Охлаждение воздуха на входе турбины

Охлаждение воздуха на входе турбины представляет собой группу технологий и методов, состоящих из охлаждения воздуха на входе газовой турбины . Прямым следствием охлаждения воздуха на входе турбины является увеличение выходной мощности. Это также может повысить энергоэффективность системы . ^[1] Эта технология широко используется в жарком климате с высокими температурами окружающей среды, что обычно совпадает с периодом пикового спроса. ^[2]

Газовые турбины принимают отфильтрованный, свежий окружающий воздух и сжимают его в компрессорной ступени. Сжатый воздух смешивается с топливом в камере сгорания и воспламеняется. Это создает поток выхлопных газов с высокой температурой и высоким давлением, который поступает в турбину и производит выходную мощность вала, которая обычно используется для вращения электрогенератора, а также для питания компрессорной ступени.

Поскольку газовая турбина является машиной постоянного объема, объем воздуха , вводимого в камеру сгорания после ступени сжатия, фиксирован для заданной скорости вала (об/мин). Таким образом, массовый расход воздуха в напрямую связан с плотностью воздуха и вводимым объемом.

${\displaystyle {m}={\rho }{V}}$,

где - масса, - плотность, - объем газа. Поскольку объем фиксирован, для изменения массы воздуха можно изменять только плотность воздуха. Плотность воздуха зависит от относительной влажности , высоты , перепада давления и температуры.${\displaystyle м}$${\displaystyle \ро}$${\displaystyle {V}}$${\displaystyle {V}}$${\displaystyle \rho }$

${\displaystyle \rho _{\,\mathrm {humid~air} }={\frac {p_{d}}{R_{d}T}}+{\frac {p_{v}}{R_{v}T}}={\frac {p_{d}M_{d}+p_{v}M_{v}}{RT}}\,}$^[3]

где:

${\displaystyle \rho _{\,\mathrm {humid~air} }=}$Плотность влажного воздуха (кг/м³)

${\displaystyle p_{d}=}$Парциальное давление сухого воздуха (Па)

${\displaystyle R_{d}=}$Удельная газовая постоянная для сухого воздуха, 287,058 Дж/(кг·К)

${\displaystyle T=}$Температура (К)

${\displaystyle p_{v}=}$Давление водяного пара (Па)

${\displaystyle R_{v}=}$Удельная газовая постоянная для водяного пара, 461,495 Дж/(кг·К)

${\displaystyle M_{d}=}$Молярная масса сухого воздуха, 0,028964 (кг/моль)

${\displaystyle M_{v}=}$Молярная масса водяного пара, 0,018016 (кг/моль)

${\displaystyle R=}$ Универсальная газовая постоянная , 8,314 Дж/(К·моль)

Производительность газовой турбины, ее эффективность ( тепловая мощность ) и вырабатываемая мощность в значительной степени зависят от климатических условий, которые могут снизить номинальную выходную мощность до 40%. ^[4] Для работы турбины в условиях ISO ^[5] и восстановления производительности было предложено несколько систем охлаждения входящего воздуха.

На рынке доступны различные технологии. Каждая конкретная технология имеет свои преимущества и недостатки в зависимости от различных факторов, таких как условия окружающей среды, инвестиционные затраты и время окупаемости, увеличение выходной мощности и охлаждающая способность.

Туманообразование на входе заключается в распылении мелкодисперсной воды (тумана) во впускной воздушный поток газотурбинного двигателя. Капли воды быстро испаряются, что охлаждает воздух и увеличивает выходную мощность турбины.

Деминерализованная вода обычно нагнетается под давлением до 2000 фунтов на квадратный дюйм (138 бар), а затем впрыскивается во впускной воздуховод через ряд распылительных форсунок из нержавеющей стали. Деминерализованная вода используется для предотвращения загрязнения лопаток компрессора, которое могло бы произойти, если бы вода с минеральным содержанием испарялась в потоке воздуха. Системы распыления обычно производят водяной туман, при этом около 90% потока воды находится в каплях диаметром 20 микрон или меньше. ^[6]

Впускное туманообразование используется в коммерческих целях с конца 1980-х годов и является популярной технологией модернизации. По состоянию на 2015 год по всему миру было установлено более 1000 впускных туманообразующих систем. ^[7] Впускные туманообразующие системы «просты, легки в установке и эксплуатации» и менее дороги, чем другие системы повышения мощности, такие как испарительные охладители и чиллеры. ^[8]

Впускное туманообразование является наименее дорогим вариантом охлаждения впускного воздуха газовой турбины и имеет низкие эксплуатационные расходы, особенно если учесть тот факт, что системы туманообразования вызывают лишь незначительное падение давления впускного воздушного потока по сравнению с испарительными охладителями на основе среды. ^{[9] [10]}

Коллекторы форсунок для тумана обычно располагаются во впускном воздуховоде сразу за конечными воздушными фильтрами, но могут быть желательны и другие места в зависимости от конструкции впускного воздуховода и предполагаемого использования системы тумана. ^[11]

В жаркий полдень в пустынном климате возможно охлаждение на целых 40 °F (22,2 °C), тогда как во влажном климате потенциал охлаждения в жаркий полдень может быть всего 10 °F (5,6 °C) или меньше. Тем не менее, существует много успешных установок с распылением тумана во влажном климате, например, в Таиланде, Малайзии и американских странах Персидского залива. ^[12]

Запотевание на входе снижает выбросы оксидов азота (NOx), поскольку дополнительный водяной пар гасит горячие точки в камерах сгорания газовой турбины. ^[13]

Системы туманообразования могут использоваться для производства большего количества энергии, чем может быть получено только испарительным охлаждением. Это достигается путем распыления большего количества тумана, чем требуется для полного насыщения входящего воздуха. Избыточные капли тумана переносятся в компрессор газовой турбины, где они испаряются и производят эффект промежуточного охлаждения, что приводит к дальнейшему повышению мощности. Впервые эта технология была применена на экспериментальной газовой турбине в Норвегии в 1903 году. Сегодня существует множество успешных систем. ^[14]

Несколько производителей газовых турбин предлагают как туманообразующие, так и мокрые компрессионные системы. Системы также доступны от сторонних производителей.

Испарительный охладитель представляет собой смоченную жесткую среду, где вода распределена по всему коллектору, а воздух проходит через влажную пористую поверхность. Часть воды испаряется, поглощая явное тепло из воздуха и увеличивая его относительную влажность. Температура воздуха по сухому термометру снижается, но температура по влажному термометру не изменяется. ^[15] Подобно системе туманообразования, теоретическим пределом является температура по влажному термометру, но производительность испарительного охладителя обычно составляет около 80%. Расход воды меньше, чем при туманообразовании.

В технологии механического компрессионного охладителя хладагент циркулирует через охлаждающий змеевиковый теплообменник, который вставлен в корпус фильтра, ниже по потоку от стадии фильтрации. Ниже по потоку от змеевика установлен каплеуловитель для сбора влаги и капель воды. Механический охладитель может увеличить выходную мощность турбины и производительность лучше, чем влажные технологии, из-за того, что входящий воздух может быть охлажден ниже температуры влажного термометра, независимо от погодных условий. ^[16] Оборудование компрессионного охладителя потребляет больше электроэнергии, чем испарительные системы. Первоначальные капитальные затраты также выше, однако увеличение мощности турбины и ее эффективность максимизируются, а дополнительные затраты амортизируются за счет увеличения выходной мощности.

Большинство таких систем включают более одного охладителя, и конфигурация охладителей может иметь большое влияние на паразитное энергопотребление системы. Последовательная противоточная конфигурация может снизить работу компрессора, необходимую для каждого охладителя, улучшая общую систему охладителя на целых 8%. ^[17]

В промышленности также используются другие варианты, такие как компрессия с помощью пара. ^[18]

В технологии абсорбционных паровоздушных охладителей тепловая энергия используется для производства охлаждения вместо механической энергии. Источником тепла обычно является остаточный пар, поступающий из комбинированного цикла, и он обходит систему охлаждения. По сравнению с механическими охладителями абсорбционные охладители имеют низкий коэффициент полезного действия , однако следует учитывать, что этот охладитель обычно использует отходящее тепло, что снижает эксплуатационные расходы. ^[19]

Резервуар для хранения тепловой энергии представляет собой естественно стратифицированный тепловой аккумулятор, который позволяет хранить охлажденную воду, произведенную в непиковое время, чтобы использовать эту энергию позже в пиковое время для охлаждения входящего воздуха турбины и увеличения ее выходной мощности. Резервуар для хранения тепловой энергии снижает эксплуатационные расходы и мощность холодильной установки. ^[20] Одним из преимуществ является производство охлажденной воды, когда спрос низкий, используя избыток выработки электроэнергии, что обычно совпадает с ночью, когда температура окружающей среды низкая, а охладители имеют лучшую производительность. Другим преимуществом является снижение мощности холодильной установки и эксплуатационных расходов по сравнению с системой охлаждения в режиме реального времени, которая создает задержки в периоды низкого спроса.

В районах, где есть потребность в охлаждении, ежедневные летние пиковые периоды совпадают с самыми высокими температурами воздуха, что может снизить эффективность и мощность газовых турбин. С технологиями механической компрессии пара охлаждение может использоваться в эти периоды, так что производительность и выходная мощность турбины могут быть меньше затронуты условиями окружающей среды

Другим преимуществом является более низкая стоимость за дополнительный киловатт охлаждения на входе по сравнению с недавно установленным киловаттом газовой турбины ^{[ требуется ссылка ]} . Более того, дополнительный киловатт охлаждения на входе потребляет меньше топлива, чем новый киловатт турбины из-за более низкой тепловой мощности (более высокой эффективности) охлажденной турбины. Другие преимущества могут включать увеличение массового расхода пара в комбинированном цикле , снижение выбросов турбины (SOx, NOx _, CO2 ₎ , ^[21] и увеличение отношения мощности к установленному объему.

Расчет выгод воздушного охлаждения турбины требует исследования для определения сроков окупаемости с учетом ряда аспектов, таких как условия окружающей среды, стоимость воды, почасовые значения потребления электроэнергии, стоимость топлива. ^[22]

• Психрометрия
• Кривая продолжительности нагрузки
• Накопление тепловой энергии
• Парокомпрессионное охлаждение
• Реагирование на спрос
• Парогенератор с рекуперацией тепла
• Абсорбционное охлаждение
• Впрыск воды (двигатель)

• Ассоциация по охлаждению турбин Inel
• Основы расчета тепловой мощности
• Методы пикового спроса
• ASHRAE Американское общество инженеров по отоплению, охлаждению и кондиционированию воздуха
• Международное энергетическое агентство