_Generator_Set.jpg/1280px-Caterpillar_(Olympian)_Generator_Set.jpg)
Дизельный генератор (ДГ) (также известный как дизельная генераторная установка) представляет собой комбинацию дизельного двигателя с электрическим генератором (часто генератором переменного тока ) для выработки электроэнергии . [1] Это частный случай двигателя-генератора . Дизельный двигатель с воспламенением от сжатия обычно предназначен для работы на дизельном топливе , но некоторые типы адаптированы для других видов жидкого топлива или природного газа (СПГ). [2]
Дизельные генераторные установки используются в местах, где нет подключения к электросети , или в качестве аварийного источника питания в случае сбоя сети, а также для более сложных задач, таких как снижение пиковых нагрузок, поддержка сети и экспорт в электросеть. [2]
Размер дизельного генератора имеет решающее значение для минимизации низкой нагрузки или дефицита мощности. Определение размера осложняется характеристиками современной электроники , в частности нелинейными нагрузками. Его размер составляет около 50 МВт и выше, газовая турбина открытого цикла более эффективна при полной нагрузке, чем массив дизельных двигателей, и гораздо более компактна, с сопоставимыми капитальными затратами; но для регулярной частичной нагрузки, даже на этих уровнях мощности, дизельные массивы иногда предпочтительнее газовых турбин открытого цикла из-за их более высокой эффективности.
Упакованная комбинация дизельного двигателя , генератора и различных вспомогательных устройств (таких как основание, навес, шумоизоляция, системы управления , автоматические выключатели , нагреватели охлаждающей воды и система запуска) называется «генераторной установкой» или сокращенно «генераторной установкой».
Размеры установок варьируются от 8 до 30 кВт (также от 8 до 30 кВА однофазные ) для домов, небольших магазинов и офисов, с более крупными промышленными генераторами от 8 кВт (11 кВА) до 2000 кВт (2500 кВА трехфазные) используются для офисных комплексов, заводов и других промышленных объектов. Установка мощностью 2000 кВт может быть размещена в 40-футовом (12 м) контейнере ISO с топливным баком, элементами управления, оборудованием для распределения электроэнергии и всем другим оборудованием, необходимым для работы в качестве автономной электростанции или в качестве резервного источника питания для сети. Эти блоки, называемые силовыми модулями, представляют собой генераторные установки на больших трехосных прицепах весом 85 000 фунтов (38 555 кг) или более.
Комбинация этих модулей используется для небольших электростанций, и они могут использовать от одного до 20 единиц на силовую секцию, эти секции могут быть объединены для включения сотен силовых модулей. В этих больших размерах силовые модули (двигатель и генератор) доставляются на место на прицепах по отдельности и соединяются большими кабелями и контрольным кабелем, образуя полную синхронизированную силовую установку . Существует также несколько вариантов для адаптации к конкретным потребностям, включая панели управления для AutoStart и параллельного подключения сети, акустические навесы для стационарных или мобильных применений, вентиляционное оборудование, системы подачи топлива, выхлопные системы и т. д.
Дизельные генераторы предназначены не только для аварийного питания, но также могут иметь вторичную функцию подачи энергии в коммунальные сети либо в пиковые периоды, либо в периоды нехватки крупных генераторов. В Великобритании эта программа управляется национальной сетью и называется STOR.
На судах часто также используются дизельные генераторы, иногда не только для обеспечения вспомогательного питания для освещения, вентиляторов и т. д., но и косвенно для главного двигателя . При использовании электродвигателей генераторы можно разместить в удобном месте, что позволит перевозить больше груза. Электроприводы для кораблей были разработаны до Первой мировой войны . Электроприводы были предусмотрены для многих военных кораблей, построенных во время Второй мировой войны, поскольку производственные мощности для больших редукторов были в дефиците по сравнению с мощностями для производства электрооборудования. [2] Такая дизель-электрическая компоновка также используется в некоторых очень больших наземных транспортных средствах, таких как железнодорожные локомотивы .
Генераторные установки выбираются на основе электрической нагрузки , которую они должны обеспечивать, характеристик электрической нагрузки, таких как кВт , кВА , вар , гармонического содержания , импульсных токов (например, пусковой ток двигателя) и нелинейных нагрузок . Также необходимо учитывать ожидаемый режим работы (например, аварийный, основной или непрерывный), а также условия окружающей среды (например, высота над уровнем моря, температура и нормы выбросов выхлопных газов).
Большинство крупных производителей генераторных установок предлагают программное обеспечение , которое выполняет сложные расчеты параметров путем простого ввода условий на месте и характеристик подключенной электрической нагрузки .
Один или несколько дизельных генераторов, работающих без подключения к электросети, называются работающими в островном режиме . Работа генераторов параллельно обеспечивает преимущество избыточности и может обеспечить более высокую эффективность при частичных нагрузках. Установка подключает генераторные установки и отключает их в зависимости от потребностей системы в данный момент времени. Островная электростанция, предназначенная для первичного источника питания изолированного сообщества, часто будет иметь по крайней мере три дизельных генератора, любые два из которых рассчитаны на требуемую нагрузку. Группы до 20 не являются редкостью.
Генераторы могут быть электрически соединены посредством процесса синхронизации . Синхронизация включает в себя согласование напряжения , частоты и фазы перед подключением генератора к системе. Невыполнение синхронизации до подключения может привести к высокому току короткого замыкания или износу генератора или его распределительного устройства . Процесс синхронизации может быть выполнен автоматически модулем автосинхронизатора или вручную обученным оператором. Автосинхронизатор будет считывать параметры напряжения, частоты и фазы с напряжений генератора и шин , одновременно регулируя скорость с помощью регулятора двигателя или ECM (модуля управления двигателем).
Нагрузка может быть разделена между параллельно работающими генераторами посредством распределения нагрузки. Распределение нагрузки может быть достигнуто с помощью управления скоростью падения, контролируемой частотой на генераторе, при этом он постоянно регулирует управление топливом двигателя, чтобы перераспределять нагрузку на оставшиеся источники энергии и с них. Дизельный генератор будет брать на себя большую нагрузку, когда подача топлива в его систему сгорания увеличивается, в то время как нагрузка уменьшается, если подача топлива уменьшается.
Помимо своей общеизвестной роли в качестве источников питания при отключениях электроэнергии, дизель-генераторные установки также регулярно поддерживают основные электросети по всему миру двумя различными способами:
Аварийные резервные дизельные генераторы, такие как те, что используются в больницах и водопроводных станциях, в качестве вторичной функции широко используются в США и, в недавнем прошлом, в Великобритании для поддержки соответствующих национальных сетей время от времени по разным причинам. В Великобритании тендеры, известные как краткосрочный оперативный резерв, демонстрировали довольно изменчивые цены, и с 2012 года объем участия со стороны спроса, который в основном влечет за собой использование дизельного топлива на месте, снизился по мере падения цен на торгах. Около 0,5 ГВт дизельного топлива время от времени использовались для поддержки Национальной сети , пиковая нагрузка которой составляет около 60 ГВт. Это установки в диапазоне размеров от 200 кВт до 2 МВт. Обычно это происходит, например, во время внезапной потери большой обычной станции мощностью 660 МВт или внезапного неожиданного роста спроса на электроэнергию, подрывающего нормальный доступный вращающийся резерв. [1]
Это выгодно для обеих сторон — дизели уже были приобретены по другим причинам, но для надежности их необходимо полностью протестировать под нагрузкой. Параллельное подключение к сети — удобный способ сделать это. Этот метод работы обычно реализуется сторонним агрегатором, который управляет работой генераторов и взаимодействием с системным оператором.
В некоторых случаях эти дизели могут быть запущены и работать параллельно всего за две минуты, без какого-либо воздействия на объект (офис или завод не нужно останавливать). Это намного быстрее, чем базовая электростанция, которая может работать 12 часов из холодного состояния, и быстрее, чем газовая турбина, которая может работать несколько минут. Хотя дизельное топливо очень дорого с точки зрения топлива, оно используется только несколько сотен часов в год в этой работе, и его доступность может предотвратить необходимость в базовой станции, работающей неэффективно при частичной нагрузке непрерывно. Используемое дизельное топливо — это топливо, которое в любом случае использовалось бы при тестировании.
В Великобритании National Grid обычно может рассчитывать на сокращение спроса потребителей примерно на 2 ГВт за счет резервного дизельного топлива, которое будет самодиспетчеризировано в течение примерно 10–40 часов в год в периоды ожидаемого пикового национального спроса. National Grid не контролирует эти дизельные электростанции — ими управляет клиент, чтобы избежать платы за использование системы «триадной» сети передачи (TNUoS), которая взимается только с потребления каждого сайта в течение трех получасов пикового национального спроса. Заранее неизвестно, когда наступят три получаса пикового национального спроса (периоды «триады»), поэтому клиент должен эксплуатировать свой дизель гораздо больше получасов в год, чем просто три.
Общая мощность надежно работающей резервной генерации в Великобритании оценивается примерно в 20 ГВт, почти вся из которых приводится в действие дизельными двигателями. Это эквивалентно почти 29% пиковой мощности британской системы, хотя только очень небольшая часть будет когда-либо вырабатываться одновременно. Большинство установок предназначены для крупных офисных зданий, больниц, супермаркетов и различных установок, где важна непрерывная подача энергии, таких как аэропорты. Поэтому большинство из них находятся в городских районах, особенно в городских и коммерческих центрах. По оценкам, около 10% установок превышают 1 МВт, около 50% находятся в диапазоне 200 кВт-1 МВт, а остальные 40% — ниже 200 кВт. Хотя она растет, считается, что только очень небольшая часть регулярно используется для снижения пиковой нагрузки, подавляющее большинство используется только для резервной генерации. Информация в этом параграфе взята из раздела 6.9 правительственного отчета: «Преодоление барьеров при планировании встроенной генерации для поддержки распределительных сетей» [3]
В Великобритании все чаще используются батареи дизельных генераторов (известные как «дизельные фермы») для балансировки колебаний выработки возобновляемых источников энергии, таких как ветряные электростанции . [4]
Похожая система британского Short-Term Operating Reserve действует во Франции. Она известна как EJP; в периоды стресса в сети специальные тарифы могут мобилизовать не менее 5 ГВт дизель-генераторных установок, чтобы они стали доступными. В этом случае основная функция дизеля — подача электроэнергии в сеть.
Во время нормальной работы в синхронизации с электросетью электростанции управляются с пятипроцентным контролем скорости падения . Это означает, что скорость полной нагрузки составляет 100%, а скорость холостого хода — 105%. Это необходимо для стабильной работы сети без рывков и отключений электростанций. Обычно изменения скорости незначительны. Регулировка выходной мощности осуществляется путем медленного повышения кривой падения путем увеличения давления пружины на центробежном регуляторе . Как правило, это базовое системное требование для всех электростанций, поскольку старые и новые станции должны быть совместимы в ответ на мгновенные изменения частоты без зависимости от внешней связи. [5]
Расход топлива составляет основную часть расходов на владение и эксплуатацию дизельной установки для энергетических приложений, тогда как капитальные затраты являются основной проблемой для резервных генераторов. Удельный расход варьируется, но современная дизельная установка при почти оптимальной нагрузке 65-70% будет генерировать не менее 3 кВт·ч на литр (приблизительно 30% коэффициент эффективности топлива ). [6] [7]
Генераторы должны обеспечивать ожидаемую требуемую мощность надежно и без повреждений, и это достигается путем присвоения производителем одной или нескольких оценок конкретной модели генераторной установки. Конкретная модель генератора, работающая в качестве резервного генератора, может работать только несколько часов в год, но та же модель, работающая в качестве основного генератора, должна работать непрерывно. Во время работы резервный генератор может работать с указанной перегрузкой, например, 10%, которая может быть допустима в течение ожидаемого короткого времени работы. Генератор той же модели будет иметь более высокую оценку для резервной работы, чем для непрерывной работы. Производители присваивают каждой установке оценку на основе согласованных на международном уровне определений.
Эти стандартные определения рейтингов призваны обеспечить возможность корректного сравнения показателей разных производителей, не допустить ошибок в рейтинге машин производителей и предоставить проектировщикам рекомендации.
Определения рейтинга генератора
Резервный рейтинг основан на Применимо для аварийного питания на время обычного отключения питания. Для этого рейтинга недоступна постоянная перегрузочная способность. (Эквивалентно топливной мощности остановки по ISO3046, AS2789, DIN6271 и BS5514). Номинальный рейтинг.
Типичное применение — аварийные электростанции в больницах, офисах, на заводах и т. д. Не подключены к электросети.
Рейтинг Prime (неограниченное время работы): не следует использовать для строительной энергетики. Выход доступен с переменной нагрузкой в течение неограниченного времени. Типичный пиковый спрос составляет 100% от номинала Prime ekW с 10% перегрузочной способностью для аварийного использования в течение максимум 1 часа из 12. [ требуется ссылка ] 10% перегрузочная способность доступна в течение ограниченного времени. (Эквивалент Prime Power по ISO8528 и Overload Power по ISO3046, AS2789, DIN6271 и BS5514). Этот рейтинг не применяется ко всем моделям генераторных установок.
Типичное применение — когда генератор является единственным источником электроэнергии, например, на удаленной горнодобывающей или строительной площадке, ярмарке, фестивале и т. д.
Базовая нагрузка (непрерывная) Оценка основана на: Применимо для непрерывной подачи питания на постоянную нагрузку вплоть до полной выходной мощности в течение неограниченного количества часов. Для этой оценки недоступна постоянная перегрузочная способность. Проконсультируйтесь с авторизованным дистрибьютором по поводу оценки. (Эквивалентно непрерывной мощности по ISO8528, ISO3046, AS2789, DIN6271 и BS5514). Эта оценка не применяется ко всем моделям генераторных установок
Типичное применение — генератор, работающий на постоянную неизменную нагрузку или работающий параллельно с сетью и непрерывно подающий мощность на максимально допустимом уровне 8760 часов в год. Это также относится к установкам, используемым для экономии пиковых нагрузок и/или поддержки сети, хотя это может происходить только, скажем, 200 часов в год.
Например, если в определенном наборе резервный рейтинг был 1000 кВт, то основной рейтинг может быть 850 кВт, а непрерывный рейтинг 800 кВт. Однако эти рейтинги различаются в зависимости от производителя и должны быть взяты из паспорта производителя.
Часто на табличке с техническими данными комплекта могут быть указаны все три номинала, но иногда он может иметь только резервный или только основной номинал.
Однако обычно размер набора определяется размером максимальной нагрузки, которая должна быть подключена, и допустимым максимальным падением напряжения, а не самими номиналами. Если набор требуется для запуска двигателей, то он должен быть как минимум в три раза больше самого большого двигателя, который обычно запускается первым. Это означает, что он вряд ли будет работать где-либо вблизи номиналов выбранного набора.
Многие производители генераторных установок имеют программное обеспечение, которое позволяет правильно выбрать установку для любой заданной комбинации нагрузки. Размеры определяются на основе условий на месте и типа приборов, оборудования и устройств, которые будут питаться от генераторной установки. [8]
Дизельное топливо названо в честь дизельных двигателей, а не наоборот; дизельные двигатели — это просто двигатели с воспламенением от сжатия, которые могут работать на различных видах топлива в зависимости от конфигурации и местоположения. Там, где доступно подключение к газовой сети, часто используется газ, поскольку газовая сеть будет оставаться под давлением почти во время всех отключений электроэнергии. Это реализуется путем введения газа с всасываемым воздухом и использования небольшого количества дизельного топлива для зажигания. Переход на 100% работу на дизельном топливе может быть достигнут мгновенно. [9]
В более сельских условиях или для установок с низким коэффициентом нагрузки дизельное топливо , полученное из сырой нефти , является обычным топливом; оно менее подвержено замерзанию, чем более тяжелые масла. Продолжительность работы будет ограничена размером бака. Дизельные двигатели могут работать со всем спектром дистиллятов сырой нефти , от природного газа , спиртов , бензина и древесного газа до мазута от дизельного топлива до более дешевых остаточных топлив, которые похожи на сало при комнатной температуре и должны быть нагреты, чтобы течь по топливной магистрали. [10]
Более крупные двигатели (примерно от 3 МВтэ до 30 МВтэ) иногда используют тяжелые масла, по сути, смолы, полученные в конце процесса переработки. Небольшая дополнительная сложность поддержания мазута в нагретом состоянии для обеспечения его текучести, при одновременном снижении риска возгорания, возникающего из-за перегрева топлива, делает эти виды топлива непопулярными для небольших, часто необслуживаемых, электростанций.
Другие возможные виды топлива включают: биодизель , растительное масло , животные жиры и жиры , глицерин и угольно-водяной шлам . Их следует использовать с осторожностью: из-за их состава двигатель должен быть правильно отрегулирован, иначе они окажут пагубное влияние на срок службы двигателя. Например, двигатели, использующие угольно-водяной шлам, часто модифицируются более крупными инжекторами, чтобы обеспечить впрыск топлива с более высокой плотностью за короткую долю секунды, необходимую для этого. Другие виды топлива с высокой вязкостью, такие как жир, растительное масло или парафиновый воск , можно использовать со стандартными топливными инжекторами, если топливо предварительно нагреть, чтобы снизить его вязкость до диапазона стандартного дизельного топлива. Двигатель, спроектированный и построенный Рудольфом Дизелем для Всемирной выставки 1900 года, работал на арахисовом масле, а не на нефтепродукте, как большинство современных двигателей, использующих его систему.