Gasturbinmotorer

Gasturbiner varierar i storlek från mikroturbiner på < 50 hp (37,3 kW) till stora industriturbiner på > 250 000 hp (190 kW). Den här sidan fokuserar på gasturbinmotorn, skillnaderna mellan olika typer av turbiner och saker att tänka på när de används som drivkraft.

Process

Som framgår av figurerna 1 och 2 är den ”öppna” Braytoncykeln den termodynamiska cykeln för alla gasturbiner. Denna cykel består av:

• Adiabatisk kompression
• Konstant tryckuppvärmning
• Adiabatisk expansion

Gasturbinen består av följande komponenter:

• En luftkompressor
• En brännare
• En kraftturbin, som producerar kraft för att driva luftkompressorn och utväxlingsaxeln

• 

  Fig. 1-Simplifierat schema för gasturbiner med enkel cykel.

• 

  Fig. 2-Typisk ”öppen” Braytoncykel för gasturbiner.

Luften kommer in i kompressorns inlopp vid omgivande förhållanden (punkt 1), komprimeras (punkt 2) och passerar genom förbränningssystemet, där den kombineras med bränsle och ”eldas” till cykelns högsta temperatur (punkt 3). Den uppvärmda luften expanderas genom den gasproducerande turbinsektionen (mellan punkterna 3 och 5), där arbetsvätskans energi utvinns för att generera kraft för att driva kompressorn, och expanderas genom effektturbinen för att driva lasten (punkt 7). Luften släpps sedan ut i atmosfären. Ett startsystem används för att få upp luftkompressorn till ett tillräckligt högt varvtal för att leverera luft för förbränning med bränslet som sprutas in i brännaren. En turbins förbränningscykel med kontinuerlig förbränning, i kombination med kontinuerlig rotation av turbinrotorn, möjliggör praktiskt taget vibrationsfri drift samt färre rörliga delar och slitagepunkter än andra drivkrafter.

Konstruktion överväganden och drift

Maximal cykeltemperatur, TRIT

Utgångseffekten hos en gasturbin kan ökas genom att öka den maximala cykeltemperaturen. Den maximala cykeltemperaturen betecknas TRIT, vilket står för turbinrotorens inloppstemperatur. API 616 definierar nominell eldningstemperatur som säljarens beräknade turbininloppstemperatur (TIT) omedelbart uppströms turbinrotorens första steg för kontinuerlig drift vid nominell uteffekt. TRIT beräknas omedelbart uppströms den första turbinrotorn och inkluderar de beräknade effekterna av kylluft och temperaturfallet över de första statorskivorna.

Luftflöde

Utgångseffekten hos en gasturbin kan också ökas genom att öka massflödet av luft genom gasturbinen. Gasturbinens geometri, särskilt kompressorn, och kompressorns hastighet dikterar det grundläggande luftmassflödet. En ökning av flödet kräver en ökning av hastigheten, som är begränsad till den maximala kontinuerliga driftshastigheten för en viss konstruktion. Vid ett givet varvtal ökar luftmassaflödet genom en ökning av lufttätheten i inloppet. Inloppsluftdensiteten ökar direkt med barometertrycket och omvänt med omgivningstemperaturen.

De viktigaste parametrarna som påverkar uteffekten är varvtal och TRIT för en given mekanisk/aerodynamisk konstruktion. En ökning av någon av dessa parametrar ökar gasturbinens utgångseffektkapacitet. Hastighet och temperatur kan dikteras av den utgångseffekt och värmehastighet som önskas inom de begränsningar som följande faktorer medför:

• Komponenternas livslängd
• Kostnad
• Teknisk genomförbarhet

Hastighetsbegränsningar

När en gasturbin blir allt snabbare ökar centrifugalkrafterna på de roterande komponenterna. Dessa krafter ökar påfrestningarna på de roterande komponenterna, särskilt följande:

• Diskar
• Blad
• Bladets fastsättning på skivan

Komponentmaterialen har spänningsgränser som är direkt proportionella mot deras hastighetsgränser och bör inte överskridas. Således är det roterande elementets maximala kontinuerliga hastighet en funktion av:

• Rotorgeometri
• Komponentmaterialegenskaper
• Säkerhetsutformningsfaktorer

Det är det högsta tillåtna varvtalet för kontinuerlig drift.

Temperaturbegränsningar

Ett sätt att öka uteffekten är att öka bränsleflödet och därmed TRIT. När TRIT ökar arbetar komponenterna i den heta sektionen vid högre metalltemperaturer, vilket minskar gasturbinens tid mellan inspektioner (TBI). Eftersom livslängden för material i heta sektioner begränsas av påfrestningar vid höga temperaturer finns det begränsningar för de maximala temperaturerna för en given TBI. Materialets livslängd minskar snabbt vid högre temperaturer. TBI är en funktion av tiden vid TRIT och hastigheten med vilken TRIT förändras under transienter, t.ex. vid uppstart. Gränsen för krypning eller spänningsbrott fastställs av materialegenskaperna som en funktion av deras spänningsnivå och driftstemperatur.

Klassificeringspunkt

En klassificeringspunkt kan fastställas för att bestämma gasturbinens prestanda för specificerade omgivande förhållanden, kanalförluster, bränsle osv.

International Standards Organization definierar sina standardförhållanden som:

• 59°F
• 1,013 bar
• 60% relativ luftfuktighet utan förluster

Detta har blivit en standard ratingpunkt för att jämföra turbiner av olika tillverkare och konstruktioner.

Site rating

Site rating är ett uttalande om den grundläggande gasturbinprestandan under specifika platsförhållanden, inklusive:

• Ambientemperatur
• Höjd
• Kanaltrycksförluster
• Emissionskontroller
• Bränsle. sammansättning
• Avtag av extrakraft
• Luftuttag från kompressor
• Utförd effektnivå

Till exempel, en ökning av omgivningstemperaturen minskar utgångseffekten i en takt som påverkas av gasturbinens utformning.

Inloppslufttemperatur

Fig. 3 relaterar följande till inloppslufttemperaturen vid optimalt turbinvarvtal för ett exempel på gasturbin:

• Utgående effekt
• Bränsleflöde
• Avgastemperatur
• Avgasflöde

• 

  Fig. 3-Utgående effekt i förhållande till kompressorns inloppslufttemperatur.

Höjande av turbinens verkningsgrad

Simpelcykel

Den största delen av den mekaniska energi som turbinen utvinner ur gasströmmen behövs för att driva luftkompressorn, och resten är tillgänglig för att driva en mekanisk belastning. Den energi från gasströmmen som inte utvinns av turbinen avges till atmosfären som värme.

Rekuperativ cykel

I den rekuperativa cykeln, även kallad regenerativ cykel, förvärms kompressorns utloppsluft i en värmeväxlare eller rekuperator, vars värmekälla är gasturbinens avgaser. Den energi som överförs från avgaserna minskar den energimängd som måste tillföras av bränslet. I figur 4 representeras bränslebesparingen av det skuggade området under 2 till 2′. De tre primära konstruktioner som används i stationära rekuperatorer är:

• Plattfinna
• Rörskal
• Primär yta

• 

  Fig. 4-Rekuperad cykel.

Kombinerad cykel

Om en ångbottencykel läggs till Braytoncykeln används avgasvärmen för att producera ytterligare hästkrafter, som kan användas i en gemensam belastning, som visas i fig. 5, eller för en separat belastning. Det skuggade området representerar den extra tillförda energin.

• 

  Fig. 5-Kombinerad cykel.

Luftinloppssystem

Filtrering av inloppsluften. Kvaliteten på den luft som kommer in i gasturbinen är ett mycket viktigt konstruktionsövervägande. Turbinens effektivitet kommer att minska med tiden på grund av avlagringar som byggs upp på turbinens interna flödesväg och roterande blad. Denna ansamling leder till ökat underhåll och ökad bränsleförbrukning. Val och underhåll av rätt inloppsluftfiltreringssystem för de specifika platsförhållandena kommer att påverka hur snabbt effektiviteten minskar med tiden.

Tryckfall

Det är av avgörande betydelse att minimera tryckfallet för den luft som passerar genom: Inloppskanaler Inloppsluftfilter Inloppsljuddämpare (se Bullerdämpning nedan)

Tryckförlusten på den atmosfäriska luft som kommer in i turbinen påverkar i hög grad gasturbinens prestanda.

Ljuddämpning

Ljudet som produceras av en gasturbin finns främst i de högre frekvensområdena, som inte överförs lika långt som det lågfrekventa buller som produceras av långsammare huvudmotorer, t.ex. kolvmotorer. Det mesta högfrekventa buller som produceras av turbinen genereras i luftintaget, med en mindre mängd som kommer från avgaserna. Bullerkällorna och dämpningsmetoderna är följande:

Luftinlopp

Ljuddämparen i inloppet ska vara särskilt utformad för gasturbinens bullerprofil och platsens krav. Denna ljuddämpare installeras i luftintagskanalen mellan luftfiltret och turbinens luftkompressorintag.

Avgas

Avgasljuddämparen ska vara särskilt utformad för gasturbinens bullerprofil och kraven på platsen. Avgasskorstenens höjd tillsammans med ljuddämparen är ett viktigt övervägande. Att släppa ut de heta avgaserna så högt som möjligt minskar det mätbara bullret på marknivå och har dessutom den fördelen att risken för återcirkulation av de heta avgaserna tillbaka till luftintaget minskar. Tryckförlust (mottryck) på turbinens avgasutsläpp påverkar i hög grad gasturbinens prestanda.

Hölje/växellåda/driven utrustning

Ljuddämpande hölje(n) kan installeras direkt över utrustningen, t.ex. skidmonterade walk-in-höljen eller en byggnad som innehåller utrustningen och som är isolerad så att kraven uppfylls, eller bådadera.

Oilkylare

Den vanligaste metoden för att kyla oljan är användning av luftväxlare/fläktkylare. Dessa genererar fläktljud som kan kontrolleras med fläktspetsens hastighet. Användning av skal- och rörvattenkylare kan vara bullereffektivt om kylmediet finns tillgängligt.

Typer av gasturbiner

Turbinkonstruktioner kan särskiljas enligt följande:

• Typ av drift
• Brännartyper
• Axelkonfiguration
• Grad av paketering

Typ av drift

Flygplansturbinmotorer

Flygplansturbinmotorer eller jetmotorer är utformade med en mycket sofistikerad konstruktion för låg vikt specifikt för att driva flygplan. Dessa konstruktioner kräver maximal hästkraft eller dragkraft med minimal vikt och maximal bränsleeffektivitet. Flygplansturbiner har rullager och höga eldningstemperaturer som kräver exotisk metallurgi. De kan drivas med en begränsad variation av bränslen. När en jetmotor används i en industriell tillämpning måste den kopplas till en oberoende kraftturbin för att producera axelkraft.

Tunga industriella gasturbinmotorer

De grundläggande konstruktionsparametrarna för tunga industriella gasturbinmotorer har utvecklats från industriella ångturbiner som har lägre varvtal, tunga rotorer och större höljen än jetmotorer för att säkerställa en längre livslängd. Dessa gasturbiner kan förbränna det bredaste utbudet av flytande eller gasformiga bränslen.

Lätta industriella gasturbinmotorer

De grundläggande konstruktionsparametrar och den teknik som används i flygplansturbiner kan kombineras med några av konstruktionsaspekterna hos tunga industriella gasturbiner för att framställa en lättare industriturbin med en livslängd som närmar sig den hos en tung industriell gasturbin. Dessa motorer kallas lätta industriella gasturbinmotorer.

Förbränningstyper

Radial eller ringformig förbrännare

Denna förbrännare omger gasturbinens roterande delar och är integrerad i motorhuset (fig. 6). Flygplansturbiner och lätta industriella gasturbiner använder denna konstruktion.

• 

  Fig. 6-Typisk utskärning av gasturbin.

Can combustor

Detta är ett system med en eller flera förbränningar som är separerat från den roterande turbinen som externa förbränningsburkar (fig. 7). Konstruktioner som använder denna typ av brännare kan förbränna ett större utbud av bränslen.

• 

  Fig. 7-Typisk gasturbin med burkbrännare (snitt).

Axelkonfiguration

Enkla axlar

Gasturbinen kan ha antingen en konstruktion med en eller två axlar. Konstruktionen med en axel består av en axel som förbinder luftkompressorn, gasproducentturbinen och kraftturbinen som ett roterande element (fig. 1). Denna konstruktion lämpar sig bäst för tillämpningar med konstant hastighet, t.ex. för att driva elektriska generatorer för en konstant frekvens.

Två axlar

Den tvåaxliga konstruktionen har luftkompressorn och gasproducenten på en axel och effektturbinen på en andra oberoende axel. Denna konstruktion ger den hastighetsflexibilitet som behövs för att täcka ett bredare prestandakort för den drivna utrustningen på ett effektivare sätt. Detta gör det möjligt för gasproducenten att arbeta med det varvtal som krävs för att utveckla de hästkrafter som krävs av den drivna utrustningen, t.ex. centrifugalkompressorer eller pumpar. I fig. 6 visas en utskärmning av en typisk gasturbin med två axlar. De viktigaste komponenterna är kompressorn, förbränningssystemet, gasproducentturbinen och kraftturbinen. Denna konstruktion omfattar en tvåstegs gasproducentturbin och en tvåstegs effektturbin.

Grad av paketering

Normen för de flesta gasturbiner som används inom industrin består i att gasturbinen införlivas i en basram/skid med alla de komponenter som krävs för den grundläggande driftsenheten. Detta inkluderar sådana system som:

• Startsystem
• Bränslesystem
• Smörjningssystem
• Lokala styrsystem
• I vissa fall växellådan och den drivna utrustningen

Övrig operativt erforderlig utrustning är alla i allmänhet separata förtillverkade paketerade system som kan tillhandahållas och anpassas av turbintillverkaren. I denna kategori ingår system som t.ex:

• Filtrering/avskärmning av luftinlopp
• Oilkylare
• Fjärrstyrningssystem
• Ljuddämpande kapslingar
• Avgasljuddämpare

Avgasutsläpp

Att atmosfären försämras av gasformiga föroreningar är ett viktigt miljöproblem. Gasturbinens grundcykelkonstruktion ger en renare förbränning och ger upphov till en lägre nivå av föroreningar jämfört med andra drivkrafter, vilket är en stor fördel. De föroreningar från gasturbiner som vanligtvis regleras är:

• Kväveoxider
• Kolmonoxid
• Oförbrända kolväten
• Partiklar
• Svaveldioxid

Lösningen på en del av dessa föroreningsproblem, men inte alla, finns i gasturbinens brännare. En kort diskussion följer nedan.

Kväveoxider (NOx)

Bara två av de sju kväveoxiderna är reglerade: NO och NO2, som tillsammans kallas NOx. Nästan alla utsläppsproblem som rör drivmaskiner har att göra med NOx-produktion och NOx-kontroller. Gasturbinen är relativt ren jämfört med andra drivkrafter. Gasturbiner som förbränner naturgas producerar t.ex. i allmänhet 4-12 gånger mindre NOx per energienhet än vad kolvmotorer producerar. NOx är dock den viktigaste faktorn för att tillåta gasturbinanläggningar.

Kolmonoxid (CO)

CO är också på en mycket låg nivå i turbinavgaser på grund av överskottet av luft i förbränningsprocessen. Därför är det vanligtvis inget problem. I vissa områden där den omgivande CO-nivån är extremt hög eller när vatteninsprutning används för NOx-kontroll i gasturbinen kan CO dock vara en faktor för att få tillstånd.

Oförbrända kolväten (UHC)

Till skillnad från kolvmotorer som producerar en betydande mängd UHC producerar gasturbiner en låg mängd UHC eftersom den stora mängden överskottsluft som ingår i gasturbinens förbränningsprocess förbränner nästan alla kolväten fullständigt. Följaktligen är UHC-utsläpp sällan en viktig faktor när det gäller att få miljötillstånd för gasturbiner.

Partiklar

Ingen partikelmätningsteknik har fulländats som ger meningsfulla resultat på gasturbinavgaser. Detta är sällan en faktor för att få tillstånd för gasturbiner när rena bränslen förbränns i gasturbinen.

Svaveldioxid (SO2)

Nästan all bränsleförbränningsutrustning, inklusive gasturbiner, omvandlar allt svavel som finns i bränslet till SO2. Detta gör SO2 till ett bränsleproblem snarare än ett problem som är förknippat med turbinens egenskaper. Det enda effektiva sättet att kontrollera SO2 är att begränsa mängden svavel i bränslet eller att avlägsna SO2 från avgaserna med hjälp av en våt skrubberprocess.

Emissionskontroll

Behovet av att uppfylla eller överträffa de utsläppsnormer som fastställts av federala, delstatliga och lokala lagar har krävt att tillverkarna av industriella gasturbiner har utvecklat renare turbiner. System för torra utsläpp har utvecklats med bränsleinsprutare med mager förblandning, särskild förbränningsteknik och kontroller för att minska utsläppen av NOx och CO genom att skapa lägre maximala flamtemperaturer och mer fullständig oxidation av kolvätebränslen. Alla tillverkare av industriella gasturbiner har produkter med låga torrutsläpp. Prestandan varierar med den enskilda produkten på grund av skillnader i förbrännarens utformning.

Dessa magra förbränningssystem minskar bildandet av NOx och CO till mycket låga nivåer, vilket gör det onödigt att använda dyra katalysatorer med högt underhåll för att eliminera NOx och CO efter att de bildats. I extrema områden med höga halter kan det i vissa gasturbiner vara nödvändigt att använda selektiva katalysatorer för att ytterligare minska NOx- och CO-nivåerna. Det bästa bränslet för gasturbiner är ren och torr naturgas, som ger de renaste avgaserna.

Avgasvärme

Gasturbiner har större delen av värmeförlusten från cykeln som går ut i avgaserna. Denna värme kan återvinnas och användas för att öka den totala termiska effektiviteten hos det förbrända bränslet. Den vanligaste metoden för användning av avgasvärme är produktion av ånga.

Använd det här avsnittet för citat av objekt som refereras i texten för att visa dina källor.

Anmärkningsvärda artiklar i OnePetro

Använd det här avsnittet för att lista artiklar i OnePetro som en läsare som vill lära sig mer definitivt bör läsa

Använd det här avsnittet för att ge länkar till relevant material på andra webbplatser än PetroWiki och OnePetro

Se även

Prime movers

Preciprocating engines

PEH:Prime_Movers

.