用途に適した天然ガス発電機セットを選択するにはどうすればよいですか?

天然ガス発電機セット は、住宅、商業、産業、および実用規模のアプリケーションにわたって利用できる、商業的および技術的に最も重要な発電ソリューションの 1 つとしての地位を確立しています。これらの発電機セットは、ディーゼルや重油ではなく天然ガスを燃焼させ、排出量が少なく、ほとんどの市場で燃料コストが低くなり、液体燃料物流の保管、輸送、汚染の問題を受けないパイプラインインフラストラクチャを通じて燃料供給の信頼性が向上して電力を供給します。スタンバイ電力、連続電力、または熱と発電の組み合わせを必要とする操作の場合、天然ガス発電機セットは、燃料価格と排出規制が進化し続けるにつれて、ディーゼル代替品がますます匹敵できない性能と経済性の魅力的な組み合わせを提供します。

天然ガス発電機セットを評価する人にとっての直接の結論は次のとおりです。天然ガスの供給が利用可能な連続発電またはプライム発電の場合、天然ガス発電機セットは、同等のディーゼル セットよりも排出量が少なく、キロワット時あたりの燃料コストが低く、長期メンテナンス コストも低く抑えられ、同時にユニットあたり 20 kW から 10 メガワットをはるかに超える出力範囲にわたって同等の電気出力効率を達成します。スタンバイ用途の場合、天然ガスセットはガス供給インフラの信頼性に依存しており、特定の場所に応じて評価する必要があります。ガス供給が信頼できる場合、天然ガス発生装置セットは、ほとんどの恒久的なスタンバイおよび連続電力用途に推奨される仕様です。この記事では、天然ガス発電機セットの技術、性能仕様、用途、選択基準について、実践的に詳しく説明します。

天然ガス発電機セットの仕組み

あ 天然ガス発電機セット 天然ガス燃料の内燃エンジンと、共通のベースフレームに取り付けられた同期交流発電機（オルタネーター）を組み合わせ、始動、制御、冷却、排気処理に必要なすべての補助システムを単一の展開可能なパッケージに統合します。エンジンは、燃焼室内で天然ガスと空気の混合物を燃焼させ、ガスの化学エネルギーを機械的回転エネルギーに変換して発電機シャフトを駆動し、電気出力を生成します。エンジン、発電機、コントロール パネル、冷却ラジエーター、および指定されている場合は消音エンクロージャを含むアセンブリ全体が発電機セット パッケージを構成します。

天然ガス発電機セットで使用されるエンジンの種類

天然ガス発電機セットは 2 つの主要なエンジン タイプで製造されており、それらの選択は効率、出力、用途の適合性に大きな影響を与えます。

• 火花点火式 (オットーサイクル) ガスエンジン: 天然ガス発電機セットの標準エンジンタイプです。天然ガスは気体燃料であるため、実際のガスエンジンで使用される圧縮比では自己発火しないため、ディーゼルのように圧縮着火することはできません。その代わりに、混合気は圧縮行程の最適な点で点火プラグによって点火されます。最新の火花点火式ガス エンジンは、空燃比が理論空燃比 (通常はラムダ 1.6 ～ 2.0 以上) よりも大幅に大きい希薄燃焼技術を使用しています。これにより、ピーク燃焼温度が低下し、NOx 排出量が減少し、熱効率が向上します。プレミアム希薄燃焼ガス エンジンは、500 kW ～ 10 MW の出力範囲で全負荷時に 40 ～ 45 パーセントの電気効率を達成します。これは、最新のディーゼル エンジンに直接匹敵し、古い化学量論ガス エンジンの一般的な効率 30 ～ 35 パーセントよりも大幅に優れています。
• パイロット点火式 (二元燃料) エンジン: 特にメガワット範囲の大型天然ガス エンジンでは、各シリンダー内の主に天然ガスの空気混合物に点火するために、少量のディーゼル燃料 (パイロット噴射) を使用することがあります。ディーゼル パイロットは、点火プラグが届く大口径シリンダーにおいて、小型エンジンよりも信頼性が高く、信頼性の高い正確な点火タイミングを提供します。二元燃料エンジンは、ガス供給が中断された場合でもディーゼルのみで動作できるというさらなる柔軟性を提供しますが、その代償として、機械的複雑さが増し、ガス供給と並行してディーゼル燃料供給を維持する必要があります。

ジェネレーターコンポーネント

天然ガス発電機セットの同期交流発電機は、エンジンのクランクシャフトの機械的回転を、用途に指定された電圧と周波数の三相交流電力に変換します（通常、ヨーロッパおよびアジア市場では 400V または 11kV（50Hz）、北米市場では 480V または 13.8kV（60Hz））。発電機の設計、絶縁クラス、冷却方法は、セットの出力と用途に適合します。デジタル電圧レギュレータ (AVR) を備えたブラシレス自励発電機は、全負荷範囲および過渡負荷イベントにわたって出力電圧を設定値の ±1% 以内に維持します。これは、サーバー、可変周波数ドライブを備えたモーター、医療機器など、最も敏感な電子負荷との互換性のために必要な仕様です。

天然ガス発電機セットの燃料供給に関する考慮事項

天然ガス発電機セットの動作信頼性は基本的に燃料供給の信頼性と品質に依存しており、燃料供給システムは発電機セットの設置の不可欠な部分として正しく設計されている必要があります。天然ガスは、次の 3 つの主要供給源のいずれかを介して発電機セットに供給されます。それぞれに異なる信頼性、圧力、設置への影響があります。

• 天然ガスユーティリティパイプライン: ガス供給インフラが整備されている地域の常設設備用の最も一般的な供給源。パイプラインガスは分配圧力 (英国の敷地境界では通常 20 ～ 200 mbar、産業用供給ネットワークでは 0.25 ～ 2 bar) で供給され、供給圧力をエンジンの燃料システム要件 (通常、火花点火リーンバーン エンジンのエンジン燃料入口で 20 ～ 100 mbar) まで下げて安定させるために圧力調整ステーションが必要です。先進市場におけるパイプラインガス供給の信頼性は非常に高く、都市部および郊外地域では通常、年間可用性が 99.9% 以上です。
• 圧縮天然ガス (CNG): 公共パイプラインガスにアクセスできない場所では、天然ガスは高圧シリンダーまたはトレーラーに取り付けられたシリンダーバンドルで最大 250 bar の圧力で圧縮された状態で供給されるため、ガスをエンジン燃料入口条件にするための減圧トレインが必要です。 CNG の供給は中期的な遠隔設置に実用的であり、ディーゼル供給の物流が困難な場所ではディーゼルの実行可能な代替手段となります。
• 液化天然ガス (LNG) および液化石油ガス (LPG): LNG は現場の極低温タンクに保管し、気化してパイプラインインフラから離れた場所にある発電機セットに供給できます。 LPG (プロパンまたはブタン) は、天然ガスと同様の燃焼特性を持つ代替ガス燃料を提供し、天然ガスが利用できない場合に適切に変換された発電機セットで使用できます。 LNG と LPG はどちらも、特殊な貯蔵、気化、および圧力調整装置を必要とします。

性能、排出量、効率の比較

ディーゼル代替品に対する天然ガス発電機セットの性能上の利点は、同等の出力定格全体で主要な運用指標を比較すると最も明確にわかります。次の表は、500 kW ～ 2 MW の出力範囲における最新の天然ガスおよびディーゼル発電機セットの一般的な性能数値の比較を示しています。

天然ガス発電機セットの主な用途

天然ガス発電機セットs は、複数の分野にわたる幅広い発電アプリケーションに対応しており、必要な特定の構成、出力定格、および補助システムは、発電機セットが果たすように設計されている役割によって異なります。

• 熱電併給 (CHP) システム: あlso known as cogeneration, CHP systems capture the waste heat from the generator set's engine cooling system and exhaust gas to produce hot water or steam for space heating, process heating, or absorption cooling. The total energy utilization efficiency of a well designed CHP installation using a natural gas generator set reaches 80 to 90 percent, compared to 38 to 44 percent for electricity generation alone, dramatically reducing the energy cost of facilities that have simultaneous heat and power demands such as hospitals, hotels, universities, food processing plants, and district heating networks.
• 継続的かつ主要な発電: 送電網接続が利用できない、信頼性が低い、または確立するのに費用がかかりすぎる地域や施設では、天然ガス発電機セットは、生産の副産物として天然ガスが得られる可能性がある産業施設、遠隔地コミュニティ、鉱山作業、および石油およびガス生産現場に継続的に電力を供給します。プライムパワーの天然ガス発電機セットは、1 日 24 時間、年間 365 日、フル定格出力またはほぼフル定格出力で連続運転するように指定されており、この任務に適した堅牢な構造、冷却能力、およびメンテナンス間隔で設計されています。
• スタンバイおよび非常用電源: 商業ビル、データセンター、医療施設、水処理プラント、その他の重要なインフラでは、送電網の停電時の主なバックアップ電源として天然ガス発電機セットが使用されています。天然ガススタンバイセットは、オンサイトでの燃料保管が不要（ディーゼルスタンバイに伴う火災の危険性、保管規制、燃料劣化の懸念がなくなる）という利点を備え、同時にスタンバイモードから全負荷受け入れまでの起動時間が10～30秒で、ほとんどの施設の非常用電源規格の自動移行要件を満たします。
• 埋め立てガスおよびバイオガス発電: 天然ガス発生装置セットは、埋め立て地、下水処理の嫌気性消化装置、農業廃棄物消化装置、および産業用バイオガスプロセスからのバイオガスで稼働するように適合させることができます。バイオガスには通常、体積で 45 ～ 65 パーセントのメタンが含まれており、二酸化炭素と微量汚染物質が残りを占めています。バイオガスサービス用に構成された発電機セットは、圧縮比、点火タイミング、およびバイオガスの低発熱量と可変組成向けに最適化された燃料システムコンポーネントを備えたエンジンを使用し、未処理のバイオガス中のエンジンコンポーネントに損傷を与える水分と硫化水素を除去するためのガス調整装置が含まれる場合があります。

天然ガス発電機セットの選択と指定

正しいものを選択する 天然ガス発電機セット 特定の用途では、選択したセットが確実に機能し、規制要件を満たし、耐用年数にわたって期待される経済的利益を提供するかどうかを決定する、相互に関連するいくつかの技術的および商業的要因を体系的に評価する必要があります。

1. 電力出力定格とデューティ分類: 発電機セットの出力定格は、正しいデューティに合わせて指定する必要があります。グリッドの停止中にのみ使用されるセットの待機電力定格 (SPR)。無制限の稼働時間で主電源として使用されるセットの主電力定格 (PPR)。一定のベース負荷電力を提供するセットの連続電力定格 (CPR)。発電機セットのスタンバイ電力定格は、通常、同じエンジン構成のプライム電力定格より 10 ～ 15 パーセント高くなります。これは、スタンバイ運転では、この定格でセットが年間最大 500 時間に制限されるのに対し、プライムおよび連続定格は無期限に維持する必要があるためです。セットを連続運転用のスタンバイ定格に指定することは、エンジンの早期磨耗や耐用年数の短縮につながる、よくある重大な間違いです。
2. サイトの高度と周囲温度のディレーティング: ガス エンジンの出力は、高度が上昇し (空気密度が低下し)、周囲温度が上昇すると (空気密度が低下し、冷却需要が増加)、低下します。エンジンのメーカーは、設置場所で利用可能な実際の出力を決定するために、公称定格出力に適用する必要がある高度と温度の軽減曲線を公開しています。周囲温度が摂氏 40 度に達する気候の海抜 1,500 メートルに設置された発電機セットの場合、定格出力は銘板定格より 15 ～ 25 パーセント低い可能性があり、これを最初のサイジング計算で考慮する必要があります。
3. 排出ガスコンプライアンス要件: ガスエンジンの設備には、管轄区域、設備の規模、運転時間のプロファイルによって異なる排出制限が適用されます。 1 MW を超えるヨーロッパの設備は、通常、NOx、CO、および全有機炭素に関する中燃焼プラント指令 (MCPD) の排出制限の対象となりますが、清浄空気地帯または住宅地の近くにある設備は、より厳しい地域制限に直面する可能性があります。エンジンの選択では、エンジンの認定排出性能が、エンジン単独では満たせない NOx 制限を達成するための選択触媒還元 (SCR) 後処理の要件を含む、特定のサイトおよび動作プロファイルに適用される規制要件を満たしていることを確認する必要があります。
4. 騒音レベルと音響エンクロージャの要件: 天然ガス発生装置セットは、エンジン、冷却ファン、排気システムから重大な機械騒音と燃焼騒音を発生します。設置された騒音レベルは、敷地境界および最も近い騒音に敏感な受容器における地域の計画および環境規制に準拠する必要があります。発電機セットのサプライヤーは、音響キャノピー内、または騒音を必要なレベルまで減衰させる専用の音響エンクロージャ内に発電機セットを提供できます。また、エンクロージャの設計では、エンジンからの直接放射騒音と、基礎や建物の構造を通して伝わる構造物ノイズの両方に対処する必要があります。

天然ガス発電機セットは、今日のエネルギー市場で利用可能な最も効果的で経済的に正当な発電投資の 1 つであり、特に燃料費の削減、排出量の削減、メンテナンス間隔の延長、CHP 熱回収の可能性の組み合わせが十分に実現できる用途に当てはまります。徹底的な現場評価、正しい職務分類、排出ガスおよび騒音規制の順守、設置場所の天然ガス供給インフラストラクチャとの調整が、発電機セット仕様の基礎となり、発電機セットの耐用年数全体にわたって期待される性能と経済性を実現します。