Оценка осуществимости систем охлаждения газовых турбин открытого цикла

Газовые турбины являются важнейшими компонентами в электроэнергетике и авиационной промышленности. Их эффективность и надежность в значительной степени зависят от эффективных систем охлаждения. Среди различных методов охлаждения, системы охлаждения газовых турбин с открытым контуром вызвали интерес из-за их простоты и потенциальных выгод от затрат. В этой статье рассматривается возможность внедрения таких систем в современных приложениях, рассматривая термодинамические принципы, соображения проектирования на уровне компонентов, экологические компромиссы и новые технологии, которые формируют их жизнеспособность.

Основные принципы охлаждения Open-Loop

В системе охлаждения газовой турбины открытого цикла извлекается часть сжатого воздуха из разряда компрессора или отдельного потока вентилятора, направляемая через внутренние проходы внутри лопастей турбины, лопаток и саванов, а затем выхлопная прямо в газовый путь.В отличие от конфигураций замкнутого цикла, которые циркулируют через теплообменник, системы открытого цикла используют саму рабочую жидкость в качестве охлаждающей жидкости для одного прохода, прежде чем она смешивается с основным потоком газа и продолжается через ступени турбины.

Фундаментальным термодинамическим преимуществом охлаждения с открытым контуром является его простота. Охладитель всегда свежий, свободный от загрязняющих веществ, которые могут накапливаться в системе рециркуляции, и при температуре, определяемой условиями выхода компрессора. Однако штраф является значительным: охлаждающий воздух представляет собой воздух, который в противном случае можно было бы использовать для сгорания или для производства работы в турбине. Для каждой процентной точки воздуха с разрядом компрессора, используемого для охлаждения, общая эффективность цикла уменьшается примерно на 0,5-1,0 процента в зависимости от температуры и конфигурации обжига. Этот компромисс между защитой компонентов и тепловой эффективностью является центральной проблемой в любой конструкции с открытым контуром.

Эффективность охлаждения системы с открытым контуром определяется соотношением температуры охлаждающей жидкости к температуре горячего газа, коэффициентом теплопередачи между охлаждающей жидкостью и стенкой компонента и внутренней геометрией каналов охлаждения. Современные модели высокоточной вычислительной динамики текучей среды (CFD) позволяют инженерам оптимизировать эти параметры для достижения равномерного охлаждения при минимизации количества необходимого кровоточащего воздуха.

Требования к охлаждению на уровне компонентов

Трубы и ваны

Направляющие лопасти турбины первой ступени и вращающиеся лопасти подвергаются воздействию самых высоких температур газа в двигателе, часто превышающих 1500°С в современных машинах. Без эффективного охлаждения эти компоненты в течение нескольких минут выходят из строя. Охлаждение воздуха в открытом цикле для лопастей и лопастей обычно использует комбинацию внутреннего конвективного охлаждения и охлаждения пленки. Внутренние каналы направляют сжатый воздух через серпантиновые проходы, которые извлекают тепло из металла. Охлаждение пленки затем выбрасывает этот воздух через небольшие отверстия на поверхности лопасти, создавая защитный слой более холодного воздуха между горячим газом и металлом.

Конструкция пленочных охлаждающих отверстий эволюционировала от простых круглых отверстий до формованных слотов в диффузорном стиле, которые улучшают покрытие и уменьшают потери смешивания, которые подрывают эффективность охлаждения. Аддитивные технологии производства теперь позволяют производить сложные внутренние геометрии с формованными охлаждающими каналами, которые следуют за кривизной лезвия, достигая более однородных температур металла и снижая риск горячих точек. Эти достижения непосредственно влияют на осуществимость систем с открытым контуром, позволяя более высокие температуры стрельбы без увеличения фракций кровоточащего воздуха.

Сжигатель и выхлоп

Сжигательный лайнер и переходная часть также получают выгоду от охлаждения с открытым контуром, хотя тепловая нагрузка менее экстремальна, чем в турбинной секции. Сжигатели используют охлаждение с выпотом или охлаждение с зажимом с воздухом, подаваемым из корпуса компрессора. В диффузор выхлопных газов охлаждающий воздух может впрыскиваться для защиты структурных компонентов от теплового излучения нисходящего газового пути. Хотя эти системы менее чувствительны к штрафам за эффективность, чем охлаждение лопастей, они все еще способствуют общему бюджету воздуха с кровотечением и должны быть оптимизированы для минимизации паразитных потерь.

Производительность и эффективность торговых операций

Наиболее значительной проблемой производительности для систем охлаждения с открытым контуром является штраф за кровоточивость компрессора. На типичной крупнокалиберной газовой турбине до 15 процентов воздуха для разряда компрессора может использоваться для охлаждения в условиях базовой нагрузки с температурой стрельбы выше 1400°C. Этот кровоточащий воздух обходит процесс сгорания и работает только на более поздних стадиях турбины после того, как он был нагрет потоком горячего газа. Чистый эффект - снижение выходной мощности и тепловой эффективности по сравнению с идеально охлажденной машиной.

Например, газовая турбина мощностью 100 МВт с 10-процентной фракцией охлаждающего кровотечения может принести в жертву примерно 5 МВт мощности и 2-3 точки тепловой эффективности по сравнению с идеально охлажденным двигателем. Однако реальные двигатели не могут работать без охлаждения, поэтому сравнение с закрытыми или передовыми альтернативами охлаждения. Системы замкнутого цикла, использующие пар или CO2 в качестве охлаждающих веществ, могут уменьшить штраф за кровотечение, потому что охлаждающая жидкость рециркулируется и не разбавляет основной газовый путь. Недавние исследования Американского общества инженеров-механиков (ASME) показывают, что паровое охлаждение замкнутого цикла может повысить эффективность комбинированного цикла на 1-2 процентных пункта по сравнению с воздушным охлаждением открытого цикла при той же температуре стрельбы. Однако капитальные затраты и сложность систем замкнутого цикла значительно выше.

Системы с открытым контуром также сталкиваются с проблемой чувствительности к температуре окружающей среды. В жаркие дни впускной воздух компрессора менее плотный, что уменьшает массовый поток через двигатель и повышает температуру выхода компрессора. Этот более теплый охлаждающий воздух менее эффективен при удалении тепла из компонентов, требуя либо более высоких фракций кровотечения, либо дерации турбины для предотвращения перегрева. В регионах с экстремальными сезонными колебаниями температуры экономическое влияние этих ограничений должно быть учтено в анализе осуществимости.

Сравнение с системами замкнутого цикла

Системы охлаждения замкнутого цикла, также известные как системы косвенного охлаждения, циркулируют охлаждающую жидкость (обычно пар, вода или сверхкритическая жидкость, такая как CO2) через компоненты турбины, а затем через внешний теплообменник перед возвращением в горячую секцию. Охлаждающая жидкость остается отдельной от основного газового пути, что устраняет потери смешивания, присущие охлаждению пленки с открытым контуром. В таблице ниже суммируются ключевые различия между подходами с открытым контуром и замкнутым контуром:

Теплоэффективность: Системы замкнутого цикла достигают на 1-3 процентных пункта более высокой эффективности в конфигурациях комбинированного цикла из-за более низких требований к охлаждению воздуха.

Стоимость капитала: Системы с открытым контуром стоят на 20-40% дешевле, потому что они не требуют внешних теплообменников, насосов или систем обработки охлаждающей жидкости.

Сложность обслуживания: Системы с открытым контуром имеют меньше компонентов, подлежащих износу, и меньше интерфейсов, которые могут протекать, уменьшая нагрузку на техническое обслуживание.

Диапазон работы: Системы замкнутого цикла могут поддерживать эффективность охлаждения в более широком диапазоне температур окружающей среды и условий нагрузки без необходимости дополнительного кровоточащего воздуха.

Экологическое воздействие: Системы с открытым контуром выделяют нагретый воздух непосредственно в выхлопной шлейф, способствуя локализованному тепловому загрязнению и шуму; системы с замкнутым контуром отбрасывают тепло через градирню или конденсатор, которое можно легче смягчить.

Для приложений, где высокая эффективность является главным приоритетом, таких как крупные электростанции с комбинированным циклом, системы с замкнутым циклом часто оправдывают свои дополнительные затраты. Напротив, простые заводы с пиковым циклом и аэропроизводные двигатели, где капитальные затраты и быстрый запуск имеют решающее значение, системы с открытым циклом остаются доминирующим выбором.

Экологические и нормативные аспекты

Системы охлаждения с открытым контуром выделяют нагретый воздух в окружающую среду либо через выхлопную трубу (для турбин с воздушным охлаждением), либо в водоем (для систем с водяным охлаждением). Термическое загрязнение, связанное с этими сбросами, регулируется во многих юрисдикциях. В Соединенных Штатах Агентство по охране окружающей среды (EPA) устанавливает ограничения на структуры водозабора охлаждающей воды в соответствии с разделом 316(b) Закона о чистой воде, и аналогичные правила применяются к тепловым сбросам. В то время как системы с воздушным охлаждением с открытым контуром не связаны с отводом воды, сброс горячих выхлопных газов все еще может вызывать проблемы в соответствии с местными правилами качества воздуха и теплового острова.

Шум, излучаемый вентиляционными отверстиями для охлаждения с открытым контуром, является еще одним экологическим фактором. Высокоскоростные отверстия для охлаждения и клиренсы для кончиков лопастей создают широкополосный аэродинамический шум, который может превышать 90 дБ вблизи корпуса турбины. Меры по снижению шума, такие как акустические корпуса, глушители и перегородки, добавляют стоимость и сложность установке. В густонаселенных или экологически чувствительных районах эти факторы могут сделать системы с открытым контуром менее осуществимыми, чем альтернативы с более низким уровнем шума.

По мере ужесточения требований к устойчивости, потребление воды оборудованием для производства электроэнергии попало под пристальное внимание. Охлаждение воздуха с открытым контуром не использует воду, что является значительным преимуществом в засушливых регионах. Эта характеристика делает системы с открытым контуром привлекательными для электростанций в засушливых районах или там, где права на воду ограничены. Сделка заключается в том, что системы сухих охлаждений (включая охлаждение воздуха с открытым контуром) обычно имеют штраф за эффективность в 2-5 процентов по сравнению с системами с закрытым контуром с водяным охлаждением, которые должны оцениваться в контексте доступности и стоимости местной воды.

Экономическая осуществимость и стоимость жизненного цикла

С экономической точки зрения, осуществимость систем охлаждения с открытым циклом зависит от ожидаемого рабочего профиля, стоимости топлива и интервалов обслуживания. Для заводов с базовой нагрузкой, которые работают более 6000 часов в год, штраф за эффективность охлаждения с открытым циклом приводит к значительным расходам на топливо в течение срока службы установки. Разница в 2 процентных пункта в тепловой эффективности для газовой турбины мощностью 100 МВт, сжигающей природный газ по цене 4 доллара / ММБту, может составлять 500 000 - 800 000 долларов США в дополнительных расходах на топливо ежегодно. В течение 20-летнего периода эта стоимость может превышать первоначальную экономию капитала конфигурации с открытым циклом.

Однако для пиковых установок, работающих менее 2000 часов в год, преимущество капитальных затрат систем с открытым циклом доминирует в экономическом анализе. Более низкие первоначальные инвестиции улучшают доходность капитала и снижают финансовый риск, связанный с колебаниями цен на электроэнергию. Кроме того, снижение сложности обслуживания систем с открытым циклом - отсутствие теплообменников с теплоносителями для очистки, отсутствие насосов для обслуживания и отсутствие уплотнений для замены - может снизить годовые эксплуатационные расходы на 5-10 процентов по сравнению с альтернативами с замкнутым циклом.

Доступность деталей и сервисная поддержка также влияет на целесообразность. Конструкции охлаждения с открытым контуром являются зрелыми и хорошо понятными цепочке поставок. Замена лопастей и лопастей со стандартными шаблонами охлаждающих отверстий легко доступна от нескольких производителей, что позволяет сократить время закупок и повысить цены. Для систем с замкнутым контуром специализированные компоненты, такие как вращающиеся уплотнения, насосы охлаждающей жидкости высокого давления и коррозионно-стойкие трубы, могут быть доступны только от оригинального производителя оборудования (OEM), увеличивая риск задержек в цепочке поставок и перерасхода средств.

Применение в авиации против генерации энергии

В авиационных газовых турбинах охлаждение с открытым контуром практически универсально. Массовые и пространственные ограничения самолета делают системы с замкнутым контуром непрактичными, а короткие рабочие циклы снижают важность долгосрочного повышения эффективности. Военные двигатели, в частности, требуют высоких соотношений тяги к весу и быстрого отклика дроссельной заслонки, которые системы с открытым контуром обеспечивают благодаря своей низкой инерции и непосредственной доступности охлаждающего воздуха. Коммерческие реактивные двигатели постепенно повышают температуры впуска турбины за счет достижений в охлаждении пленки с открытым контуром, при этом современные двигатели, такие как GE9X, достигают уровней эффективности охлаждения, которые были невозможны десять лет назад.

В производстве электроэнергии выбор между открытым и закрытым циклом охлаждения зависит от применения. Крупные установки комбинированного цикла, работающие при базовой нагрузке, предпочитают паровое охлаждение с замкнутым циклом для максимально возможной эффективности. Простые циклические установки, аварийные генераторы и механические приводные турбины для трубопроводов и компрессоров обычно используют воздушное охлаждение с открытым циклом из-за его более низкой капитальной стоимости, более быстрого запуска и более простого обслуживания. Промышленные газовые турбины в когенерации и системах централизованного отопления иногда используют гибридные системы, которые сочетают охлаждение с открытым циклом для горячего участка с замкнутым контуром для рекуперации тепла.

Одной из новых тенденций является использование охлаждения с открытым контуром в небольших модульных газовых турбинах (1-20 МВт), предназначенных для распределенных энергетических ресурсов. Эти установки часто устанавливаются на удаленных или городских объектах, где водоснабжение ограничено, а обслуживающий персонал ограничен. Охлаждение воздуха с открытым контуром устраняет необходимость в обращении с охлаждающей жидкостью, снижает сложность и повышает надежность - факторы, которые часто перевешивают скромную потерю эффективности в этих небольших машинах.

Технологические инновации и будущие направления

Несколько технологических разработок улучшают возможность создания систем охлаждения с открытым контуром. Аддитивное производство (AM) позволяет изготавливать лопасти турбин со сложными внутренними геометриями охлаждения, такими как решетки и разветвленные каналы, которые обеспечивают более эффективный теплообмен с более низкой потерей давления. AM также облегчает производство пленочных охлаждающих отверстий с углами расширения, которые уменьшают кинетическую энергию выходящего охлаждающего агента, тем самым уменьшая потери смешивания. Эти достижения могут снизить требуемую фракцию кровотечения на 10-20 процентов при той же температуре обжига, сужая разрыв эффективности с системами с замкнутым контуром.

Керамические матричные композиты (CMC) представляют собой еще один прорыв. CMC могут работать при температурах на 150-200°C выше, чем никель-сплавы, при этом требуя меньше охлаждающего воздуха. Двигатель GE9X использует турбинные саванны CMC и горючие лайнеры, что позволяет повысить температуру стрельбы без увеличения штрафа за охлаждение. По мере снижения производственных затрат CMC их применение к турбинам для выработки электроэнергии станет экономически жизнеспособным, что еще больше улучшит производительность двигателей с открытым циклом охлаждения.

Гибридные системы охлаждения, которые смешивают функции открытого и закрытого контура, также находятся в стадии разработки. В одной концепции лопасти первой ступени охлаждаются паровой цепью с замкнутым контуром (для захвата области с самой высокой температурой без потерь смешивания), в то время как вращающиеся лопасти используют воздушное охлаждение с открытым контуром (чтобы избежать сложности вращающихся уплотнений для пара). Этот подход может достичь уровней эффективности, близких к полностью закрытым системам контура, сохраняя надежность и простоту конструкции с открытым контуром для наиболее чувствительных к техническому обслуживанию компонентов.

Заключение

Осуществимость систем охлаждения газовых турбин с открытым циклом зависит от конкретных требований каждого приложения - ограничений капитальных затрат, рабочего профиля, цены на топливо, условий окружающей среды, нормативной среды и возможностей обслуживания. Для приложений, где первостепенное значение имеют простота, низкая начальная стоимость и быстрый запуск - такие как пиковые электростанции и авиационные двигатели - системы с открытым циклом остаются наиболее практичным выбором. Достижения в аддитивном производстве, CMC и гибридных архитектурах охлаждения неуклонно снижают эффективность конструкций с открытым циклом, расширяя их диапазон жизнеспособных приложений.

Для установок комбинированного цикла базовой нагрузки, где каждая доля процентного пункта эффективности приводит к экономии топлива на миллионы долларов в течение жизни, системы замкнутого цикла будут продолжать доминировать. Однако разрыв между двумя подходами сокращается, и будущие конструкции турбин могут сочетать в себе лучшие черты обоих. В конечном счете, решение требует тщательной технико-экономической оценки, которая учитывает все факторы, характерные для участка.

Для дальнейшего чтения о технологиях охлаждения газовых турбин и их термодинамических последствиях следующие ресурсы обеспечивают авторитетное руководство: Обзор охлаждения газовых турбин , Технологическая программа Министерства энергетики США и Портфель газовых турбин GE. Отраслевые стандарты Международной организации по стандартизации (ISO) и Американского института нефти (API) также являются ценными ссылками при определении требований к системе охлаждения для конкретного проекта.