Vad kan man förvänta sig av Allam-cykelns prestanda baserat på aktuella tekniska förutsättningar?

I dagens forskning om Allam-cykeln undersöks olika faktorer som påverkar den termiska effektiviteten och den ekonomiska genomförbarheten för denna kraftfulla teknik. Ursprungligen utvecklad för att använda superkritisk koldioxid (sCO2) i ett semi-stängt förbränningssystem, har cykeln visat på potential att leverera hög effektivitet, men även stora utmaningar för att uppnå de höga prestanda som forskarna förutspådde. När olika forskargrupper har försökt att simulera eller prognostisera cykelns prestanda, har resultaten varit mycket varierande beroende på de förutsättningar som använts i modellerna.

En viktig aspekt av dessa simuleringsresultat är att förmågan att uppnå hög effektivitet i Allam-cykeln är starkt beroende av flera faktorer som inte kan ignoreras. En av de viktigaste faktorerna är prestandan hos den luftseparationsenhet (ASU) som används för att producera syre för förbränning. Dessutom är återvinning av värme och integreringen av denna med cykelns övriga komponenter avgörande för att minska de totala förlusterna och optimera effektiviteten. I det fall forskarna vid Haseli och Sifat genomförde sina analyser, uppnåddes en förbättrad nettotermisk effektivitet på 59,7% med en turbine-inloppstemperatur (TIT) på 1 500 K och en tryckförhållande (PR) på 10,9:1.

Trots dessa förbättringar och ett stort antal olika simuleringar kvarstår det faktum att det finns en betydande osäkerhet i prestandaprognoserna för Allam-cykeln. Eftersom cykeln är relativt ny och komplex, krävs det noggrant arbete för att uppnå de höga termiska effekterna som teoretiskt är möjliga enligt idealiserade cykeldiagram. Det faktum att det ännu inte har utvecklats någon kommersiell Allam-cykel som kan leverera de förväntade nivåerna av effektivitet gör att forskarna måste vara försiktiga när de pratar om cykelns framtid.

En annan faktor som inte får förbises är värmeintegration och de termiska effekterna av systemets återvinning. Med avancerad integration kan Allam-cykeln potentiellt förbättras avsevärt, vilket skapar möjligheter för bättre prestanda än vad som tidigare varit förutspått i experimentella modeller. Detta innebär att när den faktiska anläggningen byggs och testas i fältet, kan resultatet visa sig vara mer lovande än vad som visats i laboratoriemiljöer. Det är dock osannolikt att denna teknik kommer att uppnå den höga effektiviteten på över 60% utan ytterligare teknologiska framsteg och optimeringar.

Det är också viktigt att förstå att den termiska effektiviteten hos Allam-cykeln inte bara beror på komponenternas individuella effektivitet utan också på den övergripande systemdesignen. Prestanda kommer i stor utsträckning att påverkas av hur väl systemen integreras och hur effektivt värmeflöden och tryckkontroll hanteras, särskilt i den komplicerade CO2-komprimeringen och värmeåtervinningen som är en central del av processen.

De teoretiska beräkningarna baseras på förstaprinciper och tyder på att den maximala teoretiska effektiviteten för Allam-cykeln inte bör överstiga 79,8%, baserat på Carnot-effektiviteten. Vid realistiska teknologiska förutsättningar, som en TIT på 1 150°C och ett tryckförhållande på 10:1, kommer den faktiska cykelns effektivitet att vara betydligt lägre, i intervallet 51,1% till 58,4%, beroende på komponenter och systemintegrering.

Den potentiella förmågan hos Allam-cykeln att uppnå höga effektivitetstal är inte bara en fråga om teori utan också om praktisk tillämpning. Många av de utmaningar som forskarna möter handlar om att hantera dessa förluster och optimera alla delar av cykeln för att nå en optimal balans mellan effektivitet och teknologins mognadsnivå. Endast genom detaljerad fälttestning och fortlöpande optimering kan denna cykel nå den nivå som forskarna förutspår och därmed revolutionera energiproduktionen baserad på koldioxid.

Hur PDC-teknologi påverkar effektiviteten och framtiden för gasturbiner

När det gäller pulserande detonationsförbränning (PDC) och dess tillämpningar inom gasturbiner, är det nödvändigt att förstå de olika faserna av processen, från det initiala detonationsstadiet till den slutliga blandningen med luft innan turbinavsnittet. Under denna process förändras tryck och temperatur snabbt, och dessa förändringar är avgörande för att optimera prestanda och effektivitet i gasturbiner. I detta sammanhang är det viktigt att fördjupa sig i varje tillstånd i förbränningscellen och de tekniska parametrar som styr dessa faser.

Det första tillståndet i PDC-processen definieras av det initiala trycket och temperaturen när detonationen inträffar. Efter detonationen genereras en våg av expanderande gaser som rör sig genom förbränningsröret. Vid den öppna änden av röret, där detonationsvågen börjar, skickas information om trycksänkningen genom den centrala expansionsvågen mot den slutna änden av röret. När denna våg når den slutna änden, sker en slutlig expansion, vilket resulterar i att förbränningsprodukterna lämnar röret med en trycknivå som motsvarar reservoarens tryck. Detta tillstånd, märkt som tillstånd 4, beräknas genom att använda den isentropiska p-T-relationen och den övergripande PDC-värmebalansen.

För att vidare förstå processen krävs beräkningar av det slutliga tillståndet, som definieras som tillstånd 5, efter blandning med luft (där tryckförluster förutsätts vara försumbara). Den slutliga temperaturen innan gaserna går in i turbinavsnittet kan beräknas genom att blanda förbränningsprodukterna med purgen och genomföra en energibalans. Detta ger ett konceptuellt ramverk för att beskriva de olika tillstånden i PDC-systemet, där trycktransducerdata kan användas för att kvantifiera förändringarna i tryck vid olika punkter i röret.

I praktiken innebär detta att noggrant beräkna de termodynamiska förhållandena för att maximera effektiviteten och tryckhöjningen genom hela förbränningsprocessen. Dessa förhållanden, inklusive den tidgenomsnittliga tryckökningen och förhållandet mellan bränsle och luft (FAR), är avgörande för att fastställa prestandan hos gasturbiner som använder PDC-teknologi. För att skapa en användbar funktion för dessa beräkningar används modeller som baseras på experimentella data som mäter förändringar i tryck och temperatur för olika FAR och prekompressionsförhållanden (PR).

Förutom den grundläggande termodynamiska beräkningen är det också viktigt att beakta tryckförhållandena i samband med det specifika volymförhållandet som sker över förbränningscellen. Detta förhållande beror på tryckhöjningen i detonationsförbrännaren och påverkar turbinens arbetsförhållanden. Ett tryckförhållande (PR) på exempelvis 2:1 ger en volymökning, vilket är något som måste beaktas vid modelleringen av dessa system för att säkerställa att de optimala arbetsförhållandena för turbinen bibehålls.

För att ytterligare optimera prestanda har koncept som dynamiska tryckväxlare och vågrotorer undersökts för att skapa tryckökningar genom att utnyttja chockvågor och rotationsdynamik. Dessa teknologier erbjuder en möjlighet att minska de pulsationer som kännetecknar den traditionella PDC-teknologin och öka effektiviteten i systemet.

För den praktiska ingenjörsdelen handlar det alltså om att noggrant förstå de komplexa interaktionerna mellan dessa termodynamiska förhållanden och deras inverkan på prestandan hos gasturbiner, samt att ta itu med de tekniska svårigheterna i samband med att hantera pulsationer och tryckförändringar under drift.