Hur teknologi- och cykelfaktorer påverkar effektiviteten hos gasturbiner

Gasturbiner är en viktig komponent inom modern energi- och transportsektor, och deras effektivitet påverkas av ett antal faktorer som alla bygger på grundläggande termodynamiska principer. En av de centrala faktorerna för att förstå en gasturbins prestanda är teknologi- och cykelfaktorer, som ofta används för att beskriva och jämföra olika generationers gasturbiner.

För moderna industriella gasturbiner, som de av HA- eller J-klass, ligger TF omkring 0,73. Detta betyder att 73 % av den teoretiska Carnot-effektiviteten uppnås under normala driftförhållanden. Jämför detta med den tidiga gasturbinen Jumo 004, som hade en TF på 0,54 vid en turbininloppstemperatur (TIT) på 775°C och ett cykeltryckförhållande på 3:1. Det är viktigt att notera att en TF inte är ett ”fuskverktyg”, utan ett mått på den faktiska prestanda som är kopplad till turbinens design och materialval. Denna relation är inte godtycklig, utan följer strikta termodynamiska samband, vilket gör den till ett pålitligt sätt att mäta turbinens tekniska utveckling.

För att förstå skillnaderna mellan olika gasturbiner är det också viktigt att känna till sambandet mellan cykel- och teknologi-faktorer. En högre cykelfaktor, som uppnås genom att optimera tryckförhållandet och turbininloppstemperaturen, leder till en högre TF. Men det är inte en enkel process att höja TF, vilket visas i utvecklingen av gasturbiner de senaste 75 åren. Det tog nästan ett halvt sekel att öka TF från 0,54 till 0,70 genom att förbättra material, aerodynamik och värmeöverföringstekniker.

I takt med att teknologi och forskning fortsätter att utvecklas, finns det nu möjlighet att nyare gasturbiner kan börja sin utveckling med högre TF-värden än de som uppnåddes av de äldre turbinerna. Nya material som superlegeringar, förbättrad aerodynamik, 3D-komputationsflödesdynamik (CFD) och fullskaliga testanläggningar gör det möjligt att skapa turbiner med högre effektivitet redan från start. Detta innebär att en turbin med en cykelfaktor på 0,7 kan ha en TF mellan 0,6 och 0,7 utan att detta innebär några grundläggande problem, även om varje ny teknologi måste utvärderas individuellt.

Gasturbiner kan även definieras genom ett fåtal viktiga parametrar som varvtal, luftflöde, bränsletemperatur och cykeltryckförhållande (PR). Dessa parametrar är avgörande för att fastställa turbinens effekt och effektivitet. Exempelvis påverkar varvtalet om en turbin körs på ett 50 Hz eller 60 Hz elnät vilket i sin tur påverkar turbinens specifikationer och prestanda.

För att bättre förstå teknologins utveckling är det användbart att jämföra de historiska och moderna teknologiernas effektivitetskurvor, som visar hur cykel- och teknologi-faktorer utvecklats under de senaste decennierna. De flesta förbättringar i turbinens effektivitet har skett genom materialvetenskap, förbättrade kylteknologier och avancerade simuleringsmetoder som gör det möjligt att optimera turbinens prestanda på ett mycket mer precist sätt än tidigare.

Endtext

Hur påverkar kompressorutformning och prestanda CO2-fångst och energioptimering?

CO2-kompressorer spelar en central roll i systemen för koldioxidavskiljning och deras design är avgörande för den övergripande effektiviteten i dessa anläggningar. En typisk kompressor för detta ändamål kan vara en åttastegs integrerad centrifugalkompressor, vilket innebär att den är utrustad med en serie kopplade lager och växellådor, designad enligt API-standard 617 med specifika undantag och kommentarer från tillverkaren.

En sådan kompressor är oftast uppdelad i två delar: lågtrycks (LP) och högtrycks (HP) kompressor, vilket gör det möjligt att hantera olika trycknivåer genom separata moduler, var och en driven av en induktionsmotor som arbetar med hög hastighet. En vanlig konfiguration innebär att varje modul är kopplad till sin egen elektriska motor, medan en alternativ lösning kan vara att en enda motor driver båda modulerna via två växellådor. Den elektriska motorn i detta system drivs av en variabel frekvensdrivare (VFD), vilket gör det möjligt att mjukt starta motorn och därmed undvika plötsliga elektriska strömspikar vid uppstart.

Det är viktigt att förstå att denna design kräver noggrant övervägande av energiåtgången, där varje kompressor körs med en hastighet på 100 % under de flesta driftförhållanden. Kompressorns termodynamiska prestanda beror på flera faktorer, däribland motorns effektförbrukning, som här är 14 MWe, vilket motsvarar cirka 365 kJ/kg CO2 fångad. Det är också värt att notera att ett kylsystem används för att minska CO2-temperaturen till 35°C efter kompressorn, innan gasen skickas vidare till rörledningen.

En central aspekt i optimeringen av koldioxidfångstprocessen är hanteringen av den energi som går förlorad, främst i form av värme. Värme som avges från intercoolers, avvattning och efterkylare till det cirkulerande kylvattnet uppgår till 22 MWth. Denna värme, som är låg-exergi (ungefär 4 MW i exergi med en ”dödpunktstemperatur” på 15°C), är svår att utnyttja effektivt för ytterligare elproduktion. I vissa fall kan det dock vara möjligt att integrera denna värme med andra delar av kraft- och fångstanläggningen, vilket kräver noggranna kostnads- och prestandaöverväganden.

För att uppnå bästa möjliga prestanda och kostnadseffektivitet måste kompressordesignen beakta hela energiförbrukningen, inklusive både elförbrukning och ångförbrukning i stripper-återvinnaren. Den största energiförbrukaren i koldioxidfångstsystemet är ofta CO2-kompressorn tillsammans med bränslegasfläkten. Det är också viktigt att noggrant analysera ångförbrukningen i stripper-processen där den absorberade CO2 från rökgaser frigörs genom uppvärmning, vilket återvänder till absorberaren som en lean amine. Denna process, som är kärnan i aminfångstmetoden, innebär att den rika aminen måste värmas upp och därefter skickas till strippningstornet där koldioxid släpps ut.

En detaljerad värmeväxlareutformning spelar en central roll för att sätta optimala driftstemperaturer och tryck för stripperprocessen. Här är högre driftstryck fördelaktiga ur CO2-komprimeringsperspektiv, medan lägre tryck gynnar den ånggenererande ångturbinen och effektiviserar energiutvinning. För att säkerställa en optimal användning av energi är det viktigt att noggrant modellera dessa processer, något som ofta kräver avancerad programvara för kemiska processer, såsom Aspen Plus eller ProMax.

Hur fungerar en gasturbin och dess koppling till kraftgenerering?

I sammanhanget för elproduktion är det viktigt att förstå de grundläggande begreppen som styr drift och prestanda hos en gasturbin. För att förenkla, handlar mycket om de fysiska lagarna som påverkar en turbin under dess drift. En gasturbin, precis som andra turbomaskiner, omvandlar energi i form av bränsle till mekaniskt arbete, vilket sedan omvandlas till elektrisk energi.

Både arbete och vridmoment mäts i samma enhet, Newtonmeter (Nm), vilket är lika med en Joule (J). Här märks att diskussionen om turbiner och deras prestationer oftast underlättas genom att använda SI-enheter istället för brittiska enheter.

Effekt, å andra sidan, handlar om den hastighet med vilken arbete utförs. Om ett konstant vridmoment, T, appliceras på en turbinaxel under en viss tid, kan effekten beräknas med formeln P = τ * ω, där ω är den vinkelfrekvens vid vilken axeln roterar. I industrigasturbiner för elproduktion är frekvenserna antingen 3000 rpm (eller 50 Hz) eller 3600 rpm (eller 60 Hz), beroende på nätets frekvens.

När gas- eller ångturbinen väl har nått en viss hastighet, uppnår den sitt "full speed no load" (FSNL) tillstånd, vilket innebär att den är tillräckligt snabb för att vara självgående och inte längre behöver extern hjälp. Vid denna punkt är den redo för synkronisering med elnätet, där den kan börja generera elektricitet genom att öka luft- och bränsleflödet genom turbinen. I en sådan situation, där gasflödet och bränslet styrs av ett regleringssystem, talar vi om "full load" eller "full speed full load" (FSFL).

När turbinen är i FSNL tillstånd och synkroniserad med nätet, är den klar att börja producera elektricitet och laddas gradvis för att möta de krav som ställs av elnätet. Gasflödet genom turbinen justeras genom inloppets styrblad, medan bränsleflödet justeras för att optimera turbinens temperatur och tryck, vilket säkerställer högsta möjliga effektivitet.

Det är också viktigt att förstå skillnaden mellan en enkel cykel och en kombinerad cykel i turbinoperation. I en enkel cykel används endast en gas turbin för att generera elektricitet, vilket innebär att luft tas in, bränsle tillsätts, och varm gas släpps ut utan att någon sluten cykel används. Detta är tekniskt sett inte en "cykel" i termodynamisk bemärkelse, även om termen används i dagligt tal. En kombinerad cykel å andra sidan, involverar både en gasturbin och en ångturbin, där värme som genereras från gasturbinen utnyttjas för att producera ånga och därmed effektivisera den totala energiutvinningen.

Prestationen hos en gasturbin beskrivs ofta som den "nominella prestandan", vilket syftar på dess kapacitet vid full last under standard ISO-förhållanden (15°C, 1 atm och 60% relativ luftfuktighet). Detta gör det möjligt att fastställa turbinen effektivitet under optimala förhållanden, även om den verkliga prestandan kan variera beroende på externa faktorer som temperatur, tryck och luftfuktighet.

En del av nyckeln till att optimera gasturbinens prestanda ligger i att kunna kontrollera och anpassa förhållandena under drift, inklusive luftflöde, bränsleflöde och turbinens rotation, vilket gör att den kan arbeta så effektivt som möjligt under olika driftförhållanden.