Zespoły prądotwórcze w układach zasilania awaryjnego (część 1.)

Zespoły prądotwórcze – zestawienie produktów:

Podstawowymi elementami składowymi zespołu prądotwórczego są:

• silnik spalinowy, który zamienia energię chemiczną paliwa na energię mechaniczną,
• generator służący do zamiany energii mechanicznej na energię elektryczną,
• regulator prędkości obrotowej,
• regulator napięcia generatora,
• układ wzbudzenia generatora,
• układ sterowania,
• układ rozruchu,
• aparatura łączeniowa.

Na rynku dostępne są zespoły o mocach od kilku kVA do 6 MVA, przeznaczone do różnych sposobów eksploatacji oraz do zabudowy w pomieszczeniu lub zabudowane w wolno stojącym kontenerze. Sposób eksploatacji zespołu prądotwórczego ma wpływ na szereg czynników, takich jak: żywotność, ekonomiczność, niezawodność pracy itp. W związku z tym przed podjęciem decyzji o zakupie zespołu prądotwórczego należy uzgodnić z producentem sposób jego eksploatacji.

Do podstawowych sposobów eksploatacji zespołów prądotwórczych należy zaliczyć:

• eksploatację ciągłą, podczas której zespół prądotwórczy pracuje non stop, a przerwy w pracy są spowodowane koniecznością prowadzenia napraw lub obsługi serwisowej,
• eksploatację czasową, podczas której zespół prądotwórczy pracuje w określonych, ograniczonych przedziałach czasu.

Zespół prądotwórczy może pracować samodzielnie, w układzie równoległym, gdzie współpracują ze sobą dwa lub więcej zespoły lub synchronicznie z siecią elektroenergetyczną. W przypadku synchronicznej pracy zespołu prądotwórczego z siecią elektroenergetyczną, należy uzyskać zgodę od zarządcy sieci elektroenergetycznej oraz uzgodnić warunki tej współpracy.

W tabeli 1. zostały podane najważniejsze wymagania graniczne wartości eksploatacyjnych przebiegów napięcia i częstotliwości dla poszczególnych klas wymagań, zgodnie z wymaganiami normy PN-ISO 8528-5 Zespoły prądotwórcze prądu przemiennego napędzane silnikiem spalinowym tłokowym. Zespoły prądotwórcze [1].

Zgodnie z PN-ISO 8528-1 Zespoły prądotwórcze prądu przemiennego napędzane silnikiem spalinowym tłokowym. Zastosowanie, klasyfikacja i wymagania eksploatacyjne [2], występują cztery klasy wymagań eksploatacyjnych:

• klasa wymagań G1 – dotyczy odbiorników, które wymagają spełnienia podstawowych parametrów w zakresie napięcia oraz częstotliwości, takich jak np. oświetlenie, ogrzewanie elektryczne itp.,
• klasa wymagań G2 – dotyczy zasilania odbiorników, dla których wymagania w zakresie jakości dostarczanej energii elektrycznej są zbliżone do wymagań określonych w odniesieniu do publicznych sieci elektroenergetycznych. W przypadku zmian w obciążeniu dopuszczalne są chwilowe odchylenia od znamionowych wartości napięcia i częstotliwości. Do odbiorników spełniających wymagania tej klasy należy zaliczyć: oświetlenie, pompy, wentylatory, dźwigi itp.,
• klasa wymagań G3 – dotyczy zasilania odbiorników o zwiększonych jakościowych wymaganiach w zakresie dostarczanej energii elektrycznej. Przykładem takich urządzeń mogą być zasilacze UPS, systemy telekomunikacyjne itp.,
• klasa wymagań G4 – dotyczy zasilania odbiorników o wysokich wymaganiach w zakresie dostarczanej energii elektrycznej.

Zespoły prądotwórcze dzieli się również ze względu na czas rozruchu, tj. czas, jaki upływa od chwili zaniku napięcia w sieci elektroenergetycznej do chwili jego podania z generatora zespołu prądotwórczego:

• z długotrwałym zanikiem napięcia,
• z krótkotrwałym zanikiem napięcia,
• bez zaniku napięcia.

Zespoły z długotrwałym zanikiem napięcia są urządzeniami powszechnie stosowanymi w układach zasilania awaryjnego. Zespół taki wyposażony jest w automatykę samorozruchu i samozatrzymania. Po zaniku napięcia w sieci elektroenergetycznej automatyka zespołu uruchamia procedurę rozruchu zespołu. Zespoły te dla ułatwienia rozruchu są wyposażone w grzałki przeznaczone do ogrzewania bloku silnika napędowego. Grzałki te są zasilane w układzie wyposażonym w termostat, dzięki czemu utrzymywana jest stała temperatura bloku silnika. Moc grzałek jest uzależniona od mocy zespołu prądotwórczego i określana przez producenta zespołu. Zasilanie grzałek jest realizowane z rozdzielnicy potrzeb własnych zespołu. Załączenie odbiorników zasilanych z zespołu odbywa się automatycznie przez układ automatyki SZR i może być realizowane jednocześnie lub sekwencyjnie.

Automatyka zespołu po zaniku napięcia w sieci elektroenergetycznej wypracowuje procedury uruchomienia zespołu z kilkusekundowym opóźnieniem. Takie rozwiązanie jest konieczne dla uniknięcia zbędnych rozruchów powodowanych zapadami lub krótkotrwałymi zanikami napięcia. Opóźnienie to wynosi na ogół 5–10 sekund. Czas, jaki upływa od zaniku napięcia w sieci elektroenergetycznej do podania go ze źródła awaryjnego, na ogół nie przekracza 1 minuty. Po powrocie napięcia w sieci elektroenergetycznej, automatyka SZR powoduje przełączenie zasilania na tor zasilania podstawowego, nie wyłączając zespołu. Po przełączeniu zespół prądotwórczy pracuje na biegu jałowym ok. 3 minuty w celu wychłodzenia generatora. Na rysunku 1. przedstawiony został schemat zespołu prądotwórczego z krótkim czasem rozruchu.

W normalnych warunkach zasilania silnik elektryczny synchroniczny (1) pobiera energię z sieci elektroenergetycznej i napędza generator (2) oraz koło zamachowe (3). Sprzęgło (4) jest rozłączone. Generator pracuje na biegu jałowym. Z chwilą zaniku napięcia w sieci elektroenergetycznej następuje otwarcie łącznika Q1 oraz automatyczne zamknięcie sprzęgła (4). Zgromadzona energia kinetyczna w kole zamachowym powoduje szybki rozruch silnika spalinowego (5), który w krótkim czasie przejmuje napęd generatora (2). Podanie napięcia z generatora powoduje automatyczne przełączenie łącznika Q2 na zasilanie ze źródła awaryjnego i podanie napięcia do odbiorników. Czas, w którym odbiorniki pozostają bez dostawy energii elektrycznej, na ogół nie przekracza 2 s. Na rysunku 2. został przedstawiony schemat zespołu prądotwórczego z zerowym czasem przełączenia na zasilanie awaryjne.

W układzie przedstawionym na rysunku 2. zastosowano silnik elektryczny synchroniczny o mocy równej mocy generatora zespołu prądotwórczego. Zasilanie odbiorników jest realizowane w sposób ciągły, nie z sieci elektroenergetycznej, lecz z generatora zespołu prądotwórczego. W normalnym stanie pracy silnik elektryczny (1) jest zasilany z sieci elektroenergetycznej i napędza generator zespołu (2) wraz z kołem zamachowym (3). W przypadku zaniku napięcia w sieci elektroenergetycznej, sprzęgło (4) łączy koło zamachowe z silnikiem spalinowym (5). Zgromadzona w kole zamachowym energia kinetyczna jest w stanie spowodować szybki rozruch silnika spalinowego, który przejmuje napęd generatora zespołu. Łącznik Q2 w tym przypadku spełnia jedynie funkcję serwisową.

Zespół prądotwórczy pracujący w układach zasilania awaryjnego może być instalowany w kontenerze ustawianym na fundamencie betonowym poza budynkiem lub w specjalnie do tego celu przygotowanym pomieszczeniu, powszechnie nazywanym agregatornią. Zarówno w pierwszym, jak i w drugim przypadku, instalacja zespołu wymaga czerpni powietrza oraz odprowadzenia spalin i odpowiedniej wentylacji pomieszczenia. Problem ten powinien zostać rozwiązany przez projektanta instalacji sanitarnych na podstawie wymagań określonych przez producenta zespołu i nie będzie szerzej omawiany. Zespół instalowany przez producenta w kontenerze stanowi kompletne urządzenie pod względem elektrycznym oraz sanitarnym. Natomiast w przypadku adaptowania pomieszczenia do celów instalacji zespołu prądotwórczego, należy spełnić wszelkie wymagania określone przez producenta. Na rysunku 3. został przedstawiony przykład instalacji zespołu prądotwórczego w pomieszczeniu.

Pomieszczenie, w którym zostanie zainstalowany zespół prądotwórczy, należy wyposażyć w rozdzielnicę potrzeb własnych, oświetlenie, gniazda odbiorcze oraz instalację elektryczną sterowania wentylacją oraz innymi urządzeniami projektowanymi w zależności od potrzeb.

Na rysunku 4. pokazano przykładowe pomieszczenie z zamontowanym zespołem prądotwórczym wyposażonym w ścienną czerpnię i wyrzutnię powietrza. Zespół prądotwórczy wytwarza ciepło pochodzące z następujących źródeł:

• silnika,
• prądnicy (alternatora),
• chłodnicy,
• rury wydechowej i tłumika wydechu.

Nieodpowiednia wentylacja pomieszczenia z pracującym ZP może spowodować niepożądany wzrost temperatury w pomieszczeniu i doprowadzić do spadku mocy silnika, a w konsekwencji do unieruchomienia. W takim przypadku należy zastosować chłodzenie wymuszone, np. wentylatorami. Najkorzystniejszy przepływ powietrza w pomieszczeniu powinien być w kierunku: prądnica => silnik=> chłodnica.

Takie rozwiązanie pozwala nie tylko na usunięcie ciepła wytworzonego przez ZP, ale również dostarcza niezbędną ilość świeżego powietrza do spalania. Na rysunku 4. przedstawione jest prawidłowe, klasyczne rozplanowanie pomieszczenia agregatorni. Na tym samym rysunku zaznaczone zostały przykładowe wymiary i odległości w typowej instalacji ZP o mocy rzędu 60 – 80 kVA.

Układ chłodzenia i wentylacji

Silnik spalinowy, generator oraz układ wydechowy są źródłami ciepła mającymi wpływ na pracę i wydajność całego zespołu prądotwórczego. Wzrastająca temperatura w pomieszczeniu zespołu prądotwórczego stanowi zagrożenie dla zgromadzonego tam paliwa. Niekontrolowany wzrost temperatury ponad dopuszczalne wartości może spowodować samozapłon paliwa oraz uszkodzenie wyposażenia elektrycznego. W celu odprowadzenia nagrzanego powietrza i konieczności utrzymywania w pomieszczeniu dopuszczalnej temperatury, niezbędna jest wentylacja nawiewno-wywiewna. Powietrze chłodzące zasysane jest przez wentylator zamocowany na chłodnicy. Przekroje czerpni (wlotu) i wyrzutni (wylotu) muszą zapewniać swobodny przepływ powietrza do pomieszczenia i z pomieszczenia agregatorni.

Orientacyjnie powierzchnie przekroju czerpni oraz wyrzutni powinny być większe o 50% od powierzchni wlotu chłodnicy. W celu sprawnego wyrzucania nagrzanego powietrza, agregatornia powinna być wyposażona w wentylator wyciągowy. Czerpnię i wyrzutnię należy chronić przed wpływami atmosferycznymi. W tym celu w otworach czerpni i wyrzutni instalowane są żaluzje sterowane automatycznie. Podczas gdy zespół prądotwórczy nie pracuje, żaluzje są zamknięte. Zostają one automatycznie uruchomione z chwilą uruchomienia zespołu.

Wraz z otwarciem żaluzji czerpni i wyrzutni automatycznie muszą zostać uruchomione wentylatory nawiewne i wywiewne. Na rysunku 5. zostały przedstawione schematycznie źródła ciepła pracującego zespołu prądotwórczego oraz źródło poboru i wyrzutu powietrza z agregatorni. 

Doprowadzane do agregatorni powietrze służy do wychłodzenia nagrzanych elementów wyposażenia oraz jest niezbędne do poprawnego funkcjonowania silnika spalinowego. W celu zapewnienia poprawnego funkcjonowania wentylacji należy prowadzić konserwację wentylatorów, napędów żaluzji oraz kanałów wentylacyjnych, jeżeli zostały zastosowane. W przypadku zespołów pracujących w trybie automatycznym, pomieszczenie agregatorni należy ogrzewać tak, aby utrzymywana była stała temperatura otoczenia wynosząca 10°C. Zaleca się instalowanie nagrzewnic elektrycznych wyposażonych w termostat, zasilanych z rozdzielnicy potrzeb własnych agregatorni, która jest zasilana z sieci elektroenergetycznej. Po uruchomieniu zespołu prądotwórczego układ automatyki samorozruchu oraz samozatrzymania przełącza zasilanie agregatorni na zasilanie z zespołu prądotwórczego z jednoczesnym odłączeniem zasilania nagrzewnic.

Układ paliwowy

Każdy zespół prądotwórczy wyposażony jest w zbiornik paliwa instalowany na ramie nośnej. Pojemność takiego zbiornika pozwala na pracę zespołu przez 8 godzin. W przypadku konieczności pracy zespołu przez dłuższy czas instalowane są zbiorniki zewnętrzne. Na rysunku 6. został przedstawiony schemat instalacji paliwowej zawierającej zbiornik dzienny oraz zbiornik zewnętrzny paliwa.

Zbiorniki powinny być zabezpieczone przed wydostaniem się oleju do gruntu oraz wyposażone w urządzenia umożliwiające okresową kontrolę stanu szczelności. Z uwagi na parafinowanie oleju w niskich temperaturach, zbiorniki podziemne i naziemne powinny posiadać urządzenia umożliwiające utrzymanie dodatnich temperatur oleju (ok. 5–6°C). Najczęściej stosowanym rozwiązaniem składowania oleju są zbiorniki zlokalizowane w pomieszczeniach magazynowych. W pomieszczeniach tych dopuszcza się składowanie oleju wyłącznie w bezciśnieniowych zbiornikach lub bateriach takich zbiorników. Powinny być wyposażone w układ napełniania, odpowietrzania i czerpania paliwa. Pomieszczenia magazynowe muszą spełniać wymagania określone w Rozporządzeniu Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 roku w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (Dz.U. z 2022 r., poz. 1225 z późniejszymi zmianami) [5].

Zbiornik zewnętrzny może być usytuowany na powierzchni lub zakopany w ziemi. Powinien posiadać zawór uwalniający nadciśnienie, jakie powstaje w trakcie napełniania, jak również na skutek parowania i rozszerzania objętości gazów paliwowych. Zabezpiecza on przed wytwarzaniem podciśnienia w miarę zużywania paliwa. Dno zbiornika powinno być zaokrąglone i pochylone pod kątem 2° w celu umożliwienia spływu wody powstającej z kondensacji pary i zanieczyszczeń. Zawór odpływowy powinien być zainstalowany w najniższym punkcie dna, w celu umożliwienia regularnego usuwania wody i zanieczyszczeń ze zbiornika. Woda ze zbiornika podziemnego powinna być regularnie wypompowywana. Przewody paliwowe powinny być wykonane z materiału odpornego na paliwo, tzn. rur stalowych lub węży giętkich tolerujących warunki środowiska, w którym pracują.

Uwaga!

Nie można używać rur i armatury zabezpieczonych galwanicznie w układzie paliwowym.

Przewody doprowadzające i odprowadzające powinny mieć przekroje co najmniej tak duże jak przyłącza na silniku, natomiast przelewowe powinny być o jeden wymiar większe. Na długich odcinkach i przy niskich temperaturach otoczenia przekroje powinny być zwiększone dla zapewnienia odpowiedniego przepływu paliwa. W miejscach połączeń przewodów paliwowych z silnikiem, powinny być stosowane przewody giętkie, w celu uniknięcia pęknięć i przecieków spowodowanych drganiami silnika. Przewód ssący nie powinien być usytuowany niżej niż 50 mm od dna w najwyższym jego punkcie. Zalecane są filtry wstępne między filtrem podstawowym a pompą zasilającą.

Wymagania

• Dopuszcza się magazynowanie oleju opałowego o temperaturze zapłonu powyżej 55°C w pomieszczeniach budynków wyłącznie w bezciśnieniowych, naziemnych (ustawionych na stropie lub podłożu) zbiornikach, zaopatrzonych w układ napełniania, odpowietrzania i czerpania paliwa, stanowiących wyposażenie zbiornika.
• Przechowywanie w budynku więcej niż 5000 dm3 oleju opałowego napędowego może odbywać się w wydzielonym tylko do tego celu pomieszczeniu – magazynie.
• Magazyn oleju może być zlokalizowany tylko w podpiwniczeniu lub przyziemiu budynków.
• Pomieszczenia służące do magazynowania oleju opałowego muszą stanowić wydzieloną strefę pożarową i być oddzielone od innych pomieszczeń przegrodami budowlanymi o odpowiedniej odporności ogniowej.
• Pomieszczenia magazynowe powinny spełniać następujące wymagania:

a) stanowić wydzieloną strefę pożarową i być oddzielone od sąsiednich pomieszczeń przegrodami budowlanymi o odporności ogniowej co najmniej 240 min dla ścian i stropów oraz 120 min dla zamknięć otworów,

b) zapewniać zatrzymanie w razie awarii, w przestrzeni lub w wannie wychwytującej 2/3 objętości, a w przypadku pojedynczego zbiornika całą objętość magazynowanego oleju. Przestrzeń wychwytującą może stanowić całe pomieszczenie magazynowe, jeżeli progi w drzwiach są dostatecznie wysokie i nieprzesiąkliwe dla oleju opałowego. Przyjmuje się, że zbiorniki dwupłaszczowe spełniają wymagania wanny wychwytującej, jeżeli jest to potwierdzone odpowiednią aprobatą techniczną,

c) mieć wentylację zapewniającą 2 do 4 wymian powietrza na godzinę,

d) drzwi do magazynu muszą otwierać się na zewnątrz pomieszczenia, być samozamykające się i mieć odporność ogniową co najmniej 60 minut,

e) mieć instalację elektryczną wykonaną zgodnie z wymaganiami jak dla pomieszczeń zagrożonych wybuchem,

f) mieć instalację grzewczą wykonaną w sposób uniemożliwiający wystąpienie temperatury powyżej 40°C na powierzchni zbiornika paliwa,

g) zbiorniki, wykładziny zbiorników i rurociągi z tworzyw sztucznych muszą mieć zapewnione skuteczne odprowadzanie ładunków elektryczności statycznej oraz posiadać dokumenty dopuszczające je do stosowania.

• W pomieszczeniach magazynowych nie wolno instalować przyborów sanitarnych i kratek ściekowych poza wydzielonymi odpływami kanalizacji zaopatrzonej w separatory cieczy palnych.

Zespoły prądotwórcze - zestawienie produktów:

Agregaty do różnych zastosowań

Firma Riello Delta Power oferuje agregaty prądotwórcze w trzech głównych segmentach:

• Zastosowanie ogólne – agregaty do typowych zastosowań przemysłowych, budowlanych, rezerwowych.
• Dla centrów danych (Data Center) – urządzenia do infrastruktury krytycznej, wymagającej najwyższej niezawodności.
• Dla sektora wojskowego i specjalnego – agregaty zaprojektowane i produkowane zgodnie z wymaganiami resortu obrony (m.in. norma AQAP 2110) ­– w tym wersje mobilne, kontenerowe, samochodowe.

Oferta obejmuje szeroki zakres mocy oraz możliwość doboru komponentów według konkretnych potrzeb. Przykładowe serie agregatów:

• RDP serii B (silnik BAUDOUIN) – od ok. 20 kVA do 5 250 kVA.
• RDP serii C (silnik CUMMINS) – 20 kVA do 2 750 kVA.
• RDP serii M (silnik MITSUBISHI) – 500 kVA do 2 500 kVA.
• RDP serii MT (silnik MTU) – 27 kVA do 4 000 kVA.
• RDP serii P, DS, V, D, S, F, LP, K – obejmujące dodatkowe przedziały mocy i silników (np. DEUTZ, VOLVO, SCANIA, FPT/Iveco, Lister Petter, Kohler).

Możliwości zabudowy: otwarte, w obudowie, kontenerowe (np. 10/20/40 ft lub betonowe), wersje mobilne (na samochodach ciężarowych) – co pozwala na dopasowanie do warunków montażu i eksploatacji.

Istnieje możliwość synchronizacji agregatów między sobą lub z siecią – przy wyższych klasach zastosowań. Urządzenia są wyposażone w zaawansowane systemy sterowania, monitoringu pracy, raportowania zużycia paliwa, obciążenia, temperatury – szczególnie w większych agregatach. Produkty spełniają wymagania jakościowe i normatywne (m.in. ISO 9001, AQAP 2110) – co jest istotne przy zastosowaniach krytycznych i w sektorze publicznym/wojskowym.

Riello Delta Power oferuje pomoc w doborze urządzenia (analiza zapotrzebowania mocy, warunków instalacji, trybu pracy), montażu, uruchomieniu oraz integracji z systemami UPS lub siecią klienta – zapewniając pełne rozwiązanie „pod klucz”.

RIELLO Delta Power sp. z o.o.
ul. Krasnowolska 82R
02-849 Warszawa
tel. 22 379 17 00
www.riello-deltapower.pl

Literatura

1. PN-ISO 8528-5 Zespoły prądotwórcze prądu przemiennego napędzane silnikiem spalinowym tłokowym. Zespoły prądotwórcze. Uwaga! Norma wycofana bez zastąpienia. Aktualnie obowiązują normy z serii: PN-IEC 60034 Maszyny elektryczne wirujące.
2. PN-ISO 8528-1 Zespoły prądotwórcze prądu przemiennego napędzane silnikiem spalinowym tłokowym. Zastosowania, kwalifikacje i wymagania. Uwaga! Norma wycofana bez zastąpienia. Aktualnie obowiązują normy z serii: PN-IEC 60034 Maszyny elektryczne wirujące.
3. T. Sutkowski, Rezerwowe i bezprzerwowe zasilanie w energię elektryczną. Urządzenia i układy, COSiW SEP, Warszawa 2007
4. Materiały marketingowe firmy Fast Group
5. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 roku w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (Dz.U. z 2022 r., poz. 1225 z późniejszymi zmianami) – traci ważność z dniem 21 września 2027 roku
6. J. Wiatr, M. Orzechowski, Poradnik projektanta elektryka, wydanie VI, Grupa MEDIUM, Warszawa 2021.
7. J. Wiatr, Zespoły prądotwórcze w układach zasilania awaryjnego obiektów budowlanych, Grupa MEDIUM, Warszawa.