De Pete McGuigan

Turbinele cu gaz (GT) funcționează la un volum constant de aer (sperăm) foarte curat. Cu toate acestea, densitatea acestui aer (greutatea pe unitate de volum) este cea care deține cheia dacă vrem să menținem nivelurile de putere de turbină cu gaz ridicate.

păstrează

Într-o zi fierbinte de vară, aerul se extinde și este mai puțin dens (ocupă mai mult volum pentru aceeași greutate) decât într-o zi mai rece. Pentru turbinele cu gaz care funcționează la un volum constant de aer ingerat, acest lucru are ca rezultat un flux mai mic de masă de aer către compresor, ceea ce va reduce semnificativ performanța și puterea de ieșire.

Turbinele cu gaz sunt evaluate pentru performanță la 15 ° C (59 ° F), 60% umiditate relativă (RH) și la presiunea aerului la nivelul mării. Dacă GT-ul dvs. este localizat în și funcționează în principal în astfel de condiții, atunci eficiența și puterea pe care le vedeți promovate este ceea ce ar trebui să vă așteptați să generați. Cu toate acestea, dacă nu sunt îndeplinite condițiile de mai sus, atunci veți vedea o scădere semnificativă față de valorile nominale.

Toate GT-urile au niveluri de performanță reduse la temperaturi mai ridicate (și, de asemenea, la altitudini mai mari). Câteva reguli obișnuite pot fi folosite pentru a înțelege impactul.

Așteptați o reducere de aproximativ 0,4% a puterii, plus o creștere de 0,1% a ratei de căldură pentru fiecare creștere de 1 ° F (0,85 ° C) a temperaturii ambiante peste 15 ° C (59 ° F).

Așteptați o reducere de aproximativ 0,4% a puterii, plus o creștere de 0,1% a ratei de căldură pentru fiecare manometru de apă (250 Pa) de cădere de presiune.

Altitudinea are un efect minim asupra ratei de căldură, dar pentru fiecare creștere de 1000 de metri a înălțimii amplasamentului deasupra nivelului mării, există o pierdere de putere de aproximativ 3,5%.

Ca un exemplu, dacă temperatura aerului ambiant crește la 27 ° C (80 ° F), puterea poate scădea cu până la 3% pentru motoarele mai vechi cu „cadru” cu un raport de compresie de

10 și aproximativ 8% pentru motoarele aeroderivate cu rapoarte de compresie de

30. Aceasta crește la 7%, respectiv 17%, deoarece temperaturile ajung la 38 ° C (100 ° F). Când strângeți numerele, impactul financiar al acestui lucru poate fi enorm.

În zilele fierbinți, pierderile de producție ale turbinei sunt în continuare agravate, deoarece cererea pieței de energie crește și (de obicei) prețul crește. Consumatorii pornesc unitățile de aer condiționat în zilele fierbinți, ducând la creșterea prețurilor la energie. Într-adevăr, în perioadele de vârf, prețurile la energie se pot dubla

100 USD pe MWhr sau mai mult, ceea ce face din acest moment un moment în care companiile electrice doresc cu adevărat să maximizeze producția și să genereze profituri crescute. Cu toate acestea, în multe aplicații, se întâmplă opusul, iar performanța GT este redusă din cauza condițiilor de aer înconjurător și puterea de ieșire a mașinii scade de fapt.

Cel mai comun mod de a compensa această scădere a performanței este de a utiliza dispozitive suplimentare care funcționează pentru răcirea aerului de intrare, contracarând scăderea densității și recuperând o proporție din pierderile de putere.

O analiză a rambursării ar trebui efectuată cu asistența furnizorului de tehnologie pentru a înțelege beneficiile financiare care trebuie obținute prin introducerea tehnologiilor de răcire a aerului. Furnizorul de tehnologie poate ajuta, de asemenea, la definirea celor mai bune metode de răcire pentru orice aplicație GT dată și/și interval de timp operațional, pe baza datelor istorice ale temperaturii ambientale și umidității din zona locală. Pentru modernizări, aceștia pot oferi, de asemenea, detalii despre extinderea fundațiilor și adăugarea suportului la orice nouă structură de suport mai rece.

Sunt disponibile diferite tehnologii pentru realizarea răcirii cu admisie a aerului GT, cel mai frecvent bazată fie pe evaporarea apei în fluxul de aer, fie prin utilizarea schimbătorilor de căldură în stil tub și aripioare.

Evaporarea apei este una dintre cele mai simple și mai vechi metode de răcire a aerului. Chiar și cu toată tehnologia sofisticată disponibilă astăzi, inclusiv răcitoare mecanice, răcitoare de absorbție și sisteme de stocare a energiei termice, principiile simple ale răcirii prin evaporare rămân o metodă rentabilă pentru controlul temperaturii de admisie a aerului GT.

Performanța unui răcitor evaporativ se bazează pe raportul dintre numărul de grade pe care îl poate răci aerul în comparație cu depresiunea temperaturii becului umed. Această terminologie poate părea confuză, dar într-adevăr tot ceea ce înseamnă este diferența dintre becul uscat (care este doar un alt termen pentru temperatura aerului ambiant) și temperatura becului umed (care este temperatura pe care ar fi acest aer dacă ar fi 100% saturată, adică la 100% umiditate relativă (HR)).

Pe măsură ce aerul trece printr-un sistem de răcire prin evaporare, energia termică este transferată din aer în apă. Acest transfer de energie determină evaporarea apei, iar vaporii de apă se amestecă apoi cu aerul, manifestându-se ca umiditate crescută. Cu toate acestea, cantitatea totală de energie din aer rămâne constantă, astfel încât procesul poate fi considerat adiabatic.

Modelele bazate pe evaporarea apei utilizează ceea ce se numește transfer latent de căldură. Aceasta este atunci când căldura este transferată dintr-o substanță (aerul fierbinte) fără o creștere corespunzătoare a temperaturii în cealaltă substanță (apa introdusă). În această aplicație cealaltă substanță (apă) schimbă în schimb starea fizică din lichid în gaz pe măsură ce se evaporă, astfel terminologia „răcire prin evaporare”.

Cele mai frecvent utilizate sisteme de răcire prin evaporare utilizează un mediu „umed”. În acest tip de sistem, aerul de intrare GT trece printr-un banc de medii de răcire evaporative îmbibate cu apă. Evaporarea unei porțiuni de apă conținută în medii scade temperatura bulbului uscat al aerului. O etapă separatoare de umezeală este situată imediat în aval de banca media, a cărei funcție este de a îndepărta orice picături de apă lichidă care pot deveni re-antrenate în fluxul de aer. Mediul de răcire prin care trece aerul de intrare este de obicei situat între compartimentul filtrului de intrare și plenul de intrare, în amonte de amortizor. O patină suplimentară este utilizată pentru a adăposti rezervorul de apă de răcire, pompele, comenzile și sistemul de eșantionare a calității apei. Pentru sistemele mai mari, rezervorul de apă de alimentare (uneori numit bazin) poate fi amplasat direct sub seturile de bănci media.

Sistemele de evaporare a mediilor umede oferă cel mai mare beneficiu în climă caldă și uscată și/sau la altitudini mari unde aerul este subțire. Acestea sunt soluția cea mai utilizată și dovedită pentru a reduce pierderile turbinei cu gaz la temperaturi ridicate și pot oferi un cost inițial de investiții redus și o sarcină mică de putere auxiliară.

Eficiența evaporării este controlată direct de timpul de contact dintre fluxul de aer și mediul umed. Timpul de contact este o funcție a vitezei fluxului de aer și a zonei medii efective. Cu cât aerul rămâne mai mult în contact cu mediul, cu atât este mai mare răcirea care poate fi realizată prin evaporare. Eficiența maximă de saturație poate fi obținută prin maximizarea zonei de contact, menținând în același timp viteze relativ mici pentru fluxul de aer. Vitezele mici sunt în mod obișnuit o funcție de dimensiunea filtrelor, de aceea este necesar un compromis echilibrat pentru a decide soluția globală cea mai rentabilă.

Cantități mari de apă sunt necesare pentru ca sistemul să funcționeze și, prin urmare, acestea trebuie să fie ușor disponibile ca utilitate locală sau prin rezervoare de stocare la fața locului. Apa trebuie, de asemenea, să fie de o calitate relativ curată pentru a proteja turbina cu gaz de coroziune și formarea de solzi și pentru a ajuta la reducerea frecvenței de întreținere a sistemului de răcire prin evaporare și a mediului.

Apa conține întotdeauna o anumită cantitate de minerale dizolvate, cu excepția cazului în care este tratată și denumită demineralizată (mai multe despre aceasta mai târziu). Procesul de răcire prin evaporare îndepărtează apa lichidă din fluxul de recirculare și lasă în urmă solidele care au fost dizolvate în apă când a fost adăugată ca machiaj. În consecință, pentru sistemele de recirculare, trebuie curățată (îndepărtată) suficientă apă din fluxul de recirculare pentru a controla nivelul acestor solide și pentru a evita acumularea de minerale insolubile pe suprafața tamponului media (cunoscută și sub denumirea de scalare), care are ca rezultat o creștere a scăderii de presiune și o pierdere a eficienței evaporării. Suflarea în jos este o funcție a ratei de evaporare și a ciclurilor de concentrare. Chimia bazinului se stabilește prin determinarea ciclurilor maxime de concentrație prin care poate trece apa de machiaj înainte de a fi necesară schimbarea.

Cealaltă metodă principală de răcire bazată pe evaporarea apei utilizată pentru răcirea GT este atunci când apa atomizată este pulverizată direct în admisia de aer. Aceasta se numește „ceață”. Ceața este o metodă de răcire în care apa demineralizată este transformată într-o „ceață” prin intermediul unor rețele de duze de atomizare care funcționează la presiuni ridicate. Ceața, care constă în miliarde de picături mici, se amestecă cu aerul ambiant fierbinte și se evaporă. Această evaporare este din nou un proces latent de transfer de căldură prin care temperatura aerului ambiant scade. Trebuie să aveți grijă la ceață, deoarece duzele de atomizare sunt predispuse la uzură, ceea ce mărește dimensiunile picăturilor și poate crește riscul de eroziune a picăturilor pe lamele compresorului GT, precum și scăderea eficacității transferului de căldură. De asemenea, este important să vă asigurați că nu se produce „pulverizare excesivă”. Acesta este termenul folosit atunci când ceața generată nu are suficient timp pentru a interacționa cu aerul și pentru a se evapora complet sau când se injectează mai multă apă decât este de fapt necesar pentru a ridica umiditatea relativă la 100%.

Înfundarea sistemului de aer de intrare a turbinei de gaz și a compresorului va avea loc cu o calitate a apei inadecvată pentru ambele metode de răcire pe bază de evaporare a apei. Pentru sistemele de ceață, apa demineralizată este necesară pentru a limita blocarea duzei de pulverizare și nu există o recirculare a apei folosite, totuși pentru proiectele de medii umede, este necesară „evacuarea” sau eșantionarea continuă a apei (în mod normal) recirculate pentru a asigura calitatea apei. suficient de curat și este completat după cum este necesar.

Dacă se folosește oricare dintre aceste tehnologii, temperaturile aerului nu pot fi reduse sub temperatura bulbului umed (care, dacă vă amintiți de mai devreme, este temperatura când aerul este complet saturat, adică la 100% umiditate relativă). Este important să ne dăm seama apoi că eficiența acestor sisteme este limitată dacă nivelurile locale de umiditate ambientală sunt deja ridicate, deoarece aerul conține deja niveluri crescute de umiditate pentru început. Câștigurile de îmbunătățire care trebuie obținute sunt direct legate de delta dintre umiditatea ambientală și această condiție de umiditate 100% (bec umed). Utilizarea mediilor umede crește, de asemenea, presiunea diferențială în sistem, observând că modul în care tehnologia este utilizată și întreținută înseamnă că poate (și ar trebui) să fie îndepărtată în perioadele mai reci ale anului, atunci când nu este necesară. Presiunea diferențială asociată sistemelor de ceață este minimă.

Cealaltă metodă principală de răcire a aerului pentru aplicațiile de admisie a aerului GT este prin utilizarea „bobinelor” schimbătorului de căldură.

Sistemele de răcire a bobinei de răcire funcționează ca un radiator într-o mașină. Fluidul rece curge prin tuburi și este radiat în orificiul de admisie folosind aripioare care răcesc aerul de intrare înconjurător, eliminând vaporii de apă din acesta. Această tehnologie nu depinde de umiditatea ambientală locală și poate reduce temperatura aerului sub temperatura becului umed. Cu toate acestea, această soluție adaugă o sarcină parazitară foarte mare, care poate fi de obicei în jur de o treime din câștigul de ieșire realizat (câteva mii de kW pentru o turbină de 100 MW) și crește presiunea diferențială pe instalație pe tot parcursul anului (ceea ce afectează negativ performanța GT) ), fără capacitatea de a elimina cu ușurință atunci când nu este necesar.

O comparație a tehnologiilor este prezentată mai jos cu avantajele și dezavantajele relative ale tehnologiilor existente utilizate în mod obișnuit pentru răcirea admisiei de aer GT, astăzi.

O rambursare interesantă (studiu de caz)

Pentru a demonstra tipul de intrare a perioadei de rambursare pentru răcirea cu aer, să analizăm un exemplu de instalație de turbină cu gaz în interiorul Africii de Nord. Site-ul are două turbine GE 9E și dorește să utilizeze tehnologia dovedită de evaporare a mediilor umede. Nivelurile de temperatură și umiditate presupun că sistemul de evaporare funcționează între orele 10 a.m. și 8 p.m. din iunie până în septembrie. La temperaturi maxime (evaporare maximă) cele două unități combinate vor necesita aproximativ 42 m3/oră (184 US GPM) de apă.

Scăderea medie a temperaturii aerului de intrare ca rezultat al sistemului de răcire este de 12 ° C (21 ° F). Acest lucru echivalează cu aproximativ 8,5% din pierderea redusă a puterii turbinei. Turbinele 9E sunt calificate ISO la 126 MW (15 ° C). Dacă se presupune o putere medie de 110 MW, sistemul de răcire economisește 9,4 MW. Deoarece această economie are loc în perioadele de vârf, luarea unui preț de 90 USD/MWhr înseamnă într-un an (fără tratamentul apei) sistemul de răcire va economisi:

9,4 MW x 10 ore x 122 zile x 90 USD = 1.032.120 USD

Pentru aceste condiții de instalare, o perioadă tipică de rambursare de doar un an face ca sistemul de evaporare a mediului umezit să fie o opțiune atrăgătoare. Aceasta presupune un domeniu de aprovizionare, inclusiv sistemul de răcire prin evaporare și structura de susținere necesară.

Nu este o componentă izolată

Un sistem complet de admisie trebuie să ia în considerare mai multe aspecte pentru a se asigura că turbina este cel mai bine protejată - atât din punct de vedere al performanței sale, cât și împotriva daunelor costisitoare. Componentele pot include condiții meteorologice și separatoare de umiditate, sisteme de impulsuri dacă nivelurile de praf sunt ridicate, filtre pentru tratarea contaminanților umezi și uscați, precum și sisteme de intrare acustice și de răcire. Sistemul de răcire în sine necesită sisteme de pompare, distribuție și monitorizare a calității apei pentru a asigura obținerea rezultatelor dorite. Toate trebuie să fie proiectate pentru a oferi performanțe robuste și fiabile pe baza condițiilor locale, adesea dure, de mediu.

Companii precum Parker (fostul CLARCOR Industrial Air) pot oferi soluții complet proiectate și proiectate pentru a acoperi toate aspectele unui sistem de admisie a turbinei cu gaz. Experiența, cunoștințele și expertiza în toate domeniile înseamnă că clienții pot avea liniștea minții că obțin performanțe optime, fiabile și consistente de la turbina lor cu gaz pe tot parcursul anului.

rezumat

Proiectarea și efectul unui sistem de admisie a turbinei de gaz depind în mare măsură de condițiile locale de mediu. Variațiile sezoniere, locația amplasamentului, diferiți contaminanți, procedurile operaționale, criticitatea disponibilității turbinei și valoarea producției turbinei intră în joc. Indiferent de tehnologia utilizată de turbină, densitatea mai mică a aerului va reduce puterea. Companii precum Parker pot ajuta clienții să se asigure că sistemul lor este optimizat pentru cerințele lor specifice de instalare, minimizând pierderile și optimizând nivelurile de profit.

Pete McGuigan este senior manager de produs al Diviziei de filtrare a turbinei de gaz de la Parker Hannifin.