Silniki turbin gazowych

Turbiny gazowe różnią się wielkością od mikroturbin o mocy < 50 KM (37,3 kW) do dużych turbin przemysłowych o mocy > 250 000 KM (190 kW). Ta strona koncentruje się na silniku turbiny gazowej, różnicach pomiędzy typami turbin i elementach, które należy rozważyć, gdy są one stosowane jako główny napęd.

Proces

Jak pokazano na Rys. 1 i Rys. 2, „otwarty” cykl Braytona jest cyklem termodynamicznym dla wszystkich turbin gazowych. Cykl ten składa się z:

• sprężania adiabatycznego
• ogrzewania pod stałym ciśnieniem
• rozszerzania adiabatycznego

Turbina gazowa składa się z następujących elementów:

• Sprężarka powietrza
• Palnik
• Turbina energetyczna, która wytwarza energię do napędu sprężarki powietrza i wału wyjściowego

• 

  Fig. 1-Schemat turbiny gazowej w cyklu prostym.

• 

  Fig. 2-Typowy „otwarty” cykl Braytona dla turbin gazowych.

Powietrze wchodzi na wlot sprężarki w warunkach otoczenia (punkt 1), jest sprężane (punkt 2) i przechodzi przez układ spalania, gdzie jest łączone z paliwem i „wypalane” do maksymalnej temperatury cyklu (punkt 3). Ogrzane powietrze jest rozprężane w sekcji turbiny producenta gazu (pomiędzy punktami 3 i 5), gdzie energia płynu roboczego jest pobierana w celu wytworzenia energii do napędzania sprężarki, a następnie rozprężane przez turbinę mocy w celu napędzania obciążenia (punkt 7). Powietrze jest następnie odprowadzane do atmosfery. Układ rozruchowy służy do rozpędzenia sprężarki powietrza do prędkości wystarczającej do dostarczenia powietrza do spalania z paliwem wtryskiwanym do komory spalania. Cykl ciągłego spalania w turbinie, w połączeniu z ciągłym obrotem wirnika turbiny, umożliwia praktycznie bezwibracyjną pracę, a także mniejszą liczbę części ruchomych i punktów zużycia niż w przypadku innych napędów głównych.

Rozważania projektowe i eksploatacja

Maksymalna temperatura cyklu, TRIT

Moc wyjściową turbiny gazowej można zwiększyć poprzez zwiększenie maksymalnej temperatury cyklu. Maksymalna temperatura cyklu jest oznaczana jako TRIT, co oznacza temperaturę wlotu wirnika turbiny. API 616 definiuje znamionową temperaturę wypalania jako obliczoną przez sprzedawcę temperaturę wlotu turbiny (TIT) bezpośrednio przed wirnikiem turbiny pierwszego stopnia przy pracy ciągłej z mocą znamionową. TRIT jest obliczana bezpośrednio przed wirnikiem turbiny pierwszego stopnia i obejmuje obliczone efekty chłodzenia powietrza i spadek temperatury przez łopatki statora pierwszego stopnia.

Przepływ powietrza

Moc wyjściowa turbiny gazowej może być również zwiększona przez zwiększenie masowego przepływu powietrza przez turbinę gazową. Geometria turbiny gazowej, w szczególności sprężarki, oraz prędkość obrotowa sprężarki dyktują podstawowy przepływ masowy powietrza. Zwiększenie przepływu wymaga zwiększenia prędkości obrotowej, która jest ograniczona do maksymalnej prędkości pracy ciągłej dla danej konstrukcji. Przy danej prędkości, wzrost gęstości powietrza wlotowego zwiększa masowy przepływ powietrza. Gęstość powietrza wlotowego wzrasta bezpośrednio z ciśnieniem barometrycznym i odwrotnie z temperaturą otoczenia.

Głównymi parametrami wpływającymi na moc wyjściową są prędkość i TRIT dla każdej danej konstrukcji mechanicznej/aerodynamicznej. Zwiększenie któregokolwiek z tych parametrów zwiększa moc wyjściową turbiny gazowej.

• Żywotność komponentów
• Koszt
• Wydajność techniczna

Ograniczenia prędkości

Wraz ze wzrostem prędkości turbiny gazowej zwiększają się siły odśrodkowe działające na obracające się komponenty. Siły te zwiększają naprężenia na obracających się elementach, w szczególności na następujących elementach:

• Tarcze
• Łopatki
• Mocowanie łopatek do tarczy

Materiały, z których wykonane są elementy, mają ograniczenia naprężeń, które są wprost proporcjonalne do ich ograniczeń prędkości i nie powinny być przekraczane. Tak więc maksymalna ciągła prędkość elementu wirującego jest funkcją:

• Geometrii silnika
• Właściwości materiałowych elementów
• Współczynników projektowych bezpieczeństwa

Jest to najwyższa dopuszczalna prędkość dla pracy ciągłej.

Ograniczenia temperaturowe

Jednym ze sposobów zwiększenia mocy wyjściowej jest zwiększenie przepływu paliwa, a tym samym TRIT. Wraz ze wzrostem TRIT, elementy sekcji gorącej pracują w wyższych temperaturach metalu, co skraca czas między przeglądami (TBI) turbiny gazowej. Ponieważ trwałość materiałów części gorącej jest ograniczona przez naprężenia w wysokiej temperaturze, istnieją ograniczenia dotyczące maksymalnych temperatur dla danego TBI. Trwałość materiałów gwałtownie spada przy wyższych temperaturach. TBI jest funkcją czasu w TRIT oraz szybkości zmian TRIT podczas stanów nieustalonych, takich jak rozruch. Granica pełzania lub zerwania naprężeniowego jest ustalana przez właściwości materiału jako funkcja ich poziomu naprężenia i temperatury roboczej.

Punkt znamionowy

Punkt znamionowy może być ustalony w celu określenia wydajności turbiny gazowej dla określonych warunków otoczenia, strat kanałowych, paliwa itp.

Międzynarodowa Organizacja Normalizacyjna definiuje swoje standardowe warunki jako:

• 59°F
• 1,013 bar
• 60% wilgotności względnej bez strat

To stało się standardowym punktem znamionowym do porównywania turbin różnych producentów i konstrukcji.

Ocena miejsca

Ocena miejsca jest stwierdzeniem podstawowej wydajności turbiny gazowej w określonych warunkach miejsca, w tym:

• Temperaturę otoczenia
• Wysokość
• Straty ciśnienia w przewodach
• Kontrole emisji
• Paliwo skład
• Odbiór mocy pomocniczej
• Odbiór powietrza ze sprężarki
• Poziom mocy wyjściowej

Na przykład, wzrost temperatury otoczenia zmniejsza moc wyjściową w tempie zależnym od konstrukcji turbiny gazowej.

Temperatura powietrza wlotowego

Rys. 3 odnosi się do temperatury powietrza wlotowego przy optymalnej prędkości obrotowej turbiny gazowej dla przykładowej turbiny gazowej:

• Moc wyjściowa
• Przepływ paliwa
• Temperatura spalin
• 

  Rys. 3-Moc wyjściowa vs. temperatura powietrza na wlocie do sprężarki.

Zwiększanie sprawności turbiny

Obieg prosty

Większość energii mechanicznej pobranej ze strumienia gazu przez turbinę jest wymagana do napędzania sprężarki powietrza, a pozostała część jest dostępna do napędzania obciążenia mechanicznego. Energia strumienia gazu, która nie jest pobierana przez turbinę, jest odrzucana do atmosfery w postaci ciepła.

Obieg rekuperacyjny

W obiegu rekuperacyjnym, zwanym również regeneracyjnym, powietrze wylotowe ze sprężarki jest wstępnie podgrzewane w wymienniku ciepła lub rekuperatorze, którego źródłem ciepła są spaliny turbiny gazowej. Energia przekazana ze spalin zmniejsza ilość energii, która musi być dodana przez paliwo. Na rys. 4 oszczędność paliwa jest przedstawiona jako obszar zacieniony poniżej 2 do 2′. Trzy podstawowe konstrukcje stosowane w rekuperatorach stacjonarnych to:

• Płytka żebrowa
• Płaszcz i rura
• Powierzchnia pierwotna
• 

  Rys. 4 – Cykl rekuperacyjny.

Cykl kombinowany

Dodanie parowego cyklu dołu do cyklu Braytona wykorzystuje ciepło spalin do produkcji dodatkowej mocy, która może być wykorzystana we wspólnym obciążeniu, jak pokazano na rys. 5, lub do oddzielnego obciążenia. Obszar zacieniony przedstawia dodatkowy pobór energii.

• 

  Rys. 5-Cykl kombinowany.

Układ wlotu powietrza

Filtracja powietrza wlotowego. Jakość powietrza wchodzącego do turbiny gazowej jest bardzo ważnym czynnikiem projektowym. Wydajność turbiny spada z czasem z powodu gromadzenia się osadów na wewnętrznej ścieżce przepływu turbiny i obracających się łopatkach. Osady te prowadzą do zwiększonej konserwacji i zużycia paliwa. Wybór i utrzymanie odpowiedniego systemu filtracji powietrza wlotowego dla konkretnych warunków w miejscu instalacji wpłynie na tempo spadku wydajności w czasie.

Spadek ciśnienia

Krytyczne jest zminimalizowanie spadku ciśnienia powietrza przechodzącego przez: Kanały wlotowe Filtr powietrza wlotowego Tłumik wlotowy (patrz Tłumienie hałasu poniżej)

Straty ciśnienia na powietrzu atmosferycznym wchodzącym do turbiny w znacznym stopniu wpływają na wydajność turbiny gazowej.

Tłumienie hałasu

Hałas wytwarzany przez turbinę gazową dotyczy przede wszystkim zakresów wyższych częstotliwości, które nie są przenoszone tak daleko, jak hałasy o niższych częstotliwościach wytwarzane przez wolniej obracające się maszyny główne, takie jak silniki tłokowe. Większość hałasu o wysokiej częstotliwości wytwarzanego przez turbinę jest generowana we wlocie powietrza, a mniejsza ilość pochodzi z wydechu. Źródła hałasu i metody tłumienia są następujące:

Wlot powietrza

Tłumik wlotowy powinien być specjalnie zaprojektowany do profilu hałasu turbiny gazowej i wymagań miejsca. Tłumik ten jest instalowany w kanale wlotu powietrza pomiędzy filtrem powietrza a wlotem sprężarki powietrza turbiny.

Wydech

Tłumik wydechu powinien być specjalnie zaprojektowany do profilu hałasu turbiny gazowej i wymagań miejsca. Wysokość komina wydechowego w połączeniu z tłumikiem jest ważnym czynnikiem. Odprowadzanie gorących gazów spalinowych tak wysoko, jak to tylko możliwe, zmniejsza mierzalny hałas na poziomie gruntu oraz ma dodatkową korzyść w postaci zmniejszenia szansy na recyrkulację gorących spalin z powrotem do wlotu powietrza. Strata ciśnienia (ciśnienie wsteczne) na wylocie z turbiny znacząco wpływa na wydajność turbiny gazowej.

Obudowa/skrzynia przekładniowa/urządzenia napędowe

Obudowa(y) tłumiąca(e) dźwięki może(gą) być zainstalowana bezpośrednio nad urządzeniami, takimi jak montowane na płozach obudowy typu walk-in lub budynek zawierający urządzenia izolowane tak, aby spełniały wymagania lub oba te elementy.

Chłodnica oleju

Najczęściej stosowaną metodą chłodzenia oleju jest użycie wymienników powietrza/chłodnic wentylatorowych. Generują one hałas wentylatora, który może być kontrolowany za pomocą prędkości obrotowej końcówki wentylatora. Zastosowanie chłodnic wodnych płaszczowo-rurowych może być efektywne pod względem hałasu, jeśli dostępne jest medium chłodzące.

Typy turbin gazowych

Konstrukcje turbin mogą być rozróżniane przez:

• Rodzaj pracy
• Rodzaje palnika
• Konfigurację wału
• Stopień upakowania

Typy pracy

Silniki turbinowe lotnicze

Silniki turbinowe lotnicze lub silniki odrzutowe są projektowane z wysoce zaawansowaną konstrukcją dla uzyskania niskiej masy specjalnie do napędzania samolotów. Te projekty wymagają maksymalnej mocy lub ciągu przy minimalnej wadze i maksymalnej wydajności paliwa. Turbiny lotnicze mają łożyska wałeczkowe i wysokie temperatury spalania wymagające egzotycznej metalurgii. Mogą być zasilane ograniczoną liczbą paliw. Kiedy silnik odrzutowy jest używany w zastosowaniach przemysłowych, musi być sprzężony z niezależną turbiną mocy, aby wytworzyć moc na wale.

Ciężkie przemysłowe silniki turbinowe

Podstawowe parametry konstrukcyjne ciężkich przemysłowych silników turbinowych wyewoluowały z przemysłowych turbin parowych, które mają wolniejsze prędkości, ciężkie wirniki i większe obudowy niż silniki odrzutowe, aby zapewnić dłuższą żywotność. Te turbiny gazowe są zdolne do spalania najszerszego zakresu paliw płynnych lub gazowych.

Lekkie przemysłowe silniki turbinowe

Podstawowe parametry konstrukcyjne i technologie stosowane w turbinach lotniczych mogą być połączone z niektórymi aspektami konstrukcyjnymi ciężkich przemysłowych turbin gazowych w celu wytworzenia lżejszej turbiny przemysłowej o żywotności zbliżonej do ciężkiej przemysłowej turbiny gazowej. Silniki te nazywane są lekkimi przemysłowymi turbinami gazowymi.

Rodzaje spalania

Spalacz promieniowy lub pierścieniowy

Spalacz ten otacza wirujące części turbiny gazowej i jest zintegrowany z obudową silnika (Rys. 6). Turbiny lotnicze i lekkie przemysłowe turbiny gazowe wykorzystują tę konstrukcję.

• 

  Rys. 6 – Typowy przekrój turbiny gazowej.

Palnik kanałowy

Jest to układ jedno- lub wielospalinowy oddzielony od obracającej się turbiny w postaci zewnętrznych puszek spalania (Rys. 7). Konstrukcje wykorzystujące ten typ palnika mogą spalać szerszy zakres paliw.

• 

  Rys. 7-Typowa turbina gazowa z palnikiem puszki (przekrój).

Konfiguracja wału

Jeden wał

Turbina gazowa może mieć konstrukcję jednowałową lub dwuwałową. Konstrukcja jednowałowa składa się z jednego wału łączącego sprężarkę powietrza, turbinę producenta gazu i turbinę mocy jako jeden element obrotowy (Rys. 1). Ta konstrukcja najlepiej nadaje się do zastosowań o stałej prędkości obrotowej, takich jak napędzanie generatorów elektrycznych o stałej częstotliwości.

Dwa wały

Konstrukcja dwuwałowa ma sprężarkę powietrza i producenta gazu na jednym wale, a turbinę mocy na drugim niezależnym wale. Ta konstrukcja zapewnia elastyczność prędkości potrzebną do pokrycia szerszej mapy wydajności napędzanego sprzętu bardziej efektywnie. Dzięki temu producent gazu może pracować z prędkością niezbędną do uzyskania mocy wymaganej przez napędzane urządzenia, takie jak sprężarki odśrodkowe lub pompy. Na rys. 6 pokazano przekrój typowej dwuwałowej turbiny gazowej. Główne podzespoły to sprężarka, układ spalania, turbina wytwarzająca gaz oraz turbina energetyczna. Ta konstrukcja obejmuje dwustopniową turbinę producenta gazu i dwustopniową turbinę mocy.

Stopień upakowania

Norma dla większości turbin gazowych stosowanych w przemyśle polega na włączeniu turbiny gazowej do ramy bazowej/płyty ze wszystkimi elementami wymaganymi dla podstawowej jednostki operacyjnej. Obejmuje to takie układy, jak:

• Układ rozruchowy
• Układ paliwowy
• Układ smarowania
• Układ sterowania lokalnego
• W niektórych przypadkach skrzynia przekładniowa i urządzenia napędzane

Dodatkowe układy wymagane operacyjnie są na ogół oddzielnymi wstępnie zaprojektowanymi układami pakietowymi, które mogą być dostarczane i dostosowywane przez producenta turbiny. Do tej kategorii zalicza się takie systemy jak:

• Filtracja/wyciszanie wlotu powietrza
• Chłodnice oleju
• Układy zdalnego sterowania
• Obudowy tłumiące dźwięki
• Tłumiki spalin

Emisja spalin

Pogorszenie stanu atmosfery przez zanieczyszczenia gazowe jest ważnym problemem środowiskowym. Turbina gazowa dzięki podstawowej konstrukcji cyklu daje czystsze spalanie i wytwarza niższy poziom zanieczyszczeń w porównaniu z innymi napędami, co jest jej główną zaletą. Zanieczyszczenia z turbiny gazowej, które zazwyczaj podlegają regulacjom prawnym, to:

• tlenki azotu
• tlenek węgla
• niespalone węglowodory
• cząstki stałe
• dwutlenek siarki

Rozwiązanie niektórych, ale nie wszystkich, problemów z tymi zanieczyszczeniami leży w komorze spalania turbiny gazowej. Krótkie omówienie poniżej.

Tlenki azotu (NOx)

Tylko dwa z siedmiu tlenków azotu są regulowane: NO i NO2, określane zbiorczo jako NOx. Prawie wszystkie obawy dotyczące emisji związane z napędami pierwszorzędowymi odnoszą się do produkcji NOx i kontroli NOx. Turbina gazowa jest stosunkowo czysta w porównaniu z innymi napędami. Na przykład, turbiny gazowe spalające gaz ziemny generalnie wytwarzają 4 do 12 razy mniej NOx na jednostkę mocy niż silniki tłokowe. Jednak NOx jest głównym czynnikiem przy wydawaniu zezwoleń na instalacje turbin gazowych.

Tlenek węgla (CO)

CO jest również na bardzo niskim poziomie w spalinach z turbin z powodu nadmiaru powietrza w procesie spalania. Dlatego zwykle nie stanowi on problemu. Jednak w niektórych obszarach, gdzie poziom CO jest bardzo wysoki lub gdy wtrysk wody jest stosowany do kontroli NOx w turbinie gazowej, CO może być czynnikiem przy uzyskiwaniu pozwoleń.

Niespalone węglowodory (UHC)

W przeciwieństwie do silników tłokowych, które wytwarzają znaczną ilość UHC, turbiny gazowe wytwarzają niewielką ilość UHC, ponieważ duża ilość nadmiaru powietrza w procesie spalania turbiny gazowej całkowicie spala prawie wszystkie węglowodory. W konsekwencji, emisje UHC rzadko stanowią istotny czynnik w uzyskiwaniu pozwoleń środowiskowych dla turbin gazowych.

Cząstki stałe

Nie udoskonalono żadnych technik pomiaru cząstek stałych, które dawałyby znaczące wyniki w spalinach z turbin gazowych. Jest to rzadko czynnik przy uzyskiwaniu pozwoleń dla turbin gazowych, gdy czyste paliwa są spalane w turbinie gazowej.

Dwutlenek siarki (SO2)

Prawie wszystkie urządzenia spalające paliwo, w tym turbiny gazowe, przekształcają całą siarkę zawartą w paliwie do SO2. To sprawia, że SO2 jest problemem związanym z paliwem, a nie z charakterystyką turbiny. Jedynym skutecznym sposobem kontrolowania SO2 jest ograniczenie ilości siarki zawartej w paliwie lub usunięcie SO2 z gazów spalinowych za pomocą procesu mokrego oczyszczania.

Kontrola emisji

Potrzeba spełnienia lub przekroczenia norm emisji określonych przez federalne, stanowe i lokalne kodeksy wymusiła na producentach przemysłowych turbin gazowych opracowanie turbin o czystszym spalaniu. Systemy suchej emisji zostały opracowane z wtryskiwaczami paliwa lean-premix, specjalną technologią spalania i kontrolą w celu zmniejszenia emisji NOx i CO poprzez tworzenie niższych maksymalnych temperatur płomienia i pełniejsze utlenianie paliw węglowodorowych. Wszyscy producenci przemysłowych turbin gazowych mają suche produkty o niskiej emisji. Wydajność różni się w zależności od produktu ze względu na różnice w konstrukcji palnika.

Te systemy odchudzonego spalania zmniejszają powstawanie NOx i CO do bardzo niskiego poziomu, dzięki czemu nie ma potrzeby stosowania drogich, wymagających dużej konserwacji katalizatorów w celu wyeliminowania NOx i CO po ich powstaniu. W obszarach o bardzo wysokim poziomie zanieczyszczenia, może być konieczne zastosowanie w niektórych turbinach gazowych selektywnych katalizatorów w celu dalszego obniżenia poziomu NOx i CO. Paliwem z wyboru dla turbiny gazowej jest czysty, suchy gaz ziemny, który wytwarza najczystsze spaliny.

Ciepło wylotowe

Turbiny gazowe mają większość strat ciepła z cyklu wychodzącego przez spaliny. Ciepło to może być odzyskane i wykorzystane do zwiększenia ogólnej sprawności cieplnej spalanego paliwa. Najczęstszą metodą wykorzystania ciepła spalin jest produkcja pary.

Użyj tej sekcji do cytowania pozycji powołanych w tekście, aby pokazać swoje źródła.

Opracowania warte uwagi w OnePetro

Użyj tej sekcji do wymienienia opracowań w OnePetro, które czytelnik chcący dowiedzieć się więcej powinien przeczytać

Użyj tej sekcji do podania linków do odpowiednich materiałów na stronach innych niż PetroWiki i OnePetro

Zobacz także

Prime movers

Silniki recyrkulacyjne

PEH:Prime_Movers

.