Hur påverkar det konstant-volym flödesprocessen prestanda i gas turbine-cykler?

I termodynamiska system där värme och arbete är centrala komponenter för cykliska processer, såsom gas turbines, spelar den specifika termodynamiska cykeln en avgörande roll för effektiviteten hos den mekaniska energiomvandlingen. En cykel som varit föremål för ökad uppmärksamhet är Reynst-Gulen (R-G) cykeln, vilken introducerar en konstant-volym flödesprocess (CVHA) för att ge en alternativ metod för att tillföra energi till arbetsvätskan i en turbin. Denna cykel är konceptuellt nära den klassiska Brayton-cykeln men med några fundamentala skillnader som gör den mer lovande när det gäller prestanda, vilket vi kommer att undersöka nedan.

I ett system som använder Brayton-cykeln tillförs energi till arbetsvätskan genom värmeöverföring vid konstant tryck. Detta är den traditionella metoden som används i de flesta moderna gasturbiner. I motsats till detta sker energiöverföringen i R-G cykeln i två steg: värmeöverföring vid konstant tryck och arbete som tillförs arbetsvätskan genom en mekanisk process som höjer trycket samtidigt som entropin förblir konstant. Denna arbetskomponent, som introducerar en tryckökning under konstant volym, skapar en viktig skillnad i hur energin distribueras och tillförs.

Enligt termodynamiska ekvationer som beskriver den R-G cykeln, såsom den modifierade Gibbs-ekvationen, sker den mekaniska arbetetillskottet på ett sätt som påverkar både temperaturen och trycket simultant. Genom att lösa för de olika delarna av energiöverföringen får man ett system där den effektivt tillförda värmen har högre medel-temperatur än i en traditionell Brayton-cykel. Detta innebär att det totala värmeflödet, qin, till arbetsvätskan är mer effektivt i den R-G-cykeln, vilket i sin tur kan leda till bättre verkningsgrad under vissa förhållanden.

Det är viktigt att notera att under de idealiserade förhållandena där både Brayton- och R-G-cykeln använder samma totala energitillskott och tryckförhållande (PR), uppvisar R-G-cykeln ett högre temperaturintervall för värmetillskottet. Detta beror på att den totala entropiförändringen i R-G-cykeln är mindre än i Brayton-cykeln, vilket gör att det finns en större potential för att extrahera arbete från samma mängd tillförd energi.

Vidare, när vi använder den termodynamiska effektiviteten som ett mått på systemens prestation, finns det en fördel i att använda R-G-cykeln för gas turbines. Den termiska verkningsgraden, enligt en ekvation som beskriver förhållandet mellan cykelns tryckförhållande och temperatur, visar att R-G-cykeln har en högre verkningsgrad jämfört med Brayton-cykeln under identiska förhållanden. Detta innebär att samma mängd energi kan omvandlas mer effektivt till arbete i en turbin baserad på R-G-cykeln.

För att konkretisera detta, låt oss titta på den praktiska implementationen av R-G-cykeln i en gas turbine. I en teoretisk modell för en R-G-cykel används en motor-kompressor-enhet, där motorn inte bara driver kompressorn utan också tillför värme till den komprimerade luften, vilket skapar en konstant-volym tryckökning. Detta tillvägagångssätt gör att en större andel av den kemiska energi från bränslet omvandlas till mekaniskt arbete – omkring 18 %, vilket är en betydande ökning jämfört med konventionella metoder.

För att uppnå bästa möjliga prestanda är det avgörande att optimera förhållandet mellan det tryckförhållande (PR) och den maximala temperaturen i cykeln. R-G-cykeln erbjuder möjligheten att operera vid högre temperaturer utan att förlora prestanda, vilket är särskilt fördelaktigt för användning i avancerade gasturbiner, där höga temperaturer direkt korrelerar med högre effektivitet och kraftutveckling.

Det som skiljer R-G-cykeln från andra cykler är också den specifika uppdelningen av energiöverföring, där värme inte bara tillförs vid konstant tryck utan också genom en mekanisk process som simultant ökar både tryck och temperatur. Denna dualitet gör att den totala energikapaciteten hos cykeln kan maximeras, vilket leder till en potentiell ökning av den termodynamiska effektiviteten utan att öka energiförlusten.

Därför är det av yttersta vikt att förstå de unika termodynamiska egenskaper som definierar R-G-cykeln för att kunna optimera framtida gasturbinteknik. Det är också viktigt att notera att för att uppnå den mest effektiva prestandan krävs en noggrann balansering mellan de två komponenterna i energiöverföringen – värme och arbete. För framtida tillämpningar kommer det vara avgörande att utveckla metoder som kan upprätthålla högre temperaturer och trycknivåer utan att riskera materialöverbelastning eller minskad livslängd för turbinens komponenter.

Hur fungerar detonationsförbränning i gasturbiner?

Detonationförbränning är ett relativt nytt och avancerat koncept som ger löften om högre prestanda och effektivitet i gasturbiner. Förbränning av detta slag har väckt intresse inom industriell tillämpning, särskilt när det gäller förbättrad effektivitet och prestanda i jetmotorer och raketmotorer. Den primära fördelen med detonationförbränning (RDE) jämfört med traditionell pulsationsdetonation (PDE) är den mekaniska och aerodynamiska överlägsenheten, vilket minskar vikten, komplexiteten och instabiliteten i nedströmskomponenterna.

RDE bygger på en annulär förbränningskammare, som kan beskrivas som två koncentriska cylindrar med utrymme mellan sig. Här matas bränsle och oxidationsmedel (antingen som separata strömmar eller som en förblandad ström) in genom ett antal öppningar. När detonationsvågen initieras tangentiellt, sprider den sig runt kammaren, konsumerar reaktanterna och genererar en högtryckszon av brända produkter bakom sig. På så sätt påminner principen om en detonationsvåg som sprider sig genom ett cylindriskt rör. Det som skiljer RDE från PDC (Pulsed Detonation Combustion) är den kontinuerliga och självförsörjande karaktären av detonationen. Eftersom ingen purging krävs och inga ventiler öppnas och stängs kontinuerligt, kan den operativa frekvensen i RDE vara så hög som 10 kHz, vilket innebär 10 000 Hz.

En annan nyckelfaktor för fördelarna med RDE är den specifika dynamiken i kammaren. Inuti förbränningskammaren finns både kontaktfläckar och chockvågor som stöter ihop och ger upphov till expansion, vilket i sin tur hjälper till att kasta ut de brända produkterna genom kammarens utlopp för att producera framdrivande kraft. Denna process är inte lätt att beskriva i ord, men det finns ett flertal CFD-simuleringar och videoinspelningar av experiment som kan ge en visuell förståelse för hur detonationsvågen rör sig och interagerar i kamrarna.

Aktiv forskning och utveckling pågår över hela världen inom både myndigheter och privata industriföretag med fokus på att använda RDE-teknologi för flygplans- och raketframdrivning. Denna forskning omfattar experimentella, numeriska och analytiska studier för att utveckla teknologin till en nivå som möjliggör tillämpning i praktiska och kommersiellt gångbara produkter.

I en gas turbin sker detonation i en semi-stängd kanal, där detonationen initieras vid den slutna änden och sprider sig mot den öppna änden. Det är en process som följer den så kallade C-J detonationen, en idealiserad chockvåg där tryck och temperatur förändras drastiskt. I denna cykel finns fem grundläggande steg:

1. Komprimerad luft blandas med bränsle.

2. Blandningen fyller förbränningskammaren, en semi-stängd kanal.

3. Detonationen startar vid den slutna änden av röret.

4. Chockvågen (C-J) sprider sig mot rörets öppna ände.

5. Förbränningsprodukterna evacuera röret och nästa cykel börjar.

En annan aspekt av RDE är hanteringen av detonationens fysik och kemi. Detonation sker genom en termodynamisk process som förutsätter en stor mängd data om bränslets sammansättning, temperaturer och tryckförhållanden. I beräkningarna måste det tas hänsyn till att flödet i förbränningskammaren är en-dimensionellt, inviscid och adiabatiskt. Vidare måste antaganden göras om att bränsle-luftblandningen är ideala gaser och att tryckförluster i systemet ignoreras. Det är också nödvändigt att förstå att ingen uppvärmning av luft krävs under själva detonationen, vilket innebär att effektiviteten i förbränning sker snabbt och på ett effektivt sätt.

För att lösa detonationsproblemet matematiskt krävs en lösning av "jump-ekvationerna", som beskriver den adiabatiska processen som äger rum mellan två olika tillstånd, den "frysta" chocken och detonationen. Det är dessa ekvationer som definierar förbränningens termodynamiska egenskaper och ger en noggrann uppskattning av systemets prestanda. För den som är intresserad av detaljerade matematiska beräkningar och teorier bakom detta fenomen rekommenderas det att läsa klassiska verk inom gastydynamik och detonationsteori.

Vidare, för att korrekt dimensionera och optimera prestandan hos en gasturbin med detonationsförbränning, måste olika parametrar som bränsleflöde, luftkomposition, samt temperaturer och tryck vid olika punkter i systemet beaktas. Detta innebär att en detaljerad analys och noggrant definierade beräkningssekvenser är avgörande för att uppnå ett stabilt och effektivt system.

En viktig aspekt som bör beaktas är att detonationstekniken, trots sin potential, fortfarande är föremål för intensiv forskning och teknisk utveckling. Den nuvarande teknologin kan inte helt konkurrera med etablerade bränsleförbränningssystem i kommersiella tillämpningar, men den ger en lovande väg framåt för framtidens högeffektiva motorer och framdrivningssystem.

Hur påverkar värmesänkor prestandan hos kombinerade cyklar?

I en kombinerad cykelanläggning är värmeavledning en central aspekt som påverkar anläggningens effektivitet och drift. För att uppnå detta avleder systemet värme från arbetsvätskan i Rankinecykeln, vilket är ånga, till en värmesänka. De huvudsakliga typerna av värmesänkor som används för detta ändamål är vatten och luft. Ångkondensern, som spelar en avgörande roll i att överföra värme från ångan till värmesänkan, är en viktig komponent i gasturbinsystem med kombinerad cykel. Det finns två huvudtyper av ångkondenserare i dessa system: vattenkylda och luftkylda.

Vattenkylda kondensatorer kan delas in i två kategorier: öppna och slutna system. I ett öppet system tas kylvattnet från en naturlig källa som en flod, sjö eller hav, och återförs till samma källa efter att ha absorberat värme från kondenserande ånga. I ett slutet system cirkulerar kylvattnet i ett slutet kretslopp, där det värmeavleds via en kyltorn. För att säkerställa att detta system fungerar effektivt, används ofta en vattencirkulationspump som håller vattnet i rörelse mellan kondensatorn och kyltornet.

Luftkylda kondensatorer (ACC) fungerar genom att använda luft som kylmedium i stället för vatten, vilket innebär att värmeöverföringen sker huvudsakligen genom konvektion. Detta skiljer sig från den traditionella metoden i våta kyltorn, där värmeöverföring sker genom förångning. Eftersom luft har en mycket lägre specifik värmekapacitet än vatten (ungefär en fjärdedel), kräver luftkylda system en mycket större yta för värmeöverföring och en betydligt större luftflöde. Detta innebär att stora fläktar används för att flytta luften, vilket gör luftkylda kondensatorer mycket kraftigare och mer resurskrävande än vattenkylda alternativ.

I områden med torka eller där vatten är en begränsad resurs, eller där strikta miljöregler hindrar användning av vattenkylda system, kan luftkylda kondensatorer vara ett attraktivt alternativ. Detta alternativ medför fördelar som att inga stora mängder vatten behöver tas från naturen, vilket minskar risken för föroreningar och överanvändning av vattenkällor. Dock är det viktigt att notera att användningen av luftkylda kondensatorer ofta innebär en minskning i anläggningens effektivitet. Detta beror på att luftens lägre värmekapacitet och effektiviteten av konvektionsprocessen gör att prestandan för ångturbinens kondensation blir sämre vid samma temperatur och tryck.

I många fall, särskilt i USA, står anläggningar inte inför valet mellan öppna och slutna vattenkylda system, utan mellan ett slutet system med en ZLD-komponent (Zero Liquid Discharge) och luftkylda kondensatorer. Denna valmöjlighet beror på de strikta reglerna kring vattenförbrukning och den tekniska effektiviteten hos de två systemen.

När man jämför de olika typerna av kylsystem för kombinerade cyklar, är det också viktigt att ta hänsyn till faktorer som omgivningstemperaturens variation och hur detta påverkar prestanda. Värmesänkor, oavsett om de är luft- eller vattenbaserade, har en stark koppling till omgivningstemperaturen, vilket i sin tur påverkar anläggningens effektutveckling och värmeåtervinning. Ju högre omgivningstemperaturen är, desto mer effektivt fungerar ett vattenkylt system, medan ett luftkylt system kan få svårt att upprätthålla sin effektivitet vid högre temperaturer.

Ett annat viktigt övervägande i drift och underhåll är den påverkan som systemets nedbrytning över tid har på den totala prestandan. Fouling, eller beläggningar på rörens ytor, är en av de vanligaste orsakerna till att kylsystemens effektivitet minskar. Denna process kan orsakas av både oorganiska ämnen, såsom kalcium- och magnesiumföreningar, samt organiska material som alger och mikroorganismer. För att motverka detta används kemiska behandlingar som biocider, pH-kontroll och inhibitorer, som effektivt håller systemen fria från beläggningar och kontaminering. I öppna system, där kylvattnet tas från floder eller hav, är risken för marin växtlighet och organiskt material högre, vilket innebär att mer omfattande underhåll krävs.

Ett annat aspekter som kan påverka val av kylsystem är den stora mängden vatten som förloras genom förångning och avdunstning i kyltornet, vilket kräver att systemet ständigt kompenserar för detta genom makeup-vatten. Förutom de tekniska utmaningarna innebär detta en ekonomisk och miljömässig belastning, där tillgången till vatten och regleringar kring dess användning spelar en stor roll.

Det är också avgörande att förstå att det val av kylsystem som görs kommer att påverka hela anläggningens livslängd och driftsekonomi. Långsiktig optimering av värmeavledningssystemen, både när det gäller design och drift, kan vara avgörande för att bibehålla en hög effektivitet och minska driftkostnader över tid. Temperaturförhållanden, materialval och underhållsstrategier måste alla beaktas vid val och drift av dessa system.

Hur underhållbarhet och tillgänglighet påverkar systemets prestanda

Inom teknik och industri är både tillförlitlighet och underhållbarhet centrala för att säkerställa att ett system fungerar effektivt och kontinuerligt. Ett av de viktigaste måtten för att bedöma dessa egenskaper är medel tiden mellan reparationer (MTBR), vilket beräknas genom formeln MTBR = MTBF + MTTR. Här representerar MTBF den genomsnittliga tiden mellan fel, medan MTTR refererar till den genomsnittliga reparationstiden. Om reparationstiden är lång vid ett systemfel, minskar systemets tillgänglighet avsevärt, och här kommer underhållbarheten in i bilden.

Underhållbarheten måste vara inbyggd i både design och konstruktion (eller installation) av systemet och dess utrustning. Ett konkret exempel på detta är hur bilindustrin hanterar underhåll. Exotiska sportbilar med komplexa motorer och begränsat utrymme under huven kan kräva en hel dag för en mekaniker att byta ut ett trasigt delar, till exempel en generator. Jämfört med vanliga personbilar som är byggda för att vara kostnadseffektiva och massproducerade, är dessa designade så att de mest kritiska delarna kan bytas på några timmar, vilket gör dem både snabbare att reparera och billigare att underhålla. Underhållbarhet definieras kvantitativt som den totala driftstoppet för underhåll, vilket inkluderar all tid som krävs för diagnos, felsökning, demontering, borttagning eller ersättning av delar, aktiv reparationstid, verifieringstester, logistiska förseningar och administrativa förseningar. Denna parameter uttrycks med formeln M(t) = 1 - e^(-pt), där p = 1/MTTR är underhållshastigheten.

Ett exempel på tillgänglighet, specifikt för energianläggningar, är AH = PH - FOH - POH, där PH står för periodtimmar (det antal timmar som en enhet varit i aktivt tillstånd), AH representerar tillgängliga timmar (det antal timmar enheten varit i tillgängligt tillstånd), FOH är oförutsedda driftstopp (timmar en enhet varit i oplanerat driftstopp), och POH är planerade driftstopp (timmar en enhet varit i planerat driftstopp). Genom att mäta dessa parametrar kan man räkna ut systemets totala tillgänglighet.

För att bättre förstå de långsiktiga konsekvenserna av tillgänglighet och underhållbarhet är det viktigt att känna till den skillnad som finns mellan tillförlitlighet och resiliens. Tillförlitlighet handlar om att ha tillräckliga resurser för att möta efterfrågan och kunna hantera störningar. Resiliens, å andra sidan, handlar om att förmågan att stå emot och återhämta sig från externa störningar, såsom extremt väder eller naturkatastrofer. Ett praktiskt exempel på detta ses inom industrisektorer som den kemiska processindustrin, där stora anläggningar, som raffinaderier eller LNG-stationer, måste stärka sin resiliens för att kunna hantera strömavbrott orsakade av naturkatastrofer som orkaner och översvämningar. Under 2012-2016 orsakade orkanen Sandy en tredjedel av de största strömavbrotten i USA, och de flesta andra störningarna berodde på andra väderfenomen.

Resiliens är inte samma sak som tillförlitlighet. Enligt NERC definieras tillförlitlighet som en kombination av tillräckliga resurser för att möta efterfrågan och förmågan att stå emot störningar. Mätningen av tillräcklighet handlar om andelen kapacitet över den förväntade eller historiska toppdemanden. Resiliens innebär däremot att vara beredd på att hantera och återhämta sig från externa störningar. För att kunna mäta resiliens använder man ofta sådana metoder som kumulativa kundtimmar för strömavbrott.

Ett sätt att öka anläggningens resiliens är att ha ett dedikerat kraftverk för att möta anläggningens energibehov och även kunna exportera el till andra kunder, exempelvis ett elnät. En sådan anläggning måste vara så robust att den kan fungera helt oberoende av elnätet, vilket innebär att den kräver en så kallad "islandad" kraftsystemdesign. Detta system behöver använda beprövade teknologier och redundans för att säkerställa att anläggningen fortsätter att fungera även vid störningar. Medan effektivitet är viktig för att minska driftkostnader och utsläpp, kan det inte vara det enda kriteriet, särskilt inte om det innebär att man offrar tillförlitlighet och tillgänglighet.

Ett exempel på en sådan redundanskrav är ett system där ett anläggning kräver en total effekt på 180 MWe, som normalt tillhandahålls av tio gasdrivna motorer på 18 MWe vardera. I detta exempel körs tolv motorer vid 83,3% belastning, vilket ger en spinning reserve på 36 MWe. Detta innebär att även om två motorer skulle fallera samtidigt, kan de andra motorerna rampas upp till 100% belastning och fortsätta leverera den nödvändiga effekten utan att driftsättningen av anläggningen påverkas. För att säkerställa tillräcklig redundans finns en motor i varm stand-by, och en annan motor är alltid nere för planerat underhåll.

Det är viktigt att komma ihåg att medan redundans och systemtillgänglighet är centrala för att upprätthålla oavbruten drift, innebär det inte att teknologin behöver vara en "mirakel-lösning". Nya teknologier, även om de använder beprövade komponenter, kan ha svårt att uppnå samma nivå av driftssäkerhet som äldre system. Ett bra exempel på detta är den integrerade gasifiering-kombinerade cykeln, som trots sin lovande design ofta har haft problem med att fungera pålitligt i fält, ett resultat av den komplexa interaktionen mellan dess många subsystem.