Como você escolhe os grupos geradores de gás natural certos para sua aplicação?

Grupos geradores de gás natural estabeleceram-se como uma das soluções de geração de energia mais significativas comercial e tecnicamente disponíveis em aplicações residenciais, comerciais, industriais e de serviços públicos. Queimando gás natural em vez de diesel ou óleo combustível pesado, esses grupos geradores fornecem energia elétrica com emissões mais baixas, menor custo de combustível na maioria dos mercados e melhor confiabilidade no fornecimento de combustível por meio de infraestrutura de gasodutos que não está sujeita aos desafios de armazenamento, transporte e contaminação da logística de combustíveis líquidos. Para operações que exigem energia de reserva, energia contínua ou geração combinada de calor e energia, um grupo gerador a gás natural oferece uma combinação atraente de desempenho e economia que as alternativas ao diesel cada vez mais não conseguem igualar, à medida que os preços dos combustíveis e as regulamentações de emissões continuam a evoluir.

Um conclusão direta para qualquer pessoa que avalie grupos geradores a gás natural é esta: para geração de energia contínua ou principal onde há fornecimento de gás natural disponível, os grupos geradores a gás natural proporcionam emissões mais baixas, menor custo de combustível por quilowatt-hora e menores custos de manutenção a longo prazo do que grupos equivalentes a diesel, ao mesmo tempo em que alcançam eficiência de produção elétrica comparável em toda a faixa de potência de 20 kW a bem acima de 10 megawatts por unidade. Para aplicações standby, os conjuntos de gás natural dependem da fiabilidade da infraestrutura de fornecimento de gás, que deve ser avaliada para o local específico. Onde o fornecimento de gás é confiável, o grupo gerador a gás natural é a especificação preferida para a maioria das aplicações de energia contínua e de reserva permanente. Este artigo aborda a tecnologia, especificações de desempenho, aplicações e critérios de seleção para grupos geradores a gás natural com total profundidade prática.

Como funcionam os grupos geradores de gás natural

A Conjunto Gerador de Gás Natural combina um motor de combustão interna alimentado a gás natural com um gerador CA síncrono (alternador) montado em uma estrutura de base comum, com todos os sistemas auxiliares necessários para partida, controle, resfriamento e tratamento de exaustão integrados em um único pacote implantável. O motor queima uma mistura de gás natural e ar em suas câmaras de combustão, convertendo a energia química do gás em energia rotacional mecânica que aciona o eixo do gerador, que por sua vez produz a saída elétrica. Todo o conjunto, incluindo motor, gerador, painel de controle, radiador de resfriamento e gabinete de atenuação de som, quando especificado, constitui o pacote do grupo gerador.

Tipos de motores usados em grupos geradores de gás natural

Os Grupos Geradores a Gás Natural são produzidos com dois tipos principais de motores, e a escolha entre eles tem implicações significativas para a eficiência, potência e adequação da aplicação:

• Motores a gás com ignição por faísca (ciclo Otto): O tipo de motor padrão para grupos geradores a gás natural. O gás natural, sendo um combustível gasoso, não pode ser inflamado por compressão como o diesel porque não se autoinflama nas taxas de compressão usadas em motores a gás práticos. Em vez disso, a mistura ar-combustível é inflamada por uma vela de ignição no ponto ideal do curso de compressão. Os motores modernos a gás de ignição por centelha usam tecnologia de combustão pobre, onde a proporção ar-combustível é significativamente maior do que a estequiométrica (normalmente lambda 1,6 a 2,0 ou superior), o que reduz as temperaturas de pico de combustão, reduz as emissões de NOx e melhora a eficiência térmica. Os motores premium a gás de combustão pobre alcançam eficiências elétricas de 40 a 45 por cento em plena carga na faixa de potência de 500 kW a 10 MW, o que é diretamente comparável aos motores diesel modernos e significativamente melhor do que a eficiência de 30 a 35 por cento típica dos motores estequiométricos a gás mais antigos.
• Motores com ignição piloto (combustível duplo): Grandes motores a gás natural, particularmente na faixa de megawatts, às vezes usam uma pequena quantidade de combustível diesel (a injeção piloto) para inflamar uma mistura predominantemente de gás natural e ar em cada cilindro. O piloto diesel fornece tempo de ignição confiável e preciso em cilindros de grande diâmetro, onde o alcance e a confiabilidade das velas de ignição são mais desafiadores do que em motores menores. Os motores bicombustível oferecem a flexibilidade adicional de poder funcionar apenas com diesel se o fornecimento de gás for interrompido, ao custo de uma maior complexidade mecânica e da necessidade de manter um fornecimento de combustível diesel juntamente com o fornecimento de gás.

O Componente Gerador

O gerador CA síncrono em um grupo gerador a gás natural converte a rotação mecânica do virabrequim do motor em energia elétrica CA trifásica na tensão e frequência especificadas para a aplicação (normalmente 400V ou 11kV a 50Hz nos mercados europeus e asiáticos, e 480V ou 13,8kV a 60Hz nos mercados norte-americanos). O projeto do gerador, a classe de isolamento e o método de resfriamento correspondem à potência de saída e à aplicação do conjunto. Geradores sem escovas e autoexcitantes com reguladores de tensão digitais (AVR) mantêm a tensão de saída dentro de ±1 por cento do ponto de ajuste em toda a faixa de carga e eventos de carga transitória, que é a especificação necessária para compatibilidade com as cargas eletrônicas mais sensíveis, incluindo servidores, motores com inversores de frequência variável e equipamentos médicos.

Considerações sobre fornecimento de combustível para grupos geradores de gás natural

A confiabilidade operacional de um Grupo Gerador a Gás Natural depende fundamentalmente da confiabilidade e qualidade do seu fornecimento de combustível, e o sistema de fornecimento de combustível deve ser corretamente projetado como parte integrante da instalação do grupo gerador. O gás natural é fornecido aos grupos geradores através de uma das três fontes primárias de fornecimento, cada uma com diferentes implicações em termos de confiabilidade, pressão e instalação:

• Gasoduto de gás natural: A fonte de abastecimento mais comum para instalações permanentes em zonas servidas por infraestruturas de distribuição de gás. O gás gasoduto é fornecido na pressão de distribuição (normalmente 20 a 200 mbar no limite da propriedade no Reino Unido, ou 0,25 a 2 bar em redes de abastecimento industrial) e requer uma estação de regulação de pressão para reduzir e estabilizar a pressão de fornecimento para os requisitos do sistema de combustível do motor (normalmente 20 a 100 mbar na entrada de combustível do motor para motores de combustão pobre com ignição por faísca). O fornecimento de gás gasoduto tem uma fiabilidade muito elevada nos mercados desenvolvidos, com uma disponibilidade anual normalmente superior a 99,9 por cento nas zonas urbanas e suburbanas.
• Gás natural comprimido (GNC): Para locais sem acesso ao gás de gasoduto, o gás natural pode ser fornecido na forma comprimido em cilindros de alta pressão ou em conjuntos de cilindros montados em reboques a pressões de até 250 bar, exigindo um trem de redução de pressão para levar o gás às condições de entrada de combustível do motor. O fornecimento de GNV é prático para instalações remotas de médio prazo e oferece uma alternativa viável ao diesel em locais onde a logística de fornecimento de diesel é um desafio.
• Gás natural liquefeito (GNL) e gás liquefeito de petróleo (GLP): O GNL pode ser armazenado no local em tanques criogênicos e vaporizado para abastecer grupos geradores em locais remotos da infraestrutura de gasodutos. O GLP (propano ou butano) fornece um combustível gasoso alternativo com características de combustão semelhantes às do gás natural e pode ser usado em grupos geradores adequadamente convertidos onde o gás natural não está disponível. Tanto o GNL como o GLP requerem equipamentos especializados de armazenamento, vaporização e regulação de pressão.

Comparação de desempenho, emissões e eficiência

As vantagens de desempenho dos grupos geradores a gás natural em relação às alternativas a diesel são vistas mais claramente quando se comparam as principais métricas operacionais entre classificações de potência equivalentes. A tabela a seguir apresenta uma comparação de valores típicos de desempenho para grupos geradores modernos a gás natural e diesel na faixa de potência de 500 kW a 2 MW.

Principais aplicações para grupos geradores de gás natural

Conjunto Gerador de Gás Naturals atendem a uma ampla gama de aplicações de geração de energia em vários setores, e a configuração específica, a classificação de saída e os sistemas auxiliares necessários dependem da função que o grupo gerador foi projetado para cumprir:

• Sistemas combinados de calor e energia (CHP): Também conhecidos como cogeração, os sistemas CHP capturam o calor residual do sistema de refrigeração do motor do grupo gerador e dos gases de escape para produzir água quente ou vapor para aquecimento ambiente, aquecimento de processo ou resfriamento por absorção. A eficiência total de utilização de energia de uma instalação CHP bem concebida que utiliza um grupo gerador a gás natural atinge 80 a 90 por cento, em comparação com 38 a 44 por cento apenas para a produção de electricidade, reduzindo drasticamente o custo energético de instalações que têm necessidades simultâneas de calor e energia, tais como hospitais, hotéis, universidades, fábricas de processamento de alimentos e redes de aquecimento urbano.
• Geração de energia contínua e principal: Em regiões ou instalações onde a ligação à rede não está disponível, não é fiável ou é demasiado cara para estabelecer, os grupos geradores de gás natural fornecem energia contínua a instalações industriais, comunidades remotas, operações mineiras e locais de produção de petróleo e gás onde o gás natural pode estar disponível como subproduto da produção. Os grupos geradores a gás natural da Prime Power são especificados para operação contínua com potência nominal máxima ou próxima dela, 24 horas por dia, 365 dias por ano, e são projetados com construção robusta, capacidade de refrigeração e intervalos de manutenção apropriados para esta tarefa.
• Energia de espera e emergência: Edifícios comerciais, centros de dados, instalações de saúde, estações de tratamento de água e outras infraestruturas críticas utilizam grupos geradores de gás natural como principal fonte de energia de reserva para interrupções no fornecimento da rede. Os conjuntos de reserva de gás natural oferecem as vantagens de não haver necessidade de armazenamento de combustível no local (eliminando o risco de incêndio, as regulamentações de armazenamento e as preocupações com a degradação do combustível associadas ao modo de espera de diesel), ao mesmo tempo que fornecem tempos de partida de 10 a 30 segundos do modo de espera até a aceitação de carga total, o que atende aos requisitos de transferência automática da maioria dos padrões de energia de emergência das instalações.
• Geração de energia com gás de aterro e biogás: Os grupos geradores de gás natural podem ser adaptados para funcionar com biogás proveniente de aterros sanitários, digestores anaeróbicos de tratamento de esgoto, digestores de resíduos agrícolas e processos industriais de biogás. O biogás normalmente contém 45 a 65 por cento de metano em volume, com dióxido de carbono e vestígios de contaminantes constituindo o equilíbrio. Os grupos geradores configurados para serviços de biogás utilizam motores com taxas de compressão ajustadas, tempo de ignição e componentes do sistema de combustível otimizados para o poder calorífico mais baixo e composição variável do biogás, e podem incluir equipamentos de condicionamento de gás para remover umidade e sulfeto de hidrogênio que danificariam os componentes do motor no biogás não tratado.

Seleção e especificação de grupos geradores de gás natural

Selecionando o correto Conjunto Gerador de Gás Natural para uma aplicação específica requer avaliação sistemática de vários fatores técnicos e comerciais interligados que determinam se o conjunto selecionado terá um desempenho confiável, atenderá aos requisitos regulamentares e fornecerá o retorno econômico esperado ao longo de sua vida útil.

1. Classificação de potência e classificação de serviço: A classificação de saída de um grupo gerador deve ser especificada para o serviço correto: classificação de potência em espera (SPR) para grupos usados ​​somente durante interrupções na rede; classificação de potência principal (PPR) para conjuntos usados ​​como fonte de energia primária com horas de funcionamento ilimitadas; e classificação de potência contínua (CPR) para conjuntos que fornecem potência de carga base constante. A classificação de potência em espera de um grupo gerador é normalmente 10 a 15 por cento maior do que sua classificação de potência principal para a mesma configuração de motor porque a operação em espera limita o grupo a um máximo de 500 horas por ano nesta classificação, enquanto as classificações principal e contínua devem ser sustentadas indefinidamente. Especificar um conjunto em sua classificação de espera para operação contínua é um erro comum e grave que leva ao desgaste prematuro do motor e à redução da vida útil.
2. Redução da altitude do local e da temperatura ambiente: A potência de um motor a gás diminui com o aumento da altitude (redução da densidade do ar) e o aumento da temperatura ambiente (redução da densidade do ar e aumento das demandas de resfriamento). Os fabricantes de motores publicam curvas de redução de altitude e temperatura que devem ser aplicadas à saída nominal para determinar a saída real disponível no local de instalação. Para um grupo gerador instalado a 1.500 metros acima do nível do mar em um clima onde a temperatura ambiente atinge 40 graus Celsius, a saída reduzida pode ser de 15 a 25 por cento abaixo da classificação da placa de identificação, e isso deve ser levado em consideração no cálculo de dimensionamento inicial.
3. Requisitos de conformidade de emissões: As instalações de motores a gás estão sujeitas a limites de emissões que variam de acordo com a jurisdição, tamanho da instalação e perfil de horário de operação. As instalações europeias acima de 1 MW estão normalmente sujeitas aos limites de emissão da Diretiva de Médias Instalações de Combustão (MCPD) para NOx, CO e carbono orgânico total, enquanto as instalações em zonas de ar limpo ou perto de áreas residenciais podem enfrentar limites locais mais rigorosos. A seleção do motor deve confirmar que o desempenho de emissões certificadas do motor atende aos requisitos regulamentares aplicáveis ​​para o local específico e perfil operacional, incluindo quaisquer requisitos de pós-tratamento de redução catalítica seletiva (SCR) para atingir limites de NOx que o motor sozinho não consegue atender.
4. Requisitos de nível sonoro e gabinete acústico: Os grupos geradores de gás natural produzem ruídos mecânicos e de combustão significativos do motor, do ventilador de resfriamento e do sistema de escapamento. Os níveis sonoros instalados devem estar em conformidade com o planejamento local e os regulamentos ambientais no limite do local e no receptor sensível a ruído mais próximo. O fornecedor do grupo gerador pode fornecer o grupo em uma cobertura acústica ou em um invólucro acústico especialmente construído que atenua o ruído até o nível necessário, e o projeto do invólucro deve abordar tanto o ruído irradiado diretamente do motor quanto o ruído transmitido pela estrutura através das fundações e da estrutura do edifício.

Os Grupos Geradores a Gás Natural representam um dos investimentos em geração de energia mais eficazes e economicamente justificáveis ​​disponíveis no mercado de energia atual, especialmente para aplicações onde a combinação de menor custo de combustível, menores emissões, intervalos de manutenção mais longos e o potencial de recuperação de calor CHP podem ser plenamente realizados. Avaliação minuciosa do local, classificação correta de serviço, conformidade com regulamentos de emissão e ruído e alinhamento com a infraestrutura de fornecimento de gás natural do local são os alicerces de uma especificação bem-sucedida de grupo gerador que proporciona o desempenho e a economia esperados durante toda a vida útil do grupo.