Расчет объема резервуара для генератора мощностью 40 кВт на СУГ: испарение топлива и эксплуатация в холодную погоду

Для генератора на сжиженном нефтяном газе (СНГ) мощностью 40 кВт нужен резервуар, который выполняет две задачи: хранит достаточно топлива для требуемого времени работы и обеспечивает подачу паровой фазы с достаточной скоростью при самой низкой ожидаемой температуре. Резервуар может обеспечивать необходимую продолжительность работы, но при этом оказаться слишком малым для надежного отбора паровой фазы, особенно когда он почти пуст и генератор работает уже несколько часов.

Поэтому выбор резервуара для генераторной установки на СНГ мощностью 40 кВт в шумозащитном кожухе зависит от расхода топлива двигателем, заданного состава топлива, минимальной рабочей температуры и допустимого уровня заполнения резервуара, а не только от электрической мощности. Обоснованный выбор объема резервуара требует данных о производительности испарения в этих условиях и последующей проверки всей системы подачи топлива.

Начните с расхода топлива генератором

В первую очередь следует использовать данные производителя генератора о расходе топлива при требуемой нагрузке, выраженные в кг/ч, л/ч жидкого пропана или в четко определенном объеме газа в час. Уточните, относятся ли эти данные к пропану или другому составу СНГ и отражают ли они непрерывную работу на номинальной мощности. Расход топлива при частичной нагрузке полезен для оценки обычного потребления, но не заменяет значение при полной нагрузке, если должна быть доступна полная мощность.

Если указан только объем газа, важны температура и давление, к которым он приведен. Значение в нормальных кубических метрах в час нельзя считать фактическим объемом газа в трубопроводе без учета этих условий. Для расчета запаса топлива переведите расход в объем или массу жидкого топлива, используя характеристики, соответствующие заданному виду топлива.

Пример расчета показывает разницу между запасом топлива и производительностью испарения. Предположим, производитель указывает расход 14 кг/ч при требуемой рабочей нагрузке, а проект предусматривает 24 часа работы без дозаправки. Необходимый запас используемого топлива составит:

14 кг/ч × 24 ч = 336 кг СНГ

Это пример, а не показатель расхода для любого генератора мощностью 40 кВт. Требуемая номинальная вместимость резервуара будет больше, поскольку его нельзя заполнять до полного геометрического объема, а проект может предусматривать минимальный рабочий уровень топлива или резерв. Допустимый максимальный уровень заполнения должен соответствовать применимым нормам и инструкциям поставщика; не следует считать, что он одинаков для всех резервуаров и юрисдикций.

Почему резервуара, рассчитанного по времени работы, может не хватить в холодную погоду

В системе с отбором паровой фазы жидкий СНГ получает тепло через стенку резервуара и из окружающей среды по мере испарения. Отбор топлива охлаждает оставшуюся жидкость. Если резервуар теряет тепло быстрее, чем успевает его восполнять, температура жидкости и давление пара падают. В результате на вход регулятора может поступать недостаточное давление, даже если в сосуде еще остается жидкое топливо.

Естественная производительность испарения не является фиксированной величиной, зависящей только от объема резервуара. Она определяется температурой окружающей среды, температурой жидкости, площадью смоченной поверхности, составом топлива и продолжительностью отбора. В частично опорожненном резервуаре площадь поверхности, участвующей в теплообмене, меньше, чем в таком же резервуаре с более высоким уровнем заполнения. Поэтому характеристика, указанная для полного или недавно заполненного резервуара, может завышать доступную производительность в конце продолжительной работы.

Пропан и бутан также по-разному ведут себя на холоде: у бутана выше температура кипения, поэтому при низких температурах он в меньшей степени способствует подаче пара. Если поставляемый СНГ представляет собой смесь, ее состав может влиять как на давление, так и на производительность испарения; состав отбираемого пара может отличаться от состава оставшейся жидкости. Используйте данные о топливе, указанные поставщиком, и соответствующие характеристики испарения, а не исходите из того, что любой продукт, продаваемый как СНГ, ведет себя как товарный пропан.

Для резервного генератора критическим случаем может быть продолжительное отключение электроснабжения в холодную погоду, а не короткий еженедельный запуск. Необходимо проверить резервуар при самой низкой правдоподобной температуре окружающей среды, самом низком предполагаемом уровне жидкости и требуемой продолжительности работы при ожидаемой нагрузке. Снег или лед вокруг резервуара могут повлиять на теплообмен и доступ к оборудованию, поэтому местные условия установки также следует учитывать при оценке.

Проверьте производительность испарения по данным поставщика

Запросите у поставщика резервуара или СНГ данные о естественной производительности испарения в кг/ч при расчетной температуре и минимальном уровне жидкости с указанием продолжительности отбора. Сравните эти данные с максимальным требуемым массовым расходом топлива генератора, добавив потребность других одновременно работающих потребителей паровой фазы. Производительности должно хватать в тех же условиях; данные для более высокой температуры или большего уровня заполнения не являются подходящей заменой.

Если поставщик указывает производительность в виде тепловой мощности, а не массового расхода, используйте для обеих частей сравнения одну и ту же основу по теплотворной способности. Если расход генератора приведен по низшей теплоте сгорания, а в таблице резервуара используется высшая теплота сгорания, согласуйте значения перед сравнением. Не применяйте произвольный коэффициент увеличения объема резервуара: результат может зависеть от геометрии и допущений, заложенных в таблицу.

Если естественной производительности испарения недостаточно, можно рассмотреть резервуар большего объема, правильно сконфигурированные несколько резервуаров или промышленный испаритель. Для нескольких сосудов необходимы правильно спроектированные коллекторная система и регуляторы; одна лишь суммарная номинальная вместимость не гарантирует требуемого расхода. Испаритель может увеличить объем парообразования, но он предъявляет дополнительные требования к электропитанию, управлению, монтажу и обслуживанию. В резервной системе следует учитывать возможность его работы во время отключения электроснабжения.

Вместимость резервуара — не единственный показатель системы подачи топлива

Даже при достаточной производительности испарения в резервуаре генератор может испытывать нехватку топлива из-за чрезмерных потерь давления или недостаточной пропускной способности регулятора. Проверьте производительность регулятора при фактическом давлении на входе и выходе, а также длину и диаметр трубопроводов, фитинги, клапаны, фильтры и влияние перепада высот. Поставщик генератора должен указать допустимый диапазон давления топлива на входе и место измерения давления.

Также необходимо учитывать запуск и прием нагрузки. Уточните, задает ли производитель переходный расход топлива или минимальное давление при запуске и ступенчатом изменении нагрузки. Система, выбранная только по среднечасовому расходу, может не поддерживать давление во время этих событий. В свою очередь, не следует считать, что номинальный максимальный расход регулятора доступен при любом входном давлении, особенно при снижении температуры резервуара.

Требования к топливной системе зависят от конкретного применения. Например, когенерационная установка на природном газе мощностью 200 кВт одновременно вырабатывает тепло, электроэнергию и холод; предположения о ее топливоснабжении нельзя использовать для генератора мощностью 40 кВт на СНГ. Вид топлива, требования к давлению и данные о расходе должны соответствовать оцениваемому оборудованию.

Монтаж и проверка

Соблюдайте нормы, действующие в юрисдикции, где выполняется монтаж. В США стандарт NFPA 58 регулирует хранение и обращение с СНГ, а также может применяться NFPA 37 для стационарных двигателей внутреннего сгорания; применимые требования определяются принятыми редакциями стандартов, местными поправками и решениями уполномоченного органа. В других странах действуют иные правила. Размещение резервуара, расстояния до других объектов, защита от переполнения, предохранительные клапаны, трубопроводы и монтаж испарителя должны соответствовать применимым требованиям и инструкциям производителей оборудования.

До утверждения проекта получите спецификации генератора по расходу топлива и входному давлению, данные поставщика топлива о его составе и документально подтвержденную характеристику испарения резервуара для расчетного режима. При вводе в эксплуатацию квалифицированный персонал с использованием утвержденных процедур должен проверить давление топлива на генераторе при репрезентативных нагрузках. Испытание в теплую погоду может выявить проблемы с подачей топлива, но само по себе не подтверждает достаточную производительность испарения в холодную погоду.

Окончательный выбор — это конфигурация минимально необходимого объема, соответствующая нормам и обеспечивающая как достаточный используемый запас, так и устойчивую подачу топлива в заданных наихудших условиях. Проектный резерв и рабочий запас, если они требуются, должны быть указаны явно. Если хотя бы одно из этих требований не подтверждено, одного лишь номинального объема резервуара недостаточно для обоснования его выбора.