Kan ett tryckökande förbränningssystem förbättra gasturbiners termiska verkningsgrad?

I den senaste utvecklingen av landbaserade, tunga industrigas-turbiner (HDGT) har J-klassen med sina nominella 1600°C förbränningstemperaturer (TIT) och tryckförhållande (PR) på 23:1 till 24:1 kommit att representera standarden för prestanda sedan 2013. De största enheterna, som är designade för att generera mer än 500 MWe vid 50 Hz, har en termisk verkningsgrad som överstiger 43%. Vid 60 Hz är de mindre maskinerna något lägre i kapacitet men uppnår liknande verkningsgrader. Enligt den senaste utvecklingen har dessa gas-turbiner också gjort framsteg i kombinerade cykler och uppnått upp till 64% termisk verkningsgrad. För att ta ett steg vidare i denna teknologi har en modell av en 60 Hz J-klass HDGT, med ett luftflöde på 700 kg/s och TIT på ca 1660°C, valts för att undersöka potentialen för att förbättra prestandan genom användning av tryckökande förbränningsteknik (PGC), och mer specifikt pulserande detonationsförbränning (PDC).

För att förstå den potentiella effekten av PDC i gas-turbiner måste vi också beakta de termiska förluster som uppstår i denna process, såsom tryck- och temperaturförändringar samt eventuella förluster orsakade av lufttillförsel vid purging, vilket medför en nedgång i effektiviteten för den isentropiska verkningsgraden. I modellerna som har utvecklats, där PDC implementeras, ses en förbättring av den totala termiska verkningsgraden. Enligt dessa modeller kan en gas-turbin utrustad med ett PDC uppnå en förbättring på två till tre procentenheter i verkningsgrad i en kombinerad cykel, jämfört med den traditionella Brayton-cykeln.

En av de mest slående observationerna från dessa jämförelser är att om prestanda kan uppnås enligt dessa modeller, skulle en PDC-utrustad gas-turbin kunna erbjuda samma termiska verkningsgrad som de nuvarande J-klass turbinmodellerna, men med en mycket lägre TIT, vilket gör teknologin mer ekonomiskt och praktiskt tillämpbar. Vidare skulle det inte krävas några förändringar i bottoming-cykeln (som vanligtvis innebär en tretrycks, ångturbincykel) för att uppnå dessa resultat.

Det bör påpekas att en sådan förbättring inte är trivial och skulle kräva betydande investeringar i hårdvaruutveckling, särskilt inom områden som förbränningens stabilitet, akustiska vibrationer, samt utsläpp av kväveoxider (NOx) och kolmonoxid (CO). Dessa utmaningar är inte unika för PDC, utan är typiska för alla former av gasturbiner som använder avancerade förbränningstekniker, inklusive de som använder traditionella Dual-Fuel Low-NOx (DLN) förbrännare. Här är det också viktigt att beakta att den intermittenta förbränningsprocessen i PDC kan skapa betydande operativa svårigheter, och att det krävs omfattande tester och utveckling av prototyper för att verifiera om denna teknologi kan leverera pålitlig och kontinuerlig drift.

Vidare är det värt att notera att den kritiska faktorn för PDC är frekvensen för detonationscyklerna, som är begränsad till cirka 100 Hz. Detta innebär att det är en stor utmaning att säkerställa en jämn och stabil förbränning som inte stör turbinens drift vid denna hastighet. Även om PDC:s storlek och vikt inte utgör samma problem för landbaserade tillämpningar som för flygplansmotorer, kvarstår frågan om tillräcklig effektivitet vid denna frekvens för att upprätthålla en stabil drift under hela turbintidsintervallet.

För att uppnå en fullständig implementering av denna teknologi på ett framgångsrikt sätt, skulle det krävas en genomgripande förståelse och hantering av både förbränningsdynamik och mekaniska designproblem. Det är också avgörande att noggrant överväga de ekonomiska och praktiska aspekterna av att anpassa befintliga gas-turbinsystem till denna nya teknologi, vilket skulle innebära att noggrant utvärdera de långsiktiga driftskostnaderna och de tekniska riskerna i samband med utveckling och anpassning.

Hur påverkar turbinens design effektiviteten och kapaciteten för ångturbiner i kombinerade cykler?

I den moderna turbindesignen, särskilt för ångturbiner som används i kombinerade cykelsystem, är det viktigt att förstå den komplexa dynamiken mellan de olika turbinstegen och hur dessa samverkar för att optimera både effektivitet och kapacitet. Ångturbinen i dessa system består vanligtvis av tre huvudsektioner: högtrycksturbinen (HP), mellantrycksturbinen (IP) och lågtrycksturbinen (LP), som var och en har sina egna specifika designutmaningar och arbetsförhållanden.

För att börja med, i ett system med en ångturbin för kombinerad cykel, är det vanligt att man använder två separata höljen för de olika turbinsektionerna. HP och IP sektionerna samlas ofta i ett enda hölje, medan LP sektionen har ett eget hölje. Denna uppdelning tillåter en optimering av flödet och effektiviteten i varje steg av turbinens arbete. Speciellt för den lågt tryckande LP-turbinen används en dubbelflödeskonfiguration, vilket gör det möjligt att maximera utrymmet för utloppskanalen. Denna lösning är avgörande för att hantera de stora volymer av ånga som krävs för att driva stora gas- och ångturbiner i kombinerade cykelsystem.

Turbindesignen anpassas också efter det specifika ångflödet och den önskade effektuttaget, vilket beror på storleken och antalet gasturbiner som används i systemet. För mindre anläggningar, som ofta använder äldre gasturbiner av E- eller F-klass, räcker det ofta med en enkelflödes LP-turbin med axialt utflöde. För större anläggningar, där man använder J- eller H-klassens gasturbiner, behövs ofta två dubbelflödes LP-turbiner, vilket innebär att det totala ångflödet fördelas på flera flödesvägar för att skapa tillräckligt stort utrymme för det ångflöde som krävs vid högre effektnivåer.

När man ser på effektiviteten i de olika turbinsektionerna måste man beakta de specifika förlusterna i varje steg. HP och IP sektionerna har egna ångstoppsventiler vid inloppet, medan ångflödet i LP-sektionen ansluter vid utloppsöppningen från IP-turbinen. Dessa förluster i systemet kan mätas genom att beräkna den isentropiska expansionsverkningsgraden för varje sektion, även om det finns andra förluster som också måste beaktas. Dessa förluster kan uppkomma i ventiler, rörledningar och andra komponenter som påverkar den totala effektiviteten i systemet.

Effektiviteten i LP-sektionen, som ofta är den sista delen av turbinens arbetsflöde, är en kritisk parameter för att säkerställa att hela systemet fungerar effektivt. Den kan beräknas genom att ta hänsyn till de förluster som uppstår vid utloppskanalen, där kondensorn spelar en viktig roll. Ju lägre tryck och temperatur i kondensorn, desto mer effektivt kan systemet arbeta för att återvinna värme och omvandla den till elektrisk energi.

För att beräkna dessa förluster och optimera ångturbinen används olika beräkningsmodeller. En av de viktigaste faktorerna i dessa beräkningar är den specifika volymen för mättad ånga vid kondensortryck, som hjälper till att bestämma den optimala hastigheten för ångflödet i utloppskanalen. Ett annat viktigt mått är den effektiva annulusarean, som kan beräknas med hjälp av geometriska modeller baserade på turbinens design och ångflödets hastighet.

För att maximera effektiviteten och säkerställa hållbar drift måste designen av ångturbiner ta hänsyn till både termodynamiska och mekaniska faktorer. Vid designen är det viktigt att optimera både storlek och form på turbinstegen samt att minska de förluster som kan uppstå i varje sektion. Detta innebär att man måste förstå och använda en mängd olika parametrar, som ångtryck, ångvolym och flödeshastigheter, för att uppnå en balans mellan effektivitet, hållbarhet och kostnad.

Hur Rankine- och Brayton-cykler jämförs i kärnreaktorer och energianläggningar

I termodynamikens värld är både Rankine-cykeln och Brayton-cykeln centrala komponenter i designen av moderna energiproducerande system. Var och en av dessa cykler har sina specifika fördelar och nackdelar beroende på olika användningsområden, men det är viktigt att förstå de subtiliteter som påverkar deras effektivitet och praktiska tillämpning.

I kontrast, Brayton-cykeln, som är baserad på gas-turbiner, använder en annan princip för värmeomvandling och arbetar mer effektivt vid höga temperaturer. Men även denna cykel har sina begränsningar, särskilt när det gäller den termiska effektiviteten (METH - maximum cycle thermal efficiency). Här är det viktigt att notera att även om Brayton-cykeln generellt har högre driftstemperaturer och därmed kan ge en högre termisk effektivitet vid idealiska förhållanden, så kompenseras dessa fördelar av de lägre METL (maximum exhaust temperature limit) som Rankine-cykeln kan uppnå.

En intressant utveckling inom detta område är användningen av organisk Rankine-cykel (ORC) för att återvinna spillvärme, särskilt vid låga temperaturer. ORC-cykler använder organiska vätskor som isopentan eller ammoniak istället för traditionellt vatten, vilket gör att de kan arbeta effektivt vid lägre temperaturer och tryck. Detta gör dem idealiska för applikationer där traditionella ångcyklar inte är effektiva, som i geotermiska anläggningar eller i kombination med gas-turbiner i kombicykelsystem. Det finns också experimentella varianter som Kalina-cykeln, där en blandning av ammoniak och vatten används som arbetsmedium, vilket potentiellt kan förbättra effektiviteten ytterligare.

Ett annat spännande alternativ är användningen av superkritiska CO2 (sCO2) Rankine-cykler. Dessa cykler erbjuder betydande förbättringar i termisk effektivitet jämfört med traditionella ångcyklar, särskilt när det gäller lågtrycksvärmeöverföring i kylsystem. För kärnkraftverk, särskilt de som använder flytande metall eller smältsalt som kylmedel, kan en sCO2-cykel vara ett mycket attraktivt alternativ. Denna cykel har visat sig kunna leverera högre effektivitet vid lägre temperaturer än de traditionella ångcyklarna.

När vi går vidare till mer avancerade system, som HTGR (High Temperature Gas-cooled Reactors) med heliumkylda gasturbiner, blir behovet av effektiva bottoming-cykler ännu mer uppenbart. I dessa system kan en kombination av en gas-turbin (Brayton-cykel) och en organisk Rankine-cykel ge stora fördelar. Ett exempel på detta är en kombinerad helium-gas-turbin och ammoniak-bottencykel, där värme från gasturbinen används för att driva en ammoniak-cykel, vilket förbättrar den totala systemeffektiviteten.

Det är dock viktigt att notera att den teoretiska förbättringen i effektivitet från dessa kombinerade cyklar inte alltid återspeglar sig i praktiska resultat. Nyckelkomponenter som pumpar och kyltorn kräver stor uppmärksamhet när de dimensioneras enligt de verkliga fysiska kraven. Den ökade hjälpenergiförbrukningen för dessa system, särskilt vid kylning av ammoniak-kondensatorn, kan leda till att den faktiska vinsten i effektivitet inte är lika stor som beräknat från ett rent termodynamiskt perspektiv.

Sammanfattningsvis, medan Rankine-cykeln och Brayton-cykeln fortsätter att vara hörnstenar i energiproduktion, erbjuder den moderna teknologin, särskilt genom användning av organisk Rankine-cykel och sCO2-cykel, lovande möjligheter att förbättra effektiviteten och minska de miljömässiga nackdelarna med traditionella system. Varje cykel har sina specifika fördelar och bör noggrant utvärderas i relation till anläggningens specifika krav, inklusive driftstemperaturer, kylmedel och miljöpåverkan.