Máy phát điện khí thiên nhiên thường là lựa chọn tốt hơn khi cơ sở có nguồn khí đường ống đáng tin cậy và tổ máy sẽ chạy nhiều giờ mỗi năm để cung cấp điện chính, điện liên tục hoặc cắt giảm phụ tải đỉnh, vì nhiên liệu rẻ hơn trên mỗi đơn vị năng lượng ở nhiều thị trường, chu kỳ thay dầu dài hơn và phát thải thấp hơn. Máy phát điện diesel thường là lựa chọn tốt hơn cho dự phòng khẩn cấp, địa điểm xa xôi và ứng dụng di động, vì có thể dự trữ nhiên liệu ngay tại chỗ, nhận nhanh các bước tải lớn và thường có giá mua thấp hơn ở cùng công suất kW.
Những điểm chính
- Tổ máy phát điện khí thiên nhiên sử dụng động cơ pít-tông đánh lửa bằng tia lửa điện; tổ máy phát điện diesel sử dụng đánh lửa do nén và thường có mật độ công suất cao hơn với cùng dung tích xi lanh.
- Diesel dự trữ nhiên liệu tại chỗ, trong khi khí đường ống phụ thuộc vào mạng lưới cấp khí; điều này quan trọng đối với tải dự phòng phục vụ an toàn tính mạng và phải được cơ quan có thẩm quyền chấp thuận.
- Động cơ khí thường chạy khoảng 1000 giờ giữa các lần thay dầu trong chế độ dự phòng, so với khoảng 250–300 giờ thường gặp ở diesel, theo hướng dẫn đã công bố của nhà sản xuất.
- Động cơ khí cháy nghèo vận hành với không khí dư để giảm NOx và cải thiện hiệu suất; động cơ khí cháy giàu cần bộ xúc tác ba chức năng nhưng trước đây thường nhận tải dễ hơn.
- Diesel thường có lợi thế về chi phí đầu tư ban đầu và sử dụng dự phòng không thường xuyên; khí thường có lợi thế về chi phí nhiên liệu và bảo dưỡng khi số giờ vận hành hằng năm cao.
- Để tạo điện 60 Hz, máy phát điện bốn cực chạy ở 1800 rpm, và để tạo điện 50 Hz chạy ở 1500 rpm, bất kể động cơ đốt loại nhiên liệu nào.
Máy phát điện khí thiên nhiên hoạt động như thế nào?
Đó là động cơ pít-tông đánh lửa bằng tia lửa điện ghép với đầu phát điện xoay chiều. Khí được định lượng bằng bộ điều áp và bộ trộn hoặc bằng hệ thống phun tại cửa nạp, trộn với không khí, nén rồi được bugi đốt cháy; trục khuỷu quay đầu phát điện xoay chiều ở tốc độ đồng bộ để tạo điện.
Nhiều động cơ khí công nghiệp được phát triển từ thân máy diesel. Thân máy, trục khuỷu và ổ đỡ được dùng chung, nhưng nắp máy, pít-tông và tỷ số nén được thay đổi, hệ thống đánh lửa thay thế kim phun, và động cơ được bổ sung cụm cấp khí, bướm ga cùng bộ điều khiển tỷ lệ không khí-nhiên liệu. Vì động cơ đánh lửa bằng tia lửa điện phải tránh kích nổ, phiên bản chạy khí của một thân máy thường có công suất định mức thấp hơn phiên bản diesel cùng dung tích xi lanh.
Hai phương pháp đốt cháy chủ đạo:
- Cháy giàu (tỷ lệ lý thuyết): vận hành ở tỷ lệ không khí-nhiên liệu đúng theo phản ứng hóa học. Nhiệt độ khí xả và NOx cao hơn nên thường cần bộ xúc tác ba chức năng, nhưng khả năng nhận tải trước đây thường tốt.
- Cháy nghèo: vận hành với không khí dư, giúp hạ nhiệt độ cháy và NOx, đồng thời thường cải thiện hiệu quả sử dụng nhiên liệu. Động cơ cháy nghèo hiện đại sử dụng tăng áp và bộ điều khiển phản ứng nhanh để cải thiện khả năng nhận tải.
Máy phát điện khí thiên nhiên và diesel: so sánh như thế nào?
Hai loại nhiên liệu phù hợp với các đặc điểm chế độ làm việc khác nhau. Bảng tóm tắt những đánh đổi điển hình; từng mẫu có thể khác nhau, vì vậy hãy kiểm tra bảng thông số kỹ thuật của tổ máy.
| Yếu tố | Tổ máy phát điện khí thiên nhiên | Tổ máy phát điện diesel |
|---|---|---|
| Đánh lửa | Đánh lửa bằng tia lửa điện | Đánh lửa do nén |
| Nguồn cấp nhiên liệu | Đường ống cấp khí, CNG hoặc LNG, khí mỏ, khí sinh học | Dự trữ tại chỗ trong bồn dưới bệ hoặc két nhiên liệu hằng ngày |
| Vấn đề lưu trữ nhiên liệu | Không cần lưu trữ tại chỗ đối với khí đường ống | Nhiên liệu xuống cấp theo thời gian và cần kiểm tra, lọc làm sạch |
| Khả năng nhận bước tải | Tốt trên các động cơ hiện đại được thiết kế cho chế độ dự phòng, tùy mẫu | Theo truyền thống là mạnh nhất |
| Mật độ công suất | Thấp hơn trên mỗi lít dung tích xi lanh | Cao hơn |
| Chi phí đầu tư ban đầu trên mỗi kW | Thường cao hơn | Thường thấp hơn, đặc biệt ở nơi cho phép Tier 2 hoặc tương đương |
| Chu kỳ thay dầu | Thường khoảng 1000 h | Thường 250–500 h, tùy mẫu |
| Phát thải | Ít hạt bụi và NOx hơn, đặc biệt với cháy nghèo | Cần xử lý khí thải sau cháy để đáp ứng giới hạn nghiêm ngặt cho ứng dụng không khẩn cấp |
| Ứng dụng phù hợp nhất | Điện chính, điện liên tục, CHP, cắt giảm phụ tải đỉnh | Dự phòng khẩn cấp, địa điểm xa xôi, ứng dụng di động, hàng hải |
Máy phát điện dự phòng khí thiên nhiên có đủ tin cậy cho chế độ dự phòng không?
Có, đối với nhiều cơ sở thương mại, nhưng nguồn nhiên liệu phải được cơ quan quản lý quy chuẩn chấp thuận. Hệ thống NFPA 110 Type 10 phải khôi phục điện trong vòng 10 giây, và các tổ máy phát điện khí hiện nay của những nhà sản xuất lớn có thể đáp ứng yêu cầu đó, dù khả năng nhận tải vẫn khác biệt giữa các mẫu chạy khí nhiều hơn giữa các mẫu diesel.
Vấn đề lớn hơn là sự bảo đảm nguồn nhiên liệu. Máy phát điện dự phòng khí thiên nhiên phụ thuộc vào việc đường ống vẫn duy trì áp suất trong thời gian mất điện. Nguồn khí từ mạng lưới thường chống chịu bão và lũ tốt hơn hoạt động vận chuyển diesel, nhưng động đất hoặc việc chủ động ngắt cấp khí có thể làm gián đoạn nguồn. Đối với bệnh viện và các tải khác phục vụ an toàn tính mạng, kỹ sư thiết kế, đơn vị cấp khí và cơ quan có thẩm quyền thường cần thống nhất rằng khí từ mạng lưới được coi là nguồn đáng tin cậy. Khi điều này không được chấp thuận, diesel hoặc hệ thống hai nhiên liệu thường là giải pháp.
Tổ máy phát điện khí thiên nhiên phù hợp nhất ở đâu?
Tổ máy phát điện khí thiên nhiên mang lại hiệu quả kinh tế ở nơi có số giờ vận hành cao và nguồn khí rẻ, sẵn có. Các ứng dụng điển hình gồm:
- Nguồn điện chính cho cơ sở dầu khí, nơi khí mỏ hoặc khí đồng hành vốn sẽ bị đốt bỏ được dùng làm nhiên liệu cho động cơ. Cần kiểm tra chất lượng khí, chỉ số methane và nhiệt trị, đồng thời động cơ thường phải giảm công suất khi dùng khí giàu hoặc khí chua.
- Đồng phát nhiệt và điện (CHP) tại nhà máy, nhà kính và khách sạn, thu hồi nhiệt từ nước áo máy và khí xả.
- Cắt giảm phụ tải đỉnh và đáp ứng nhu cầu điện, trong đó các tổ máy chạy vào thời gian giá điện cao.
- Các dự án khí sinh học và khí bãi chôn lấp, thường có hệ thống làm sạch khí và định mức động cơ chuyên biệt.
- Nguồn điện dự phòng thương mại ở nơi cơ quan có thẩm quyền chấp thuận khí đường ống và chủ sở hữu muốn tránh công việc bảo quản nhiên liệu diesel.
Diesel vẫn là lựa chọn mặc định cho mỏ xa xôi, điện công trường, tàu và công trình ngoài khơi, cùng mọi địa điểm phải vận chuyển nhiên liệu đến.
Động cơ pít-tông hay tua-bin khí thiên nhiên?
Với phần lớn dự án dưới vài megawatt, động cơ pít-tông là lựa chọn thông thường. Máy phát điện tua-bin khí thiên nhiên nhỏ gọn và nhẹ so với công suất đầu ra, phù hợp với nhà máy lớn vận hành liên tục và nhà máy điện khí chu trình hỗn hợp, nhưng tua-bin chu trình đơn giảm hiệu suất ở tải một phần và nhạy với nhiệt độ môi trường. Ngược lại, động cơ khí duy trì hiệu suất tốt ở tải một phần và có thể lắp nhiều tổ máy để bật, tắt theo nhu cầu.
Cách bố trí theo mô-đun đó là lý do nhiều nhà máy phát điện khí công suất vài megawatt được xây dựng từ nhiều tổ máy động cơ-máy phát có công suất 1 MW trở lên thay vì một tua-bin. Người mua máy phát điện lớn nên so sánh hiệu suất ở tải một phần, thời gian khởi động, công việc bảo dưỡng và mạng lưới dịch vụ địa phương, không chỉ công suất trên nhãn máy.
Chi phí sở hữu máy phát điện khí thiên nhiên là bao nhiêu?
Tổng chi phí phụ thuộc vào số giờ vận hành nhiều hơn giá mua. Tổ máy chạy khí thường có chi phí đầu tư ban đầu trên mỗi kW cao hơn tổ máy diesel, cộng thêm chi phí đường khí, bộ điều áp và cấp phép, nhưng chi phí nhiên liệu và bảo dưỡng trên mỗi giờ vận hành thấp hơn ở nhiều khu vực. Diesel thường có tổng chi phí thấp hơn khi tổ máy chỉ chạy để thử nghiệm và trong những đợt mất điện không thường xuyên.
Các yếu tố chi phí chính là:
- Định mức và cỡ máy: thiết bị 20 kW và thiết bị 2 MW là những sản phẩm hoàn toàn khác nhau, và giá trên mỗi kW giảm khi cỡ máy tăng.
- Yêu cầu khí thải: tại Mỹ, tổ máy diesel khẩn cấp nhìn chung có thể sử dụng động cơ được chứng nhận Tier 2 hoặc Tier 3, nhưng diesel dùng cho mục đích không khẩn cấp thường cần Tier 4 Final, làm phát sinh hệ thống xử lý khí thải sau cháy và thu hẹp chênh lệch chi phí so với khí.
- Tỷ lệ giá nhiên liệu giữa khí đường ống, CNG và diesel tại thị trường của bạn.
- Số giờ vận hành hằng năm, yếu tố nhân lên chênh lệch chi phí nhiên liệu và bảo dưỡng.
- Vỏ bao, bộ điều khiển và thiết bị đóng cắt hòa song song.
Để tham khảo sơ bộ về mức tiêu thụ nhiên liệu, tổ máy diesel ở mức tải phù hợp thường đốt khoảng 0.25 lít trên mỗi kWh, trong khi tổ máy khí cỡ trung thường cần khoảng 0.3 mét khối khí đường ống trên mỗi kWh. Cả hai số liệu đều thay đổi theo mẫu máy, tải và chất lượng khí, vì vậy hãy sử dụng các đường cong tiêu thụ trong bảng thông số kỹ thuật cho mọi phân tích hiệu quả kinh tế. Khí đường ống có nhiệt trị trung bình khoảng 1000 Btu trên mỗi foot khối tiêu chuẩn (khoảng 37 MJ trên mỗi mét khối), nhưng nhiệt trị thực tế thay đổi theo nguồn cấp.
Có thể vận hành máy phát điện bằng khí thiên nhiên nén không?
Có. Khí thiên nhiên nén thường được lưu trữ ở khoảng 200–250 bar (3000–3600 psi) và được giảm qua bộ điều áp xuống áp suất thấp mà động cơ yêu cầu. Rơ-moóc CNG được sử dụng để cấp điện tạm thời hoặc trong giai đoạn chuyển tiếp ở nơi chưa có đường ống, còn LNG có thể phục vụ các cơ sở nguồn điện chính lớn hơn, dù hiện tượng bay hơi LNG khiến nó không phù hợp với chế độ dự phòng có thời gian ngừng dài. Hạ tầng tiếp nhiên liệu CNG xây dựng cho xe tải và xe buýt khí thiên nhiên hiếm khi hỗ trợ trực tiếp cho tổ máy phát điện cố định; phần lớn cơ sở sử dụng khí đường ống.
Lựa chọn động cơ cho tổ máy phát điện khí thiên nhiên
Đối với đơn vị chế tạo tổ máy phát điện, động cơ quyết định định mức công suất, giới hạn chất lượng khí và kế hoạch bảo dưỡng. Kiểm tra các điểm sau trước khi đặt hàng:
- Công suất định mức tại 1500 hoặc 1800 rpm, ở chế độ chính hoặc liên tục, tại độ cao và nhiệt độ môi trường của bạn.
- Chỉ số methane tối thiểu và áp suất cấp khí tại đầu vào động cơ.
- Khả năng tương thích của hệ thống đánh lửa, điều khiển tỷ lệ không khí-nhiên liệu và bộ điều tốc với bộ điều khiển của bạn.
- Chu kỳ thay bugi, thay dầu và khả năng cung ứng phụ tùng.
Một ví dụ ở phân khúc trung bình là động cơ khí thiên nhiên 120 kW trên nền tảng WP6, loại sáu xi lanh dùng cho tổ máy phát điện và thiết bị chạy khí; dự án tổ máy phát điện khí thiên nhiên cho thấy cách các động cơ này được cung cấp cho một đơn vị lắp ráp. Đối với cấu hình diesel, động cơ sáu xi lanh như động cơ 6BT dùng cho tổ máy phát điện và hàng hải vẫn phổ biến. So sánh thêm các lựa chọn trên trang động cơ khí và xăng và động cơ diesel, đồng thời xem hướng dẫn của chúng tôi về cách chọn công suất máy phát điện diesel.
MARS cung cấp động cơ khí và diesel cho tổ máy phát điện theo điều kiện FOB hoặc CIF Thượng Hải, và mỗi động cơ có thể được chạy thử kèm báo cáo bằng văn bản và video trước khi xuất hàng. Để xác nhận mức công suất dựa trên kết quả phân tích khí của bạn, hãy gửi thông tin dự án.
Câu hỏi thường gặp
Máy phát điện khí thiên nhiên có tốt hơn diesel không?
Không loại nào tốt hơn cho mọi công việc. Khí thiên nhiên thường có lợi thế khi vận hành nhiều giờ ở nơi có khí đường ống, còn diesel thường có lợi thế cho dự phòng khẩn cấp, địa điểm xa xôi và chi phí đầu tư ban đầu thấp nhất.
Máy phát điện khí thiên nhiên có thể chạy bao lâu?
Với nguồn cấp đường ống đáng tin cậy, máy có thể chạy trong thời gian mà định mức động cơ và kế hoạch bảo dưỡng cho phép, vì không có bồn cần nạp lại. Cần định mức công suất chính hoặc liên tục để vận hành lâu dài không có người giám sát.
Có thể chuyển đổi máy phát điện diesel sang chạy khí tự nhiên không?
Có thể lắp bộ chuyển đổi nhiên liệu kép cho máy phát điện diesel để thay một phần diesel bằng khí sau khi máy nóng lên, nhưng máy vẫn cần diesel để mồi cháy. Chuyển đổi hoàn toàn sang vận hành bằng khí với đánh lửa bằng tia lửa điện đòi hỏi thay nắp xi lanh hoặc pít-tông, hệ thống đánh lửa và điều khiển, và hiếm khi mang lại hiệu quả kinh tế.
Tôi cần tổ máy phát điện khí tự nhiên công suất bao nhiêu?
Chọn công suất như với mọi tổ máy phát điện khác: cộng tổng kW vận hành, thêm tải khởi động động cơ điện, rồi quy đổi sang kVA với hệ số công suất 0.8. Sau đó kiểm tra để bảo đảm khả năng đáp ứng quá độ của mẫu máy chạy khí đã chọn đáp ứng được mức tải đóng vào đồng thời lớn nhất của bạn.
Máy phát điện khí tự nhiên 1800 rpm là gì?
Đó là tổ máy 4 cực phát điện ở tần số 60 Hz, phổ biến tại Bắc Mỹ. Các tổ máy tốc độ thấp hơn, 1800 rpm và 1500 rpm, được ưu tiên cho chế độ công suất chính và vận hành liên tục vì hoạt động mát hơn và mài mòn chậm hơn các tổ máy 3600 rpm.
