_Generator_Set.jpg/1280px-Caterpillar_(Olympian)_Generator_Set.jpg)
Дизель -генератор (ДГ) (также известный как дизель-генераторная установка) представляет собой комбинацию дизельного двигателя с электрическим генератором (часто генератором переменного тока ) для выработки электрической энергии . Это частный случай двигателя-генератора . Дизельный двигатель с воспламенением от сжатия обычно предназначен для работы на дизельном топливе , но некоторые типы адаптированы для работы на другом жидком топливе или природном газе (СПГ).
Дизельные генераторные установки используются в местах, где нет подключения к электросети или в качестве аварийного источника питания в случае сбоя в сети, а также для более сложных задач, таких как снижение пиковых нагрузок, поддержка сети и экспорт в энергосистему.
Размер дизельного генератора имеет решающее значение для минимизации низкой нагрузки или дефицита мощности. Определение размеров осложняется характеристиками современной электроники , в частности нелинейными нагрузками. Газовая турбина открытого цикла мощностью около 50 МВт и выше более эффективна при полной нагрузке, чем ряд дизельных двигателей, и гораздо более компактна, с сопоставимыми капитальными затратами; но для регулярной частичной нагрузки, даже на этих уровнях мощности, дизельные установки иногда предпочтительнее газовых турбин открытого цикла из-за их более высокого КПД.
Упакованная комбинация дизельного двигателя , генератора и различных вспомогательных устройств (таких как основание, навес, шумоглушитель, системы управления , автоматические выключатели , водонагреватели рубашки и система запуска) называется «генераторной установкой» или системой запуска. «генераторная установка» для краткости.
Размеры комплектов варьируются от 8 до 30 кВт (также от 8 до 30 кВА, однофазные ) для домов, небольших магазинов и офисов, а более крупные промышленные генераторы — 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-метровом) контейнере ISO с топливным баком, органами управления, оборудованием распределения электроэнергии и всем другим оборудованием, необходимым для работы в качестве автономной электростанции или в качестве резервного источника питания из сети. Эти агрегаты, называемые силовыми модулями, представляют собой генераторные установки на больших трехосных прицепах массой 85 000 фунтов (38 555 кг) или более. Комбинация этих модулей используется для небольших электростанций, и на каждой силовой секции может быть от одного до 20 блоков. Эти секции могут быть объединены для включения сотен силовых модулей. В этих больших размерах силовой модуль (двигатель и генератор) доставляются на площадку на прицепах отдельно и соединяются большими кабелями и кабелем управления, образуя полную синхронизированную электростанцию . Также существует ряд опций для удовлетворения конкретных потребностей, включая панели управления для автоматического запуска и параллельного подключения к сети, акустические навесы для стационарного или мобильного применения, вентиляционное оборудование, системы подачи топлива, вытяжные системы и т. д.
Дизельные генераторы предназначены не только для аварийного электроснабжения, но также могут выполнять второстепенную функцию подачи электроэнергии в коммунальные сети либо в периоды пиковой нагрузки, либо в периоды, когда существует нехватка мощных генераторов электроэнергии. В Великобритании эта программа осуществляется национальной сетью и называется STOR.
На судах часто также используются дизельные генераторы, иногда не только для обеспечения вспомогательной энергии для освещения, вентиляторов, лебедок и т. д., но и косвенно для обеспечения главной двигательной установки . Благодаря электрической силовой установке генераторы можно разместить в удобном положении, чтобы можно было перевозить больше груза. Электроприводы для кораблей были разработаны еще до Первой мировой войны . Электроприводы использовались на многих военных кораблях, построенных во время Второй мировой войны , поскольку производственных мощностей для производства больших редукторов не хватало по сравнению с мощностями по производству электрического оборудования. [1] Такая дизель-электрическая установка также используется в некоторых очень больших наземных транспортных средствах, таких как железнодорожные локомотивы .
Генераторные установки выбираются на основе электрической нагрузки , для питания которой они предназначены, характеристик электрической нагрузки, таких как кВт , кВА , вар , содержание гармоник , импульсные токи (например, пусковой ток двигателя) и нелинейные нагрузки . Также необходимо учитывать ожидаемый режим работы (например, аварийный, основной или непрерывный режим), а также условия окружающей среды (например, высоту над уровнем моря, температуру и нормы по выбросам выхлопных газов).
Большинство крупных производителей генераторных установок предлагают программное обеспечение , которое позволяет выполнять сложные расчеты путем простого ввода условий на месте и характеристик подключенной электрической нагрузки .
Один или несколько дизель-генераторов, работающих без подключения к электрической сети, называются работающими в островном режиме . Параллельная работа генераторов обеспечивает преимущество резервирования и может обеспечить более высокую эффективность при частичных нагрузках. Завод вводит в эксплуатацию генераторные установки и отключает их в зависимости от потребностей системы в данный момент времени. Островная электростанция, предназначенная в качестве основного источника электроэнергии для изолированного населенного пункта, часто будет иметь как минимум три дизель-генератора, любые два из которых рассчитаны на необходимую нагрузку. Группы до 20 человек не редкость.
Генераторы могут быть электрически соединены посредством процесса синхронизации . Синхронизация предполагает согласование напряжения , частоты и фазы перед подключением генератора к системе. Невыполнение синхронизации перед подключением может привести к высокому току короткого замыкания или износу генератора или его распределительного устройства . Процесс синхронизации может выполняться автоматически модулем автосинхронизации или вручную проинструктированным оператором. Автосинхронизатор считывает параметры напряжения, частоты и фазы из напряжений генератора и шин , одновременно регулируя скорость с помощью регулятора двигателя или ECM (модуля управления двигателем).
Нагрузка может быть распределена между параллельно работающими генераторами посредством распределения нагрузки. Распределение нагрузки может быть достигнуто за счет использования управления падением скорости , управляемого частотой генератора, при этом он постоянно регулирует управление подачей топлива двигателя для переключения нагрузки на оставшиеся источники энергии и обратно. Дизельный генератор будет воспринимать большую нагрузку, когда подача топлива в его систему сгорания увеличивается, а нагрузка снимается, если подача топлива уменьшается.
Помимо своей хорошо известной роли в качестве источника питания во время сбоев в электроснабжении, дизель-генераторные установки также регулярно поддерживают основные электросети по всему миру двумя различными способами:
Аварийные резервные дизельные генераторы, например те, которые используются в больницах и на водоочистных станциях, в качестве второстепенной функции широко используются в США, а в недавнем прошлом и в Великобритании для поддержки соответствующих национальных сетей время от времени по ряду причин. . В Великобритании тендеры, известные как краткосрочный операционный резерв, показали довольно переменные цены, и с 2012 года объем участия со стороны спроса, которое в основном влечет за собой использование дизельных двигателей на месте, снизился по мере падения предлагаемых цен. Около 0,5 ГВт дизелей время от времени использовались для поддержки Национальной энергосистемы , пиковая нагрузка которой составляет около 60 ГВт. Это комплекты мощностью от 200 кВт до 2 МВт. Обычно это происходит, например, во время внезапного выхода из строя крупной традиционной электростанции мощностью 660 МВт или внезапного неожиданного увеличения спроса на электроэнергию, разрушающего нормальный доступный резерв вращения. [2]
Это выгодно обеим сторонам – дизели уже закуплены по другим причинам, но для надежности необходимо пройти полную нагрузочную проверку. Распараллеливание сетки — удобный способ сделать это. Этот метод работы обычно осуществляет сторонний агрегатор, который управляет работой генераторов и взаимодействием с системным оператором.
В некоторых случаях эти дизели могут запускаться и работать параллельно всего за две минуты, без какого-либо воздействия на объект (офис или завод не должны останавливаться). Это намного быстрее, чем электростанция с базовой нагрузкой, которая может работать в холодном состоянии 12 часов, и быстрее, чем газовая турбина, которая может работать несколько минут. Хотя дизели очень дороги с точки зрения топлива, они используются для этой работы всего несколько сотен часов в год, и их доступность может предотвратить необходимость в неэффективной непрерывной работе станции с базовой нагрузкой при частичной нагрузке. Используемое дизельное топливо — это топливо, которое в любом случае использовалось бы при испытаниях.
В Великобритании National Grid обычно может рассчитывать на сокращение потребительского спроса примерно на 2 ГВт за счет автономной работы резервных дизелей примерно на 10–40 часов в год во время ожидаемого пикового национального спроса. National Grid не контролирует эти дизели - ими управляет клиент, чтобы избежать платы за использование системы передачи в «тройной» сети (TNUoS), которая взимается только с потребления каждого участка в течение трех получасов пикового национального спроса. Заранее неизвестно, когда наступят три получаса пикового национального спроса (периоды «триады»), поэтому заказчик должен эксплуатировать свои дизели гораздо больше получаса в год, чем просто три.
Общая мощность надежно работающих резервных электростанций в Великобритании оценивается примерно в 20 ГВт, почти вся из которых приводится в движение дизельными двигателями. Это эквивалентно почти 29% пиковой мощности британской системы, хотя лишь очень небольшая часть будет генерировать электроэнергию одновременно. Самая большая установка предназначена для крупных офисных зданий, больниц, супермаркетов и различных объектов, где важно непрерывное электроснабжение, например аэропортов. Таким образом, большинство из них проживает в городских районах, особенно в городских и коммерческих центрах. По оценкам, мощность около 10% электростанции превышает 1 МВт, около 50% находится в диапазоне 200–1 МВт, а остальные 40% — ниже 200 кВт. Несмотря на то, что он растет, считается, что лишь очень небольшая его часть регулярно используется для снижения пиковой нагрузки, а 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 банки дизельных генераторов (известные как «дизельные фермы»), чтобы сбалансировать колеблющуюся выработку возобновляемых источников энергии, таких как ветряные электростанции . [4]
Система, аналогичная Британской системе краткосрочного операционного резерва, действует во Франции. Он известен как EJP; в периоды перенапряжения в сети специальные тарифы могут обеспечить доступность дизель-генераторных установок мощностью не менее 5 ГВт. В этом случае основной функцией дизеля является подача электроэнергии в сеть.
Во время нормальной работы при синхронизации с электросетью электростанции управляются с пятипроцентным снижением скорости . Это означает, что скорость при полной нагрузке равна 100 %, а скорость при холостом ходу — 105 %. Это необходимо для стабильной работы сети без люфтов и отключений электростанций. Обычно изменения скорости незначительны. Регулировка выходной мощности осуществляется путем медленного подъема кривой падения за счет увеличения давления пружины центробежного регулятора . Как правило, это основное системное требование для всех электростанций, поскольку старые и новые станции должны быть совместимыми в ответ на мгновенные изменения частоты, не завися от внешней связи. [5]
Потребление топлива составляет основную часть затрат на владение и эксплуатацию дизельных электростанций, тогда как капитальные затраты являются основной проблемой для резервных генераторов. Удельное потребление варьируется, но современная дизельная установка при почти оптимальной загрузке 65-70% будет генерировать не менее 3 кВтч на литр ( коэффициент эффективности использования топлива около 30% ). [6] [7]
Генераторы должны обеспечивать ожидаемую необходимую мощность надежно и без повреждений, и это достигается путем присвоения производителем одной или нескольких характеристик конкретной модели генераторной установки. Конкретной модели генератора, работающего в качестве резервного генератора, может потребоваться работать всего несколько часов в год, но та же модель, работающая в качестве основного генератора, должна работать непрерывно. Во время работы резервный генератор может работать с заданной, например, 10% перегрузкой, которую можно допускать в течение ожидаемого короткого времени работы. Генератор одной и той же модели будет иметь более высокий рейтинг для работы в режиме ожидания, чем для непрерывной работы. Производители присваивают каждому набору рейтинг , основанный на международно признанных определениях.
Эти стандартные определения рейтингов предназначены для обеспечения достоверного сравнения производителей, предотвращения ошибочной оценки производителями своих машин и помощи разработчикам.
Определения номинальных характеристик генератора
Номинальные параметры режима ожидания основаны на Применимо для подачи аварийного питания на время обычного отключения питания. Для этого номинала невозможна устойчивая перегрузка. (Эквивалент мощности остановки подачи топлива в соответствии с ISO3046, AS2789, DIN6271 и BS5514). Номинальный рейтинг.
Типичное применение – аварийные электростанции в больницах, офисах, на заводах и т. д. Не подключены к сети.
Рейтинг Prime (неограниченное время работы): не следует использовать для применения в строительстве. Выход доступен при различной нагрузке в течение неограниченного времени. Типичная пиковая нагрузка 100 % номинальной мощности в кВт с 10 % перегрузочной способности для аварийного использования в течение максимум 1 часа из 12. [ нужна ссылка ] Перегрузочная способность 10 % доступна в течение ограниченного времени. (Эквивалент основной мощности в соответствии с ISO8528 и мощности перегрузки в соответствии с ISO3046, AS2789, DIN6271 и BS5514). Этот рейтинг применим не ко всем моделям генераторных установок.
Типичное применение — когда генератор является единственным источником энергии, например, на удаленной горнодобывающей или строительной площадке, на ярмарке, на фестивале и т. д.
Номинальная базовая нагрузка (непрерывная) основана на: Применяется для непрерывной подачи питания на постоянную нагрузку до полной выходной мощности в течение неограниченного количества часов. Для этого номинала невозможна устойчивая перегрузка. Для получения рейтинга обратитесь к авторизованному дистрибьютору. (Эквивалент непрерывной мощности в соответствии с ISO8528, ISO3046, AS2789, DIN6271 и BS5514). Этот рейтинг применим не ко всем моделям генераторных установок.
Типичное применение – генератор, работающий при постоянной неизменной нагрузке или работающий параллельно с сетью и непрерывно выдающий мощность на максимально допустимом уровне 8760 часов в год. Это также относится к наборам, используемым для экономии пиковой нагрузки и/или поддержки сети, даже если это может происходить только, скажем, 200 часов в год.
Например, если в конкретном наборе номинальная мощность в режиме ожидания составляла 1000 кВт, то номинальная мощность основной мощности может составлять 850 кВт, а номинальная мощность непрерывного действия — 800 кВт. Однако эти рейтинги различаются в зависимости от производителя, и их следует брать из таблицы данных производителя.
Часто набору могут быть присвоены все три номинала, указанные на табличке с техническими данными, но иногда он может иметь только резервный рейтинг или только основной рейтинг.
Однако обычно размер максимальной нагрузки, которую необходимо подключить, и допустимое максимальное падение напряжения определяют установленный размер, а не сами номиналы. Если комплект необходим для запуска двигателей, то он должен быть как минимум в три раза мощнее двигателя, который обычно запускается первым. Это означает, что он вряд ли будет работать хотя бы близко к рейтингам выбранного набора.
Многие производители генераторных установок имеют программное обеспечение, которое позволяет правильно выбрать установку для любой заданной комбинации нагрузок. Выбор параметров зависит от условий площадки и типа приборов, оборудования и устройств, которые будут питаться от генераторной установки. [8]
Дизельное топливо названо в честь дизелей, а не наоборот; Дизельные двигатели представляют собой просто двигатели с воспламенением от сжатия и 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 остается под давлением почти во время всех отключений электроэнергии. Это реализуется за счет подачи газа с всасываемым воздухом и использования для воспламенения небольшого количества дизельного топлива. Переход на 100% работу на дизельном топливе может быть достигнут мгновенно. [9]
В сельской местности или на станциях с низким коэффициентом загрузки обычным топливом является дизельное топливо , полученное из сырой нефти ; вероятность замерзания меньше, чем у более тяжелых масел. Выносливость будет ограничена размером резервуара. Дизельные двигатели могут работать с полным спектром дистиллятов сырой нефти : от природного газа , спиртов , бензина и древесного газа до мазута , от дизельного топлива до более дешевых остаточных топлив, которые при комнатной температуре подобны салу, и их необходимо нагревать, чтобы они могли работать. стекать по топливопроводу. [10]
В двигателях большей мощности (примерно от 3 до 30 МВт) иногда используются тяжелые масла, в основном смолы, полученные в результате процесса переработки. Небольшая дополнительная сложность поддержания мазута в нагретом состоянии, чтобы он мог течь, одновременно снижая риски возгорания, возникающие из-за перегрева топлива, делает это топливо непопулярным для небольших, часто беспилотных, электростанций.
Другие возможные виды топлива включают: биодизель , растительное масло , животные жиры и жиры , глицерин и водоугольную суспензию . Их следует использовать с осторожностью: из-за их состава двигатель необходимо правильно отрегулировать, иначе они пагубно влияют на срок службы двигателя. Например, двигатели, использующие водоугольную суспензию, часто модифицируются форсунками большего размера, чтобы обеспечить впрыск топлива с более высокой плотностью за короткую долю секунды. Другие виды топлива с высокой вязкостью, такие как жир, растительное масло или парафин, можно использовать со стандартными топливными форсунками, если топливо предварительно нагрето для снижения его вязкости до уровня стандартного дизельного топлива. Двигатель, спроектированный и построенный Рудольфом Дизелем для Всемирной выставки 1900 года , работал на арахисовом масле, а не на нефтепродуктах, как большинство современных двигателей, использующих его систему.