Hoe kiest u de juiste aardgasgeneratorsets voor uw toepassing?

EENardgasgeneratorsets hebben zichzelf gevestigd als een van de commercieel en technisch meest significante oplossingen voor energieopwekking die beschikbaar zijn voor toepassingen op residentieel, commercieel, industrieel en nutsgebied. Deze generatorsets verbranden aardgas in plaats van diesel of zware stookolie en leveren elektrische stroom met lagere emissies, lagere brandstofkosten in de meeste markten en een betere betrouwbaarheid van de brandstoftoevoer via pijpleidinginfrastructuur die niet onderhevig is aan de uitdagingen op het gebied van opslag, transport en vervuiling van de logistiek van vloeibare brandstoffen. Voor activiteiten die standby-stroom, continue stroom of gecombineerde warmte- en stroomopwekking vereisen, biedt een aardgasgeneratorset een overtuigende combinatie van prestaties en zuinigheid die dieselalternatieven steeds vaker niet kunnen evenaren naarmate de brandstofprijzen en emissievoorschriften blijven evolueren.

De directe conclusie voor iedereen die aardgasgeneratorsets evalueert is deze: voor continue of primaire energieopwekking waarbij aardgas beschikbaar is, leveren aardgasgeneratorsets lagere emissies, lagere brandstofkosten per kilowattuur en lagere onderhoudskosten op de lange termijn dan vergelijkbare dieselsets, terwijl een vergelijkbaar elektrisch rendement wordt bereikt over het vermogensbereik van 20 kW tot ruim boven 10 megawatt per eenheid. Voor standby-toepassingen zijn aardgassets afhankelijk van de betrouwbaarheid van de gasleveringsinfrastructuur, die voor de specifieke locatie moet worden beoordeeld. Waar de gastoevoer betrouwbaar is, heeft de aardgasgeneratorset de voorkeur voor de meeste permanente standby- en continue stroomtoepassingen. Dit artikel behandelt de technologie, prestatiespecificaties, toepassingen en selectiecriteria voor aardgasgeneratorsets in volledige praktische diepgang.

Hoe aardgasgeneratorsets werken

A Aardgasgeneratorset combineert een op aardgas werkende interne verbrandingsmotor met een synchrone wisselstroomgenerator (alternator) gemonteerd op een gemeenschappelijk basisframe, waarbij alle noodzakelijke hulpsystemen voor starten, regeling, koeling en uitlaatgasbehandeling geïntegreerd zijn in één enkel inzetbaar pakket. De motor verbrandt een mengsel van aardgas en lucht in de verbrandingskamers, waarbij de chemische energie van het gas wordt omgezet in mechanische rotatie-energie die de generatoras aandrijft, die op zijn beurt de elektrische output produceert. Het gehele samenstel, inclusief de motor, de generator, het bedieningspaneel, de koelradiator en de geluiddempende behuizing, indien gespecificeerd, vormt het pakket van de generatorset.

Motortypen die worden gebruikt in aardgasgeneratorsets

Aardgasgeneratorsets worden geproduceerd met twee hoofdmotortypen, en de keuze daartussen heeft aanzienlijke gevolgen voor de efficiëntie, het vermogen en de geschiktheid voor toepassingen:

• Gasmotoren met vonkontsteking (Ottocyclus): Het standaard motortype voor aardgasgeneratorsets. Aardgas, dat een gasvormige brandstof is, kan niet zoals diesel door compressie worden ontstoken, omdat het niet automatisch ontbrandt bij de compressieverhoudingen die in praktische gasmotoren worden gebruikt. In plaats daarvan wordt het lucht-brandstofmengsel ontstoken door een bougie op het optimale punt in de compressieslag. Moderne gasmotoren met vonkontsteking maken gebruik van arme verbrandingstechnologie, waarbij de lucht-brandstofverhouding aanzienlijk groter is dan stoichiometrisch (typisch lambda 1,6 tot 2,0 of hoger), waardoor de piekverbrandingstemperaturen worden verlaagd, de NOx-uitstoot wordt verlaagd en de thermische efficiëntie wordt verbeterd. Premium lean burn-gasmotoren bereiken een elektrisch rendement van 40 tot 45 procent bij volledige belasting in het vermogensbereik van 500 kW tot 10 MW, wat direct vergelijkbaar is met moderne dieselmotoren en aanzienlijk beter dan het rendement van 30 tot 35 procent dat typisch is voor oudere stoichiometrische gasmotoren.
• Pilot-ontstoken (dual-fuel) motoren: Grote aardgasmotoren, vooral in het megawattbereik, gebruiken soms een kleine hoeveelheid dieselbrandstof (de pilot-injectie) om in elke cilinder een overwegend aardgas-luchtmengsel te ontsteken. De dieselpilot zorgt voor een betrouwbaar, nauwkeurig ontstekingstijdstip in cilinders met grote boring, waarbij het bereik en de betrouwbaarheid van de bougie een grotere uitdaging vormen dan bij kleinere motoren. Dual Fuel-motoren bieden de extra flexibiliteit om alleen op diesel te kunnen werken als de gastoevoer wordt onderbroken, ten koste van een grotere mechanische complexiteit en de noodzaak om naast de gastoevoer ook een dieselbrandstofvoorraad in stand te houden.

Het generatoronderdeel

De synchrone wisselstroomgenerator in een aardgasgeneratorset zet de mechanische rotatie van de krukas van de motor om in driefasige elektrische wisselstroom met de spanning en frequentie die zijn gespecificeerd voor de toepassing (doorgaans 400 V of 11 kV bij 50 Hz op Europese en Aziatische markten, en 480 V of 13,8 kV op 60 Hz op Noord-Amerikaanse markten). Het ontwerp, de isolatieklasse en de koelmethode van de generator zijn afgestemd op het vermogen en de toepassing van de set. Borstelloze, zelfopwekkende generatoren met digitale spanningsregelaars (AVR) houden de uitgangsspanning binnen ±1 procent van het instelpunt over het volledige belastingsbereik en transiënte belastinggebeurtenissen, wat de specificatie is die vereist is voor compatibiliteit met de meeste gevoelige elektronische belastingen, waaronder servers, motoren met frequentieregelaars en medische apparatuur.

Overwegingen bij de brandstoftoevoer voor aardgasgeneratorsets

De operationele betrouwbaarheid van een aardgasgeneratorset is fundamenteel afhankelijk van de betrouwbaarheid en kwaliteit van de brandstoftoevoer, en het brandstoftoevoersysteem moet correct worden ontworpen als integraal onderdeel van de installatie van de generatorset. Aardgas wordt aan generatorsets geleverd via een van de drie primaire leveringsbronnen, elk met verschillende gevolgen voor betrouwbaarheid, druk en installatie:

• Pijpleiding voor aardgasbedrijf: De meest voorkomende leveringsbron voor permanente installaties in gebieden die worden bediend door een gasdistributie-infrastructuur. Pijpleidinggas wordt geleverd onder distributiedruk (typisch 20 tot 200 mbar aan de eigendomsgrens in Groot-Brittannië, of 0,25 tot 2 bar in industriële leveringsnetwerken) en vereist een drukregelstation om de toevoerdruk te verminderen en te stabiliseren volgens de vereisten van het brandstofsysteem van de motor (typisch 20 tot 100 mbar bij de brandstofinlaat van de motor voor met vonk ontstoken magere verbrandingsmotoren). De gasvoorziening via pijpleidingen kent een zeer hoge betrouwbaarheid in ontwikkelde markten, met een jaarlijkse beschikbaarheid van doorgaans meer dan 99,9 procent in stedelijke en voorstedelijke gebieden.
• Gecomprimeerd aardgas (CNG): Voor locaties zonder toegang tot gas uit de openbare pijpleiding kan aardgas in gecomprimeerde vorm worden geleverd in hogedrukcilinders of op een aanhanger gemonteerde cilinderbundels met een druk tot 250 bar, waardoor een drukreductietrein nodig is om het gas op de brandstofinlaatomstandigheden van de motor te brengen. CNG-levering is praktisch voor installaties op afstand op de middellange termijn en biedt een levensvatbaar alternatief voor diesel op locaties waar de logistiek van de diesellevering een uitdaging is.
• Vloeibaar aardgas (LNG) en vloeibaar petroleumgas (LPG): LNG kan ter plaatse worden opgeslagen in cryogene tanks en worden verdampt om generatorsets te leveren op locaties ver van de pijpleidinginfrastructuur. LPG (propaan of butaan) biedt een alternatieve gasvormige brandstof met soortgelijke verbrandingseigenschappen als aardgas en kan worden gebruikt in op passende wijze omgebouwde generatorsets waar aardgas niet beschikbaar is. Zowel LNG als LPG vereisen gespecialiseerde opslag-, verdampings- en drukregelapparatuur.

Vergelijking van prestaties, emissies en efficiëntie

De prestatievoordelen van aardgasgeneratorsets ten opzichte van dieselalternatieven worden het duidelijkst zichtbaar wanneer de belangrijkste operationele gegevens worden vergeleken met gelijkwaardige vermogens. De volgende tabel geeft een vergelijking weer van typische prestatiecijfers voor moderne aardgas- en dieselgeneratorsets in het vermogensbereik van 500 kW tot 2 MW.

Belangrijkste toepassingen voor aardgasgeneratorsets

Aardgasgeneratorsets bedienen een breed scala aan energieopwekkingstoepassingen in meerdere sectoren, en de specifieke configuratie, het uitgangsvermogen en de benodigde ondersteunende systemen zijn afhankelijk van de rol waarvoor de generatorset is ontworpen:

• Gecombineerde warmte-krachtkoppelingsystemen (WKK): WKK-systemen, ook bekend als warmtekrachtkoppeling, vangen de restwarmte van het motorkoelsysteem van de generatorset en het uitlaatgas op om warm water of stoom te produceren voor ruimteverwarming, procesverwarming of absorptiekoeling. De totale energiegebruiksefficiëntie van een goed ontworpen WKK-installatie die gebruik maakt van een aardgasgeneratorset bereikt 80 tot 90 procent, vergeleken met 38 tot 44 procent voor alleen elektriciteitsopwekking, waardoor de energiekosten van faciliteiten die gelijktijdig warmte- en stroombehoefte hebben, zoals ziekenhuizen, hotels, universiteiten, voedselverwerkingsfabrieken en stadsverwarmingsnetwerken, dramatisch worden verlaagd.
• Continue en primaire energieopwekking: In regio's of faciliteiten waar de netaansluiting niet beschikbaar, onbetrouwbaar of te duur is om tot stand te brengen, leveren aardgasgeneratorsets continue stroom aan industriële faciliteiten, afgelegen gemeenschappen, mijnbouwactiviteiten en olie- en gasproductielocaties waar aardgas beschikbaar kan zijn als bijproduct van de productie. Aardgasgeneratorsets met primair vermogen zijn gespecificeerd voor continu gebruik op of bijna het volledige nominale vermogen, 24 uur per dag, 365 dagen per jaar, en zijn ontworpen met een robuuste constructie, koelcapaciteit en onderhoudsintervallen die geschikt zijn voor deze taak.
• Stand-by en noodstroom: Commerciële gebouwen, datacentra, gezondheidszorginstellingen, waterzuiveringsinstallaties en andere kritieke infrastructuur gebruiken aardgasgeneratorsets als de primaire back-upstroombron voor onderbrekingen van de netvoorziening. Stand-bysets voor aardgas bieden de voordelen dat er geen brandstofopslag op locatie nodig is (waarmee het brandrisico, de opslagregelgeving en de zorgen over brandstofdegradatie die gepaard gaan met diesel-stand-by worden geëlimineerd), terwijl ze starttijden van 10 tot 30 seconden bieden van stand-bymodus tot aanvaarding van volledige belasting, wat voldoet aan de automatische overdrachtsvereisten van de meeste noodstroomnormen voor faciliteiten.
• Stortgas- en biogas-energieopwekking: Aardgasgeneratorsets kunnen worden aangepast om te draaien op biogas uit stortplaatsen, anaërobe vergisters voor rioolwaterzuivering, vergisters voor landbouwafval en industriële biogasprocessen. Biogas bevat doorgaans 45 tot 65 volumeprocent methaan, waarbij kooldioxide en sporenverontreinigingen de rest vormen. Generatorsets die zijn geconfigureerd voor biogasgebruik maken gebruik van motoren met aangepaste compressieverhoudingen, ontstekingstijdstip en onderdelen van het brandstofsysteem die zijn geoptimaliseerd voor de lagere calorische waarde en variabele samenstelling van biogas, en kunnen gasconditioneringsapparatuur bevatten om vocht en waterstofsulfide te verwijderen die motoronderdelen in onbehandeld biogas zouden beschadigen.

Selecteren en specificeren van aardgasgeneratorsets

Het juiste selecteren Aardgasgeneratorset voor een specifieke toepassing vereist een systematische evaluatie van verschillende onderling verbonden technische en commerciële factoren die bepalen of de geselecteerde set betrouwbaar zal presteren, aan de wettelijke vereisten zal voldoen en het verwachte economische rendement zal opleveren gedurende zijn levensduur.

1. Vermogensvermogen en belastingsclassificatie: Het uitgangsvermogen van een generatorset moet worden gespecificeerd voor de juiste taak: stand-byvermogen (SPR) voor sets die alleen worden gebruikt tijdens stroomuitval; primair vermogen (PPR) voor sets die worden gebruikt als primaire stroombron met onbeperkte bedrijfsuren; en continu vermogen (CPR) voor sets die een constant basisbelastingvermogen leveren. Het standby-vermogen van een generatorset is doorgaans 10 tot 15 procent hoger dan het primaire vermogen voor dezelfde motorconfiguratie, omdat de standby-werking de set bij dit vermogen beperkt tot maximaal 500 uur per jaar, terwijl de primaire en continue vermogens voor onbepaalde tijd moeten worden gehandhaafd. Het specificeren van een set op standby-niveau voor continu gebruik is een veel voorkomende en ernstige fout die leidt tot voortijdige motorslijtage en een kortere levensduur.
2. Reductie van locatiehoogte en omgevingstemperatuur: Het vermogen van een gasmotor neemt af met toenemende hoogte (verminderde luchtdichtheid) en toenemende omgevingstemperatuur (verminderde luchtdichtheid en verhoogde koelbehoefte). Motorfabrikanten publiceren curven voor hoogte- en temperatuurreductie die moeten worden toegepast op het nominale nominale vermogen om het werkelijke beschikbare vermogen op de installatielocatie te bepalen. Voor een generatorset geïnstalleerd op 1500 meter boven zeeniveau in een klimaat waar de omgevingstemperatuur 40 graden Celsius bereikt, kan het verminderde vermogen 15 tot 25 procent onder het nominale vermogen liggen, en hiermee moet rekening worden gehouden bij de initiële berekening van de afmetingen.
3. Emissie-nalevingsvereisten: Gasmotorinstallaties zijn onderworpen aan emissielimieten die variëren per rechtsgebied, installatiegrootte en bedrijfsurenprofiel. Europese installaties van meer dan 1 MW zijn doorgaans onderworpen aan de emissielimieten van de Medium Combustion Plant Director (MCPD) voor NOx, CO en totale organische koolstof, terwijl installaties in schone luchtzones of in de buurt van woonwijken te maken kunnen krijgen met strengere lokale limieten. De motorselectie moet bevestigen dat de gecertificeerde emissieprestaties van de motor voldoen aan de toepasselijke wettelijke vereisten voor de specifieke locatie en het bedrijfsprofiel, inclusief eventuele vereisten voor nabehandeling met selectieve katalytische reductie (SCR) om NOx-limieten te bereiken waaraan de motor alleen niet kan voldoen.
4. Eisen aan geluidsniveau en akoestische behuizing: Aardgasgeneratorsets produceren aanzienlijke mechanische geluiden en verbrandingsgeluiden van de motor, de koelventilator en het uitlaatsysteem. De geïnstalleerde geluidsniveaus moeten voldoen aan de lokale plannings- en milieuvoorschriften op de locatiegrens en op de dichtstbijzijnde geluidsgevoelige receptor. De leverancier van de generatorset kan de set leveren in een akoestische overkapping of in een speciaal gebouwde akoestische behuizing die het geluid dempt tot het vereiste niveau. Het ontwerp van de behuizing moet rekening houden met zowel het directe uitgestraalde geluid van de motor als het door de constructie overgedragen geluid dat via de funderingen en de bouwconstructie wordt overgedragen.

Aardgasgeneratorsets vertegenwoordigen een van de meest effectieve en economisch verantwoorde investeringen in energieopwekking die beschikbaar zijn op de huidige energiemarkt, vooral voor toepassingen waarbij de combinatie van lagere brandstofkosten, lagere emissies, langere onderhoudsintervallen en het potentieel voor WKK-warmteterugwinning volledig kan worden gerealiseerd. Een grondige beoordeling van de locatie, de juiste belastingclassificatie, naleving van de emissie- en geluidsvoorschriften en afstemming op de aardgasvoorzieningsinfrastructuur van de locatie vormen de basis van een succesvolle generatorsetspecificatie die de verwachte prestaties en zuinigheid levert gedurende de hele levensduur van de set.