Как содержание метана влияет на расход топлива биогазового генератора мощностью 200 кВт

Как содержание метана влияет на расход топлива биогазового генератора мощностью 200 кВт

Сколько биогаза требуется генератору мощностью 200 кВт, чтобы обеспечить номинальную электрическую мощность? Ответ во многом зависит от содержания метана. Более низкая концентрация метана снижает низшую теплоту сгорания топлива и увеличивает необходимый расход газа для получения той же мощности — при условии, что двигатель и топливная система способны обеспечить такой расход. Эта зависимость важна при подборе оборудования для подачи газа, оценке эксплуатационных затрат и выявлении риска снижения мощности.

Для предварительной оценки нужны концентрация метана, низшая теплота сгорания и электрический КПД. При надёжном подборе оборудования учитывают также изменчивость состава газа, давление на входе, загрязняющие примеси и условия, при которых производитель гарантирует мощность.

Концентрация метана определяет количество энергии в кубическом метре

В биогазе, состоящем преимущественно из метана и углекислого газа, почти всю энергию сгорания обеспечивает метан. Углекислый газ увеличивает объём, но не теплотворную способность. Поэтому кубический метр газа с содержанием метана 50% содержит меньше энергии, чем такой же объём газа с содержанием метана 60%, если измерения выполнены при одинаковых эталонных условиях.

Для предварительных расчётов можно использовать приблизительную низшую теплоту сгорания чистого метана — 9.94 кВт·ч/Нм³ при 0°C и 101.325 кПа на сухой основе. Исходя из этого значения, низшую теплоту сгорания биогаза можно оценить по формуле:

Низшая теплота сгорания биогаза ≈ объёмная доля метана × 9.94 кВт·ч/Нм³

При содержании метана 60% результат составляет приблизительно 5.96 кВт·ч/Нм³. При содержании 50% он снижается примерно до 4.97 кВт·ч/Нм³. Если в газе присутствуют другие горючие компоненты в значимых количествах, вместо этой упрощённой зависимости необходим расчёт на основе состава газа.

Важно учитывать условия измерения. Нельзя напрямую сопоставлять лабораторный результат, полученный на сухой основе, с показаниями расхода влажного газа без поправок. Кроме того, для «стандартных» кубических метров может применяться эталонная температура, отличная от температуры для «нормальных» кубических метров. Перед сравнением показателей расхода уточните температуру, абсолютное давление и основу по влажности.

Расчёт потребности в топливе для мощности 200 кВт

В установившемся режиме электрическая мощность равна энергии топлива, подведённой на вход, умноженной на электрический КПД. После преобразования формула принимает вид:

Расход газа (Нм³/ч) = электрическая мощность на выходе (кВт) ÷ [низшая теплота сгорания биогаза (кВт·ч/Нм³) × электрический КПД]

В приведённом ниже сравнении приняты электрическая мощность на выходе 200 кВт и электрический КПД 35% по низшей теплоте сгорания. КПД используется только для иллюстративного расчёта и не является заявленным показателем какой-либо конкретной модели. Для всех объёмов применяются указанные выше эталонные условия для сухого газа.

При неизменном КПД снижение содержания метана с 60% до 50% требует на 20% больше биогаза по объёму, а не на 10%. Общая зависимость обратная: требуемый расход увеличивается пропорционально отношению исходной концентрации метана к новой концентрации.

На результат влияет и КПД. При содержании метана 60% и принятом КПД 32% расход составляет приблизительно 104.8 Нм³/ч, тогда как при КПД 35% он равен 95.8 Нм³/ч. Используйте данные поставщика о КПД или расходе топлива для фактического состава газа и нагрузки, а не рассматривайте одно принятое для расчёта значение КПД как универсальное.

Почему увеличение расхода газа не всегда позволяет сохранить номинальную мощность

Этот расчёт описывает энергетический баланс, а не неограниченные возможности оборудования. При снижении концентрации метана газовая система должна пропускать больший объём. Ограничивающими элементами могут стать регуляторы, клапаны, фильтры, трубопроводы и смеситель. Достаточное давление в газгольдере не гарантирует необходимое давление на входе двигателя при полной нагрузке.

Существуют и ограничения, связанные с горением. Увеличение доли углекислого газа меняет характеристики сгорания смеси; настройка системы управления не всегда позволяет компенсировать изменения при любом составе газа. В зависимости от конструкции двигателя, системы подачи воздуха и калибровки низшая теплота сгорания может приводить к нестабильному горению, снижению КПД или ограничению мощности. Поэтому одной лишь процентной доли метана недостаточно для определения допустимых характеристик топлива.

Среднее значение содержания метана может скрывать фактическое ограничение. Оцените минимальную устойчивую концентрацию, кратковременные отклонения от неё и частоту таких отклонений. Подача газа, обеспечивающая номинальную мощность в обычный день, может оказаться недостаточной при изменении сырья или нарушениях процесса в метантенке.

Учитывайте условия по топливу, указанные вместе с номинальными характеристиками

В характеристиках биогазового генератора AMICO AMC200GFJ-PZмощностью 200 кВт указаны номинальная мощность 200 кВт (250 кВА) и номинальное напряжение 400 В. Эти значения определяют электрическую мощность, но не устанавливают расход топлива, минимальное содержание метана или гарантированную мощность на объекте. Эти параметры требуют отдельного технического подтверждения.

Указанные значения кВт и кВА подразумевают номинальный коэффициент мощности 0.8. При расчёте потребности в топливе используют активную электрическую мощность в кВт, а не полную мощность в кВА. Также уточните, распространяется ли гарантия мощности на выводы генератора или на выход после собственных нужд объекта. Газодувки, системы охлаждения и очистки потребляют электроэнергию; подача на объект 200 кВт нетто отличается от генерации 200 кВт на выводах.

AMICO — интегрированный производитель энергетического оборудования и поставщик услуг для нефтегазовой отрасли. Направления деятельности компании включают системы управления газовыми энергетическими установками, генерирующее оборудование, распределённую энергетику и интеллектуальное управление энергопотреблением. Площадь научно-исследовательского и производственного комплекса компании в Чэнду превышает 20,000 квадратных метров. Компания также участвовала в национальном проекте «863 — Газовый двигатель». Для этого применения важна взаимосвязь управления двигателем и проектирования газовой системы: запросите подтверждающие данные о характеристиках для конкретного состава газа и не полагайтесь только на данные заводской таблички.

Что проверить перед окончательным выбором конструкции газовой системы

По итогам технической проверки должны быть установлены единая основа измерений и согласованный рабочий диапазон. Наиболее важные проверки:

• Анализ топлива: содержание метана, углекислого газа, кислорода, влаги, сероводорода и значимых силоксанов; условия отбора проб должны быть зафиксированы.
• Динамические параметры подачи газа: доступный расход и давление на входе двигателя при максимальном потреблении, включая потери давления в оборудовании для очистки.
• Условия определения характеристик: КПД по низшей или высшей теплоте сгорания, валовая или полезная мощность, точка нагрузки, температура окружающей среды, высота над уровнем моря и применимые условия снижения мощности.
• Критерии приёмки: согласованные номинальные характеристики и метод испытаний, при необходимости с учётом применимых положений ISO 8528, а также местных требований к электроустановкам и газовой безопасности.

При сравнении затрат различайте оплату за кубический метр и оплату за единицу энергии топлива. При неизменном КПД более низкое содержание метана увеличивает объёмный расход, но не приводит автоматически к увеличению требуемой энергии топлива. При этом оно может увеличить затраты на обработку газа и выявить ограничения пропускной способности оборудования.

Окончательное проектирование основывайте на минимальной согласованной низшей теплоте сгорания, подтверждённой измерениями газа на объекте. Затем получите подтверждение мощности, расхода топлива, ограничений по давлению на входе и снижения мощности во всём этом диапазоне. Одного показателя расхода при номинальном содержании метана недостаточно для проектирования надёжной установки.