Как работает газогенератор?

Газовый генератор преобразует химическую энергию газообразного топлива, такого как природный газ, пропан или биогаз, в механическую энергию, а затем в электрическую энергию. Внутри генератора двигатель сжигает контролируемую смесь газа и воздуха для вращения коленчатого вала. Коленчатый вал приводит в движение генератор, который преобразует это механическое вращение в электричество переменного тока (AC).

Однако для промышленного применения газогенератор — это больше, чем двигатель и генератор переменного тока. Полная система может включать регулировку давления топлива, органы управления двигателем, охлаждение, выхлоп, регулировку напряжения, распределительное устройство, автоматический переключатель резерва (ATS), оборудование для синхронизации и удаленный мониторинг.

DIYPOWER предлагает решения для генераторов природного газа для промышленного резервного, основного, непрерывного и распределенного энергоснабжения. В этом руководстве объясняется, как работает газогенератор, его основные компоненты, варианты топлива, промышленное применение и ключевые факторы, которые следует учитывать при выборе системы..

Принцип работы газогенератора с первого взгляда

Основной процесс преобразования энергии:

Природный газ → Топливно-воздушная смесь → Сгорание → Движение поршней → Вращение коленчатого вала → Генератор → Электричество переменного тока → Нагрузка объекта

В резервной установке полная последовательность операций может быть следующей:

Отказ в электросети → ATS обнаруживает отключение → Генератор запускается → Двигатель достигает стабильной скорости → Генератор вырабатывает электроэнергию → ATS передает нагрузку → Устройство снабжения генератора

Хотя концепция проста, стабильная промышленная мощность зависит от точной координации между топливной системой, двигателем, генератором переменного тока, органами управления, системой охлаждения и электрораспределительным оборудованием.

Что такое газогенератор?

Газогенератор — это генераторная установка с приводом от двигателя, предназначенная для производства электроэнергии с использованием газообразного топлива.

В зависимости от конструкции двигателя и топливной системы он может работать на:

• Природный газ

• Пропан/СУГ

• Биогаз

• Свалочный газ

• Канализационный газ

• Другое подходящее газообразное топливо

Для промышленного производства электроэнергии генераторы природного газа особенно актуальны там, где имеется надежное газоснабжение.

В отличие от дизельных генераторов, которые обычно используют хранилище жидкого топлива на месте, системы природного газа с трубопроводным питанием могут получать топливо непосредственно из местной газовой сети. Это может снизить требования к хранению топлива на месте, хотя давление подачи газа, мощность и устойчивость все равно необходимо оценивать для каждого проекта.

Изучите генераторы природного газа DIYPOWER для конфигураций промышленных газовых генераторов.

Основные компоненты генератора природного газа

Понимание основных компонентов значительно облегчает соблюдение принципа работы.

1. Газовый двигатель

Двигатель преобразует энергию топлива в механическое вращение.

Природный газ поступает в двигатель через контролируемую систему подачи топлива и смешивается с воздухом для горения. В зависимости от конструкции двигателя стратегия сгорания может включать стехиометрический режим или режим сжигания обедненной смеси.

Смесь сжимается внутри цилиндров и воспламеняется, создавая давление, приводящее в движение поршни.

Поршни вращают коленчатый вал, производя механическую энергию вращения.

Для применений с частотой сети двигатели-генераторы обычно работают с контролируемой скоростью, соответствующей конфигурации полюсов генератора переменного тока и требуемой электрической частоте.

2. Система подачи топлива и регулирования давления.

Двигатели, работающие на природном газе, требуют правильного топлива:

• Давление

• Скорость потока

• Температура

• Состав

• Теплотворная способность

Газовая рампа может включать в себя:

• Запорная арматура

• Регуляторы давления

• Фильтры

• Электромагнитные клапаны

• Газосмесители или инжекционное оборудование

• Датчики давления

Стабильная подача топлива особенно важна для крупных промышленных генераторов, поскольку недостаточное давление или расход газа могут помешать двигателю достичь номинальной мощности.

3. Система воздухозаборника и сгорания.

Двигатель всасывает отфильтрованный воздух во впускную систему и смешивает его с газообразным топливом.

Современные системы управления двигателем регулируют состав топливовоздушной смеси в зависимости от нагрузки двигателя и условий эксплуатации.

После зажигания расширяющиеся дымовые газы толкают поршни вниз.

Это преобразует:

Химическая энергия → Тепловая энергия → Механическая энергия

4. Генератор переменного тока

Генератор преобразует механическое вращение двигателя в электрическую энергию.

Его двумя основными электромагнитными компонентами являются:

Ротор — вращающееся магнитное поле

Статор — стационарные обмотки, в которых индуцируется электрическое напряжение.

Когда ротор вращается внутри статора, электромагнитная индукция производит электричество переменного тока.

Выходное напряжение и частота должны оставаться в пределах, требуемых подключенной электрической системой.

5. Автоматический регулятор напряжения.

Автоматический регулятор напряжения (AVR) помогает поддерживать стабильное напряжение генератора при изменении электрической нагрузки.

Промышленные объекты могут содержать двигатели, насосы, компрессоры, системы HVAC, серверы и технологическое оборудование, которые могут вызывать быстрые изменения спроса.

AVR работает с системой возбуждения генератора переменного тока, чтобы поддерживать приемлемое напряжение во время этих изменений.

6. Контроллер генератора

Контроллер управляет и контролирует работу генератора.

В зависимости от системы он может отслеживать:

• Скорость двигателя

• Давление масла

• Температура охлаждающей жидкости

• Напряжение аккумулятора

• Напряжение генератора

• Частота

• Текущий

• Выходная мощность

• Часы работы

• Аварийные сигналы и условия отключения

Передовые промышленные системы также могут взаимодействовать с BMS, платформой SCADA, системой удаленного мониторинга или контроллером управления питанием.

7. Система охлаждения

При горении выделяется значительное количество тепла.

В промышленных газогенераторах обычно используются системы жидкостного охлаждения, состоящие из таких компонентов, как:

• Радиатор

• Насос охлаждающей жидкости

• Вентилятор

• Термостат

• Теплообменник

Система охлаждения поддерживает температуру двигателя в пределах рабочего диапазона производителя.

Вместо этого в системах комбинированного производства тепла и электроэнергии (ТЭЦ) часть этой тепловой энергии может быть рекуперирована и использована продуктивно.

8. Выхлопная система

Выхлопная система удаляет дымовые газы из двигателя и безопасно отводит их от персонала и находящихся в нем людей.

В зависимости от двигателя и применимых требований к выбросам выхлопная система может включать:

• Выпускной коллектор

• Глушитель

• Катализатор

• Оборудование для контроля выбросов

• Оборудование для рекуперации тепла

При проектировании промышленных выхлопов необходимо также учитывать требования к противодавлению, температуре, вентиляции, шуму и местным выбросам.

Шаг за шагом: как работает генератор природного газа?

Шаг 1: Газ поступает в генератор

Топливо поступает через систему газоснабжения.

В трубопроводных газовых установках регуляторы снижают и стабилизируют входящее давление до диапазона, необходимого двигателю.

Система управления проверяет приемлемость условий эксплуатации перед подачей топлива в двигатель.

Шаг 2: Газовые смеси с воздухом для горения

Очищенный воздух поступает через систему впуска.

Система контроля подачи топлива двигателя дозирует газ в соответствии с рабочей нагрузкой, скоростью, конструкцией двигателя и стратегией сгорания.

Поддержание правильной смеси важно для:

• Стабильное горение

• КПД двигателя

• Выходная мощность

• Выбросы

• Температура выхлопных газов

Шаг 3: Сгорание приводит в движение поршни

Топливно-воздушная смесь поступает в цилиндры двигателя.

В газовом двигателе с искровым зажиганием искра инициирует горение. Расширяющиеся газы толкают поршни вниз.

Шатуны передают это движение коленчатому валу.

Шаг 4. Коленчатый вал приводит в движение генератор.

Коленчатый вал механически соединен с генератором.

Когда двигатель вращается, ротор генератора вращается внутри статора.

На этом этапе:

Механическая энергия → Электрическая энергия

Шаг 5. Генератор производит мощность переменного тока.

Электромагнитная индукция создает переменный ток в обмотках статора.

АРН и контроллер генератора помогают поддерживать необходимые:

• Напряжение

• Частота

• Скорость двигателя

• Электрическая мощность

Генератор может затем питать подключенные нагрузки.

Шаг 6: Электроэнергия подается на объект

То, как электричество поступает на объект, зависит от применения.

Система может предоставлять:

• Автономные нагрузки

• Аварийное распределение

• Критические промышленные нагрузки

• Локальная микросеть

• Параллельная шина генератора

• Электрораспределение объекта

• Параллельные системы, где это разрешено и спроектировано соответствующим образом.

В автоматических резервных системах автоматический резервный переключатель может обнаружить потерю нормальной мощности и координировать переход на мощность генератора.

Для получения дополнительной информации об этом процессе см. руководство DIYPOWER по автоматическому переключателю и блокировке..

Как работает газогенератор при отключении электроэнергии?

Для стационарно установленной промышленной резервной системы работа обычно следует следующей последовательности:

1. Сбой в подаче электроэнергии.

АВР или система управления обнаруживает аномальное напряжение или частоту сети.

2. Генератор получает сигнал запуска.

ATS отправляет команду запуска на контроллер генератора.

3. Запуск двигателя

Система запуска запускает двигатель, а системы подачи топлива и зажигания инициируют сгорание.

4. Стабилизация напряжения и частоты

Контроллер подтверждает, что выходная мощность генератора находится в пределах допустимых параметров.

5. Загрузка трансферов

Передающее оборудование отключает нормальный источник и подключает назначенные нагрузки объекта к генератору.

6. Генератор снабжает объект

Генератор работает до тех пор, пока не вернется нормальное электроснабжение.

7. Возврат электроэнергии

После того, как нормальный источник остается стабильным в течение запрограммированного времени задержки, ATS повторно переключает нагрузку.

8. Генератор остывает и останавливается.

Обычно двигатель продолжает работать без нагрузки в течение запрограммированного периода охлаждения перед остановкой.

Эта автоматическая последовательность особенно полезна для заводов, центров обработки данных, телекоммуникационных объектов, складов, больниц и других объектов, где ручное реагирование может задержать восстановление электроснабжения.

Насколько эффективен генератор природного газа?

КПД генератора измеряет, сколько энергии топлива преобразуется в полезную электроэнергию.

Электрический КПД поршневого двигателя, работающего на природном газе, значительно варьируется в зависимости от размера двигателя, технологии, нагрузки и основы, используемой для расчета.

Технические данные Агентства по охране окружающей среды США показывают, что электрический КПД двигателей, работающих на природном газе, варьируется от примерно 30 % низкой мощности для двигателей меньшего размера до более 46 % низкой мощности для больших двигателей, работающих на обедненной смеси. Фактическую производительность всегда следует сверять с данными производителя для конкретного двигателя и его мощности.

Работа с частичной нагрузкой также имеет значение. В техническом руководстве EPA отмечается, что эффективность поршневого газового двигателя обычно снижается по мере падения нагрузки.

Подробное объяснение можно найти в руководстве DIYPOWER « Насколько эффективен генератор природного газа?».

А что насчет ТЭЦ?

Генератор природного газа производит как электричество, так и тепло.

В обычном генераторе большая часть тепла отводится через системы охлаждения и выхлопа.

Система комбинированного производства тепла и электроэнергии (ТЭЦ) восстанавливает полезную тепловую энергию при выработке электроэнергии.

Согласно рекомендациям Агентства по охране окружающей среды США по эффективности ТЭЦ , системы ТЭЦ обычно достигают общей эффективности системы примерно 60–80%.

Это может сделать производство природного газа особенно привлекательным для промышленных предприятий, которым требуется как электроэнергия, так и технологическое тепло.

Природный газ против пропана против генераторов биогаза

Хотя все три вида топлива являются газообразными, их применение различно.

Природный газ

Природный газ обычно используется для постоянных промышленных и коммерческих установок, где имеется трубопроводная инфраструктура.

Пропан

Пропан можно хранить на месте, и он полезен там, где трубопроводный природный газ недоступен.

Биогаз

Биогаз может быть получен из:

• Очистка сточных вод

• Сельскохозяйственные отходы

• Свалки

• Анаэробное пищеварение

Однако состав биогаза может варьироваться и может содержать загрязняющие вещества, требующие очистки перед попаданием газа в двигатель.

Генератор природного газа против дизельного генератора

И природный газ, и дизельные генераторы имеют важное промышленное применение.

Ни один из них не должен автоматически считаться лучшим для каждого проекта.

Правильный выбор зависит от:

• Наличие топлива

• Режим генератора

• Годовые часы работы

• Профиль нагрузки

• Требования к выбросам

• Устойчивость сайта

• Возможность технического обслуживания

• Общая стоимость владения

Избегайте выбора исключительно на основе цены на топливо или одного процента эффективности.

Всегда ли доступен природный газ по трубопроводу во время отключения?

Нет.

Одним из основных преимуществ природного газа, подаваемого по трубопроводу, является то, что он может снизить зависимость от хранения топлива на месте и поставок бензовозов.

Однако газовую сеть не следует рассматривать как неограниченный или гарантированный источник топлива.

На доступность могут влиять:

• Стихийные бедствия

• Повреждение трубопровода

• Ограничение коммунальных услуг

• Ограничения по давлению

• Региональные условия поставок

• Плановые отключения

• Сбои в местной инфраструктуре

Поэтому для критически важных промышленных объектов топливную устойчивость следует оценивать как часть комплексной стратегии аварийного энергоснабжения.

Промышленное применение генераторов природного газа

Производственные предприятия

Генераторы природного газа могут поддерживать производственные линии, системы управления технологическими процессами, двигатели, насосы, системы отопления, вентиляции и кондиционирования и другие промышленные нагрузки.

Объекты с одновременным потреблением электрической и тепловой энергии также могут оценивать ТЭЦ.

Центры обработки данных

Газогенераторы могут стать частью более широкой архитектуры устойчивой энергетики, включающей:

Сеть + ИБП + АВР + Генератор + Распределительное устройство + Мониторинг

При выборе генератора следует учитывать приемлемость нагрузки, резервирование, время запуска, топливную инфраструктуру, требования к выбросам и целевые показатели надежности для конкретной площадки.

Больницы и институциональные учреждения

Объекты с постоянными потребностями в электричестве и горячей воде могут получить выгоду от газомоторной генерации или ТЭЦ, если это разрешено применимыми нормами и проектом.

Нефтегазовые операции

Там, где подходящее газообразное топливо доступно на месте, газовые генераторы могут обеспечивать основную или непрерывную мощность без транспортировки больших объемов жидкого топлива.

Сточные воды и сельскохозяйственные объекты

Биогаз, производимый на месте, потенциально может быть использован в качестве топлива для генераторов после соответствующей обработки.

Промышленные электростанции

На крупных объектах может потребоваться несколько генераторных установок, работающих параллельно, а не один автономный генератор.

DIYPOWER предлагает решения для электростанций на природном газе для крупных промышленных проектов по производству электроэнергии.

Архитектура системы промышленных газогенераторов

Большая газогенераторная установка может содержать гораздо больше, чем сам генератор.

Типичная система может включать в себя:

Подача газа
↓
Регулирование и очистка газа
↓
Газовый двигатель
↓ Генератор
переменного тока
↓
Контроллер генератора
↓
Распределительное устройство / АВР / Панель синхронизации
↓
Трансформатор, если требуется
↓
Промышленные нагрузки

Вспомогательные системы могут включать в себя:

• Охлаждающее оборудование

• Выхлопная система

• Вентиляция

• Стартерные батареи

• Противопожарная защита

• Удаленный мониторинг

• Реле защиты

• Органы управления нагрузкой

На электростанциях с несколькими генераторами оборудование синхронизации координирует напряжение, частоту, угол фазы и распределение нагрузки между генераторными установками.

Пример: производство высоковольтного природного газа

Крупным промышленным объектам может потребоваться генерация среднего или высокого напряжения, а не стандартная низковольтная мощность.

Высоковольтный генератор природного газа JiChai мощностью 2000 кВт от DIYPOWER является примером генератора, предназначенного для крупных промышленных нужд.

Для проектов такого масштаба инженеры должны оценить:

• Требуемая мощность кВт

• Напряжение генератора

• Частота

• Давление и расход газа

• Профиль нагрузки

• Запуск двигателя

• Параллельная работа

• Синхронизация

• Охлаждение

• Защита

• Распределительное устройство

• Требования к трансформатору

• Высота и температура места установки

• Требования к выбросам

• Потенциал ТЭЦ

Вот почему выбор промышленного генератора требует большего, чем просто расчет общей подключенной мощности.

Как правильно выбрать генератор природного газа

1. Определите необходимую мощность

Рассчитать:

• Непрерывная нагрузка

• Пиковая нагрузка

• Требование запуска двигателя

• Критические нагрузки

• Будущее расширение

Промышленные двигатели, насосы, компрессоры и оборудование HVAC могут создавать значительные пусковые токи.

2. Определите нагрузку генератора.

Определите, будет ли система обеспечивать:

• Аварийное резервное питание

• Основная власть

• Непрерывная мощность

• ТЭЦ

• Генерация микросетей

Генератор, предназначенный для периодического резервного обслуживания, не должен автоматически определяться для продолжительной непрерывной работы.

3. Проверка подачи газа

Подтверждать:

• Доступное давление газа

• Требуемое давление двигателя

• Максимальный поток

• Теплотворная способность

• Состав газа

• Пропускная способность трубопровода

Для крупных генераторов существующая система газового хозяйства может потребовать модификации.

4. Определите напряжение и частоту.

Указать:

• Напряжение

• Частота

• Одно- или трехфазный выход

• Требования к низкому, среднему или высокому напряжению

5. Оцените условия на объекте

Предоставлять:

• Высота

• Температура окружающей среды

• Влажность

• Расположение в помещении/на открытом воздухе

• Условия вентиляции

• Требования к шуму

При определенных условиях эксплуатации может потребоваться снижение мощности двигателя.

6. Сравните эффективность и расход топлива.

Сравните данные производителя в соответствующих точках нагрузки, а не полагайтесь только на номинальную мощность.

Обзор:

• 25% нагрузка

• 50% нагрузка

• 75% нагрузка

• 100% нагрузка

При работе с большим количеством часов работы даже небольшие различия в расходе топлива могут оказать существенное влияние на жизненный цикл.

Техническое обслуживание газогенератора

Интервалы технического обслуживания должны соответствовать руководству конкретного производителя двигателя и фактическим условиям эксплуатации , а не единому общему количеству часов.

Типичные области обслуживания включают в себя:

• Моторное масло

• Масляные фильтры

• Воздушные фильтры

• Свечи зажигания/система зажигания

• Система охлаждения

• Стартерные батареи

• Регуляторы газа

• Топливные клапаны

• Газопроводы

• Генератор

• Электрические соединения

• Система управления

Для резервных систем периодическое тестирование особенно важно, поскольку генератор может оставаться неиспользованным в течение длительного времени, прежде чем произойдет фактическое отключение.

Системы постоянного и постоянного питания требуют планирования технического обслуживания с учетом рабочего времени и производственных требований.

Решения DIYPOWER для генераторов природного газа

DIYPOWER предлагает решения для генераторов природного газа для промышленных, коммерческих, резервных, основных и непрерывных приложений.

Оценка проекта может включать в себя:

• Генератор кВт/кВА

• Напряжение и частота

• Поставка природного газа

• Профиль нагрузки

• Запуск двигателя

• Режим ожидания или непрерывный режим работы

• Низковольтный или высоковольтный выход

• Параллельная работа

• Синхронизация

• Системы управления

• Охлаждение

• Условия сайта

• Требования ТЭЦ

Изучите генераторы природного газа DIYPOWER для индивидуальных генераторных установок или электростанции на природном газе для крупных проектов по производству электроэнергии.

Часто задаваемые вопросы

Как генератор природного газа производит электричество?

Генератор природного газа сжигает контролируемую газовоздушную смесь внутри двигателя внутреннего сгорания. Сгорание приводит в движение поршни и вращает коленчатый вал, который приводит в движение генератор. Генератор преобразует механическое вращение в электричество переменного тока посредством электромагнитной индукции.

Работает ли генератор природного газа, когда сеть выходит из строя?

Правильно спроектированный резервный генератор природного газа может работать независимо от электрической сети. В сочетании с ATS система может обнаруживать сбои в энергоснабжении, запускать генератор и автоматически переключать назначенные нагрузки.

Однако работа генератора по-прежнему зависит от достаточного снабжения природным газом.

Может ли генератор природного газа работать непрерывно?

Некоторые промышленные генераторные установки на природном газе предназначены для работы в режиме основной или непрерывной мощности.

Возможность непрерывной работы конкретного генератора зависит от его режима работы, конструкции двигателя, нагрузки, системы охлаждения, требований к техническому обслуживанию и спецификаций производителя.

Требуется ли для запуска генератора природного газа электричество?

В большинстве промышленных генераторных установок используется электрическая система запуска с батарейным питанием. Стартерная батарея питает стартер и элементы управления, необходимые для запуска двигателя.

Сколько природного газа потребляет генератор?

Расход топлива зависит от мощности генератора, процента нагрузки, КПД двигателя, теплотворной способности газа, условий на месте и конструкции двигателя.

Для промышленных проектов используйте данные производителя о расходе топлива при ожидаемой рабочей нагрузке.

Являются ли генераторы природного газа более эффективными, чем дизельные генераторы?

Не повсеместно.

КПД зависит от конструкции двигателя, размера генератора и нагрузки. Дизельные двигатели могут иметь высокий электрический КПД и производительность при частичной нагрузке, в то время как двигатели, работающие на природном газе, могут быть привлекательны для многочасовой работы и ТЭЦ там, где существует подходящая газовая инфраструктура.

В чем разница между газогенератором и генератором природного газа?

«Газогенератор» в широком смысле может относиться к генераторам, работающим на газообразном топливе, таком как природный газ, пропан или биогаз. Генератор природного газа специально использует природный газ в качестве топлива.

Можно ли использовать генератор природного газа для ТЭЦ?

Да. Поршневые двигатели, работающие на природном газе, широко используются в системах ТЭЦ, поскольку можно рекуперировать тепло из контуров выхлопа и охлаждения двигателя.

Агентство по охране окружающей среды США сообщает, что системы ТЭЦ обычно достигают общей эффективности системы около 60–80%, в зависимости от технологии и конструкции системы.

Генератор природного газа какой мощности нужен промышленному объекту?

При выборе генератора следует учитывать постоянную нагрузку, пиковую нагрузку, запуск двигателя, критические нагрузки, будущее расширение, коэффициент мощности, номинальный режим работы и условия на месте.

В крупных промышленных проектах следует использовать детальное исследование нагрузки, а не просто добавлять паспортные данные оборудования.

Заключение

Газогенератор работает посредством четкого процесса преобразования энергии:

Газообразное топливо → Сгорание → Механическое вращение → Генератор → Электроэнергия

Для промышленного применения надежная работа также зависит от давления топлива, управления двигателем, охлаждения, регулирования напряжения, передающего оборудования, распределительного устройства и электрической системы объекта.

Генераторы природного газа можно использовать для резервного, основного, непрерывного, ТЭЦ и распределенного производства, но правильная конфигурация зависит от фактической нагрузки, топливной инфраструктуры, часов работы, напряжения, условий на объекте и требований к устойчивости.

DIYPOWER предлагает промышленные генераторы природного газа и электростанции для различных потребностей в электроэнергии. Определение полных условий эксплуатации перед выбором оборудования помогает обеспечить правильное соответствие генератора проекту.