Gasturbinemotoren

Gasturbines variëren in grootte van microturbines bij < 50 pk (37,3 kW) tot grote industriële turbines van > 250.000 pk (190 kW). Deze pagina richt zich op de gasturbinemotor, de verschillen tussen typen turbines, en punten waarmee rekening moet worden gehouden wanneer ze als prime mover worden toegepast.

Proces

Zoals in Fig. 1 en Fig. 2 is te zien, is de “open” Brayton-cyclus de thermodynamische cyclus voor alle gasturbines. Deze cyclus bestaat uit:

• Adiabatische compressie
• Contstante drukverwarming
• Adiabatische expansie

De gasturbine is opgebouwd uit de volgende componenten:

• Een luchtcompressor
• Een verbrandingsmotor
• Een aandrijfturbine, die het vermogen produceert om de luchtcompressor en de uitgaande as aan te drijven

• 

  Fig. 1-Gesimplificeerd schema van een gasturbine met enkelvoudige cyclus.

• 

  Fig. 2-Typische “open” Brayton-cyclus voor gasturbines.

De lucht komt de compressorinlaat binnen bij omgevingscondities (punt 1), wordt samengeperst (punt 2) en gaat door het verbrandingssysteem, waar hij wordt gecombineerd met brandstof en wordt “gestookt” tot de maximale cyclustemperatuur (punt 3). De verwarmde lucht wordt geëxpandeerd door het gasproducerende turbinegedeelte (tussen de punten 3 en 5), waar de energie van de werkvloeistof wordt onttrokken om vermogen op te wekken voor de aandrijving van de compressor, en geëxpandeerd door de vermogensturbine om de belasting aan te drijven (punt 7). De lucht wordt vervolgens afgevoerd naar de atmosfeer. Een startsysteem wordt gebruikt om de luchtcompressor op voldoende snelheid te brengen om lucht te leveren voor verbranding met de brandstof die in de verbrandingskamer wordt geïnjecteerd. De continue verbrandingscyclus van een turbine, gecombineerd met de continue rotatie van de turbinerotor, maakt een vrijwel trillingsvrije werking mogelijk, evenals minder bewegende delen en slijtagepunten dan andere prime movers.

Ontwerpoverwegingen en werking

Maximale cyclustemperatuur, TRIT

Het uitgangsvermogen van een gasturbine kan worden verhoogd door de maximale cyclustemperatuur te verhogen. De maximale cyclustemperatuur wordt aangeduid met TRIT, wat staat voor turbine rotor inlaattemperatuur. API 616 definieert nominale verbrandingstemperatuur als de door de verkoper berekende turbine-inlaattemperatuur (TIT) onmiddellijk stroomopwaarts van de rotor van de eerste trap van de turbine voor continue werking bij nominaal vermogen. TRIT wordt onmiddellijk stroomopwaarts van de eerste-trapsturbinerotorrotor berekend en omvat de berekende effecten van koellucht en temperatuurdaling over de eerste-trapstatorschoepen.

Luchtstroom

Het uitgangsvermogen van een gasturbine kan ook worden verhoogd door de massastroom van lucht door de gasturbine te verhogen. De geometrie van de gasturbine, met name de compressor, en de snelheid van de compressor dicteren de basismassastroom van de lucht. Een verhoging van het debiet vereist een verhoging van het toerental, dat beperkt is tot het maximale continu werkende toerental van een bepaald ontwerp. Bij een bepaald toerental neemt de luchtmassastroom toe door een toename van de inlaatluchtdichtheid. De inlaatluchtdichtheid neemt rechtstreeks toe met de barometerdruk en omgekeerd met de omgevingstemperatuur.

De belangrijkste parameters die het uitgangsvermogen beïnvloeden zijn snelheid en TRIT voor elk gegeven mechanisch/aerodynamisch ontwerp. Verhoging van een van deze parameters verhoogt het uitgangsvermogen van de gasturbine. Snelheid en temperatuur kunnen worden gedicteerd door het gewenste uitgangsvermogen en de gewenste warmtesnelheid binnen de beperkingen die door de volgende factoren worden opgelegd:

• levensduur van de onderdelen
• kosten
• technische haalbaarheid

Snelheidsbeperkingen

Als de snelheid van een gasturbine toeneemt, nemen de centrifugale krachten op de roterende onderdelen toe. Deze krachten verhogen de spanning op de roterende componenten, met name de volgende:

• Schijven
• Messen
• Bladbevestiging aan de schijf

De materialen van de componenten hebben spanningsgrenzen die recht evenredig zijn met hun snelheidsgrenzen en mogen niet worden overschreden. De maximale continue snelheid van het roterende element is dus een functie van:

• Geometrie van de motor
• Materiaaleigenschappen van de componenten
• Veiligheidsontwerpfactoren

Het is de hoogst toelaatbare snelheid voor continue werking.

Temperatuurbeperkingen

Een manier om het uitgangsvermogen te verhogen is de brandstofstroom en dus TRIT te verhogen. Als TRIT toeneemt, werken de hete sectiecomponenten bij hogere metaaltemperaturen, waardoor de tijd tussen inspectie (TBI) van de gasturbine afneemt. Omdat de levensduur van hete sectiematerialen wordt beperkt door spanning bij hoge temperatuur, zijn er beperkingen aan de maximumtemperaturen voor een bepaalde TBI. De levensduur van materialen neemt snel af bij hogere temperaturen. De TBI is een functie van de tijd bij TRIT en de snelheid waarmee TRIT verandert tijdens transiënten zoals opstarten. De kruip- of spanningsbreukgrens wordt vastgesteld door de materiaaleigenschappen als functie van hun spanningsniveau en bedrijfstemperatuur.

Rating point

Een rating point kan worden vastgesteld voor het bepalen van gasturbine prestaties voor gespecificeerde omgevingscondities, kanaalverliezen, brandstof, enz.

De International Standards Organization definieert haar standaardomstandigheden als:

• 59°F
• 1,013 bar
• 60% relatieve vochtigheid zonder verliezen

Dit is een standaard rating point geworden voor het vergelijken van turbines van verschillende fabrikanten en ontwerpen.

Site rating

The site rating is a statement of the basic gas turbine performance under specific site conditions, including:

• Omgevingstemperatuur
• Hoogteligging
• Drukverliezen
• Emissiecontroles
• Brandstof samenstelling
• afname hulpvermogen
• afzuiging compressorlucht
• niveau uitgangsvermogen

Bijv, een stijging van de omgevingstemperatuur vermindert het uitgangsvermogen met een snelheid die door het gasturbineontwerp wordt beïnvloed.

Inlaatluchttemperatuur

Fig. 3 houdt verband met de inlaatluchttemperatuur bij optimaal toerental van de gasturbine voor een voorbeeldgasturbine:

• Uitgangsvermogen
• Brandstofstroom
• Uitlaatluchttemperatuur
• Uitlaatstroom

• 

  Fig. 3-Output power vs. compressor inlet air temperature.

Vergroting turbine-efficiëntie

Simple cycle

Het grootste deel van de mechanische energie die door de turbine aan de gasstroom wordt onttrokken, is nodig om de luchtcompressor aan te drijven, terwijl de rest beschikbaar is om een mechanische belasting aan te drijven. De gasstroomenergie die niet door de turbine wordt onttrokken, wordt als warmte aan de atmosfeer afgegeven.

Recuperatieve cyclus

In de recuperatieve cyclus, ook regeneratieve cyclus genoemd, wordt de perslucht van de compressor voorverwarmd in een warmtewisselaar of recuperator, waarvan de warmtebron de uitlaat van de gasturbine is. De uit de uitlaat overgedragen energie vermindert de hoeveelheid energie die door de brandstof moet worden toegevoegd. In fig. 4 wordt de brandstofbesparing weergegeven door het gearceerde gebied onder 2 tot 2′. De drie belangrijkste ontwerpen die in stationaire recuperatoren worden gebruikt, zijn de:

• Plaatvin
• Schaal en buis
• Primair oppervlak

• 

  Fig. 4-Recuperatiecyclus.

Gecombineerde cyclus

Door toevoeging van een stoom-bodemcyclus aan de Brayton-cyclus wordt de uitlaatwarmte gebruikt om extra paardenkracht te produceren, die kan worden gebruikt in een gemeenschappelijke belasting, zoals getoond in fig. 5, of voor een afzonderlijke belasting. Het gearceerde gebied geeft de extra energie-input weer.

• 

  Fig. 5-Gecombineerde cyclus.

Luchtinlaatsysteem

Inlaatluchtfiltratie. De kwaliteit van de lucht die de gasturbine binnenkomt, is een zeer belangrijke ontwerpoverweging. Het rendement van de turbine neemt na verloop van tijd af door afzettingen op het interne stromingstraject van de turbine en op de draaiende schoepen. Deze afzetting leidt tot meer onderhoud en brandstofverbruik. Het selecteren en onderhouden van het juiste inlaatluchtfiltratiesysteem voor de specifieke omstandigheden ter plaatse zal van invloed zijn op de snelheid waarmee het rendement in de loop der tijd afneemt.

Drukval

Het is van cruciaal belang om de drukval van de lucht die door de inlaatluchtkanalen gaat tot een minimum te beperken: Inlaatkanaal Inlaatluchtfilter Inlaatgeluidsdemper (zie Geluidsdemping hieronder)

Drukverlies op de atmosferische lucht die de turbine binnenkomt, heeft grote invloed op de prestaties van de gasturbine.

Geluidsdemping

Het door een gasturbine geproduceerde geluid zit voornamelijk in de hogere frequentiebereiken, die niet zo ver worden doorgegeven als de lagere frequentiegeluiden die worden geproduceerd door prime movers met een lagere snelheid, zoals zuigermotoren. Het meeste hoogfrequente lawaai dat door de turbine wordt geproduceerd, wordt in de luchtinlaat gegenereerd, en een kleiner deel komt uit de uitlaat. De geluidsbronnen en de dempingsmethode zijn als volgt:

Luchtinlaat

De inlaatgeluiddemper moet specifiek worden ontworpen voor het geluidsprofiel van de gasturbine en de vereisten ter plaatse. Deze geluiddemper wordt geïnstalleerd in het luchtinlaatkanaal tussen het luchtfilter en de inlaat van de turbine-luchtcompressor.

Uitlaat

De uitlaatgeluiddemper moet speciaal worden ontworpen voor het geluidsprofiel van de gasturbine en de vereisten ter plaatse. De hoogte van de uitlaatpijp in combinatie met de geluiddemper is een belangrijke overweging. Het zo hoog mogelijk afvoeren van de hete uitlaatgassen vermindert het meetbare geluid op grondniveau en heeft als bijkomend voordeel dat de kans op recirculatie van de hete uitlaatgassen terug naar de luchtinlaat wordt verkleind. Drukverlies (tegendruk) op de uitlaat van de turbine heeft een grote invloed op de prestaties van de gasturbine.

Behuizing/tandwielkast/aangedreven apparatuur

Geluiddempende omkasting(en) kan (kunnen) direct boven de apparatuur worden geïnstalleerd, zoals skid-mounted walk-in omkasting of een gebouw met daarin de apparatuur die is geïsoleerd om aan de eisen te voldoen, of beide.

Oliekoeler

De meest gebruikelijke methode om de olie te koelen is het gebruik van luchtwisselaar/ventilatorkoelers. Deze produceren ventilatorgeluid dat kan worden geregeld met de ventilatortipsnelheid. Het gebruik van shell and tube waterkoelers kan geluidsefficiënt zijn als het koelmedium beschikbaar is.

Typen gasturbines

Turbineontwerpen kunnen worden onderscheiden door:

• Type dienst
• Combustortypes
• Shaft configuration
• Degraad van verpakking

Types dienst

Aircraft turbine motoren

Aircraft turbine motoren of straalmotoren zijn ontworpen met een zeer geavanceerde constructie voor een licht gewicht specifiek voor het aandrijven van vliegtuigen. Deze ontwerpen vereisen maximale paardenkracht of stuwkracht met minimaal gewicht en maximale brandstofefficiency. Vliegtuigturbines hebben rollagers en hoge verbrandingstemperaturen waarvoor exotische metallurgie nodig is. Zij kunnen werken op een beperkte variatie van brandstoffen. Wanneer een straalmotor in een industriële toepassing wordt gebruikt, moet hij aan een onafhankelijke aandrijfturbine worden gekoppeld om asvermogen te produceren.

Zware industriële gasturbinemotoren

De basisontwerpparameters voor zware industriële gasturbinemotoren zijn geëvolueerd van industriële stoomturbines die lagere toerentallen, zware rotors en grotere behuizingen hebben dan straalmotoren om een langere levensduur te verzekeren. Deze gasturbines kunnen het breedste scala van vloeibare of gasbrandstoffen verbranden.

Lichte industriële gasturbinemotoren

De basisontwerpparameters en technologie die in vliegtuigturbines worden gebruikt, kunnen worden gecombineerd met enkele ontwerpaspecten van zware industriële gasturbines om een lichtere industriële turbine te produceren met een levensduur die die van een zware industriële gasturbine benadert. Deze motoren worden lichte industriële gasturbinemotoren genoemd.

Verbrandertypes

Radiale of ringvormige verbrandingsmotor

Deze verbrandingsmotor omringt de roterende delen van de gasturbine en maakt integraal deel uit van de motorbehuizing (Fig. 6). Voor vliegtuigturbines en lichte industriële gasturbines wordt dit ontwerp gebruikt.

• 

  Fig. 6-Typische doorsnede van de gasturbine.

Kan-verbrander

Dit is een enkel- of meervoudige verbrandingsinstallatie die van de roterende turbine is gescheiden als externe verbrandingskanalen (fig. 7). Ontwerpen met dit type verbrandingskamer kunnen een breder scala van brandstoffen verbranden.

• 

  Fig. 7-Typische gasturbine met blikverbrandingskamer (uitsnede).

Schachtconfiguratie

Een enkele as

De gasturbine kan zowel met een enkele as als met twee assen zijn ontworpen. Het ontwerp met één as bestaat uit één as die de luchtcompressor, de gasproducerende turbine en de vermogensturbine als één roterend element verbindt (Fig. 1). Dit ontwerp is het meest geschikt voor toepassingen met constante snelheid, zoals het aandrijven van elektrische generatoren voor een constante frequentie.

Twee assen

Het ontwerp met twee assen heeft de luchtcompressor en de gasproducentturbine op één as en de krachtturbine op een tweede onafhankelijke as. Dit ontwerp biedt de snelheidsflexibiliteit die nodig is om een breder vermogensbereik van de aangedreven apparatuur efficiënter te bestrijken. Hierdoor kan de gasproducent werken op het toerental dat nodig is om het vermogen te ontwikkelen dat nodig is voor de aangedreven apparatuur, zoals centrifugaalcompressoren of pompen. Fig. 6 toont een uitsnede van een typische gasturbine met twee schachten. De belangrijkste onderdelen zijn de compressor, het verbrandingssysteem, de gasturbine en de aandrijfturbine. Dit ontwerp omvat een tweetraps gasproducerende turbine en een tweetraps vermogensturbine.

Graad van verpakking

De norm voor de meeste gasturbines die in de industrie worden gebruikt, bestaat uit het inbouwen van de gasturbine in een basisframe/-sokkel met alle componenten die nodig zijn voor de operationele basiseenheid. Dit omvat systemen zoals het:

• Startsysteem
• Brandstofsysteem
• Smeringssysteem
• Lokale besturingselementen
• In sommige gevallen de tandwielkast en de aangedreven apparatuur

Aanvullende operationeel vereiste systemen zijn alle over het algemeen afzonderlijke pre-engineered verpakte systemen die door de turbinefabrikant kunnen worden geleverd en op maat kunnen worden gemaakt. Inbegrepen in deze categorie zijn systemen zoals:

• Filtratie/afscherming van de luchtinlaat
• Oliekoelers
• Remote control systems
• Geluiddempende omkastingen
• Uitlaatgeluiddempers

Uitlaatemissies

Verslechting van de atmosfeer door gasvormige verontreinigingen is een belangrijk milieuprobleem. Het ontwerp van de gasturbine met basiscyclus geeft een schonere verbranding en produceert een lager niveau van verontreinigende stoffen in vergelijking met andere prime movers, wat een groot voordeel is. De verontreinigende stoffen in gasturbines waarvoor gewoonlijk regelgeving bestaat, zijn:

• Stikstofoxiden
• Koolmonoxide
• Onverbrande koolwaterstoffen
• Partikikels
• Zwaveldioxide

De oplossing voor sommige, maar niet alle, verontreinigingsproblemen ligt in de verbrandingskamer van de gasturbine. Hieronder volgt een korte bespreking.

Stikstofoxiden (NOx)

Nauwelijks twee van de zeven stikstofoxiden zijn gereguleerd: NO en NO2, gezamenlijk NOx genoemd. Bijna alle emissiekwesties waarbij prime movers betrokken zijn, hebben betrekking op NOx-productie en NOx-controle. De gasturbine is relatief schoon in vergelijking met andere prime movers. Zo produceren gasturbines die op aardgas werken over het algemeen 4 tot 12 maal minder NOx per vermogenseenheid dan zuigermotoren. NOx is echter de belangrijkste factor bij het toestaan van gasturbine-installaties.

Koolmonoxide (CO)

CO is ook op een zeer laag niveau in turbine-uitlaat vanwege de overmaat lucht in het verbrandingsproces. Daarom is het gewoonlijk geen probleem. In sommige gebieden waar het omgevingsniveau van CO extreem hoog is of wanneer waterinjectie wordt gebruikt voor NOx-controle in de gasturbine, kan CO echter een factor zijn bij het verkrijgen van vergunningen.

Verbrande koolwaterstoffen (UHC)

In tegenstelling tot zuigermotoren die een aanzienlijke hoeveelheid UHC produceren, produceren gasturbines een lage hoeveelheid UHC omdat de grote hoeveelheid overtollige lucht die bij het verbrandingsproces van de gasturbine betrokken is, bijna alle koolwaterstoffen volledig verbrandt. Bijgevolg zijn UHC-emissies zelden een factor van betekenis bij het verkrijgen van milieuvergunningen voor gasturbines.

deeltjes

Er zijn geen meettechnieken voor deeltjes geperfectioneerd die zinvolle resultaten opleveren voor de uitlaatgassen van gasturbines. Dit is zelden een factor bij het verkrijgen van vergunningen voor gasturbines wanneer schone brandstoffen in de gasturbine worden verbrand.

Zwaveldioxide (SO2)

Bijna alle brandstofverbrandende apparatuur, inclusief gasturbines, zet alle zwavel in de brandstof om in SO2. Hierdoor is SO2 eerder een brandstofprobleem dan een probleem dat verband houdt met de eigenschappen van de turbine. De enige effectieve manier om SO2 te beheersen is door de hoeveelheid zwavel in de brandstof te beperken of door de SO2 uit de uitlaatgassen te verwijderen door middel van een nat wasproces.

Emissiebeheersing

De noodzaak om te voldoen aan de emissienormen van de federale, staats- en plaatselijke voorschriften of deze te overtreffen, heeft de fabrikanten van industriële gasturbines ertoe gebracht schonere turbines te ontwikkelen. Droge emissiesystemen zijn ontwikkeld met arm-premix brandstofinjectoren, speciale verbrandingstechnologie en controles om de uitstoot van NOx en CO te verminderen door lagere maximale vlamtemperaturen en vollediger oxidatie van koolwaterstofbrandstoffen te creëren. Alle fabrikanten van industriële gasturbines hebben droge producten met lage emissies. De prestaties variëren met het individuele product wegens verschillen in verbrandingsontwerp.

Deze “lean-burn” systemen verminderen de vorming van NOx en CO tot zeer lage niveaus, waardoor het gebruik van dure, zeer onderhoudsintensieve katalysatoren om NOx en CO te elimineren nadat zij zijn gevormd, overbodig wordt. In gebieden met een extreem hoog emissieniveau kan het bij sommige gasturbines nodig zijn selectieve katalysatoren te gebruiken om het niveau van NOx en CO nog verder te verlagen. De voorkeursbrandstof voor de gasturbine is schoon droog aardgas, dat de schoonste uitlaat produceert.

Uitlaatwarmte

Bij gasturbines gaat het grootste deel van het warmteverlies van de cyclus via de uitlaat naar buiten. Deze warmte kan worden teruggewonnen en gebruikt om het totale thermische rendement van de verbrande brandstof te verhogen. De meest gebruikte methode voor het gebruik van uitlaatwarmte is de productie van stoom.

Gebruik deze sectie voor het citeren van items waarnaar in de tekst wordt verwezen om je bronnen te laten zien.

Noteworthy papers in OnePetro

Gebruik deze sectie om papers in OnePetro op te sommen die een lezer die meer wil weten zeker zou moeten lezen

Gebruik deze sectie om links te geven naar relevant materiaal op andere websites dan PetroWiki en OnePetro

Zie ook

Prime movers

Reciprocating engines

PEH:Prime_Movers