Насколько эффективен генератор природного газа?

Генераторы природного газа обычно преобразуют в электричество только часть химической энергии топлива, а оставшаяся энергия покидает систему в основном в виде тепла. Однако для промышленных покупателей эффективность генератора не должна оцениваться по одному проценту. Размер двигателя, коэффициент нагрузки, качество топлива, условия окружающей среды, режим работы и возможность рекуперации отходящего тепла — все это может повлиять на общую производительность.

Для поршневых двигателей, работающих на природном газе, электрический КПД обычно увеличивается с увеличением размера двигателя и оптимизацией его работы. Когда генератор интегрирован в систему комбинированного производства тепла и электроэнергии (ТЭЦ) , полезное тепло от двигателя и выхлопных газов также может быть рекуперировано, что значительно повышает общую эффективность системы.

DIYPOWER предлагает промышленные генераторные установки на природном газе и решения для производства электроэнергии для непрерывного, основного, резервного и распределенного энергоснабжения. В этом руководстве объясняется, как измеряется эффективность генератора природного газа, что на нее влияет и как промышленные пользователи могут улучшить использование топлива.

Эффективность генератора природного газа: быстрый ответ

Покупателям следует понимать два разных показателя эффективности:

По данным Партнерства по комбинированному производству тепла и электроэнергии Агентства по охране окружающей среды США , общая эффективность системы ТЭЦ рассчитывается путем деления полезной электрической и тепловой мощности на общее количество потребляемой топливной энергии. Агентство по охране окружающей среды отмечает, что системы ТЭЦ обычно достигают общей эффективности примерно от 60% до 80% , в зависимости от технологии и конструкции системы.

Это различие важно: электрический КПД генератора и общий КПД системы ТЭЦ не являются одним и тем же показателем.

Что означает эффективность генератора природного газа?

КПД генератора описывает, насколько эффективно двигатель-генератор преобразует энергию топлива в полезную электроэнергию.

Упрощенный расчет электрического КПД:

Электрический КПД = Выходная электрическая энергия ÷ Входная энергия топлива × 100%

Например, если двигатель получает 100 единиц энергии топлива и производит 40 единиц электрической энергии, его электрический КПД составит примерно 40%.

Оставшаяся энергия в основном высвобождается через:

• Выхлопные газы

• Система охлаждения двигателя

• Система смазки

• Радиация

• Механические потери

В обычном генераторе большая часть этой тепловой энергии отбрасывается.

В промышленной системе ТЭЦ часть энергии может быть восстановлена ​​и использована для горячего водоснабжения, технологического отопления, производства пара или других тепловых нагрузок.

Электрический КПД по сравнению с общим КПД ТЭЦ

Это одно из наиболее важных отличий при оценке генератора природного газа.

Электрическая эффективность

Электрическая эффективность измеряет только производство электроэнергии.

Поршневые двигатели, работающие на природном газе, могут достигать различной эффективности в зависимости от мощности генератора, конструкции двигателя, степени сжатия, стратегии сгорания, турбонаддува, нагрузки и условий эксплуатации.

Данные Министерства энергетики США для типичных систем ТЭЦ с поршневыми двигателями на природном газе показывают, что электрический КПД варьируется от примерно 30% для небольших систем до более 40% для более крупных систем на основе более высокой теплотворной способности.

Поэтому вместо того, чтобы предполагать, что каждый генератор природного газа имеет «эффективность 30–45%», покупатели должны сравнить фактические данные производителя о расходе топлива или мощности нагрева для конкретного двигателя и его мощности.

Общая эффективность ТЭЦ

Генераторный двигатель помимо электроэнергии производит значительное количество тепла.

Системы ТЭЦ восстанавливают часть этого тепла из таких источников, как:

• Вода в рубашке двигателя

• Выхлопной газ

• Система смазки

• Интеркулер

Восстановленная энергия может затем поддерживать:

• Технологическая горячая вода

• Отопление помещений

• Промышленная сушка

• Производство пара

• Отопление помещений

• Другие термические процессы

Агентство по охране окружающей среды сообщает, что системы ТЭЦ обычно достигают общей эффективности системы от 65% до 80% , при этом некоторые конфигурации приближаются к более высоким уровням.

Для промышленных объектов, которым одновременно требуется электроэнергия и тепло, это может сделать ТЭЦ существенно более энергоэффективными, чем производство электроэнергии и тепловой энергии по отдельности.

Что определяет эффективность генератора природного газа?

Не существует единого процента эффективности, применимого к каждому генератору.

На фактическое преобразование топлива в электроэнергию влияют несколько переменных.

1. Размер генератора и конструкция двигателя.

Более крупные промышленные поршневые двигатели часто достигают более высокого электрического КПД, чем небольшие резервные двигатели, поскольку в них можно использовать более совершенные:

• Системы сгорания

• Турбонаддув

• Органы управления двигателем

• Технология сжигания обедненной смеси

• Управление топливом и воздухом

• Системы управления теплом

По этой причине необходимо провести сравнение эффективности генераторов с одинаковой номинальной мощностью и рабочим циклом.

Ассортимент генераторов природного газа DIYPOWER включает оборудование, предназначенное для более крупных коммерческих и промышленных энергетических установок, где эксплуатационная эффективность становится важным фактором стоимости жизненного цикла.

2. Нагрузка генератора

Фактор нагрузки оказывает большое влияние на эффективность.

Генератор, работающий намного ниже своей номинальной мощности, все равно должен преодолевать внутреннее трение, работать в системах охлаждения, приводить вспомогательные устройства и поддерживать рабочую температуру. В результате расход топлива на кВтч может увеличиться при низкой нагрузке.

Вместо применения одного универсального «идеального процента нагрузки» промышленным покупателям следует просмотреть кривую расхода топлива производителя в нескольких рабочих точках, таких как:

• 25% нагрузка

• 50% нагрузка

• 75% нагрузка

• 100% нагрузка

Это обеспечивает гораздо более достоверную картину ожидаемых эксплуатационных затрат.

Поэтому правильный выбор размера генератора имеет важное значение.

Генератор слишком большой мощности, который большую часть своего срока службы работает при низкой нагрузке, может обеспечить худшее использование топлива, чем генератор подходящего размера, работающий ближе к предполагаемой рабочей точке.

3. Режим ожидания, основной режим или непрерывная работа.

КПД генератора также следует оценивать в зависимости от режима работы.

Резервные генераторы работают в основном во время перебоев в электроснабжении и обычно накапливают относительно мало часов работы в год.

Генераторы основной мощности работают в течение более длительных периодов времени, когда мощность сети недоступна или недостаточна.

Системы непрерывного электропитания могут работать в течение длительного периода времени при относительно стабильных нагрузках.

В условиях интенсивного промышленного применения даже небольшая разница в мощности нагрева или электрическом КПД может существенно повлиять на годовой расход топлива.

DIYPOWER классифицирует генераторные решения по категориям Prime Power , Emergency Standby Power и Continuous Power , что позволяет более точно подобрать конфигурацию генератора к требуемому режиму работы.

Сколько природного газа потребляет генератор?

Расход топлива не следует оценивать только по мощности генератора.

Фактическая потребность в природном газе зависит от:

• Мощность генератора, кВт

• КПД двигателя

• Процент загрузки

• Теплотворная способность природного газа

• Давление газа

• Тюнинг двигателя

• Условия окружающей среды

• Вспомогательные нагрузки

Полезные инженерные отношения:

Потребление топливной энергии = электрическая мощность ÷ электрический КПД

Например, генератор, производящий 1000 кВт при электрическом КПД 40%, требует около 2500 кВт потребляемой топливной энергии без учета точной базовой и вспомогательной нагрузки.

Однако для принятия решения о покупке используйте официальную таблицу расхода топлива производителя двигателя, а не общий онлайн-калькулятор.

Сравните расход топлива в точках нагрузки, которые лучше всего отражают фактический профиль вашего предприятия.

Теплоотдача: лучший показатель для промышленных покупателей

Покупатели промышленных генераторов также должны понимать интенсивность нагрева..

Тепловая мощность характеризует, сколько энергии топлива требуется для производства единицы электрической энергии.

Проще говоря:

Более низкая скорость нагрева = лучшая эффективность преобразования топлива в электроэнергию

Таким образом, эффективность и скорость нагрева тесно связаны.

Сравнивая два промышленных генератора природного газа одинаковой мощности, обратите внимание:

• Номинальный электрический КПД

• Скорость нагрева

• Расход топлива при 50% нагрузке

• Расход топлива при нагрузке 75%

• Расход топлива при 100% нагрузке

• Паразитные/вспомогательные нагрузки

Это обеспечивает более полезное сравнение, чем полагаться только на процент эффективности маркетинга.

Как комбинированное производство тепла и электроэнергии повышает общую эффективность

Для многих промышленных применений природный газ становится особенно интересным.

Обычный генератор производит электричество, отбрасывая при этом значительную тепловую энергию.

Вместо этого система ТЭЦ улавливает полезное тепло.

Поток энергии становится:

Природный газ → Двигатель → Электричество + Утилизируемое тепло

Скорее, чем:

Природный газ → Двигатель → Электричество + Отходящее тепло

Агентство по охране окружающей среды поясняет, что ТЭЦ снижает потребность в топливе, производя электроэнергию и полезную тепловую энергию из одного и того же расхода топлива, а также позволяет избежать некоторых потерь при передаче и распределении, связанных с централизованно вырабатываемой электроэнергией.

Где можно использовать рекуперированное тепло?

Промышленные ТЭЦ могут использовать рекуперированное тепло для:

• Техническая вода

• Пар

• Сушка

• Отопление помещений

• Подогрев питательной воды котла

• Производственные процессы

• Горячая вода в больнице

• Отопление коммерческих зданий

ТЭЦ имеет наибольший смысл там, где потребность в электроэнергии и тепле возникает одновременно в течение значительных периодов времени.

Объект с небольшим потреблением полезного тепла может получить гораздо меньшую выгоду от рекуперации тепла.

Генератор природного газа и эффективность дизельного генератора

Генераторы на природном газе и дизельные генераторы не следует сравнивать только по эффективности.

Дизельные двигатели широко используются в режиме ожидания и в тяжелых условиях из-за их высокой плотности энергии, сильных переходных процессов, возможности хранения топлива на месте и доказанной промышленной долговечности.

Системы природного газа предлагают различные преимущества, особенно там, где существует надежная трубопроводная инфраструктура.

DIYPOWER проводит более подробное сравнение в статье «Дизельный и газовый генератор: что лучше?».

Важным моментом является то, что природный газ не является автоматически более эффективным, чем дизельное топливо, а дизельное топливо не является автоматически лучшим генератором..

Правильный выбор зависит от рабочего цикла, наличия топлива, профиля нагрузки, требований к выбросам, стратегии устойчивости, возможности технического обслуживания и общей стоимости владения.

Трубопроводное снабжение: преимущество, но не гарантия

Одним из преимуществ генератора природного газа с подачей по трубопроводу является то, что он может снизить зависимость от хранения жидкого топлива на месте и плановых поставок топлива.

Однако поставки по трубопроводу не следует описывать как «неограниченные» или гарантированные во время каждой чрезвычайной ситуации.

Планирование промышленной устойчивости должно учитывать:

• Надежность местной газовой сети

• Требуемое давление газа

• Ограничения пикового спроса

• Воздействие землетрясения или наводнения

• Политика сокращения коммунальных услуг

• Местное аварийное планирование

• Требования к двухтопливному или резервному топливу

Для критически важных объектов устойчивость источников топлива должна оцениваться наряду с эффективностью генератора.

Условия окружающей среды и снижение номинальных характеристик

Выходная мощность генератора может меняться в зависимости от условий окружающей среды.

Большая высота снижает плотность воздуха. Высокие температуры окружающей среды также могут снизить производительность двигателя и системы охлаждения.

В зависимости от двигателя это может потребовать снижения номинальных характеристик.

Таким образом, промышленные проекты должны обеспечивать поставщику генератора:

• Высота установки

• Максимальная температура окружающей среды

• Минимальная температура окружающей среды

• Влажность

• Внутренняя/наружная установка

• Условия вентиляции

• Состав газа

• Давление газа

Эти факторы позволяют выбирать генератор в соответствии с условиями площадки , а не только с паспортной мощностью.

Качество природного газа и давление газа

Качество газа – еще один важный фактор, который часто упускают из виду.

Состав природного газа и его теплотворная способность могут различаться в зависимости от местоположения.

При выборе промышленного генератора следует учитывать:

• Содержание метана

• Нижняя/верхняя теплотворная способность

• Давление питания

• Стабильность давления

• Загрязняющие вещества

• Температура газа

• Требуемая регулировка давления

Если давление газа выходит за пределы диапазона, указанного производителем двигателя, это может повлиять на мощность и стабильность генератора.

Поэтому для крупных промышленных установок система газоснабжения должна проектироваться вместе с генераторной системой.

Применение промышленных генераторов природного газа

Генераторы природного газа могут быть особенно актуальны там, где имеется трубопроводный газ и предприятие ожидает продолжительное время работы.

Типичные области применения включают в себя:

Производственные предприятия

Объекты с одновременным спросом на электроэнергию и тепло могут подходить для ТЭЦ.

Регенерированное тепло потенциально может удовлетворить потребности в технологической воде, сушке, отоплении или паре.

Центры обработки данных

Генераторы природного газа могут стать частью более широкой энергетической стратегии на месте, где топливная инфраструктура, требования к выбросам, резервирование и интерактивная работа с сетью поддерживают их использование.

Больницы и институциональные учреждения

Объекты с круглогодичным спросом на электроэнергию и горячую воду могут быть кандидатами на ТЭЦ, поскольку рекуперированная тепловая энергия может использоваться непрерывно.

Индустриальные парки

Централизованное производство природного газа может поддерживать архитектуры распределенной энергетики, особенно там, где несколько объектов совместно используют энергетическую инфраструктуру.

Удаленное и распределенное питание

Там, где природный газ или попутный газ доступны на местном уровне, газомоторная генерация может стать альтернативой транспортировке жидкого топлива на большие расстояния.

Для более крупных проектов DIYPOWER также предлагает решения для электростанций, работающих на природном газе..

Пример: Высоковольтное промышленное производство природного газа

Крупным промышленным объектам может потребоваться нечто большее, чем просто резервная низковольтная генерация.

Например, высоковольтный генератор природного газа JiChai мощностью 2000 кВт от DIYPOWER предназначен для крупных промышленных энергетических предприятий.

Для проектов такого масштаба оценка генератора должна включать:

• Электрический КПД

• Скорость нагрева

• Расход газа

• Выходное напряжение

• Параллельная работа

• Профиль нагрузки

• Требования к охлаждению

• Давление газа

• Система защиты

• Распределительное устройство

• Потенциал ТЭЦ

• Эксплуатационные затраты в течение жизненного цикла

Это более значимо, чем сравнение эффективности генератора в процентах.

Как повысить эффективность генератора природного газа

Правильный размер генератора

Избегайте ненужного превышения размера.

Начните с подробного исследования загрузки объекта, охватывающего:

• Непрерывная нагрузка

• Пиковая нагрузка

• Запуск двигателя

• Загрузка шагов

• Будущее расширение

• Критические нагрузки

Цель состоит в том, чтобы выбрать оборудование, которое эффективно работает при фактическом профиле нагрузки объекта.

Сравните расход топлива при нескольких нагрузках

Не сравнивайте генераторы только при 100% номинальной мощности.

Сравните данные производителя в нескольких точках нагрузки, которые соответствуют реальной работе.

Обслуживание двигателя

Плохое обслуживание может снизить качество сгорания и увеличить расход топлива.

Соблюдайте требования производителя двигателя к техническому обслуживанию для:

• Воздушные фильтры

• Свечи зажигания

• Смазка

• Система охлаждения

• Система зажигания

• Регулирование газа

• Датчики

• Зазоры клапанов

Мониторинг производительности

Системы промышленного контроля и мониторинга позволяют отслеживать:

• Нагрузка генератора

• Расход топлива

• Давление газа

• Температура

• Электрическая мощность

• Часы работы

• Сигнализация

Данные трендов могут показать, постоянно ли генератор недогружен или работает за пределами предполагаемых условий.

Рассмотрите возможность ТЭЦ там, где существует потребность в тепле

Если объект одновременно потребляет электроэнергию и тепло, оцените, можно ли экономично утилизировать отходящее тепло двигателя.

ТЭЦ следует проектировать с учетом фактической потребности в тепловой энергии, а не добавлять ее исключительно для получения более высокого теоретического процента эффективности.

Как выбрать эффективный промышленный генератор природного газа

Перед покупкой генератора природного газа определите:

Для промышленных покупателей наиболее эффективный генератор не обязательно является устройством с самым высоким заявленным КПД . Это генератор, который надежно выдает необходимую мощность в реальных условиях эксплуатации объекта с приемлемым расходом топлива и стоимостью жизненного цикла.

Решения DIYPOWER для генераторов природного газа

DIYPOWER поставляет энергетическое оборудование для промышленного, коммерческого, резервного, основного и непрерывного энергоснабжения.

Для проектов, предусматривающих производство природного газа, DIYPOWER может помочь оценить:

• Номинальная мощность генератора

• Низковольтный или высоковольтный выход

• Условия газоснабжения

• Эксплуатационная нагрузка

• Основной или непрерывный режим работы

• Параллельная работа

• Системы управления

• Требования к охлаждению

• Потенциал ТЭЦ

• Среда сайта

Изучите генераторы природного газа DIYPOWER, чтобы найти доступные промышленные решения, или ознакомьтесь с решениями для электростанций на природном газе для более крупных проектов распределенной генерации.

Часто задаваемые вопросы

Насколько эффективен генератор природного газа?

Электрический КПД зависит от размера двигателя, конструкции, нагрузки, топлива и условий эксплуатации. Типичные поршневые двигатели, работающие на природном газе, по данным Министерства энергетики США, варьируются от примерно 30% электрического КПД для небольших систем до более 40% для более крупных систем.

Всегда сравнивайте данные производителя для конкретного генератора.

Может ли генератор природного газа достичь эффективности 80%?

Генератор, производящий только электроэнергию, обычно не следует описывать как электрически эффективный на 80%.

Однако в подходящих конфигурациях система ТЭЦ может достичь общей эффективности в диапазоне 60–80% или выше, поскольку полезное тепло двигателя рекуперируется в дополнение к электроэнергии. Агентство по охране окружающей среды сообщает, что типичный общий КПД ТЭЦ составляет примерно 65–80%.

Какова наиболее эффективная нагрузка для генератора природного газа?

Не существует универсального процента нагрузки, применимого к каждому двигателю.

КПД обычно меняется в зависимости от кривой нагрузки, поэтому покупателям следует ознакомиться с данными производителя о расходе топлива и мощности нагрева при нагрузке 25 %, 50 %, 75 % и 100 %, если таковые имеются.

Потребляет ли слишком большой генератор природного газа больше топлива?

Генератор увеличенной мощности, который проводит большую часть своего рабочего времени при низкой нагрузке, может иметь меньший расход топлива на кВтч, чем генератор правильной мощности.

Поэтому правильный расчет должен основываться на реальном профиле нагрузки объекта.

Газовые генераторы дешевле в эксплуатации, чем дизельные?

Не обязательно в каждом месте.

Эксплуатационные расходы зависят от местных цен на природный газ и дизельное топливо, эффективности двигателя, годового времени работы, технического обслуживания, топливной инфраструктуры, систем выбросов и профиля нагрузки.

Сравните стоимость выработанного кВтч , а не только цену топлива.

Лучше ли природный газ для непрерывного энергоснабжения?

Природный газ может быть привлекательным для долговременной генерации при наличии надежной газовой инфраструктуры, особенно при наличии ТЭЦ.

Окончательный выбор также должен учитывать устойчивость, выбросы, техническое обслуживание, реакцию на нагрузку и местную экономику топлива.

Что такое ТЭЦ?

Комбинированное производство тепла и электроэнергии, или когенерация, производит электроэнергию, восстанавливая полезную тепловую энергию из того же расхода топлива.

Для объектов, требующих как электроэнергии, так и тепла, ТЭЦ может существенно увеличить общее использование топлива.

Какая информация необходима для определения размера промышленного генератора природного газа?

Как минимум, укажите требуемую мощность/кВА, напряжение, частоту, профиль нагрузки, максимальную нагрузку двигателя, режим работы, высоту над уровнем моря, температуру окружающей среды, давление газа, состав газа, условия установки и ожидаемое годовое время работы.

Заключение

Эффективность генератора природного газа зависит гораздо больше, чем от одного заявленного процента. Размер двигателя, нагрузка генератора, режим работы, качество топлива, условия на объекте и техническое обслуживание — все это влияет на то, сколько полезной электроэнергии производится из потребляемого топлива.

Для промышленных проектов сравните электрическую эффективность, скорость нагрева, расход топлива в ожидаемом диапазоне нагрузок и общую стоимость жизненного цикла..

Если объект также имеет постоянную потребность в тепле, ТЭЦ может рекуперировать тепло двигателя и значительно улучшить общее использование топлива.

DIYPOWER предлагает промышленные генераторы природного газа и электростанции для различных номинальных мощностей и эксплуатационных требований. Подбор генератора в соответствии с фактическим профилем нагрузки, подачей газа, напряжением, условиями на месте и рабочим циклом является наиболее надежным способом достижения эффективной долгосрочной работы.