Чому підтримання прохолоди підтримує високі результати

Піт Макгіган

Газові турбіни (ГТ) працюють при постійному обсязі (сподіваємось) дуже чистого повітря. Однак саме щільність цього повітря (вага на одиницю об’єму) є ключовою, якщо ми хочемо підтримувати високі рівні вихідної потужності газової турбіни.

У спекотний літній день повітря розширюється і стає менш щільним (займає більший об’єм при одній і тій же вазі), ніж у більш прохолодний день. Для газових турбін, що працюють при постійному обсязі всмоктуваного повітря, це в результаті призводить до меншої масової витрати повітря до компресора, що значно зменшить продуктивність та вихідну потужність.

Газові турбіни розраховані на продуктивність при 15 ° C (59 ° F), 60% відносної вологості (RH) та при тиску повітря на рівні моря. Якщо ваш GT знаходиться і працює в основному під час таких умов, то ефективність та вихідна потужність, яку ви рекламуєте, - це те, що вам слід очікувати. Якщо вищезазначені умови не виконуються, тоді ви побачите значне відхилення від номінальних значень.

Усі GT мають знижений рівень продуктивності при більш високих температурах (а також на більших висотах). Щоб зрозуміти вплив, можна використати кілька загальноприйнятих правил.

Очікуйте приблизно 0,4% зниження вихідної потужності плюс 0,1% збільшення швидкості нагрівання для кожного підвищення температури навколишнього середовища вище 15 ° C на 1 ° F (0,85 ° C).

Очікуйте приблизно 0,4% зменшення вихідної потужності плюс 0,1% збільшення швидкості нагрівання для кожного дюймового манометра (250 Па) перепаду тиску.

Висота має мінімальний вплив на швидкість тепла, але з кожним збільшенням висоти ділянки над рівнем моря на 1000 футів виникає приблизно 3,5% втрат у вихідній потужності.

Як приклад, якщо температура навколишнього повітря підвищується до 27 ° C (80 ° F), вихідна потужність може впасти до 3% для старих `` каркасних '' двигунів із ступенем стиснення

10 і приблизно 8% для аеродинамічних двигунів із коефіцієнтом стиснення

30. Це зростає до 7% та 17% відповідно, оскільки температури досягають 38 ° C (100 ° F). Коли ви стискаєте цифри, фінансовий вплив цього може бути величезним.

У спекотні дні втрати в турбіні додатково посилюються, оскільки ринковий попит на електроенергію зростає і (як правило) ціна зростає. Споживачі включають кондиціонери в спекотні дні, підвищуючи ціни на енергію до преміум-класу. Дійсно, в пікові періоди ціни на енергію можуть подвоїтися до

100 доларів за МВт-год або вище, що робить це часом, коли енергетичні компанії дійсно хочуть максимізувати випуск і отримати більший прибуток. Однак у багатьох додатках відбувається навпаки, і продуктивність GT знижується через умови навколишнього повітря, а вихідна потужність машини фактично падає.

Найбільш поширеним способом компенсації цього зниження продуктивності є використання додаткових пристроїв, які функціонують для охолодження повітря на вході, протидії падінню щільності та відшкодуванню частки втрат у вихідній потужності.

Аналіз окупності повинен виконуватися за сприяння постачальника технологій, щоб зрозуміти фінансові вигоди, які може мати впровадження технологій повітряного охолодження. Постачальник технологій може також допомогти визначити найкращі методи охолодження для будь-якого конкретного застосування та/або робочого періоду на основі історичних даних про температуру та вологість навколишнього середовища в місцевій місцевості. Для модернізації вони також можуть надати детальну інформацію про розширення фундаментів та додавання підтримки до будь-якої нової опорної конструкції кулера.

Доступні різні технології для досягнення охолодження повітрозабірника GT, найчастіше на основі випаровування води в повітрі, або за допомогою трубчастих і реберних теплообмінників.

Випаровування води - один із найпростіших і найдавніших способів охолодження повітря. Навіть з усіма сучасними сучасними технологіями, включаючи механічні чилери, абсорбційні чилери та системи накопичення теплової енергії, прості принципи випарного охолодження залишаються економічно ефективним методом контролю температури впуску повітря GT.

Ефективність випарного охолоджувача базується на співвідношенні кількості градусів, якими він може охолоджувати повітря, порівняно із зниженням температури мокрої колби. Ця термінологія може здатися заплутаною, але насправді все це означає різницю між сухою колбою (що є просто іншим терміном для температури навколишнього повітря) і температурою вологої колби (якою буде температура цього повітря, якби воно було 100% насиченим, тобто при 100% відносній вологості (вологість).

Коли повітря проходить через випарну охолоджувальну систему, теплова енергія передається з повітря у воду. Ця передача енергії призводить до випаровування води, а водяна пара потім змішується з повітрям, що проявляється як підвищена вологість. Проте загальна кількість енергії в повітрі залишається незмінною, тому процес можна розглядати як адіабатичний.

Конструкції на основі випаровування води використовують те, що називають прихованою тепловіддачею. Це коли тепло передається від однієї речовини (гарячого повітря) без відповідного підвищення температури іншої речовини (введеної води). У цій заявці інша речовина (вода) замість цього змінює агрегатний стан з рідини на газ, коли вона випаровується, таким чином, термінологія „охолодження випаровуванням“.

Найчастіше використовувані випарні системи охолодження використовують «змочений» середовище. У цьому типі системи вхідне повітря GT проходить через банк змочених водою випарних охолоджувальних середовищ. Випаровування частини води, що міститься в середовищі, знижує температуру сухого шару повітря. Ступінь сепаратора вологи знаходиться безпосередньо за потоком носія, функція якого полягає у видаленні будь-яких крапель рідкої води, які можуть знову потрапити в повітряний потік. Охолоджувальне середовище, через яке проходить вхідне повітря, зазвичай розташоване між відділенням вхідного фільтра та впускним отвором перед глушителем. Додатковий затвор використовується для розміщення резервуара подачі охолоджуючої води, насосів, регуляторів та системи відбору проб якості води (продування). Для більших систем резервуар для живильної води (який іноді називають відстійником) може бути розміщений безпосередньо під наборами медіабанків.

Системи випаровування зволожених середовищ пропонують найбільші переваги в жаркому, сухому кліматі та/або на великій висоті, де повітря розріджене. Вони є найбільш широко використовуваним і перевіреним рішенням для зменшення втрат газових турбін при високих температурах і можуть запропонувати низькі початкові інвестиційні витрати та невелике допоміжне енергетичне навантаження.

Ефективність випаровування безпосередньо контролюється часом контакту між потоком повітря та вологим середовищем. Час контакту є функцією швидкості потоку повітря та ефективної площі середовища. Чим довше повітря залишається в контакті із середовищем, тим більше охолодження може бути досягнуте за рахунок випаровування. Максимальна ефективність насичення може бути отримана шляхом максимізації площі контакту при збереженні відносно низьких швидкостей потоку повітря. Низькі швидкості, як правило, є функцією розміру фільтрувального будинку, тому необхідний збалансований компроміс, щоб прийняти рішення про найефективніше загальне рішення.

Для роботи системи потрібні великі кількості води, і тому вона повинна бути легко доступною як місцева комунальна служба або через резервуари для зберігання на місці. Вода також повинна бути відносно чистої якості, щоб захистити газову турбіну від корозії та утворення накипу та допомогти зменшити частоту технічного обслуговування випарної охолоджувальної системи та середовищ.

Вода завжди містить певну кількість розчинених мінералів, якщо її не обробляти і не називати демінералізованою (про це далі). Процес випарного охолодження видаляє рідку воду з рециркуляційного потоку і залишає за собою тверді речовини, які були розчинені у воді, коли її додавали як макіяж. Відповідно, для рециркуляційних систем необхідно здувати (видаляти) достатню кількість води з рециркуляційного потоку, щоб контролювати рівень цих твердих речовин і уникати накопичення нерозчинних мінералів на поверхні прокладки середовища (також відоме як накип), яке призводить до збільшення перепаду тиску та втрати ефективності випаровування. Продування - це функція швидкості випаровування та циклів концентрації. Хімічність відстійника встановлюється шляхом визначення максимальних циклів концентрації, які може пройти косметична вода перед необхідністю змінити.

Інша основна методологія охолодження на основі випаровування води, що використовується для охолодження GT, полягає в тому, що атомізована вода розпорошується безпосередньо у повітрозабірник. Це називається "туманом". Затуманення - це спосіб охолодження, при якому демінералізована вода перетворюється у «туман» за допомогою масивів форсунок, що розпилюють, що працюють при високих тисках. Туман, який складається з мільярдів дрібних крапель, змішується з гарячим навколишнім повітрям і випаровується. Це випаровування знову є прихованим процесом теплопередачі, внаслідок чого температура навколишнього повітря знижується. Потрібно бути обережним із запотіванням, оскільки форсунки-форсунки схильні до зносу, що збільшує розмір крапель і може збільшити ризик ерозії крапель на лопатках компресора GT, а також знижує ефективність тепловіддачі. Важливо також переконатися, що не відбувається «надмірного розпилення». Цей термін використовується, коли утворюється туман не має достатньо часу для взаємодії з повітрям і повного випаровування або коли вводиться більше води, ніж насправді потрібно для підвищення відносної вологості до 100%.

Забруднення системи вхідного повітря газової турбіни та компресора відбуватиметься з недостатньою якістю води для обох методів охолодження на основі випаровування води. Для систем запотівання демінералізована вода необхідна для обмеження закупорки форсунок розпиленням, і не застосовується рециркуляція води, однак для конструкцій, що змочуються, "продування" або постійне відбирання проб (зазвичай) рециркуляційної води необхідне для забезпечення якості води достатньо чистий і доливається за необхідності.

Якщо використовується будь-яка з цих технологій, температура повітря не може бути знижена нижче температури вологих колб (що, якщо згадати раніше, це температура, коли повітря повністю насичене, тобто при 100% відносній вологості). Потім важливо також усвідомити, що ефективність цих систем обмежена, якщо місцевий рівень вологості навколишнього середовища вже високий, оскільки повітря для початку вже містить підвищений рівень вологи. Поліпшення, які слід мати, безпосередньо пов'язані з дельтою між вологістю навколишнього середовища та цим 100% вологістю (мокра цибулина). Використання змочених середовищ також збільшує перепад тиску в системі, зазначаючи, що спосіб використання та обслуговування технології означає, що її можна (і потрібно) видаляти в прохолодну пору року, коли це не потрібно. Перепад тиску, пов'язаний із системами запотівання, є мінімальним.

Іншим основним методом охолодження повітря для застосувань повітря GT є використання теплообмінних «котушок».

Системи охолодження котушок охолоджувача працюють як радіатор в машині. Прохолодна рідина протікає по трубках і випромінюється на вхід за допомогою ребер, які охолоджують навколишнє повітря на вході, видаляючи з нього водяну пару. Ця технологія не залежить від місцевої вологості навколишнього середовища і може знизити температуру повітря нижче температури вологих колб. Однак це рішення додає дуже велике паразитне навантаження, яке, як правило, може становити близько третини досягнутих коефіцієнтів посилення (кілька тисяч кВт для турбіни потужністю 100 МВт), і збільшує перепад тиску в установці протягом усього року (що негативно впливає на продуктивність GT ), без можливості легкого видалення, коли це не потрібно.

Нижче наведено порівняння технологій із відносними плюсами та мінусами існуючих технологій, які сьогодні застосовуються для охолодження повітря на впуску GT.

Класна окупність (тематичне дослідження)

Щоб продемонструвати своєрідний вхідний термін окупності повітряного охолодження, давайте розглянемо приклад газотурбінної установки в північній Африці. Ділянка має дві турбіни GE 9E і бажає використовувати перевірену технологію випаровування змочених середовищ. Рівень температури та вологості передбачає, що система випаровування працює між 10:00 та 20:00. з червня по вересень. При пікових температурах (максимальне випаровування) для двох об'єднаних агрегатів буде потрібно приблизно 42 м3/год (184 американських метрів на годину) води.

Середнє зниження температури повітря на вході в результаті системи охолодження становить 12 ° C (21 ° F). Це дорівнює приблизно 8,5% зменшених втрат у турбіні. Турбіни 9E мають ISO за потужністю 126 МВт (15 ° C). Якщо передбачається середня потужність 110 МВт, система охолодження економить 9,4 МВт. Оскільки ця економія припадає на пікові періоди, прийняття ціни в 90 доларів США/МВт-год означає, що за один рік (без урахування водопідготовки) система охолодження заощадить:

9,4 МВт x 10 годин x 122 днів x 90 $ = 1032 120 доларів

Для цих умов установки типовий термін окупності всього один рік робить систему випаровування змоченого середовища привабливою опцією. Це передбачає обсяг постачання, включаючи випарну систему охолодження та необхідну несучу конструкцію.

Не є ізольованим компонентом

Повна система впуску повинна враховувати різні аспекти, щоб забезпечити найкращу захист турбіни - як з точки зору її продуктивності, так і від дорогих пошкоджень. Компоненти можуть включати атмосферні впливи та сепаратори вологи, імпульсні системи, якщо рівень пилу високий, фільтри для обробки вологих і сухих забруднень, а також акустичні та охолоджувальні системи на вході. Сама система охолодження вимагає систем перекачування води, розподілу та контролю якості, щоб забезпечити отримання бажаних результатів. Всі вони повинні бути розроблені, щоб забезпечити надійну та надійну роботу на основі місцевих, часто суворих, екологічних умов.

Такі компанії, як Parker (раніше CLARCOR Industrial Air), можуть запропонувати повністю розроблені та спроектовані рішення для охоплення всіх аспектів системи впуску газових турбін. Досвід, знання та досвід у всіх сферах означає, що споживачі можуть мати спокій, що вони отримують оптимальні, надійні та стабільні показники роботи своєї газової турбіни цілий рік.

Резюме

Конструкція та ефект системи впуску газотурбін сильно залежать від місцевих умов навколишнього середовища. Сезонні розбіжності, розташування майданчика, різні забруднення, робочі процедури, критичність доступності турбіни та значення потужності турбіни - все це має значення. Незалежно від використовуваної турбінної технології, менша щільність повітря зменшить вихідну потужність. Такі компанії, як Parker, можуть допомогти клієнтам забезпечити оптимізацію їх системи відповідно до їхніх конкретних вимог щодо встановлення, мінімізуючи збитки та оптимізуючи рівень прибутку.

Піт Макгіган є старшим менеджером з продуктів відділення фільтрації газових турбін у Parker Hannifin.