Predgovor:
U budućnosti će obnovljiva energija biti glavna proizvodnja energije, ali nasumičnost, prekidi i volatilnost same obnovljive energije čine sigurnost i stabilnost električne mreže i sustava opskrbe električnom energijom testiranom. Plinske turbine imaju prednosti male površine, dobre pouzdanosti, visoke učinkovitosti, brzog pokretanja i zaustavljanja itd., te će igrati vitalnu ulogu u prijelaznoj fazi električne mreže.
Trenutno kombinirani ciklus plinske turbine može povećati učinkovitost za oko 20% u usporedbi s jednostavnom konfiguracijom ciklusa. Usvajanjem više temperature izgaranja i poboljšanjem performansi komponenti, učinkovitost proizvodnje električne energije plinske turbine može se značajno poboljšati. S ciljem usmjeravanja razvoja tehnologije plinskih turbina u svijetu, kineska zrakoplovna plinska turbina provela je dubinsko istraživanje kako bi dodatno poboljšala učinkovitost proizvodnje električne energije plinske turbine i sastavila ovaj dokument kako bi potaknula korisnije razmišljanje u industriji.
Termodinamički ciklus
Danas većina plinskih turbina u svijetu radi u jednostavnom ciklusu, a samo nekoliko plinskih turbina koristi kompresore za međuhlađenje, ponovno zagrijavanje (sekvencijalno izgaranje) ili unutarnju povrat topline kroz regenerator. Jednostavan ciklus zahtijeva višu ulaznu temperaturu i veće performanse komponenti, a učinkovitost svake generacije plinske turbine bit će malo poboljšana. Međutim, za povećanje učinkovitosti potrebno je stalno poboljšavati tehnologiju. S obzirom na velike zahtjeve termodinamike i znanosti o materijalima, o poboljšanju ove učinkovitosti potrebno je raspravljati s ekonomskog aspekta. Na temelju toga, u industriji su se čuli neki glasovi - drugi ciklusi, kao što je vrući Braytonov ciklus, bit će uzeti u obzir za buduće plinske turbine kombiniranog ciklusa kako bi se postigla slična učinkovitost bez postizanja tako visoke temperature. Potrebno je dodatno istražiti utjecaj nazivnih i izvandizajniranih uvjeta na performanse ciklusa, rad plamenika, upravljanje protokom hlađenja, upravljanje toplinom turbine i važnu fleksibilnost.
Projektiranje plinovoda
Trenutačno je projektiranje plinskog puta kompresora i turbine u plinskoj turbini postiglo razinu rafiniranosti jezgrenog izentropskog protoka (strujanje od prstena). Visoko trodimenzionalne lopatice dobivene višestrukom optimizacijom sada se široko koriste, što rezultira neviđenom aerodinamičkom učinkovitošću. Daljnje poboljšanje unutarnje učinkovitosti bit će umjereno, posebno u kompresoru.
Ipak, neki sekundarni tokovi mogu dodatno poboljšati učinkovitost. Kontrola zazora turbine je jedna od njih. Procjenjuje se da je moguće postići povećanje učinkovitosti kombiniranog ciklusa od 0,25% putem aktivnog sustava kontrole klirensa. Sustav aktivne kontrole zazora može se koristiti za nadogradnju novih plinskih turbina i postojećih uređaja; Neki od njih ovise o aksijalnom pomaku rotora, dok drugi rade radijalno. Bez obzira koja se metoda usvoji, suočava se s izazovom distribucije prijelazne temperature motora. Na ove izazove utječu promjene opterećenja i češće se pokreću ili zaustavljaju. Budući sustav mora moći dodatno smanjiti protok curenja na kraju kompresora i izbjeći fizički kontakt između rotirajućih i nepomičnih dijelova.
Sustav hlađenja
Oko 20% protoka kompresora ispušta se iz putanje plina kako bi se ohladio i zatvorio (visokotlačni) vrući dio motora. Većina ih se koristi za hlađenje lopatica turbine prvog stupnja. U korijenu putanje plina u visokotlačnom dijelu turbine, udisanje vrućeg plina također može dovesti do mehaničkog kvara i aerodinamičkog gubitka. Kada se visokonapregnuti dijelovi plinske turbine (kao što je disk rotora) pregriju zbog vrućeg plina usisanog iz putanje plina, može doći do mehaničkog kvara. Brtva ruba obično ispušta zrak za hlađenje/brtvljenje iz kompresora zajedno s unutarnjom brtvom kako bi spriječila njegov protok u šupljinu, ali to će također smanjiti učinkovitost plinske turbine. Zrak koji se ispušta iz kompresora smanjit će toplinsku učinkovitost, a što je još važnije, interakcija između izlaza i protoka jezgre na putu plina dovest će do daljnjeg gubitka snage. Na ove pojave također utječe prijelazni rad, jer će promijeniti raspodjelu tlaka i temperature svih relevantnih protoka, kao i toleranciju brtvenih elemenata.
Stoga su poboljšani dizajn sekundarnog puta plina, višestruka optimizacija topologije i aktivna kontrola protoka hlađenja područja koja trebaju daljnja istraživanja kako bi se dodatno poboljšala izvedba postojećih i novih plinskih turbina.
Donja cirkulacija
Moderni generator pare s povratom topline stvara paru na razini tlaka i kombinira je. Trenutno može povratiti što je moguće više energije kada je to tehnički izvedivo. Ograničeno najnižom temperaturom dimnjaka, to će uzrokovati kondenzaciju u protoku dimnih plinova. Iz perspektive drugog zakona (tj. oštećenja od eksergije), superkritični visokotlačni isparivač može smanjiti ovu ireverzibilnost, ali povezani trošak možda neće biti nadoknađen marginalnim poboljšanjem performansi (procjenjuje se da točka učinkovitosti kombiniranog ciklusa najnaprednijih tehnologija je 0.5 postotnih bodova).
Višetlačni generator pare s povratom topline (HRSG) privlači najveću pozornost na niskoj temperaturi ispuha plinske turbine. Kada se tlak smanji s jednog tlaka na višestruki tlak, performanse se povećavaju s temperaturom, a kada je temperatura vrućeg plina (ulaz HRSG) oko 700 stupnjeva, razlika između dva rasporeda nestaje. S porastom temperature ispuha plinske turbine (sada preko 650 stupnjeva ) i ekonomskim troškovima elektrana kombiniranog ciklusa koje moraju raditi s nižim koeficijentom kapaciteta, moglo bi biti moguće usvojiti podkritični jednotlačni donji ciklus ponovnog zagrijavanja.
Dodatne informacije
U sljedećih nekoliko desetljeća učinkovita proizvodnja električne energije elektrana s kombiniranim ciklusom ovisit će o učinkovitosti djelomičnog opterećenja, a ne o nazivnoj radnoj učinkovitosti. Stoga će poboljšanje performansi djelomičnog opterećenja i prijelaznog odziva (prijelaz na veće opterećenje što je brže moguće kako bi se smanjilo vrijeme rada pod niskim opterećenjem) biti ključno za fleksibilnost rada i interese električne mreže. Isto se odnosi i na smanjenje minimalnog opterećenja okoliša plinske turbine, čime se smanjuje broj pokretanja i zaustavljanja, te smanjuje povezana potrošnja goriva, produljuje životni vijek i smanjuju emisije. Sve se to odnosi na poboljšanje ukupne učinkovitosti plinskih turbina s kombiniranim i jednostavnim ciklusom.
