Diesel generátor

Diesel generátor (DG; iné názvy: Dieselový generátor, Naftový generátor, Dieselgenerátorová stanica) je kombináciou dieselového motora s elektrickým generátorom (často alternátorom) na výrobu elektrickej energie. Je to špecifický prípad motorového generátora. Vznetový motor je zvyčajne navrhnutý tak, aby ho poháňala motorová nafta, ale niektoré typy sú prispôsobené na iné kvapalné palivá alebo zemný plyn.

Popis 

Dieselové generátorové agregáty sa používajú na miestach bez pripojenia k elektrickej sieti alebo ako núdzový zdroj energie pri výpadku siete, napr. v dátových centrách, ako aj na zložitejšie aplikácie, ako je peak-lopping, podpora siete a export do elektrickej siete.

Dieselové generátory však nie sú len na núdzové napájanie, ale môžu mať aj sekundárnu funkciu dodávania energie do rozvodných sietí buď počas špičiek, alebo v obdobiach, keď je nedostatok veľkých generátorov energie (vo Veľkej Británii je tento program prevádzkovaný národnou sieťou a nazýva sa STOR).

Veľkosť dieselového generátora je rozhodujúca pre minimalizáciu nízkej záťaže alebo nedostatku energie. Dimenzovanie je komplikované charakteristikami modernej elektroniky, konkrétne nelineárnymi záťažami. Vo veľkosti okolo 50 MW a viac je plynová turbína s otvoreným cyklom efektívnejšia pri plnom zaťažení ako rad dieselových motorov a je oveľa kompaktnejšia s porovnateľnými kapitálovými nákladmi; ale pre pravidelné čiastočné zaťaženie, dokonca aj pri týchto úrovniach výkonu, sa niekedy uprednostňujú dieselové polia pred plynovými turbínami s otvoreným cyklom kvôli ich vynikajúcej účinnosti.

Štart motorov je zaistený pomocou stlačeného vzduchu, ktorý roztočí motor na požadované otáčky a následne sa palivo samovoľne vznieti. Stlačený vzduch je v dostatočnej kapacite pripravený v zásobníkoch vzduchu.

Ďalšou súčasťou DG je olejový systém zaisťujúci mazanie a chladenie ložísk. Satie motora je zaistené v dostatočnej výške nad okolitým terénom. Následne je vzduch prefiltrovaný, potom stlačený a nakoniec ochladený s ohľadom na účinnosť motora. Prebytočné teplo z motora je odvádzané pomocou chladiaceho systému.

Výkony diesel generátorov sú obvykle jednotky MWe. Tomu zodpovedajú aj rozmery DG, ktoré sú porovnateľné s lodnými, alebo vlakovými motormi. Vzhľadom na rozmery a na potrebu ochrany sú DG umiestnené obvykle v samostatných stavebných objektoch, alebo v modulárnych kontajneroch. Palivom je zvyčajne nafta, ktorá je umiestnená ako v centrálnom palivovom sklade, tak aj v menších zásobníkoch pri jednotlivých diesel generátoroch.

Lode často využívajú aj dieselové generátory, niekedy nielen na poskytovanie pomocnej energie pre svetlá, ventilátory, navijaky atď., ale nepriamo aj na hlavný pohon. Generátory s elektrickým pohonom môžu byť umiestnené vo vhodnej polohe, aby bolo možné prepravovať viac nákladu. Elektrické pohony pre lode boli vyvinuté pred prvou svetovou vojnou. Elektrické pohony boli špecifikované v mnohých vojnových lodiach postavených počas druhej svetovej vojny, pretože výrobná kapacita pre veľké redukčné prevody bola v porovnaní s kapacitou na výrobu elektrických zariadení nedostatková. Takéto diesel-elektrické usporiadanie sa používa aj v niektorých veľmi veľkých pozemných vozidlách, ako sú železničné lokomotívy.

Veľkosť generátora 

Generátorové agregáty sa vyberajú na základe elektrickej záťaže, ktorú majú napájať, charakteristík elektrickej záťaže, ako je kW, kVA, var, harmonický obsah, nárazové prúdy (napr. štartovací prúd motora) a nelineárne záťaže. Musí sa zvážiť aj očakávaná prevádzka (napríklad núdzový, hlavný alebo trvalý výkon), ako aj podmienky prostredia (napríklad nadmorská výška, teplota a predpisy o emisiách výfukových plynov).

Veľkosti súpravy sa pohybujú od 8 do 30 kW (alebo 8 až 30 kVA jednofázové) pre domácnosti, malé obchody a kancelárie, pričom väčšie priemyselné generátory sa používajú od 8 kW (11 kVA) do 2 000 kW (2 500 kVA trojfázové) pre kancelárske komplexy, továrne a iné priemyselné zariadenia. Súprava s výkonom 2 000 kW môže byť umiestnená v 12 m ISO kontajneri s palivovou nádržou, ovládacími prvkami, zariadením na distribúciu energie a všetkým ďalším vybavením potrebným na prevádzku ako samostatná elektráreň alebo ako záložný zdroj napájania zo siete. Tieto jednotky, označované ako výkonové moduly, sú agregáty na veľkých trojnápravových prívesoch s hmotnosťou 38 555 kg alebo viac. Kombinácia týchto modulov sa používa v malých elektrárňach a tieto môžu využívať od jednej do 20 jednotiek na výkonovú časť, pričom tieto sekcie je možné kombinovať tak, aby zahŕňali stovky výkonových modulov. V týchto väčších veľkostiach sú výkonové moduly (motor a generátor) privezené na miesto na prívesoch samostatne a sú spojené veľkými káblami a ovládacím káblom, aby vytvorili kompletnú synchronizovanú elektráreň. Existuje tiež množstvo možností na prispôsobenie špecifickým potrebám, vrátane ovládacích panelov pre automatické spustenie a paralelné sieťové pripojenie, akustické kryty pre pevné alebo mobilné aplikácie, ventilačné zariadenia, systémy prívodu paliva, výfukové systémy atď.

Väčšina výrobcov väčších generátorových súprav ponúka softvér, ktorý vykoná komplikované výpočty veľkosti jednoduchým zadaním podmienok na mieste a pripojených charakteristík elektrického zaťaženia.

Elektrárne – elektrický „ostrovný“ režim 
Jeden alebo viac dieselových generátorov pracujúcich bez pripojenia k elektrickej sieti sa označuje ako pracujúce v ostrovnom režime. Prevádzka generátorov paralelne poskytuje výhodu redundancie a môže poskytnúť lepšiu účinnosť pri čiastočnom zaťažení. Závod privádza generátorové súpravy online a odpája ich v závislosti od požiadaviek systému v danom čase. Ostrovná elektráreň určená pre primárny zdroj energie izolovanej komunity bude mať často najmenej tri dieselové generátory, z ktorých dva sú dimenzované na prenášanie požadovaného zaťaženia. Skupiny do 20 nie sú nezvyčajné.

Generátory môžu byť elektricky pripojené prostredníctvom procesu synchronizácie. Synchronizácia zahŕňa prispôsobenie napätia, frekvencie a fázy pred pripojením generátora k systému. Zlyhanie pri synchronizácii pred pripojením môže spôsobiť vysoký skratový prúd alebo opotrebovanie generátora alebo jeho rozvádzača. Proces synchronizácie môže byť vykonaný automaticky modulom autosynchronizátora alebo manuálne inštruovaným operátorom. Autosynchronizátor načíta napätie, frekvenciu a fázové parametre z napätia generátora a prípojnice, pričom reguluje otáčky cez regulátor motora alebo ECM (modul riadenia motora).

Záťaž môže byť zdieľaná medzi paralelne bežiacimi generátormi prostredníctvom zdieľania záťaže. Zdieľanie záťaže je možné dosiahnuť pomocou regulácie rýchlosti poklesu riadenej frekvenciou na generátore, pričom neustále upravuje reguláciu paliva motora tak, aby sa záťaž presúvala na a zo zostávajúcich zdrojov energie. Dieselový generátor bude zaťažovať viac, keď sa zvýši dodávka paliva do jeho spaľovacieho systému, zatiaľ čo zaťaženie sa uvoľní, ak sa dodávka paliva zníži.

Podpora hlavných inžinierskych sietí 
Okrem svojej dobre známej úlohy ako zdroj energie pri výpadkoch napájania, dieselové generátorové agregáty tiež bežne podporujú hlavné energetické siete na celom svete dvoma odlišnými spôsobmi:

Podpora siete

Veľká Británia 
Núdzové pohotovostné dieselové generátory, ako sú tie, ktoré sa používajú v nemocniciach a vo vodárenských závodoch, sú ako sekundárna funkcia široko používané v USA a v nedávnej minulosti aj vo Veľkej Británii na občasnú podporu príslušných národných sietí z rôznych dôvodov. V Spojenom kráľovstve mali tendre známe ako krátkodobá prevádzková rezerva pomerne premenlivé ceny a od roku 2012 objem účasti na strane dopytu, ktorý zahŕňa najmä používanie motorových naftových motorov na mieste, klesol s poklesom ponúknutých cien. Na podporu národnej siete, ktorej špičkové zaťaženie je približne 60 GW, sa občas použilo približne 0,5 GWe dieselov. Ide o zostavy vo veľkostnom rozsahu 200 kW až 2 MW. To sa zvyčajne vyskytuje napríklad počas náhlej straty veľkej konvenčnej 660 MW elektrárne alebo náhleho neočakávaného nárastu spotreby energie, ktorý naruší normálnu dostupnú prevádzkovú rezervu.

To je výhodné pre obe strany – diesel je už kúpený z iných dôvodov; ale aby to bolo spoľahlivé, musí byť plne zaťažená. Paralelizácia siete je pohodlný spôsob, ako to dosiahnuť. Tento spôsob prevádzky zvyčajne vykonáva agregát tretej strany, ktorý riadi prevádzku generátorov a interakciu s prevádzkovateľom systému.

Tieto dieselové motory môžu v niektorých prípadoch fungovať paralelne už za dve minúty bez dopadu na miesto (kancelária alebo továreň nemusia byť vypnuté). Je to oveľa rýchlejšie ako elektráreň so základným zaťažením, ktorej vychladnutie môže trvať 12 hodín, a rýchlejšie ako plynová turbína, ktorej to môže trvať niekoľko minút. Zatiaľ čo dieselové motory sú z hľadiska paliva veľmi drahé, v tejto prevádzke sa používajú len niekoľko stoviek hodín ročne a ich dostupnosť môže zabrániť potrebe nepretržitej neefektívnej prevádzky základnej stanice pri čiastočnom zaťažení. Použitá motorová nafta je palivo, ktoré by sa aj tak použilo pri testovaní.

Vo Veľkej Británii sa národná sieť môže vo všeobecnosti spoľahnúť na zníženie dopytu zákazníkov o približne 2 GW prostredníctvom záložných dieselových generátorov, ktoré sa sami spúšťajú na približne 10 až 40 hodín ročne v časoch očakávaného špičkového národného dopytu. Národná sieť nekontroluje tieto dieselové generátory – prevádzkuje ich zákazník, aby sa vyhli systémovým poplatkom využívajúcim prenosovú sieť „triády“, ktoré sa účtujú iba zo spotreby každého miesta počas troch polhodinových špičiek národného dopytu. Dopredu však nie je známe, kedy nastanú tri polhodiny špičkového národného dopytu (obdobia „triády“), takže zákazník musí mať spustené svoje dieselové generátory oveľa viac pol hodín ročne ako len tri.

Celková kapacita spoľahlivo prevádzkyschopného záložného generátora sa v Británii odhaduje na približne 20 GW, pričom takmer všetko je poháňané dieselovými motormi. To sa rovná takmer 29% vrcholnej hodnoty britského systému, hoci len veľmi malá časť sa bude generovať súčasne. Najviac zariadení je pre veľké kancelárske budovy, nemocnice, supermarkety a rôzne inštalácie, kde je dôležité nepretržité napájanie, ako sú letiská. Preto je väčšina v mestských oblastiach, najmä v mestách a obchodných centrách. Odhaduje sa, že približne 10% elektrárni presahuje 1 MW, približne 50% je v rozsahu 200 kW – 1 MW a zvyšných 40% je pod 200 kW. Hoci počet rastie, predpokladá sa, že len veľmi malá časť sa pravidelne používa na prerušovanie špičiek, pričom veľká väčšina je len na generovanie v pohotovostnom režime. Informácie v tomto odseku pochádzajú z časti 6.9 vládnej správy: „Prekonávanie prekážok pri plánovaní vstavanej výroby na podporu distribučných sietí“.

V Británii sa čoraz viac využívajú banky dieselových generátorov (známe ako „dieselové farmy“), aby sa vyrovnal kolísavý výstup z obnoviteľných zdrojov energie, ako sú napríklad veterné farmy.

Francúzsko 
Podobný systém ako krátkodobá prevádzková rezerva Veľkej Británie funguje aj vo Francúzsku. Je známy ako EJP; v čase nedostatočného napätia v sieti môžu v sieti špeciálne tarify zmobilizovať najmenej 5 GW dieselových generátorov, aby boli k dispozícii. V tomto prípade je hlavnou funkciou dieselových motorov dodávať energiu do siete.

Počas normálnej prevádzky v synchronizácii s elektrickou sieťou sú pohonné jednotky riadené päťpercentnou reguláciou otáčok. To znamená, že rýchlosť pri plnom zaťažení je 95% a rýchlosť bez zaťaženia 100%. To je potrebné pre stabilnú prevádzku siete bez výkyvov a výpadkov elektrární. Zmeny rýchlosti sú zvyčajne malé. Úpravy výkonu sa vykonávajú pomalým zvyšovaním krivky poklesu zvýšením tlaku pružiny na odstredivom regulátore. Vo všeobecnosti je to základná systémová požiadavka pre všetky elektrárne, pretože staršie a novšie elektrárne musia byť kompatibilné v reakcii na okamžité zmeny frekvencie bez závislosti od vonkajšej komunikácie.

Náklady na výrobu elektriny

Typické prevádzkové náklady 
Spotreba paliva predstavuje hlavnú časť nákladov na vlastníctvo a prevádzku dieselových zariadení pre energetické aplikácie, zatiaľ čo kapitálové náklady sú hlavným problémom záložných generátorov. Špecifická spotreba sa líši, ale moderná dieselová elektráreň bude pri svojom takmer optimálnom zaťažení 65-70% generovať najmenej 3 kWh na liter (približne 30% pomer palivovej účinnosti).

Dimenzovanie a hodnotenie generátora

Hodnotenie 
Generátory musia poskytovať predpokladaný požadovaný výkon spoľahlivo a bez poškodenia a to sa dosiahne tak, že výrobca pridelí jeden alebo viac menovitých hodnôt konkrétnemu modelu generátorovej súpravy. Špecifický model generátora prevádzkovaného ako záložný generátor môže pracovať len niekoľko hodín ročne, ale rovnaký model prevádzkovaný ako hlavný generátor musí pracovať nepretržite. Pri chode môže byť záložný generátor prevádzkovaný s určeným - napr. 10% preťaženie, ktoré možno tolerovať počas očakávanej krátkej doby chodu. Rovnaký model generátora bude mať vyššie hodnotenie pre pohotovostnú službu ako pre nepretržitú prevádzku. Výrobcovia dávajú každej súprave hodnotenie na základe medzinárodne dohodnutých definícií.

Tieto štandardné definície hodnotenia sú navrhnuté tak, aby umožnili platné porovnanie medzi výrobcami, zabránili výrobcom nesprávne hodnotiť ich stroje a usmernili dizajnérov.

Definície hodnotenia generátora 

Hodnotenie pohotovostného režimu založené na dodávku núdzového napájania počas normálneho prerušenia napájania. Pre toto hodnotenie nie je k dispozícii žiadna schopnosť trvalého preťaženia. (Ekvivalentné s výkonom zastavenia paliva v súlade s ISO3046, AS2789, DIN6271 a BS5514). Nominálne hodnotené.

Typické použitie - núdzová elektráreň v nemocniciach, kanceláriách, továrňach atď. Nepripojené k sieti.

Primárne hodnotenie (neobmedzený čas prevádzky): Nemalo by sa používať pre aplikácie v stavebníctve. Výstup je k dispozícii s meniacim sa zaťažením na neobmedzený čas. Typická špičková požiadavka 100% prvotriedneho ekW s 10% schopnosťou preťaženia pre núdzové použitie maximálne 1 hodinu z 12. Schopnosť 10% preťaženia je k dispozícii na obmedzený čas (Ekvivalent základného výkonu v súlade s normou ISO8528 a výkonu pri preťažení v súlade s normami ISO3046, AS2789, DIN6271 a BS5514). Toto hodnotenie sa nevzťahuje na všetky modely generátorov.

Typická aplikácia - kde je generátor jediným zdrojom energie napríklad pre vzdialené ťažobné alebo stavenisko, výstavisko, festival atď.

Základné zaťaženie (nepretržité) hodnotenie založené na: možnosti použitia pre nepretržité napájanie pri konštantnom zaťažení až do plného menovitého výkonu počas neobmedzených hodín. Pre toto hodnotenie nie je k dispozícii žiadna schopnosť trvalého preťaženia. Hodnotenie konzultujte s autorizovaným distribútorom. (Ekvivalent trvalého výkonu v súlade s ISO8528, ISO3046, AS2789, DIN6271 a BS5514). Toto hodnotenie sa nevzťahuje na všetky modely agregátov

Typická aplikácia - generátor pracujúci s nepretržitou nemennou záťažou alebo paralelne so sieťou a nepretržite dodávajúci energiu na maximálnej povolenej úrovni 8 760 hodín ročne. To platí aj pre súpravy používané na odstraňovanie vrcholov/podporu siete, aj keď k tomu môže dôjsť len povedzme 200 hodín ročne.

Napríklad, ak v konkrétnom súbore bol pohotovostný výkon 1 000 kW, potom môže byť hlavný výkon 850 kW a trvalý výkon 800 kW. Tieto hodnotenia sa však líšia v závislosti od výrobcu a mali by sa prevziať z údajového listu výrobcu.

Súprava môže mať často všetky tri hodnotenia vyrazené na štítku s údajmi, ale niekedy môže mať iba hodnotenie v pohotovostnom režime alebo iba primárne hodnotenie.

Dimenzovanie 
Zvyčajne je to však veľkosť maximálnej záťaže, ktorú je potrebné pripojiť, a prijateľný maximálny pokles napätia, ktorý určuje nastavenú veľkosť, nie samotné hodnoty. Ak je potrebné, aby súprava spúšťala motory, potom musí byť výkon súpravy aspoň trojnásobkom výkonu najväčšieho motora, ktorý sa normálne spúšťa ako prvý. To znamená, že je nepravdepodobné, že bude fungovať kdekoľvek blízko hodnotenia zvoleného súboru.

Mnoho výrobcov generátorových súprav má softvérové ​​programy, ktoré umožňujú správny výber súpravy pre akúkoľvek danú kombináciu zaťaženia. Dimenzovanie je založené na podmienkach, na mieste a type spotrebičov, zariadení a zariadení, ktoré budú napájané agregátom.

Palivá 
Dieselové palivo je pomenované podľa dieselových motorov a nie naopak; dieselové motory sú jednoducho vznetové motory a môžu pracovať s rôznymi palivami v závislosti od konfigurácie a umiestnenia. Tam, kde je k dispozícii pripojenie k plynovej sieti, sa často používa plyn, pretože plynová sieť zostane pod tlakom takmer počas všetkých výpadkov elektriny. Toto sa realizuje zavedením plynu s nasávaným vzduchom a použitím malého množstva motorovej nafty na zapálenie. Prechod na prevádzku na 100% naftu je možné dosiahnuť okamžite.

Vo väčšine vidieckych sídiel alebo v závodoch s nízkym faktorom zaťaženia je motorová nafta získaná zo surovej ropy bežným palivom; je menej pravdepodobné, že zamrzne ako ťažšie oleje. Výdrž bude obmedzená veľkosťou nádrže. Dieselové motory môžu pracovať s celým spektrom destilátov surovej ropy, od zemného plynu, alkoholov, benzínu a drevného plynu až po vykurovacie oleje, od motorovej nafty až po lacnejšie zvyškové palivá, ktoré sú pri izbovej teplote ako bravčová masť a musia sa zahrievať, aby mohli prúdiť palivovým potrubím.

Väčšie motory (od približne 3 MWe do 30 MWe) niekedy používajú ťažké oleje, v podstate dechty, pochádzajúce z konca procesu rafinácie. Mierne zvýšená zložitosť udržiavania vykurovacieho oleja zahrievaného ​​(aby mohol prúdiť) a zároveň zmierňovania rizík požiaru, ktoré pochádzajú z prehriatia paliva, spôsobuje, že tieto palivá sú nepopulárne pre menšie, často bez obslužné výrobné stanice.

Ďalšie možné palivá zahŕňajú: bionaftu, jednozložkový rastlinný olej, živočíšne tuky a loj, glycerín a kal z uhoľnej vody. Tieto by sa mali používať opatrne: kvôli ich zloženiu musí byť motor správne nastavený, inak majú škodlivý vplyv na životnosť motora. Napríklad motory využívajúce suspenzné palivo z uhlia a vody sú často modifikované väčšími vstrekovačmi, aby sa umožnilo vstrekovanie paliva s vyššou hustotou v krátkom zlomku potrebného času. Iné palivá s vysokou viskozitou, ako je loj, rastlinný olej alebo parafínový vosk, možno použiť so štandardnými vstrekovačmi paliva, ak sa palivo predhreje, aby sa jeho viskozita znížila na rozsah štandardnej nafty. Motor navrhnutý a vyrobený Rudolfom Dieselom pre svetovú výstavu v roku 1900 bol poháňaný arašidovým olejom a nie ropným produktom, ako väčšina moderných motorov využívajúcich jeho systém.

Zdroj 

Elektrické generátory