Охлаждение воздуха на входе в турбину

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

Охлаждение воздуха на входе в турбину - это группа технологий и приемов, состоящая в охлаждении воздуха на входе в газовую турбину . 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 пикового спроса. ^[2]

Принципы [ править ]

Влияние охлаждения приточного воздуха на выходную мощность

Газовые турбины забирают отфильтрованный свежий окружающий воздух и сжимают 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 с постоянным объемом, объем воздуха, вводимого в камеру сгорания после стадии сжатия, является фиксированным для данной скорости вала (об / мин). Таким образом, массовый расход воздуха напрямую зависит от плотности воздуха и введенного объема.

{\ 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. ${\ displaystyle m}$ ${\ displaystyle \ rho}$ ${\ displaystyle {V}}$ ${\ displaystyle {V}}$ ${\ displaystyle \ rho}$

{\ 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 ( тепловая мощность ) и выработанная мощность сильно зависят от климатических условий, что может снизить номинальную выходную мощность до 40%. ^[4] Для работы турбины в условиях ISO ^[5] и восстановления производительности было продвинуто несколько систем охлаждения входящего воздуха.

Прикладные технологии [ править ]

В фильтровальной камере установлен теплообменник 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 [ править ]

Запотевание приточным воздухом состоит из распыления мелкодисперсной воды (тумана) во впускной 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 испарялась в воздушном потоке. Системы тумана обычно производят разбрызгивание воды, при этом около 90% потока воды находится в виде капель 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 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 с учетом того факта, что системы туманообразования создают лишь незначительный перепад давления на впускной воздушный поток по сравнению с испарительными охладителями срединного типа. ^[9]^[10]

Коллекторы сопел тумана обычно расположены во впускном воздуховоде сразу после воздушных 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 множество успешных установок для впуска воздуха во влажный климат, например, в Таиланде, Малайзии и странах Персидского залива. ^[12]

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

Влажное сжатие [ править ]

Системы тумана могут использоваться для выработки большей мощности, чем может быть получено 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 мокрого сжатия. Системы также доступны от сторонних производителей.

Испарительное охлаждение [ править ]

Испарительный охладитель представляет собой смачиваемые жесткие средства массовой информации , где вода распределяются по всему заголовку и где воздух проходит через влажную пористую поверхность. Часть воды испаряется, поглощая физическое тепло воздуха и увеличивая его относительную влажность. Температура воздуха по сухому термометру снижается, но температура по влажному термометру не изменяется. ^[15] Как и в системе 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 [ править ]

Модификация фильтровальной камеры охлаждения входящего воздуха турбины для размещения охлаждающего змеевика, поступающего от аммиачной компрессорной чиллера.

В чиллерах с механическим компрессионным охлаждением охлаждающая жидкость 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 охлаждаться ниже температуры влажного термометра, независимо от погодных условий. ^[16] Компрессионное холодильное оборудование 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 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]

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

Паро-абсорбционный чиллер [ править ]

В технологии пароабсорбционных чиллеров для охлаждения используется тепловая энергия вместо механической. 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 этом чиллере обычно используется отработанное тепло, что снижает эксплуатационные расходы.^[19]

Сочетание с накопителем тепловой энергии [ править ]

Аккумулировани тепловой энергии бак естественно расслаивается тепловой аккумулятор , что позволяет хранить охлажденную воду , полученную во время непикового времени, чтобы использовать эту энергию позже в течение по пику времени для охлаждения на вход в турбине воздуха и увеличивают его выходную мощность. Резервуар 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, что 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 приводит к задержкам в периоды низкого спроса.

Преимущества [ править ]

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, чтобы на производительность и выходную мощность турбины могли в меньшей степени влиять условия окружающей среды.

Еще одним преимуществом является более низкая стоимость на дополнительный киловатт охлаждения на входе по сравнению с недавно установленной мощностью киловатта газовой турбины ^{[ необходима цитата ]} . Более 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 комбинированном цикле , 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]

См. Также [ править ]

Психрометрия
Кривая продолжительности нагрузки
Накопитель тепловой энергии
Парокомпрессионное охлаждение
Ответ на спрос
Парогенератор-утилизатор
Абсорбционное охлаждение
Впрыск воды (двигатель)

Ссылки [ править ]

^ "АССОЦИАЦИЯ ОХЛАЖДЕНИЯ ТУРБИНОВЫХ ВХОДОВ" .
↑ Али Аль-Алави и Саид Ислам. «ОЦЕНКА СПРОСА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ ДЛЯ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ ДИСТАНЦИОННЫХ ЗОН, ВКЛЮЧАЯ МОДЕЛИ ОПРЕСНЕНИЯ ВОДЫ И УПРАВЛЕНИЯ СПРОСОМ» (PDF) . Центр возобновляемой энергии и устойчивых технологий Австралии.
^ Уравнения - плотность воздуха и плотность на высоте
^ GE. «Охлаждение воздуха на входе» (PDF) .
^ Джон Zactruba; Ламар Стоунсифер. «Что такое рейтинг ISO газовых турбин» .
^ С. Meher-Homji, Т. Mee, 2000. «газотурбинная электростанция усиливающий по запотеванию воздухозаборника.» Материалы 28-го симпозиума по турбомашинному оборудованию (2000 г.), Texas A & M. Turbolab
^ С. Савич, Б. Хеммингер, Т. Ми «Применение с высоким уровнем запотевания для газовых турбин Alstom», Труды PowerGen, ноябрь 2013 г. Сильное запотевание
^ «Параметры охлаждения на входе» Turbomachinery International, май 2010 г. Параметры охлаждения на входе
^ «Туман или не туман: каков ответ?» Журнал комбинированного цикла, третий квартал 2008 г. Журнал комбинированного цикла
^ С. Савич, М. Стивенс, 2014. «Технологии охлаждения воздухозаборника газовой турбины для увеличения мощности в регионах Персидского залива / Ближнего Востока» Пенвелл
^ М. Чакер, Т. Ми. «Конструктивные особенности систем запотевания и влажного сжатия как функции конфигурации впускных каналов газовой турбины». Материалы выставки ASME Turbo Expo. Июнь 2015 г.
^ Т. Ми. «Запотевание воздуха на входе в газовую турбину для влажных сред». Сингапурский инженер, май 2015 г., стр. 30. Сингапурский инженер
^ Т. Ми, 1999. «Снижение выбросов NOx в газовых турбинах путем запотевания входящего воздуха» 18-я Ежегодная конференция по энергетическим системам, Иран. Иранданеш
^ С. Савич, Б. Хеммингер, Т. Ми, Приложение для сильного запотевания газовых турбин Alstom Труды PowerGen, ноябрь 2013 г.
^ Р. Джонсон, старший, PE (5-9 июня 1988). Теория и работа испарительных охладителей промышленных газотурбинных установок . Амстердам: Конгресс и выставка газовых турбин и авиационных двигателей.CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
Перейти ↑ Kamal NA, Zuhair AM (2006). Повышение мощности газовой турбины за счет охлаждения приточного воздуха . Судан Eng. Soc. J., 52 (4-6): 7-14.
^ Грин, Стивен (май 2015 г.). «Достижение оптимальной экономической выгоды от охлаждения приточного воздуха» (PDF) . Энергетика : 42–47.
^ Ян Spanswick (сентябрь 2003). «Компрессор с паровым приводом» (PDF) . Журнал ASHRAE.
^ Министерство энергетики США (январь 2012 г.). «Низкосортный отработанный пар для энергопотребления абсорбционных чиллеров» (PDF) .
^ «Танк TES: Как это работает» .
^ Powergenu. «Охлаждение на входе турбины: энергетическое решение, более благоприятное для окружающей среды, плательщиков взносов и владельцев предприятий» (PDF) .
Перейти ↑ William E. Stewart, Jr., PE (сентябрь 2008 г.). "Охлаждение воздуха на входе в турбину" (PDF) . ЖУРНАЛ ASHRAE. CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )

Внешние ссылки [ править ]

Ассоциация охлаждения турбин Inel
Основы теплового режима
Методы пиковой нагрузки
ASHRAE Американское общество инженеров по отоплению, холодильной технике и кондиционированию воздуха
Международное энергетическое агентство

[1] "АССОЦИАЦИЯ ОХЛАЖДЕНИЯ ТУРБИНОВЫХ ВХОДОВ" .

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

[wahiduddin-3] Уравнения - плотность воздуха и плотность на высоте

[4] GE. «Охлаждение воздуха на входе» (PDF) .

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

[6] С. Meher-Homji, Т. Mee, 2000. «газотурбинная электростанция усиливающий по запотеванию воздухозаборника.» Материалы 28-го симпозиума по турбомашинному оборудованию (2000 г.), Texas A & M. Turbolab

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

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

[9] «Туман или не туман: 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» Пенвелл

[11] М. Чакер, Т. Ми. «Конструктивные особенности систем запотевания и влажного сжатия как функции конфигурации впускных 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 Труды PowerGen, ноябрь 2013 г.

[15] Р. Джонсон, старший, PE (5-9 июня 1988). Теория и работа испарительных охладителей промышленных газотурбинных установок . Амстердам: Конгресс и выставка газовых турбин и авиационных двигателей.CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )

[16] Перейти ↑ Kamal NA, Zuhair AM (2006). Повышение мощности газовой турбины за счет охлаждения приточного 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 Spanswick (сентябрь 2003). «Компрессор с паровым приводом» (PDF) . Журнал ASHRAE.

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

[20] «Танк TES: Как это работает» .

[Powergenu-21] Powergenu. «Охлаждение на входе турбины: энергетическое решение, более благоприятное для окружающей среды, плательщиков взносов и владельцев предприятий» (PDF) .

[stewart-22] Перейти ↑ William E. Stewart, Jr., PE (сентябрь 2008 г.). "Охлаждение воздуха на входе в турбину" (PDF) . ЖУРНАЛ ASHRAE. CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )

[1]