Silniki stosowane w zespołach prądotwórczych
![Elektrownia Pavana III w Hondurasie o mocy 267,4 MW wytwarzanej przez 16 silników średnioobrotowych Wartsila 18V46 (18 cylindrów o średnicy 460 mm), zasilanych paliwem pozostałościowym (HFO) [4]](https://www.elektro.info.pl/media/cache/typical_view/data/201905/75dada9b105f76809ccf6bd0ea198bd7.jpg)
Elektrownia Pavana III w Hondurasie o mocy 267,4 MW wytwarzanej przez 16 silników średnioobrotowych Wartsila 18V46 (18 cylindrów o średnicy 460 mm), zasilanych paliwem pozostałościowym (HFO) [4]
W artykule opisano wybrane przykłady zastosowania spalinowego silnika tłokowego jako jednostki napędzającej prądnice w zespołach prądotwórczych zwanych agregatami prądotwórczymi. Ponieważ w publikacjach naukowych używane są różnorodne terminy techniczne, charakterystyczne dla poszczególnych autorów subiektywnie definiujących zjawiska i używających często specyficznego słownictwa, w publikacji użyto słownictwa żargonowego, zrozumiałego dla większości eksploatatorów.
Zobacz także
Impakt SA Nowa rodzina zasilaczy PowerWalker UPS VFI EVS 5 kVA z magazynami energii
Seria PowerWalker VFI EVS to nowa generacja zasilaczy UPS, oferująca długi czas podtrzymania dzięki zastosowaniu baterii LiFePO4 o 40% mniejszej masie i wymiarach w odniesieniu do klasycznych baterii kwasowo-ołowiowych....
Seria PowerWalker VFI EVS to nowa generacja zasilaczy UPS, oferująca długi czas podtrzymania dzięki zastosowaniu baterii LiFePO4 o 40% mniejszej masie i wymiarach w odniesieniu do klasycznych baterii kwasowo-ołowiowych. Zastosowana topologia podwójnej konwersji (VFI-SS-311) gwarantuje najwyższy poziom bezpieczeństwa, a wyspecjalizowane układy utrzymują współczynnik mocy PF na poziomie > 0.99. Oczywiście zależy on od podłączonych urządzeń odbiorczych. Wszelkie informacje o stanie UPS widoczne są na...
mgr inż. Dariusz Zgorzalski, EVER Sp. z o.o. Wybrane aspekty wymagań zasilaczy stosowanych do urządzeń przeciwpożarowych – na przykładzie zasilacza do napędów bram napowietrzających UZS-230V-1kW-1F firmy EVER
W poprzednich częściach dowiodłem, że zasilacze do bram napowietrzających stanowią istotny element systemu wentylacji pożarowej, od strony formalnej muszą posiadać świadectwo dopuszczenia CNBOP-PIB, a...
W poprzednich częściach dowiodłem, że zasilacze do bram napowietrzających stanowią istotny element systemu wentylacji pożarowej, od strony formalnej muszą posiadać świadectwo dopuszczenia CNBOP-PIB, a stosowanie niecertyfikowanych UPSów niesie za sobą ryzyko istotnych konsekwencji. Podkreśliłem, że świadectwo dopuszczenia CNBOP-PIB jest warunkiem koniecznym, ale nie wystarczającym. Kompatybilność funkcjonalna, elektryczna i mechaniczna całego systemu jest podstawą do tego, aby urządzenia działały...
mgr inż. Dariusz Zgorzalski, EVER Sp. z o.o. Wybrane aspekty wymagań zasilaczy stosowanych do urządzeń przeciwpożarowych – na przykładzie zasilacza do napędów bram napowietrzających UZS-230V-1kW-1F firmy EVER
W poprzedniej części przedstawiłem uzasadnienie, że w sytuacji systemów oddymiania, brak zagwarantowania dopływu powietrza powoduje, że system oddymiania jest nieskuteczny, a w sytuacji oddymiania mechanicznego,...
W poprzedniej części przedstawiłem uzasadnienie, że w sytuacji systemów oddymiania, brak zagwarantowania dopływu powietrza powoduje, że system oddymiania jest nieskuteczny, a w sytuacji oddymiania mechanicznego, może doprowadzić do stworzenia poważnego zagrożenia, a nawet do katastrofy budowlanej. Zastosowanie do zasilania napędu bramy UPS-ów bez znaku CNBOP-PIB i Świadectwa Dopuszczenia wydanego przez Centrum Naukowo-Badawcze Ochrony Przeciwpożarowej (CNBOP-PIB) jest poważnym błędem. Stosowanie...
Przyjęto definicję agregatu jako zespołu różnych maszyn połączonych ze sobą na stałe w celu wykonywania określonego zadania eksploatacyjnego, stanowiącego przez to jedno nowe urządzenie robocze, najczęściej zamocowane na wspólnej ramie lub we wspólnej obudowie i ze wspólnym panelem kontrolno-sterującym. Zatem agregat prądotwórczy (zespół prądotwórczy) to autonomiczny zespół do wytwarzania energii elektrycznej. Składa się on z prądnicy oraz spalinowego silnika tłokowego jako jednostki napędzającej.
Podział zespołów prądotwórczych
Przy obecnym gwałtownym rozwoju myśli technicznej i technologii istnieją duże możliwości doboru urządzeń wchodzących w skład zespołu prądotwórczego, zarówno prądnicy, jak i silnika spalinowego. Biorąc pod uwagę wybrane kryteria, zespoły prądotwórcze można podzielić ze względu na:
- charakter pracy podczas zasilania sieci:
- zespoły prądotwórcze w zastosowaniupodstawowym,
- zespoły prądotwórcze w zastosowaniu pomocniczym,
- zespoły prądotwórcze w zastosowaniu awaryjnym,
- miejsce zastosowania:
- zespoły prądotwórcze w zastosowaniu lądowym,
- zespoły prądotwórcze w zastosowaniu morskim,
- sposób instalowania w strukturze obiektu zasilanego energią elektryczną:
- stałe mocowanie zespołów prądotwórczych (stała instalacja),
- ruchome zespoły prądotwórcze (ruchoma instalacja, np. w kontenerach),
- sposób, w jaki są uruchomiane:
- zespoły uruchamiane mechanicznie,
- zespoły uruchamiane sprężonym powietrzem,
- zespoły uruchamiane energią elektryczną,
- sposób, w jaki są sterowane:
- zespoły z ręcznym sterowaniem,
- zespoły z automatycznym sterowaniem,
- współpraca z innymi jednostkami prądotwórczymi:
- pracujące jako pojedyncze jednostki (moduły),
- pracujące we współpracy z innymi modułami.
Charakter pracy podczas zasilania sieci
Zespoły prądotwórcze w zastosowaniu podstawowym służą do stałego wytwarzania energii elektrycznej dla różnych potrzeb (siła napędowa maszyn i urządzeń, oświetlenie, ogrzewanie itp.) na tym obszarze, gdzie nie ma innych źródeł. W zależności od zmian zapotrzebowania mocy, stosuje się różne koncepcje zastosowania zespołów prądotwórczych.
Przy zastosowaniu zespołów do wytwarzania energii elektrycznej zasilającej sieć energetyczną o dużych zmianach w poborze energii wykorzystuje się silniki średnioobrotowe (500 - 700 obr./min), bezwodnikowe, rzędowe lub w układzie V, o wielu cylindrach (do 32). Stosuje się do kilkunastu współpracujących zespołów prądotwórczych, często połączonych w sekcje.
Przy zastosowaniach aplikacyjnych, np. gdy energia elektryczna jest pobierana przez zakłady przemysłowe pracujące w trybie ciągłym (np. stacje pomp, wytwórnie biopaliw, oczyszczalnie ścieków itp.), stosuje się silniki wolnoobrotowe (100 - 120 obr./min), wodzikowe, dużych i wielkich mocy (do 60 MW), o dużych średnicach cylindrów (do 900 mm), rzędowe (do 12 cylindrów), pracujące jako pojedyncze zespoły.
W celu zwiększenia sprawności tego typu silników, odzyskuje się ciepło z wielu ton wody chłodzącej, i setek tysięcy m3 spalin. Dlatego też struktura tego typu elektrowni jest bardzo skomplikowana (rys. 1.). Na małych wyspach, gdzie nie ma miejsca na tego typu obiekty (złożona infrastruktura obniżająca walory turystyczne), stosuje się elektrownie pływające, nieposiadające swojego napędu. Korzystnym aspektem takiego rozwiązania jest łatwy dostęp do wody jako medium chłodzącego silniki zespołów prądotwórczych dużych mocy.
Zespoły prądotwórcze w zastosowaniu pomocniczym są stosowane, gdy wytwarzana przez nie energia elektryczna służy do zasilania urządzeń pomocniczych niezbędnych do zapewnienia ruchu maszyn i urządzeń głównych. Energia elektryczna w normalnej sieci rozdzielczej nie wystarcza na potrzeby odbiorców i z tego powodu mogą powstać szkody materialne albo finansowe. Przykład stacjonarnego zastosowania zespołu pomocniczego przedstawiono na rysunku 2. Pokazana na nim siłownia może być siłownią pomocniczą załączaną do sieci energetycznej (np. sezonowo lub w godzinach szczytu).
Zespoły prądotwórcze w zastosowaniu awaryjnym są wykorzystywane, gdy normalna sieć rozdzielcza zostanie przerwana lub nastąpi zanik energii elektrycznej spowodowany wstrzymaniem jej dostawy przez producenta. Najczęściej są to pojedyncze zespoły prądotwórcze (pojedyncze moduły), uruchamiane ręcznie lub automatycznie przy zaniku napięcia w sieci. Moc tych zespołów zależy od ich przeznaczenia i stanowi kilkanaście procent normalnego zapotrzebowania. Jako zespół awaryjny może być zastosowany zarówno każdy z wymienionych wcześniej zespołów, jak i małe jednostki (kilka do kilkudziesięciu kW) napędzane silnikami szybkoobrotowymi (najczęściej 1500, 3000 obr./min) o zapłonie iskrowym lub samoczynnym. O tym, który zespół należy zastosować, decyduje charakter zasilanego obiektu. Inne rozwiązania stosuje się w obiektach (o tzw. szeroko pojętym znaczeniu strategicznym), takich jak zakłady produkcyjne o produkcji ciągłej (huty, zakłady chemiczne), jednostki i bazy wojskowe, na lotniskach, w szpitalach, dużych chłodniach, centralach łączności, a inne w małych gospodarstwach wiejskich czy sklepach z urządzeniami chłodniczymi, w serwerowniach, obiektach chronionych (podtrzymanie systemów alarmowych) itp. Zakres wytwarzanej mocy zawiera się w przedziale od kilku kW do kilkudziesięciu MW.
Miejsce zastosowania
W zależności od miejsca zastosowania, zespoły prądotwórcze dzieli się na:
- zespoły prądotwórcze w zastosowaniu lądowym (rys. 3. i rys. 4.),
- zespoły prądotwórcze w zastosowaniu morskim.
Każdy statek posiada zespoły prądotwórcze. Są one stosowane jako zespoły napędu głównego (napędzające silniki elektryczne lub pompy wodne «Water Jet» napędu głównego statku), zespoły pomocnicze (zasilanie sieci statkowej zasilającej zespoły pomocnicze – pompy, sprężarki, wentylatory, chłodnie itp.), zespoły awaryjne (zapewniające oświetlenie pozycyjne, wykorzystywane w działalności urządzeń nawigacyjnych, łączności, do oświetlenia statku, przy remontach pomocniczych zespołów prądotwórczych lub uszkodzonej sieci, czy do uruchomienia silników napędowych statkowej elektrowni, itp.).
Spektakularnym przykładem jest zastosowanie zespołów prądotwórczych na statkach pasażerskich (oświetlenie, urządzenia zapewniające komfort – kuchnie, klimatyzacja, baseny, sauny, itp.), lub statkach produkcyjnych, (np. wiertniczych – pompy, sprężarki, windy, urządzenia wiertnicze), na których moc wytwarzana przez zespoły pomocnicze jest kilkakrotnie większa niż moc napędu głównego.
Sposób instalowania w strukturze obiektu zasilanego energią elektryczną
Zespoły prądotwórcze w zależności od sposobu ich instalowania są wytwarzane w dwóch różnych wykonaniach:
- stałe mocowanie zespołów prądotwórczych (stała instalacja) – dotyczy to zespołów lądowych i morskich przedstawionych wcześniej, tj. zespołów prądotwórczych projektowanych, wykonywanych specjalnie na potrzeby zasilanych obiektów i instalowanych na stałe na obiektach,
- ruchome zespoły prądotwórcze (ruchoma instalacja, np. w kontenerach) – są to jednostki projektowane i wykonane z myślą o możliwości przenoszenia ich i instalowania w różnych warunkach zewnętrznych. Wiąże się to zarówno z ich wymiarami, umożliwiającymi np. umieszczenie w kontenerze, jak i sztywną, zwartą konstrukcją, wyprowadzeniem złączy energetycznych, tj. mediów roboczych i złączy przekazywania energii elektrycznej.
Zespoły ruchome mogą być produkowane jako moduły, które można łączyć z modułami zawierającymi zarówno instalacje pomocnicze, jak i zasilane urządzenia.
Zespoły możemy podzielić także ze względu na sposób uruchomienia na:
- zespoły uruchamiane mechanicznie – najczęściej uruchamiane za pomocą korby lub linki. Dotyczy to małych agregatów lub agregatów awaryjnych,
- zespoły uruchamiane sprężonym powietrzem – są nim uruchamiane silniki średniej, dużej i wielkiej mocy. Wymagana jest instalacja powietrza rozruchowego składająca się ze sprężarki lub sprężarek powietrza, zbiornika sprężonego powietrza oraz systemu rozruchowego silnika. Ciśnienie powietrza rozruchowego wynosi od 3 Mpa (wymagania morskie) do ok. 1 MPa (zależy od wielkości silnika),
- zespoły uruchamiane energią elektryczną – wymagany jest elektryczny system rozruchowy składający się najczęściej z akumulatora i rozrusznika. Stosowany w silnikach małej mocy.
Zagadnienia eksploatacyjne – wymagania
Zespół prądotwórczy napędzany spalinowym silnikiem tłokowym jest urządzeniem skomplikowanym, któremu stawia się coraz wyższe wymagania, takie jak:
- niezawodność i bezpieczeństwo – silniki sprawdzone, o możliwie prostej konstrukcji, o dużych resursach czasowych elementów i zespołów silnika, dobrej dostępności części wymiennych, o małej wrażliwości na obciążenia, duża odporność na dużą liczbę zimnych startów silnika,
- duża sprawność – ponieważ najczęściej silnik współpracuje z prądnicami synchronicznymi (żeby wyeliminować straty wynikające ze stosowania przekładni), projektuje się silniki o prędkości obrotowej będącej najczęściej wielokrotnością częstotliwości zasilanej sieci energetycznej (najczęściej 50 lub 60 Hz), czyli: 100, 120 obr./min (silniki wolnoobrotowe), 500, 600 obr./min (silniki średnioobrotowe), 1500, 3000 obr./min (silniki szybkoobrotowe),
- efektywność – istotny jest optymalny dobór zespołu do potrzeb zasilanej sieci, dobrze obliczonego bilansu energetycznego obiektu, zastosowanie odpowiedniego typu silnika (w zależności od zmian zapotrzebowania mocy), liczby zespołów o odpowiedniej mocy,
- ekologiczność – osiąga się przez modyfikację procesu spalania różnych typów paliw, stosowania różnorodnych metod ograniczenia emisji tlenków azotu (NOx), tlenków węgla (COx), tlenków siarki (SOx), cząstek stałych (PM), węglowodorów z niedopalonego paliwa (HC),
- możliwość współpracy z siecią energetyczną i innymi zespołami – dotyczy to kompatybilności parametrów wytwarzanego prądu elektrycznego zarówno z parametrami sieci z odbiornikami, jak i w zespołach w dużych elektrowniach stacjonarnych lądowych i morskich (np. na statkach pasażerskich, na jednostkach produkcyjnych),
- dyspozycyjność – relatywnie do innych pędników stosowanych w generatorach prądu krótki czas przygotowania do startu, osiągania pełnej mocy oraz zatrzymania; możliwość pracy w każdych warunkach klimatycznych; aplikacje lądowe i wodne; możliwość zasilania węglowodorowym paliwem ciekłym (surowa ropa naftowa, olej napędowy, etylina), paliwem gazowym (NG i PG), olejami roślinnymi (olej palmowy, arachidowy, rzepakowy), biopaliwem (ropopochodne z biokomponentami).
Różnice eksploatacyjne różnych typów silników napędzających zespoły prądotwórcze
Porównując różne rozwiązania techniczne stosowane przy projektowaniu elektrowni, należy pamiętać o różnorodności rozwiązań technicznych stosowanych silników. Istnieją zagadnienia, na które należy zwrócić uwagę.
Rodzaj stosowanego paliwa
Każdy rodzaj paliwa ma swoje specyficzne właściwości i wymaga odpowiedniego przygotowania do spalania. Na przykład, paliwo ropopochodne, pozostałościowe (tzw. HFO), wymaga oczyszczenia i podgrzania do temperatury ok. 120 - 150°C (w celu uzyskania odpowiedniej lepkości), niektóre gazy wymagają oziębiania lub skraplania. Zmienia się więc struktura instalacji paliwowej. Inne są zbiorniki magazynujące paliwo (inaczej przechowuje się paliwo ropopochodne, oleje roślinne, paliwa mieszane, inna jest objętość zbiorników, ich konstrukcja, izolacje i zabezpieczenia), inne jest tworzywo rur transportowych (wytrzymałość na ciśnienie, odporność korozyjna), inne urządzenia pomocnicze, takie jak podgrzewacze, wirówki, filtry, sprężarki paliwa (gazy), sprężarki chłodnicze, chłodnice, pompy, urządzenia specjalistyczne, inna aparatura wtryskowa i zasilająca paliwa itp.
Chłodzenie silnika
W zależności od typu silnika, obciążenia cieplnego jego elementów i podzespołów, stosuje się różne rozwiązania techniczne systemu chłodzącego. Małe silniki są chłodzone powietrzem lub czynnikiem chłodzącym (np. glikole), pracującym w obiegu zamkniętym, przy objętości kilku-, kilkunastu litrów. Silniki o zapłonie samoczynnym wielkiej mocy chłodzone są odpowiednio przygotowaną wodą słodką (kilkaset litrów lub kilka m3), która często w wykonaniu morskim jest chłodzona za pośrednictwem wymiennika ciepła wodą morską. Jako chłodnice mogą pracować różnego rodzaju instalacje utylizujące ciepło odpadowe silnika, takie jak systemy grzewcze pomieszczeń, podgrzewacze wody sanitarnej i powietrza nawiewowego, wyparowniki stosowane do produkcji wody słodkiej z wody słonej.
Typ i wielkość silnika
Od konstrukcji i wielkości silnika zależy czas przygotowania i osiągania pełnego obciążenia przez zespół prądotwórczy. Silniki dużej i wielkiej mocy wymagają stopniowego podgrzewania; aby silniki osiągnęły odpowiednią temperaturę, trzeba kilku godzin (ok. 6 - 8 h), małe silniki często nie posiadają systemów grzewczych. W zależności od klimatu, w którym silniki pracują, należy wziąć pod uwagę czas przygotowania do ruchu, możliwość przygotowania do ruchu oraz możliwość szybkiego startu i obciążenia zespołu (szczególnie zespołów awaryjnych).
Zastosowanie zespołu
Silnik należy dobierać w zależności od charakteru pracy zespołu. Jeżeli zespół pracuje w zastosowaniu podstawowym, zakłada się, że będzie on odpowiednio przygotowany do ruchu i pracował w pewnych granicach obciążenia przez długi przedział czasu. Zarówno elementy silnika, jak i media będą ulegały degradacji w przewidywalnym przedziale czasu, co pozwala prowadzić racjonalną politykę eksploatacyjną.
Jeżeli zespół pracuje w zastosowaniu pomocniczym, należy utrzymywać gotowość do uruchomienia silnika; występuje też większa liczba uruchomień i zatrzymań silnika, czyli zwiększa się odstęp czasu, kiedy silnik pracuje niestabilnie. Wpływają one także na stan techniczny mediów i elementów silnika. Często nieprzewidywalny jest przedział czasu pracy i gotowości, co utrudnia prowadzenie racjonalnej polityki eksploatacyjnej. Należy zwrócić uwagę, że podczas stanu gotowości media ulegają degradacji (np. rozwarstwianiu, utlenianiu, łączeniu się z wodą i związkami chemicznymi wykroplonymi z atmosfery) i należy je badać systematycznie, a w razie potrzeby wymieniać.
Jeżeli zespół pracuje w zastosowaniu awaryjnym, oprócz nieprzewidywalnego przedziału czasu pracy, utrzymywania w gotowości i opisanych wyżej problemów należy zwrócić uwagę na możliwość i niezawodność uruchomienia zespołu. Bardzo często brak jest energii elektrycznej, występują niekorzystne warunki zewnętrzne i bardzo ważne jest, żeby utrzymywać zespoły awaryjne w gotowości. Należy sprawdzać stan akumulatorów zasilających oraz system rozruchu i przyłączy sieciowych oraz systematycznie uruchamiać zespół zarówno w celu przesmarowania i usunięcia produktów korozji elementów silnika, jak i usunięcia utlenionych mediów (np. olejów smarowych na tłokach i tulejach cylindrowych, łożyskach – oleje gęstnieją, rozwarstwiają się i utrudniają lub uniemożliwiają rozruch lub powodują większy pobór energii z akumulatorów, prowadząc do ich rozładowania). Dobrze, jeżeli zespół prądotwórczy zaopatrzony jest w system ładowania akumulatorów. Zespoły awaryjne powinny być montowane w pomieszczeniach zapewniających dobre warunki rozruchu i pracy (odpowiednia temperatura i dopływ powietrza).
Trwałość, dostępność i cena części wymiennych oraz mediów roboczych
Dobierając zespół prądotwórczy należy kierować się racjonalnymi przesłankami. Przewidujemy całkowity czas użytkowania, czas użytkowania czynnego (pracy), czas użytkowania biernego (postój lub stan gotowości). Należy również wziąć pod uwagę możliwość zastosowania mediów roboczych zalecanych przez producenta, czas między przeglądami i remontami, dostępność części wymiennych, cenę mediów i części oraz sprawdzić dostępność serwisu.
Podsumowanie
Brak racjonalnej, szeroko pojętej polityki eksploatacyjnej zespołu prądotwórczego powoduje wzrost awaryjności, skrócenie trwałości elementów, zespołów i całego agregatu, a co za tym idzie – wzrost kosztów. Racjonalna polityka eksploatacyjna zwiększa trwałość urządzenia, podnosi niezawodność jego działania, zwiększa bezpieczeństwo pracy oraz efektywność eksploatacji.
Literatura
- Wartsila 46, Technology review, Wartsila Finland Oy, Haasa, Finland, www.wartsila.com
- Diesel Facts 1/2006, MAN B&W Diesel A/S, Kopenhaga 2006, www.manbw.com
- Materiały firmy Peak Power Tools, www.peakpowertools.com
- Materiały firmy Wartsila Finland Oy, Haasa, Finland.
- Materiały firmy MAN B&W Diesel A/S, Kopenhaga.
- Materiały firmy Royal Caribbean.
