دیزل ژنراتور؛ راهکاری قدرتمند برای تأمین برق

به گزارش «خبرنامه دانشجویان ایران»؛ دیزل ژنراتور، همان‌طور که از نامش پیداست، ترکیبی از یک موتور دیزل و یک ژنراتور الکتریکی (معمولاً آلترناتور) است که برای تولید انرژی الکتریکی استفاده می‌شود. دیزل ژنراتورها در مکان‌هایی که به شبکه برق متصل نیستند یا به عنوان منبع تأمین اضطراری در صورت قطع برق شبکه، مورد استفاده قرار می‌گیرند. علاوه بر این، از آن‌ها در کاربردهای پیچیده‌تری مانند ژنراتور ثانویه برای تأمین بار اضافه شبکه (peak-lopping)، موازی کردن با شبکه (grid support) و ارسال برق به شبکه‌های برق‌رسانی نیز استفاده می‌شود.

انواع دیزل ژنراتورها و کاربردهای آن‌ها

دیزل ژنراتورها در رنج توان‌های مختلفی از 1 تا 20 کیلوولت‌آمپر (KVA) برای منازل، فروشگاه‌ها و ادارات کوچک تا 3300 کیلوولت‌آمپر (3.3 مگاولت‌آمپر) برای مجتمع‌های بزرگ اداری و کارخانه‌ها تولید می‌شوند. این ژنراتورها در اندازه‌های مختلف، در یک اتاقک ایزوله و قابل حمل قرار داده می‌شوند که به آن "کانوپی سایلنت" یا "کانتینر سایلنت" گفته می‌شود. هدف اصلی این اتاقک‌ها، کاهش صدای ناشی از ژنراتور است.

دیزل ژنراتورهای اضطراری

این نوع دیزل ژنراتورها در زمان قطع برق شبکه، به صورت خودکار وارد عمل می‌شوند و برق مورد نیاز مشترکین را تأمین می‌کنند. ممکن است لازم باشد این ژنراتورها فقط چند ساعت در ماه کار کنند، اما باید آماده باشند تا در صورت نیاز، بار مورد نظر را حمل کنند. شرکت‌های سازنده، رتبه‌بندی‌هایی را برای این نوع ژنراتورها در نظر گرفته‌اند تا بتوان بهترین گزینه را برای سرویس جایگزین انتخاب کرد.

دیزل ژنراتورهای پایه

این دیزل ژنراتورها معمولاً در مکان‌هایی که به صورت موقت نیاز به برق دارند، مانند اردوگاه‌ها، نمایشگاه‌ها، معادن و کمپ‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرند. خروجی این ژنراتورها برای یک زمان نامحدود در دسترس است و می‌توانند تا 100% بار رتبه شده اولیه را تأمین کنند. همچنین این ژنراتورها دارای 10% ظرفیت بار اضافی برای موقعیت‌های ضروری هستند.

دیزل ژنراتورهای دائم

دیزل ژنراتورهای دائم برای امور نیروگاهی یا تأمین برق سراسری مورد استفاده قرار می‌گیرند. این ژنراتورها قابلیت تأمین توان پیوسته برای یک بار ثابت تا رتبه کامل خروجی را برای زمان‌های نامحدود دارند. هیچ قابلیت بار اضافه‌ای برای این رتبه در نظر گرفته نشده است.

دیزل ژنراتورهای چندمنظوره

این نوع دیزل ژنراتورها می‌توانند برای کاربردهای مختلف مورد استفاده قرار گیرند. به عنوان مثال، یک ژنراتور اضطراری 1000 کیلوواتی ممکن است در حالت پایه 850 کیلووات و در حالت دائم 800 کیلووات توان داشته باشد. شرکت‌های سازنده معمولاً نحوه بارگذاری مناسب برای هر ژنراتور را در دفترچه مشخصات آن ذکر می‌کنند.

برآورد اندازه مناسب دیزل ژنراتور

برآورد اندازه مناسب دیزل ژنراتور برای جلوگیری از کم شدن بار یا کمبود توان بسیار مهم است. این کار به‌ویژه با وجود بارهای الکترونیک مدرن و بارهای غیرخطی پیچیده می‌شود. سایزینگ صحیح دیزل ژنراتور نیازمند تخصص و تجربه کافی است تا بتوان بر اساس آن، سایز بهینه دستگاه را انتخاب کرد. معمولاً از نرم‌افزارهای سایزینگ برای این منظور استفاده می‌شود.

فرآیند همزمان‌سازی دیزل ژنراتورها

در حالت "جزیره"، ژنراتورها باید از طریق فرآیند همزمان‌سازی، به صورت الکتریکی به هم متصل شوند. این فرآیند شامل هماهنگ کردن ولتاژ، فرکانس و فاز قبل از اتصال ژنراتور به سیستم است. از دست رفتن همزمانی پیش از اتصال می‌تواند باعث اتصال کوتاه جریان بالا یا سایش و آسیب در ژنراتور یا تابلوی آن شود.

فرایند همزمان‌سازی می‌تواند به صورت خودکار توسط یک ماژول "سنکرون‌ساز خودکار" انجام شود. این ماژول، ولتاژ، فرکانس و پارامترهای فاز و ولتاژهای باس‌بار را از ژنراتور خوانده و سرعت موتور را از طریق گاورنر یا ECM (ماژول کنترل موتور) تنظیم می‌کند.

تقسیم بار بین دیزل ژنراتورها

بار می‌تواند بین ژنراتورهای در حال فعالیت موازی از طریق تقسیم بار سهیم شود. این کار می‌تواند با استفاده از کنترل افت سرعت توسط فرکانس در ژنراتور انجام شود، در حالی که به طور مداوم کنترل سوخت موتور برای تغییر بار تنظیم می‌گردد.

کاربردهای ویژه دیزل ژنراتورها

انتهای برش (Peak Lopping)

در برخی مناطق، تعرفه‌های برق در ساعات اوج مصرف باعث می‌شود تا از دیزل ژنراتورها برای غلبه بر زمان تقاضای حداکثر استفاده شود. در اروپا، معمولاً بعدازظهرهای زمستان، زمان اوج مصرف محسوب می‌شود، زیرا مردم به خانه بازگشته و چراغ‌ها روشن است و پخت و پز در حال انجام است؛ حدود 5:30 تا 7 بعدازظهر. در حالی که در ایالات متحده آمریکا، اوج مصرف اغلب در تابستان‌ها و در شرایط گرمای شدید اتفاق می‌افتد.

پشتیبانی شبکه

دیزل ژنراتورها و نیروگاه‌های آبی به عنوان عملکرد ثانویه، استفاده گسترده‌ای برای محافظت از شبکه‌های ملی مختلف در هر زمان و به دلایل گوناگون در آمریکا و انگلستان دارند. به عنوان مثال، در انگلستان، حدود 0.5 گیگاوات از دیزل‌ها به طور منظم استفاده می‌شوند تا از شبکه ملی که پیک بار آن 60 گیگاوات است، پشتیبانی کنند.

این دیزل‌ها در مجموعه‌هایی با سایزهای معادل 200 کیلووات تا 2 مگاوات قرار گرفته‌اند. این حالت همیشه زمانی اتفاق می‌افتد که به عنوان مثال، ظرفیت زیادی از نیروگاه حدود 660 مگاوات به طور ناگهانی از دست برود یا جهش ناخواسته ناگهانی در میزان توان رخ دهد.

قیمت تبدیل انرژی در دیزل ژنراتورها

مصرف سوخت، مهم‌ترین بخش هزینه‌های نیروگاه‌های دیزلی است. یک پلنت دیزل جدید بین 0.25 تا 0.28 لیتر سوخت برای هر کیلووات ساعت در ترمینال‌های ژنراتور مصرف می‌کند. با این حال، موتورهای دیزل می‌توانند با انواع سوخت‌ها از جمله سوخت دیزل، گاز طبیعی، الکل، گازوئیل، گاز چوب و روغن‌های سوخت فسیلی کار کنند.

انواع مولدها بر اساس کاربرد

کارخانجات سازنده مولدها چهار نوع مولد را براساس کاربرد پیشنهاد می‌دهند:

مولد اضطراری (Standby)

این نوع در زمان قطع برق شهری به صورت خودکار اقدام به تأمین برق مشترکان می‌کند.

مولد پایه (Prime)

معمولاً در مکان‌هایی که به صورت موقت نیاز به برق دارند مانند اردوگاه‌ها، نمایشگاه‌ها و معادن استفاده می‌شود.

مولد دائم (Continuous)

برای امور نیروگاهی یا برق سراسری به کار می‌رود و می‌تواند توان پیوسته برای یک بار ثابت را تأمین کند.

مولد چندمنظوره

این نوع مولدها برای کاربردهای مختلف قابل استفاده هستند و معمولاً شرکت‌های سازنده نحوه بارگذاری مناسب برای آن‌ها را در دفترچه مشخصات ذکر می‌کنند.

خرابی‌های احتمالی در موتور دیزل ژنراتور

دیزل ژنراتور می‌تواند از مسائلی مانند رسوبات داخلی (که معمولاً به رسوب در سوراخ‌ها و استوانه‌ها منجر می‌شود)

رسوبات داخلی و تجمع کربن

رسوبات داخلی و تجمع کربن معمولاً به این دلیل رخ می‌دهد که دیزل ژنراتور برای دوره‌های طولانی با بار کم مورد استفاده قرار گرفته است. در چنین شرایطی، فشارهای داخل استوانه کم می‌شود و در نتیجه رینگ‌های پیستون به درستی بسته نمی‌شوند. این امر منجر به احتراق ناقص، فشار و دمای پایین حاصل از احتراق می‌شود.

احتراق ناقص باعث تشکیل دوده و پسماند سوخت نسوخته می‌شود که مسیر رینگ‌های پیستون را مسدود و آن‌ها را می‌چسباند. این موضوع کارایی آب‌بندی رینگ‌ها را کاهش داده و فشار پایین اولیه را تشدید می‌کند. رسوبات زمانی ایجاد می‌شوند که گازهای گرم احتراقی به صورت ضعیفی می‌وزند و رینگ‌های پیستون را مسدود می‌کنند. این امر باعث نیاز به روغن‌کاری بیشتر بر روی دیواره‌های استوانه به دلیل "سوخت ناگهانی" می‌شود و دوده‌های لعاب‌مانند ایجاد می‌کنند که سوراخ را روان می‌سازند.

تشکیل کربن سخت

کربن سخت از احتراق ضعیف شکل می‌گیرد و بسیار خراشنده و ساینده است. این امر سبب افزایش مصرف سوخت (دود آبی)، انسداد پیستون و کاهش فشار حفظ شده می‌شود. سپس سوخت محترق نشده از پشت رینگ‌های پیستون نشت می‌کند و روغن‌کاری را آلوده می‌سازد.

احتراق ناقص همچنین باعث می‌شود که انژکتورها به وسیله دوده مسدود شوند و باعث وخامت بیشتر در احتراق و دودهای سیاه رنگ می‌گردد. مشکل دیگری که با شکل‌گیری اسیدها در روغن موتور افزایش می‌یابد، حضور آب‌های غلیظ شده و محصولات احتراق است که باید در دماهای بالاتر جوش آیند. این ساخت اسیدی در روغن‌کاری باعث خوردگی شده و فرسایش مخربی بر روی سطوح یاتاقان دارد.

چرخه تنزل

این چرخه تنزل به این معنی است که موتور به زودی به طور برگشت‌ناپذیری آسیب می‌بیند و ممکن است هرگز شروع به کار نکند و یا زمانی که نیاز است، قادر به دستیابی به توان کامل نباشد. این موضوع می‌تواند با تمیز کردن موتور و دوباره نفوذ کردن در سوراخ‌های سیلندر، لغو کردن‌ها، تمیز کردن و دک کردن محفظه‌های احتراق، انژکتورهای سوخت و سوپاپ‌ها قابل درمان باشد.

اگر این رسوبات در مراحل اولیه شناسایی شود، راه‌اندازی موتور در حداکثر بار آن می‌تواند باعث افزایش فشار داخلی و دما شود که به رینگ‌های پیستون اجازه می‌دهد تا رسوب کنند و تجمع تدریجی کربن را بسوزانند.

جلوگیری از رسوب‌گذاری

از این وضعیت می‌توان با انتخاب دقیق مجموعه ژنراتور مطابق با دستورالعمل چاپ شده سازندگان جلوگیری کرد. برای مجموعه ژنراتورهایی که کاربرد اضطراری دارند، می‌توان از یک بانک بار موقت یا دائم برای انجام آزمایش‌های بار استفاده کرد. گاهی تابلوی برق را می‌توان به گونه‌ای طراحی کرد تا به مجموعه اجازه دهد از شبکه برای انجام آزمایش‌های بار تغذیه کند.

بهترین راه حل این است که حداقل یک بار در سال، دستگاه با 100% توان برای مدت 1 ساعت مورد استفاده قرار گیرد تا رسوبات ناشی از احتراق ناقص سوخته و از موتور خارج شوند.