Designen av värmeväxlare och deras funktion i soltermiska ånggeneratorer är avgörande för att säkerställa både effektivitet och hållbarhet i anläggningen. En av de största utmaningarna ligger i valet av lagringsmedium och dess förmåga att balansera kostnad, tillgång och prestanda, särskilt med avseende på tryckfallet hos luftflödet från den varma till den kalla delen av systemet. Det är av yttersta vikt att designen beaktar tryckdifferensen mellan superkritiskt koldioxid (sCO2) vid cirka 300 bar och luft vid atmosfärstryck. I en typisk design flödar luft på skalet, medan sCO2 cirkulerar genom rören eller plattorna i värmeväxlaren. Detta skapar betydande påfrestningar på rörväggarna, särskilt under drift, vilket kräver noggrant övervägande av materialens styrka och resistens mot termiska spänningar. En relaterad utmaning är att undvika termiska spänningar vid driftens övergångsfas, till exempel vid uppstart, nedstängning eller när lastförhållandena ändras.

Vid högtrycks ångproduktion är det vanligt att komponenterna är tjockväggiga för att motstå de termiska spänningarna som uppstår under drift. Den cykliska karaktären i driften innebär att dessa delar utsätts för påfrestningar som kan förkorta enhetens livslängd. Erfarenheten från branschen är begränsad när det gäller pannor som är designade för dessa förhållanden. Jämfört med ett traditionellt HRSG (Heat Recovery Steam Generator) i en gas- och ångkraftanläggning, där värmeöverföringssektionerna är omslutna av ett isolerat hölje som hjälper till att behålla värmen under nedstängning, utsätts solmottagarens paneler mer direkt för externa väderförhållanden. Detta innebär att de genomgår mer uttalad temperaturcykling, särskilt under natten när de utsätts för betydande kylning.

För solmottagare som använder smält salt är trycket mycket lägre på grund av det låga ångtrycket hos smält salt vid höga temperaturer. Denna design medför att väggtjockleken på tryckdelarna kan vara mindre än i andra typer av solmottagare, vilket minskar risken för skador orsakade av cyklisk belastning. Men det är fortfarande avgörande att noggrant utvärdera den cykliska livslängden, både med avseende på trötthet och krökt trötthet, för att säkerställa en långvarig och effektiv drift.

Solmottagarpaneler är konstruerade för att tåla höga värmeflöden, och därför är en exakt detektion av rörväggstemperaturen avgörande för systemets tillförlitlighet. För att säkerställa att värmeöverföringsytan fungerar inom tillåtna gränser, är det viktigt att använda avancerade mätinstrument som IR-kameror eller dedikerade värmeflödesmonitorer. Dessa instrument kan vara känsliga för omgivningsförhållanden, särskilt i ökenklimat där de flesta soltermiska kraftanläggningarna är belägna. Att mäta värmeflöden och temperaturer i sådana miljöer kan vara utmanande på grund av faktorer som avståndet mellan kameran och mottagaren, luftens klarhet och kamerans vinkel.

Ett problem som uppstår i alla typer av solmottagare, inte bara CSP (Concentrated Solar Power)-anläggningar, är det termiska delta som utvecklas längs rören i panelerna. Detta fenomen inträffar eftersom den främre delen av röret utsätts för hög temperatur och värmeflöde, medan den bakre delen är i skugga. Detta temperaturskillnad leder till termiska spänningar och kan orsaka en trötthetsmekanism som måste beaktas vid designfasen. Likaså gäller att eventuella felaktigheter i flödesfördelningen i både solmottagare och värmeväxlare för DSSR (Direct Solar Steam Receiver) måste analyseras noggrant för att säkerställa att inga obalanser uppstår under drift.

För att optimera driften av ånggeneratorer som drivs med solenergi är det nödvändigt att använda material som är motståndskraftiga mot oxidation vid höga temperaturer, som Super 304H eller Inconel 617, för de avgående panelerna i supervärmaren. En ytterligare utmaning är det korrosiva hotet från klorider i det smälta saltet, vilket kräver att saltet har ett minimalt kloridinnehåll för att undvika korrosion och förlänga livslängden på systemet.

Rörsystemets design är också av stor vikt. Ett komplicerat, asymmetriskt rörnätverk mellan ångdrumen och avdampare kan skapa problem med tryckfallet, vilket kan leda till instabilt flöde och pulserande flöden. För att undvika detta bör det vara ett mål att designa ett symmetriskt rörsystem där alla underkretsar har liknande tryckfall för att säkerställa att flödet genom systemet är jämnt och stabilt.

Driftsystemet för en soltermisk ånggenerator styrs av tre parametrar: ångflöde, tryck och temperatur. Ångflödet är den mest responsiva och viktiga parametern, där förändringar i matvattnets flöde omedelbart påverkar systemet. För att kontrollera ångflödet används en centrifugalpump med variabel frekvensdrift, vilket gör det möjligt att anpassa flödet inom det önskade tryckintervallet. När det finns flera ånggeneratorer, reglerar en kontrollventil flödet till varje enskild enhet, och vid nödsituationer kan systemet kopplas bort genom att stänga denna ventil.

Vid uppvärmning är ångtrycket stabilt, och ångflödet kontrolleras noggrant för att säkerställa att det når det önskade trycket innan huvuddampventilen öppnas för att trycksätta huvudångledningen.

Hur HRSG (Heat Recovery Steam Generator) Effektivitet Påverkar Design och Prestanda i Kombinerade Cykelkraftverk

I avancerade design av värmeåtervinningsdampgeneratorer (HRSG) ses tre "pinches" i diagrammet för värmefrigöring, som motsvarar de tre förångarna av ånga. Typiska värden för "pinch delta" för sådana system är 12–15°F (6,7–8,3°C), medan för "approach subcool" är det vanligt att värdet ligger mellan 5–10°F (2,8–5,6°C). Teknisk sett kan en ekonomizer (värmeväxlare för förvärmning av återcirkulerande vatten) designas för en 0°F approach subcool, men nackdelen med detta är risken för kokning i ekonomizer-tuberna eller "ångbildning". För en enkelpass-system (once-through) är approach subcool definitionellt 0°F.

Supervärmeväxlare specificeras efter deras "approach" delta, vilket innebär temperaturskillnaden mellan avgasgassen vid supervärmeväxlarens ingång och ångans temperatur vid utgången. För de främre supervärmeväxlarna (HP och omvärmningsdamp) är det typiska minimivärdet 30°F (16,7°C), medan de interna (IP och LP) supervärmeväxlarna har ett lägre värde på 20°F (11,1°C). Design med mindre temperaturskillnader (pinch, approach osv.) leder till högre ångproduktionen med högre temperaturer, men detta sker på bekostnad av värmeöverföringsytan, vilket innebär större storlek och högre kostnader. Det finns en fin balans mellan HRSG-storleken och gastrycksfallet, vilket i sin tur har en negativ inverkan på gasturbinen genom ökat baktryck.

För moderna design med stora gasturbiner är gastrycksförlusterna normalt mellan 12 och 15 tum H2O (ungefär 30 till 37 mbar). För att uppnå maximal prestanda till lägsta möjliga kostnad, är värmeväxlingssektioner, som består av vertikala rörbanker med gasflöde tvärsöver, ofta konfigurerade på ett sätt där finrör används för att minska antalet rör per rad och/eller antal rader per värmeväxlare. I vissa fall kan sektionerna även konfigureras parallellt snarare än i serie. Slutligen bestäms den faktiska designen av HRSG-tillverkaren för att leverera specificerade ångflöden vid angivna tryck och temperaturer, samtidigt som gasvägstryckfallet hålls så lågt som möjligt.

För att få en uppfattning om HRSG:ns effektivitet kan man använda lineära korrelationer för två- eller tretryckssystem med återvärme. Exempel på sådana formler är HREFF = 73.728 + 0.0142 * TEXH för tretrycksreheat-system, eller HREFF = 58.585 + 0.0240 * TEXH för tvåtrycksreheat-system. Dessa korrelationer baseras på detaljerade värme- och massbalansberäkningar med vissa antaganden som en kondenseringstryck på 1,2 in. Hg (ca 41 mbar) och att gasens entalpier beräknas med en referens på 59°F (15°C) som nollpunkt.

En annan viktig parameter är ångcykelns huvudtryck och temperatur, som är beroende av gasturbinens avgastemperatur. För äldre gasturbiner från E-klassen, som tillverkades under 1980- och 1990-talen, var ångans temperaturgräns 1 000°F (538°C). För F-klassen var den något högre, 1 050°F (565°C). Moderna avancerade gasturbiner i H- och J-klasserna, som når avgastemperaturer över 1 100°F och använder nya material, kan hantera ångtemperaturer upp till 1 112°F (600°C).

Med ökande gasturbiner som är kapabla att leverera högre avgastemperaturer, ökar även ångtrycket för huvudångan (HP), vilket innebär en kontinuerlig utveckling mot superkritiska tryck för HP-ångan. Detta har lett till möjligheten att uppnå superkritiska ångtryck, särskilt i stora, avancerade gasturbiner som hanterar höga gasflöden (>2 000 lb/s, ca 900 kg/s) och avgastemperaturer över 1 200°F (~650°C).

För att öka effektiviteten ytterligare installeras ofta hjälpsystem, som till exempel "duktbrännare", vid HRSG:ns ingång. Dessa brännare höjer avgastemperaturen och därigenom ökar ångproduktionen, vilket resulterar i en ökad produktion av el genom ångturbinen. Denna teknik, kallad "tilläggsförbränning" eller "supplementary firing", är vanlig i USA och kan ses som en effektiv lösning för att öka produktionen under varma dagar när gasturbiner förlorar effekt på grund av minskat luftflöde.

Ytterligare en aspekt som är viktigt att beakta är miljöpåverkan och de strikta regleringarna för kväveoxidutsläpp (NOx). För att uppnå de tillåtna nivåerna av NOx-utsläpp, som kan vara så låga som 2 ppmvd, installeras ofta selektiv katalytisk reduktion (SCR) i HRSG. Denna teknik innebär att avgaserna renas från NOx genom katalysatorer, vilket minskar utsläppen effektivt.

Slutligen är avgasrening och vattenbehandling, såsom avgasde-aeration, också avgörande för att säkerställa en hållbar drift av HRSG. I moderna kombinerade cykler sker avgasde-aeration i kondensatorn, och i vissa system finns även integrerade de-aeratorer i lågtrycksförångaren, vilket effektiviserar borttagning av löst syre och koldioxid.

Vilket bränsle är mest kostnadseffektivt för gas- och ångturbiner?

I analysen ovan har vi jämfört olika bränsletyper för gasturbiner, specifikt ammoniak (NH3), väte (H2) och metan (CH4), för att förstå deras inverkan på turbinens prestanda. En viktig aspekt som inte beaktas i denna analys är ökningen av vatteninnehållet i avgaserna och dess inverkan på komponenternas livslängd i den heta gasvägen. Eftersom den specifika värmekapaciteten hos avgaserna och värmeflödet till komponenterna ökar vid högre vattenhalt, kan detta potentiellt minska livslängden på turbinens komponenter.

Vid en blandning av ammoniak och metan (50:50) ökar vattenhalten i avgaserna med 1,7 % (volymbasis) jämfört med enbart metan (CH4). Detta kan verka oroväckande, men det finns en förmildrande faktor i form av den lägre turbininloppstemperaturen (TIT) som redan är 76°C lägre. En lägre TIT innebär att högre värmeöverföring kan kompenseras för, vilket potentiellt balanserar den ökade värmeflödet.

Det är dock viktigt att förstå att den exakta bestämningen av TIT och gasturbinens prestanda beror på designen av förbrännaren, vilket kan variera beroende på originalutrustningstillverkaren (OEM). Därför kan den verkliga TIT vara lägre än den uppskattade temperaturen i detta fall.

När man jämför bränslena, som väte och ammoniak, för att driva gasturbiner är det fortfarande svårt att välja det ena bränslet som definitivt överlägset. Om dock avståndet mellan produktionen av bränslet (t.ex. väte eller ammoniak från elektrolys) och användningspunkten är stort, är det troligt att direkt förbränning av ammoniak i en DLN-förbrännare är det mer kostnadseffektiva alternativet. För Japans del, som en del av landets grundläggande väte-strategi, har man redan påbörjat leveranser av väte omvandlat från kolgaskifiering från Latrobe Valley i Australien.

I detta sammanhang är det värt att notera att Japan under de senaste åren har investerat kraftigt i utvecklingen av system för att kracka ammoniak till väte och kväve genom användning av spillvärme, vilket sedan används för att driva gasturbiner. Mitsubishi Power har även annonserat utvecklingen av en 40 MW gasturbin som helt kan köras på ammoniak, och som bygger på de tekniska framsteg som gjorts för att hantera den komplicerade förbränningsprocessen av ammoniak vid stor skala.

Därmed finns det fortfarande tekniska och ekonomiska överväganden som måste beaktas vid valet mellan ammoniak och väte som gasturbinsbränsle, men det är klart att ammoniak, vid stora transportavstånd, kan vara ett mer praktiskt och kostnadseffektivt alternativ än väte i vissa fall.

När det gäller bränsleceller, som är en annan potentiell lösning för väteproduktion och elektrisk kraftgenerering, är de särskilt intressanta för decentraliserad elproduktion. En bränslecell omvandlar den kemiska energin från ett bränsle direkt till elektrisk energi utan att genomgå de mellanliggande processerna för värmeproduktion och konvertering till mekaniskt arbete, vilket innebär att bränsleceller inte är begränsade av Carnot-gränsen. Detta gör bränsleceller till en potentiellt mycket effektiv teknik när väte är tillgängligt, men endast om väteproduktionen är grön (dvs. utan föroreningar eller växthusgasutsläpp från produktionen).

Ett viktigt perspektiv är också användningen av bränsleceller i hybridsystem med gasturbiner. Här fungerar bränslecellen som en förbränningsenhet för en gasturbin, vilket resulterar i en kombinerad cykel med högre effektivitet. Dessa system, som bygger på högtemperaturbränsleceller som fast oxidbränsleceller (SOFC) och smält karbonatbränsleceller (MCFC), har visat sig vara effektiva för att utnyttja väte eller metan som bränsle. Dessa hybridsystem är särskilt intressanta för kraftverk som använder både gasturbiner och bränsleceller för att maximera den elektriska effektiviteten och minimera de totala utsläppen.

Bränsleceller erbjuder potential för att producera elektricitet med hög effektivitet och inga utsläpp vid användning av grönt väte, men den fulla potentialen beror starkt på den teknik som används för väteproduktionen och på den totala systemdesignen. För att bränsleceller ska vara konkurrenskraftiga och användbara på stora skalor krävs fortsatta tekniska framsteg inom både väteproduktion och integration av dessa system i större kraftgenereringsenheter.

Jak správně vytvářet a spojovat granny squares
Co všechno je důležité vědět o konfliktu a osobních hranicích v těžkých situacích?
Jak vědci a experimentátoři formovali náš pohled na přírodu a vědu