Gasturbiner

Gasturbiner varierer i størrelse fra mikroturbiner på < 50 hk (37,3 kW) til store industriturbiner på > 250.000 hk (190 kW). Denne side fokuserer på gasturbinemotoren, forskellene mellem typerne af turbiner og punkter, der skal tages i betragtning, når de anvendes som primus motor.

Proces

Som det fremgår af fig. 1 og fig. 2, er den “åbne” Brayton-cyklus den termodynamiske cyklus for alle gasturbiner. Denne cyklus består af:

• Adiabatisk kompression
• Konstant trykopvarmning
• Adiabatisk ekspansion

Gasturbinen er sammensat af følgende komponenter:

• En luftkompressor
• En forbrændingskammer
• En gasturbine, der producerer den kraft, der skal drive luftkompressoren og udgangsakslen

• 

  Fig. 1-Simplificeret diagram for gasturbiner med simpel cyklus.

• 

  Fig. 2-Typisk “åben” Brayton-cyklus for gasturbiner.

Luft kommer ind i kompressorindløbet ved omgivende forhold (punkt 1), komprimeres (punkt 2) og passerer gennem forbrændingssystemet, hvor den kombineres med brændsel og “fyres” til den maksimale temperatur i cyklusen (punkt 3). Den opvarmede luft ekspanderes gennem den gasproducerende turbinedel (mellem punkt 3 og 5), hvor arbejdsvæskens energi udnyttes til at generere strøm til at drive kompressoren, og ekspanderes gennem gasturbinen til at drive lasten (punkt 7). Luften udledes derefter til atmosfæren. Der anvendes et startsystem til at få luftkompressoren op på tilstrækkelig hastighed til at levere luft til forbrænding med det brændstof, der sprøjtes ind i forbrændingsanlægget. En turbines kontinuerligt brændende forbrændingscyklus kombineret med kontinuerlig rotation af turbinens rotor muliggør praktisk talt vibrationsfri drift samt færre bevægelige dele og slidpunkter end andre prime movers.

Design overvejelser og drift

Maksimal cyklistemperatur, TRIT

Gasturbinens udgangseffekt kan øges ved at øge den maksimale cyklisttemperatur. Den maksimale kredsløbstemperatur betegnes TRIT, som står for turbinens rotorindgangstemperatur. API 616 definerer nominel fyringstemperatur som leverandørens beregnede turbineindløbstemperatur (TIT) umiddelbart opstrøms for første trin af turbinens rotor ved kontinuerlig drift ved nominel udgangseffekt. TRIT beregnes umiddelbart opstrøms for første trin af turbinens rotor og omfatter de beregnede virkninger af køleluft og temperaturfaldet på tværs af første trin af statorskibene.

Luftstrøm

Gasturbinens udgangseffekt kan også øges ved at øge massestrømmen af luft gennem gasturbinen. Gasturbinens geometri, navnlig kompressoren, og kompressorens hastighed dikterer den grundlæggende luftmassestrøm. En forøgelse af strømmen kræver en forøgelse af hastigheden, som er begrænset til den maksimale kontinuerlige driftshastighed for en bestemt konstruktion. Ved en given hastighed øger en stigning i indblæsningslufttætheden luftmassestrømmen. Indgangsluftdensiteten stiger direkte med det barometriske tryk og omvendt med den omgivende temperatur.

De vigtigste parametre, der påvirker udgangseffekten, er hastighed og TRIT for enhver given mekanisk/aerodynamisk konstruktion. En forøgelse af en af disse parametre øger gasturbinens udgangseffektkapacitet. Hastighed og temperatur kan dikteres af den ønskede udgangseffekt og varmehastighed inden for de begrænsninger, der pålægges af følgende faktorer:

• Komponenternes levetid
• Kost
• Teknisk gennemførlighed

Hastighedsbegrænsninger

Da en gasturbines hastighed stiger, øges centrifugalkræfterne på de roterende komponenter. Disse kræfter øger belastningen på de roterende komponenter, især følgende:

• Diske
• Blade
• Bladernes fastgørelse til disken

Komponentmaterialer har belastningsgrænser, der er direkte proportionale med deres hastighedsgrænser, og som ikke bør overskrides. Det roterende elements maksimale kontinuerlige hastighed er således en funktion af:

• Rotorgeometri
• Komponentmaterialeegenskaber
• Sikkerhedsdesignfaktorer

Det er den højeste tilladte hastighed for kontinuerlig drift.

Temperaturbegrænsninger

En måde at øge udgangseffekten på er ved at øge brændstofstrømmen og dermed TRIT. Når TRIT øges, arbejder komponenterne i den varme sektion ved højere metaltemperaturer, hvilket reducerer gasturbinens tid mellem inspektionerne (TBI). Da levetiden for varmsektionsmaterialer er begrænset af spændinger ved høje temperaturer, er der begrænsninger på de maksimale temperaturer for en given TBI. Materialets levetid aftager hurtigt ved højere temperaturer. TBI er en funktion af tiden ved TRIT og hastigheden af TRIT-ændringer under transienter som f.eks. opstart. Grænsen for krybning eller spændingsbrud fastsættes af materialeegenskaberne som en funktion af deres spændingsniveau og driftstemperatur.

Ratingpoint

Der kan fastsættes et ratingpoint til bestemmelse af gasturbines ydeevne for bestemte omgivelsesforhold, kanaltab, brændstof osv.

Den internationale standardiseringsorganisation definerer sine standardbetingelser som:

• 59°F
• 1,013 bar
• 60% relativ luftfugtighed uden tab

Dette er blevet et standard ratingpunkt til sammenligning af turbiner af forskellige producenter og konstruktioner.

Site rating

Site rating er en angivelse af den grundlæggende gasturbines ydeevne under specifikke betingelser på stedet, herunder:

• Omgivelsestemperatur
• Højde
• Kanaltryktab
• Emissionskontrol
• Brændsel sammensætning
• Aftagning af hjælpeeffekt
• Kompressorluftafsugning
• Effektniveau

Til eksempel, en stigning i omgivelsestemperaturen reducerer udgangseffekten med en hastighed, der påvirkes af gasturbinens konstruktion.

Indgangslufttemperatur

Figur. 3 relaterer følgende til indløbslufttemperaturen ved optimal effektturbinehastighed for en eksempelvis gasturbine:

• Udgangseffekt
• Brændselsstrøm
• Udstødningstemperatur
• Udstødningsstrøm

• 

  Figur. 3-Udgangseffekt vs. kompressorens indgangslufttemperatur.

Højere turbinevirkningsgrad

En simpel cyklus

Det meste af den mekaniske energi, der udvindes fra gasstrømmen af turbinen, er nødvendig for at drive luftkompressoren, mens resten er tilgængelig til at drive en mekanisk belastning. Den gasstrømmeenergi, der ikke udvindes af turbinen, afvises til atmosfæren som varme.

Rekuperativ cyklus

I den rekuperative cyklus, også kaldet en regenerativ cyklus, forvarmes kompressorens udblæsningsluft i en varmeveksler eller rekuperator, hvis varmekilde er gasturbinens udstødningsgas. Den energi, der overføres fra udstødningen, reducerer den mængde energi, der skal tilføres af brændstoffet. I fig. 4 er brændstofbesparelsen repræsenteret ved det skraverede område under 2 til 2′. De tre primære konstruktioner, der anvendes i stationære rekuperatorer, er:

• Pladefinne
• Primær overflade

• 

  Fig. 4-Rekupereret cyklus.

Kombineret cyklus

Ved at tilføje en damp-bottoming-cyklus til Brayton-cyklusen anvendes udstødningsvarmen til at producere yderligere hestekræfter, som kan anvendes i en fælles belastning, som vist i fig. 5, eller til en separat belastning. Det skraverede område repræsenterer det ekstra energitilskud.

• 

  Figur 5-Kombineret cyklus.

Luftindtagssystem

Indtagsluftfiltrering. Kvaliteten af den luft, der kommer ind i gasturbinen, er en meget vigtig konstruktionsmæssig overvejelse. Turbinens effektivitet vil falde med tiden på grund af aflejringer, der ophobes på turbinens interne strømningsvej og roterende skovle. Denne ophobning resulterer i øget vedligeholdelse og øget brændstofforbrug. Valg og vedligeholdelse af det rette indblæsningsluftfiltreringssystem til de specifikke forhold på stedet vil påvirke hastigheden af faldet i effektivitet over tid.

Trykfald

Det er afgørende at minimere trykfaldet af den luft, der passerer gennem den: Indløbskanaler Indløbsluftfilter Indløbslyddæmper (se Støjdæmpning nedenfor)

Tryktab på den atmosfæriske luft, der kommer ind i turbinen, påvirker i høj grad gasturbinens ydeevne.

Støjdæmpning

Støjen fra en gasturbine er primært i de højere frekvensområder, som ikke overføres så langt som den lavfrekvente støj, der produceres af motorer med lavere hastighed som f.eks. stempelmotorer. Størstedelen af den højfrekvente støj, der produceres af turbinen, opstår i luftindtaget, mens en mindre del kommer fra udstødningen. Støjkilderne og dæmpningsmetoden er som følger:

Luftindtag

Luftindtagslyddæmperen skal være specielt konstrueret til gasturbinens støjprofil og kravene på stedet. Denne lyddæmper monteres i luftindløbskanalen mellem luftfilteret og turbinens luftkompressorindløb.

Udstødning

Udstødningslyddæmperen skal være specielt konstrueret til gasturbinens støjprofil og kravene på stedet. Udstødningsskorstenens højde er sammen med lyddæmperen en vigtig faktor at tage hensyn til. Udledning af de varme udstødningsgasser så højt som muligt reducerer den målbare støj i jordhøjde og har desuden den fordel, at risikoen for recirkulation af de varme udstødningsgasser tilbage til luftindtaget mindskes. Tryktab (modtryk) på turbinens udstødning påvirker i høj grad gasturbinens ydeevne.

Gehus/gearkasse/drevet udstyr

Lyddæmpende indkapsling(er) kan installeres direkte over udstyret, f.eks. skidmonterede walk-in-indkapslinger eller en bygning, der indeholder udstyret, som er isoleret til at opfylde kravene eller begge dele.

Oliekøler

Den mest almindelige metode til køling af olien er brug af luftveksler/ventilatorkøler. Disse genererer ventilatorstøj, som kan styres med ventilatorspidsens hastighed. Brugen af vandkølere med skal og rør kan være støjbesparende, hvis kølemediet er tilgængeligt.

Typer af gasturbiner

Turbinedesigns kan differentieres ved:

• Type af drift
• Brændertyper
• Akselkonfiguration
• Grad af indpakning

Typer af drift

Flyturbinemotorer

Flyturbinemotorer eller jetmotorer er konstrueret med en meget sofistikeret konstruktion med henblik på let vægt specielt til at drive luftfartøjer. Disse konstruktioner kræver maksimal hestekraft eller fremdrift med minimal vægt og maksimal brændstofeffektivitet. Flyturbiner har rullelejer og høje fyringstemperaturer, der kræver eksotisk metallurgi. De kan drives med et begrænset udvalg af brændstoffer. Når en jetmotor anvendes i en industriel anvendelse, skal den kobles sammen med en uafhængig kraftturbine for at producere akseleffekt.

Tunge industrielle gasturbiner

De grundlæggende konstruktionsparametre for tunge industrielle gasturbiner er udviklet fra industrielle dampturbiner, der har lavere omdrejninger, tunge rotorer og større kabinetter end jetmotorer for at sikre længere levetid. Disse gasturbiner er i stand til at forbrænde det bredeste udvalg af flydende eller gasformige brændstoffer.

Lette industrielle gasturbiner

De grundlæggende konstruktionsparametre og den teknologi, der anvendes i flyturbiner, kan kombineres med nogle af konstruktionsaspekterne i tunge industrielle gasturbiner for at fremstille en lettere industriel turbine med en levetid, der nærmer sig en tung industriel gasturbines. Disse motorer kaldes lette industrigasturbiner.

Brændertyper

Radial- eller ringformet forbrænder

Denne forbrænder omgiver de roterende dele af gasturbinen og er integreret i motorhuset (fig. 6). Flyturbiner og lette industrigasturbiner anvender denne konstruktion.

• 

  Fig. 6-Typisk udsnit af gasturbine.

Can combustor

Det er et enkelt- eller flerforbrændingssystem, der er adskilt fra den roterende turbine som eksterne forbrændingsdåser (fig. 7). Konstruktioner, der anvender denne type forbrændingskammer, kan forbrænde et bredere udvalg af brændstoffer.

• 

  Fig. 7-Typisk gasturbine med dåsebrænder (snit).

Akselkonfiguration

En enkelt aksel

Gasturbinen kan enten være konstrueret med en enkelt aksel eller to aksler. Den enakslede konstruktion består af én aksel, der forbinder luftkompressoren, gasproducentturbinen og kraftturbinen som ét roterende element (fig. 1). Denne konstruktion er bedst egnet til anvendelser med konstant hastighed, f.eks. til at drive elektriske generatorer med en konstant frekvens.

To aksler

Den toakslede konstruktion har luftkompressoren og gasproducenten på én aksel og effektturbinen på en anden uafhængig aksel. Denne konstruktion giver den hastighedsfleksibilitet, der er nødvendig for at dække et bredere ydelseskort for det drevne udstyr mere effektivt. Det gør det muligt for gasproducenten at køre med den hastighed, der er nødvendig for at udvikle de hestekræfter, der kræves af det drevne udstyr som f.eks. centrifugalkompressorer eller pumper. Fig. 6 viser et udsnit af en typisk gasturbine med to aksler. De vigtigste komponenter omfatter kompressoren, forbrændingssystemet, gasproducentturbinen og kraftturbinen. Denne konstruktion omfatter en totrins gasproducentturbine og en totrins effektturbine.

Grad af indpakning

Normen for de fleste gasturbiner, der anvendes i industrien, består i at indbygge gasturbinen i en basisramme/skid med alle de komponenter, der er nødvendige for den grundlæggende driftsenhed. Dette omfatter systemer som:

• Startsystem
• Brændstofsystem
• Smøresystem
• Lokal styring
• I nogle tilfælde er gearkassen og det drevne udstyr

Efterfølgende driftsmæssigt nødvendige systemer er alle generelt separate præfabrikerede pakkede systemer, som kan leveres og tilpasses af turbineproducenten. I denne kategori indgår systemer som f.eks:

• Filtrering/afdæmpning af luftindtag
• Oliekølere
• Fjernstyringssystemer
• Lyddæmpede kabinetter
• Udstødningslydæmpere

Udstødningsemissioner

Afgivelse af forurenende gasser i atmosfæren er et vigtigt miljøspørgsmål. Gasturbinens grundlæggende cyklusdesign giver en renere forbrænding og producerer et lavere niveau af forurenende stoffer sammenlignet med andre primære drivkræfter, hvilket er en stor fordel. De forurenende stoffer i gasturbiner, der typisk er reguleret, er:

• Nitrogenoxider
• Kulilte
• Uforbrændte kulbrinter
• Partikulater
• Svovldioxid

Løsningen på nogle, men ikke alle, af disse forureningsproblemer ligger i gasturbinebrænderen. En kort diskussion følger.

Kvælstofoxider (NOx)

Kun to af de syv kvælstofoxider er reguleret: NO og NO2, der tilsammen benævnes NOx. Næsten alle emissionsproblemer i forbindelse med drivaggregater vedrører NOx-produktion og NOx-kontrol. Gasturbinen er relativt ren sammenlignet med andre drivaggregater. For eksempel producerer gasturbiner, der forbrænder naturgas, generelt 4 til 12 gange mindre NOx pr. kraftenhed end stempelmotorer. NOx er dog den vigtigste faktor for godkendelse af gasturbineanlæg.

Kulilte (CO)

CO er også på et meget lavt niveau i turbinens udstødning på grund af overskuddet af luft i forbrændingsprocessen. Derfor er det normalt ikke et problem. I nogle områder, hvor det omgivende CO-niveau er ekstremt højt, eller når der anvendes vandindsprøjtning til NOx-kontrol i gasturbinen, kan CO imidlertid være en faktor for opnåelse af tilladelser.

Uforbrændte kulbrinter (UHC)

I modsætning til stempelmotorer, der producerer en betydelig mængde UHC, producerer gasturbiner en lav mængde UHC, fordi den store mængde overskydende luft, der indgår i gasturbinens forbrændingsproces, fuldstændigt forbrænder næsten alle kulbrinterne. Derfor er UHC-emissioner sjældent en væsentlig faktor ved opnåelse af miljøgodkendelser for gasturbiner.

Partikler

Der er ikke udviklet nogen partikelmålemetoder, der giver meningsfulde resultater for udstødningsgasser fra gasturbiner. Dette er sjældent en faktor i forbindelse med opnåelse af tilladelser til gasturbiner, når der forbrændes rene brændstoffer i gasturbinen.

Svovldioxid (SO2)

Næsten alt brændselsforbrændingsudstyr, herunder gasturbiner, omdanner alt svovl i brændstoffet til SO2. Dette gør SO2 til et brændselsproblem snarere end et problem, der er forbundet med turbinens egenskaber. Den eneste effektive måde at kontrollere SO2 på er ved at begrænse mængden af svovl i brændstoffet eller ved at fjerne SO2 fra udstødningsgasserne ved hjælp af en vådvaskningsproces.

Emissionskontrol

Nødvendigheden af at opfylde eller overgå de emissionsnormer, der er fastsat af føderale, statslige og lokale regler, har tvunget industrielle gasturbineproducenter til at udvikle renere forbrændingsturbiner. Der er blevet udviklet tøremissionssystemer med brændstofinjektorer med magert forblanding, særlig forbrændingsteknologi og styring til reduktion af NOx- og CO-emissioner ved at skabe lavere maksimale flammetemperaturer og mere fuldstændig oxidation af kulbrintebrændstoffer. Alle fabrikanter af industrielle gasturbiner har tørre lavemissionsprodukter. Ydelsen varierer med det enkelte produkt på grund af forskelle i forbrænderens udformning.

Disse magre forbrændingssystemer reducerer dannelsen af NOx og CO til et meget lavt niveau, hvilket gør det unødvendigt at anvende dyre katalysatorer med høj vedligeholdelse til at fjerne NOx og CO, efter at de er dannet. I områder med ekstremt høje emissionsgrænser kan det i visse gasturbiner være nødvendigt at anvende selektive katalysatorer for at reducere NOx- og CO-niveauet yderligere. Det foretrukne brændstof til gasturbinen er ren, tør naturgas, som giver den reneste udstødning.

Udstødningsvarme

Gasturbiner har det meste af varmetabet fra cyklusen, der går ud i udstødningen. Denne varme kan genvindes og bruges til at øge den samlede termiske effektivitet af det forbrændte brændstof. Den mest almindelige metode til anvendelse af udstødningsvarme er produktion af damp.

Brug dette afsnit til at citere emner, der henvises til i teksten, for at vise dine kilder.

Notværdige artikler i OnePetro

Brug dette afsnit til at opregne artikler i OnePetro, som en læser, der ønsker at lære mere, absolut bør læse

Brug dette afsnit til at give links til relevant materiale på andre websteder end PetroWiki og OnePetro

Se også

Prime movers

Prime movers

Reciprocating engines

PEH:Prime_Movers