ディーゼル発電機

ディーゼル発電機（DG）（ディーゼル発電機セットとも呼ばれる）は、ディーゼルエンジンと発電機（オルタネーターであることが多い）を組み合わせて電気エネルギーを生成します。^[1]これはエンジン発電機の特殊な例です。ディーゼル圧縮着火エンジンは通常、ディーゼル燃料で動作するように設計されていますが、他の液体燃料や天然ガス（CNG）用に適応されたタイプもあります。^[2]

ディーゼル発電機は、電力網に接続されていない場所や、電力網が故障した場合の緊急電源として使用されるほか、ピークカット、電力網サポート、電力網への輸出などのより複雑な用途にも使用されます。^[2]

ディーゼル発電機のサイズは、低負荷または電力不足を最小限に抑えるために重要です。サイズ設定は、現代の電子機器、特に非線形負荷の特性によって複雑になります。サイズは約 50 MW 以上で、オープン サイクル ガスタービンは、ディーゼル エンジンのアレイよりも全負荷で効率が高く、はるかにコンパクトで、資本コストも同等です。ただし、通常の部分負荷では、これらの電力レベルでも、ディーゼル アレイの方が効率が優れているため、オープン サイクル ガスタービンよりもディーゼル アレイが好まれることがあります。

ディーゼルエンジン、発電機、およびさまざまな補助装置（ベース、キャノピー、音響減衰装置、制御システム、回路ブレーカー、ジャケット給湯器、始動システムなど）をパッケージ化したものを「発電装置」または略して「Genset」と呼びます。

セットサイズは、家庭、小規模店舗、およびオフィス向けの 8 ～ 30 kW (単相でも 8 ～ 30 kVA) で、オフィスビル、工場、およびその他の産業施設向けの 8 kW (11 kVA) ～ 2,000 kW (三相 2,500 kVA) の大型産業用発電機もあります。2,000 kW セットは、燃料タンク、制御装置、配電装置、および独立型発電所として、またはグリッド電源のスタンバイ バックアップとして動作するために必要なその他のすべての装置とともに、40 フィート (12 m) の ISO コンテナに収容できます。パワー モジュールと呼ばれるこれらのユニットは、重量が 85,000 ポンド (38,555 kg) 以上の大型の 3 軸トレーラーに搭載された発電機です。

これらのモジュールの組み合わせは小規模な発電所に使用され、1 つの電力セクションにつき 1 〜 20 ユニットが使用されることがあります。これらのセクションを組み合わせると、数百の電力モジュールが含まれるようになります。これらの大型の発電所では、電力モジュール (エンジンと発電機) がトレーラーで別々に現場に運ばれ、大きなケーブルと制御ケーブルで接続されて、完全に同期された発電所が形成されます。また、AutoStart および主電源並列化用の制御パネル、固定または移動アプリケーション用の防音キャノピー、換気装置、燃料供給システム、排気システムなど、特定のニーズに合わせて調整できるオプションもいくつかあります。

ディーゼル発電機は非常用電源としてだけでなく、ピーク時や大型発電機が不足している期間に電力網に電力を供給するという二次的な機能も持つ場合があります。英国では、このプログラムは国営電力網によって運営されており、STOR と呼ばれています。

船舶ではディーゼル発電機もよく使用され、照明やファンなどの補助電力としてだけでなく、間接的に主推進力としても使用される。電気推進の場合、発電機を都合のよい位置に配置できるため、より多くの貨物を運ぶことができる。船舶用の電気駆動装置は第一次世界大戦前に開発された。第二次世界大戦中に建造された多くの軍艦では、大型減速機の製造能力が電気機器の製造能力に比べて不足していたため、電気駆動装置が指定されていた。^[2]このようなディーゼル電気構成は、鉄道 機関車などの一部の非常に大型の陸上車両にも使用されている。

発電セットは、供給予定の電気負荷、電気負荷の特性（ kW、kVA、var、高調波含有量、サージ電流（モーター始動電流など）、非線形負荷など）に基づいて選択されます。予想される負荷（緊急電力、主電力、連続電力など）や環境条件（高度、温度、排気ガス規制など）も考慮する必要があります。

大規模な発電機セットの製造業者のほとんどは、現場の状況と接続された電気負荷の特性を入力するだけで複雑なサイズ計算を実行するソフトウェアを提供しています。

電力網に接続せずに稼働している 1 台以上のディーゼル発電機は、アイランド モードで稼働していると呼ばれます。発電機を並列で稼働させると冗長性の利点が得られ、部分負荷での効率が向上します。発電所は、特定の時点のシステムの需要に応じて、発電機セットをオンラインにしたりオフラインにしたりします。孤立したコミュニティの主要電源を目的としたアイランド発電所には、少なくとも 3 台のディーゼル発電機があり、そのうちの 2 台は必要な負荷に対応できる定格になっています。最大 20 台のグループも珍しくありません。

同期プロセスを通じて発電機を電気的に接続できます。同期には、発電機をシステムに接続する前に電圧、周波数、位相を一致させることが含まれます。接続前に同期しないと、短絡 電流が高くなったり、発電機やそのスイッチギアが摩耗したりする可能性があります。同期プロセスは、自動同期モジュールによって自動的に実行することも、指示されたオペレータによって手動で実行することもできます。自動同期装置は、エンジンガバナーまたは ECM (エンジン制御モジュール) を通じて速度を調整しながら、発電機とバスバーの電圧から電圧、周波数、位相パラメータを読み取ります。

負荷は、負荷分散によって並列運転する発電機間で共有できます。負荷分散は、発電機の周波数によって制御されるドループ速度制御を使用して実現できます。同時に、エンジン燃料制御を常に調整して、残りの電源との間で負荷をシフトします。ディーゼル発電機は、燃焼システムへの燃料供給が増加すると負荷が増加し、燃料供給が減少すると負荷が解放されます。

ディーゼル発電機は、停電時の電源としての役割がよく知られていますが、2 つの異なる方法で世界中の主要電力網を日常的にサポートしています。

病院や水処理施設で使用されているような非常用待機ディーゼル発電機は、二次的な機能として、米国で広く使用されており、最近では英国でも、さまざまな理由でそれぞれの国の送電網をサポートするために使用されています。英国では、短期運転予備力と呼ばれる入札で価格がかなり変動しており、2012年以降、入札価格の低下に伴い、主にオンサイトディーゼルの使用を伴う需要側の参加量が減少しました。ピーク負荷が約60GWのナショナルグリッドをサポートするために、約0.5GWeのディーゼルが使用されることがあります。これらは、200kWから2MWのサイズの範囲のセットです。これは通常、たとえば、従来の大規模な660MWプラントが突然停止した場合、または利用可能な通常の回転予備力を侵食する突然の予想外の電力需要の増加時に発生します。^[1]

これは双方にとって有益です。ディーゼルは他の理由ですでに購入されていますが、信頼性を確保するには完全な負荷テストが必要です。グリッド並列化はこれを行う便利な方法です。この運用方法は通常、発電機の運用とシステム オペレーターとのやり取りを管理するサードパーティのアグリゲータによって実行されます。

これらのディーゼルは、場合によっては、現場に影響を与えることなく、2 分ほどで並列で起動して稼働させることができます (オフィスや工場を閉鎖する必要はありません)。これは、冷えた状態から 12 時間かかるベースロード発電所よりもはるかに速く、数分かかるガスタービンよりも高速です。ディーゼルは燃料費が非常に高いですが、この用途で使用されるのは年間数百時間だけであり、ディーゼルが利用できることで、ベースロード発電所が非効率的に部分負荷で継続的に稼働する必要がなくなります。使用されるディーゼル燃料は、いずれにしてもテストで使用される燃料です。

英国では、ナショナル グリッドは、予想される国内需要のピーク時に、年間約 10 ～ 40 時間、バックアップ ディーゼルを自己ディスパッチすることで、顧客の需要を約 2 GW 削減できると期待しています。ナショナル グリッドはこれらのディーゼルを制御しません。これらのディーゼルは、国内需要のピークの 3 半時間における各サイトの消費量に対してのみ課される「トライアド」送電網システム使用料 (TNUoS) を回避するために顧客によって運用されます。国内需要のピークの 3 半時間 (「トライアド」期間) がいつになるかは事前にわかりません。そのため、顧客は年間 3 半時間だけでなく、はるかに長い時間ディーゼルを運用する必要があります。

英国における信頼性の高いスタンバイ発電の総容量は約 20 GW と推定されており、そのほぼすべてがディーゼル エンジンによって駆動されています。これは英国のシステム ピークの約 29% に相当しますが、同時に発電されるのはごくわずかな部分だけです。ほとんどの発電所は、大規模なオフィス ビル、病院、スーパーマーケット、空港など継続的な電力が重要なさまざまな施設向けです。したがって、ほとんどは都市部、特に市街地や商業センターにあります。発電所の約 10% が 1 MW を超え、約 50% が 200 kW ～ 1 MW の範囲にあり、残りの 40% が 200 kW 未満であると推定されています。発電所は増加していますが、ピーク ロッピングに定期的に使用されているのはごくわずかで、大部分はスタンバイ発電のみに使用されていると考えられています。この段落の情報は、政府レポートのセクション 6.9「配電網をサポートする組み込み発電のスケジュール設定の障壁を克服する」^{[3]から引用されています。}

英国では、風力発電所などの再生可能エネルギー源からの変動する出力を均衡させるために、ディーゼル発電機群（「ディーゼルファーム」として知られる）の使用が増加している。^[4]

イギリスの短期運用予備力に似たシステムがフランスでも運用されています。これは EJP と呼ばれ、送電網に負荷がかかったときに、特別料金で少なくとも 5 GW のディーゼル発電装置を動員して利用できるようにします。この場合、ディーゼルの主な機能は送電網に電力を供給することです。

電力網と同期した通常運転中、発電所は5%のドループ速度制御で制御されます。これは、全負荷速度が100%、無負荷速度が105%であることを意味します。これは、発電所のハンチングやドロップアウトのないネットワークの安定した動作に必要です。通常、速度の変化はわずかです。出力の調整は、遠心調速機のスプリング圧力を上げてドループ曲線をゆっくりと上げることで行われます。通常、これはすべての発電所の基本的なシステム要件です。なぜなら、古い発電所と新しい発電所は、外部通信に依存せずに周波数の瞬間的な変化に対応できる必要があるためです。^[5]

燃料消費は、電力用途のディーゼル発電所の所有および運用コストの大部分を占めますが、バックアップ発電機の場合は資本コストが主な懸念事項です。特定の消費量は異なりますが、現代のディーゼル発電所は、ほぼ最適な65〜70％の負荷で、少なくとも1リットルあたり3kWh（約30％の燃料効率比）を生成します。^{[6] [7]}

発電機は、必要な予想電力を確実に損傷なく供給する必要があります。これは、メーカーが特定の発電機セット モデルに 1 つ以上の定格を与えることによって実現されます。スタンバイ ジェネレーターとして動作する特定のモデルの発電機は、年間数時間しか動作しなくてもよいかもしれませんが、主電源ジェネレーターとして動作する同じモデルは継続的に動作する必要があります。動作中、スタンバイ ジェネレーターは、予想される短い動作時間で許容できる、たとえば 10% の過負荷で動作する場合があります。同じモデルの発電機は、スタンバイ サービスに対して、連続動作よりも高い定格を持ちます。メーカーは、国際的に合意された定義に基づいて 各セットに定格を与えます。

これらの標準評価定義は、メーカー間の有効な比較を可能にし、メーカーが機械の評価を誤ることを防ぎ、設計者をガイドするように設計されています。

発電機定格の定義

スタンバイ定格は、通常の停電中に緊急電力を供給するために適用できます。この定格では、持続的な過負荷能力は利用できません。(ISO3046、AS2789、DIN6271、BS5514 による燃料停止電力に相当) 公称定格。

代表的な用途 - 病院、オフィス、工場などの非常用発電所。電力網に接続されていません。

プライム (無制限稼働) 定格:建設用電力アプリケーションには使用しないでください。出力は、変動する負荷で無制限の時間使用できます。一般的なピーク需要は、12 時間中最大 1 時間の緊急使用のために 10% の過負荷能力を備えたプライム定格の 100% (ekw) です。^{[引用が必要]} 10% の過負荷能力は、限られた時間で使用できます。(ISO8528 のプライム電力および ISO3046、AS2789、DIN6271、および BS5514 の過負荷電力に相当)。この定格は、すべての発電機セット モデルに適用されるわけではありません。

一般的な用途 - 遠隔地の採掘現場や建設現場、遊園地、フェスティバルなどで発電機が唯一の電源となる場合。

ベース負荷 (連続) 定格は、次の基準に基づいています。最大出力定格までの一定負荷に、無制限の時間にわたって継続的に電力を供給する場合に適用されます。この定格では、持続的な過負荷能力は利用できません。定格については、認定販売店にお問い合わせください。(ISO8528、ISO3046、AS2789、DIN6271、および BS5514 による連続電力に相当)。この定格は、すべての発電機セット モデルに適用されるわけではありません。

一般的な用途 - 継続的に一定負荷で稼働する発電機、または主電源と並列接続され、年間 8,760 時間の最大許容レベルで継続的に電力を供給する発電機。これは、年間 200 時間程度しか発生しない可能性があるピーク節約やグリッド サポートに使用されるセットにも適用されます。

たとえば、特定のセットでスタンバイ定格が 1000 kW の場合、プライム電力定格は 850 kW、連続定格は 800 kW になります。ただし、これらの定格は製造元によって異なるため、製造元のデータシートから取得する必要があります。

多くの場合、セットにはデータ プレートに 3 つの評価すべてが刻印されていますが、スタンバイ評価のみ、またはプライム評価のみの場合もあります。

ただし、通常は、定格自体ではなく、接続する必要がある最大負荷のサイズと許容される最大電圧降下によってセットのサイズが決まります。セットでモーターを始動する必要がある場合、セットは通常最初に始動する最大のモーターの少なくとも 3 倍である必要があります。つまり、選択したセットの定格に近い値で動作する可能性は低いということです。

多くの発電機メーカーは、あらゆる負荷の組み合わせに対して適切な発電機を選択できるソフトウェアプログラムを持っています。発電機のサイズは、現場の状況と発電機によって電力が供給される機器、装置、デバイスの種類に基づいて決定されます。^[8]

ディーゼル燃料はディーゼルエンジンにちなんで名付けられており、その逆ではありません。ディーゼルエンジンは単に圧縮点火エンジンであり、構成と場所に応じてさまざまな燃料で作動します。ガスグリッド接続が利用可能な場合は、ガスグリッドがほぼすべての停電中に加圧されたままになるため、ガスがよく使用されます。これは、吸入空気とともにガスを導入し、点火に少量のディーゼル燃料を使用することで実行されます。100％ディーゼル燃料運転への切り替えは瞬時に達成できます。^[9]

田舎や低負荷率の工場では、原油から作られたディーゼル燃料が一般的な燃料です。重質油よりも凍結する可能性が低いからです。耐久性はタンクのサイズによって制限されます。ディーゼルエンジンは、天然ガス、アルコール、ガソリン、木材ガスから燃料油、ディーゼル油から室温ではラードのような安価な残留燃料まで、あらゆる種類の原油蒸留物で作動します。これらの燃料は燃料ラインを流れるように加熱する必要があります。^[10]

大型エンジン（約 3 MWe から 30 MWe）では、精製プロセスの最後に生成される重油、つまりタールが使用されることがあります。燃料油を加熱して流動性を確保しながら、燃料の過熱による火災リスクを軽減するという、若干の複雑さが加わるため、これらの燃料は、小規模で無人であることが多い発電所では人気がありません。

その他の燃料としては、バイオディーゼル、植物油、動物性脂肪および獣脂、グリセリン、石炭水スラリーなどがあります。これらは注意して使用する必要があります。その組成上、エンジンを適切に調整しないと、エンジンの寿命に悪影響を及ぼします。たとえば、石炭水スラリーを使用するエンジンは、高密度の燃料を必要な数分の1秒の短い時間で噴射できるように、より大きなインジェクターで改造されることがよくあります。獣脂、植物油、パラフィンワックスなどの他の高粘度燃料は、燃料を予熱して粘度を標準ディーゼル燃料の範囲まで下げれば、標準的な燃料インジェクターで使用できます。ルドルフ・ディーゼルが1900年の世界博覧会のために設計・製作したエンジンは、彼のシステムを使用するほとんどの現代のエンジンとは異なり、石油製品ではなく ピーナッツ油を燃料としていました。