Newest Product-, and System Developments for Efficiency Improvement of Gas Turbines
Dr. Emhő László, CEM, EurEng Budapesti Erőmű Rt.
Summary
Dominant product developments:
higher temperatures, new alloys
higher compression-ratios
three dimensional computational fluid dynamics (CFD)
low NOx emission combustion
inlet-vane compressor control Important system developments:
pre-cooling of inlet air
higher efficiency air-filtering Összefoglalás
Domináns gyártmányfejlesztések:
magasabb hőmérsékletek, új ötvözetek
magasabb kompesszió-arányok
háromdimenziós számítógépes áramlástechnikai-méretezés (CFD)
alacsony NOx kibocsátású égés
kompresszor előperdület-szabályozása Fontos rendszerfejlesztések:
belépő levegő előhűtése
magasabb hatékonyságú légszűrés Bevezetés
Energiahatékonyság címszó alatt általában az energiafelhasználás hatékonyságát értjük. Néz-zünk most be egy kicsit a „színfalak mögé”: mit tehetünk a gázturbinát alkalmazó energiater-melés/átalakítás hatékonyságjavítása területén.
Az áram, illetve hőenergia előállítására szolgáló gázturbinák, gázturbina rendszerek mai fej-lettségi fokán azok kialakítása, méretezése, rendszerbe illesztése a termodinamikai és
áram-lástani törvények figyelembevételével szűkebb szakmai körünkben meglehetősen ismert és kiforrott módon történik, [1] [2] [3] így ezek taglalásától most eltekinthetünk.
A gyártó cégek, fejlesztő intézetek éles versenyében persze a gyártmányfejlesztés folyamata nem áll meg. Ezen legújabb törekvésekből emelünk ki az olvasóval/hallgatóval néhányat az előadás első részében.
Gázturbinás rendszerek tekintetében ugyancsak kiforrott megoldásokról lehet beszélni, ami persze nem zárja ki, hogy a rendszertervezők legjobb ötleteiket is bevihessék a legkülönfélébb megrendelői igények, helyszíni feltételek kielégítésére. Ezek néhány jellemzőjét tárja fel az előadás második része.
Gyártmányfejlesztések
Ebben a körben az egyes részegységek egymáshoz való viszonyának bemutatására tipikusnak vesszük az ABB cég rendszerében alkalmazott 5,96 MW névleges kimenő tengelyteljesítmé-nyű Kawasaki gázturbina átnézeti képét (1. ábra). Itt jól látható az égéslevegőt sűrítő 12 fokozatú kompresszor, illetve a kimenő teljesítményt meghatározó 4 fokozatú turbina-rész, illetve a 6 - üzemanyagként földgázt felhasználó - égő. A szorosan egymásra ható fejlesztések ezen részegységekre összpontosítanak. (A kölcsönhatás könnyen belátható: a magasabb tüze-lési hőmérséklet például igényesebb, ellenállóbb ötvözetek alkalmazását teszi szükségessé a turbina-fokozatokban.)
A modern energetikai célú gázturbinák nagy része csaknem folytonos üzemelés mellett dolgozik.
Így megnövekszik az üzemanyag-költségek jelentősége a gyártmányoptimalizálás során. Ebben a folyamatban a teljes várható - például 20 éves - élettartam során veszik figyelembe a beruházási-, üzemanyag-, üzemelési-, és karbantartási költségek egyensúlyát, összegezését.
A legújabb fejlesztésekről legutóbb a GE számolt be [4]. A cég Power-Gen Europe 2002 kongresszuson és kiállításon bemutatott 9 FB turbinája (2. ábra) minden fokozatában hoz-zájárult a hatásfoknöveléshez.
A turbina egységteljesítménye 412,9 MW, iker elrendezésben 825,4 MW, névleges hatásfoka 58 %. Ez utóbbi ezen a fejlettségi szinten jelentős, 1,3 %-os növekményt takar az előző típus-hoz képest.
A fejlesztés során az eredetileg 1260ºC tüzelési hőmérsékletet 1370ºC-ra emelték. Ehhez háromdimenziós számítógépes áramlástechnikai (CFD) programot vettek igénybe, ezzel opti-malizálták a gázáramlást, növelve a hatásfokot, csökkentve a hűtőlevegő-szükségletet. A tur-bina-rész anyagkiválasztásánál magasabb hőhatás mellett is kellő szilárdságú acélötvözete-ket (N5, GTD 444, stb.) kellett alkalmazniuk, úgy a háznál, mint a 3 lapátsornál, illetve a kompresszor nagynyomású részének megcsapolásából származó hűtőlevegőt bejuttató fúvó-káknál.
„Tisztább energia” elérésére alacsony NOx kibocsátású kettős (gázhalmazállapotú és alacsony kéntartalmú olaj-tüzelőanyagokat felhasználó) égőrendszert fejlesztettek ki, amely földgáz-tüzelésnél, víz-, vagy gőzbefecskendezés nélkül max. 25 ppm NOx emissziót jelent. A turbi-naházhoz tompaszögben csatlakoztatott égőtér 18 égőt foglal magába.
A kompresszor fejlesztésénél részletesen kimérték az üresjárati-, csúcsterhelési-, és lökés-szerű terhelési üzemi jellemzőket, így állapították meg az elérhető kompresszióviszony nö-velést. Ezen túlmenően a forgórész szerkezeti kialakításához kísérleti úton meghatározták annak hő-tranzienseit is.
A kompresszor végül 18 fokozatú axiál-kivitelű lett előperdület szabályozással, a részterhelési magas hatásfok, a magas kilépő gázhőmérséklet és az alacsony károsanyag kibocsátás eléré-sére. A kompresszor lapátkerekek krómacélból készülnek. A fenti kialakítással a kompresszióviszonyt 15,5:1-ről 18,5:1-re emelhették.
Rendszerfejlesztések
Ezen a téren az égéslevegő előkészítettségének fokozása volt a legfontosabb szempont: elő-hűtéssel, nedves közbenső elő-hűtéssel, a szűrés hatékonyságának fokozásával.
Előhűtés, közbenső hűtés
Tipikus gázturbinaként vegyük a már említett (ISO szerint +15ºC környezeti hőmérséklet mellett) 5,96 MW teljesítményű Kawasaki-gyártmányú egységet. Ennek kimenő tengelytelje-sítménye, illetve hatásfok módosító tényezője a 3. ábra szerint alakul, a környezeti, azaz a kompresszor által beszívott levegő hőmérséklete függvényében. Az ábrából jól láthatóan a kimenő teljesítmény -5ºC hőmérséklet alatt viszonylag állandó, de attól felfelé rohamosan csökken, akár annak 50 %-ára is, míg a hatásfok +10ºC alatti csúcsértékét és állandóságát a fölött annak rohamos, akár 20 %-os csökkenése váltja fel. A környezeti hőmérséklet növeke-désével növekszik a károsanyag kibocsátás is.
Fenti szempontok elsősorban az alaperőművek számára létfontosságúak, de a többi erőmű is természetes igényként törekszik beépített berendezéseiből a maximális teljesítmény és így profit elérésére. Ez erőművi és nemzetgazdasági érdek, ezért a BERT is minden esetben meg-vizsgálja ennek elérhetőségét, többek között az égéslevegő előhűtésének és hatékonyabb szű-résének figyelembevételével.
Adiabatikus hűtésnél (4.a. ábra) a hűtővizet porlasztófejeken át juttatjuk be a légáramlatba:
egyen-, vagy ellenáramban, vagy a kettő kombinációjával. A szokásos üzemi víznyomás a legújabb fejlesztésű fúvókáknál már 70-240 bar közé esik. Ilyen elrendezésnél a képződő víz-köd 20 mikron átmérőjű finom szemcsékből áll.
Ennél a hűtési módnál a beszívott 30ºC/40 % (nyári tervezési) légállapotú levegő „h” entalpi-ája változatlan marad, miközben hőmérséklete 21ºC-ra csökken (5. ábra, nedves levegő hx-diagram „a” állapotváltozási egyenes), relatív nedvességtartalma (közel) 100 %-ra, abszolút nedvességtartalma pedig 10,5 g/kg-ról 15,5 g/kg-ra nő.
A rendszer viszonylag egyszerű, alacsony költség-igényű, és kevés karbantartást igényel.
Meglévő gázturbinákhoz akár 1-2 nap alatt is beépíthető, légoldalon viszonylag kis ellenállás növekedést okoz.
Adiabatikus közbenső-hűtésnél a porlasztófejek közvetlenül a kompresszorfokozat(ok)ba juttatják a hűtővizet, ezzel csökkentve a kompressziós veszteséget.
Felületi hűtésnél a légáram útjába hőcserélőt helyezünk, amelybe közvetlenül ott elpárolgó hűtőközeget (R 22, R 134a, R 407, stb.), vagy közvetítőközegként vizet juttatunk, amelyet zárt körben keringtetve villamos-kompresszoros-, vagy hőenergiával (erőművi esetünkben hulladékhő-energiával) működtetett abszorpciós-folyadékhűtővel hűtünk elő 6-7ºC-ra (4.b.
ábra). A levegő állapotváltozása ekkor az 5. ábra b. állapotváltozási görbéje mentén megy végbe.
Ez a rendszer viszonylag összetett, hely-, és költségigényes, beszerelése hosszabb időt vesz igénybe, bypass-ág nélkül egész éven át jelentős légoldali ellenállás-növekedést okoz.
Előnye viszont, hogy az előkészített levegő akár 15ºC-ra is lehűthető, abszolút nedvességtar-talma alacsony: esetünkben pl. csupán 9,5 g/kg.
A felületi hűtés hűtőenergia-tárolással (4.c.ábra) is összeköthető, figyelembe véve, hogy a kritikus nyári napok legmagasabb hőmérsékletei csak néhány órán át jelentkeznek, így folya-dékhűtőnket pl. 24 órán át üzemeltetve annak jóval kisebb lehet a hűtőteljesítménye azonos hűtőteljesítmény-igény esetén.
Hidegvizes tárolás esetén az előbb már említett 15ºC léghőrmérsékletet érhetjük el, míg jég-akkumulációnál akár 5-10ºC-t is (5. ábra c. görbe).
A különféle hűtési módok amerikai esettanulmányok [5] szerint 3-4 év körüli egyszerű megté-rülési időket mutattak.
Továbbfejlesztett légszűrés
Fokozott légszűréssel ugyancsak növelni tudjuk rendszerünk teljesítményét, hatásfokát.
Az un. nanofiber technológia [6] - amelynek egyik első megvalósítója az amerikai Donaldson cég 0,04÷2,5 mikron részecske tartományban 80-97 % leválasztási fokot biztosít, ezzel jelen-tősen csökken a kompresszor-lapátok elpiszkolódása (alacsony fouling-tényező).
Összefoglalás
Gázturbinák legutóbbi gyártmányfejlesztését a tüzelési hőmérsékletek emelése, a magasabb hőállóságú ötvözetek felhasználása, a CFD méretezés, az alacsony NOx kibocsátású égőrendszerek, a kompresszióviszony növelése, a kompresszor hatékony előperdület szabályozása jellemzi.
A rendszerfejlesztési törekvésekből az égéslevegő előhűtés és légszűrés hatékonyságnövelése emelkedik ki.
Fentiek céltudatos alkalmazásával egyre hatékonyabb gázturbinák és gázturbina-rendszerek építésére nyílik mód, ezáltal növelve az energiatermelés/átalakítás hatékonyságát. Így javul folyamatosan a Budapesti Erőmű Rt által létesített gázturbinás erőművek hatékonysága is.