Kaasuturbiinimoottorit

Kaasuturbiinien kokoluokat vaihtelevat mikroturbiinista, jonka teho on < 50 hv (37,3 kW), suuriin teollisuusturbiineihin, joiden teho on > 250 000 hv (190 kW). Tällä sivulla keskitytään kaasuturbiinimoottoriin, turbiinityyppien välisiin eroihin ja seikkoihin, jotka on otettava huomioon, kun niitä käytetään voimanlähteenä.

Prosessi

Kuten kuvista 1 ja 2 käy ilmi, ”avoin” Braytonin sykli on kaikkien kaasuturbiinien termodynaaminen sykli. Tämä sykli koostuu:

• Adiabaattisesta puristuksesta
• Konstanttipainelämmityksestä
• Adiabaattisesta paisumisesta

Kaasuturbiini koostuu seuraavista osista:

• ilmakompressori
• polttomoottori
• Käyntiturbiini, joka tuottaa tehoa ilmakompressorin ja ulostuloakselin käyttämiseen

• 

  Kuva. 1-Yhdennetyn yksinkertaisen syklin kaasuturbiinikaavio.

• 

  Kuva 2-Tyypillinen kaasuturbiinien ”avoin” Braytonin sykli.

A ilma tulee kompressorin sisääntuloon ympäristöolosuhteissa (kohta 1), se puristetaan (kohta 2) ja kulkee polttojärjestelmän läpi, jossa se yhdistetään polttoaineeseen ja ”poltetaan” syklin maksimilämpötilaan (kohta 3). Kuumennettu ilma paisutetaan kaasuntuottajaturbiiniosan läpi (pisteiden 3 ja 5 välissä), jossa työstönesteen energia otetaan talteen kompressorin käyttövoiman tuottamiseksi, ja paisutetaan tehoturbiinin läpi kuorman käyttövoimaksi (piste 7). Tämän jälkeen ilma poistetaan ilmakehään. Käynnistysjärjestelmän avulla paineilmakompressori saadaan riittävälle nopeudelle, jotta se voi syöttää ilmaa palamiseen polttimoon ruiskutetun polttoaineen kanssa. Turbiinin jatkuvapolttoinen polttokierto yhdistettynä turbiinin roottorin jatkuvaan pyörimiseen mahdollistaa käytännöllisesti katsoen tärinättömän toiminnan sekä vähemmän liikkuvia osia ja kulumiskohtia kuin muissa käyttövoimalaitteissa.

Suunnittelun huomioon ottaminen ja toiminta

Maksimikiertolämpötila, TRIT

Kaasuturbiinin lähtötehoa voidaan kasvattaa nostamalla maksimikiertolämpötilaa. Syklin maksimilämpötilasta käytetään nimitystä TRIT, joka tarkoittaa turbiinin roottorin sisäänmenolämpötilaa. API 616 määrittelee nimellispolttolämpötilan myyjän laskemaksi turbiinin sisäänmenolämpötilaksi (TIT) välittömästi turbiinin ensimmäisen vaiheen roottorin yläpuolella jatkuvassa käytössä nimellisteholla. TRIT lasketaan välittömästi turbiinin ensimmäisen vaiheen roottorin yläpuolella, ja se sisältää jäähdytysilman ja ensimmäisen vaiheen staattorin siipien yli tapahtuvan lämpötilahäviön laskennallisen vaikutuksen.

Airflow

Kaasuturbiinin lähtötehoa voidaan kasvattaa myös kasvattamalla kaasuturbiinin läpi kulkevaa ilman massavirtaa. Kaasuturbiinin, erityisesti kompressorin, geometria ja kompressorin nopeus sanelevat ilman perusmassavirran. Virtauksen kasvattaminen edellyttää nopeuden kasvattamista, joka on rajoitettu tietyn rakenteen suurimpaan jatkuvaan käyntinopeuteen. Tietyllä nopeudella tuloilman tiheyden kasvu lisää ilmamassavirtaa. Tuloilman tiheys kasvaa suoraan ilmanpaineen ja käänteisesti ympäristön lämpötilan myötä.

Tärkeimmät lähtötehoon vaikuttavat parametrit ovat nopeus ja TRIT tietyssä mekaanisessa/aerodynaamisessa rakenteessa. Minkä tahansa näistä parametreista kasvattaminen lisää kaasuturbiinin lähtötehokapasiteettia. Nopeus ja lämpötila voidaan sanella halutun lähtötehon ja lämpötehon mukaan seuraavien tekijöiden asettamien rajoitusten puitteissa:

• Komponenttien käyttöikä
• Kustannukset
• Tekninen toteutettavuus

Nopeusrajoitukset

Kun kaasuturbiinin nopeus nousee, pyöriviin komponentteihin kohdistuvat keskipakovoimat kasvavat. Nämä voimat lisäävät pyöriviin komponentteihin kohdistuvaa rasitusta, erityisesti seuraaviin:

• Kiekot
• Piipat
• Piipan kiinnitys levyyn

Komponenttimateriaaleilla on rasitusrajat, jotka ovat suoraan verrannollisia niiden nopeusrajoihin, ja niitä ei saa ylittää. Näin ollen pyörivän elementin suurin jatkuva nopeus on seuraavien tekijöiden funktio:

• Roottorin geometria
• Komponenttien materiaaliominaisuudet
• Turvallisuussuunnittelutekijät

Se on suurin sallittu nopeus jatkuvassa toiminnassa.

Lämpötilarajoitukset

Yksi keino kasvattaa ulostulotehoa on kasvattaa polttoaineen virtausta ja näin ollen myös TRIT:tä. TRIT:n kasvaessa kuuman osan komponentit toimivat korkeammissa metallilämpötiloissa, mikä lyhentää kaasuturbiinin tarkastusten välistä aikaa (TBI). Koska kuumien osien materiaalien käyttöikää rajoittaa jännitys korkeassa lämpötilassa, tietyn TBI:n maksimilämpötiloille on asetettu rajoituksia. Materiaalin käyttöikä lyhenee nopeasti korkeammissa lämpötiloissa. TBI riippuu TRIT-ajasta ja TRIT:n muutosnopeudesta transienttien, kuten käynnistyksen, aikana. Viruma- tai jännitysmurtumaraja määräytyy materiaaliominaisuuksien perusteella niiden jännitystason ja käyttölämpötilan funktiona.

Luokituspiste

Luokituspiste voidaan määrittää kaasuturbiinin suorituskyvyn määrittämiseksi tietyissä ympäristöolosuhteissa, kanavahäviöissä, polttoaineessa jne.

Kansainvälinen standardisoimisjärjestö määrittelee vakio-olosuhteet seuraavasti:

• 59°F
• 1,013 bar
• 60 % suhteellinen kosteus ilman häviöitä

Tästä on tullut vakiomuotoinen luokituspiste, jonka avulla voidaan vertailla eri valmistajien ja mallien turbiineja.

Toimipaikkaluokitus

Toimipaikkaluokitus on lausunto kaasuturbiinin perustehosta tietyissä toimipaikkaolosuhteissa, mukaan lukien:

• Ambienttilämpötila
• Korkeusasema
• Kanavan painehäviöt
• Päästösäädöt
• Polttoaine. koostumus
• Hyötyvoimanotto
• Kompressorin ilmanpoisto
• Tehotaso

Esim, ympäristön lämpötilan nousu vähentää lähtötehoa nopeudella, johon vaikuttaa kaasuturbiinin suunnittelu.

Tuloilman lämpötila

Kuva. 3 suhteuttaa tuloilman lämpötilan optimaalisella tehoturbiinin kierrosluvulla esimerkkikaasuturbiinille:

• Tulosteho
• Polttoaineen virtaus
• Pakokaasun lämpötila
• Pakokaasun virtaus

• 

  Kuvio. 3-lähtöteho vs. kompressorin tuloilman lämpötila.

Turbiinin hyötysuhteen kasvattaminen

Yksinkertainen sykli

Suurin osa turbiinin kaasuvirrasta irrottamasta mekaanisesta energiasta tarvitaan ilmakompressorin käyttämiseen, ja loput on käytettävissä mekaanisen kuorman käyttämiseen. Kaasuvirran energia, jota turbiini ei ota talteen, hylätään ilmakehään lämpönä.

Rekuperatiivinen sykli

Rekuperatiivisessa syklissä, jota kutsutaan myös regeneratiiviseksi sykliksi, kompressorin ulospuhallusilma esilämmitetään lämmönvaihtimessa tai rekuperaattorissa, jonka lämmönlähteenä on kaasuturbiinin pakokaasu. Pakokaasusta siirtyvä energia vähentää polttoaineesta lisättävää energiamäärää. Kuvassa 4 polttoainesäästöä kuvaa tummennettu alue alle 2-2′. Paikallaan olevissa rekuperaattoreissa käytetyt kolme ensisijaista rakennetta ovat:

• Levyritetty lamelli
• Kuori ja putki
• Päällystepinta
• 

  Kuvio 4-Rekuperoitu kierto.

Yhdistetty sykli

Höyrynpohjakierron lisääminen Braytonin sykliin käyttää pakokaasun lämpöä lisähevosvoiman tuottamiseen, jota voidaan käyttää yhteisessä kuormassa, kuten kuvassa 5 on esitetty, tai erillisessä kuormassa. Tummennettu alue edustaa lisäenergian syöttöä.

• 

  Kuva 5-Yhdistetty sykli.

Ilmansyöttölaitteisto

Tuloilman suodatus. Kaasuturbiiniin tulevan ilman laatu on erittäin tärkeä suunnitteluperuste. Turbiinin hyötysuhde heikkenee ajan myötä, koska turbiinin sisäiseen virtausreittiin ja pyöriviin siipiin kertyy saostumia. Tämä kertyminen lisää huoltoa ja polttoaineen kulutusta. Oikean tuloilman suodatusjärjestelmän valitseminen ja ylläpito tiettyihin käyttöpaikan olosuhteisiin vaikuttaa hyötysuhteen alenemisnopeuteen ajan mittaan.

Painehäviö

Kriittisen tärkeää on minimoida turbiinin läpi kulkevan ilman painehäviö: Sisäänmenokanavisto Sisäänmenoilman suodatin Sisäänmenoilman äänenvaimennin (ks. melunvaimennus jäljempänä)

Turbiiniin tulevan ilmakehän ilman painehäviö vaikuttaa suuresti kaasuturbiinin suorituskykyyn.

Melunvaimennus

Kaasuturbiinin tuottama melu on pääasiassa korkeammilla taajuusalueilla, jotka eivät välity yhtä kauas kuin hitaammin pyörivien voimanlähteiden, kuten mäntämoottoreiden tuottamat matalammilla taajuuksilla kuuluvat äänet. Suurin osa turbiinin tuottamasta korkeataajuisesta melusta syntyy ilman sisääntulossa, ja pienempi osa tulee pakokaasusta. Melun lähteet ja vaimennusmenetelmät ovat seuraavat:

Air inlet

Air inlet -äänenvaimennin on suunniteltava erityisesti kaasuturbiinin meluprofiilin ja sijoituspaikan vaatimusten mukaisesti. Tämä äänenvaimennin asennetaan ilman sisääntulokanavistoon ilmansuodattimen ja turbiinin ilmakompressorin sisääntulon väliin.

Pakokaasu

Pakokaasun äänenvaimennin on suunniteltava erityisesti kaasuturbiinin meluprofiilin ja paikan vaatimusten mukaisesti. Pakokaasupiipun korkeus yhdessä äänenvaimentimen kanssa on tärkeä näkökohta. Kuumien pakokaasujen johtaminen mahdollisimman korkealle vähentää mitattavaa melua maanpinnan tasolla, ja sen lisäetuna on myös se, että kuumien pakokaasujen kierrätys takaisin ilmanottoaukkoon on vähäisempää. Turbiinin pakokaasun painehäviö (vastapaine) vaikuttaa suuresti kaasuturbiinin suorituskykyyn.

Kotelo/vaihdelaatikko/käyttökoneisto

Ääntä vaimentava(t) kotelo(t) voidaan asentaa suoraan laitteiston päälle, kuten jalaksille asennettavat kävelevät kotelot, tai laitteiston sisältävä rakennus, joka on eristetty vaatimusten mukaisesti, tai molemmat.

Öljynjäähdytin

Yleisin menetelmä öljyn jäähdyttämiseen on ilmanvaihtimen/puhaltimen jäähdytin. Nämä tuottavat puhaltimen melua, jota voidaan säätää puhaltimen kärkinopeudella. Vaippa- ja putkivesijäähdyttimien käyttö voi olla melutehokasta, jos jäähdytysaine on saatavilla.

Kaasuturbiinityypit

Turbiinirakenteet voidaan erottaa toisistaan seuraavasti:

• Käyttötapa
• Polttimotyypit
• Akselikonstruktio
• Pakkausaste

Käyttötapa

Lentokoneturbiinimoottorit

Lentokoneturbiinimoottorit tai suihkumoottorit suunnitellaan rakenteeltaan pitkälle kehitetyllä tavalla kevyiksi nimenomaan lentokoneiden voimanlähteeksi. Näissä rakenteissa vaaditaan maksimaalista hevosvoimaa tai työntövoimaa minimaalisella painolla ja maksimaalisella polttoainetehokkuudella. Lentokoneturbiineissa on rullalaakerit ja korkeat polttolämpötilat, jotka edellyttävät eksoottista metallurgiaa. Niitä voidaan käyttää rajoitetulla polttoainevalikoimalla. Kun suihkumoottoria käytetään teollisessa sovelluksessa, se on kytkettävä itsenäiseen tehoturbiiniin akselitehon tuottamiseksi.

Raskas teollisuuskaasuturbiinimoottorit

Raskas teollisuuskaasuturbiinimoottoreiden perusrakenneparametrit ovat kehittyneet teollisista höyryturbiineista, joissa on hitaammat kierrosluvut, raskaammat roottorit ja suuremmat kotelot kuin suihkumoottoreissa pidemmän käyttöiän takaamiseksi. Näissä kaasuturbiineissa voidaan polttaa mitä erilaisimpia nestemäisiä tai kaasumaisia polttoaineita.

Kevyet teollisuuskaasuturbiinimoottorit

Lentokoneturbiineissa käytetyt perussuunnitteluparametrit ja -tekniikka voidaan yhdistää joihinkin raskaiden teollisuuskaasuturbiinien suunnittelunäkökohtiin, jolloin saadaan aikaan kevyempi teollisuusturbiini, jonka käyttöikä lähestyy raskaiden teollisuuskaasuturbiinien käyttöikää. Näitä moottoreita kutsutaan kevyiksi teollisuuskaasuturbiinimoottoreiksi.

Polttimotyypit

Radiaalinen tai rengasmainen polttimo

Tämä polttimo ympäröi kaasuturbiinin pyörivät osat ja on kiinteä osa moottorin koteloa (kuva 6). Lentokoneturbiinit ja kevyen teollisuuden kaasuturbiinit käyttävät tätä rakennetta.

• 

  Kuva 6-Tyypillinen kaasuturbiinin leikkauskuva.

Kannupoltin

Tämä on yksi- tai monipolttojärjestelmä, joka on erotettu pyörivästä turbiinista ulkoisina polttokannuina (kuva 7). Tämäntyyppistä polttolaitetta käyttävissä malleissa voidaan polttaa laajempaa polttoainevalikoimaa.

• 

  Kuva 7-Tyypillinen kaasuturbiini, jossa on tölkkipolttolaite (leikkaus).

Akselikonfiguraatio

Yksi akseli

Gasuturbiini voi olla joko yksiakselinen tai kaksiakselinen. Yksiakselisessa rakenteessa on yksi akseli, joka yhdistää ilmakompressorin, kaasuntuottajaturbiinin ja tehoturbiinin yhdeksi pyöriväksi elementiksi (kuva 1). Tämä rakenne soveltuu parhaiten vakionopeuksisiin sovelluksiin, kuten sähkögeneraattoreiden käyttämiseen vakiotaajuudella.

Kaksiaksiakselinen

Kaksiaksiakselisessa rakenteessa ilmakompressori ja kaasuntuottaja ovat yhdellä akselilla ja tehoturbiini toisella itsenäisellä akselilla. Tämä rakenne tarjoaa nopeusjoustavuutta, jota tarvitaan, jotta voidaan tehokkaammin kattaa ajettavan laitteen laajempi suorituskykykartta. Näin kaasuntuottaja voi toimia nopeudella, joka on tarpeen käytettävien laitteiden, kuten keskipakokompressorien tai pumppujen, tarvitseman hevosvoiman kehittämiseksi. Kuvassa 6 on leikkauskuva tyypillisestä kaksiakselisesta kaasuturbiinista. Tärkeimpiä komponentteja ovat kompressori, polttojärjestelmä, kaasuntuottajaturbiini ja tehoturbiini. Tämä rakenne sisältää kaksivaiheisen kaasuntuottajaturbiinin ja kaksivaiheisen tehoturbiinin.

Pakkausaste

Normi useimmille teollisuudessa käytettäville kaasuturbiineille muodostuu kaasuturbiinin sisällyttämisestä perusrunkoon/kehikkoon, jossa on kaikki perustoimintayksikön tarvitsemat komponentit. Tähän kuuluvat sellaiset järjestelmät kuin:

• Käynnistysjärjestelmä
• Polttoainejärjestelmä
• Voitelujärjestelmä
• Paikalliset säätimet
• Jossain tapauksissa vaihdelaatikko ja käyttökoneet

Lisäiset toiminnallisesti tarvittavat järjestelmät ovat yleensä kaikki erillisiä valmiiksi suunniteltuja pakattuja järjestelmiä, jotka turbiinivalmistaja voi toimittaa ja mukauttaa. Tähän luokkaan kuuluvat esimerkiksi seuraavat järjestelmät:

• ilman sisääntulon suodatus/vaimennus
• öljynjäähdyttimet
• kauko-ohjausjärjestelmät
• äänenvaimennetut kotelot
• pakokaasun äänenvaimentimet

pakokaasupäästöt

Ympäristön pilaantuminen ilmakehän kaasumaisten epäpuhtauksien vaikutuksesta on tärkeä ympäristöongelma. Kaasuturbiinin perussyklin rakenne mahdollistaa puhtaamman palamisen ja tuottaa vähemmän epäpuhtauksia kuin muut voimanlähteet, mikä on merkittävä etu. Kaasuturbiinien epäpuhtauksia, joita tyypillisesti säännellään, ovat:

• Typen oksidit
• Hiilimonoksidi
• Palamattomat hiilivedyt
• hiukkaset
• Rikkidioksidi

Ratkaisu joihinkin, mutta ei kaikkiin, näistä epäpuhtausongelmista löytyy kaasuturbiinien polttolaitteesta. Seuraavassa käsitellään lyhyesti.

Typen oksidit (NOx)

Seitsemästä typen oksidista vain kahta säännellään: NO ja NO2, joita kutsutaan yhdessä NOx:ksi. Lähes kaikki polttomoottoreiden päästöongelmat liittyvät NOx:n tuotantoon ja NOx:n valvontaan. Kaasuturbiini on suhteellisen puhdas verrattuna muihin käyttövoimiin. Esimerkiksi maakaasua polttavat kaasuturbiinit tuottavat yleensä 4-12 kertaa vähemmän NOx:a tehoyksikköä kohti kuin mäntämoottorit. NOx on kuitenkin tärkein tekijä kaasuturbiinilaitosten sallimisessa.

Hiilimonoksidi (CO)

CO on myös hyvin alhaisella tasolla turbiinin pakokaasussa, koska palamisprosessissa on ylimääräistä ilmaa. Siksi se ei yleensä ole ongelma. Kuitenkin joillakin alueilla, joilla ympäristön CO-pitoisuus on erittäin korkea tai kun kaasuturbiinissa käytetään vesiruiskutusta NOx:n valvontaan, CO voi olla tekijä lupien saamisessa.

Polttamattomat hiilivedyt (UHC)

Toisin kuin mäntämoottorit, jotka tuottavat merkittävän määrän UHC:tä, kaasuturbiinit tuottavat vain vähän UHC:tä, koska kaasuturbiinin polttoprosessiin sisältyvä suuri ylimääräinen ilmamäärä polttaa melkeinpä kaikki hiilivedyt kokonaan. Näin ollen UHC-päästöt ovat harvoin merkittävä tekijä kaasuturbiinien ympäristölupien saamisessa.

Hiukkaset

Hiukkasten mittaustekniikoita, jotka tuottaisivat mielekkäitä tuloksia kaasuturbiinien pakokaasuista, ei ole vielä kehitetty. Tämä on harvoin tekijä kaasuturbiinien lupien saamisessa, kun kaasuturbiinissa poltetaan puhtaita polttoaineita.

Rikkidioksidi (SO2)

Lähes kaikki polttoainetta polttavat laitteet, myös kaasuturbiinit, muuttavat kaiken polttoaineen sisältämän rikin SO2:ksi. Tämä tekee SO2:sta pikemminkin polttoaineongelman kuin turbiinin ominaisuuksiin liittyvän ongelman. Ainoa tehokas tapa hallita SO2:ta on rajoittaa polttoaineen sisältämän rikin määrää tai poistaa SO2 pakokaasuista märkäpesuprosessin avulla.

Päästöjen hallinta

Tarve täyttää tai ylittää liittovaltion, osavaltioiden ja paikallisten määräysten asettamat päästönormit on pakottanut teollisten kaasuturbiinivalmistajien kehittämään puhtaammin palavia turbiineja. On kehitetty kuivapäästöjärjestelmiä, joissa on laihan esisekoituspolttoaineen ruiskutussuuttimet, erityinen polttotekniikka ja säätimet NOx- ja CO-päästöjen vähentämiseksi luomalla alhaisemmat liekin maksimilämpötilat ja hiilivetypolttoaineiden täydellisempi hapettuminen. Kaikilla teollisuuden kaasuturbiinivalmistajilla on kuivia vähäpäästöisiä tuotteita. Suorituskyky vaihtelee tuotekohtaisesti, koska polttimen suunnittelussa on eroja.

Nämä laihapolttojärjestelmät vähentävät NOx:n ja CO:n muodostumisen hyvin alhaiselle tasolle, jolloin ei ole tarpeen käyttää kalliita ja huoltoa vaativia katalysaattoreita NOx:n ja CO:n poistamiseksi niiden muodostumisen jälkeen. Joidenkin kaasuturbiinien kohdalla voi olla tarpeen käyttää valikoivia katalysaattoreita, jotta NOx- ja CO-päästöjä voidaan vähentää entisestään. Kaasuturbiinin polttoaineena käytetään puhdasta kuivaa maakaasua, joka tuottaa puhtainta pakokaasua.

Pakokaasun lämpö

Kaasuturbiineissa suurin osa syklin lämpöhäviöstä poistuu pakokaasun kautta. Tämä lämpö voidaan ottaa talteen ja käyttää poltetun polttoaineen kokonaislämpöhyötysuhteen parantamiseen. Yleisin pakokaasulämmön käyttötapa on höyryn tuottaminen.

Käyttäkää tätä kohtaa tekstissä viitattujen kohtien lainaamiseen, jotta voitte osoittaa lähteenne.

Noteworthy papers in OnePetro

Käytä tätä osiota luetellaksesi OnePetrossa olevia artikkeleita, jotka lukijan, joka haluaa oppia lisää, tulisi ehdottomasti lukea

Käytä tätä osiota antaaksesi linkkejä asiaankuuluvaan aineistoon muilla sivustoilla kuin PetroWikissä ja OnePetrossa

Katso myös

Prime movers

Reciprocating engines

PEH:Prime_Movers