Индустриални електрогенератори

В нашето съвремие сме станали зависими от електрическата енергия в почти всичките си дейности. Липсата на електричество ни изглежда неестествена, дори в най-отдалечените планински райони. А вече има и толкова много сфери на живота, които са крайно уязвими от прекъсване на захранването и изискващи неговото възстановяване не за минути, а за секунди. В такива ситуации на помощ идват индустриалните електрогенератори, подаващи необходимото електричество и спасяващи от хаос и объркване най-чувствителните системи.

Текст: списание Енергия

снимка: Atlas Copco

Индустриалните електрогенератори (електроагрегати) са предназначени за постоянно подаване на електричество, поемане на пикови натоварвания на електрическата мрежа и аварийно (резервно) захранване на промишлени, строителни, туристически и търговски обекти, болници, летища, финансови институции, сървърни центрове (Data Centres), мини, когенерационни системи и много други. Изборът на подходящи електрогенератори за подсигуряване на електрическото захранване в дадена икономическа или социална дейност изисква известно задълбочаване и осмисляне на тяхната технология, управление и съответните специфики при различните приложения.

Принципно устройство

Индустриалният електрогенератор представлява една цялостна конструкция, монтирана на обща стоманена рама. Основните му компоненти са нискооборотен двигател с вътрешно горене (1500r/min) и генератор за променлив ток (алтернатор). Обикновено се влага синхронен безчетков генератор за променлив ток, който е трифазен и със самовъзбуждане (напрежение 400V/230V, честота 50Hz в България). Роторът на алтернатора може да бъде куплиран към двигателя например чрез стоманени дискови муфи, гъвкави дискове или фланец. Двигателят и генераторът за променлив ток в общия случай се монтират чрез гуменометални виброизолатори към рамата. На нея са разположени също охладителната система, газоизпускателната уредба със заглушител, резервоарът за гориво и стартерната акумулаторна батерия.

Цялата конструкция може да бъде отворено или затворено изпълнение. В първия случай е необходимо да се осигури помещение със съответната вентилация, а машината трябва да разполага с механична защита на движещите се елементи и горещите компоненти. Във вариантите със затворено изпълнение електроагрегатът е изолиран чрез външен корпус (кожух, контейнер), т.е. той е предпазен от външните метеорологични условия и е шумозаглушен в по-малка или по-голяма степен. Електрогенераторът има външно разположени електрическо табло за свързване, панел за управление с индикатори и бутони, както и дисплей за визуализиране на информацията. Съвременните системи за управление контролират параметрите на мрежата и генератора и осъществяват защитата на двигателя и алтернатора при съответните отклонения.

По отношение на двигателя това примерно са количество гориво в резервоара, дневен разход, ниско налягане на маслото, висока температура на охлаждащата течност, ниско ниво на горивото, отработени моточасове, време до следващото планово сервизно обслужване и др. За генератора това могат да бъдат трите линейни напрежения, честота на напрежението, защита от претоварване, ниска и висока честота, и др. Може да се следи също зарядното устройство за акумулатора, поддържащ го в заредено състояние, и изпълнителните релета. Важна система е електронното управление (AVR) за поддържане на постоянно изходящо напрежение, независимо от натоварването. Днес все повече производители предлагат системи за дистанционен мониторинг на електрогенератора, като най-основните функции са свързани с наблюдаване на местоположението и нивото на горивото. Тези системи са особено полезни за за фирмите, отдаващи машини под наем, както и за мобилните оператори, тъй като позволяват генераторите да бъдат следени 24 часа в денонощието дистанционно от всяко устройство, което разполага с интернет.

  снимка: Caterpillar

Мощност на електрогенератора

Един от основните параметри на генераторите е електрическата им мощност. За нея обикновено се използват две мерни единици: в kW (киловати) се посочва активната мощност, която може да се използва, а с kVA (киловолт-ампери) се обозначава привидната мощност, т.е. цялата електрическа мощност, която се произвежда, но тя може да се използва изцяло само в определени случаи. Има една съвсем проста приблизителна формула: за да се получи 1kW активна мощност, която ще използват консуматорите, е необходима привидна мощност от 1,2kVA (може да се смята с 1,25kVA). Днес на пазара се предлагат стотици модели индустриални електрогенератори с мощности от 3  до 18000kVA.

Когато обектът за захранване е малък и впоследствие се е появила потребност от инвестиция в генератор, неговата мощност може да се изчисли приблизително, като се сумира общата консумирана мощност на планираните за захранване консуматори. Към нея трябва да се добави някакъв резерв - между 10 и 30%. Все пак, има и особености. В спецификацията на някои електрогенератори се посочват номинална и максимална мощност. Ако машината ще работи през по-дълги периоди от време, най-добре е изчисленията да се базират върху номиналната.

В други случаи има производители, които изрично декларират какво означава според техните означения дадените мощности по съответните стандарти. Максималната мощност (Power LTP ISO 8528) показва максималната възможна мощност, с която може да бъде натоварен генераторът в продължение на 1 час на всеки 12 часа, а годишният лимит за работа с максимална мощност LTP е 500 часа. Продължителната мощност (Power PRP ISO 8528 ) показва максималната мощност, възможна при променливи натоварвания при продължителна работа. Допуска се претоварване до 10% за 1 час за всеки 12 часа работа. Средната стойност на натоварването за 24 часа не трябва да превишава 80% от продължителната мощност.

Трябва също да се обърне внимание за каква температура на околната среда и за каква надморска височина са посочени дадените мощности. При всички случаи, преди да се инвестира в конкретна машина, е задължителна консултация с представител на съответния производител. При големи обекти като банки, болници, молове, летища и т.н. проектантът, отговарящ за електрическата част, трябва да предвиди още на ниво проект броят, мощността на агрегатите и общата им система за синхронизация и управление.

Вид на използваното гориво

Друг важен фактор, от който зависи изборът на агрегат, е видът на използваното гориво. В съвременните индустриални електрогенератори се влагат двигатели, които работят на дизел, метан, пропан-бутан или биогаз. Бензиновите агрегати намират широко приложение при битови дейности, къмпингуване, практикуване на хобита и др. подобни. Те се отличават с по-малка мощност и в посочените случаи машината подава постоянно захранване за съвсем кратки периоди в рамките на годината.

В общия случай индустриалните електрогенератори работят на дизел. За най-типичните индустриални приложения се разчита на електроагрегати с мощност от 3 до 800kVA, което обхваща ниския и средния мощностен клас. Те могат да бъдат в най-различни конфигурации, в т.ч. стационарни, полумобилни - с т. нар. шейна под основната рама, където има и отвори за палетни вилици, и мобилни - върху едноосно или двуосно ремарке с теглич. Електрогенераторите с висока мощност обикновено започват от 600 - 700kVA нагоре и предлагат в голямо разнообразие от конфигурации: без външен корпус за монтаж на платформа, с шумоизолирани външни корпуси и като стандартни 10-, 20- и 40-футови контейнери. Някои производители предлагат модели, при които в един контейнер са разположени едновременно два електрогенератора. Управлението им позволява по-гъвкава експлоатация в зависимост от постоянно променящи се ранотни условия.

Важен момент при една част от дизеловите електрогенератори е, че емисиите на техните двигатели вече трябва да отговарят на суперстрогите екологични норми по Етап V на ЕС. По принцип това се отнася най-вече за мобилни или полумобилни варианти, т.е. машини, които е предвидено да бъдат премествани от едно на друго място на работа, като например генераторите отдавани под наем. Това обаче изисква добавянето на допълнителни системи за третиране на изгорелите газове, чиято цел е да намали до определени нива изпусканите сажди и азотни оксиди в атмосферата. Несъмнено това допълнително оборудване има отношение и към по-високата цена на машината, а и в някаква степен усложнява изискванията за нейната експлоатация и поддръжка.

Газовите електрогенератори предлагат широк диапазон от производителности - от 10 kW до над 13 000 kW, и работят на природен газ, пропан-бутан и биогаз. Отличават се с по-малко шум при работа и по-малко емисии изгорели газове, както и с по-ниски разходи за експлоатация и поддръжка в сравнение с дизеловите модели. Все пак тук има някои важни специфики по експлоатацията и поддръжката, тъй като в машината се вгражда цялостна газова система, в т.ч. ръчен кран за изключване, газов филтър, регулатор за налягането, двоен соленоиден клапан, превключвател за ниско налягане и манометри на входа и изхода. Преди инвестиция в такава машина клиентът трябва да е сигурен, че газовата система на електрогенератора има всички сертификати за безопасност, приложими в ЕС. Най-голямата част от особеностите и вариантите при електроагрегатите идват от конкретните приложения, за които ще се използват. Ето защо ще обърнем внимание на някои от по-интересните, чрез които може да се илюстрира тяхното многообразие.

Сървърни центрове и болници

Сървърните центрове, както и тези за обработка на данни, са сред най-уязвимите системи, застрашени дори от съвсем кратко прекъсване на електричеството. Ако един сървър спре да работи заради най-обикновено спиране на тока, това реално може да доведе до парализиране на работата на някоя огромна компания и тежки икономически загуби. Тук няколко минути са страшно много, а изискваното време за реакция е до 10 секунди. Ето защо електрогенераторите, отговарящи за аварийното захранване се оборудват по по-специален начин.

Един от най-важните критерии е да има 100% сигурност, че двигателя ще стартира ефективно в рамките на тези 10 секунди. За тази цел се използва дублираща стартерна система, съставена от два електрически модула (всеки със собствена акумулаторна батерия), електрически и хидравличен или от електрически и пневматичен модул. Предпочитат се необслужваеми акумулаторни батерии с голям пусков ток. Освен това се използва система за поддържане на постоянна температура от 40С° на охладителната течност на двигателя. Тя разполага с циркулационна помпа за равномерния подгрев на течността. След незабавното стартиране сървърният център ще разчита, че генераторът бързо ще постигне необходимото напрежение и честота.

Ето защо електронната система регулиране на оборотите на двигателя е задължителна. Много често генераторите се инсталират в помещения в приземни или подземни етажи, където няма предвидена вентилация или тя е съвсем ограничена. Поради това водещите производители предлагат гъвкави инженерни решения за охладителните системи, които могат да се монтират на по-горните етажи или дори на покрива на сградата. Като цяло логиката на аварийното захранване в съвременните болници е същата, като трябва да се отчете и фактът, че тук трябва да се гарантира здравето и живота на пациентите, в т.ч. по време на много сложни операции с използване на най-съвременна медицинска компютъризирана апаратура. Ето защо към вече посочените допълнителни системи се добавят и други, а и се вземат предвид редица изисквания свързани с проектантските решения, европейското законодателство и др. подобни фактори.

Използването на модерна и скъпа медицинска техника може да изисква още на ниво проектиране на болницата да се предвиди постоянно захранване от две различни електрически мрежи. Ето защо от електрогенераторите, които трябва да могат да работят в режим както на аварийно, така и на постоянно захранване, се изисква да бъдат синхронизирани с всяка от двете мрежи. Често срещан вариант е монтираните два електроагрегата да стартират едновременно и да поемат на 100% натоварването, а след това единият да се изключи автоматично.

Нерядко се прилагат решения, при които генераторите се включват при пиково натоварване на мрежата в болницата. За целта се използва система за постоянно следене на потреблението на електроенергия и ако зададените стойности бъдат надхвърлени, агрегатите се включват за времето, през което е необходимо да покрият пика. В болниците по правило се залагат двойни заглушители към газоизпускателните уредби с цел минимизирана на шума. Тъй като генераторите са отворено изпълнение, за шумоизолирането на самото помещение, където работят машините, се използва изолация от най-висок клас.

снимка: Doosan

Хибридни електрически централи

Все по-голяма популярност набира комбинацията от електрогенератор (електрогенератори) и фотоволтаична система за постоянно захранване на отдалечени обекти, където няма електрическа мрежа. Това е алтернатива на постоянното захранване единствено с електрогенератори. Тук като фактор значение има и тенденцията за намаляване на цените на фотоволтаичните системи и все по-кратките периоди на възвращаемост на такава инвестиция. Използва се интелигентна автоматизирана система за управление на електрозахранването, която координира и оптимизира съвместната работа на дизеловия генератор и фотоволтаиците.

Така, в зависимост от фактори като слънчева радиация, профил на натоварване на системата и цялостното решение на електрозахранването, могат да бъдат постигнати икономии от дизелово гориво до 40%. В хибридна дизел-фотоволтаична система могат да бъдат включвани всяка съвременна марка и модел дизелов генератор, но за постигане на максимален икономически ефект се препоръчва мощността му да бъде поне 50kVA. Капацитетът на фотоволтаичната система зависи от местните условия на експлоатация, но в общия случай се препоръчва да бъде около 50-70% от номиналната мощност на дизеловия електрогенератор. Ето една примерна конфигурация: два дизелови електрогенератора - всеки по 910kVA и фотоволтаична система от 1MW, произвеждаща годишно 1,9GW/h. В този вариант е съвсем постижима годишната икономия на дизелово гориво от 475 хиляди литра, и съответно годишното намаляване на емисиите СО₂ на 1254 тона.

Доскоро основното предизвикателство бе да се разработи технически и въведе в експлоатация хибридно дизел-фотоволтаично електрозахранване, без да се използва система за съхраняване на енергията (батерия), която се определяше като скъпа, чувствителна към температурни промени и с малък експлоатационен живот. С нарастването на популярността на системите за съхранение на електроенергия и намаляване на цените им, все по-перспективни ще стават варианти от електрогенератори, фотоволтаици и батерии. Новото предизвикателство очевидно ще бъде необходимостта от най-съвременно управление не само на хибридното производството на електричеството, но и моментното избиране на най-ефективния източник на енергия според състоянието на система. Тук вече се залага и на изкуствения интелект.

Отдаване под наем

Електрогенераторите са от типа машини, които са изключително перспективен продукт за рентал бизнеса. Агрегатите за отдаване под наем са предвидени да издържат на най-екстремни атмосферни условия: силни валежи, заледяваме или големи горещини. Защитата от тежки атмосферни влияния обикновено е съчетана с отлична шумоизолация. В максималния вариант се използва изолация от каменна вата клас М0 с дебелина 50 mm и плътност 145kg/m³. Водозащитените шасита и външни корпуси със защита IP23 са специално разработени да не пропускат никаква вода във вътрешността на електрогенератора. Външният корпус на машините е конструиран за оптимално натоварване и транспорт, както на камиони, така и в 20- и 40-футови контейнери. Производителите предлагат също сертификат по Конвенцията за безопасност на контейнерите, така че те да се превозват и по море. Някои компании имат специално конструирани гами от агрегати за отдаване под наем с високо ниво на шумоизолация.

Това са много тихи дизелови електрогенератори, които са разработени за експлоатация в зони с високи изисквания към емисиите на шум, особено в градовете. Те гарантират ниво на шума около 60dB на разстояние 7m. Намират приложение основно при организиране на събития, а някои от тях могат да бъдат много големи и отговорни - например Олимпийски игри, Рали Дакар и др. подобни, разчитащи да наемат за периода на мероприятието мощни генератори за основно или резервно захранване. Тихата работа на тези машини се дължи на оптимизирания дизайн на смукателя за въздух, най-често двоен ауспух и изолиращи материали от най-високо качество. При някои модели времето, през което могат да работят без зареждане, е над четири дни благодарение на големите им резервоари. На все по-голяма популярност започват да се радват агрегатите за отдаване под наем на пропан-бутан, което е свързано в голяма степен с въведените изисквания по Етап V на ЕС за изгорелите газове.

снимка: Cummins

Базови станции на мобилни оператори

Характерни са изискванията към електрогенераторите за базовите станции (антени) на мобилните оператори. Основното е, че работят на отдалечени места и трябва да осигуряват ефективно и надеждно електрозахранване. Ето защо те най-често разполагат със система за постоянен дистанционен мониторинг със проследяваща GPS-система и дистанционен контрол и управление. Проследяващата GPS-система дава възможност за установяване местоположението на машината по всяко време и дистанционно алармиране за нивото на горивото. Дистанционният контрол и управление, служат за събиране и съхранение на данни в реално време с изпращане на предупредителни съобщения и генериране на отчети за цялата електрическа система.
 

Когенерация

Едно от специфичните и перспективни приложения на електрогенераторите е когенерацията (система за едновременно генериране на електричество и топлина). Красноречив пример у нас е биогазовата инсталация на "Биона газ" край Цалапица, област Пловдив, която произвежда електроенергия с капацитет 1,5МW. Като изходна суровина тук се използва от една страна силаж от фуражна царевица, която се отглежда на големи площи около инсталацията. От друга страна се влага и оборски тор, който се транспортира с помпи от кравеферма в непосредствена близост до малката електроцентрала.

При този процес се отделя биогаз, с основно съдържание на метан, запълващ пространството под куполите на ферментаторите. Вторичният ферментатор действа като буферен резервоар и в него навлиза част от ферментиралата суровина заедно с биогаза, откъдето той се изтегля чрез компресор и се подава към машинното отделение. Там газът захранва голям електрогенератор с 16-цилиндров двигател, произвеждащ електричество с мощност 1,5MW и напрежение 380V. След това токът преминава през трансформатор, където напрежението се повишава на 20kV и се подава към електропреносната мрежа. Горещата вода (90°С), получена от охлаждането на двигателя, се използва за отопление на сградите.