predgovor:
U budućnosti, obnovljivi izvori energije će biti glavna proizvodnja električne energije, ali slučajnost, isprekidanost i volatilnost same obnovljive energije čini da se testira sigurnost i stabilnost električne mreže i sistema napajanja. Plinska turbina ima prednosti malog zemljišta, dobre pouzdanosti, visoke efikasnosti, brzog pokretanja i zaustavljanja, itd., i igrat će vitalnu ulogu u fazi tranzicije električne mreže.
Trenutno, kombinovani režim ciklusa gasne turbine može povećati efikasnost za oko 20% u poređenju sa konfiguracijom jednostavnog ciklusa. Usvajanjem veće temperature sagorevanja i poboljšanjem performansi komponenti, efikasnost proizvodnje energije gasne turbine može se značajno poboljšati. S ciljem razvoja tehnologije plinskih turbina u svijetu, kineska zrakoplovna plinska turbina provela je dubinsko istraživanje kako bi dodatno poboljšala efikasnost proizvodnje energije plinskih turbina i sastavila ovaj rad, kako bi pokrenula korisnije razmišljanje u industriji.
Termodinamički ciklus
Danas većina plinskih turbina u svijetu radi u jednostavnom ciklusu, a samo nekoliko plinskih turbina koristi kompresore za srednje hlađenje, ponovno zagrijavanje (sekvencionalno sagorijevanje) ili interni povrat topline kroz regenerator. Jednostavan ciklus zahteva višu ulaznu temperaturu i veće performanse komponenti, a efikasnost svake generacije gasnih turbina biće blago poboljšana. Međutim, da bi se poboljšala efikasnost, potrebno je stalno usavršavati tehnologiju. S obzirom na visoku potražnju termodinamike i nauke o materijalima, o poboljšanju ove efikasnosti treba ekonomski razgovarati. Na osnovu toga, postojali su neki glasovi koji pozivaju u industriji - drugi ciklusi, kao što je vrući Braytonov ciklus, će se uzeti u obzir za buduće plinske turbine kombiniranog ciklusa kako bi postigle sličnu efikasnost bez dostizanja tako visoke temperature. Neophodno je dalje istražiti uticaj nominalnih i vanprojektovanih uslova na performanse ciklusa, rad gorionika, upravljanje protokom hlađenja, upravljanje toplotom turbine i važnu fleksibilnost.
Projektovanje gasovoda
Trenutno je projektovanje gasnog puta kompresora i turbine u gasnoj turbini postiglo nivo prefinjenosti izentropskog protoka u jezgru (struja od prstena). Visoko trodimenzionalne lopatice dobijene višeciljnom optimizacijom sada se široko koriste, što rezultira neviđenom aerodinamičkom efikasnošću. Dalje poboljšanje unutrašnje efikasnosti će biti umjereno, posebno kod kompresora.
Ipak, neki sekundarni tokovi mogu dodatno poboljšati efikasnost. Kontrola zazora turbine je jedna od njih. Procjenjuje se da je moguće postići povećanje efikasnosti kombinovanog ciklusa od 0.25% kroz aktivni sistem kontrole zazora. Sistem aktivne kontrole zazora može se koristiti za nadogradnju novih gasnih turbina i postojećih uređaja; Neki od njih ovise o aksijalnom pomaku rotora, dok drugi rade radijalno. Bez obzira na to koja metoda je usvojena, ona se suočava sa izazovom distribucije prolazne temperature motora. Na ove izazove utječu promjene opterećenja, te se češće pokreću ili zaustavljaju. Budući sistem mora biti u stanju dodatno smanjiti protok curenja na kraju kompresora i izbjeći fizički kontakt između rotirajućih i nepokretnih dijelova.
Sistem hlađenja
Oko 20% protoka kompresora se ispušta iz gasnog puta kako bi se ohladio i zatvorio (visoki pritisak) vrući dio motora. Većina njih se koristi za hlađenje lopatica turbine prvog stepena. U korenu puta gasa u delu turbine visokog pritiska, udisanje vrućeg gasa takođe može dovesti do mehaničkog kvara i aerodinamičkog gubitka. Kada se dijelovi plinske turbine pod visokim naprezanjem (kao što je disk rotora) pregriju vrućim plinom usisanim iz plinskog puta, može doći do mehaničkog kvara. Zaptivka obruča obično izbacuje vazduh za hlađenje/zaptivanje iz kompresora zajedno sa unutrašnjom zaptivkom kako bi se sprečilo njegovo oticanje u šupljinu, ali to će takođe smanjiti efikasnost gasne turbine. Vazduh koji se ispušta iz kompresora će smanjiti termičku efikasnost, a što je još važnije, interakcija između izlaznog otvora i toka jezgre na putu gasa će dovesti do daljeg gubitka snage. Na ove pojave utiče i prolazni rad, jer će promeniti raspodelu pritiska i temperature svih relevantnih tokova, kao i toleranciju zaptivnih elemenata.
Stoga su poboljšani dizajn sekundarnog puta plina, optimizacija višestruke topologije i aktivna kontrola toka hlađenja područja koja trebaju dalje istraživanje kako bi se dodatno poboljšale performanse postojećih i novih plinskih turbina.
Donja cirkulacija
Savremeni generator pare za rekuperaciju toplote stvara paru na nivou pritiska i kombinuje je. Trenutno, može povratiti što je više moguće energije kada je to tehnički izvodljivo. Ograničeno najnižom temperaturom dimnih plinova, to će uzrokovati kondenzaciju u protoku dimnih plinova. Iz perspektive drugog zakona (tj. eksergijsko oštećenje), superkritični isparivač visokog pritiska može smanjiti ovu nepovratnost, ali povezani trošak možda neće biti nadoknađen marginalnim poboljšanjem performansi (procjenjuje se da je tačka efikasnosti kombinovanog ciklusa najnaprednijeg tehnologija je 0.5 procentnih poena).
Višetlačni generator pare sa povratom topline (HRSG) privlači najveću pažnju pri niskoj temperaturi izduvnih gasova plinske turbine. Kada se pritisak smanji sa jednog pritiska na višepritisak, performanse se povećavaju sa temperaturom, a kada je temperatura vrućeg gasa (HRSG ulaz) oko 700 stepeni, razlika između dva rasporeda nestaje. Sa povećanjem temperature izduva gasnih turbina (sada preko 650 stepeni) i ekonomskim troškovima elektrana sa kombinovanim ciklusom koje moraju da rade sa nižim koeficijentom kapaciteta, možda je moguće usvojiti podkritični ciklus donjeg zagrevanja pod jednim pritiskom.
Dodatne informacije
U narednih nekoliko decenija, efikasna proizvodnja električne energije elektrana sa kombinovanim ciklusom zavisiće od efikasnosti delimičnog opterećenja, a ne od nominalne radne efikasnosti. Stoga će poboljšanje performansi djelomičnog opterećenja i prolaznog odziva (prelazak na veće opterećenje što je brže moguće kako bi se smanjilo vrijeme rada pod malim opterećenjem) biti ključno za fleksibilnost rada i interese električne mreže. Isto vrijedi i za smanjenje minimalnog opterećenja okoliša plinske turbine, čime se smanjuje broj pokretanja i isključivanja, te smanjuje potrošnja goriva, produžava vijek trajanja i smanjuje emisija štetnih plinova. Sve ovo se odnosi na poboljšanje ukupne efikasnosti gasnih turbina sa kombinovanim ciklusom i jednostavnim ciklusom.
