Охлаждение воздуха на входе в турбину - Turbine inlet air cooling

Система охлаждения приточного воздуха установлена в засушливой пустыне для увеличения выходной мощности турбины.

Охлаждение воздуха на входе в турбину представляет собой группу технологий и приемов, состоящих из охлаждения всасываемого воздуха газовая турбина. Прямым следствием охлаждения воздуха на входе в турбину является увеличение выходной мощности. Это также может улучшить энергоэффективность системы.^[1] Эта технология широко используется в жарком климате с высокими температурами окружающей среды, которые обычно совпадают с периодом пиковой нагрузки.^[2]

Принципы

Влияние охлаждения приточного воздуха на выходную мощность

Газовые турбины забрать отфильтрованный свежий окружающий воздух и сжать его на ступени компрессора. Сжатый воздух смешивается с топливом в камере сгорания и воспламеняется. Это создает высокотемпературный поток выхлопных газов под высоким давлением, который поступает в турбину и производит рабочую мощность вала, которая обычно используется для вращения электрического генератора, а также для питания ступени компрессора.

Поскольку газовая турбина представляет собой машину постоянного объема, воздух объем вводимый в камеру сгорания после ступени сжатия фиксируется для заданной скорости вала (об / мин). Таким образом, массовый расход воздуха напрямую связан с плотность воздуха, и введенный объем.

{ displaystyle {m} = { rho} {V}}

,

куда ${ displaystyle m}$ это масса, ${ displaystyle rho}$ это плотность и ${ displaystyle {V}}$ объем газа. Поскольку объем ${ displaystyle {V}}$ фиксируется, только плотность ${ displaystyle rho}$ воздуха можно модифицировать для изменения массы воздуха. Плотность воздуха зависит от относительная влажность, высота, падение давления и температура.

{ displaystyle rho _ {, mathrm {влажный ~ воздух}} = { frac {p_ {d}} {R_ {d} T}} + { frac {p_ {v}} {R_ {v} T}} = { frac {p_ {d} M_ {d} + p_ {v} M_ {v}} {RT}} ,}

^[3]

куда:

{ Displaystyle rho _ {, mathrm {влажный ~ воздух}} =}

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 (K)

{ 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 КПД (скорость нагрева ), а вырабатываемая выходная мощность сильно зависит от климатических условий, что может снизить номинальную выходную мощность до 40%.^[4]Для работы турбины при Условия ISO^[5] и восстановления производительности, было продвинуто несколько систем охлаждения приточного воздуха.

Прикладные технологии

Фильтровальная камера модифицирована для размещения теплообменника после стадии фильтрации.

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

Туман

Запотевание входящего воздуха состоит из распыления мелкодисперсной воды (тумана) во входящий воздушный поток газотурбинного двигателя. Капли воды быстро испаряются, что охлаждает воздух и увеличивает выходную мощность турбины.

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

Впускной туман 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 систем впуска тумана.^[7] Впускные системы тумана «просты, легки в установке и эксплуатации» и менее дороги, чем другие системы увеличения мощности, такие как испарительные охладители и охладители.^[8]

Впускной туман 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 на впускном воздушном потоке по сравнению с испарительными охладителями срединного типа.^[9]^[10]

Коллекторы сопел тумана обычно расположены во впускном воздуховоде сразу после фильтров окончательной очистки, но могут быть желательны другие места в зависимости от конструкции впускного воздуховода и предполагаемого использования системы тумана.^[11]

В жаркий полдень в климате пустыни можно охладиться на целых 40 ° F (22,2 ° C), в то время как во влажном климате потенциал охлаждения в жаркий полдень может составлять всего 10 ° F (5,6 ° C) или меньше. . Тем не менее, существует много успешных установок для впуска воздуха во влажный климат, например, в Таиланде, Малайзии и странах Персидского залива.^[12]

Впускной туман снижает выбросы Оксиды азота (NOx), потому что дополнительный водяной пар тушит горячие точки в камерах сгорания газовой турбины.^[13]

Влажное сжатие

Системы тумана могут использоваться для выработки большей мощности, чем можно получить только с помощью испарительного охлаждения. Это достигается за счет распыления большего количества тумана, чем требуется для полного насыщения входящего воздуха. Избыточные капли тумана попадают в компрессор газовой турбины, где они испаряются и создают эффект промежуточного охлаждения, что приводит к дальнейшему увеличению мощности. Этот метод был впервые применен на экспериментальной газовой турбине в Норвегии в 1903 году. Сегодня существует много успешных систем.^[14]

Некоторые производители газовых турбин предлагают системы как туманообразования, так и влажного сжатия. Системы также доступны от сторонних производителей.

Охлаждение испарением

В испарительный охладитель представляет собой смоченную жесткую среду, в которой вода распределяется по коллектору, а воздух проходит через влажную пористую поверхность. Часть воды испаряется, поглощая физическое тепло воздуха и повышая его относительную влажность. Температура воздуха по сухому термометру снижается, но не изменяется.^[15] Как и в случае системы туманообразования, теоретическим пределом является температура по влажному термометру, но производительность испарительного охладителя обычно составляет около 80%. Расход воды меньше, чем при охлаждении туманом.

Парокомпрессионный чиллер

Модификация фильтровальной камеры охлаждения входящего воздуха турбины для размещения охлаждающего змеевика от аммиачно-компрессионного чиллера

В чиллерах с механическим компрессионным охлаждением хладагент циркулирует через охлаждающий змеевик-теплообменник, который вставляется в корпус фильтра после ступени фильтрации. После змеевика установлен каплеуловитель для сбора влаги и капель воды. Механический чиллер может увеличить мощность и производительность турбины лучше, чем технологии смачивания, благодаря тому, что входящий воздух может быть охлажден ниже температуры влажного термометра, независимо от погодных условий.^[16] Оборудование компрессорного чиллера потребляет больше электроэнергии, чем испарительные системы. Первоначальные капитальные затраты также выше, однако увеличение мощности турбины и ее эффективность максимизируются, а дополнительные затраты амортизируются из-за увеличения выходной мощности.

Большинство таких систем включает более одного чиллера, и конфигурация чиллеров может иметь большое влияние на паразитное энергопотребление системы. Конфигурация последовательного противотока может уменьшить работу компрессора, необходимую для каждого чиллера, улучшая общую систему чиллера на целых 8%.^[17]

Другие варианты, такие как компрессия с приводом от пара, также используются в промышленности.^[18]

Паро-абсорбционный чиллер

В пароабсорбционные чиллеры В технологии охлаждения вместо механической энергии используется тепловая энергия. Источником тепла обычно является пар, оставшийся от комбинированного цикла, который пропускается для работы системы охлаждения. По сравнению с механическими чиллерами абсорбционные чиллеры имеют низкий коэффициент полезного действия, однако следует учитывать, что в этих чиллерах обычно используется отработанное тепло, что снижает эксплуатационные расходы.^[19]

Сочетание с накопителем тепловой энергии

А накопитель тепловой энергии Бак представляет собой естественно стратифицированный тепловой аккумулятор, который позволяет накапливать охлажденную воду, произведенную во время непиковой нагрузки, использовать эту энергию позже во время пиковой нагрузки для охлаждения воздуха на входе в турбину и увеличения ее выходной мощности. Бак для хранения тепловой энергии снижает эксплуатационные расходы и мощность хладагента.^[20] Одним из преимуществ является производство охлажденной воды при низком спросе с использованием избытка выработки электроэнергии, которая обычно совпадает с ночью, когда температура окружающей среды низкая и чиллеры имеют лучшую производительность. Другим преимуществом является снижение производительности холодильной установки и эксплуатационных расходов по сравнению с системой охлаждения в реальном времени, которая вызывает задержки в периоды низкого спроса.

Преимущества

В регионах, где существует потребность в охлаждении, ежедневные летние пиковые периоды совпадают с самыми высокими температурами атмосферы, что может снизить эффективность и мощность газовых турбин. Благодаря технологиям паромеханического сжатия в эти периоды можно использовать охлаждение, так что на производительность и выходную мощность турбины могут меньше влиять условия окружающей среды.

Еще одним преимуществом является более низкая стоимость дополнительного киловатта охлаждения на входе по сравнению с мощностью недавно установленной газовой турбины.^{[нужна цитата ]}. Кроме того, дополнительный киловатт для охлаждения на входе потребляет меньше топлива, чем киловатт новой турбины, из-за более низкой тепловой мощности (более высокого КПД) охлажденной турбины. Другие преимущества могут включать увеличение массового расхода пара в комбинированный цикл, снижение выбросов турбины (SOx, NOx, CO2),^[21] и увеличение отношения мощности к установленному объему.

Расчет преимуществ воздушного охлаждения турбины требует исследования для определения сроков окупаемости с учетом нескольких аспектов, таких как условия окружающей среды, стоимость воды, значения почасовой потребности в электроэнергии, стоимость топлива.^[22]

Смотрите также

внешняя ссылка

[1] "АССОЦИАЦИЯ ОХЛАЖДЕНИЯ ТУРБИНАВХОДА".

[2] Али Аль-Алави и Саид Ислам. «ОЦЕНКА СПРОСА В ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ ДЛЯ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ДИСТАНЦИОННЫХ ЗОН, ВКЛЮЧАЯ МОДЕЛИ ОПРЕСНЕНИЯ ВОДЫ И УПРАВЛЕНИЯ СПРОСОМ» (PDF). Центр возобновляемой энергии и устойчивых технологий Австралии.

[wahiduddin-3] Уравнения - Плотность воздуха и Плотность Высота

[4] GE. «Охлаждение на входе» (PDF).

[5] Джон Зактруба; Ламар Стоунсифер. «Что такое рейтинг ISO газовых турбин».

[6] К. Мехер-Хомджи, Т. Ми, 2000. «Увеличение мощности газовой турбины за счет запотевания входящего воздуха». Материалы 28-го симпозиума по турбомашинному оборудованию (2000 г.), Texas A & M. Турболаб

[7] С. Савич, Б. Хеммингер, Т. Ми «Приложение для сильного запотевания газовых турбин Alstom», Труды PowerGen, ноябрь 2013 г. Сильное запотевание

[8] «Варианты охлаждения на входе» Turbomachinery International, май 2010 г. Варианты охлаждения на входе

[9] «Запотевать или не затуманивать: каков ответ?» Журнал комбинированного цикла, третий квартал 2008 г. Журнал комбинированного цикла

[10] С. Савич, М. Стивенс, 2014. «Технологии охлаждения воздухозаборника газовой турбины для увеличения мощности в регионах Персидского залива / Ближнего Востока»Penwell

[11] М. Чакер, Т. Ми. «Конструктивные особенности систем запотевания и влажного сжатия как [а] функции конфигураций входных каналов газовой турбины». Материалы выставки ASME Turbo Expo. Июнь 2015 г.

[12] Т. Ми. «Запотевание воздуха на входе в газовую турбину для влажных сред». Сингапурский инженер, май 2015 г., стр. 30. Сингапурский инженер

[13] Т. Ми, 1999. «Снижение выбросов NOx в газовых турбинах путем запотевания входящего воздуха» 18-я ежегодная конференция по энергетическим системам, Иран. Иранданеш

[14] С. Савич, Б. Хеммингер, Т. Ми, Приложение для сильного запотевания газовых турбин Alstom Proceedings of PowerGen, ноябрь 2013 г. Сильное запотевание

[15] Р. С. ДЖОНСОН, старший, П. Э. (5–9 июня 1988 г.). Теория и работа испарительных охладителей для промышленных газотурбинных установок. Амстердам: Конгресс и выставка газовых турбин и авиационных двигателей.CS1 maint: несколько имен: список авторов (связь)

[16] Камаль Н.А., Зухаир А.М. (2006). Повышение мощности газовой турбины за счет охлаждения входящего воздуха. Судан Eng. Soc. J., 52 (4-6): 7-14.

[JCIPEI-17] Грин, Стивен (май 2015 г.). «Достижение оптимальной экономической выгоды от охлаждения приточного воздуха» (PDF). Энергетика: 42–47.

[18] Ян Спэнсвик (сентябрь 2003 г.). «Паровой компрессор» (PDF). Журнал ASHRAE.

[19] Министерство энергетики США (январь 2012 г.). «Низкопотенциальный отработанный пар для абсорбционных чиллеров» (PDF).

[20] «Танк ТЕС: как это работает».

[Powergenu-21] Powergenu. «Охлаждение на входе турбины: энергетическое решение, которое лучше для окружающей среды, налогоплательщиков и владельцев заводов» (PDF).

[stewart-22] Уильям Э. Стюарт мл., P.E. (Сентябрь 2008 г.). «Охлаждение воздуха на входе в турбину» (PDF). ЖУРНАЛ АШРАЕ.CS1 maint: несколько имен: список авторов (связь)

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]

[18]

[19]

[20]

[21]

[22]