Plynové turbíny

Plynové turbíny mají různé velikosti od mikroturbín o výkonu < 50 hp (37,3 kW) až po velké průmyslové turbíny o výkonu > 250 000 hp (190 kW). Tato stránka se zaměřuje na plynový turbínový motor, rozdíly mezi jednotlivými typy turbín a položky, které je třeba vzít v úvahu při jejich použití jako hlavního pohonu.

Proces

Jak je znázorněno na obr. 1 a obr. 2, „otevřený“ Braytonův cyklus je termodynamickým cyklem pro všechny plynové turbíny. Tento cyklus se skládá z:

• Adiabatické komprese
• Konstantního tlakového ohřevu
• Adiabatické expanze

Plynová turbína se skládá z následujících součástí:

• Vzduchový kompresor
• Spalovací motor
• Hnací turbína, která vyrábí energii pro pohon vzduchového kompresoru a výstupního hřídele

• 

  Obr. 3. 1-Zjednodušené schéma jednoduché plynové turbíny

• 

  Obr. 2-Typický „otevřený“ Braytonův cyklus pro plynové turbíny.

Vzduch vstupuje na vstup kompresoru za okolních podmínek (bod 1), je stlačován (bod 2) a prochází spalovacím systémem, kde je kombinován s palivem a „vypálen“ na maximální teplotu cyklu (bod 3). Ohřátý vzduch expanduje přes sekci turbíny výrobce plynu (mezi body 3 a 5), kde se energie pracovní kapaliny odebírá k výrobě energie pro pohon kompresoru, a expanduje přes výkonovou turbínu k pohonu zátěže (bod 7). Vzduch je poté odváděn do atmosféry. Ke spuštění vzduchového kompresoru do dostatečných otáček, aby mohl dodávat vzduch pro spalování s palivem vstřikovaným do spalovacího motoru, se používá startovací systém. Spalovací cyklus turbíny s nepřetržitým spalováním v kombinaci s nepřetržitým otáčením rotoru turbíny umožňuje prakticky bezvibrační provoz a také méně pohyblivých částí a míst opotřebení než u jiných primárních motorů.

Uvažování o návrhu a provozu

Maximální teplota cyklu, TRIT

Výstupní výkon plynové turbíny lze zvýšit zvýšením maximální teploty cyklu. Maximální teplota cyklu se označuje TRIT, což je zkratka pro vstupní teplotu rotoru turbíny. API 616 definuje jmenovitou teplotu spalování jako výrobcem vypočtenou teplotu na vstupu do turbíny (TIT) bezprostředně před rotorem prvního stupně turbíny pro trvalý provoz při jmenovitém výkonu. TRIT se vypočítává bezprostředně před rotorem prvního stupně turbíny a zahrnuje vypočtené účinky chladicího vzduchu a pokles teploty přes lopatky statoru prvního stupně.

Průtok vzduchu

Výstupní výkon plynové turbíny lze zvýšit také zvýšením hmotnostního průtoku vzduchu plynovou turbínou. Geometrie plynové turbíny, zejména kompresoru, a otáčky kompresoru určují základní hmotnostní průtok vzduchu. Zvýšení průtoku vyžaduje zvýšení otáček, které je omezeno maximálními otáčkami trvalého chodu konkrétní konstrukce. Při daných otáčkách se zvýšením hustoty vstupního vzduchu zvýší hmotnostní průtok vzduchu. Hustota vzduchu na vstupu se zvyšuje přímo s barometrickým tlakem a nepřímo s teplotou okolí.

Hlavními parametry ovlivňujícími výstupní výkon jsou otáčky a TRIT pro jakoukoli mechanickou/aerodynamickou konstrukci. Zvýšení kteréhokoli z těchto parametrů zvyšuje výstupní výkon plynových turbín. Rychlost a teplota mohou být diktovány požadovaným výstupním výkonem a tepelným výkonem v rámci omezení daných následujícími faktory:

• Životnost komponent
• Náklady
• Technická proveditelnost

Omezení rychlosti

S rostoucí rychlostí plynové turbíny rostou odstředivé síly působící na rotující komponenty. Tyto síly zvyšují namáhání rotujících součástí, zejména následujících:

• Disky
• Lopatky
• Upevnění lopatek k disku

Materiály součástí mají mezní hodnoty namáhání, které jsou přímo úměrné jejich mezním otáčkám a neměly by být překročeny. Maximální trvalé otáčky rotujícího prvku jsou tedy funkcí:

• Geometrie motoru
• Vlastností materiálu součásti
• Bezpečnostních konstrukčních faktorů

Jedná se o nejvyšší přípustné otáčky pro trvalý provoz.

Teplotní omezení

Jedním ze způsobů, jak zvýšit výkon, je zvýšit průtok paliva, a tím i TRIT. Se zvyšováním TRIT pracují součásti horké části při vyšších teplotách kovu, což zkracuje dobu mezi revizemi (TBI) plynové turbíny. Protože životnost materiálů horké části je omezena namáháním při vysoké teplotě, existují omezení maximálních teplot pro danou TBI. Životnost materiálu se při vyšších teplotách rychle snižuje. TBI je funkcí času při TRIT a rychlosti změny TRIT během přechodných jevů, jako je spouštění. Mezní hodnota tečení nebo porušení napětím je stanovena vlastnostmi materiálu jako funkce jejich úrovně napětí a provozní teploty.

Jmenovitý bod

Jmenovitý bod lze stanovit pro určení výkonu plynové turbíny pro určité okolní podmínky, ztráty v kanálech, palivo atd.

Mezinárodní organizace pro normalizaci definuje své standardní podmínky takto:

• 59°F
• 1,013 bar
• 60% relativní vlhkost bez ztrát

Tento bod se stal standardním hodnotícím bodem pro porovnávání turbín různých výrobců a konstrukcí.

Jmenovitý výkon na místě

Jmenovitý výkon na místě je vyjádření základního výkonu plynové turbíny za konkrétních podmínek na místě, včetně:

• Teplota okolí
• Výška
• Tlakové ztráty v potrubí
• Řízení emisí
• Palivo složení
• Odběr pomocného výkonu
• Odtah vzduchu kompresorem
• Úroveň výstupního výkonu

Např, zvýšení okolní teploty snižuje výstupní výkon rychlostí ovlivněnou konstrukcí plynové turbíny.

Teplota vstupního vzduchu

Obr. 3 se vztahuje k teplotě vstupního vzduchu při optimálních otáčkách výkonové turbíny pro příklad plynové turbíny:

• Výstupní výkon
• Průtok paliva
• Teplota výfukových plynů
• Průtok výfukových plynů

• 

  Př. 3Výstupní výkon v závislosti na vstupní teplotě vzduchu do kompresoru.

Zvyšování účinnosti turbíny

Jednoduchý cyklus

Většina mechanické energie odebrané z proudu plynu turbínou je potřebná k pohonu vzduchového kompresoru, zbytek je k dispozici pro pohon mechanické zátěže. Energie proudu plynu neodebraná turbínou se odvádí do atmosféry jako teplo.

Rekuperační cyklus

V rekuperačním cyklu, nazývaném také regenerační cyklus, se výstupní vzduch z kompresoru předehřívá ve výměníku tepla nebo rekuperátoru, jehož zdrojem tepla je výfuk plynové turbíny. Energie předaná ze spalin snižuje množství energie, kterou musí dodat palivo. Na obr. 4 je úspora paliva znázorněna stínovanou plochou pod 2 až 2′. Tři základní konstrukce používané ve stacionárních rekuperátorech jsou:

• Deskové žebro
• Plášť a trubka
• Primární povrch

• 

  Obr. 4-Rekuperační cyklus.

Kombinovaný cyklus

Přidáním parního dolního cyklu k Braytonovu cyklu se využívá teplo ze spalin k výrobě dodatečného výkonu, který lze využít ve společné zátěži, jak je znázorněno na obr. 5, nebo pro samostatnou zátěž. Zastíněná oblast představuje dodatečný příkon energie.

• 

  Obr. 5-Kombinovaný cyklus.

Systém přívodu vzduchu

Filtrace vstupního vzduchu. Kvalita vzduchu vstupujícího do plynové turbíny je velmi důležitým konstrukčním hlediskem. Účinnost turbíny se časem sníží v důsledku usazenin, které se usazují na vnitřní cestě proudění turbíny a na rotujících lopatkách. Toto usazování má za následek zvýšenou údržbu a spotřebu paliva. Výběr a údržba správného systému filtrace vstupního vzduchu pro konkrétní podmínky na pracovišti ovlivní míru poklesu účinnosti v průběhu času.

Tlaková ztráta

Je velmi důležité minimalizovat tlakovou ztrátu vzduchu procházejícího turbínou:

Tlaková ztráta atmosférického vzduchu vstupujícího do turbíny výrazně ovlivňuje výkon plynové turbíny.

Tlumení hluku

Hluk produkovaný plynovou turbínou je především ve vyšších frekvenčních pásmech, které se nepřenášejí tak daleko jako hluk o nižších frekvencích produkovaný pomalejšími primárními motory, jako jsou pístové motory. Většina vysokofrekvenčního hluku produkovaného turbínou vzniká na vstupu vzduchu, menší množství pochází z výfuku. Zdroje hluku a způsob tlumení jsou následující:

Vzduchový vstup

Tlumič hluku na vstupu by měl být speciálně navržen podle hlukového profilu plynové turbíny a požadavků místa. Tento tlumič se instaluje do potrubí přívodu vzduchu mezi vzduchový filtr a vstup vzduchu do kompresoru turbíny.

Výfuk

Tlumič výfuku by měl být speciálně navržen podle hlukového profilu plynové turbíny a požadavků místa. Důležitým hlediskem je výška výfukového komína ve spojení s tlumičem hluku. Vyvedení horkých výfukových plynů co nejvýše snižuje měřitelný hluk na úrovni terénu a navíc má další výhodu v tom, že snižuje možnost recirkulace horkých výfukových plynů zpět do přívodu vzduchu. Ztráta tlaku (protitlak) na výfukových plynech turbíny výrazně ovlivňuje výkon plynové turbíny.

Skříň/redukční skříň/poháněné zařízení

Zvukově tlumící kryt(y) může být instalován(y) přímo nad zařízením, jako jsou skříně s pojezdem nebo budova obsahující zařízení izolované tak, aby splňovalo požadavky, nebo obojí.

Chladič oleje

Nejběžnější metodou chlazení oleje je použití chladičů s výměníkem vzduchu/ventilátorem. Ty vytvářejí hluk ventilátoru, který lze regulovat pomocí otáček špičky ventilátoru. Použití plášťových a trubkových vodních chladičů může být hlučné, pokud je k dispozici chladicí médium.

Typy plynových turbín

Konstrukce turbín lze rozlišit podle:

• Typ provozu
• Typy spalování
• Konfigurace hřídele
• Stupeň balení

Typy provozu

Letadlové turbínové motory

Letadlové turbínové nebo proudové motory jsou navrženy s vysoce sofistikovanou konstrukcí pro nízkou hmotnost speciálně pro pohon letadel. Tyto konstrukce vyžadují maximální výkon nebo tah při minimální hmotnosti a maximální palivové účinnosti. Letecké turbíny mají válečková ložiska a vysoké teploty spalování vyžadující exotickou metalurgii. Mohou být provozovány na omezenou variaci paliv. Pokud je proudový motor použit v průmyslovém použití, musí být spojen s nezávislou výkonovou turbínou, která vyrábí výkon na hřídeli.

Těžké průmyslové plynové turbínové motory

Základní konstrukční parametry těžkých průmyslových plynových turbínových motorů se vyvinuly z průmyslových parních turbín, které mají nižší otáčky, těžké rotory a větší skříně než proudové motory, aby byla zajištěna delší životnost. Tyto plynové turbíny jsou schopny spalovat nejširší škálu kapalných nebo plynných paliv.

Lehké průmyslové plynové turbínové motory

Základní konstrukční parametry a technologie používané u leteckých turbín lze kombinovat s některými konstrukčními aspekty těžkých průmyslových plynových turbín a vytvořit tak lehčí průmyslovou turbínu s životností blížící se životnosti těžké průmyslové plynové turbíny. Tyto motory se nazývají lehké průmyslové plynové turbíny.

Typy spalovacích motorů

Radiální nebo prstencový spalovací motor

Tento spalovací motor obklopuje rotující části plynové turbíny a je integrální součástí skříně motoru (obr. 6). Tuto konstrukci používají letecké turbíny a lehké průmyslové plynové turbíny.

• 

  Obr. 6-Typický výřez plynové turbíny.

Spalovací plechovka

Jedná se o jedno- nebo vícespalovací systém, který je od rotující turbíny oddělen jako vnější spalovací plechovka (obr. 7). Konstrukce využívající tento typ spalovače mohou spalovat širší škálu paliv.

• 

  Obr. 7-Typická plynová turbína s plechovým spalovačem (výřez).

Konfigurace hřídele

Jednohřídelová

Plynová turbína může mít jednohřídelové nebo dvouhřídelové provedení. Jednohřídelové provedení se skládá z jedné hřídele spojující kompresor vzduchu, turbínu výrobce plynu a výkonovou turbínu jako jeden rotující prvek (obr. 1). Tato konstrukce je nejvhodnější pro aplikace s konstantními otáčkami, jako je pohon elektrických generátorů pro konstantní frekvenci.

Dvouhřídelová

Dvouhřídelová konstrukce má kompresor vzduchu a výrobník plynu na jedné hřídeli a výkonovou turbínu na druhé nezávislé hřídeli. Tato konstrukce poskytuje flexibilitu otáček potřebnou k efektivnějšímu pokrytí širší výkonové mapy poháněného zařízení. Výrobník plynu tak může pracovat při otáčkách potřebných k vyvinutí výkonu požadovaného poháněným zařízením, jako jsou odstředivé kompresory nebo čerpadla. Obr. 6 ukazuje výřez typické dvouhřídelové plynové turbíny. Mezi hlavní součásti patří kompresor, spalovací systém, turbína výrobníku plynu a výkonová turbína. Tato konstrukce zahrnuje dvoustupňovou turbínu výrobce plynu a dvoustupňovou výkonovou turbínu.

Stupeň balení

Normou pro většinu plynových turbín používaných v průmyslu je zabudování plynové turbíny do základního rámu/skříně se všemi součástmi potřebnými pro základní provozní jednotku. To zahrnuje takové systémy, jako jsou:

• Startovací systém
• Palivový systém
• Mazací systém
• Místní řízení
• V některých případech převodovka a hnací zařízení

Další provozně požadované systémy jsou všechny obvykle samostatné předem připravené balené systémy, které může výrobce turbíny dodat a přizpůsobit. Do této kategorie patří systémy jako např:

• Filtrace/tlumení přívodu vzduchu
• Chladiče oleje
• Systémy dálkového ovládání
• Zvukově tlumené skříně
• Tlumiče výfuku

Emise výfukových plynů

Zhoršování ovzduší plynnými znečišťujícími látkami je důležitým problémem životního prostředí. Plynová turbína podle konstrukce základního cyklu poskytuje čistší spalování a produkuje nižší úroveň znečišťujících látek ve srovnání s jinými základními motory, což je velkou výhodou. Znečišťující látky plynové turbíny, které jsou obvykle regulovány, jsou:

• Oxidy dusíku
• Oxid uhelnatý
• Spalované uhlovodíky
• Partikulární částice
• Dioxid siřičitý

Řešení některých, ale ne všech, problémů se znečištěním spočívá ve spalovacím zařízení plynové turbíny. Následuje stručná diskuse.

Oxidy dusíku (NOx)

Pouze dva ze sedmi oxidů dusíku jsou regulovány: NO a NO2, označované souhrnně jako NOx. Téměř všechny problémy s emisemi týkající se primárních motorů se týkají produkce NOx a kontroly NOx. Plynová turbína je ve srovnání s ostatními primárními motory relativně čistá. Například plynové turbíny spalující zemní plyn obecně produkují 4 až 12krát méně NOx na jednotku výkonu než pístové motory. Přesto jsou NOx hlavním faktorem při povolování instalací plynových turbín.

Oxid uhelnatý (CO)

CO je ve výfukových plynech turbíny rovněž na velmi nízké úrovni díky přebytku vzduchu ve spalovacím procesu. Proto obvykle nepředstavuje problém. V některých oblastech, kde je úroveň CO v okolním prostředí extrémně vysoká nebo kde se pro regulaci NOx v plynové turbíně používá vstřikování vody, však může být CO faktorem pro získání povolení.

Nespálené uhlovodíky (UHC)

Na rozdíl od pístových motorů, které produkují značné množství UHC, plynové turbíny produkují nízké množství UHC, protože velké množství přebytečného vzduchu, které je součástí spalovacího procesu plynové turbíny, zcela spálí téměř všechny uhlovodíky. V důsledku toho jsou emise UHC jen zřídka významným faktorem při získávání environmentálních povolení pro plynové turbíny.

Částice

Nebyly zdokonaleny žádné techniky měření částic, které by poskytovaly smysluplné výsledky u výfukových plynů plynových turbín. Pokud se v plynové turbíně spalují čistá paliva, je to jen zřídka faktor pro získání povolení pro plynové turbíny.

Dioxid siřičitý (SO2)

Téměř všechna zařízení spalující paliva, včetně plynových turbín, přeměňují veškerou síru obsaženou v palivu na SO2. Tím se SO2 stává spíše problémem paliva než problémem souvisejícím s vlastnostmi turbíny. Jediným účinným způsobem regulace SO2 je omezení množství síry obsažené v palivu nebo odstranění SO2 z výfukových plynů pomocí procesu mokrého čištění.

Regulace emisí

Potřeba splnit nebo překonat emisní normy stanovené federálními, státními a místními předpisy vyžadovala od výrobců průmyslových plynových turbín vývoj turbín s čistším spalováním. Byly vyvinuty suché emisní systémy se vstřikovači chudé směsi paliva, speciální technologie spalování a řídicí systémy pro snížení emisí NOx a CO vytvořením nižších maximálních teplot plamene a úplnější oxidací uhlovodíkových paliv. Všichni výrobci průmyslových plynových turbín mají suché nízkoemisní produkty. Výkonnost se u jednotlivých výrobků liší v důsledku rozdílů v konstrukci spalovacího zařízení.

Tyto systémy chudého spalování snižují tvorbu NOx a CO na velmi nízkou úroveň, takže není nutné používat drahé katalyzátory náročné na údržbu k odstranění NOx a CO po jejich vzniku. V oblastech s extrémně vysokým stupněm znečištění může být u některých plynových turbín nutné použít selektivní katalyzátory k dalšímu snížení úrovně NOx a CO. Palivem pro plynovou turbínu je čistý suchý zemní plyn, který produkuje nejčistší výfukové plyny.

Teplo z výfuku

Plynové turbíny mají většinu tepelných ztrát z cyklu odváděnou výfukem. Toto teplo lze zpětně získat a využít ke zvýšení celkové tepelné účinnosti spalovaného paliva. Nejběžnějším způsobem využití tepla ze spalin je výroba páry.

Tuto část využijte pro citování položek, na které se v textu odkazuje, abyste ukázali své zdroje.

Významné články v OnePetro

Tento oddíl použijte pro uvedení článků v OnePetro, které by si čtenář, který se chce dozvědět více, měl určitě přečíst

Tento oddíl použijte pro uvedení odkazů na relevantní materiály na jiných webových stránkách než PetroWiki a OnePetro

Viz také

Prime movers

Reciprocating engines

PEH:Prime_Movers

.