Esipuhe:
Tulevaisuudessa uusiutuva energia on pääsähköntuottaja, mutta uusiutuvan energian satunnaisuus, katkonaisuus ja volatiliteetti itse testaavat sähköverkon ja sähkönsyöttöjärjestelmän turvallisuutta ja vakautta. Kaasuturbiinin etuna on pieni maankäyttö, hyvä luotettavuus, korkea hyötysuhde, nopea käynnistys ja pysäytys jne., ja sillä on tärkeä rooli sähköverkon siirtymävaiheessa.
Tällä hetkellä kaasuturbiinin yhdistetyn syklin toimintatapa voi lisätä hyötysuhdetta noin 20 % verrattuna yksinkertaiseen syklikonfiguraatioon. Ottamalla käyttöön korkeampi palamislämpötila ja parantamalla komponenttien suorituskykyä kaasuturbiinin sähköntuotannon tehokkuutta voidaan parantaa merkittävästi. Maailman kaasuturbiiniteknologian kehityssuuntaan tähtäävä Kiinan lentokaasuturbiini on tehnyt syvällistä tutkimusta parantaakseen edelleen kaasuturbiinin sähköntuotannon tehokkuutta ja koonnut tämän artikkelin herättääkseen hyödyllisempää ajattelua alalla.
Termodynaaminen sykli
Nykyään suurin osa maailman kaasuturbiineista toimii yksinkertaisessa kierrossa, ja vain muutamassa kaasuturbiinissa käytetään kompressoreita välijäähdytykseen, -lämmitykseen (jaksopoltto) tai sisäiseen lämmön talteenottoon regeneraattorin kautta. Yksinkertainen sykli edellyttää korkeampaa tulolämpötilaa ja korkeampaa komponenttien suorituskykyä, ja kunkin kaasuturbiinisukupolven hyötysuhde paranee hieman. Tehokkuuden parantamiseksi tekniikkaa on kuitenkin jatkuvasti kehitettävä. Termodynamiikan ja materiaalitieteen suuren kysynnän vuoksi näiden tehokkuuden parantamisesta on keskusteltava taloudellisesti. Tämän perusteella teollisuudelle on kuulunut ääniä – muita sykliä, kuten kuuma Braytonin sykli, harkitaan tulevissa yhdistetyn syklin kaasuturbiineissa samanlaisen hyötysuhteen saavuttamiseksi saavuttamatta niin korkeaa lämpötilaa. On tarpeen tutkia edelleen mitoitettujen ja suunnittelusta poikkeavien olosuhteiden vaikutusta syklin suorituskykyyn, polttimen toimintaan, jäähdytysvirtauksen hallintaan, turbiinin lämmönhallintaan ja tärkeään joustavuuteen.
Kaasuputken suunnittelu
Tällä hetkellä kaasuturbiinissa olevan kompressorin ja turbiinin kaasupolun suunnittelussa on saavutettu ydinisentrooppisen virtauksen (rengasta poispäin virtaus) jalostustason. Moniobjektiivisen optimoinnin avulla saatuja erittäin kolmiulotteisia teriä käytetään nykyään laajalti, mikä johtaa ennennäkemättömään aerodynaamiseen tehokkuuteen. Sisäisen tehokkuuden lisäparannukset ovat maltillisia, erityisesti kompressorissa.
Jotkin toissijaiset virrat voivat kuitenkin parantaa tehokkuutta entisestään. Turbiinin välyksen ohjaus on yksi niistä. On arvioitu, että on mahdollista saavuttaa 0,25 % yhdistetyn syklin tehokkuuden lisäys aktiivisen etäisyyden ohjausjärjestelmän avulla. Aktiivista välyksen ohjausjärjestelmää voidaan käyttää uusien kaasuturbiinien ja olemassa olevien laitteiden päivittämiseen; Jotkut niistä riippuvat roottorin aksiaalisesta siirtymästä, kun taas toiset toimivat radiaalisesti. Riippumatta siitä, mitä menetelmää käytetään, se kohtaa moottorin ohimenevän lämpötilan jakautumisen haasteen. Kuorman muutokset vaikuttavat näihin haasteisiin, ja ne käynnistyvät tai pysähtyvät useammin. Tulevan järjestelmän tulee pystyä edelleen vähentämään vuotovirtausta kompressorin päässä ja välttämään fyysistä kosketusta pyörivien osien ja kiinteiden osien välillä.
Jäähdytysjärjestelmä
Noin 20 % kompressorin virtauksesta poistetaan kaasureitistä moottorin (korkeapaineisen) kuuman osan jäähdyttämiseksi ja tiivistämiseksi. Suurin osa niistä käytetään ensimmäisen vaiheen turbiinien siipien jäähdyttämiseen. Kaasun kulkureitin juurella turbiinin korkeapaineosassa kuuman kaasun hengittäminen voi myös johtaa mekaaniseen vikaan ja aerodynaamisiin menetyksiin. Kun kaasuturbiinin suuren jännityksen aiheuttamat osat (kuten roottorilevy) ylikuumenevat kaasureitistä imeytyneen kuuman kaasun vaikutuksesta, mekaaninen vika voi laukaista. Vanteen tiiviste yleensä poistaa jäähdytys-/tiivisteilmaa kompressorista yhdessä sisäisen tiivisteen kanssa estääkseen sen virtaamisen onteloon, mutta tämä heikentää myös kaasuturbiinin hyötysuhdetta. Kompressorista poistuva ilma alentaa lämpöhyötysuhdetta, ja mikä tärkeintä, ulostulon ja kaasureitin ydinvirtauksen välinen vuorovaikutus johtaa lisätehohäviöön. Näihin ilmiöihin vaikuttaa myös ohimenevä toiminta, koska se muuttaa kaikkien asiaankuuluvien virtausten paine- ja lämpötilajakaumaa sekä tiivistyselementtien toleranssia.
Siksi toissijaisen kaasupolun parannettu suunnittelu, monitavoite topologian optimointi ja jäähdytysvirtauksen aktiivinen ohjaus ovat aloja, jotka vaativat lisätutkimusta olemassa olevien ja uusien kaasuturbiinien suorituskyvyn parantamiseksi.
Alakierto
Nykyaikainen lämmöntalteenottohöyrystin tuottaa höyryä painetasolla ja yhdistää sen. Tällä hetkellä se voi ottaa talteen mahdollisimman paljon energiaa, kun se on teknisesti mahdollista. Alimman savun lämpötilan rajoittama tämä aiheuttaa kondensoitumista savukaasuvirtaan. Toisen lain (eli eksergiavaurion) näkökulmasta ylikriittinen korkeapainehöyrystin voi vähentää tätä peruuttamattomuutta, mutta siihen liittyviä kustannuksia ei ehkä kompensoida marginaalisuorituskyvyn parantamisella (arvioidaan, että edistyneimmän teknologia on 0,5 prosenttiyksikköä).
Monipaineinen lämmöntalteenottohöyrygeneraattori (HRSG) herättää eniten huomiota kaasuturbiinin alhaisessa pakokaasulämpötilassa. Kun paine laskee yksittäispaineesta monipaineiseksi, suorituskyky kasvaa lämpötilan myötä, ja kun kuuman kaasun lämpötila (HRSG-sisääntulo) on noin 700 astetta, ero kahden asettelun välillä häviää. Kaasuturbiinin pakokaasun lämpötilan noustessa (nyt yli 650 astetta) ja taloudellisten kustannusten vuoksi kombivoimaloista, joiden on toimittava pienemmällä kapasiteettikertoimella, saattaa olla mahdollista ottaa käyttöön alikriittinen yksipaineinen uudelleenlämmitysjakso.
Lisäinformaatio
Seuraavien vuosikymmenten aikana kombivoimalaitosten tehokas sähköntuotanto riippuu osakuormitushyötysuhteesta, ei nimelliskäyttöhyötysuhteesta. Siksi osakuormitussuorituskyvyn ja transienttivasteen parantaminen (siirtyminen suurempaan kuormaan mahdollisimman nopeasti, jotta käyttöaika pienenee alhaisella kuormituksella) on keskeistä toiminnan joustavuuden ja sähköverkon edun kannalta. Sama koskee kaasuturbiinin ympäristön minimikuormituksen vähentämistä, mikä vähentää käynnistysten ja seisokkien määrää ja siihen liittyvää polttoaineenkulutusta, pidentää käyttöikää ja vähentää päästöjä. Kaikki tämä liittyy yhdistettyjen ja yksinkertaisten kaasuturbiinien yleishyötysuhteen parantamiseen.
