport în masă și de distribuție. De asemenea, reducerea consumului permite unei companii de utilități să deservească creșterea incrementală a sarcinii în zonele în care există un deficit de capacitate a substațiilor și/sau a conductelor de distribuție. Exemplul din tabelul 4 oferă o estimare a costurilor anuale de instalare a unui generator cu turbină de 250 kW și de furnizare a combustibilului și de întreținere pentru funcționarea zilnică a unității timp de trei ore.
Acest cost poate fi comparat cu managementul cererii (DSM). Experiențele costurilor anuale ale unei mari companii de utilități din nord-est pentru instalarea și operarea unui sistem DSM pentru a controla încălzitoarele de apă, aerul condiționat și încălzirea spațiilor sunt rezumate în tabelul 5 și comparate cu costul de atenuare a vârfurilor de consum al unei turbine cu gaz.3
Turbinele mici pot asigura atenuarea vârfurilor de consum pentru 30 până la 50 la sută din costul DSM și pot elimina problemele asociate cu controlul aparatelor electrocasnice ale clienților. În plus, generatoarele mici din apropierea centrelor de sarcină pot furniza și energie de urgență. Companiile de utilități trebuie să studieze impactul real al reducerii vârfurilor de consum cu ajutorul generării distribuite asupra funcționării sistemului. Cu toate acestea, economiile potențiale sunt cu siguranță suficiente pentru a justifica un studiu aprofundat.
Considerații legate de clienți
Care companie de utilități are taxe de cerere pentru principalii lor clienți comerciali și industriali. Generatoarele cu turbine mici pot fi aplicate de către sau pentru acești clienți pentru a reduce taxele de cerere. Tabelul 6 prezintă costurile pentru un client cu o sarcină de vârf de 250 kW la două taxe de cerere diferite. Centralele electrice mici cu turbine cu gaz sunt alegeri ideale pentru UPS și pentru energia de rezervă în caz de urgență, datorită costului inițial scăzut, cerințelor minime de întreținere și nivelului ridicat de fiabilitate. Centralele electrice pot fi instalate ca generatoare individuale sau pot fi aranjate în mai multe ansambluri pentru a furniza nivelul de putere cerut de sarcini.
Când este utilizată pentru serviciul de rezervă, o centrală cu turbine mici ar putea fi conectată la circuitele de distribuție pentru a deservi sarcini de urgență, cum ar fi sălile de operație ale spitalelor, instalațiile de îngrijire critică, luminile de urgență, comunicațiile, frigiderele, congelatoarele, lifturile, sistemele de securitate și casele de marcat. Controlul electronic al centralei electrice monitorizează în permanență serviciul furnizat de sursa principală de energie electrică.
Dacă serviciul este întrerupt, controlul face ca circuitele secundare să fie deconectate de la sursa principală de energie electrică și conectate la centrala electrică. Centrala electrică este pornită prin intermediul bateriei de sistem, iar centrala electrică asigură alimentarea circuitelor secundare până când se restabilește alimentarea centralizată a serviciului. z
Autor:
Walter G. Scott, P.E., a obținut licența în științe și masteratul în inginerie electrică la Universitatea din Arizona. Este membru senior al Institutului Inginerilor Electricieni și Electroniști (IEEE); membru al Societății Naționale a Inginerilor Profesioniști; și inginer profesionist înregistrat în Arizona, Michigan, Missouri și Ohio. Această lucrare a fost prezentată inițial la Conferința IEEE Rural Electric din 1997, 20-22 aprilie, la Minneapolis, Minn.
1 R. Rose, „Heavy-Duty Gas Turbine Upgrading and Commercialization: Gas Turbine Transit Bus Demonstration Program”, Symposium on Automotive Propulsion Systems, Dearborn, Michigan, octombrie 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”, document 85-GT-125, Association of Mechanical Engineers Gas Turbine Expo, Houston, Texas, 18-21 martie 1985.
3 H. Lee Willis și Rackliffe, G.B., „Introduction to Integrated Resource T&D Planning”, publicat de ABB Power T&D Co, 1984.
Ai găsit acest articol interesant?
Da: Cercul 308 Nu: Cercul 309
Turbinele cu gaz de dimensiuni micro creează oportunități de piață
De Walter G. Scott, International Power and Light
Centralele electrice de dimensiuni cuprinse între 25 și 250 kW vor permite utilităților, IPP-urilor și ESCO-urilor să furnizeze energie economică pentru o varietate de aplicații
Motoarele mici cu turbină cu ciclu regenerativ au fost inițial dezvoltate de Allison Engine Co. în anii 1960 pentru aplicații de transport terestru. În prezent, compania colaborează cu International Power și General Electric pentru a dezvolta turbine cu gaz de 50 și 250 kW pentru producerea de energie electrică. În imagine, Don Frazier (stânga), director adjunct de proiect Allison, și Duyane Parsons (dreapta), maistru de atelier, cu un motor cu turbină cu gaz derivat din clasa auto de 40 kW.
.